數據採集

數據採集(DAQ)，是指從感測器和其它待測設備等模擬和數字被測單元中自動採集非電量或者電量信號,送到上位機中進行分析，處理。數據採集系統是結合基於計算機或者其他專用測試平台的測量軟硬體產品來實現靈活的、用戶自定義的測量系統。

基本介紹

• 中文名：數據採集
• 外文名：Data acquisition
• 數據範圍：電力系統
• 採集方式：感測器和計算機

簡介

數據採集，又稱數據獲取，是利用一種裝置，從系統外部採集數據並輸入到系統內部的一個接口。數據採集技術廣泛套用在各個領域。比如攝像頭，麥克風，都是數據採集工具。

被採集數據是已被轉換為電訊號的各種物理量，如溫度、水位、風速、壓力等，可以是模擬量，也可以是數字量。採集一般是採樣方式，即隔一定時間（稱採樣周期）對同一點數據重複採集。採集的數據大多是瞬時值，也可是某段時間內的一個特徵值。準確的數據測量是數據採集的基礎。數據量測方法有接觸式和非接觸式，檢測元件多種多樣。不論哪種方法和元件，均以不影響被測對象狀態和測量環境為前提，以保證數據的正確性。數據採集含義很廣，包括對面狀連續物理量的採集。在計算機輔助製圖、測圖、設計中，對圖形或圖像數位化過程也可稱為數據採集，此時被採集的是幾何量（或包括物理量，如灰度）數據。

在網際網路行業快速發展的今天，數據採集已經被廣泛套用於網際網路及分散式領域，數據採集領域已經發生了重要的變化。首先，分散式控制套用場合中的智慧型數據採集系統在國內外已經取得了長足的發展。其次，匯流排兼容型數據採集外掛程式的數量不斷增大，與個人計算機兼容的數據採集系統的數量也在增加。國內外各種數據採集機先後問世，將數據採集帶入了一個全新的時代。

生產數據

智慧型製造離不開車間生產數據的支撐。在製造過程中，數控工具機不僅是生產工具和設備，更是車間信息網路的節點，通過工具機數據的自動化採集、統計、分析和反饋，將結果用於改善製造過程，將大大提高製造過程的柔性和加工過程的集成性，從而提升產品生產過程的質量和效率。蓋勒普MDC系統幫助企業解決了這一難題。

生產數據及設備狀態信息採集分析管理系統MDC（Manufacturing Data Collection & Status Management）主要用於採集數控工具機和其他生產設備的工作和運行狀態數據，實現對設備的監視與控制，並對採集的數據進行分析處理，也可為MES和ERP等其他軟體提供數據支持。MDC系統是工具機數據採集系統和工具機數據分析處理系統的集成，是具有數據採集，工具機監控，數據分析處理，報表輸出等功能的車間套用管理和決策支援系統。

MDC通過與數控系統、PLC系統、以及工具機電控部分的智慧型化集成，實現對工具機數據採集部分的自動化執行，不需要操作人員的手動輸入，這樣保障了數據的實時性和準確性。在採集數據的挖掘方面，MDC為企業提供了更為專業化的分析和處理，個性化的數據處理和豐富的圖形報表展示，對工具機和生產相關的關鍵數據進行統計和分析，如開機率、主軸運轉率、主軸負載率、NC運行率、故障率、設備綜合利用率(OEE)、設備生產率、零部件合格率、質量百分比等。精確的數據及時傳遞並分散到相關流程部門處理，實時引導、回響和報告車間的生產動態，極大提升了解決問題的能力，推進了企業車間智慧型製造的進程。

目的

數據採集，是指從感測器和其它待測設備等模擬和數字被測單元中自動採集信息的過程。數據採集系統是結合基於計算機的測量軟硬體產品來實現靈活的、用戶自定義的測量系統。

數據採集

數據採集的目的是為了測量電壓、電流、溫度、壓力或聲音等物理現象。基於PC的數據採集，通過模組化硬體、套用軟體和計算機的結合，進行測量。儘管數據採集系統根據不同的套用需求有不同的定義，但各個系統採集、分析和顯示信息的目的卻都相同。數據採集系統整合了信號、感測器、激勵器、信號調理、數據採集設備和套用軟體。

