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多通道数据采集系统的设计与实现
引言
进来,我在网上浏览了200余篇有关数据采集系统的文献。下载了其中100多篇,详细研读了其中50余篇。我了解到在当今社会各个领域,包括科研和实验研究,数据采集系统有着不可代替的作用,数据采集和处理进行得越及时,工作效率就越高,,在保证精度的条件下,还要尽可能地提高采样速度,以满足实时采集、实时处理和实时控制的要求。
数据采集系统涉及多学科,所研究的对象是物理或生物等各种非电或电信号,如温度、压力、流量、位移等模拟量,根据各种非电或电信号的特征,利用相应的归一化技术,将其转换为可真实反映事物特征的电信号后,经A/D转换器转换为计算机可识别的有限长二进制数字编码,即数字量,并进行存储、处理、显示或打印。以此二进制数字编码作为研究自然科学和实现工业实时控制的重要依据,实现对宏观和微观自然科学的量化认识。
MicrosoftVisualC++是Microsoft公司推出的开发Win32环境程序,面向对象的可视化集成编程系统。它不但具有程序框架自动生成、灵活方便的类管理、代码编写和界面设计集成交互操作、可开发多种程序等优点,而且通过简单的设置就可使其生成的程序框架支持数据库接口、OLE2,WinSock网络、3D控制界面。
本课题研究的是利用PC机上的声卡作为数据采集卡构建数据采集系统。利用VC编程实现多通道数据采集并对数据采集进行控制和处理。
正文
研究背景及开展近况
国外数据采集技术较上世纪有了很大的开展,从最近国外公司展示的新产品可以看出,主要的开展方向可以概括为使用方便、功能多样和体积减小三个方面。国内数据采集技术起步比拟晚,国内的数据采集系统与国外数据采集系统相比,在技术上仍然存在一定的差距,主要表现在:
(1)由于整个国内的微电子技术还与世界水平有一定差距,模数转换芯片的速度还不能到达世界先进水平,同时高速PCB设计方面的人才比拟稀少,所以国内较少研制出速度非常高同时性能又非常好的数据采集系统。
(2)数据采集系统的内存不大,数据采集系统本身的信号处理功能不强,在现场只能做一些简单的数据分析,大多数的处理要离线到计算机上去做。
(3)系统的软件水平以及人机界面方面的水平还不是很高,设备操作起来有很多不人性化的地方。
虽然国内与国外在数据采集技术上存在差距,但是总体来看这个差距在不断缩小,在不久的将来中国的数据采集系统肯定会晋升国际一流的水准。随着数字化步伐的不断加深,数据采集技术作为走进数字世界的一把钥匙,必须要紧跟数字化的脚步,只有掌握了尖端的数据采集技术才能在这个飞速变化的世界具有竞争力。
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数据采集系统常见的结构有三种:多通道分时复用数据采集系统、多通道同步数据采集系统和分布式数据采集系统,其中多通道同步数据采集系统是目前数据采集系统的主流设计结构。在现代信号处理系统中,多通道同步数据采集系统广泛应用于各种军用、商用和工业领域中,如雷达系统、弹上设备及通信系统等。为了更快速更全面地分析系统,在采集系统主要信号时,往往需要对一些相关信号进行测量。早先的多通道分时复用数据采集系统只能实现循环采集多路信号,不能得到多个通道同一时刻的采样点,并且数据采集的速率也不是很高,而多通道同步数据采集系统恰恰弥补了分时复用数据采集系统的缺乏。
多通道同步数据采集系统的具体实现有很多种,下面介绍一些常见的设计方案:

嵌入式数据采集系统是多通道同步数据采集系统的传统实现方案,该数据采集系统以CPU为核心控制器。当前的处理器技术已经非常成熟,很多数据采集系统都采用CPU作为控制器,从低端的51单片机到高端的ARM、PowerPC、DSP。使用51单片机等低端处理器开发数据采集系统的主要优势在于价格廉价,系统的软硬件设计与配置规模都是以满足数据采集系统功能要求为原那么,因此系统具有较高的性价比,一般用于实现低端数据采集系统。但是低端的嵌入式数据采集系统中单片机一般做的工作只是控制,速度不高,实时性不好,不可能去完成一些实时的处理工作,同时单片机的结构简单,接口数量和类型都比拟少,功能扩展能力很差。高端的嵌入式数据采集系统中核心控制器采用的是高端处理器,例如ARM、PowerPC、DSP和MIPS等,这些处理器的处理速度非常快,像IBM的PowerPC750最快能工作在667MHz,这就意味着高端数据采集系统能够完成大量实时信号处理的工作。近年来带有嵌入式操作系统的数据采集系统已经成为一个趋势,市场上常见的有基于ARM的Linux数据采集系统、基于PowerPC的VxWorks数据采集系统等。
(FiledProgrammableGateArray)是在GAL/PAL、PLD等可编程器件的根底上进一步开展出来的产物。FPGA与传统的专用集成电路(ASIC)不同,它是一种可以随时修改功能的IC,这也是FPGA的一个重要优势。FPGA的根本结构由6局部组成,分别为可编程输入/输出单元、根本可编程逻辑单元、嵌入式块RAM、丰富的互连布线资源、底层嵌入功能单元和内嵌专用硬核。传统的数据采集系统往往采用单片机或数字信号处理器(DSP)来控制A/D、存储电路以及其它外围电路的工作,但是由于单片机本身的指令周期以及处理速度的影响,其时钟频率较低,各种功能都要靠软件的运行来实现。软件运行时间在整个采样过程中占很大的比例,效率非常低,很难满足系统对数据采集系统实时性和同步性的要求。而基于DSP的数据采集系统,虽然处理速度快,但本钱较高,过于频繁的中断会使CPU的效率降低,响应速度变差。采用可编程逻辑器件设计数据采集系统,具有开发周期短、集成度高、功耗低、工作频率高、设计费用低、编程配置灵活等一系列优点。此外,还可以在FPGA芯片内实现采集控制、缓冲、预处理、传输控制、通信等功能。当然采用FPGA作为数据采集系统的控制器也存在一些问题,主要由于FPGA内部RAM资源比拟少,会在某种程度上降低系统的传输速率。

