数据采集系统综述【文献综述】

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电子信息工程

数据采集系统综述

引言

在计算机广泛应用的今天，数据采集在多个领域有着十分重要的应用。它是计算机与外部物理世界连接的桥梁。20世纪90年代至今，在国际上技术领先的国家，数据采集技术已经在军事、航空电子设备及宇航技术、工业等领域得到广泛应用。数据采集技术是信息科学的一个重要分支，研究信息数据的采集、储存、处理以及控制等，在雷达、通信、水声、遥感、地址勘测、振动工程、无损检测、语音处理、智能仪器、工业自动控制以及生物医学工程等领域有着广泛的应用[1]。一、数据采集系统

随着测控技术的迅猛发展，以嵌入式计算机为核心的数据采集系统已经在测控领域占据了统治地位[2]。数据采集系统是将现场采集到的数据进行处理、传输、储存等操作的设备。它涉及到以下技术：传感器技术、模拟信号处理技术、模拟转换和数模转换技术、信号处理技术、数据采集系统抗干扰技术、误差分析与处理、人机接口技术、数据存储与打印、数据传输技术、虚拟仪器技术等

[3]。

二、数据采集系统发展方向

随着科学技术的发展，数据采集和测控技术将向着高可靠性、高智能化方向发展。近几年，新型信息处理技术如数据融合技术、模糊信息处理技术和神经网络技术等，在数据采集和现代测试系统中得到了广泛的应用。在大规模集成电路发展的今天，采用软件编程可以有效降低成本，使系统更加简单。由于互联网的普及，基于网络的数据采集系统，不仅能进行远程操作与控制，而且可以把数据采集结果通过网络显示在世界各地的WEB浏览器中，实现了数据采集和测试系统的资源和数据共享，大大拓展了数据采集系统的空间。随着智能测试技术的发展，现代数据采集系统的通用化和标准化设计就变得十分重要，便于系统的组件、更改、升级和链接，实现大范围内的数据采集与处理。

三、数据采集系统的结构形式

1.基于单片机的数据采集系统

本文系统的结构如图1所示。系统选用了A/D转换芯片,它包括了:多路切换电路,采样/保持电路,A/D转换器[4]。多路切换电路主要是针对被测物理量有多个,传统的做法是采用模拟开关来选择通道,而现在多根据软件设置对通道进行选择。采样/保持电路是为了保证模拟信号高精度转换为数字

信号的电路。在模拟数字变换电路中,如果变换期间输入电压是变化的,那么就可能产生错误的数字信号输出。采样/保持电路就是将快速变化的模拟信号进行“采样”与“保持”,以保证在ADC转换过程中模拟信号保持不变。模/数转换器是计算机同外界交换信息所必须的接口器件,因为它能把自然界和生产过程中的模拟量转换成计算机存储和处理的数字量[5]。单片机主要完成系统数据的读取,处理,逻辑控制,数据传输等任务。串行通信主要是将单片机与PC机联系起来,以实现两者之间的通信。PC机主要是对数据进行处理分析,以达到实时控制的目的[6]。

图1：基于单片机数据采集系统的结构框图

2.基于DSP数据采集系统

该数据采集系统的总体结构如图2所示，主要包括DSP、数据采集电路、数据存储器、JTAG仿真接口以及与计算机的通信接口，其中数据采集电路由如下几部分组成：电压跟随器、模拟通道开关、AD7663[7]。系统通过MAX232驱动RS-232标准通信，将转化的数字信号进行数据处理后，通过通信接口将数据定时发送给主机。在系统的结构设计中，为了保证各自的信号稳定，在多路模拟通道开关前设置了电压跟随器。系统工作时，模拟电压输入信号经过电压跟随器输入给模拟通道开关，当其中的某一个通道开关打开时，与之相连的那一路电压信号便得以通过，然后该路电压信号通过一个电压跟随器，进入由DSP控制的AD7663的模拟信号输入通道，由AD7663将输入的模拟信号转化为数字信号。AD7663将转化的数字信号进行数据处理后，通过通信接口将数据定时发送给主机。该数据采集系统最多可扩展至16路模拟信号采样[9]。

图2：基于dsp数据采集系统的结构框图

3.基于FPGA的数据采集系统

如图3所示，是整个设计的原理框图，首先从外面接入一个5V电压信号，给A/D芯片供电，然后再通过电压转换芯片，分别将其转换成1.5V的电压信号和3.3V的电压信号[10]。其中1.5V电压只供给FPGA使用，而3.3V电源同时为FPGA和EPROM提供电压。其次，将一个模拟信号在A/D芯片的一端输入，经过A/D芯片将其转换成数字信号输入到FPGA中，通过对FPGA编程，使其对输入的数字信号进行采集及其存储，并输出一些控制信号对A/D芯片的模数转换进行控制，最后再将处理完的数据对外设进行输出。程序通过插件以PS或JTAG的方式下载到FPGA芯片中，FPGA掉电数据会丢失，所以用一个EPROM来存储数据，这就是系统的基本原理[11]。在FPGA芯片内部设计程序是根据AD芯片的转换时序，来控制AD芯片的转换，以及从AD芯片中读取数据并将其存储在FPGA内部的双口RAM中，再对外部设备引出地址线和读使能线，使后面的DSP芯片对数据进行读取或处理。

图3：基于fpga数据采集系统的原理框图

总结

方案1具有精度高、体积小、速度快、处理能力强、可靠性高以及功耗低等优点。方案2具有体积小、可靠性高、功能强大、灵活方便，成本低等优点，现已成功应用于工业现场。方案3具有高速、高精度、稳定性强、使用方便等优点。我们可以根据不同的需要选择合适的数据采集系统进行数据采集任务，以达到最佳效果。基于单片机的数据采集系统因其高效、体积小、功耗低等优点已经成为数据采集方面的主流。随着科技地不断进步，数据采集也向着更小、更快、更精确、成本更低的方向发展，数据采集的运用也将越来越广泛。

参考文献

[1] 马明建，周长城.数据采集与处理技术[M].西安：西安交通大学出版社，2001.

[2] 沈兰荪.数据采集技术[M].合肥:中国科学技术大学出版社，1990.

[3] 周林，殷侠等.数据采集与分析技术[M].西安:西安电子科技大学出版社，2005.

[4] 周兴，戴胜华.基于单片机的数据采集系统设计[J].仪器仪表标准化与计量，2006（1）：25-27.

[5] 李朝青.单片机原理及接口技术[M].北京:北京航天航空大学出版社，2003.

[6] 杨振江，杜铁军,李群.流行单片机实用子程序及应用实例[M].西安:西安电子科技大学出版社，

2002.

[7] 郑力新，周凯汀，方瑞明，等.DSP多路同步数据采集板设计[J].华侨大学学报：自然科学版，

2004，25（2）：145-149.

[8] Hendrick Tom.Interfacing the ADS8364 to the TMS320F2812DSP TI SLAA163[R].Tex as