簡(jiǎn)介

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的重要技術(shù)指標(biāo)包括數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換速率和記錄容量。在低速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，單片機(jī)直接控制A/D轉(zhuǎn)換器，數(shù)據(jù)采集一般要經(jīng)過啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換、讀取A/D轉(zhuǎn)換值、將數(shù)據(jù)存入存儲(chǔ)器、修改存儲(chǔ)器地址指針、判斷數(shù)據(jù)采集是否完成等過程。由于數(shù)據(jù)采集的功能主要通過軟件來實(shí)現(xiàn)，因此，其采樣速率一般在1MHz以下。在高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，單片機(jī)不再承擔(dān)A/D轉(zhuǎn)換的控制、數(shù)據(jù)的讀出與存儲(chǔ)工作，這些操作由專門的高速數(shù)字電路完成。通過高速數(shù)字電路，實(shí)現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)和存儲(chǔ)器之間的直接傳輸。1

高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)目前已在雷達(dá)、聲納、軟件無線電、瞬態(tài)信號(hào)測(cè)試等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。它的關(guān)鍵技術(shù)是高速ADC技術(shù)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與傳輸技術(shù)和抗干擾技術(shù)。

系統(tǒng)組成高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)一般分為數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理兩部分。

在數(shù)據(jù)采集時(shí)，必須以很高的速度采集數(shù)據(jù)。在數(shù)據(jù)處理時(shí)并不需要與數(shù)據(jù)采集同樣高的速率進(jìn)行。因此，高速數(shù)據(jù)采集需要有一個(gè)數(shù)據(jù)緩存單元，先將采集的數(shù)據(jù)有效的存儲(chǔ)，然后根據(jù)系統(tǒng)需要進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。1

高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通常由單片機(jī)、高速緩存、高速A/D轉(zhuǎn)換器組成。

單片機(jī)單片機(jī)，也稱單片微型計(jì)算機(jī)。它是把中央處理器（CPU）、隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（RAM）、只讀存儲(chǔ)器（ROM）、輸入/輸出端口（I/O）等主要計(jì)算機(jī)功能部件都集成在一塊集成電路芯片上的微型計(jì)算機(jī)。2

高速緩存高速緩存是關(guān)鍵部件，其構(gòu)成方案有三種：

（1）高速SRAM切換方式。1高速SRAM只有一套數(shù)據(jù)、地址和控制總線，可通過三態(tài)緩沖門分別接到A/D轉(zhuǎn)換器和DSP上。當(dāng)A/D采樣時(shí)，SRAM由三態(tài)門切換到A/D轉(zhuǎn)換器一側(cè)，以使采樣數(shù)據(jù)寫入其中。當(dāng)A/D采樣結(jié)束后，SRAM再由三態(tài)門切換到DSP一側(cè)以便DSP進(jìn)行讀寫。這種方式的優(yōu)點(diǎn)是SRAM可隨機(jī)存取，同時(shí)較大容量的高速SRAM容易得到且價(jià)格適中，缺點(diǎn)是切換控制電路比較復(fù)雜，且只能由A/D轉(zhuǎn)換器和DSP分時(shí)讀寫。

（2）先進(jìn)先出（FIFO）方式。1FIFO存儲(chǔ)器就象數(shù)據(jù)管道一樣，數(shù)據(jù)從管道的一頭流入、從另一頭流出，先進(jìn)入的數(shù)據(jù)先流出。FIFO具有兩套數(shù)據(jù)線而無地址線，可在其一端寫操作而在另一端讀操作，數(shù)據(jù)在其中順序移動(dòng)，因而能夠達(dá)到很高的傳輸速度和效率，且由于省去了地址線而有利于PCB板布線。缺點(diǎn)是只能順序讀寫數(shù)據(jù)，因而顯得比較呆板，而且大容量的高速FIFO非常昂貴；

（3）雙口RAM。1雙口RAM具有兩套獨(dú)立的數(shù)據(jù)、地址和控制總線，因而可從兩個(gè)端口同時(shí)讀寫而互不干擾，并可將采樣數(shù)據(jù)從一個(gè)端口寫入而由DSP從另一個(gè)端口讀出。雙口RAM也能達(dá)到很高的傳輸速度，并且具有隨機(jī)存取的優(yōu)點(diǎn)，缺點(diǎn)是大容量的高速雙口RAM很難得且價(jià)格昂貴。

高速A/D轉(zhuǎn)換器高速A/D轉(zhuǎn)換器常采用并行A/D轉(zhuǎn)換器或并/串行A/D轉(zhuǎn)換器，由電阻分壓器、比較器、緩沖寄存器和編碼器組成。3

基本功能一般來說，高速采集系統(tǒng)的任務(wù)是采集各種類型傳感器輸出的模擬信號(hào)并轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)后輸入計(jì)算機(jī)處理，得到特定的數(shù)據(jù)結(jié)果。同時(shí)將計(jì)算得到波形和數(shù)值進(jìn)行顯示，對(duì)各種物理量狀態(tài)監(jiān)控。

基本原理下圖是基于DSP的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)4，一般包括：AD模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片、SDRAM動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)元件、Flash靜態(tài)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)元件、HPI主機(jī)接口、USB接口、PCI接口等。典型的數(shù)字信號(hào)處理過程如圖所示。

