数据采集(DAQ)基础知识

数据采集(DAQ)基础知识本文介绍了数据采集系统的各个组成部分，并解释各个部分最重要的准则。本文也定义了用于基于PC的数据采集系统组成部分的许多通用术语。简介现今，在实验室研究、测试和测量以及工业自动化领域中，绝大多数科研人员和工程师使用配有PCI、PXI/CompactPCI、PCMCIA、USB、IEEE1394、ISA、并行或串行接口的个人电脑（PC）采集数据。许多应用使用插入式设备采集数据并把数据直接传送到计算机内存中，而在一些其它应用中数据采集硬件和PC分离，通过并行或串行接口和PC相连。从基于PC的数据采集系统中获取适当的结果取决于图示一中的各项组成部分：PC、传感器、信号调理、数据采集硬件和软件。1.个人电脑(PC)数据采集系统所使用的计算机会极大地影响连续采集数据的最大速度，而当今的技术已可以使用Pentium和PowerPC级的处理器，它们能结合更高性能的PCI、PXI/CompactPCI和IEEE1394（火线）总线以及传统的ISA总线和USB总线。PCI总线和USB接口是目前绝大多数台式计算机的标准设备，而ISA总线已不再经常使用。随着PCMCIA、USB和IEEE1394的出现，为基于桌面PC的数据采集系统提供了一种更为灵活的总线替代选择。对于使用RS-232或RS-485串口通信的远程数据采集应用，串口通信的速率常常会使数据吞吐量受到限制。在选择数据采集设备和总线方式时，请记住您所选择的设备和总线所能支持的数据传输方式。计算机的数据传送能力会极大地影响数据采集系统的性能。所有PC都具有可编程I/O和中断传送方式。目前绝大多数个人电脑可以使用直接内存访问（Directmemoryaccess，DMA）传送方式，它使用专门的硬件把数据直接传送到计算机内存，从而提高了系统的数据吞吐量。采用这种方式后，处理器不需要控制数据的传送，因此它就可以用来处理更复杂的工作。为了利用DMA或中断传送方式，您的数据采集设备必须能支持这些传送类型。例如，PCI、ISA和IEEE1394设备可以支持DMA和中断传送方式，而PCMCIA和USB设备只能使用中断传送方式。所选用的数据传送方式会影响您数据采集设备的数据吞吐量。限制采集大量数据的因素常常是硬盘，磁盘的访问时间和硬盘的分区会极大地降低数据采集和存储到硬盘的最大速率。对于要求采集高频信号的系统，就需要为您的PC选择高速硬盘，从而保证有连续（非分区）的硬盘空间来保存数据。此外，要用专门的硬盘进行采集并且在把数据存储到磁盘时使用另一个独立的磁盘运行操作系统。对于要实时处理高频信号的应用，需要用到32位的高速处理器以及相应的协处理器或专用的插入式处理器，如数字信号处理（DSP）板卡。然而，对于在一秒内只需采集或换算一两次数据的应用系统而言，使用低端的PC就可以满足要求。在满足您短期目标的同时，要根据投资所能产生的长期回报的最大值来确定选用何种操作系统和计算机平台。影响您选择的因素可能包括开发人员和最终用户的经验和要求、PC的其它用途（现在和将来）、成本的限制以及在您实现系统期间内可使用的各种计算机平台。传统平台包括具有简单的图形化用户界面的MacOS，以及Windows9x。此外，WindowsNT4.0和Windows2000能提供更为稳定的32位OS，并且使用起来和Windows9x类似。Windows2000是新一代的WindowsNTOS，它结合了WindowsNT和Windows9x的优势，这些优势包括固有的即插即用和电源管理功能。2.传感器和信号调理传感器感应物理现象并生成数据采集系统可测量的电信号。例如，热电偶、电阻式测温计（RTD）、热敏电阻器和IC传感器可以把温度转变为模拟数字转化器（analog-to-digital，ADC）可测量的模拟信号。其它例子包括应力计、流速传感器、压力传感器，它们可以相应地测量应力、流速和压力。在所有这些情况下，传感器可以生成和它们所检测的物理量呈比例的电信号。