葉德云，鐘漍標(biāo)

（1.廣東水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東廣州，510635；2.廣東宏大欣電子科技有限公司，廣東廣州，510000）

數(shù)據(jù)采集（DAQ）是指將生產(chǎn)或生活中需要對其進(jìn)行監(jiān)視或者檢測的各種傳感器和其它待測設(shè)備的信號（包括模擬信號或數(shù)字信號），按照一定的時(shí)間間隔進(jìn)行采集，并通過信號調(diào)理電路將信號轉(zhuǎn)變成計(jì)算機(jī)所能識別的數(shù)據(jù)形式存儲(chǔ)于計(jì)算機(jī)中的過程。

一個(gè)完整的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通常涉及的關(guān)鍵技術(shù)包括信號調(diào)理、模數(shù)轉(zhuǎn)換、微處理器、數(shù)據(jù)信號處理、抗干擾與電磁兼容等多項(xiàng)技術(shù)，在不同的應(yīng)用場景或不同類型的傳感器，又會(huì)用到不同的技術(shù)。

本文以實(shí)用的典型的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)為例，分析其關(guān)鍵技術(shù)，其中可編程增益調(diào)節(jié)技術(shù)（PGA）和數(shù)字濾波等是很多數(shù)據(jù)采集文獻(xiàn)中比較少提及而又非常有用的關(guān)鍵技術(shù)。

1 實(shí)用的典型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

如圖1 所示，本系統(tǒng)采用模擬多路開關(guān)（MUX）使來自多個(gè)傳感器的信號分時(shí)復(fù)用同一硬件電路（PGA,S/H,和ADC），數(shù)據(jù)經(jīng)ADC 進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換后進(jìn)入微處理器進(jìn)行處理和存儲(chǔ)后再由DAC 進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換輸出控制不同的器件[1～3]。

圖1 典型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)的特點(diǎn)是硬件電路相對完整而簡單，能進(jìn)行多通道的數(shù)據(jù)采集與控制，配合軟件編程性能穩(wěn)定可靠。

2 典型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)分析

2.1 信號調(diào)理技術(shù)

因在工程中傳感器輸出的電信號常常比較微弱，且在實(shí)際傳感器的信號采集中，被采集信號包含了傳感器輸出測量信號和各種噪聲，如何把信號進(jìn)一步放大或者進(jìn)行阻抗變換以及從含有噪聲的信號中分離出傳感器的實(shí)際測量信號從而提高信噪比，是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的一項(xiàng)重要任務(wù)。為了有效區(qū)別傳感器的測量信號與測量噪聲，傳感器測量信號需要被特定頻率的正弦信號調(diào)制。傳感器測量信號經(jīng)過調(diào)制、放大、與噪聲分離、解調(diào)等處理后，得到傳感器所要傳遞的真實(shí)信號[4～5]。

以AD598 典型信號調(diào)理芯片為例，這是一種基于LVDT位移傳感器和差動(dòng)變壓器的相敏解調(diào)器，如圖2 所示，它既能檢測幅度的大小，又能反映相位。

圖2 基于LVDT 位移傳感器和差動(dòng)變壓器的相敏解調(diào)器原理圖

2.2 PGA(可編程增益放大器)

為提高 A/D 的精度, 應(yīng)使被轉(zhuǎn)換信號落在 A/D 的線性區(qū)間之內(nèi), 并盡可能使模擬輸入量在 1/2VREF～VREF之間。解決這個(gè)問題的方法, 就是對弱信號, 采用高的放大倍數(shù); 對強(qiáng)信號, 采用低的放大倍數(shù), 并根據(jù)輸入信號的量值自動(dòng)選擇合適的增益或衰減倍數(shù)。

為最大限度滿足A/D 轉(zhuǎn)換器滿量程要求，需要設(shè)置放大倍數(shù)可以根據(jù)需要用程序進(jìn)行控制的可編程增益放大器，以對不同通道輸入的電壓信號分別設(shè)置增益, 使每一個(gè)通道輸出的信號正好在本芯片采集所需要的信號范圍內(nèi)，從而提高測量精度。例如AD526 芯片就是一款單端、單芯片軟件可編程增益放大器，可分別可以設(shè)置1、2、4、8、16 倍的放大增益來調(diào)整不同的電壓信號，兩片級聯(lián)后可擴(kuò)大到32、64、128 和256 倍增益，如圖3 所示。

