如何構(gòu)建數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（一）

前言

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（Data Acquisition System），是指從傳感器和其它待測設(shè)備等模擬和數(shù)字被測單元中自動采集經(jīng)調(diào)理的電量或非電量信號，傳輸至上位機或服務(wù)器中進(jìn)行分析、處理、監(jiān)控以及存儲的整體系統(tǒng)。本章將展現(xiàn)典型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的組成部分，協(xié)助您快速了解數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)構(gòu)建過程中的主要技術(shù)要點與重點。

眾所周知，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是計算機與外部物理世界連接的橋梁，現(xiàn)今已廣泛應(yīng)用于實驗室研究、測試和測量以及工業(yè)自動化領(lǐng)域中。

在構(gòu)建一個基本的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（下圖）時，以下五個部分是必須考慮的：

傳感器

數(shù)據(jù)采集

信號傳輸

分析處理

數(shù)據(jù)存儲

圖： 典型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

1 傳感器

數(shù)據(jù)采集始于要被測量的物理現(xiàn)象，可能是房間的溫度、光源的強度、空間的壓力、應(yīng)用在物體上的力量，或是其它許多現(xiàn)象。一個有效的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可以測量這一切不同的現(xiàn)象。

傳感器是將物理現(xiàn)象轉(zhuǎn)變成可測量信號（電壓或電流）的設(shè)備，例如熱電偶、RTD、熱敏電阻都可以把溫度轉(zhuǎn)變?yōu)锳/D組件可測量的模擬信號。下表是工程項目中所常見的傳感器，以及它們可測量的現(xiàn)象。

為了適合數(shù)據(jù)采集設(shè)備的輸入范圍，由傳感器生成的電信號必須經(jīng)過處理，即通常意義所說的“信號調(diào)理”。下表中列舉了常用傳感器所需的信號調(diào)理，工程師需要在構(gòu)建系統(tǒng)時綜合考慮，選擇最合適的傳感器和數(shù)據(jù)采集設(shè)備。

2 數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集設(shè)備是上位機和外界之間的接口，它的主要功能是將輸入的模擬信號數(shù)字化，使計算機能夠解讀這些信號。如何選擇合適和正確的數(shù)據(jù)采集設(shè)備，這是工程師們在構(gòu)建系統(tǒng)之時須掌握的技能之一，對于數(shù)采設(shè)備而言，主要有以下幾項指標(biāo)需要參考：

通道數(shù)

對于采用單端和差分兩種輸入方式的設(shè)備，模擬輸入通道數(shù)可以分為單端輸入通道數(shù)和差分輸入通道數(shù)。在單端輸入中，輸入信號均以共同的地線為基準(zhǔn)。這種輸入方法主要應(yīng)用于輸入信號電壓較高（高于1 V），信號源到模擬輸入硬件的導(dǎo)線較短（低于15 ft），且所有的輸入信號共用一個基準(zhǔn)地線。如果信號達(dá)不到這些標(biāo)準(zhǔn)，此時應(yīng)該用差分輸入。

采樣速率

這一參數(shù)決定了每秒種進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換的次數(shù)。一個高采樣速率可以在給定時間下采集更多數(shù)據(jù)，因此能更好地反映原始信號。

分辨率/量程

模數(shù)轉(zhuǎn)換器用來表示模擬信號的位數(shù)即是分辨率。分辨率越高，信號范圍被分割成的區(qū)間數(shù)目越多，因此，能探測到的電壓變量就越小（如下圖）。

量程是模數(shù)轉(zhuǎn)換器可以量化的最小和最大電壓值。某些設(shè)備提供商的數(shù)據(jù)采集設(shè)備都能做到對量程范圍進(jìn)行選擇，可以在不同輸入電壓范圍下進(jìn)行配置。由于具有這種靈活性，您可以使信號的范圍匹配ADC的輸入范圍，從而充分利用測量的分辨率。

值得一提的是，分辨率與精度是兩個完全不同的概念，具體的區(qū)別可見本白皮書第三章內(nèi)容。

防護(hù)性

數(shù)據(jù)采集設(shè)備所使用的周圍環(huán)境如果較為復(fù)雜和嚴(yán)苛的情況下，那么在選擇時，工程師需要對設(shè)備的防護(hù)等級進(jìn)行考量。