【正文】 領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，圖 顯示了數(shù)據(jù)采集技術(shù)與外部模擬世界的關(guān)系。 傳感器信號調(diào)理ADC信號調(diào)理DAC計(jì)算機(jī)界面顯示模擬世界模擬 數(shù)字 圖 在模擬世界中的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) 隨著社會(huì)的不斷進(jìn)步，現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)在速度分辨率精度接口能力、抗干擾能力以及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方面對數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提出了越來越高的要求。微電子技術(shù)的一系列成就以及微型控制器的廣泛應(yīng) 用不僅為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的應(yīng)用開拓了廣闊的前景，也對數(shù)據(jù)采集技術(shù)的發(fā)展產(chǎn)生了深刻的影響；而隨著技術(shù)水平和市場需求的不斷提高， 8 位微控制器已經(jīng)越來越不能滿足開發(fā)者的需要了，而且由于技術(shù)的進(jìn)步已經(jīng)使得 32 位系統(tǒng)不再高高在上， 32 位微控制器的價(jià)格已經(jīng)不比 8 位機(jī)高多少，有些系統(tǒng)使用 32 位機(jī)使其整體成本甚至比用 8 位機(jī)還要低，這樣使用 32 位系統(tǒng)就沒有技術(shù)和成本的障礙了?？梢哉f微控制芯片的發(fā)展和數(shù)據(jù)采集技術(shù)的發(fā)展是聯(lián)系在一起的，并且相互推動(dòng)。當(dāng)今很多新技術(shù)如光纖超導(dǎo)人工智能等都已經(jīng)應(yīng)用到數(shù)據(jù)采集領(lǐng)域了，高壓電機(jī)疊頻試驗(yàn)方法及數(shù)據(jù)采集的研究 19 并且隨著大規(guī)模集成電 路技術(shù)與計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)據(jù)采集技術(shù)將有更加廣闊的發(fā)展前途。 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的原理及構(gòu)成 數(shù)據(jù)采集與處理技術(shù)是信息科學(xué)的一個(gè)重要分支。他研究信息數(shù)據(jù)的采集存儲(chǔ)變換加工處理以及控制等作業(yè)。數(shù)據(jù)采集和轉(zhuǎn)換系統(tǒng)將從一個(gè)或者多個(gè)源得到的模擬信號采集起來并且將這些信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字形式來被像數(shù)字計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)器或者通訊網(wǎng)絡(luò)之類的數(shù)字設(shè)備所分析或傳輸。輸入到數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的數(shù)據(jù)一般是由那些傳感器或者轉(zhuǎn)換器得到的。這些設(shè)備將現(xiàn)實(shí)世界的參數(shù)例如氣壓、溫度、壓力或者張力流速等等變成等值的電信號，然后這些等值的電 信號再由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號而被那些終端設(shè)備所用，實(shí)際中使用的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)都具有大致相似的典型結(jié)構(gòu)，見圖 。一般來說一個(gè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由如下 3 個(gè)部分組成。 