數(shù)據(jù)采集(DAQ)基礎(chǔ)知識(shí)：重要準(zhǔn)則和通用術(shù)語

本文介紹了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的各個(gè)組成部分，并解釋各個(gè)部分最重要的準(zhǔn)則。本文也定義了用于基于PC的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成部分的許多通用術(shù)語。

圖1 典型的基于PC的DAQ系統(tǒng)

簡(jiǎn)介：現(xiàn)今，在實(shí)驗(yàn)室研究、測(cè)試和測(cè)量以及工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域中，絕大多數(shù)科研人員和工程師使用配有PCI、PXI/CompactPCI、PCMCIA、USB、IEEE1394、ISA、并行或串行接口的個(gè)人電腦（PC）采集數(shù)據(jù)。許多應(yīng)用使用插入式設(shè)備采集數(shù)據(jù)并把數(shù)據(jù)直接傳送到計(jì)算機(jī)內(nèi)存中，而在一些其它應(yīng)用中數(shù)據(jù)采集硬件和PC分離，通過并行或串行接口和PC相連。從基于PC的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中獲取適當(dāng)?shù)慕Y(jié)果取決于圖示一中的各項(xiàng)組成部分：

個(gè)人電腦(PC)

傳感器

信號(hào)調(diào)理

數(shù)據(jù)采集硬件

軟件

1. 個(gè)人電腦(PC)

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)所使用的計(jì)算機(jī)會(huì)極大地影響連續(xù)采集數(shù)據(jù)的最大速度，而當(dāng)今的技術(shù)已可以使用Pentium和PowerPC級(jí)的處理器，它們能結(jié)合更高性能的PCI、PXI/CompactPCI和IEEE1394(火線)總線以及傳統(tǒng)的ISA總線和USB總線。PCI總線和USB接口是目前絕大多數(shù)臺(tái)式計(jì)算機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備，而ISA總線已不再經(jīng)常使用。隨著PCMCIA、USB和IEEE 1394的出現(xiàn)，為基于桌面PC的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)提供了一種更為靈活的總線替代選擇。對(duì)于使用RS-232或RS-485串口通信的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集應(yīng)用，串口通信的速率常常會(huì)使數(shù)據(jù)吞吐量受到限制。在選擇數(shù)據(jù)采集設(shè)備和總線方式時(shí)，請(qǐng)記住您所選擇的設(shè)備和總線所能支持的數(shù)據(jù)傳輸方式。

計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)傳送能力會(huì)極大地影響數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的性能。所有PC都具有可編程I/O和中斷傳送方式。目前絕大多數(shù)個(gè)人電腦可以使用直接內(nèi)存訪問(Direct memory access，DMA)傳送方式，它使用專門的硬件把數(shù)據(jù)直接傳送到計(jì)算機(jī)內(nèi)存，從而提高了系統(tǒng)的數(shù)據(jù)吞吐量。采用這種方式后，處理器不需要控制數(shù)據(jù)的傳送，因此它就可以用來處理更復(fù)雜的工作。為了利用DMA或中斷傳送方式，您的數(shù)據(jù)采集設(shè)備必須能支持這些傳送類型。例如，PCI、ISA和IEEE1394設(shè)備可以支持DMA和中斷傳送方式，而PCMCIA和USB設(shè)備只能使用中斷傳送方式。所選用的數(shù)據(jù)傳送方式會(huì)影響您數(shù)據(jù)采集設(shè)備的數(shù)據(jù)吞吐量。

限制采集大量數(shù)據(jù)的因素常常是硬盤，磁盤的訪問時(shí)間和硬盤的分區(qū)會(huì)極大地降低數(shù)據(jù)采集和存儲(chǔ)到硬盤的最大速率。對(duì)于要求采集高頻信號(hào)的系統(tǒng)，就需要為您的PC選擇高速硬盤，從而保證有連續(xù)(非分區(qū))的硬盤空間來保存數(shù)據(jù)。此外，要用專門的硬盤進(jìn)行采集并且在把數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到磁盤時(shí)使用另一個(gè)獨(dú)立的磁盤運(yùn)行操作系統(tǒng)。對(duì)于要實(shí)時(shí)處理高頻信號(hào)的應(yīng)用，需要用到32位的高速處理器以及相應(yīng)的協(xié)處理器或?qū)Ｓ玫牟迦胧教幚砥鳎?a target="_blank">數(shù)字信號(hào)處理(DSP)板卡。然而，對(duì)于在一秒內(nèi)只需采集或換算一兩次數(shù)據(jù)的應(yīng)用系統(tǒng)而言，使用低端的PC就可以滿足要求。

在滿足您短期目標(biāo)的同時(shí)，要根據(jù)投資所能產(chǎn)生的長期回報(bào)的最大值來確定選用何種操作系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)平臺(tái)。影響您選擇的因素可能包括開發(fā)人員和最終用戶的經(jīng)驗(yàn)和要求、PC的其它用途(現(xiàn)在和將來)、成本的限制以及在您實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)期間內(nèi)可使用的各種計(jì)算機(jī)平臺(tái)。傳統(tǒng)平臺(tái)包括具有簡(jiǎn)單的圖形化用戶界面的Mac OS，以及Windows 9x。此外，Windows NT 4.0和Windows 2000能提供更為穩(wěn)定的32位OS，并且使用起來和Windows 9x類似。Windows 2000是新一代的Windows NT OS，它結(jié)合了Windows NT和Windows 9x的優(yōu)勢(shì)，這些優(yōu)勢(shì)包括固有的即插即用和電源管理功能。