为了适合数据采集设备的输入范围，由传感器生成的电信号必须经过处理。为了更精确地测量信号，信号调理配件能放大低电压信号，并对信号进行隔离和滤波。此外，某些传感器需要有电压或电流激励源来生成电压输出。图2显示了带有NISCXI信号调理配件的典型数据采集系统。图2用于插入式数据采集设备的SCXI信号调理的前端系统信号调理配件可用于各种重要的应用放大功能--放大是最为普遍的信号调理功能。例如，需要对热电偶的信号进行放大以提高分辨率和降低噪声。为了得到最高的分辨率，要对信号放大以使调理后信号的最大电压范围和ADC的最大输入范围相等。又例如，SCXI有多种信号调理模块可以放大输入信号。在临近传感器的SCXI机箱内对低电压信号进行放大，然后把放大后的高电压信号传送到PC，从而最大限度地降低噪声对读数的影响。隔离功能--另一种常见的信号调理应用是为了安全目的把传感器的信号和计算机相隔离。被监测的系统可能产生瞬态的高压，如果不使用信号调理，这种高压会对计算机造成损害。使用隔离的另一原因是为了确保插入式数据采集设备的读数不会受到接地电势差或共模电压的影响。当数据采集设备输入和所采集的信号使用不同的参考地线，而一旦这两个参考地线有电势差，就会带来麻烦。这种电势差会产生所谓的接地回路，这样就将使所采集信号的读数不准确；或者如果电势差太大，它也会对测量系统造成损害。使用隔离式信号调理能消除接地回路并确保信号可以被准确地采集。例如，SCXI-1120和SCXI-1121模块能提供高达250Vrms的共模电压隔离，SCXI-1122能提供高达450Vrms电压隔离。多路复用功能--多路复用是使用单个测量设备来测量多个信号的常用技术。模拟信号的信号调理硬件常对如温度这样缓慢变化的信号使用多路复用方式。ADC采集一个通道后，转换到另一个通道并进行采集，然后再转换到下一个通道，如此往复。由于同一个ADC可以采集多个通道而不是一个通道，每个通道的有效采样速率和所采样的通道数呈反比。例如，1MS/s的PCI-MIO-16E-1采样通道为10个，那么每个通道的有效采集速率大约为：由于模拟信号的模拟SCXI模块采用多路复用技术，一个数据采集设备可以测量多达3,072个信号。使用AMUX-64T模拟多路复用器，您可以使用一个设备来测量256个信号。所有内置有多路复用器的数据采集设备也具备这一特性。滤波功能--滤波器的功能是指在您所测量的信号中滤除不需要的信号。噪声滤波器用于如温度这样直流信号，它可以衰减那些降低测量精度的高频信号。例如，许多SCXI模块在使用数据采集设备对信号数字化前使用4Hz和10kHz的低通滤波器来滤除噪声。如振动这样的交流信号常常需要另一种被称为抗混频的滤波器。像噪声滤波器一样，抗混频滤波器也是低通滤波器；然而，它需要有非常陡的截止速率，从而可以滤除信号中所有高于设备输入波段的频率。如果这些频率没有被滤除，它们将会作为信号错误地出现在设备输入带宽中。专为测量交流信号而设计的设备--NI455x、NI445x和NI447x动态信号采集（DSA）设备，NI6115同步采样多功能I/O设备，SCXI-1141模块都有内置的抗混频滤波器。激励功能--对于某些传感器信号调理也能提供激励源。例如，应力计、热敏电阻器和RTD需要有外部电压或电流激励信号。用于这些传感器的信号调理模块常用来提供激励信号。RTD测量常使用电流源来把电阻上的变化量转化为可测量电压。应力计是阻值非常低的电阻设备，常用于配有电压激励源的惠斯通电桥。SCXI-1121和SCXI-1122有板载的激励源，可配置为电流或电压激励，从而可用于压力计、热敏电阻器或RTD。线性化功能--另一种常见的信号调理功能是线性化功能。许多传感器，如热电偶，对被测量的物理量的响应是非线性的。NI的NI-DAQ、LabVIEW、MeasurementStudio和VirtualBench等应用软件包包含了应用于热电偶、压力计和RTD的线性化功能。