原理

在計算機廣泛套用的今天，數據採集的重要性是十分顯著的。它是計算機與外部物理世界連線的橋樑。各種類型信號採集的難易程度差別很大。實際採集時，噪聲也可能帶來一些麻煩。數據採集時，有一些基本原理要注意，還有更多的實際的問題要解決。

數據採集

假設對一個模擬信號x(t）每隔Δt時間採樣一次。時間間隔Δt被稱為採樣間隔或者採樣周期。它的倒數1/Δt被稱為採樣頻率，單位是採樣數/每秒。t=0，Δt,2Δt,3Δt……等等，x(t）的數值就被稱為採樣值。所有x(0),xΔt),x（2Δt）都是採樣值。根據採樣定理，最低採樣頻率必須是信號頻率的兩倍。反過來說，如果給定了採樣頻率，那么能夠正確顯示信號而不發生畸變的最大頻率叫做奈奎斯特頻率，它是採樣頻率的一半。如果信號中包含頻率高於奈奎斯特頻率的成分，信號將在直流和奈奎斯特頻率之間畸變。

數據採集

採樣率過低的結果是還原的信號的頻率看上去與原始信號不同。這種信號畸變叫做混疊（alias）。出現的混頻偏差（aliasfrequency）是輸入信號的頻率和最靠近的採樣率整數倍的差的絕對值。

採樣的結果將會是低於奈奎斯特頻率(fs/2=50Hz）的信號可以被正確採樣。而頻率高於50HZ的信號成分採樣時會發生畸變。分別產生了30、40和10Hz的畸變頻率F2、F3和F4。計算混頻偏差的公式是：

混頻偏差=ABS(採樣頻率的整數倍－輸入頻率）

其中ABS表示“絕對值”，

為了避免這種情況的發生，通常在信號被採集（A/D）之前，經過一個低通濾波器，將信號中高於奈奎斯特頻率的信號成分濾去。這個濾波器稱為抗混疊濾波器。

採樣頻率應當怎樣設定。也許可能會首先考慮用採集卡支持的最大頻率。但是，較長時間使用很高的採樣率可能會導致沒有足夠的記憶體或者硬碟存儲數據太慢。理論上設定採樣頻率為被採集信號最高頻率成分的2倍就夠了，實際上工程中選用5～10倍，有時為了較好地還原波形，甚至更高一些。

通常，信號採集後都要去做適當的信號處理，例如FFT等。這裡對樣本數又有一個要求，一般不能只提供一個信號周期的數據樣本，希望有5～10個周期，甚至更多的樣本。並且希望所提供的樣本總數是整周期個數的。這裡又發生一個困難，並不知道，或不確切知道被採信號的頻率，因此不但採樣率不一定是信號頻率的整倍數，也不能保證提供整周期數的樣本。所有的僅僅是一個時間序列的離散的函式x(n）和採樣頻率。這是測量與分析的唯一依據。數據採集卡，數據採集模組，數據採集儀表等，都是數據採集工具。

現場採集

對於大部分製造業企業，測量儀器的自動數據採集一直是個令人煩惱的事情，即使儀器已經具有RS232/485等接口，但仍然在使用一邊測量，一邊手工記錄到紙張，最後再輸入到PC中處理的方式，不但工作繁重，同時也無法保證數據的準確性，常常管理人員得到的數據已經是滯後了一兩天的數據；而對於現場的不良產品信息及相關的產量數據，如何實現高效率、簡潔、實時的數據採集更是一大難題。