2. 傳感器和信號(hào)調(diào)理

傳感器感應(yīng)物理現(xiàn)象并生成數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可測(cè)量的電信號(hào)。例如，熱電偶、電阻式測(cè)溫計(jì)(RTD)、熱敏電阻器和IC傳感器可以把溫度轉(zhuǎn)變?yōu)?a href="http://wenjunhu.com/analog/" target="_blank">模擬數(shù)字轉(zhuǎn)化器(analog-to-digital ，ADC)可測(cè)量的模擬信號(hào)。其它例子包括應(yīng)力計(jì)、流速傳感器、壓力傳感器，它們可以相應(yīng)地測(cè)量應(yīng)力、流速和壓力。在所有這些情況下，傳感器可以生成和它們所檢測(cè)的物理量呈比例的電信號(hào)。

為了適合數(shù)據(jù)采集設(shè)備的輸入范圍，由傳感器生成的電信號(hào)必須經(jīng)過處理。為了更精確地測(cè)量信號(hào)，信號(hào)調(diào)理配件能放大低電壓信號(hào)，并對(duì)信號(hào)進(jìn)行隔離和濾波。此外，某些傳感器需要有電壓或電流激勵(lì)源來生成電壓輸出。圖2顯示了帶有NI SCXI信號(hào)調(diào)理配件的典型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

圖2 用于插入式數(shù)據(jù)采集設(shè)備的SCXI信號(hào)調(diào)理的前端系統(tǒng)

信號(hào)調(diào)理配件可用于各種重要的應(yīng)用放大功能：放大是最為普遍的信號(hào)調(diào)理功能。例如，需要對(duì)熱電偶的信號(hào)進(jìn)行放大以提高分辨率和降低噪聲。為了得到最高的分辨率，要對(duì)信號(hào)放大以使調(diào)理后信號(hào)的最大電壓范圍和ADC的最大輸入范圍相等。又例如，SCXI有多種信號(hào)調(diào)理模塊可以放大輸入信號(hào)。在臨近傳感器的SCXI機(jī)箱內(nèi)對(duì)低電壓信號(hào)進(jìn)行放大，然后把放大后的高電壓信號(hào)傳送到PC，從而最大限度地降低噪聲對(duì)讀數(shù)的影響。

隔離功能：另一種常見的信號(hào)調(diào)理應(yīng)用是為了安全目的把傳感器的信號(hào)和計(jì)算機(jī)相隔離。被監(jiān)測(cè)的系統(tǒng)可能產(chǎn)生瞬態(tài)的高壓，如果不使用信號(hào)調(diào)理， 這種高壓會(huì)對(duì)計(jì)算機(jī)造成損害。

使用隔離的另一原因是為了確保插入式數(shù)據(jù)采集設(shè)備的讀數(shù)不會(huì)受到接地電勢(shì)差或共模電壓的影響。當(dāng)數(shù)據(jù)采集設(shè)備輸入和所采集的信號(hào)使用不同的參考"地線"，而一旦這兩個(gè)參考地線有電勢(shì)差，就會(huì)帶來麻煩。這種電勢(shì)差會(huì)產(chǎn)生所謂的接地回路，這樣就將使所采集信號(hào)的讀數(shù)不準(zhǔn)確;或者如果電勢(shì)差太大，它也會(huì)對(duì)測(cè)量系統(tǒng)造成損害。使用隔離式信號(hào)調(diào)理能消除接地回路并確保信號(hào)可以被準(zhǔn)確地采集。例如，SCXI-1120和SCXI-1121模塊能提供高達(dá)250 Vrms的共模電壓隔離，SCXI-1122能提供高達(dá)450 Vrms電壓隔離。

多路復(fù)用功能：路復(fù)用是使用單個(gè)測(cè)量設(shè)備來測(cè)量多個(gè)信號(hào)的常用技術(shù)。模擬信號(hào)的信號(hào)調(diào)理硬件常對(duì)如溫度這樣緩慢變化的信號(hào)使用多路復(fù)用方式。ADC采集一個(gè)通道后，轉(zhuǎn)換到另一個(gè)通道并進(jìn)行采集，然后再轉(zhuǎn)換到下一個(gè)通道，如此往復(fù)。由于同一個(gè)ADC可以采集多個(gè)通道而不是一個(gè)通道，每個(gè)通道的有效采樣速率和所采樣的通道數(shù)呈反比。例如，1MS/s的PCI-MIO-16E-1采樣通道為10個(gè)，那么每個(gè)通道的有效采集速率大約為：

由于模擬信號(hào)的模擬SCXI模塊采用多路復(fù)用技術(shù)，一個(gè)數(shù)據(jù)采集設(shè)備可以測(cè)量多達(dá)3,072個(gè)信號(hào)。使用AMUX-64T模擬多路復(fù)用器，您可以使用一個(gè)設(shè)備來測(cè)量256個(gè)信號(hào)。所有內(nèi)置有多路復(fù)用器的數(shù)據(jù)采集設(shè)備也具備這一特性。

濾波功能：濾波器的功能是指在您所測(cè)量的信號(hào)中濾除不需要的信號(hào)。噪聲濾波器用于如溫度這樣直流信號(hào)，它可以衰減那些降低測(cè)量精度的高頻信號(hào)。例如，許多SCXI模塊在使用數(shù)據(jù)采集設(shè)備對(duì)信號(hào)數(shù)字化前使用4 Hz和10 kHz的低通濾波器來濾除噪聲。

如振動(dòng)這樣的交流信號(hào)常常需要另一種被稱為抗混頻的濾波器。像噪聲濾波器一樣，抗混頻濾波器也是低通濾波器;然而，它需要有非常陡的截止速率，從而可以濾除信號(hào)中所有高于設(shè)備輸入波段的頻率。如果這些頻率沒有被濾除，它們將會(huì)作為信號(hào)錯(cuò)誤地出現(xiàn)在設(shè)備輸入帶寬中。專為測(cè)量交流信號(hào)而設(shè)計(jì)的設(shè)備--NI 455x、NI 445x和NI 447x動(dòng)態(tài)信號(hào)采集(DSA)設(shè)備，NI6115同步采樣多功能I/O設(shè)備，SCXI-1141模塊都有內(nèi)置的抗混頻濾波器。

