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正確選擇和使用數據采集卡

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 目前,，在實驗室研究,、科研教學,、國防建設,、測試和測量以及工業(yè)自動化領域中,，絕大多數科研人員和工程師使用配有PCI、PCIe,、PXI/CompactPCI,、PCMCIA、USB,、IEEE1394,、ISA、并行或串行接口的基于PC的數據采集系統(tǒng),。許多應用使用插入式設備采集數據并把數據直接傳送到計算機內存中,，而在一些其它應用中數據采集硬件與PC分離，通過并行或串行接口和PC相連,。

 數據采集又稱數據獲取(DAQ),，是使用計算機測量電壓、電流,、溫度,、壓力或聲音等電子、物理現象的過程,從傳感器和其它待測設備等模擬和數字被測單元中自動采非電量或者電量信號,送到上位機中進行分析,處理,。數據采集系統(tǒng)是結合基于計算機或者其他專用測試平臺的測量軟硬件產品來實現靈活的,、用戶自定義的測量系統(tǒng)。數據采集卡,，即實現數據采集(DAQ)功能的計算機擴展卡，可以通過USB,、PXI,、PCI、PCI Express,、火線(1394),、PCMCIA、ISA,、Compact Flash,、485、232,、以太網,、各種無線網絡等總線接入個人計算機。

傳感器是室內溫度,、光源強度,、或施于物體的壓力等物理現象都通過傳感器進行測量。傳感器,，也被稱為轉換器,，能夠將一種物理現象轉換為可測量的電子信號。根據傳感器類型的不同,，其輸出的可以是電壓,、電流,、電阻，或是隨著時間變化的其他電子屬性,。一些傳感器可能需要額外的組件和電路來正確生成可以由DAQ設備準確和安全讀取的信號,。

圖1典型的基于PC的數據采集(DAQ)系統(tǒng)

傳感器和信號調理

傳感器感應物理現象并生成數據采集系統(tǒng)可測量的電信號。例如,，熱電偶,、電阻式測溫計（RTD）、熱敏電阻器和IC傳感器可以把溫度轉變?yōu)槟M數字轉化器（analog-to-digital ,，ADC）可測量的模擬信號,。其它例子包括應力計、流速傳感器,、壓力傳感器,，它們可以相應地測量應力、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的物理量呈比例的電信號。
為了適合數據采集設備的輸入范圍,，由傳感器生成的電信號必須經過處理,。為了更精確地測量信號，信號調理配件能放大低電壓信號,，并對信號進行隔離和濾波,。此外，某些傳感器需要有電壓或電流激勵源來生成電壓輸出,。圖2顯示了帶有NI SCXI信號調理配件的典型數據采集系統(tǒng),。

圖3 傳感器與信號調理與機算機的連接

圖2 數據采集卡采集過程

一、數據采集卡的定義：數據采集卡就是把模擬信號轉換成數字信號的設備,，其核心就是A/D芯片,。 二、數據采集簡介：在計算機廣泛應用的今天,，數據采集的重要性是十分顯著的,。它是計算機與外部物理世界連接的橋梁。各種類型信號采集的難易程度差別很大,。實際采集時,，噪聲也可能帶來一些麻煩。數據采集時,，有一些基本原理要注意,，還有更多的實際的問題要解決。假設現在對一個模擬信號x(t)每隔Δt時間采樣一次。時
一,、數據采集卡的定義：
   數據采集卡就是把模擬信號轉換成數字信號的設備,，其核心就是A/D芯片。
二,、數據采集簡介：
   在計算機廣泛應用的今天,，數據采集的重要性是十分顯著的。它是計算機與外部物理世界連接的橋梁,。各種類型信號采集的難易程度差別很大,。實際采集時，噪聲也可能帶來一些麻煩,。數據采集時,，有一些基本原理要注意，還有更多的實際的問題要解決,。
假設現在對一個模擬信號x(t)每隔Δt時間采樣一次,。時間間隔Δt被稱為采樣間隔或者采樣周期。它的倒數1/Δt被稱為采樣頻率,，單位是采樣數/每秒,。t=0,Δt ,2Δt ,3Δt…… 等等，x(t)的數值就被稱為采樣值,。所有x(0),x(Δt),x(2Δt )都是采樣值,。這樣信號x(t)可以用一組分散的采樣值來表示：  下圖顯示了一個模擬信號和它采樣后的采樣值。采樣間隔是Δt,，注意,，采樣點在時域上是分散的。