地址邏輯IASHAMUX/SHA 延遲DACVs1編程與 時(shí)鐘模擬地緩沖器模擬輸出DAC轉(zhuǎn)換 器控制數(shù)據(jù)采集器數(shù)字接口電路 數(shù)據(jù)緩存ADC數(shù)據(jù)狀態(tài)控制緩沖器緩沖器DACDAC數(shù)據(jù)MUX 圖 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)典型結(jié)構(gòu) 數(shù)據(jù)采集器 數(shù)據(jù)采集器 包括多路開關(guān) MUX 、測量放大器 IA 、取樣保持放大器 SHA 、模數(shù)轉(zhuǎn)換器 ADC 等。通過這部分可以將現(xiàn)場的模擬信號逐個(gè)采樣再量化成為數(shù)字信號，在數(shù)據(jù)采集工作中往往需要同時(shí)使用多個(gè)傳感器。對從這些傳感器 來的模擬信號進(jìn)行模數(shù)數(shù)模轉(zhuǎn)換時(shí)，如果對一個(gè)傳感器專用一個(gè)模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器顯然將使系統(tǒng)成本大為增加，通常常使用公用的模數(shù)轉(zhuǎn)換器或者數(shù)模轉(zhuǎn)換器即利用模擬多路開關(guān) MUX 輪流切換各被采集的傳感器信號。于模數(shù)數(shù)模轉(zhuǎn)換器的通路常用的模擬多路開關(guān)有機(jī)械式開關(guān)，其主要特點(diǎn)是接通電阻小、不要求使用電源驅(qū)動(dòng)、可配成多種組合結(jié)構(gòu)；缺點(diǎn)是較大的幾何尺寸而且也不便于遙控電磁式開關(guān)如各種繼電器、步進(jìn)選線器、縱高壓電機(jī)疊頻試驗(yàn)方法及數(shù)據(jù)采集的研究 20 橫接線器以及干簧濕簧繼電器等。這類電磁式開關(guān)便于遙控操作可以承受脈沖高電壓的沖擊但是開關(guān)時(shí)間比較長一般在 1100ms 左右， MOSFET 開關(guān)很適合用于多路模擬開關(guān)，而且可以把驅(qū)動(dòng)電路于開關(guān)集成在一起，其主要特點(diǎn)是功耗小、速度快、導(dǎo)通電阻隨信號電壓電源、電壓環(huán)境溫度變化小等。現(xiàn)在很多半導(dǎo)體廠家已經(jīng)提供了多種自帶多路開關(guān)的模數(shù)轉(zhuǎn)換器 ADC，只有在最簡單的情況下才可以將傳感器來的模擬信號直接連至數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，這一方面是因?yàn)閭鞲衅饕话憔痪哂辛爿敵鲎杩?，也不一定能直接提供公用的輸出信號量值；另一方面因?yàn)閭鞲衅鞯墓ぷ鳝h(huán)境往往比較復(fù)雜和惡劣，在傳感器的輸出端經(jīng)常產(chǎn)生較大的干擾噪聲，有時(shí)這種噪聲以同樣的方式影響到傳感器的兩個(gè)輸出端，這通常稱為共 模噪聲 Common Mode Noise 。雖然運(yùn)算放大器對直接接到兩個(gè)差動(dòng)端的共模信號均有較高的抑止能力，但是由于這種電路的低輸出阻抗不平衡的輸入阻抗以及放大器共模抑止能力直接與電阻比相匹配等缺陷使其不適合于一些要求較高的數(shù)據(jù)采集任務(wù)。測量放大器 IA 又稱數(shù)據(jù)放大器，是一種在不利于精密測量環(huán)境下能良好工作的精密的差動(dòng)增益部件，其有高的輸入阻抗，較低的失調(diào)電壓于溫度漂移系數(shù)以及穩(wěn)定的增益與低的輸出阻抗一般提供的功能有： （ 1） 輸入緩沖提供高阻抗給傳感器信號源當(dāng)不采用信號濾波時(shí)測量放大器直接接受信號 （ 2） 信號放大用戶可選外接電阻或軟件編程來改變測量放大器增益 （ 3） 共模抑止能力測量放大器采用差動(dòng)輸入方式時(shí)可提供很高的共模噪聲抑止能力 （ 4） 單端輸出采樣保持電路又常稱為采樣保持放大器。 