激勵(lì)功能：對(duì)于某些傳感器信號(hào)調(diào)理也能提供激勵(lì)源。例如，應(yīng)力計(jì)、熱敏電阻器和RTD需要有外部電壓或電流激勵(lì)信號(hào)。用于這些傳感器的信號(hào)調(diào)理模塊常用來提供激勵(lì)信號(hào)。RTD測(cè)量常使用電流源來把電阻上的變化量轉(zhuǎn)化為可測(cè)量電壓。應(yīng)力計(jì)是阻值非常低的電阻設(shè)備，常用于配有電壓激勵(lì)源的惠斯通電橋。SCXI-1121和SCXI-1122有板載的激勵(lì)源，可配置為電流或電壓激勵(lì)，從而可用于壓力計(jì)、熱敏電阻器或RTD。

線性化功能：另一種常見的信號(hào)調(diào)理功能是線性化功能。許多傳感器，如熱電偶，對(duì)被測(cè)量的物理量的響應(yīng)是非線性的。NI的NI-DAQ、LabVIEW、Measurement Studio和VirtualBench等應(yīng)用軟件包包含了應(yīng)用于熱電偶、壓力計(jì)和RTD的線性化功能。

您需要了解您的信號(hào)的特性，用于測(cè)量信號(hào)的配置以及系統(tǒng)周圍環(huán)境的影響。根據(jù)這些信息，您才可以確定您的DAQ系統(tǒng)是否需要使用信號(hào)調(diào)理。

3. 數(shù)據(jù)采集硬件

(1) 模擬輸入

模擬輸入的基本考慮-在模擬輸入的技術(shù)說明中將給出關(guān)于數(shù)據(jù)采集產(chǎn)品的精度和功能的信息?；炯夹g(shù)說明適用于大部分?jǐn)?shù)據(jù)采集產(chǎn)品，包括通道數(shù)目、采樣速率、分辨率和輸入范圍等方面的信息。

通道數(shù)：對(duì)于采用單端和差分兩種輸入方式的設(shè)備，模擬輸入通道數(shù)可以分為單端輸入通道數(shù)和差分輸入通道數(shù)。在單端輸入中，輸入信號(hào)均以共同的地線為基準(zhǔn)。這種輸入方法主要應(yīng)用于輸入信號(hào)電壓較高(高于1 V)，信號(hào)源到模擬輸入硬件的導(dǎo)線較短(低于15 ft)，且所有的輸入信號(hào)共用一個(gè)基準(zhǔn)地線。如果信號(hào)達(dá)不到這些標(biāo)準(zhǔn)，此時(shí)應(yīng)該用差分輸入。對(duì)于差分輸入，每一個(gè)輸入信號(hào)都有自有的基準(zhǔn)地線;由于共模噪聲可以被導(dǎo)線所消除，從而減小了噪聲誤差。采樣速率-這一參數(shù)決定了每秒種進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換的次數(shù)。一個(gè)高采樣速率可以在給定時(shí)間下采集更多數(shù)據(jù)，因此能更好地反映原始信號(hào)。

多路復(fù)用：多路復(fù)用是使用單個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換器來測(cè)量多個(gè)信號(hào)的一種常用技術(shù)。要了解更多關(guān)于多路復(fù)用的信息，請(qǐng)參看此文的"信號(hào)調(diào)理"章節(jié)。

分辨率：模數(shù)轉(zhuǎn)換器用來表示模擬信號(hào)的位數(shù)即是分辨率。分辨率越高，信號(hào)范圍被分割成的區(qū)間數(shù)目越多，因此，能探測(cè)到的電壓變量就越小。圖3顯示了一個(gè)正弦波和使用一個(gè)理想的3位模數(shù)轉(zhuǎn)換器所獲得相應(yīng)數(shù)字圖像。一個(gè)3位變換器(此器件在實(shí)際中很少用到，在此處是為了便于說明)可以把模擬范圍分為23，或8個(gè)區(qū)間。

每一個(gè)區(qū)間都由在000至111內(nèi)的一個(gè)二進(jìn)制碼來表示。很明顯，用數(shù)字來表示原始模擬信號(hào)并不是一種很好的方法，這是由于在轉(zhuǎn)換過程中會(huì)丟失信息。然而，當(dāng)分辨率增加至16位時(shí)，模數(shù)轉(zhuǎn)換器的編碼數(shù)目從8增長至65,536，由此可見，在恰當(dāng)?shù)卦O(shè)計(jì)模擬輸入電路其它部分的情況下，您可以對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行非常準(zhǔn)確的數(shù)字化。

圖3 三位分辨率下正弦波的數(shù)字化

量程：量程是模數(shù)轉(zhuǎn)換器可以量化的最小和最大電壓值。NI公司的多功能數(shù)據(jù)采集設(shè)備能對(duì)量程范圍進(jìn)行選擇，可以在不同輸入電壓范圍下進(jìn)行配置。由于具有這種靈活性，您可以使信號(hào)的范圍匹配ADC的輸入范圍，從而充分利用測(cè)量的分辨率。

