高速数据采集技术发展综述

高速数据采集技术发展综述

摘要：高速数据采集系统广泛应用于军事、航天、航空、铁路、机械等诸多行业。区别于中速及低速数据采集系统，高速数据采集系统内部包含高速电路，电路系统1/3以上数字逻辑电路的时钟频率>=50MHz；对于并行采样系统，采样频率达到50MHz，并行8bit以上；对于串行采样系统，采样频率达到200MHz，目前广泛使用的高速数据采集系统采样频率一般在200KS/s~100MS/s，分辨率16bit~24bit。本篇文章主要简单介绍高速数据采集技术的发展，高速数据采集系统的结构、功能、原理、实现形式以及一些主要的应用。

关键词：高数数据采集系统、系统结构、系统原理、系统功能、实现形式、应用举例。

引言：高速数据采集技术在通信、航天、雷达等多个领域中广泛应用。随着软件无线电、通信技术、图像采集等技术的发展，对数据采集系统的要求越来越高，不仅要求较高的采集精度和采样速率，还要求采集设备便携化、网络化与智能化，并且需要将采集信息稳定的传输到计算机，进行显示与数据处理。同时，以太网协议已经成为当今局域网采用的最通用的通信协议标准。在嵌入式领域中，将以太网协议与数据采集系统相结合，形成局域网，实现方便可靠的数据传输与控制，是当前的研究热点。

1. 高速数据采集的发展

数据采集系统起始于20世纪50年代，由于数据采集测试系统具有高速性和～定的灵活性，可以满足众多传统方法不能完成的数据采集和测试任务，因而得到了初步的认可。到了70年代中后期，在数据采集系统发展过程中逐渐分为两类，一类是实验室数据采集系统，另一类是工业现场数据采集系统。就使用的总线而言，实验室数据采集系统多采用并行总线，工业现场数据采集系统多采用串行数据总线。随着微型机的发展，诞生了采集器、仪表等同计算机融为一体的数据采集系统。由于这种数据采集系统的性能优良，超过了传统的自动检测仪表和专用数据采集系统，因此获得了惊人的发展他3。随着计算机的普及应用，数据采集系统得到了极大的发展，基于标准总线并带有高速DSP的高速数据采集板卡产品也越来越多，技术先进、市场主流的厂商主要有Spectrum Signal Processing，SPEC，Signatec，Acquisition Logic，Blue Wave等公司

2001年Acquisition logic公司推出了基于PCI总线，采样率为500MS／s，1GS／s的8bit数据采集板卡AL500和AL51G，它的存储深度分别为64MB，256MB和1000MB三种。PCI 总线为主模式，数据宽度32bit，时钟频率33MHz，在突发模式下传输速率可达到133MB ／s。两种板卡还同时具有数字信号处理功能：通过板卡上的现场可编程门阵列FPGA来实

现数字信号处理，并且能实时地完成200MHz输入数据带宽2次型插值或400MHz输入数据带宽4次型插值运算等。2003年2月Ultraview公司生产出了型号为AD21250DMA的数据采集卡，PCI总线、采样率1．25GS／s、数据宽度8bit，其存储深度8GB。在66MHz、64bit的数据宽度下，PCI总线DMA模式向主机传输数据速率高达320MB／s。此卡可以在基于PCI总线的运行操作系统为Solaris 8 Unix的Spare所有平台上使用。2006年美国安捷伦公司推出了8款“Infinium DS080000B”系列示波器，测定带宽范围为2GHz-13GHz，用于高速串行接口等技术研发，可将最大带宽测定范围扩展至13GHz。其产品在硬件上是通用的，在软件上可以显示出用户可使用的带宽，并提供了2GHz到13GHz的多种型号示波器。在此系列的产品中使用了可降低示波器误差和触发抖动的技术。此次的产品采用了软件触发，因为硬件触发无法检测到需要测定的10GHz信号。利用间歇式突发信号进行触发时，能检测到脉冲宽度为70ps的小突波。对于高速数据采集系统而言，基于标准总线、高速信号处理性能、超高速A／D和具有海量数据存储深度所组成的超高速数据采集系统已经成为现代的发展趋势。在系统的设计和选用时，主要考虑这四个方面，即不仅要考虑高速数据采集部分，还要考虑其处理器的性能、数据存储深度和标准总线接口，因为系统的整体性能已经不再单单是高速数据采集部分的性能，数字信号处理、数据存储深度和标准总线接口也已成为对系统整体性能评价的重要指标，对于不同的应用环境和要求或不同的应用领域，系统的这四个组成部分会有所区别。在自动测试、工业控制和信号处理领域中广泛应用的标准总线有CompactPCI、PCI、PMC、PXI、VME和VXI等，每一种总线都有不同的优缺点，所以对于系统的性能来说总线的选择是很重要的。早期的数据采集系统基于ISA、PCI总线，系统庞大而且难以扩展；单片机的出现使数据采集系统得到了发展，基于单片机的数据采集系统在一段时间内广泛应用，但单片机处理数据能力比较低；随着数据采集的要求不断提高，基于DSP、FPGA等高端微处理器的数据采集系统开始发展，同时，基于PC的高速数据采集系统也日趋成熟。将数据采集系统与个人计算机结合起来，以实现采集和控制任务的自动化是一种必然趋势。

2. 高速数据采集系统的结构

高速数据采集系统的结构形式多种多样，常见的分类方法有以下几种：根据适应环境不同：隔离型和非隔离型，集中式和分布式；根据控制功能：智能化和非智能化采集系统；根据模拟信号的性质：电压和电流信号，高电平和低电平信号，单端输入和差分输入；根据信号通道的结构方式：单通道及多通道输入方式。

3. 高速数据采集系统基本功能

一般来说，高数采集系统的任务是采集各种类型传感器输出的模拟信号并转换成数字信号后输入计算机处理，得到特定的数据结果。同时将计算得到波形和数值进行显示，对各种物理量状态监控。

4. 高速数据采集系统的结构和原理

从高速数据采集系统的硬件组成来分，有两种：集成微型计算机的数据采集系统，集散型数据采集系统。

集散型数据采集系统由包含A/D,AMP,DSP,FPGA的数据采集卡组成的数据采集系统，可以独立采集模拟和数字信号，数据通过光纤或网络传输到PC的硬盘进行保存及处理。

集成微型计算机的数据采集系统则是将PC及数据采集卡集成一体，采集卡采集完的数据直接保存在内部的硬盘，无需通过线缆传输。

下图是基于DSP的数据采集系统，一般包括：AD模数转换芯片、SDRAM动态数据存储元件、Flash静态数据存储元件、HPI主机接口、USB接口、PCI接口等。