基本介紹
- 中文名：計算機數據採集
- 外文名：computer data acquisition
- 學科：計算機
- 套用：石油、汽車、航空航天等
- 系統組成：感測器、放大電路、濾波器等
- 特點：數據進入計算機前進行A/D轉換等
簡介,計算機數據採集系統的組成,感測器,放大器,濾波器,多路模擬開關,採樣 / 保持器,A/D 轉換器,計算機數據採集系統的特點,計算機數據採集系統設計,一般步驟,硬體設計,軟體設計,
簡介
計算機數據採集是計算機信息處理的一個重要組成部分，是通過感測器、變化器等其他外部設備將壓力、溫度、光照強度、濕度等非電量信號轉化為計算機能夠識別的電量，將模擬信號轉化為數位訊號即A/D轉換。這是一門有著極強實用價值的綜合學科，在石油、汽車、航空航天、機械製造等方面有著廣泛的套用。人們可以輕易地通過外部設備對需要的信號進行數據採集、數據處理、數據控制以及數據管理，進而對各種生產活動進行綜合的一體化控制。在生產過程中，對工藝參數進行採集、檢測，為提高產品質量、安全化生產、降低產品成本提供可行的信息支持。在各種科學研究中，通過數據的採集，可以獲得不同的宏微觀、動靜態等數據信息，例如植物生產過程中所需要的溫度、濕度、光照強度等數據信息的採集與處理。
計算機數據採集系統的組成
計算機數據採集系統一般是由感測器、放大電路、濾波器、多路模擬開關、採樣/保持器、A/D轉換器、計算機I/O接口以及定時與控制邏輯電路。感測器的作用是把外界的模擬量轉化為計算機能接受的數字量；放大電路通過電晶體的放大作用，將放大和緩衝輸入信號；濾波器用來衰減噪聲，以提高輸入信號的信噪比；多路模擬開關把多個模擬量參數分時接通，提高電腦工作效率；採樣/保持器是保證了採樣過程中信號的穩定，提高採樣精度；A/D轉換器是把輸入的模擬信號轉變為數位訊號；計算機I/O接口是保證輸入、輸出信號順利傳輸；定時與控制邏輯是控制各元器件的邏輯以及時間關係，保證各元器件能有序地工作。
圖1 計算機數據採集系統硬體基本組成
計算機數據採集系統包括硬體和軟體兩大部分，硬體部分又可分為模擬部分和數字部分。圖1是硬體基本組成示意圖。下面簡單介紹一下計算機數據採集系統的各個組成部分。
感測器
感測器的作用是把非電的物理量轉變成模擬電量 ( 如電壓、 電流或頻率 ) ，例如使用熱電偶、熱電阻可以獲得隨溫度變化的電壓， 轉速感測器常把轉速轉換為電脈衝等。 通常把感測器輸出到 A/D轉換器輸出的這一段信號通道稱為模擬通道。
放大器
放大器用來放大和緩衝輸入信號。 由於感測器輸出的信號較小， 例如常用的熱電偶輸出變化， 往往在幾毫伏到兒十毫伏之間； 電阻應變片輸出電壓變化只有幾個毫伏； 人體生物電信號僅是微伏量級。 因此， 需要加以放大， 以滿足大多數 A/D轉換器的滿量程輸入 5~10 V的要求。
濾波器
感測器和電路中的器件常會產生噪聲， 人為的發射源也可以通過各種捅合渠道使信號通道感染上噪聲， 例如工頻傳號可以成為一種人為的干擾頓。 這種噪聲可以用濾波器來衰減，以提高校擬輸入信號的信噪比。
多路模擬開關
在數據採集系統中， 往往要對多個物理量進行採集， 即所謂多路巡迴檢測， 這可通過多路模擬開關來實現。 多路模擬開關可以分時選通來自多個輸入通道的某一路信號， 因此、 在多路開關後的單元電路．如採樣/保持電路、 A/D 及處理器電路等，只需一套即可，這樣節省成本和體積。 但這僅僅在物理且變化比較緩慢、 變化周朗在數十至數百毫秒之間的情況下較合適。因為這時可以使用普通的數十微秒 A/D轉換器從容地分時處理這些信號。但當分時通道較多時， 必須注意泄漏及邏輯安排等問題； 當信號頻率較高時， 使用多路分路開關後，對 A/D的轉換速率要求也隨之上升。模擬多路開關有時也可以安排在放大器之前，但當輸入的信號電平較低時， 涌注意選擇多路模擬開關的類型。 若選用積體電路的模擬多路開關，由於它比干黃或繼電器組成的多路開關導通電阻大． 泄漏電流大，因而有較大的誤差產生。所以要根據具體情況來選擇多路模擬開關的類型。
採樣 / 保持器
模擬開關之後是模擬通道的轉換部分，它包括採樣/保持和 A/D轉換電路。採樣/保持電路的作用是快速拾取模擬多路開關輸出的子樣脈衝，並保持幅值恆定，以提高 A/D轉換器的轉換精度， 如果把採樣/保持電路放在模擬多路開關之前 ( 每道一個 )，還可實現對瞬時信號進行同時採樣。
A/D 轉換器
採樣/保持器輸出的信號送至模數轉換器， 模數轉換器是模擬輸入通道的關鍵電路。 由於輸入信號變化速度不同，系統對分辨力、精度、轉換速率及成本的要求也不同，所以 A/D 轉換器的種類也較多， 早期的採樣/保持器和模數轉換器需要數據採集系統設計人員自行設計，目前普遍採用單片積體電路，有的單片 A/D轉換器內部還包含有採樣/保持電路、基準電源和接口電路。這為系統設計提供了較大方便。 A/D 轉換的結果輸出給計算機。