編碼寬度：數(shù)據(jù)采集設(shè)備上可用的量程、分辨率和增益決定了最小可探測(cè)的電壓變化。此電壓變化代表了數(shù)字值上的最低有效位1(LSB)，也常被稱為編碼寬度。理想的編碼寬度為電壓范圍除以增益和2的分辨率次冪的乘積。例如，NI的一種16位多功能數(shù)據(jù)采集設(shè)備--NI 6030E，，它可供選擇的范圍為0～10V或-10～10V;可供選擇的增益：1，2，5，10，20，50或100。當(dāng)電壓范圍為0～10V，增益為100時(shí)，理想的編碼寬度由以下公式?jīng)Q定：

模擬輸入的重要因素：盡管前面所提到的數(shù)據(jù)采集設(shè)備具有16位分辨率的ADC和100 kS/s采樣率這樣的基本指標(biāo)，但是您可能無法在16個(gè)通道上進(jìn)行全速采樣，或者得不到滿16位的精度。例如，目前市場(chǎng)上的某些帶有16位ADC的產(chǎn)品所得到的有效數(shù)據(jù)要低于12位。為了確定您所要用的設(shè)備是否能滿足您所期待的結(jié)果，請(qǐng)仔細(xì)審查那些超出產(chǎn)品分辨率的技術(shù)指標(biāo)。

評(píng)估數(shù)據(jù)采集產(chǎn)品時(shí)，還需要考慮微分非線性度(DNL)、相對(duì)精度、儀用放大器的穩(wěn)定時(shí)間和噪聲等。

微分非線性度(DNL)：在理想情況下，當(dāng)您提高一個(gè)數(shù)據(jù)采集設(shè)備上的電壓值時(shí)，模數(shù)轉(zhuǎn)換器上的數(shù)字編碼也應(yīng)該線性增加。如果您對(duì)一個(gè)理想的模數(shù)轉(zhuǎn)換器測(cè)定電壓值與輸出碼的關(guān)系，繪出的線應(yīng)是一條直線。這條理想直線的離差被定義為非線性度。DNL是指以LSB為測(cè)量單位，和1LSB理想值的最大離差。一個(gè)理想的數(shù)據(jù)采集設(shè)備的DNL值為0，一個(gè)好的數(shù)據(jù)采集設(shè)備的DNL值應(yīng)在±0.5 LSB以內(nèi)。

對(duì)于一個(gè)編碼應(yīng)該有多寬，我們沒有更多的限制。編碼不會(huì)比0 LSB更小，因此，DNL肯定是小于-1LSB。一個(gè)性能較差的數(shù)據(jù)采集設(shè)備可能有一個(gè)等于或非常接近零的編碼寬度，這意味著會(huì)有一個(gè)丟失碼。對(duì)一個(gè)有丟失碼的數(shù)據(jù)采集設(shè)備無論輸入什么電壓，設(shè)備都無法將此電壓量化為丟失碼所表示的值。有時(shí)DNL指標(biāo)顯示數(shù)據(jù)采集設(shè)備沒有丟失碼，這意味著DNL低于-1 LSB，但是沒有上邊界的技術(shù)指標(biāo)。所有NIE系列設(shè)備都保證沒有丟失碼，并且其技術(shù)說明上清楚地標(biāo)明DNL的技術(shù)指標(biāo)，因此您就可以知道設(shè)備的線性度。

如果以上文提到的數(shù)據(jù)采集設(shè)備為例，其編碼寬度為1.5 μV，略高于500 μV時(shí)會(huì)有一個(gè)丟失碼，此時(shí)，增加電壓至502 μV的情況將不會(huì)被探測(cè)到。在這個(gè)例子中，只有電壓值再增加一個(gè)LSB，大于503 μV時(shí)，電壓改變值才能被探測(cè)到。因此較差的DNL會(huì)降低設(shè)備的分辨率。

相對(duì)精度：相對(duì)精度是指相對(duì)理想數(shù)據(jù)采集的轉(zhuǎn)換函數(shù)(一條直線)，最大離差的LSB測(cè)量位數(shù)。數(shù)據(jù)采集設(shè)備的相對(duì)精度是通過連接一個(gè)負(fù)的滿量程電壓來確定的，采集電壓，增加電壓值，重復(fù)這些步驟直至覆蓋設(shè)備的整個(gè)輸入范圍。當(dāng)描繪這些數(shù)字化點(diǎn)時(shí)，結(jié)果應(yīng)是如圖4(a)所示的一條近似直線。然而，當(dāng)您從數(shù)字化值中減去理想直線值，可描繪出這些計(jì)算結(jié)果所得到的點(diǎn)，如圖4(b)所示。距零的最大離差值即為設(shè)備的相對(duì)精度。

圖4(a)顯示了通過掃描輸入而產(chǎn)生的一條近似的直線。

圖4(b) 顯示，通過減去理論計(jì)算的直線數(shù)值得到的圖形顯示實(shí)際上并不是直的。

數(shù)據(jù)采集設(shè)備的驅(qū)動(dòng)軟件將模數(shù)轉(zhuǎn)換器輸出的二進(jìn)制碼值通過乘以一個(gè)常數(shù)轉(zhuǎn)化為電壓值。良好的相對(duì)精度對(duì)數(shù)據(jù)采集設(shè)備很重要，因?yàn)樗_保了將模數(shù)轉(zhuǎn)換器輸出的二進(jìn)制碼值能被準(zhǔn)確地轉(zhuǎn)化為電壓值。獲得良好的相對(duì)精度需要正確地設(shè)計(jì)模數(shù)轉(zhuǎn)換器和外圍的模擬電路。