虚拟数据采集系统是一种基于虚拟仪器(VirtualInstrument)技术的数据采集系统。虚拟仪器的起源可以追溯到上世纪70年代,计算机测控系统在国防、航天等领域已经有了长足的开展。微型计算机的出现使仪器的软件化成为可能。虚拟仪器是基于计算机技术的仪器,通过在通用计算机上加上软件和硬件,使得用户在操作这台计算机时,就像在操作一台自己设计的专用传统电子仪器。在虚拟仪器系统中,硬件仅仅是为了解决信号的输入输出,软件才是整个仪器系统的关键,任何一个使用者都可以通过修改软件的方法,很方便地增减仪器系统的功能与规模。虚拟仪器技术的出现,彻底打破了仪器功能由厂家定义,用户无法改变功能的模式,虚拟仪器技术给予用户充分发挥自己的才能和想象力的空间。用户可以随心所欲地根据自己的需求,设计自己的仪器系统,以满足各种各样的应用。要实现信号的多通道采集和分析功能,在传统的数据采集系统中,首先必须要选择适宜的传感器来保证采集系统的精确度和灵敏度,然后还需要实现数字信号处理算法来对采集到的信号进行实时处理。信号速度要求越来越快,实时数据采集及数据处理的实现也就相应变得十分困难。而将虚拟仪器应用于数据采集系统,就可以有效地改善这种状况,计算机技术以其高效性增强了采集系统实时信号处理的能力。
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一般的计算机数据采集系统包括传感器、信号调理器、数据采集卡和控制软件等。其中数据采集卡的主要技术指标包括位数(即采样分辨率)、转换速度等。其中数据采集板是核心部件,其采样频率、采样精度和通道数等直接影响着采集到的信号的质量和数量。现阶段大多数数据采集系统多应用商用的数据采集板,一般像12位采样精度、数据采集频率是200kHz,8路采样通道能够满足多种应用需要,但其价格昂贵,有些功能可能并不实用。所以本课题就考虑到利用廉价的PC声卡代替昂贵的商用数据采集卡的可行性。
声卡作为语音信号与计算机的接口卡件,其最根本的一项功能就是A/D转换。实际上,除了语音外,很多信号的频率都落在音频范围内(比方机械量信号,过程量信号等),当我们需要对这些信号进行采集时,使用声卡作为采集卡是一种相当令人满意的解决方案,其理由是:
(1)价格廉价。一般声卡的价格,比起自己从头到尾开发一块采集卡的本钱低得多。比起目前市场上的采集卡的价格,更是不可同日而语相应地产品本钱也会降低;
(2)即买即用。完全省略了A/D卡的硬件开发过程,很大程度上缩短了产品的开发周期;
(3)灵活性好。量化位数可编程(8位或16位);采样频率可编程(一般声卡的最高采样频率可达200kHz,并且连续可调);采样通道可编程(1通道或2通道);由于可以使用在Windows操作系统下,因此可用通用的软件开发工具对其进行开发(如Delphi,VB,VC等)。
声卡的技术指标〔如采样频率,带宽等〕满足水声测量中的需要,所以用声卡搭建数据采集系统是可行的。
系统软件开发技术研究
目前,常见的应用在Windows平台上的信号采集软件开发方法有基于MATLAB,LABVIEW和VB、VC等。MATLAB具有强大的数据分析与处理功能,其内部的数据采集工具箱(DAQToolbox)提供了方便的数据采集函数。可以对外部物理世界的信号进行实时的采集。MATLAB自带的数据采集工具箱(DataAcquiSitionToo1box)是为简化和加快数据采集工作而设计的。然而在编辑软件界面方面却比拟繁琐,无法令人满意。LabVIEW是一种程序开发环境,由美国国家仪器〔NI〕公司研制开发。是一款强大的图形界面开发软件,LABVIEW用图标代替文本行创立应用程序的图形化编程语言,可视化编程,完成后的界面美观大方都是它的优点,但其数据分析和处理功能却无法与MATLAB相比。MicrosoftVisualC++是Microsoft公司推出的开发Win32环境程序,面向对象的可视化集成编程系统。它不但具有程序框架自动生成、灵活方便的类管理、代码编写和界面设计集成交互操作、可开发多种程序等优点,而且通过简单的设置就可使其生成的程序框架支持数据库接口、OLE2,WinSock网络、3D控制界面。VC可以便捷的搭建系统界面,又可以精确而迅速的进行数据分析和处理。综合了MATLAB和LABVIEW的优点。
总结
数据采集与分析系统设计是一门综合性学科,它涉及传感器原理及应用,电子测量技术以及数字信号处理等多门学科,而数据本身就多种多样,在采集方面就有很多的方法。传统的数据采集与分析是通过各种专业采集仪器来实现的。每台仪器只能用于某些特定的测量分析工程,应用范围较窄。通过数据采集硬件设备将传感器得到的模拟信号读入计算机,在计算机上完成数据的分析与存储,可以取代各种声学仪器,使整个系统具有操作界面一目了然、参数设定便捷、升级更新与硬件无关等优点,是一种具有实际应用潜力的数据采集与分析系统。
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参考文献
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