計算機數據採集系統的特點
計算機只能處理數字量，絕大多說的執行機構只能接收模擬量，因此需要在數據進入計算機之前將其轉化為數字量（A/D轉換），在其進入執行機構之前將其轉化為模擬量（D/A轉換）。採樣過程中由於計算機的處理速度非常快，而模擬量的變化速度一般情況下都比較慢。因此，往往一台計算機採樣同時控制多個參數，這些參數被計算機控制進行分時採樣。在採集過程中，為了保證採集的不同參數量的獨立性與完整性，需要用不同的開關去控制對應的參數量，而且計算機在某一時候只能接受某一特定的模擬量，再通過多路模擬開關進行切換，使不同的參數量通過不同的支路分時進入計算機，保證了計算機運行的高效性。在數據採集的過程中，如果模擬量的變化，將直接影響到計算機的採樣精度。特別是在同步系統中，多個不相關的參數量取瞬態值的時候，而其A/D轉換又是採用同一台計算機，那么採樣得到的幾個參數量就不是同一時刻的參數量，無法進行數據處理和比較。所以在採樣的過程中就需要輸入到A/D轉換器的模擬量在整個數據採集過程中保持不變，而且要保證在轉換之後，A/D轉換器的輸入信號能夠隨著參數量發生變化。
計算機數據採集系統設計
一般步驟
（1）分析問題和確定任務
在進行系統設計之前， 必須對要解決的問題進行調查研究、 分析論證。 如產品的套用場合、面向的客戶類型等。 在此基礎上，根據實際套用中的問題提出具體的要求，確定系統所要完成的數據採集任務和技術指標， 確定調試系統和開發軟體的手段等。 另外， 還要對系統設計過程中可能遇到的技術難點做到心中有數，初步定出系統設計的技術路線。
（2）確定採樣周期 Ts
採樣周期 Ts 決定了採樣數據的質量和數量。利用採樣定理和系統設指標來確定採樣周期。
（3）系統總體設計
在系統總體設計階段，一般應做以下幾項工作。
1）進行硬體和軟體的功能分配。一般來說， 多採用硬體，可以簡化軟體設計工作，並使系統的速度性能得到改善， 但成本會增加， 同時，也因接點數增加而增加不可靠因素。若用軟體代替硬體功能，可以增加系統的靈活性，降低成本， 但系統的工作速度也降低。要根據系統的技術要求，在確定系統總體方案時進行合理的功能分配。
2）確定微型計算機的配置方案。可以根據具體情況， 採用微處理器晶片、 單片微型機晶片、單板機、標準功能模板或個人微型計算機等作為數據採集系統的控制處理機。 選擇何種機型， 對整個系統的性能、 成本和設計進度等均有重要的影響。
3）操作面板的設計：a、輸人和修改源程式；b、顯示和列印各種參數；c、工作方式的選擇；d、啟動和停止系統的運行。為了完成這些功能， 操作面板一般由數字鍵、 功能鍵、開關、 顯示器件以及印表機等組成。
4）系統抗干擾設計。對於數據採集系統， 其抗干擾能力要求一般都比較高。 因此， 抗干擾設計應貫穿於系統設計的全過程，要在系統總體設計時統一考慮。
硬體設計
硬體設計的任務是以所選擇的微型機為中心， 設計出與其相配套的電路部分， 經調試後組成硬體系統。採用單片機的硬體設計過程。
（1）明確硬體設計任務。為了使以後的工作能順利進行， 不造成大的返工， 在硬體正式設計之前， 應細緻地制定設計的指標和要求， 並對硬體系統各組成部分之間的控制關係、 時間關係等作出詳細的規定。
（2）儘可能詳細地繪製出邏輯圖、電路圖當然，在以後的實驗和調試中還要不斷地對電路圖進行修改，逐步達到完善。
（3）製作電路和調試電路。按所繪製的電路圖在實驗板上連線出電路並進行調試， 通過調試， 找出硬體設計中的毛病並予以排除，使硬體設計儘可能達到完善。調試好之後，再設計成正式的印刷電路板。
軟體設計
（1）明確軟體設計任務
在軟體正式設計之前， 首先必須要明確設計任務。 然後， 再把設計任務加以細緻化和具體化，即把一個大的設計任務， 細分成若干個相對獨立的小任務， 這就是軟體工程學中的 “自頂向下細分 ”的原則。
（2）按功能劃分程式模組並繪出流程圖
將程式按小任務組織成若干個模組程式， 如初始化程式、 自檢程式、採集程式、數據處理程式、列印和顯示程式、列印報警程式等， 這些模組既相互獨立又相互聯繫，低一級模組可以被高一級模組重複調用， 這種模組化、 結構化相結合的程式設計技術既提高了程式的可擴充性，又便於程式的調試及維護。
（3）程式設計語言的選擇
選用何種語言與硬體選擇有關。
（4）調試程式
首先， 對子程式進行調試， 不斷地修改出現的錯誤， 直到把子程式調好為止， 然後再將主程式與子程式連線成一個完整的程式進行調試。其次，調試程式時，在程式中插人斷點，分段運行，逐段排除錯誤。最後，將調試好的程式固化到 EPRO （系統採用微處理器、單板機、單片機時）或存入磁碟（系統採用個人微機時），供今後使用。