採集功能

·實時採集來自生產線的產量數據或是不良品的數量、或是生產線的故障類型（如停線、缺料、品質），並傳輸到資料庫系統中；

·接收來自資料庫的信息：如生產計畫信息、物料信息等；

·傳輸檢查工位的不良品名稱及數量信息；

·連線檢測儀器，實現檢測儀器數位化，數據採集儀自動從測量儀器中獲取測量數據，進行記錄，分析計算，形成相應的各類圖形，對測量結果進行自動判斷，如在機械加工零部件的跳動測量，拉力計拉力曲線的繪製等；

採集特點

·配備RS232、RS485串口，可連線多個檢測儀器實現自動數據採集；

·配備USB接口，方便數據的輸出；

·配備RJ45接口，可通過網線接入網路；

·配備VGA視頻輸出及音頻輸出接口；

·內置WIFI模組，可通過無線方式接入，方便現場組網；

·最大支持32G數據存儲空間；

·配備4.3英寸觸控螢幕，方便操作；

·用戶可在網路中的任一PC通過接口獲取數據，方便進行二次開發；

·可移動測量，即時傳輸數據，也可測試完成後，通過網路上傳數據；

·電源連續工作時間6小時，待機時間長達10天；生產現場數據採集在品質過程中的非常重要的一個環節，好的數據採集方案可把品質管理人員從處理數據的繁重工作中解放出來，有更多的時間去解決實際的品質問題，同時即時的數據採集也使系統真正地實現實時監控，儘早發現問題，避免更大的損失。

系統實例

簡介

在一些工業現場中，設備長時間運行容易出現故障，為了監控這些設備，通常利用數據採集裝置採集他們運行時的數據並送給PC機，通過運行在PC機上的特定軟體對這些數據進行分析，以此判斷當前運行設備的狀況，進而採取相應措施。當前常用的數據採集裝置，在其系統軟體設計中，多採用單任務順序機制。這樣就存在系統安全性差的問題。這對於穩定性、實時性要求很高的數據採集裝置來說是不允許的，因此有必要引入嵌入式作業系統。下面以μC/OSⅡ為作業系統平台，基於ARM7系列處理器，對一種高性能的數據採集系統開發進行探索。

數據採集

作業系統簡介

嵌入式作業系統μC/OSⅡ（microcontrolleroperatingsystem）是專為微控制器系統和軟體開發而設計的公開原始碼的搶占式實時多任務作業系統核心，是一段微控制器啟動後首先執行的背景程式，作為整個系統的框架貫穿系統運行的始終。對於對實時性和穩定性要求很高的數據採集系統來說，引入μC/OSⅡ無疑將大大改善其性能。

μC/OSⅡ的特點可以概括為以下幾個方面：公開原始碼，代碼結構清晰、明了，注釋詳盡，組織有條理，可移植性好，可裁剪，可固化。核心屬於搶占式，最多可以管理60個任務。μC/OSⅡ自1992年的第一版（μC/OS）以來已經有好幾百個套用，是一個經實踐證明好用且穩定可靠的核心。對μC/OSⅡ的研究和套用都很多。

系統基本工作原理

套用時，數據採集系統置於被監控的設備處，通過感測器對設備的電壓或者電流信號進行採樣、保持，並送入A/D轉換器變成數位訊號，然後將該信號送到FIFO中。當FIFO中存放的數據到了一定數目時，由ARM7從FIFO中讀出，然後通過ARM7的乙太網接口或者RS232送給上位機。考慮到要監控的設備可能會很多，所以設計了多路採集通道，他們經過模擬開關後再進入A/D轉換器。CPLD是整個系統的控制核心，他控制採集通道的切換、A/D轉換器的啟/停、轉換後的數據在FIFO中的存放地址發生器、產生中斷請求以通知ARM7讀取存放在FIFO中的數據等。

系統硬體結構

該系統採用了Samsung公司的S3C4510B作為系統與上位機溝通的橋樑，S3C4510B是基於乙太網套用系統的高性價比16/32位RISC微控制器，他有如下幾個主要特點：

硬體方面內含一個由ARM公司設計的16/32位ARM7TDMIRISC處理器核，ARM7TDMI為低功耗、高性能的16/32核，最適合用於對價格及功耗敏感的套用場合。S3C4510B通過在ARM7TDMI核內容基礎上擴展一系列完整地通用外圍器件。