穩(wěn)定時(shí)間：穩(wěn)定時(shí)間是指放大器、繼電器、或其它電路達(dá)到工作穩(wěn)定模式所需要的時(shí)間。當(dāng)您在高增益和高速率下進(jìn)行多通道采樣時(shí)，儀用放大器是最不容易穩(wěn)定下來的。在這種條件下，儀用放大器很難追蹤出現(xiàn)在多路復(fù)用器不同通道上的大變化的信號(hào)。一般而言，增益越高并且通道的切換時(shí)間越短時(shí)，儀用放大器越不容易穩(wěn)定。事實(shí)上，沒有現(xiàn)成的可編程增益放大器可在2μs時(shí)間內(nèi)、增益為100時(shí)，穩(wěn)定地達(dá)到12位精度。NI為數(shù)據(jù)采集應(yīng)用專門開發(fā)了NI-PGIA，所以應(yīng)用NI-PGIA的設(shè)備在高增益和高采樣速率下具有一致的穩(wěn)定時(shí)間。

噪聲：在數(shù)據(jù)采集設(shè)備的數(shù)字化信號(hào)中不希望出現(xiàn)的信號(hào)即為噪聲。因?yàn)镻C是一個(gè)有噪聲的數(shù)字化環(huán)境，所以在插入式設(shè)備上作采集工作需要經(jīng)驗(yàn)豐富的模擬電路設(shè)計(jì)人員在多層數(shù)據(jù)采集設(shè)備上精心布線。簡(jiǎn)單地把一個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換器、儀用放大器和總線接口電路布置在一個(gè)一層或兩層板上，這樣開發(fā)出的設(shè)備會(huì)有非常大的噪聲。設(shè)計(jì)者可以在數(shù)據(jù)采集設(shè)備中使用金屬屏蔽來降低噪聲。恰當(dāng)?shù)钠帘尾粌H用于數(shù)據(jù)采集設(shè)備上敏感的模擬部分，而且體現(xiàn)在設(shè)備的板層間使用接地層。

圖5 當(dāng)信號(hào)通過一個(gè)切換40路DC信號(hào)的多路復(fù)用器輸入儀用放大器時(shí)，表現(xiàn)為一個(gè)高頻率AC信號(hào)

圖5顯示了當(dāng)輸入范圍為±10 V，增益為10時(shí)的一個(gè)直流噪聲。當(dāng)1 LSB = 31 μV，20 LSB噪聲水平相當(dāng)于620 μV的噪聲電壓。圖6顯示了兩個(gè)數(shù)據(jù)采集產(chǎn)品的直流噪聲曲線，它們使用的是相同的ADC，兩個(gè)數(shù)據(jù)采集產(chǎn)品的質(zhì)量可由這些噪聲曲線來決定噪聲的范圍和分布情況。從圖6a的曲線可以看出，NIAT-MIO-16XE-10，在0處有高的采樣分布，而它在其它碼值上的點(diǎn)數(shù)量極少。這種分布為高斯分布，它是隨機(jī)噪聲。從曲線可以得知，峰值噪聲在±3 LSB以內(nèi)。在圖6b中，此產(chǎn)品是另一家廠商生產(chǎn)的數(shù)據(jù)采集設(shè)備，它的噪聲分布很不同。設(shè)備生成的噪聲高于20 LSB，出現(xiàn)了許多非期望值的采樣點(diǎn)。

圖6 另一廠商數(shù)據(jù)采集設(shè)備的噪聲分布

圖6中盡管采用了相同16位ADC，兩種數(shù)據(jù)采集產(chǎn)品的噪聲曲線還是具有明顯的不同。圖6(a)是NI AT-MIO-16XE-10;圖6(b)是另一家廠商的數(shù)據(jù)采集產(chǎn)品。

對(duì)于復(fù)雜的測(cè)量硬件如插入式數(shù)據(jù)采集設(shè)備，根據(jù)所使用設(shè)備的不同，您所得到的精度有很大的差別。NI一直致力于提供高精度的產(chǎn)品，在許多情況下，這些產(chǎn)品的精度甚至比臺(tái)式儀器還要高。在NI產(chǎn)品的技術(shù)規(guī)范中有這些精度的說明。同時(shí)您要注意那些沒有詳細(xì)說明的板卡;所省略的技術(shù)指標(biāo)可能會(huì)導(dǎo)致測(cè)量的不精確。通過評(píng)估更多的模擬輸入技術(shù)指標(biāo)，而不是簡(jiǎn)單地參考模數(shù)轉(zhuǎn)換器的分辨率，您可以確定所選的數(shù)據(jù)采集產(chǎn)品對(duì)于您的應(yīng)用是否具有足夠的精度。

(2) 模擬輸出

經(jīng)常需要模擬輸出電路來為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)提供激勵(lì)源。數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)的一些技術(shù)指標(biāo)決定了所產(chǎn)生輸出信號(hào)的質(zhì)量-穩(wěn)定時(shí)間、轉(zhuǎn)換速率和輸出分辨率。

穩(wěn)定時(shí)間：穩(wěn)定時(shí)間是指輸出達(dá)到規(guī)定精度時(shí)所需要的時(shí)間。穩(wěn)定時(shí)間通常由電壓上的滿量程變化來規(guī)定。需要更多關(guān)于穩(wěn)定時(shí)間的信息，請(qǐng)參考模擬輸入這一章節(jié)。

轉(zhuǎn)換速率：轉(zhuǎn)換速率是指數(shù)模轉(zhuǎn)換器所產(chǎn)生的輸出信號(hào)的最大變化速率。穩(wěn)定時(shí)間和轉(zhuǎn)換速率一起決定模數(shù)轉(zhuǎn)換器改變輸出信號(hào)值的速率。因此，一個(gè)數(shù)模轉(zhuǎn)換器在一個(gè)小的穩(wěn)定時(shí)間和一個(gè)高的轉(zhuǎn)換速率下可產(chǎn)生高頻率的信號(hào)，這是因?yàn)檩敵鲂盘?hào)精確地改變至一個(gè)新的電壓值這一過程所需要的時(shí)間極短。