圖1模擬信號和采樣顯示

如果對信號x(t)采集N個采樣點,，那么x(t)就可以用下面這個數列表示： 
這個數列被稱為信號x(t)的數字化顯示或者采樣顯示。注意這個數列中僅僅用下標變量編制索引,，而不含有任何關于采樣率（或Δt）的信息,。所以如果只知道該信號的采樣值，并不能知道它的采樣率,，缺少了時間尺度,，也不可能知道信號x(t)的頻率。
根據采樣定理,，最低采樣頻率必須是信號頻率的兩倍,。反過來說，如果給定了采樣頻率,，那么能夠正確顯示信號而不發(fā)生畸變的最大頻率叫做恩奎斯特頻率,，它是采樣頻率的一半。如果信號中包含頻率高于奈奎斯特頻率的成分，信號將在直流和恩奎斯特頻率之間畸變,。圖２顯示了一個信號分別用合適的采樣率和過低的采樣率進行采樣的結果,。
采樣率過低的結果是還原的信號的頻率看上去與原始信號不同。這種信號畸變叫做混疊（alias）,。出現的混頻偏差（alias frequency）是輸入信號的頻率和最靠近的采樣率整數倍的差的絕對值,。

 
圖2不同采樣率的采樣結果
圖３給出了一個例子。假設采樣頻率fs是100HZ,,，信號中含有25,、70、160,、和510 Hz的成分,。

 
圖３ 說明混疊的例子
采樣的結果將會是低于奈奎斯特頻率（fs/2=50 Hz）的信號可以被正確采樣。而頻率高于50HZ的信號成分采樣時會發(fā)生畸變,。分別產生了30,、40和10 Hz的畸變頻率F2、F3和F4,。計算混頻偏差的公式是：
混頻偏差＝ABS（采樣頻率的最近整數倍－輸入頻率）
其中ABS表示“絕對值”,，例如：
混頻偏差F2 =|100–70| = 30 Hz
混頻偏差F3 = |(2)100–160| = 40 Hz
混頻偏差F4 = |(5)100–510| = 10 Hz
為了避免這種情況的發(fā)生，通常在信號被采集（A/D）之前,，經過一個低通濾波器,，將信號中高于奈奎斯特頻率的信號成分濾去。在圖3的例子中,，這個濾波器的截止頻率自然是25HZ,。這個濾波器稱為 抗混疊濾波器
采樣頻率應當怎樣設置呢？也許你可能會首先考慮用采集卡支持的最大頻率,。但是,，較長時間使用很高的采樣率可能會導致沒有足夠的內存或者硬盤存儲數 據太慢。理論上設置采樣頻率為被采集信號最高頻率成分的2倍就夠了,，實際上工程中選用5～10倍,，有時為了較好地還原波形，甚至更高一些,。
通常,，信號采集后都要去做適當的信號處理，例如FFT等,。這里對樣本數又有一個要求,，一般不能只提供一個信號周期的數據樣本，希望有5～10個周期,，甚至更多的樣本,。并且希望所提供的樣本總數是整周期個數 的,。這里又發(fā)生一個困難，有時我們并不知道,，或不確切知道被采信號的頻率,，因此不但采樣率不一定是信號頻率的整倍數，也不能保證提供整周期數的樣本,。我們所有的僅僅是一個時間序列的離散的函數x(n)和采樣頻率,。這是我們測量與分析的唯一依據。
主要類型：
在工業(yè)現場,，我們會安裝很多的各種類型的傳感器,，如壓力的、溫度的,、流量的,、聲音的、電參數的等等,，受現場環(huán)境的限制傳感器信號如壓力傳感器輸出的電壓或者電流信號不能遠傳或者因為傳感器太多布線復雜,，我們就會選用分布式或者遠程的采集卡（模塊）在現場把信號較高精度地轉換成數字量，然后通過各種遠傳通信技術（如485,、232,、以太網、各種無線網絡）把數據傳到計算機或者其他控制器中進行處理,。這種也算作數據采集卡的一種,，只是它對環(huán)境的適應能力更強，可以應對各種惡劣的工業(yè)環(huán)境,。
如果是在比較好的現場或者實驗室,，如學校的實驗室，就可以使用USB/PCI這種采集卡,。和常見的內置采集卡不同,，外置數據采集卡一般采用USB接口和1394接口，因此,，外置數據采集卡主要指USB采集卡和1394采集卡,。

   
T510-數據采集卡
數據采集卡，絕大多數集中在采集模擬量,、數字量、熱電阻,、熱電偶,，其中熱電阻可以認為是非電量（其實本質上還是要用電流驅動來采集）其中模擬量采集卡和數字量采集卡用得是最廣泛的。
現在市場上有一種二合一采集卡,，二合一,，指的是數字模擬采集卡,，AV+DV采集卡，數字,、模擬二合一,，數字輸入輸出，模擬接口輸入(DV/AV/S-video),。
最后雖然說是采集卡,，但實際應用中經常需要它輸出控制信號。采集卡廣泛應用于安防監(jiān)控,、教育課件錄制,、大屏拼接、多媒體錄播錄像,、會議錄制,、虛擬演播室、虛擬現實,、安檢X光機,、雷達圖像信號、VDR紀錄儀,、醫(yī)療X光機,、CT機、胃腸機,、陰道鏡,、工業(yè)檢測、智能交通,、醫(yī)學影像,、工業(yè)監(jiān)控、儀器儀表,、機器視覺等領域,。

