计算机数据采集系统设计

1、计算机数据采集与分析技术概述；

1.1、数据采集

计算机处理的对象是数字量，而外部世界的大部分信息是连续变化的物理量，例如温度、压力、位移、速度，要将这些信息送入计算机进行处理，就必须先把这些连续的物理量离散化，即进行量化编码，变成数字量才能实现。

数据采集就是将被测对象的各种参量通过传感器做适当转换后，由非电量变换成电量，再经过信号调理、采样、量化、编码和传输等步骤，输入计算机进行处理或存储记录的过程。1.2、数据采集系统

用于数据采集的成套设备称为数据采集系统，计算机是数据采集系统的核心，完成对整个采集过程的控制、对采集的数据进行处理的任务。

1.3、数据采集分析技术

数据采集分析技术的任务主要有三项：

把模拟信号转换为计算机能识别的数字信号，送入计算机

通过计算机进行计算和处理，得到有用的信息

实现对过程或目标（某些物理量）的监视与控制

2、计算机数据采集电路

数据采集系统随着新型传感技术、微电子技术和计算机技术的发展而得到迅速发展。由于目前数据采集系统一般都使用计算机进行控制，因此数据采集系统有叫做计算机数据采集系统。

数据采集系统包括硬件和软件两大部分，硬件部分又可分为模拟部分和数字部分。图2.1是硬件基本组成示意图。下面简单介绍一下数据采集系统的各个组成部分。

图1.1数据采集系统硬件基本组成

1.传感器

传感器的作用是把非电的物理量转变成模拟电量(如电压、电流或频率)，例如使用热电偶、热电阻可以获得随温度变化的电压，转速传感器常把转速转换为电脉冲等。通常把传感器输出到A／D转换器输出的这一段信号通道称为模拟通道。

2.放大器

放大器用来放大和缓冲输入信号。由于传感器输出的信号较小，例如常用的热电偶输出变化，往往在几毫伏到儿十毫伏之间；电阻应变片输出电压变化只有几个毫伏；人体生物电信号仅是微伏量级。因此，需要加以放大．以满足大多数A／D转换器的满量程输入5—10 V 的要求。

3.滤波器

传感器和电路中的器件常会产生噪声，人为的发射源也可以通过各种捅合渠道使信号通道感染上噪声．例如工频传号可以成为一种人为的干扰顿。这种噪声可以用滤波器来衰减．以提高校拟输入信号的信噪比。

4.多路模拟开关

在数据采集系统中，往往要对多个物理量进行采集，即所谓多路巡回检测，这可通过多路模拟开关来实现。多路模拟开关可以分时选通来自多个输入通道的某一路信号，因此、在多路开关后的单元电路．如采样／保持电路、A／D及处理器电路等，只需一套即可．这样节省成本和体积。但这仅仅在物理且变化比较缓慢、变化周朗在数十至数百毫秒之间的情况下较合适。因为这时可以使用普通的数十微秒A／D转换器从容地分时处理这些信号。但当分时通道较多时．必须注意泄漏及逻辑安排等问题；当信号频率较高时，使用多路分路开关后，对A／D的转换速率要求也随之上升。模拟多路开关有时也可以安排在放大器之前，但当输入的信号电平较低时，涌注意选择多路模拟开关的类型。若选用集成电路的模拟多路开关，由于它比干黄或继电器组成的多路开关导通电阻大．泄漏电流大．因而有较大的误差产生。所以要根据具体情况来选择多路模拟开关的类型。

5.采样/保持器

模拟开关之后是模拟通道的转换部分，它包括采样／保持和A／D转换电路。采样／保持电路的作用是快速拾取模拟多路开关输出的子样脉冲，并保持幅值恒定，以提高A／D转换器的转换精度，如果把采样／保持电路放在模拟多路开关之前(每道一个)．还可实现对瞬时信号进行同时采样。

6.A/D转换器

采样／保持器输出的信号送至模数转换器，模数转换器是模拟输入通道的关键电路。由于输入信号变化速度不同，系统对分辨力、精度、转换速率及成本的要求也不同，所以A／D转换器的种类也较多，早期的采样／保持器和模数转换器需要数据采集系统设计人员自行设计．目前普遍采用单片集成电路，有的单片A／D转换器内部还包含有采样／保持电路、基准电源和接口电路。这为系统设计提供了较大方便。A/D转换的结果输出给计算机。

