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數據采集（DAQ）基礎知識
數據采集(DAQ)基礎知識
現今，在實驗室研究、測試和測量以及工業自動化領域中，絕大多數科研人員和工程師使用配有PCI、PXI/CompactPCI、PCMCIA、USB、IEEE1394、ISA、并行或串行接口的個人電腦（PC）采集數據。許多應用使用插入式設備采集數據并把數據直接傳送到計算機內存中，而在一些其它應用中數據采集硬件和PC分離，通過并行或串行接口和PC相連。從基于PC的數據采集系統中獲取適當的結果取決于圖示一中的各項組成部分：
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PC
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傳感器
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信號調理
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數據采集硬件
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軟件
本文介紹了數據采集系統的各個組成部分，并解釋各個部分最重要的準則。本文也定義了用于基于PC的數據采集系統組成部分的許多通用術語。
二、個人電腦(PC)
數據采集系統所使用的計算機會大大地影響連續采集數據的最大速度，而當今的技術已可以使用Pentium和PowerPC級的處理器，它們能結合更高性能的PCI、PXI/CompactPCI和IEEE1394（火線）總線以及傳統的ISA總線和USB總線。PCI總線和USB接口是目前絕大多數臺式計算機的標準設備，而ISA總線已不再經常使用。隨著PCMCIA、USB和IEEE 1394的出現，為基于桌面PC的數據采集系統提供了一種更為靈活的總線替代選擇。對于使用RS-232或RS-485串口通信的遠程數據采集應用，串口通信的速率常常會使數據吞吐量受到限制。在選擇數據采集設備和總線方式時，請記住您所選擇的設備和總線所能支持的數據傳輸方式。
計算機的數據傳送能力會大大影響數據采集系統的性能。所有PC都具有可編程I/O和中斷傳送方式。目前絕大多數個人電腦可以使用直接內存訪問（Direct memory access，DMA）傳送方式，它使用專門的硬件把數據直接傳送到計算機內存，從而提高了系統的數據吞吐量。采用這種方式后，處理器不需要控制數據的傳送，因此它就可以用來處理更復雜的工作。為了利用DMA或中斷傳送方式，您的數據采集設備必須能支持這些傳送類型。例如，PCI、ISA和IEEE1394設備可以支持DMA和中斷傳送方式，而PCMCIA和USB設備只能使用中斷傳送方式。所選用的數據傳送方式會影響您數據采集設備的數據吞吐量。
限制采集大量數據的因素常常是硬盤，磁盤的訪問時間和硬盤的分區會大大降低數據采集和存儲到硬盤的最大速率。對于要求采集高頻信號的系統，就需要為您的PC選擇高速硬盤，從而保證有連續（非分區）的硬盤空間來保存數據。此外，要用專門的硬盤進行采集并且在把數據存儲到磁盤時使用另一個獨立的磁盤運行操作系統。 對于要實時處理高頻信號的應用，需要用到32位的高速處理器以及相應的協處理器或專用的插入式處理器，如數字信號處理（DSP）板卡。然而，對于在一秒內只需采集或換算一兩次數據的應用系統而言，使用低端的PC就可以滿足要求。
在滿足您短期目標的同時，要根據投資所能產生的長期回報的最大值來確定選用何種操作系統和計算機平臺。影響您選擇的因素可能包括開發人員和最終用戶的經驗和要求、PC的其它用途（現在和將來）、成本的限制以及在您實現系統期間內可使用的各種計算機平臺。傳統平臺包括具有簡單的圖形化用戶界面的Mac OS，以及Windows 9x。此外，Windows NT 4.0和Windows 2000能提供更為穩定的32位OS，并且使用起來和Windows 9x類似。Windows 2000是新一代的Windows NT OS，它結合了Windows NT和Windows 9x的優勢，這些優勢包括固有的即插即用和電源管理功能。
三、傳感器和信號調理
