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
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。