表1 邏輯輸入真值表

圖3 AD526 芯片功能示意圖

2.3 采樣保持(samling & hold)電路

ADC 轉(zhuǎn)換的轉(zhuǎn)換時(shí)間TC 取決于取件的轉(zhuǎn)換方法，轉(zhuǎn)換位數(shù)等。如果在ADC 轉(zhuǎn)換過程中，輸入的模擬信號仍在變化，此時(shí)進(jìn)行量化，會(huì)帶來影響（造成誤差）[8]。

為了避免這種影響，通常在ADC 前加一個(gè)采樣保持器SHA。相當(dāng)于在Tc 內(nèi)開了一個(gè)很窄的“窗孔”，將此窗孔開啟瞬時(shí)內(nèi)的模擬信號快速采樣進(jìn)來，這個(gè)時(shí)間稱為孔徑 時(shí) 間（aperture time）Ta。通常Ta＜Tc ，如果Tc內(nèi)，模擬信號的變化仍不能忽略，這時(shí)帶來的誤差稱孔徑誤差，如圖4 所示。

一是將紅色文化融入課程設(shè)計(jì)。我軍紅色文化內(nèi)涵豐富、源遠(yuǎn)流長。比如井岡山精神、長征精神、延安精神、雷鋒精神、“兩彈一星”精神等，其價(jià)值不僅體現(xiàn)在當(dāng)時(shí)當(dāng)?shù)兀匾氖菍ι鐣?huì)進(jìn)步和軍隊(duì)發(fā)展能夠產(chǎn)生積極影響。課程是院校教育的重要載體，將豐富的紅色文化融入課程設(shè)計(jì)之中，推動(dòng)紅色文化課程化，對于軍隊(duì)院校文化建設(shè)及我軍紅色基因的傳承，都具有重要意義。

圖4 孔徑誤差示意圖

如圖5(a)所示，采樣保持器的作用是在跟蹤模式下（開關(guān)閉合）保持電容上的電壓跟隨（或跟蹤）輸入信號，在保持模式下（開關(guān)斷開）電容保持與輸入緩沖器斷開連接之前的電壓。圖5(b)是實(shí)際應(yīng)用中典型的集成采樣保持器LF398，當(dāng)控制邏輯（引腳8）輸入高電平時(shí)，相當(dāng)于開關(guān)S 閉合，輸出電壓跟隨；當(dāng)控制邏輯（引腳8）輸入低電平時(shí)，相當(dāng)于開關(guān)S 斷開，輸出電壓保持不變。

需要注意的是采用保持器的保持電容比較特別，這里有兩點(diǎn)要注意，一是其大小與采樣頻率和所要求的精度有關(guān)，若采樣頻率較低、采樣精度要求較高時(shí)得選較大的保持電容；二是因不同的電容材料具有不同的電介質(zhì)吸收量，而采樣電容要采用泄漏小的低電介質(zhì)吸收的器件，因此，采樣電容通常選取聚苯乙烯或聚丙烯電容。

圖5 采樣保持電路

2.4 高速ADC

轉(zhuǎn)換過程就是將未知的模擬輸入Vi 與一個(gè)DAC 產(chǎn)生的準(zhǔn)確電壓Vo 進(jìn)行比較。如果Vo＞Vi，說明數(shù)字過大了，則將最高位的1 變?yōu)?；如果Vo＜Vi，說明這個(gè)數(shù)字不夠大，則這個(gè)高位的1 保留。

然后，再按同樣的方法將次高位置1，并比較Vo 與Vi的大小以確定次高位的1 是否保留。這樣逐位比較下去，直到最低位比較完為止。這時(shí)寄存器里所存的數(shù)據(jù)就是所要輸出的數(shù)字量。整個(gè)轉(zhuǎn)換過程需要的比較次數(shù)為ADC 的位數(shù)，比如12 位ADC 就需要比較12 次，如圖6 所示。