您需要了解您的信号的特性，用于测量信号的配置以及系统周围环境的影响。根据这些信息，您才可以确定您的DAQ系统是否需要使用信号调理。3.数据采集硬件(1)模拟输入模拟输入的基本考虑－在模拟输入的技术说明中将给出关于数据采集产品的精度和功能的信息。基本技术说明适用于大部分数据采集产品，包括通道数目、采样速率、分辨率和输入范围等方面的信息。通道数－对于采用单端和差分两种输入方式的设备，模拟输入通道数可以分为单端输入通道数和差分输入通道数。在单端输入中，输入信号均以共同的地线为基准。这种输入方法主要应用于输入信号电压较高（高于1V），信号源到模拟输入硬件的导线较短（低于15ft），且所有的输入信号共用一个基准地线。如果信号达不到这些标准，此时应该用差分输入。对于差分输入，每一个输入信号都有自有的基准地线；由于共模噪声可以被导线所消除，从而减小了噪声误差。采样速率－这一参数决定了每秒种进行模数转换的次数。一个高采样速率可以在给定时间下采集更多数据，因此能更好地反映原始信号。多路复用－多路复用是使用单个模数转换器来测量多个信号的一种常用技术。要了解更多关于多路复用的信息，请参看此文的信号调理章节。分辨率－模数转换器用来表示模拟信号的位数即是分辨率。分辨率越高，信号范围被分割成的区间数目越多，因此，能探测到的电压变量就越小。图3显示了一个正弦波和使用一个理想的3位模数转换器所获得相应数字图像。一个3位变换器（此器件在实际中很少用到，在此处是为了便于说明）可以把模拟范围分为23，或8个区间。每一个区间都由在000至111内的一个二进制码来表示。很明显，用数字来表示原始模拟信号并不是一种很好的方法，这是由于在转换过程中会丢失信息。然而，当分辨率增加至16位时，模数转换器的编码数目从8增长至65,536，由此可见，在恰当地设计模拟输入电路其它部分的情况下，您可以对模拟信号进行非常准确的数字化。图3三位分辨率下正弦波的数字化量程－量程是模数转换器可以量化的最小和最大电压值。NI公司的多功能数据采集设备能对量程范围进行选择，可以在不同输入电压范围下进行配置。由于具有这种灵活性，您可以使信号的范围匹配ADC的输入范围，从而充分利用测量的分辨率。编码宽度－数据采集设备上可用的量程、分辨率和增益决定了最小可探测的电压变化。此电压变化代表了数字值上的最低有效位1（LSB），也常被称为编码宽度。理想的编码宽度为电压范围除以增益和2的分辨率次幂的乘积。例如，NI的一种16位多功能数据采集设备--NI6030E，，它可供选择的范围为0～10V或－10～10V；可供选择的增益：1，2，5，10，20，50或100。当电压范围为0～10V，增益为100时，理想的编码宽度由以下公式决定：模拟输入的重要因素－尽管前面所提到的数据采集设备具有16位分辨率的ADC和100kS/s采样率这样的基本指标，但是您可能无法在16个通道上进行全速采样，或者得不到满16位的精度。例如，目前市场上的某些带有16位ADC的产品所得到的有效数据要低于12位。为了确定您所要用的设备是否能满足您所期待的结果，请仔细审查那些超出产品分辨率的技术指标。评估数据采集产品时，还需要考虑微分非线性度(DNL)、相对精度、仪用放大器的稳定时间和噪声等。微分非线性度（DNL）--在理想情况下，当您提高一个数据采集设备上的电压值时，模数转换器上的数字编码也应该线性增加。如果您对一个理想的模数转换器测定电压值与输出码的关系，绘出的线应是一条直线。这条理想直线的离差被定义为非线性度。DNL是指以LSB为测量单位，和1LSB理想值的最大离差。一个理想的数据采集设备的DNL值为0，一个好的数据采集设备的DNL值应在±0.5LSB以内。对于一个编码应该有多宽，我们没有更多的限制。编码不会比0LSB更小，因此，DNL肯定是小于-1LSB。一个性能较差的数据采集设备可能有一个等于或非常接近零的编码宽度，这意味着会有一个丢失码。对一个有丢失码的数据采集设备无论输入什么电压，设备都无法将此电压量化为丢失码所