SHA 由于模數(shù)轉(zhuǎn)換對模擬量進(jìn)行量化的過程需要一定的時(shí)間，也即在轉(zhuǎn)換時(shí)間內(nèi)只有保持采樣點(diǎn)的數(shù)值不變才能保證轉(zhuǎn)換的精度，采樣保持電路在邏輯輸入的控制下跟蹤采樣并保持輸入信號整個(gè)電路有兩個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)采樣與保持兩個(gè)轉(zhuǎn)換暫態(tài)，即由采樣轉(zhuǎn)換為保持和由保持轉(zhuǎn)換為采樣狀態(tài)。模數(shù)轉(zhuǎn)換器 ADC 的任務(wù)是將一個(gè)未知的連續(xù)模擬輸入信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信 號，即 n 位的二進(jìn)制數(shù)以進(jìn)一步用于處理顯示記錄和傳輸，這個(gè)二進(jìn)制數(shù)代表這個(gè)未知輸入電壓 V X 與 ADC 的滿刻度電壓 V FS 的比值。 ADC 是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，它的性能往往直接影響整個(gè)系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)， ADC 也廣泛用于各種數(shù)字面板表以及其他數(shù)字儀器中， ASC 可以根據(jù)他們的精度分辨率以及速度來分類，也可以按其測量方法分類。按測量方法一般可以分為對輸入信號某一時(shí)刻的瞬時(shí)值進(jìn)行采樣測量和取輸入信號一定時(shí)間間隔的平均值進(jìn)行測量兩種形式。由于大規(guī)模集成電路的迅速發(fā)展，許多 ADC 產(chǎn)品已經(jīng)實(shí)現(xiàn)單片集成化。 接口電路 高壓電機(jī)疊頻試驗(yàn)方法及數(shù)據(jù)采集的研究 21 接口電路是用來傳送數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)所需要的數(shù)據(jù)狀態(tài)信息以及控制信號的電路，在選擇接口電路的時(shí)候要考慮微處理器控制信號的使用、外設(shè)接口的構(gòu)成、尋址方式、輸入輸出的控制方式、數(shù)據(jù)傳輸方式等因素。 ⑴ 數(shù)據(jù)傳送的特點(diǎn) 串行通訊方式具有使用線路少、成本低，特別是在遠(yuǎn)程傳輸時(shí)，它可以借助現(xiàn)存的電話網(wǎng)進(jìn)行信息傳送，避免了多條線路特性的不一致。因此，特別適合于遠(yuǎn)距離傳送。在串行通訊時(shí)，要求通訊雙方都采用一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)接口，使不同的設(shè)備可以方便地連接起來進(jìn)行通訊。串行端口的本質(zhì)功能是作為 CPU 和 串行設(shè)備間的編碼轉(zhuǎn)換器。當(dāng)數(shù)據(jù)從CPU 經(jīng)過串行端口發(fā)送出去時(shí)，字節(jié)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為串行的位。在接收數(shù)據(jù)時(shí)，串行的位被轉(zhuǎn)換為字節(jié)數(shù)據(jù)。 在 Windows 環(huán)境下，串口是系統(tǒng)資源的一部分。 應(yīng)用程序要使用串口進(jìn)行通信，必須在使用之前向操作系統(tǒng)提出資源申請要求，通信完成后必須釋放資源。 ⑵ 串行數(shù)據(jù)傳送方向 在串行通信中，數(shù)據(jù)通常是在兩個(gè)站之間進(jìn)行傳送，按照數(shù)據(jù)流的方向可分成三種基本的傳送方式：全雙工、半雙工、和單工 .本系統(tǒng)采用的是全雙工。當(dāng)數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收分流，分別由兩根不同的傳輸線傳送時(shí)，通信雙方都能在同一時(shí)刻進(jìn)行 發(fā)送和接收操作，這樣的傳送方式就是全雙工制，如圖 所示。在全雙工方式下，通信系統(tǒng)的每一端都設(shè)置了發(fā)送器和接收器，因此，能控制數(shù)據(jù)同時(shí)在兩個(gè)方向上傳送。