片上資源包括2個帶緩衝描述符（bufferdescriptor）的HDLC通道；2個UART通道；2個GDMA通道；2個32位定時器；18個可程式的I/O口。還有中斷控制器；DRAM/SDRAM控制器；ROM/SRAM和FLASH控制器；系統管理器；1個內部32位系統匯流排仲裁器；1個外部存儲器控制器等片內的邏輯控制電路。這些為μC/OSⅡ的移植提供了優良的物理資源。

軟體支持方面他有配套的代碼編輯調試環境ADS12和JTAG線上調試功能，使S3C4510B晶片軟體可以直接用C編寫，這就使μC/OSⅡ的植入成為可能。

12位高速A/D轉換電路採用AnalogDevices的AD574，該電路輸出具有三態鎖存功能。預處理電路包括了電流電壓互感器、隔離電路和同步採樣電路，他可以將信號轉換成與AD574相匹配的量值，供後續處理。通訊電路採用常用的乙太網接口與上位機相連，而232接口可作為備用，這樣該裝置既可作為攜帶型系統使用，也可通過網路來對設備實施實時監控。

軟體設計

軟體部分要分別編寫S3C4510B部分的程式和CPLD控制程式。前者可分為μC/OSⅡ的移植和各個應用程式的編寫，後者用VHDL語言實現。

對於S3C4510B部分，根據整個裝置實現的功能和對他的要求進行系統任務分割，並根據實際需要為各個任務分配優先權。系統大致可分為如下幾個任務：初始化CPLD控制參數；對FIFO的讀取；與上位機的TCP/IP通訊；與上位機的串口通訊。對應每個任務，需要編寫相應的應用程式，軟體設計部分的關鍵技術有：

⑴μC/OSⅡ核心向S3C4510B中的移植，要根據處理器的特點合理地修改μC/OSⅡ的3個與處理器相關的檔案：OS_CPUH，OS_CPU_AASM，OS_CPU_C.C。主要是將檔案中的彙編指令，改為ARM7的彙編指令，並根據CPU的特點對檔案中暫存器的初值進行改寫。

⑵記憶體配置問題。對於存儲器容量的設計，要綜合考慮μC/OSⅡ核心代碼和應用程式代碼的大小。每個任務是獨立運行的，必須給每個任務提供單獨的棧空間（RAM），RAM總量的計算公式為：

RAM總量=應用程式的RAM需求+核心數據區的RAM需求+各任務棧需求之總和+最多中斷嵌套所需堆疊。

⑶TCP/IP協定在μC/OSⅡ中的實現。為了滿足嵌入式設備與Internet網路直接交換信息的要求，在μC/OSⅡ中又移植了LwIP協定棧。

LwIP是瑞士計算機科學院（SwedishInstituteofComputerScience）的AdamDunkels等開發的一套用於嵌入式系統的開放原始碼TCP/IP協定棧。LwIP的含義是LightWeight（輕型）IP協定。LwIP可以移植到作業系統上，也可以在無作業系統的情況下獨立運行。LwIPTCP/IP實現的重點是在保持TCP協定主要功能的基礎上減少對RAM的占用，一般他只需要幾十k的RAM和40k左右的ROM就可以運行，這使LwIP協定棧適合在低端嵌入式系統中使用。

LwIP的特性有：支持多網路接口下的IP轉發；支持ICMP協定；包括實驗性擴展的的UDP（用戶數據報協定）；包括阻塞控制、RTT估算、快速恢復和快速轉發的TCP（傳輸控制協定）；提供專門的內部回調接口（rawAPI）用於提高應用程式性能。

LwIP可以很容易地在μC/OSⅡ的調度下，為系統增加網路通信和網路管理功能。LwIP協定棧在設計時就考慮到了將來的移植問題，他把所有與硬體，OS，編譯器相關的部份獨立出來，放在/src/arch目錄下。因此LwIP在μC/OSⅡ上的實現就是修改這個目錄下的檔案，其他的檔案一般不應該修改。在驅動中主要是根據S3C4510B內的乙太網控制特殊功能暫存器，編寫網路接口的處傳送包、接收包函式，初始化以及用於乙太網控制器的外部中斷服務程式。

