浅析数据采集系统

申 浩

（广州半导体材料研究所，广东 广州 510610）

数据采集是数字信息处理过程中的一个重要环节。 不论是计算机控制系统， 还是中低速的语言识别系统或高速的雷达信息处理系统、 图像处理系统均是首先由数据采集系统得到数字序列， 然后再由高速处理系统进行实时处理或是由计算机进行普通的后处理。

1 概述

数据采集（Data Acquisition）是指将温度、压力、流量、位移、角度等连续变化的模拟量转换为数字量，将数据存储并且显示、处理、 传输与纪录这一过程。 相应的系统即为数据采集系统（Data Acquisition System，简称DAS）。

数据采集系统一般可分为以下四类：（1）数据显示系统：系统测试各种信号并且显示出来。 （2）数据记录系统：系统测试各种信号并且记录下来。 （3）数据处理系统：系统测试各种信号并且对它们进行处理。 （4）综合数据系统：系统不仅立即处理输入的信号，而且利用这些新的信息去执行一些控制功能。经系统处理产生的输出信号立即送往数据系统控制的一些设备， 这些设备可以是相同的，它们在产生输入信号，这种系统也叫做反馈数据系统。 前三类都可以看作综合数据系统的一部分。

2 数据采集系统的组成

适合科研上用的数据采集系统，一般配备高精度的A/D、D/A 转换器和计算机。 这样可以胜任同时进行多参数（压力、推力、温度、转速、流量和位移等）测量，大数据量的存储和处理工作[1]。

数据采集系统通常由以下四部分组成：（1）数据采集器。 包括多路开关，测量放大器，采样保持电路，A/D 转换器等。 它逐个采样多个现场模拟信号再量化成数字信号后送往计算机。（2）输入/输出电路。 用来传送数据采集系统运行所需的数据，状态信息和控制信号。 在计算机系统中，可采用的输入/输出控制方式一般有四种：程序控制，中断控制，直接存储器存取（DMA）和输入/输出处理机控制[2]。 计算机和外部设备之间的数据传输方式可分为串行和并行两种。 （3）D/A 转换器。 将计算机输出的数字信号再转换为模拟信号，以满足显示、纪录和控制等需求。 有时人们也将包含D/A 转换器的数据采集系统称为模拟输入与输出系统。（4）应用软件。完成对采集数据进行存储、处理等操作的软件。

数据采集系统的核心器件就是A/D 转换器，此外，还包括下列各种器件：传感器，信号调理电路，多路开关，采样保持电路，程序控制定序器等。一个典型的数据采集系统框图如图1 所示。

图1 数据采集系统框图

2.1 传感器

在生产和科学研究活动中， 常需利用传感器测量压力、推力、温度、转速和流量等。 下面就介绍几种常用的传感器：

（1）拉力和荷重传感器。 用来测量拉力和推力的传感器有电阻应变片式、压磁式和压电式等，电阻应变片式的拉力和荷重传感器应用广泛，其工作原理是：一个弹性元件在外力作用下产生应变，由于应变片粘接在弹性元件上，所以将应变片的应变量转换成电阻的变化， 再利用测量电桥将电阻的变化转换成电压的变化信号而测量之。

（2）压力传感器。 用来测量压力的传感器有电阻应变片式、霍尔效应式及压电式等。 电阻应变片式压力传感器的工作原理是利用应变片将弹性元件在压力作用下产生的变形转换成电量信号，作为数据采集系统的模拟输入信号。 霍尔效应压力传感器是利用霍尔元件在压力作用下产生的位移转换成霍尔电势。

（3）温度传感器。 温度传感器的种类繁多，在数据采集系统中多使用热电偶作为温度传感器。 热电偶工作的基本原理是利用两种不同材料的热电效应产生的热电势来测温的， 热电势的大小取决于冷热端的温度之差。

（4）转速传感器。 用来测量转速的常用的传感器有光电式和磁电式等。 光电式转速传感器的工作原理是：将转速转换成光脉冲， 再利用光电变换器将光脉冲变换成电脉冲， 从而测得转速值。 磁电式转速传感器是利用磁电变换原理将转速变换成电信号，它是通过定子和转子之间的间隙发生变化，磁路中的磁通就发生变化，线圈中就感应出电势来，由于电磁式转速传感器输出的电势和转速成正比， 因而用模拟式测量电路测出其电压的大小就可获得转速值。 所以，它适用于数据采集系统测定转速值。

（5）流量传感器。 用来测量流量的传感器常称流量计，流量计的种类很多，如速度式流量计、容积式流量计、压差式流量计、恒压式流量计等。

（6）位移传感器。 用来测量位移的传感器有多种型式，如滑线电阻式、电阻应变片式、差动变压器式和光栅式等。

（7）加速度传感器。 各种加速度传感器的变换原理，一般多采用质量-弹簧系统，通过适当选择参数，把加速度变成力和位移，再由力或位移的变换元件把它们转换成便于测量的信号。 测量加速度的传感器有压电式加速度传感器、 电阻应变片式加速度传感器和伺服式加速度传感器等。

