數據採集系統

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數據採集系統(Date Acquisition System,DAS)

目錄

什麼是數據採集系統[1]

  數據採集系統是結合基於電腦的測量軟硬體產品來實現靈活的、用戶自定義的測量系統。

數據採集系統的組成[2]

  通常數據採集系統由三個部分組成:感測器部分、數據採集儀部分和電腦(控制與分析器)部分。

  感測器部分包括前面所提到的各種電測感測器,它們的作用是感受各種物理變數,如力、線位移、角位移、應變和溫度等,並把這些物理量轉變為電信號

  數據採集儀的作用是對所有的感測器通道進行掃描,把掃描得到的電信號轉換成數字量,再根據感測器特性對數據進行感測器繫數換算(如把電壓值換算成應變或溫度等),然後將這些數據傳送給電腦,也可將這些數據列印輸出、存入磁碟。

  電腦部分包括主機、顯示器、存儲器、印表機、繪圖儀和鍵盤等。電腦的主要作用是作為整個數據採集系統的控制鼎,控制整個數據的採集過程。在採集過程中,通過數據採集程式的運行,電腦對數據採集儀進行控制。電腦還可以對數據進行計算處理,實時列印輸出、圖像顯示及存入磁碟。電腦的另外一個作用是在試驗結束後,對數據進行處理。

  數據採集系統可以對大量數據進行快速採集、處理、分析、判斷、報警、直讀、繪圖、儲存、試驗控制和人機對話等,還可以進行自動化數據採集和試驗控制,它的採樣速度可高達每秒幾萬個數據或更多。

數據採集系統的配置[3]

  典型的數據採集系統由感測器(T)、放大器(IA)、模擬多路開關(MUX)、採樣保持器(SHA)、A/D轉換器、電腦(MPS)或數字邏輯電路組成。根據它們在電路中的位置可分為同時採集、高速採集、分時採集和差動結構四種配置,如圖1所示。
Image:数据采集系统配置.jpg

  (1)同時採集系統。圖1(a)所示為同時採集系統配置方案,可對各通道感測器輸出量進行同時採集和保持,然後分時轉換和存儲,可保證獲得各採樣點同一時刻的模擬量

  (2)高速採集系統。圖1(b)所示為高速採集配置方案,在實時控制中對多個模擬信號的同時實時測量是很有必要的。

  (3)分時採集系統。圖1(c)所示為分時採集方案,這種系統價格便宜,具有通用性,感測器與儀錶放大器匹配靈活,有的已實現集成化,在高精度、高解析度的系統中,可降低IA和ADC的成本,但對MUX的精度要求很高,因為輸入的模擬量往往是微伏級的。這種系統每採樣一次便進行一次A/D轉換並送入記憶體後方纔對下一採樣點採樣。這樣,每個採樣點值間存在一個時差(幾十到幾百微秒),使各通道採樣值在時軸上產生扭斜現象。輸入通道數越多,扭斜現象越嚴重,不適合採集高速變化的模擬量。

  (4)差動結構分時採集系統。在各輸入信號以一個公共點為參考點時,公共點可能與隊和ADC的參考點處於不同電位而引入干擾電壓UN,從而造成測量誤差。採用如圖1(d)所示的差動配置方式可抑制共模干擾,其中MUX可採用雙輸出器件,也可用兩個MUX並聯。

數據採集系統的分類[2]

  目前,國內外數據採集系統的種類很多,按其系統組成的模式大致可分為以下幾種。

  (1)大型專用系統

  將採集、分析和處理功能融為一體,具有專門化、多功能和高檔次的特點。

  (2)分散式系統

  由智能化前端機、主控電腦或微機系統、數據通信及介面等組成,其特點是前端可靠近測點,消除了長導線引起的誤差,並且穩定性好、傳輸距離長、通道多。

  (3)小型專用系統

  這種系統以單片機為核心,小型便攜,用途單一,操作方便,價格低,適用於現場試驗的測量。

  (4)組成式系統

  這是一種以數據採集儀和微型電腦為中心,按試驗要求進行配置組合成的系統,它適用性廣,價格便宜,是一種比較容易普及的形式。

數據採集系統的特點[1]

  數據採集系統具有如下主要特點:

  1)數據採集系統一般都由電腦控制,使得數據採集的質量效率等大為提高,也節省了硬體投資。

  2)軟體在數據採集系統的作用越來越大,

  3)數據採集與數據處理結合得日益緊密,集、處理到控制的全部工作。這增加了系統設計的靈活性。形成數據採集與處理系統,可實現從數據採

  4)數據採集過程一般都具有實時的特性,實時的標準是能滿足實際需要;對於通用數據採集系統一般希望有儘可能高的速度,以滿足更多的應用環境。

  5)隨著微電子技術的發展,電路集成度的提高,數據採集系統的體積越來越小,可靠性越來越高。

  6)匯流排在數據採集系統中有著廣泛的應用,匯流排技術對數據採集系統結構的發展起到了重要作用。

數據採集系統的主要性能指標[1]

  數據採集系統的性能指標和具體應用目的與應用環境密切相關,以下給出的是比較主要和常用的幾個指標的含義。

  (1)系統解析度

  系統解析度是指數據採集系統可以分辨的輸入信號最小變化量。通常用最低有效位(LSB)占系統滿度信號的百分比表示,或用系統可分辨的實際電壓數值來表示,有時也用滿度信號可以分的級數來表示。表1所示為滿度值為10V時數據採集系統的解析度

  (2)系統精度

  系統精度是指當系統工作在額定採集速率下,每個離散子樣的轉換精度。A/D轉換器的精度是系統精度的極限值。實際的情況是,系統精度往往達不到A/D轉換器的精度,這是因為系統精度取決於系統的各個環節(部件)的精度。如前置放大器、濾波器、多路模擬開關等,只有這些部件的精度都明顯優於A/D轉換器的精度時,系統精度才能達到A/D的精度。這裡還應註意系統精度與系統解析度的區別。系統精度是系統的實際輸出值與理論輸出值之差,它是系統各種誤差的總和,通常表示為滿度值的百分數。

表1 數據採集系統的解析度(滿度值為IOV)

位數級數1LSB(用滿度值的百分數表示)1LSB(10V滿度)
82560.391%39.1mV
1240960.0244%2.44mV
16655360.OO15%O.15mV
2010485760.000095%9.55μV
24167772160.00000600.609μV

  (3)採集速率

  採集速率又稱為系統通過速率、吞吐率等,是指在滿足系統精度指標的前提下,系統對輸入模擬信號在單位時間內所完成的採集次數,或者說是系統每個通道、每秒鐘可採集的子樣數目,這裡所說的“採集”包括對被測物理量進行採樣、量化、編碼、傳輸、存儲等的全部過程。在時間域上,與採集速率對應的指標是採樣周期,它是採樣速率的倒數,它表示了系統每採集一個有效數據所需的時間。

  (4)動態範圍

  動態範圍是指某個物理量的變化範圍。信號的動態範圍是指信號的最大幅值和最小幅值之比的分貝數,數據採集系統的動態範圍通常定義為所允許輸入的最大幅值Vimax與最小幅值Vimin之比的分貝數,即 Ii=20lg Vimax/Vimin

  式中,最大允許幅值Vimax——使數據採集系統的放大器發生飽和或者是使模數轉換器發生溢出的最小輸入幅值;

  最小允許輸入值Vimin——一般用等效輸入雜訊電平VIN來代替。

  對大動態範圍信號的高精度採集時,還要用到“瞬時動態範圍”這樣一個概念。所謂瞬時動態範圍是指某一時刻系統所能採集到的信號的不同頻率分量幅值之比的最大值,即幅度最大頻率分量的幅值Afmax與幅度最小頻率分量的幅值Afmin之比的分貝數。若用I表示瞬時動態範圍,則有I=20lg Afmax/Afmin

  (5)非線性失真

  非線性失真也稱為諧波失真。當給系統輸入一個頻率為f的正弦波時,其輸出中出現很多頻率kf(k為正整數)的新的頻率分量的現象,稱為非線性失真。諧波失真繫數用來衡量系統產生非線性失真的程度。它通常用下式表示

H=\frac{\sqrt{A_2^2+A_3^2+\ldots +A_k^2}}{\sqrt{A_1^2+A_2^2+A_3^2+\ldots +A_k^2}}\times 100%

式中,A1——基波振幅;AK——第k次諧波(頻率為kf)的振幅

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參考文獻

  1. 1.0 1.1 1.2 秦樹人 尹愛軍 劉小峰著.現代虛擬儀器.機械工業出版社,2011.06.
  2. 2.0 2.1 吳曉楓主編.建築結構試驗與檢測.化學工業出版社,2011.05.
  3. 於彤編.感測器應用.人民郵電出版社,2010.03.
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