關(guān)于應(yīng)用方面的一個(gè)例子是音頻信號(hào)的產(chǎn)生，它需要上述參數(shù)具有高性能指標(biāo)。數(shù)模轉(zhuǎn)換器需要一個(gè)高的轉(zhuǎn)換速率和小的穩(wěn)定時(shí)間來產(chǎn)生高頻率信號(hào)來覆蓋音頻范圍。與此相對(duì)照，另一個(gè)應(yīng)用示例是利用一個(gè)電壓信號(hào)源來控制一個(gè)加熱器，它不需要高速數(shù)/模轉(zhuǎn)換。這是因?yàn)榧訜崞鲗?duì)電壓值的改變不能很快地響應(yīng)，沒有必要使用高速數(shù)/模轉(zhuǎn)換器。

輸出分辨率：輸出分辨率與輸入分辨率類似;它是產(chǎn)生模擬輸出的數(shù)字碼的位數(shù)。較大的位數(shù)可以縮小輸出電壓增量的量值，因此可以產(chǎn)生更平滑的變化信號(hào)。對(duì)于要求動(dòng)態(tài)范圍寬、增量小的模擬輸出應(yīng)用，需要有高分辨率的電壓輸出。

(3) 觸發(fā)器

許多數(shù)據(jù)采集的應(yīng)用過程需要基于一個(gè)外部事件來起動(dòng)或停止一個(gè)數(shù)據(jù)采集的工作。數(shù)字觸發(fā)使用外部數(shù)字脈沖來同步采集與電壓生成。模擬觸發(fā)主要用于模擬輸入操作，當(dāng)一個(gè)輸入信號(hào)達(dá)到一個(gè)指定模擬電壓值時(shí)，根據(jù)相應(yīng)的變化方向來起動(dòng)或停止數(shù)據(jù)采集的操作。

(4) RTSI總線

NI公司為數(shù)據(jù)采集產(chǎn)品開發(fā)了RTSI總線。RTSI總線使用一種定制的門陣列和一條帶形電纜，能在一塊數(shù)據(jù)采集卡上的多個(gè)功能之間或者兩塊甚至多塊數(shù)據(jù)采集卡之間發(fā)送定時(shí)和觸發(fā)信號(hào)。通過RTSI總線，您可以同步模數(shù)轉(zhuǎn)換、數(shù)模轉(zhuǎn)換、數(shù)字輸入、數(shù)字輸出、和計(jì)數(shù)器/計(jì)時(shí)器的操作。例如，通過RTSI總線，兩個(gè)輸入板卡可以同時(shí)采集數(shù)據(jù)，同時(shí)第三個(gè)設(shè)備可以與該采樣率同步的產(chǎn)生波形輸出。

(5) 數(shù)字I/O (DIO)

DIO接口經(jīng)常在PC數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中使用，它被用來控制過程、產(chǎn)生測(cè)試波形、與外圍設(shè)備進(jìn)行通信。在每一種情況下，最重要的參數(shù)有可應(yīng)用的數(shù)字線的數(shù)目、在這些通路上能接收和提供數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的速率、以及通路的驅(qū)動(dòng)能力。如果數(shù)字線被用來控制事件，比如打開或關(guān)掉加熱器、電動(dòng)機(jī)或燈，由于上述設(shè)備并不能很快地響應(yīng)，因此通常不采用高速輸入輸出。

數(shù)字線的數(shù)量當(dāng)然應(yīng)該與需要被控制的過程數(shù)目相匹配。在上述的每一個(gè)例子中，需要打開或關(guān)掉設(shè)備的總電流必須小于設(shè)備的有效驅(qū)動(dòng)電流。

然而，通過應(yīng)用恰當(dāng)?shù)臄?shù)字信號(hào)調(diào)理配件，您可以使用進(jìn)/出數(shù)據(jù)采集硬件的低電流TTL信號(hào)來監(jiān)測(cè)/控制工業(yè)硬件產(chǎn)生的高電壓和電流信號(hào)。例如，在打開或關(guān)閉一個(gè)高閥門時(shí)，電壓和電流的值可能達(dá)到2A、100VAC的數(shù)量級(jí)。因?yàn)橐粋€(gè)DIO設(shè)備的輸出為幾個(gè)毫安，電壓為0～5VDC，所以可以使用如SSR系列、ER-8/16，SC-206x，或 SCXI模塊來開關(guān)電源信號(hào)，控制閥門。

一個(gè)常見的DIO應(yīng)用是傳送計(jì)算機(jī)和設(shè)備之間的數(shù)據(jù)，這些設(shè)備包括數(shù)據(jù)記錄器、數(shù)據(jù)處理器以及打印機(jī)。因?yàn)樯鲜鲈O(shè)備常以1個(gè)字節(jié)(8位)來傳送數(shù)據(jù)，插入式DIO設(shè)備的數(shù)字線常排列為8位一組，許多具有數(shù)字能力的板卡具有帶同步通信功能的握手電路。通道數(shù)、數(shù)據(jù)速率和握手能力都是很重要的技術(shù)指標(biāo)，您需要了解這些指標(biāo)并且它們要與應(yīng)用的要求相匹配。

(6) 定時(shí)I/O

計(jì)數(shù)器/定時(shí)器在許多應(yīng)用中具有很重要的作用，包括對(duì)數(shù)字事件產(chǎn)生次數(shù)的計(jì)數(shù)、數(shù)字脈沖計(jì)時(shí)，以及產(chǎn)生方波和脈沖。您通過三個(gè)計(jì)數(shù)器/計(jì)時(shí)器信號(hào)就可以實(shí)現(xiàn)所有上述應(yīng)用：門、輸入源和輸出。

