多功能数据采集仪的研制

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1、杭州电子科技大学硕士学位论文1绪论1.1课题研究的背景随着计算机技术的发展，在工业生产过程、国防建设、科学研究等广泛领域中，计算机测控技术正发挥着越来越重要的作用。然而，外部世界的大部分信息是连续变化的物理量，如温度、压力、流量、液位、位移、频率等。要将这些信息送入计算机进行处理，必须使用传感器等把非电量的物理信号转换成电信号（电压，电流或电阻性质的信号），并调理成电压信号，然后每隔一定的周期对其进行离散采样、量化编码等，转化为数字信号，才能被计算机识别和处理，这个过程就是数据采集。[1]被广泛接受的数据采集的定义为：数据采集是指

2、将温度、压力、流量、位移、频率等模拟量采集、转换成数字量后，再由计算机进行存储、处理、显示或打印的过程。相应的技术称为数据采集技术，相应的系统称为数据采集系统。数据采集技术是现代信息科学的一个重要分支，与传感器技术、信号处理技术、计算机技术、微电子技术等共同构成现代检测技术的基础。作为信息科学的前端技术，数据采集技术也为信息的可靠获取、快速传输和正确处理提供了关键性的支撑。它是计算机在检测、管理和控制系统的过程中，取得原始数据的主要手段。其主要任务就是采集传感器输出的模拟电信号并转换成计算机能识别的数字信号，由计算机进行相应的加工

3、，并将处理结果进行显示或打印，以便实现对某些物理量的测量和监视，其中一部分数据还将被生产过程中的计算机控制系统用来控制某些物理量。随着计算机技术的飞速发展和普及，数据采集系统迅速地得到广泛应用。在生产过程中，应用这一系统可对生产现场的工艺参数进行采集、监视和记录，为提高产品质量、降低成本提供信息和手段。在科学研究中，应用数据采集系统可获得大量的动态信息，是研究瞬间物理过程的有力工具，也是获取科学奥秘的重要手段之一。在雷达、气象、地震预报、航空航天、通信等领域里，现场信号具[2]有重要的作用，这些信号具有实时性强、数据速率高、数据量

4、大、处理复杂、运算量大的特点，更需要高精度、高速度、高实时的数据采集系统。因此，数据采集的研究一直是工程实践中一个备受关注的领域。1.2数据采集系统的国内外研究现状数据采集是人们认识客观世界、取得定性或定量信息的重要方法，为设备的运行状态监测和诊断分析提供可靠的数据和依据。它的研究和发展随着电子技术、微计算机技术、嵌入式技术以及智能技术等的进步而不断地提高和深入。1杭州电子科技大学硕士学位论文数据采集系统起始于20世纪50年代，1956年美国首先研究了用在军事上[3]的测试系统，满足众多传统方法不能完成的数据采集和测试任务。大约在

5、20世纪60年代后期，国外就有整套的数据采集产品进入市场。此阶段的数据采集设备和系统多属于专用的系统。20世纪70年代中后期，随着微型机的发展，诞生了采集器、仪表同计算机[3]融为一体的数据采集系统，在发展过程中也逐渐分为两类，一类是实验室数据采集系统，另一类是工业现场数据采集系统。就使用的总线而言，实验室数据采集系统多采用并行总线，工业现场数据采集系统多采用串行数据总线。20世纪90年代至今，由于集成电路制造技术的不断提高，出现了高性能、高可靠性的单片数据采集系统DAS。计算机、单片机和大规模集成电路的组合，用软件管理，使系统的

6、成本降低，体积减小，功能成倍增加，数据处理能力大大加强。该阶段数据采集系统采用更先进的模块式结构，利用SoC、ARM、DSP、FPGA等高性能芯片，根据不同的应用要求，通过简单的增加和更改模块，并结合系统编程，就可扩展或修改系统，迅速地组成一个新的系统。利用GPRS技术、蓝牙技术、IEEE802.11g协议等的无线采集技术也迅速发展起来。在工业场合，采集的物理量越来越多，速度和精度等要求不断提高，解决采集数据传输速度慢、错误率高等难题，进行快速、准确、大数据量的数据采集与[4]处理，成为数据采集系统发展的瓶颈。在采集系统的设计思路

7、上，有三种方法：第1种设计思路：为了采集几个、十几个、几十个，甚至上百个物理量，一般通过多路模拟开关系统实现多路数据采集。在这种系统中，只有一片A/D芯片，通过多路模拟开关，依次选通各路信号，让其顺次进入这片A/D芯片，逐个采集。被采集的信号之间的时序关系不是十分严格，因此系统容易实现。但其采集速率受到限制，很难实现高速数据采集。第2种设计思路，为了提高采集速度，采用多片A/D芯片实现多个信号的数据采集技术，而不再使用多路模拟开关，信号的准确性和实时性得到很大程度的改善。但显而易见，多个A/D芯片使得系统成本急剧增加。第3种设计方

8、法，为了实现更高的速度，又开发了多个A/D芯片采集同一个信号的技术，系统通过多片A/D芯片交替采集同一个信号，可获得N倍频的通道采集频率。但对系统中其他器件的性能提出了更高的要求，成本更高。而且由于存在时序匹配等问题，实现难度很大，一般不会采用此方