全雙工方式無需進(jìn)行方向的切換，因此，沒有切換操作所產(chǎn)生的時(shí)間延遲，這對那些不能有時(shí)間延誤的交互式應(yīng)用十分有利。這種方式要求通訊雙方均有發(fā)送器和接收器，同時(shí)，需要 2 根數(shù)據(jù)線傳送數(shù)據(jù)信號。比如，計(jì)算機(jī)主機(jī)用串行接口連接顯示終端，而顯示終端帶有鍵盤。這樣，一方面鍵盤上輸入的字符送到主機(jī)內(nèi)存；另一方面，主機(jī)內(nèi)存的信息可以送到屏幕顯示。通常，往鍵盤上打入 1 個(gè)字符以后 ，先不顯示，計(jì)算機(jī)主機(jī)收到字符后，立即回送到終端，然后終端再把這個(gè)字符顯示出來。這樣，前一個(gè)字符的回送過程和后一個(gè)字符的輸入過程是同時(shí)進(jìn)行的，即工作于全雙工方式。 乙接收器發(fā)送器甲發(fā)送器接收器 圖 全雙工通信示意 注收發(fā)方的波率相同 ⑶ 串行通信接口的基本任務(wù) 高壓電機(jī)疊頻試驗(yàn)方法及數(shù)據(jù)采集的研究 22 ① 實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)格式化：因?yàn)閬碜?CPU 的是普通的并行數(shù)據(jù)，所以，接口電路應(yīng)具有實(shí)現(xiàn)不同串行通信方式下的數(shù)據(jù)格式化的任務(wù)。在異步通信方式下，接口自動(dòng)生成起止式的幀數(shù)據(jù)格式。在面向字符的同步方式下，接口要在待傳送的數(shù)據(jù)塊前 加上同步字符。 ② 進(jìn)行串－并轉(zhuǎn)換：串行傳送，數(shù)據(jù)是一位一位串行傳送的，而計(jì)算機(jī)處理數(shù)據(jù)是并行數(shù)據(jù)。所以當(dāng)數(shù)據(jù)由計(jì)算機(jī)送至數(shù)據(jù)發(fā)送器時(shí)，首先把串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為并行數(shù)才能送入計(jì)算機(jī)處理，因此串并轉(zhuǎn)換是串行接口電路的重要任務(wù)。 ③ 控制數(shù)據(jù)傳輸速率：串行通信接口電路應(yīng)具有對數(shù)據(jù)傳輸速率 波特率進(jìn)行選擇和控制的能力。 ④ 進(jìn)行錯(cuò)誤檢測：在發(fā)送時(shí)接口電路對傳送的字符數(shù)據(jù)自動(dòng)生成奇偶校驗(yàn)位或其他校驗(yàn)碼。在接收時(shí)，接口電路檢查字符的奇偶校驗(yàn)或其他校驗(yàn)碼，確定是否發(fā)生傳送錯(cuò)誤。 ⑤ 進(jìn)行 TTL 與 EIA 電平轉(zhuǎn)換： CPU 和終端均采用 TTL 電平及正邏輯，它們與 EIA 采用的電平及負(fù)邏輯不兼容，需在接口電路中進(jìn)行轉(zhuǎn)換。 ⑥ 提供 RS232 接口標(biāo)準(zhǔn)所要求的信號線：遠(yuǎn)距離通信采用 MODEM 時(shí)，需要 9 根信號線；近距離零 MODEM 方式，只需要 3 根信號線。這些信號線由接口電路提供，以便與 MODEM 或終端進(jìn)行聯(lián)絡(luò)與控制。 ⑷ 串行通信接口標(biāo)準(zhǔn) 串行接口所直接面向的并不是某個(gè)具體的通信設(shè)備，而是一種串行通信的接口標(biāo)準(zhǔn)。所以要進(jìn)行串行通信接口的設(shè)計(jì)，就必須先討論串行通信接口標(biāo)準(zhǔn)，按照標(biāo)準(zhǔn)來設(shè)計(jì)接口電路。 