門：門是指用來使計(jì)數(shù)器開始或停止工作的一個(gè)數(shù)字輸入信號(hào)。

輸入源：輸入源是一個(gè)數(shù)字輸入，它的每次翻轉(zhuǎn)都導(dǎo)致計(jì)數(shù)器的遞增，因而提供計(jì)數(shù)器工作的時(shí)間基準(zhǔn)。

輸出：在輸出線上輸出數(shù)字方波和脈沖。

應(yīng)用一個(gè)計(jì)數(shù)器/計(jì)時(shí)器時(shí)最重要的指標(biāo)是分辨率和時(shí)鐘頻率。分辨率是計(jì)數(shù)器所應(yīng)用的位數(shù)。簡(jiǎn)單地說，高分辨率意味著計(jì)數(shù)器可以計(jì)數(shù)的位數(shù)越高。時(shí)鐘頻率決定了您可以翻轉(zhuǎn)數(shù)字輸入源的速度有多快。當(dāng)頻率越高，計(jì)數(shù)器遞增的也越快，因此對(duì)于輸入可探測(cè)的信號(hào)頻率越高，對(duì)于輸出則可產(chǎn)生更高頻率的脈沖和方形波。在我們的E系列數(shù)據(jù)采集設(shè)備中采用了DAQ-STC計(jì)數(shù)器/計(jì)時(shí)器，其時(shí)鐘頻率為20 MHz，共有16個(gè)24位計(jì)數(shù)器。在NI 660x計(jì)數(shù)器/計(jì)時(shí)器設(shè)備中，所用的NI-TIO計(jì)數(shù)器/計(jì)時(shí)器最高時(shí)鐘頻率為80 MHz，共有8個(gè)32位計(jì)數(shù)器。

DAQ-STC是NI的一種定制的專用集成電路 (ASIC) ， 它是為數(shù)據(jù)采集應(yīng)用專門設(shè)計(jì)的。與應(yīng)用在數(shù)據(jù)采集設(shè)備上的其他現(xiàn)有計(jì)數(shù)器/計(jì)時(shí)器芯片相比較，DAQ-STC是與眾不同的。例如，DAQ-STC是一個(gè)正向/反向的計(jì)數(shù)器/計(jì)時(shí)器，意味著它可以使用附加的外部數(shù)字信號(hào)，根據(jù)"高"或"低"電平，來正向計(jì)數(shù)或反向計(jì)數(shù)。這種類型的計(jì)數(shù)器/計(jì)時(shí)器可用于旋轉(zhuǎn)或線性編碼器來測(cè)量位置。其它的專有功能還有生成緩沖式脈沖系列、對(duì)相同的采樣時(shí)間進(jìn)行定時(shí)、相關(guān)時(shí)間戳記、以及采樣速率的瞬間改變。

NI-TIO也是一種針對(duì)計(jì)時(shí)應(yīng)用特定設(shè)計(jì)的定制的ASIC。它將所有的DAQ-STC計(jì)數(shù)器/計(jì)時(shí)器的功能進(jìn)行合并，并且還加入了新的特點(diǎn)，如自身編碼器的兼容性、消除反沖過濾器和兩個(gè)信號(hào)的邊緣分離測(cè)量。

圖7 自動(dòng)潤滑檢測(cè)應(yīng)用(應(yīng)用了一個(gè)SCXI機(jī)箱和在Macintosh上運(yùn)行的LabVIEW)

4. 軟件

軟件使PC和數(shù)據(jù)采集硬件形成了一個(gè)完整的數(shù)據(jù)采集、分析和顯示系統(tǒng)。沒有軟件，數(shù)據(jù)采集硬件是毫無用處的--或者使用比較差的軟件，數(shù)據(jù)采集硬件也幾乎無法工作。大部分?jǐn)?shù)據(jù)采集應(yīng)用實(shí)例都使用了驅(qū)動(dòng)軟件。軟件層中的驅(qū)動(dòng)軟件可以直接對(duì)數(shù)據(jù)采集硬件的寄存器編程，管理數(shù)據(jù)采集硬件的操作并把它和處理器中斷，DMA和內(nèi)存這樣的計(jì)算機(jī)資源結(jié)合在一起。驅(qū)動(dòng)軟件隱藏了復(fù)雜的硬件底層編程細(xì)節(jié)，為用戶提供容易理解的接口。

例如，以下的代碼片斷顯示了使用C語言的NI-DAQ功能調(diào)用，該功能從MIO-16E-10的一個(gè)模擬輸入通道讀取電壓并進(jìn)行換算。

隨著數(shù)據(jù)采集硬件、計(jì)算機(jī)和軟件復(fù)雜程度的增加，好的驅(qū)動(dòng)軟件就顯得尤為重要。合適的驅(qū)動(dòng)軟件可以最佳地結(jié)合靈活性和高性能，同時(shí)還能極大地降低開發(fā)數(shù)據(jù)采集程序所需的時(shí)間。

在選擇驅(qū)動(dòng)軟件時(shí)，需要考慮以下幾個(gè)因素。

① 可以使用哪些功能?

控制數(shù)據(jù)采集硬件的驅(qū)動(dòng)功能可被分為模擬I/O、數(shù)字I/O和計(jì)時(shí)I/O。盡管大多數(shù)驅(qū)動(dòng)都具有這些基本功能，您需要明確驅(qū)動(dòng)不僅僅只是對(duì)設(shè)備的數(shù)據(jù)進(jìn)行存取。請(qǐng)確定驅(qū)動(dòng)有以下功能：

在前臺(tái)進(jìn)行處理時(shí)可以在后臺(tái)采集數(shù)據(jù)

使用可編程I/O，中斷和DMA來傳輸數(shù)據(jù)

把數(shù)據(jù)存入硬盤和從硬盤提取數(shù)據(jù)

同時(shí)執(zhí)行多個(gè)功能

集成多個(gè)數(shù)據(jù)采集設(shè)備

和信號(hào)調(diào)理設(shè)備無縫地集成

數(shù)據(jù)采集驅(qū)動(dòng)的所有這些功能都包含在NI-DAQ中，它可以為用戶節(jié)省大量的時(shí)間。

② 哪些操作系統(tǒng)可以使用驅(qū)動(dòng)?