2.2 放大器

放大器是用来把微弱的信号进行放大，在数据采集系统中，放大器的作用一般是：（1）对信号的幅度放大；（2）隔离和缓冲前后级单元；（3）抑制噪声，提高信噪比；（4）其他作用，如电压、电流变换等。

数据采集系统一般支持多个模拟通道， 所以需要引入可编程放大器。 可编程放大器的放大倍数随时可由一组数字序列控制，在模拟多路开关改变其通道序号时，放大电路也由相应的一组数字序列控制改变放大倍数， 即为每个模拟通道提供最合适的放大倍数。

放大器主要由静电屏蔽系统、电位放大器、隔离器和传递放大器等部分组成。

2.3 模拟多路开关

在数据采集系统中，往往要进行多个物理量的测量，如分别要进行压力、推力、温度、转速、流量等物理参量的测量，即所谓的巡回检测，对这些参量进行A/D 转换时，多采用公共的A/D 转换电路以降低成本。 因此，当依次对各路进行转换时，就必须分时占用A/D 转换电路。这可通过模拟多路开关来解决，即轮流切换各被测通道与A/D 转换电路之间的通路以达到分时的目的。

2.4 A/D 转换器

A/D 转换器是将模拟量转换成数字量的器件， 是数据采集系统中的核心器件。 模拟量可以是电压、电流，也可以是声、光、压力、温度、湿度等随着时间连续变化的非电的物理量。 非电的模拟量可以通过传感器转换成电信号。

A/D 转换器的转换关系可以表示为：

D=AI/AR

式中，D 为数字输出信号；AI为模拟输入信号；AR为参考模拟量。

2.4.1 工作原理

A/D 转换器是把模拟信号（通常是模拟电压）转换为数字信号的电路。 这种转换一般分四步进行：

采样→保持→量化→编码

（1）采样。 采样是将一个连续变化的模拟量转换为断续变化的模拟量。 采样过程如图2 所示。采样器像是一个受控开关，s（t）=1 时，开关闭合，fs（t）=f（t）；s（t）=0 时，开关断开，fs（t）=0。 用数字逻辑式表示就是：fs（t）=f（t）*s（t），s（t）=1 或0。

图2 采样过程示意图

（2）保持。 保持是将采样得到的模拟量值保持下来。 保持发生在s（t）=0 期间。 一个基本的采样保持电路如图3 所示。 它由MOS 管采样开关T、保持电容Cb和运放做成的跟随器三部分组成。 s（t）=1 时，T 导通，vi向Cb充电，vc和v0跟踪vI变化，即对vI采样。s（t）=0 时，T 截止，v0将保持前一瞬间采样的数值不变。 只要Cb的漏电电阻、 跟随器的输入电阻和MOS 管T 的截止电阻都足够大，v0就能保持到下次采样脉冲到来之前不变。 进行A/D转换时所用的输入电压，就是这种保持下来的采样电压。

图3 采样保持电路

（3）量化，编码。 量化是用基本的量化电平个数来表示采样保持电路得到的模拟电压值。 量化过程实际上就是把采样保持下来的模拟值舍入成整数的过程。 编码是把已经量化的模拟数值用二进制码来表示。

2.4.2 主要性能指标

A/D 转换器的主要性能指标有以下几个：

（1）分辨率：分辨率表示转换器对微小输入量变化的敏感程度，一般用转换器输出数字量的位数来表示。

（2）精度：精度是指与数字输出量所对应的模拟输入量的模拟值与理论值之间的差值。 A/D 转换电路中与每个数字量对应的模拟输入量是一个范围Δ。 一般定义Δ 为数字量的最小有效位LSB。

精度通常用最小有效位LSB 的分数值来表示。 设Δ 的中点为A，如果输入模拟量在A±Δ/2 的范围内，产生唯一的D，则称其精度为±0LSB。 若模拟量变化范围的上限值和下限值各增减Δ/4，转换器输出仍为同一数码D，则称其精度为±1/4LSB。

（3）转换时间：转换时间是指完成一次A/D 转换所需要的时间。

（4）温度系数和增益系数：表示A/D 转换器受环境温度影响的程度。

3 结语

数据采集系统已经在雷达、通信、水声、遥感、地质勘探、振动检测与控制、无损检测、电力系统、智能仪器、工业自动控制、生物医学工程等许多领域获得了广泛的应用。

[1]周振安.数据采集系统的设计与实践[M].北京：地震出版社，2005.

[2].韩学超.用DMA 技术实现的高速数据采集系统[J].电子技术，2000，9:49-51.