3、数据采集系统设计及举例

3.1、系统设计的一般步骤

.3.1.1、分析问题和确定任务

在进行系统设计之前，必须对要解决的问题进行调查研究、分析论证。如产品的应用场合、面向的客户类型等。在此基础上，根据实际应用中的问题提出具体的要求，确定系统所要完成的数据采集任务和技术指标，确定调试系统和开发软件的手段等。另外，还要对系统设计过程中可能遇到的技术难点做到心中有数，初步定出系统设计的技术路线。

3.1.2、确定采样周期Ts

采样周期Ts决定了采样数据的质量和数量。利用采样定理和系统设指标来确定采样周期。

3.1.3、系统总体设计

在系统总体设计阶段，一般应做以下几项工作。

3.1.3.1进行硬件和软件的功能分配

一般来说，多采用硬件，可以简化软件设计工作，并使系统的速度性能得到改善，但成本会增加，同时，也因接点数增加而增加不可靠因素。若用软件代替硬件功能，可以增加系统的灵活性，降低成本，但系统的工作速度也降低。要根据系统的技术要求，在确定系统总

体方案时进行合理的功能分配。

3.1.3.2确定微型计算机的配置方案

可以根据具体情况，采用微处理器芯片、单片微型机芯片、单板机、标准功能模板或个人微型计算机等作为数据采集系统的控制处理机。选择何种机型，对整个系统的性能、成本和设计进度等均有重要的影响。

3.1.3.3操作面板的设计

（1）输人和修改源程序；

（2）显示和打印各种参数；

（3）工作方式的选择；

（4）启动和停止系统的运行。

为了完成上述功能，操作面板一般由数字键、功能键、开关、显示器件以及打印机等组成。

3.1.3.4系统抗干扰设计

对于数据采集系统，其抗干扰能力要求一般都比较高。因此，抗干扰设计应贯穿于系统设计的全过程，要在系统总体设计时统一考虑。

3.2、硬件和软件的设计

3.2.1硬件设计

硬件设计的任务是以所选择的微型机为中心，设计出与其相配套的电路部分，经调试后组成硬件系统。采用单片机的硬件设计过程。

（1）明确硬件设计任务

为了使以后的工作能顺利进行，不造成大的返工，在硬件正式设计之前，应细致地制定设计的指标和要求，并对硬件系统各组成部分之间的控制关系、时间关系等作出详细的规定。

（2）尽可能详细地绘制出逻辑图、电路图当然，在以后的实验和调试中还要不断地对电路图进行修改，逐步达到完善。

（3）制作电路和调试电路。

按所绘制的电路图在实验板上连接出电路并进行调试，通过调试，找出硬件设计中的毛病并予以排除，使硬件设计尽可能达到完善。调试好之后，再设计成正式的印刷电路板。

3.2.2软件设计

（1）明确软件设计任务

在软件正式设计之前，首先必须要明确设计任务。然后，再把设计任务加以细致化和具体化，即把一个大的设计任务，细分成若干个相对独立的小任务，这就是软件工程学中的“自顶向下细分”的原则。

（2）按功能划分程序模块并绘出流程图

将程序按小任务组织成若干个模块程序，如初始化程序、自检程序、采集程序、数据处理程序、打印和显示程序、打印报警程序等，这些模块既相互独立又相互联系，低一级模块可以被高一级模块重复调用，这种模块化、结构化相结合的程序设计技术既提高了程序的可扩充性，又便于程序的调试及维护。

（3）程序设计语言的选择

选用何种语言与硬件选择有关。

（4）调试程序

首先，对子程序进行调试，不断地修改出现的错误，直到把子程序调好为止，然后再将主程序与子程序连接成一个完整的程序进行调试。其次，调试程序时，在程序中插人断点，分段运行，逐段排除错误。最后，将调试好的程序固化到EPRO（系统采用微处理器、单板机、单片机时）或存入磁盘（系统采用个人微机时），供今后使用。