請(qǐng)確保驅(qū)動(dòng)軟件與您現(xiàn)在和未來打算使用的操作系統(tǒng)兼容。經(jīng)過設(shè)計(jì)，驅(qū)動(dòng)也應(yīng)該可以在各種不同特性和功能的OS上使用。您也可能需要能在多個(gè)平臺(tái)上移植代碼的靈活性，比如說從Windows PC到Macintosh。NI-DAQ可用于Windows 2000/NT/ME/9x 和 Mac OS。

由于您對(duì)程序無需或者只做少量改動(dòng)就可以在各種硬件產(chǎn)品或操作系統(tǒng)上使用，NI-DAQ能保護(hù)您在軟件上的投資。

③ 您可以使用哪些編程語言來調(diào)用驅(qū)動(dòng)?

確保可以使用您所喜歡編程語言來調(diào)用驅(qū)動(dòng)，而且驅(qū)動(dòng)能在您的開發(fā)環(huán)境中很好地工作。如Visual Basic這樣的編程語言，具有事件驅(qū)動(dòng)的開發(fā)環(huán)境，為程序的開發(fā)提供了各種控件。如果您在Visual Basic環(huán)境中開發(fā)程序，確保驅(qū)動(dòng)具有能適合這種開發(fā)語言編程方式的自定義控件，如NI-DAQ中的控件。

④ 您是否能通過軟件來使用所需要的硬件功能?

當(dāng)用戶購買數(shù)據(jù)采集硬件并通過軟件來使用硬件時(shí)，常會(huì)發(fā)現(xiàn)所需要的硬件功能不能由軟件來調(diào)用處理。如果硬件和軟件由不同的廠商開發(fā)，就經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)這種問題。NI-DAQ驅(qū)動(dòng)軟件可以調(diào)用NI數(shù)據(jù)采集硬件產(chǎn)品功能表中所有的功能。

⑤ 驅(qū)動(dòng)是否會(huì)使性能受到限制?

由于驅(qū)動(dòng)是一個(gè)額外的軟件層，它可能會(huì)使性能受到某些限制。此外，如Windows 9x這樣的操作系統(tǒng)也具有明顯的中斷延遲時(shí)間。如果處理不好，這些等待時(shí)間會(huì)嚴(yán)重地降低優(yōu)化，所提供的采集速率能高達(dá)10 MS/s。

回答這些問題使您可以了解開發(fā)人員對(duì)驅(qū)動(dòng)軟件所做的工作。在理想的情況下，您會(huì)希望為您提供驅(qū)動(dòng)軟件的公司在開發(fā)數(shù)據(jù)采集軟件方面和他們?cè)陂_發(fā)數(shù)據(jù)采集硬件方面具有相同的實(shí)力。

應(yīng)用軟件：另一種對(duì)數(shù)據(jù)采集硬件編程的方法是使用應(yīng)用軟件。然而，即使使用應(yīng)用軟件，由于應(yīng)用軟件也使用驅(qū)動(dòng)軟件來控制數(shù)據(jù)采集硬件，所以您仍要了解上面所提到的問題的答案。應(yīng)用軟件的優(yōu)勢(shì)是它為驅(qū)動(dòng)軟件增加了分析和顯示的功能，同時(shí)它也可以把數(shù)據(jù)采集和儀器控制(GPIB、RS-232和VXI)集成在一起。

為了讓用戶能開發(fā)出完整的儀器、采集和控制程序，NI提供了傳統(tǒng)C編程人員使用的應(yīng)用軟件Measurement Studio，以及具有圖形化編程方法的應(yīng)用軟件LabVIEW 。這些產(chǎn)品都有帶有專用功能的附加工具包。Measurement Studio還包含能為Visual C++和Visual Basic用戶提供完整儀器功能的工具。NI VI Logger是非常靈活的易用工具，它是為您的數(shù)據(jù)記錄應(yīng)用而專門設(shè)計(jì)的。

圖8 NI 的VI Logger應(yīng)用軟件能幫助用戶進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄

開發(fā)您的系統(tǒng)：為了開發(fā)出用于測(cè)量和控制的高質(zhì)量數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，您必須了解組成系統(tǒng)的各個(gè)部分。在所有數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的組成部分中，軟件是最重要的。這是由于插入式數(shù)據(jù)采集設(shè)備沒有顯示功能，軟件是您和系統(tǒng)的唯一接口。軟件提供了系統(tǒng)的所有信息，您也需要通過它來控制系統(tǒng)。軟件把傳感器、信號(hào)調(diào)理、數(shù)據(jù)采集硬件和分析硬件集成為一個(gè)完整的多功能數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

圖9 通過LabWindows/CVI高級(jí)分析庫中的信號(hào)處理功能，您可以對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行頻譜分析、濾波和加窗操作。

因此，在開發(fā)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)時(shí)，您要對(duì)軟件進(jìn)行充分評(píng)估。通過明確您系統(tǒng)的要求來選擇硬件并確保硬件規(guī)范滿足系統(tǒng)和您的要求。同時(shí)，仔細(xì)地選擇合適的軟件：無論是驅(qū)動(dòng)軟件或是應(yīng)用軟件--可以為您節(jié)省大量的開發(fā)時(shí)間和金錢。

審核編輯 ：李倩