数据采集系统-经济百科

什么是数据采集系统

数据采集系统是结合基于计算机的测量软硬件产品来实现灵活的、用户自定义的测量系统。

数据采集系统的组成

通常数据采集系统由三个部分组成：传感器部分、数据采集仪部分和计算机(控制与分析器)部分。

传感器部分包括前面所提到的各种电测传感器，它们的作用是感受各种物理变量，如力、线位移、角位移、应变和温度等，并把这些物理量转变为电信号。

数据采集仪的作用是对所有的传感器通道进行扫描，把扫描得到的电信号转换成数字量，再根据传感器特性对数据进行传感器系数换算(如把电压值换算成应变或温度等)，然后将这些数据传送给计算机，也可将这些数据打印输出、存入磁盘。

计算机部分包括主机、显示器、存储器、打印机、绘图仪和键盘等。计算机的主要作用是作为整个数据采集系统的控制鼎，控制整个数据的采集过程。在采集过程中，通过数据采集程序的运行，计算机对数据采集仪进行控制。计算机还可以对数据进行计算处理，实时打印输出、图像显示及存入磁盘。计算机的另外一个作用是在试验结束后，对数据进行处理。

数据采集系统可以对大量数据进行快速采集、处理、分析、判断、报警、直读、绘图、储存、试验控制和人机对话等，还可以进行自动化数据采集和试验控制，它的采样速度可高达每秒几万个数据或更多。

数据采集系统的配置

典型的数据采集系统由传感器(T)、放大器(IA)、模拟多路开关(MUX)、采样保持器(SHA)、A／D转换器、计算机(MPS)或数字逻辑电路组成。根据它们在电路中的位置可分为同时采集、高速采集、分时采集和差动结构四种配置，如图1所示。

(1)同时采集系统。图1(a)所示为同时采集系统配置方案，可对各通道传感器输出量进行同时采集和保持，然后分时转换和存储，可保证获得各采样点同一时刻的模拟量。

(2)高速采集系统。图1(b)所示为高速采集配置方案，在实时控制中对多个模拟信号的同时实时测量是很有必要的。

(3)分时采集系统。图1(c)所示为分时采集方案，这种系统价格便宜，具有通用性，传感器与仪表放大器匹配灵活，有的已实现集成化，在高精度、高分辨率的系统中，可降低IA和ADC的成本，但对MUX的精度要求很高，因为输入的模拟量往往是微伏级的。这种系统每采样一次便进行一次A/D转换并送入内存后方才对下一采样点采样。这样，每个采样点值间存在一个时差(几十到几百微秒)，使各通道采样值在时轴上产生扭斜现象。输入通道数越多，扭斜现象越严重，不适合采集高速变化的模拟量。

(4)差动结构分时采集系统。在各输入信号以一个公共点为参考点时，公共点可能与队和ADC的参考点处于不同电位而引入干扰电压测量误差。采用如图1(d)所示的差动配置方式可抑制共模干扰，其中MUX可采用双输出器件，也可用两个MUX并联。

数据采集系统的分类

目前，国内外数据采集系统的种类很多，按其系统组成的模式大致可分为以下几种。

(1)大型专用系统

将采集、分析和处理功能融为一体，具有专门化、多功能和高档次的特点。

(2)分散式系统

由智能化前端机、主控计算机或微机系统、数据通信及接口等组成，其特点是前端可靠近测点，消除了长导线引起的误差，并且稳定性好、传输距离长、通道多。

(3)小型专用系统

这种系统以单片机为核心，小型便携，用途单一，操作方便，价格低，适用于现场试验的测量。

(4)组成式系统

这是一种以数据采集仪和微型计算机为中心，按试验要求进行配置组合成的系统，它适用性广，价格便宜，是一种比较容易普及的形式。

数据采集系统的特点

数据采集系统具有如下主要特点：

1)数据采集系统一般都由计算机控制，使得数据采集的质量和效率等大为提高，也节省了硬件投资。

2)软件在数据采集系统的作用越来越大，

3)数据采集与数据处理结合得日益紧密，集、处理到控制的全部工作。这增加了系统设计的灵活性。形成数据采集与处理系统，可实现从数据采

4)数据采集过程一般都具有实时的特性，实时的标准是能满足实际需要；对于通用数据采集系统一般希望有尽可能高的速度，以满足更多的应用环境。

5)随着微电子技术的发展，电路集成度的提高，数据采集系统的体积越来越小，可靠性越来越高。

6)总线在数据采集系统中有着广泛的应用，总线技术对数据采集系统结构的发展起到了重要作用。

数据采集系统的主要性能指标

数据采集系统的性能指标和具体应用目的与应用环境密切相关，以下给出的是比较主要和常用的几个指标的含义。

(1)系统分辨率

系统分辨率是指数据采集系统可以分辨的输入信号最小变化量。通常用最低有效位(LSB)占系统满度信号的百分比表示，或用系统可分辨的实际电压数值来表示，有时也用满度信号可以分的级数来表示。表1所示为满度值为10V时数据采集系统的分辨率。

(2)系统精度

系统精度是指当系统工作在额定采集速率下，每个离散子样的转换精度。A／D转换器的精度是系统精度的极限值。实际的情况是，系统精度往往达不到A／D转换器的精度，这是因为系统精度取决于系统的各个环节(部件)的精度。如前置放大器、滤波器、多路模拟开关等，只有这些部件的精度都明显优于A／D转换器的精度时，系统精度才能达到A／D的精度。这里还应注意系统精度与系统分辨率的区别。系统精度是系统的实际输出值与理论输出值之差，它是系统各种误差的总和，通常表示为满度值的百分数。

表1 数据采集系统的分辨率(满度值为IOV)

式中，振幅。