表 51 幾種標(biāo)準(zhǔn)的比較 特性參數(shù) RS—232C RS423 RS—422A RS485 工作模式 單端發(fā)單端收 單端發(fā)雙端收 雙端發(fā)雙端收 雙端發(fā)雙端收 允許驅(qū)動(dòng)器接收器數(shù)目 一個(gè)驅(qū)動(dòng)器 一個(gè)接收器 一個(gè)驅(qū)動(dòng)器 10 個(gè)接收器 一個(gè)驅(qū)動(dòng)器 10 個(gè)接收器 32 個(gè)驅(qū)動(dòng)器 32 個(gè)接收器 最大電纜長度 15m 1200m(1Kb/s) 1200m(90Kb/s) 1200m(100Kb/s) 最大數(shù)據(jù)傳輸速率 20Kb/s 100Kb/s(12m) 10Mb/s(12m) 10Mb/s(15m) 驅(qū)動(dòng)器輸出 （最大電壓值） +25V +6V +6V 7V～ 25V 續(xù)表 51 驅(qū)動(dòng)器輸出 +5V(帶負(fù)載 ) +(帶負(fù)載 ) +2V(帶負(fù)載 ) +(帶負(fù)載 ) 高壓電機(jī)疊頻試驗(yàn)方法及數(shù)據(jù)采集的研究 23 (信號電平 ) +15V（未帶） +6V（未帶） +6V（未帶） +5V（未帶） 驅(qū)動(dòng)器負(fù)載阻抗 3～ 7 千歐 450 歐 100 歐 54 歐 接收器輸入電壓 +15V +10V +12V 7V～＋ 12V 接收器輸入靈敏度 +3V +200mV +200mV +200mV 接收器輸入阻抗 2～ 7 千歐 4 千歐（最小值） 4 千歐（最小值） 12 千歐（最小） 注 ：通過幾個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的分析 得出結(jié)論： RS－ 232C 接口標(biāo)準(zhǔn)適用于數(shù)據(jù)傳輸率在 0～ 20210b/s 范圍內(nèi)的通信。這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)對串行通信接口的有關(guān)問題，如信號線功能、電氣特性都作了明確規(guī)定。由于通信設(shè)備廠商都生產(chǎn)與 RS－ 232C 制式兼容的通信設(shè)備，因此，它作為一種標(biāo)準(zhǔn)，目前已在微機(jī)串行通信接口中廣泛采用。它還廣泛地被借來用于計(jì)算機(jī)（更準(zhǔn)確地說，是計(jì)算機(jī)接口）與終端獲外設(shè)之間地近端連接標(biāo)準(zhǔn)。 RS－ 485 接口標(biāo)準(zhǔn)是一種平衡傳輸方式的串行接口標(biāo)準(zhǔn)，它和 RS－ 422A 兼容，并且擴(kuò)展了 RS－ 422A 的功能。 RS－ 485 標(biāo)準(zhǔn)允許在電路中有多個(gè)發(fā)送器 ，因此，它是一種多發(fā)送器的標(biāo)準(zhǔn)。 RS—485 允許一個(gè)發(fā)送器驅(qū)動(dòng)多個(gè)負(fù)載設(shè)備，負(fù)載設(shè)備可以是驅(qū)動(dòng)發(fā)送器、接收器或收發(fā)器組合單元。 RS485 的共線電路結(jié)構(gòu)是在一對平衡傳輸線的兩端都配置終端電阻，其發(fā)送器、接收器、組合收發(fā)器可掛在平衡傳輸線上的任何位置，實(shí)現(xiàn)在數(shù)據(jù)傳輸中多個(gè)驅(qū)動(dòng)器和接收器公用同一傳輸線的多點(diǎn)應(yīng)用。 數(shù)模轉(zhuǎn)換器 數(shù)模轉(zhuǎn)換器的任務(wù)在于將一個(gè)某種形式的數(shù)字量轉(zhuǎn)換為一個(gè)模擬量可以是模擬電壓電流或增益它不僅是構(gòu)成許多模數(shù)轉(zhuǎn)換器的一個(gè)重要部件而且常常被用于微型計(jì)算機(jī)模擬輸入輸出系統(tǒng)中作為各種 數(shù)控圖形發(fā)生器示波器的驅(qū)動(dòng)源在使用微處理器進(jìn)行增益控制信號衰減乘法等方面的應(yīng)用上也廣泛使用著 DAC 數(shù)模轉(zhuǎn)換器 .DAC 實(shí)際上為微型機(jī)系統(tǒng)的數(shù)字信號和模擬環(huán)境的模擬信號之間提供了一種接口 ,將模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量的過程稱為模數(shù)轉(zhuǎn)換，即 A/D 轉(zhuǎn)換， A/D 轉(zhuǎn)換是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的重要環(huán)節(jié)。常見的 A/D 轉(zhuǎn)換器有四種類型：計(jì)數(shù)式 A/D 轉(zhuǎn)換器；逐次逼