數據采集硬件及軟件：

模擬輸入

模擬輸入的基本考慮－在模擬輸入的技術說明中將給出關于數據采集產品的精度和功能的信息?；炯夹g說明適用于大部分數據采集產品,，包括通道數目、采樣速率,、分辨率和輸入范圍等方面的信息,。
模擬輸出

經常需要模擬輸出電路來為數據采集系統(tǒng)提供激勵源。數模轉換器（DAC）的一些技術指標決定了所產生輸出信號的質量－穩(wěn)定時間,、轉換速率和輸出分辨率,。
觸發(fā)器

許多數據采集的應用過程需要基于一個外部事件來起動或停止一個數據采集的工作。數字觸發(fā)使用外部數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,，當一個輸入信號達到一個指定模擬電壓值時,，根據相應的變化方向來起動或停止數據采集的操作。
RTSI總線

北京迪陽公司為數據采集產品開發(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,，能在一塊數據采集卡上的多個功能之間或者兩塊甚至多塊數據采集卡之間發(fā)送定時和觸發(fā)信號。通過RTSI總線,，您可以同步模數轉換,、數模轉換、數字輸入,、數字輸出,、和計數器/計時器的操作。例如,，通過RTSI總線，兩個輸入板卡可以同時采集數據,，同時第三個設備可以與該采樣率同步的產生波形輸出。
數字I/O(DIO)

DIO接口經常在PC數據采集系統(tǒng)中使用,，它被用來控制過程,、產生測試波形、與外圍設備進行通信,。在每一種情況下,，最重要的參數有可應用的數字線的數目、在這些通路上能接收和提供數字數據的速率,、以及通路的驅動能力,。如果數字線被用來控制事件，比如打開或關掉加熱器,、電動機或燈,，由于上述設備并不能很快地響應，因此通常不采用高速輸入輸出,。
定時I/O

計數器/定時器在許多應用中具有很重要的作用，包括對數字事件產生次數的計數,、數字脈沖計時,，以及產生方波和脈沖。您通過三個計數器/計時器信號就可以實現所有上述應用——門,、輸入源和輸出,。

軟件

軟件使PC和數據采集硬件形成了一個完整的數據采集、分析和顯示系統(tǒng),。沒有軟件,，數據采集硬件是毫無用處的——或者使用比較差的軟件，數據采集硬件也幾乎無法工作,。大部分數據采集應用實例都使用了驅動軟件,。軟件層中的驅動軟件可以直接對數據采集硬件的寄存器編程，管理數據采集硬件的操作并把它和處理器中斷,，DMA和內存這樣的計算機資源結合在一起,。驅動軟件隱藏了復雜的硬件底層編程細節(jié)，為用戶提供容易理解的接口,。

完整的測量系統(tǒng)的搭建：

測量方案和分析方法的選擇往往很費時間,。一旦您設定了測量系統(tǒng)的具體規(guī)格，那就要決定如何百分之百地去執(zhí)行這個方案,。為了縮短制定系統(tǒng)規(guī)格的時間,，NI為您提供幾種在線資源。DAQ Designer(數據采集系統(tǒng)配置指南)是一個交互式的配置指南,。您可以用它為您特定的數據采集系統(tǒng)選擇最理想的軟硬件產品,。您只需簡單回答有關您應用系統(tǒng)的一些問題(如信號類型、通道數,、數據采集系統(tǒng)工作環(huán)境等),DAQ Designer會為您推薦最符合您要求的軟硬件部件,。

第一步：選擇信號類型

·                                模擬輸入

·                                模擬輸出

·                                數字I/O

·                                定時/計數器

第二步：選擇每種信號的通道數
假設您的信號類型是模擬輸入：如電壓,、電流、熱電偶,、RTD,、LVDT、壓力,、應變,、擴音器等等輸入信號；
假設您的信號類型是數字I/O：如靜態(tài)數字輸入,、靜態(tài)數字輸出,、高速數字輸入、高速數字輸出,；
假設您的信號類型是計數/定時器：如頻率,、瞬時、事件計數,、脈沖序列發(fā)生等,；
分別填寫所有涉及到的信號所用的通道數，并且定義每個通道中信號的詳細屬性,。

第三步：確定測量系統(tǒng)的工作環(huán)境：

·                                工作溫度

·                                沖擊與震動承受度

·                                每個機箱的I/O計數

·                                循環(huán)速率

第四步：方案推薦——選擇測量系統(tǒng)平臺

·                                PCI

·                                PXI

·                                FieldPoint

• 便攜式測量系統(tǒng)

第五步：結論
系統(tǒng)會根據您所填寫的這些要求從幾百種高速數據采集產品中為您選擇最適合您應用的軟硬件產品,，并顯示整套系統(tǒng)的價格。

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