傳感器感應物理現象并生成數據采集系統可測量的電信號。例如，熱電偶、電阻式測溫計（RTD）、熱敏電阻器和IC傳感器可以把溫度轉變為模擬數字轉化器（analog-to-digital ，ADC）可測量的模擬信號。其它例子包括應力計、流速傳感器、壓力傳感器，它們可以相應地測量應力、流速和壓力。在所有這些情況下，傳感器可以生成和它們所檢測的物理量呈比例的電信號。 為了適合數據采集設備的輸入范圍，由傳感器生成的電信號必須經過處理。為了更精確地測量信號，信號調理配件能放大低電壓信號，并對信號進行隔離和濾波。此外，某些傳感器需要有電壓或電流激勵源來生成電壓輸出。圖2顯示了帶有NI SCXI信號調理配件的典型數據采集系統。
信號調理配件可用于各種重要的應用放大功能--放大是最為普遍的信號調理功能。例如，需要對熱電偶的信號進行放大以提高分辨率和降低噪聲。為了得到最高的分辨率，要對信號放大以使調理后信號的最大電壓范圍和ADC的最大輸入范圍相等。又例如，SCXI有多種信號調理模塊可以放大輸入信號。在臨近傳感器的SCXI機箱內對低電壓信號進行放大，然后把放大后的高電壓信號傳送到PC，從而最大限度地降低噪聲對讀數的影響。
隔離功能--另一種常見的信號調理應用是為了安全目的把傳感器的信號和計算機相隔離。被監測的系統可能產生瞬態的高壓，如果不使用信號調理， 這種高壓會對計算機造成損害。
使用隔離的另一原因是為了確保插入式數據采集設備的讀數不會受到接地電勢差或共模電壓的影響。當數據采集設備輸入和所采集的信號使用不同的參考"地線"，而一旦這兩個參考地線有電勢差，就會帶來麻煩。這種電勢差會產生所謂的接地回路，這樣就將使所采集信號的讀數不準確；或者如果電勢差太大，它也會對測量系統造成損害。使用隔離式信號調理能消除接地回路并確保信號可以被準確地采集。例如，SCXI-1120和SCXI-1121模塊能提供高達250 Vrms的共模電壓隔離，SCXI-1122能提供高達450 Vrms電壓隔離。
多路復用功能--多路復用是使用單個測量設備來測量多個信號的常用技術。模擬信號的信號調理硬件常對如溫度這樣緩慢變化的信號使用多路復用方式。ADC采集一個通道后，轉換到另一個通道并進行采集，然后再轉換到下一個通道，如此往復。由于同一個ADC可以采集多個通道而不是一個通道，每個通道的有效采樣速率和所采樣的通道數呈反比。例如，1MS/s的PCI-MIO-16E-1采樣通道為10個，那么每個通道的有效采集速率大約為：
由于模擬信號的模擬SCXI模塊采用多路復用技術，一個數據采集設備可以測量多達3,072個信號。使用AMUX-64T模擬多路復用器，您可以使用一個設備來測量256個信號。所有內置有多路復用器的數據采集設備也具備這一特性。
濾波功能--濾波器的功能是指在您所測量的信號中濾除不需要的信號。噪聲濾波器用于如溫度這樣直流信號，它可以衰減那些降低測量精度的高頻信號。例如，許多SCXI模塊在使用數據采集設備對信號數字化前使用4 Hz和10 kHz的低通濾波器來濾除噪聲。
如振動這樣的交流信號常常需要另一種被稱為抗混頻的濾波器。像噪聲濾波器一樣，抗混頻濾波器也是低通濾波器；然而，它需要有非常陡的截止速率，從而可以濾除信號中所有高于設備輸入波段的頻率。如果這些頻率沒有被濾除，它們將會作為信號錯誤地出現在設備輸入帶寬中。專為測量交流信號而設計的設備--NI 455x、NI 445x和NI 447x動態信號采集（DSA）設備，NI6115同步采樣多功能I/O設備，SCXI-1141模塊都有內置的抗混頻濾波器。
激勵功能--對于某些傳感器信號調理也能提供激勵源。例如，應力計、熱敏電阻器和RTD需要有外部電壓或電流激勵信號。用于這些傳感器的信號調理模塊常用來提供激勵信號。RTD測量常使用電流源來把電阻上的變化量轉化為可測量電壓。應力計是阻值非常低的電阻設備，常用于配有電壓激勵源的惠斯通電橋。SCXI-1121和SCXI-1122有板載的激勵源，可配置為電流或電壓激勵，從而可用于壓力計、熱敏電阻器或RTD。
線性化功能--另一種常見的信號調理功能是線性化功能。許多傳感器，如熱電偶，對被測量的物理量的響應是非線性的。NI的NI-DAQ、LabVIEW、Measurement Studio和VirtualBench等應用軟件包包含了應用于熱電偶、壓力計和RTD的線性化功能。
您需要了解您的信號的特性，用于測量信號的配置以及系統周圍環境的影響。根據這些信息，您才可以確定您的DAQ系統是否需要使用信號調理。