輸入信號(hào)可以是語音信號(hào)、調(diào)制后的電話信號(hào)、編碼的數(shù)字信號(hào)、壓縮的圖像信號(hào)，也可以是各種傳感器輸?出的信號(hào)。如果輸人信號(hào)的幅度較小或者過大，一般都需要經(jīng)過放大器單元將輸入信號(hào)幅度放大或者縮小后，送到AD進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換；如果輸入信號(hào)帶有較大的噪聲，一般需要經(jīng)過一個(gè)硬件的模擬濾波單元，將信號(hào)濾波整形后，送到AD進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。AD能將模擬信號(hào)變換成數(shù)字信號(hào)，但必須滿足奈奎斯特采樣定理，也就是為了保證不丟失信息的所有信息，采樣頻率必須高于輸入信號(hào)最高頻率的2倍，一般為5倍以上。AD變換后得到的數(shù)字信號(hào)輸人到DSP芯片；再由DSP芯片對(duì)該數(shù)字信號(hào)進(jìn)行各種數(shù)字信號(hào)算法的處理。

分類高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式多種多樣，常見的分類方法有以下幾種：

根據(jù)適應(yīng)環(huán)境不同（1）隔離型；

（2）非隔離型

（3）集中式；

（4）分布式。

根據(jù)控制功能（1）智能化；

（2）非智能化采集系統(tǒng)。

根據(jù)模擬信號(hào)的性質(zhì)（1）電壓和電流信號(hào)；

（2）高電平和低電平信號(hào)；

（3）單端輸入和差分輸入。

根據(jù)信號(hào)通道的結(jié)構(gòu)方式（1）單通道輸入方式；

（2）多通道輸入方式。

按硬件組成來分（1）集成微型計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。集成微型計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)則是將PC及數(shù)據(jù)采集卡集成一體，采集卡采集完的數(shù)據(jù)直接保存在內(nèi)部的硬盤，無需通過線纜傳輸。

（2）集散型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。集散型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由包含A/D,AMP,DSP,FPGA的數(shù)據(jù)采集卡組成的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，可以獨(dú)立采集模擬和數(shù)字信號(hào)，數(shù)據(jù)通過光纖或網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)絇C的硬盤進(jìn)行保存及處理。

應(yīng)用高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)具有極高的采樣率，尤其適合用于瞬間測(cè)量量產(chǎn)生變化的場(chǎng)合。例如：在電力傳輸或者爆炸，沖擊波，火箭發(fā)射過程中。

電力測(cè)試的應(yīng)用包括：

高壓脈沖測(cè)試

大多數(shù)的電網(wǎng)都通過塔架上的電纜來傳送電能. 其暴露在野外，經(jīng)常遭受雷擊，進(jìn)而可能損壞變電站的設(shè)備. 元器件的損壞將導(dǎo)致部分電力分配能力的損失，并耗費(fèi)高昂的修理費(fèi)用. 變壓器，電涌放電器，絕緣體和開關(guān)設(shè)備的測(cè)試 對(duì)于質(zhì)量校準(zhǔn)過程和保證元件的承受力是非常重要的.

電力開關(guān)設(shè)備測(cè)試

開關(guān)設(shè)備測(cè)試 是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn), 要求特殊的 硬件和軟件 才能產(chǎn)生精確可靠的測(cè)試結(jié)果. 硬件的挑戰(zhàn)包括絕緣，放大器漂移，噪聲和抗電磁干擾和需要電池操作等。軟件挑戰(zhàn)包括數(shù)據(jù)完整，重復(fù)性和可靠性等。例如核電備用柴油機(jī)的測(cè)試。

零區(qū)測(cè)試

零區(qū) (CZ) 指的是在高功率斷路器上的中斷現(xiàn)象. 現(xiàn)在不可能通過中斷高壓電路來進(jìn)行，而是通過其他方式，如電弧. 所有的電路中斷器都通過移除相互之間的接觸來完成，這樣接觸之間產(chǎn)生電弧. 零區(qū)現(xiàn)象 是壓力，溫度，離子密度，等離子流等的指標(biāo). 零區(qū)測(cè)試 用來了解電弧現(xiàn)象以及確定成功的電流中斷的主要參數(shù)。

爆炸和火工品測(cè)試：

航天器上使用了大量的火工裝置來完成特定的功能,它們?cè)趧?dòng)作時(shí)會(huì)引起強(qiáng)烈的高頻沖擊環(huán)境,對(duì)航天器上的儀器設(shè)備產(chǎn)生不利的影響。火工品，爆炸和沖擊波測(cè)試中，由于其在非常短的時(shí)間內(nèi)壓力等測(cè)量值會(huì)產(chǎn)生極大地變化，因此需要極高的采樣率。很多測(cè)試中需要采用20-100MS/s的采樣速率。

發(fā)展趨勢(shì)(1)新型快速、高分辨率的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換部件不斷涌現(xiàn)，大大提高了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的性能。

(2)高性能單片機(jī)的問世和各種數(shù)字信號(hào)處理器的涌現(xiàn)，進(jìn)一步推動(dòng)了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用。

(3)智能化傳感器(Smarts nor)的發(fā)展，必將對(duì)今后數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的發(fā)展產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。

(4)與微型機(jī)配套的數(shù)據(jù)采集部件的大量問世，大大方便了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在各個(gè)領(lǐng)域里應(yīng)用并有利于促進(jìn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。

(5)分布式數(shù)據(jù)采集是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)發(fā)展的一個(gè)重要趨勢(shì)。