產品採購

數據採集器也稱為盤點機或者掌上移動電腦，它的主要特徵是一體性和機動性，具有小巧的體型，較輕的重量，性能完善齊全，可以手持操作。時下用手機掃描條碼將數據錄入智慧型手機當中，可以視為典型一例，實在是方便實用。在實際套用，如何選擇條碼數據採集器呢？

首先，了解數據採集器的基本知識，方能選擇好。其實它就是將掃描及數據實現一體化，由於可通過電池工作，因此數據採集器支持離線操作。它還支持實時採集和顯示、對數據進行儲存、傳輸及處理自動化的功能，使數據準確及時，實用可靠。
選擇條碼採集器設備時候，要知道一般分有手持型和固定型，還分有批處理和無線型。手持的，顧名思義就可以拿在手上移動採集條碼數據的，而固定型則是固定在某一處的。批處理型數據採集器支持USB及串口數據線，與計算機實現通信，支持離線工作。無線數據採集器則是通過無線網路隨時與本地套用伺服器連線並更新。批處理方式在條碼採集完畢之後，通過通訊座向電腦傳輸信息。無線方式則支持與個人計算機實時交換數據。一般情況下，單獨進行批處理的條形碼採集器價格相對無線採集的要低點，選擇哪種類型，這個根據實際使用情況來決定使用那種類型。
選擇數據採集器還應注意容量和速度因素。每當使用數據採集器的時候，會碰到所要採集的數據多少的問題，如果數據量大，則需要選擇大容量的、其實是處理的速度。由於數字電路高端技術的不斷研發，在採集器主要結構中，CPU一般是採用十六或三十二位的處理器，而位數和主頻越高，採集器對數據的採集和處理能力、速度則越強要，工作效率越高。記憶體上則大部分使用的是FLASH-ROM+RAM型，能夠在持久的不供電情況下保留信息，而且較快的讀寫速度保證了操作的高效，記憶體容量的增大使數據一次性處理增快。尤其是數據量比較大的時候，容量和運行速度是事先都要預算好的。是否需要支持大螢幕、大容量電池，一些套用場合需要大點的採集器螢幕，以便使用人員能夠隨時輕鬆查看到數據。同時有些場合需要長時間連續使用，這個時候就要考慮電池的供電能力，能供多長時間就要重新充電。條碼採集設備、顯示屏、CPU都能夠帶來功耗，部分結構可支持電池工作。條碼採集掃描和鍵盤輸入是兩種重要的設備輸入途徑。大部分採集器具備螢幕，根據所需它們還可以支持中英文和圖形的高精度顯示等。
選購數據採集器考慮是否需要編程。更多的時候，在採集器收集到條碼信息後，需要立刻進行處理，換算出直接可看的結果。這就需要在設備基礎上進行二次編程開發了。
選購數據採集器考慮接口。根據實際設備情況選擇條碼數據採集器的接口，一般有串口、紅外口、並口可與多類標準串口、並口設備進行連線傳輸數據，無線的還可以直接傳輸數據。
數據採集器設備應經廣泛套用於貨物出入倉庫和快遞物流，行政和企業管理系統等各個領域。以上就是根據實際經驗所編寫的數據採集器選擇應當注意的幾點事項。

結語

採用基於ARM7的S3C4510B嵌入式微處理器，可以使系統小型化，便於提高性能以及與各種外設連線擴展，同時降低了成本。μC/OSⅡ作為一個原始碼公開的作業系統，在具體套用種穩定可靠。本系統採用ARM7+μC/OSⅡ開發設計，具有精度高、運行穩定、實時性好、抗干擾能力強、性價比高的特點，可以在各種工業場合中廣泛套用，達到了設計的初衷。