圖6 高速ADC 工作原理

2.5 信號采集理論

信號采集的理論依據(jù)是采樣定理，即采樣頻率需大于信號中的最高頻率的2 倍（fs＞2fm），這樣采樣后的數(shù)字信號才能完整保留原始信號的信息。實(shí)際應(yīng)用中非高速系統(tǒng)采樣頻率為信號最高頻率的2.56～4 倍。其中，最小采樣頻率fs =2fm 稱為奈奎斯特（Nyquist）頻率，奈奎斯特的一半稱為折疊頻率。如果采用頻率低于奈奎斯特頻率，會(huì)產(chǎn)生混疊（Aliasing) 。為了避免混疊，采樣前對信號進(jìn)行濾波，濾除f＞fm 的高頻成分。

信號采樣的方式有分為變換采樣和實(shí)時(shí)采樣。實(shí)時(shí)采樣是在滿足Nyquist 采樣定理前提下按時(shí)間的順序進(jìn)行的等間隔取樣；變換采樣（等效時(shí)間采樣）則是采用多次采樣，即在每一個(gè)重復(fù)周期內(nèi)等效時(shí)間只采集少量的信息，然后逐漸積累形成，也就是對采樣的信號按照某種算法進(jìn)行波形的重構(gòu)之后進(jìn)行波形顯示的采樣方式，應(yīng)用于高頻的重復(fù)周期信號的采樣。

基于實(shí)時(shí)采樣的時(shí)間交替并行采樣技術(shù)，是目前中高速信號采集領(lǐng)域提升采樣速率的主要方式，其具體的實(shí)現(xiàn)是使用相同頻率但不同相位的采樣時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)各個(gè)ADC，讓相同的模擬信號同時(shí)到達(dá)各個(gè)ADC 進(jìn)行數(shù)據(jù)的采樣，然后將各ADC 的采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行拼合重構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)對信號的 “時(shí)間交替”采樣的目的。

2.6 數(shù)字濾波（LPF）

圖7 數(shù)字濾波的基本原理

如圖7 所示，顯然：

因此可得：

2.7 抗干擾，常用的抗干擾的措施

(1)在每個(gè)集成芯片的電源引腳接一或多個(gè)小電容，以減少此芯片對電源的影響。電容的布線應(yīng)盡量短粗且靠近電源端，以免因連線阻抗增大電容的串聯(lián)電阻，影響濾波的效果。(2)任何線路布線的過程中都要避免90°的折線，減少尖端引起的高頻噪聲。(3)將強(qiáng)電與弱電信號分隔開，模擬和數(shù)字部分信號分隔開。(4)在傳輸路徑中合理添加抗干擾元器件，比如磁珠、磁環(huán)、電源濾波器以及屏蔽罩等。(5)減少回路面積，降低感應(yīng)噪聲。(6)電源線和地線要盡可能的粗，可以降低電路的耦合噪聲。(7)敏感器件沒有使用的I/O 管腳，除非有明確說明，不然盡量接地或者接電源不要懸空。(8)在頻率達(dá)標(biāo)的前提下，盡量降低電路時(shí)鐘頻率。

3 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本原則

3.1 軟硬件設(shè)計(jì)的基本原則

（1）經(jīng)濟(jì)合理。如在系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)中，盡可能考慮在滿足性能指標(biāo)的前提下能用軟件實(shí)現(xiàn)的盡量用軟件且采用較簡單硬件和價(jià)低方案， 軟件設(shè)計(jì)在模塊化同時(shí)要求操作性好、使用方便和執(zhí)行速度高。

（2）安全可靠。在硬件選購方面，要考慮在日常和特定工作環(huán)境下系統(tǒng)能穩(wěn)定可靠工作，且要有超量程和過載保護(hù)，保證輸入、輸出通道的正常工作，還要注意對交流市電和電火花等的隔離和保證連接件的接觸可靠；軟件方面應(yīng)設(shè)計(jì)一定的系統(tǒng)檢測程序，例如狀態(tài)檢測和診斷程序，以便系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，便于查找故障部位。對于重要的參數(shù)，要定時(shí)存儲(chǔ)，以防止因掉電而丟失數(shù)據(jù)。

（3）有足夠的抗干擾能力。如強(qiáng)電與弱電之間的隔離措施，對電磁干擾的屏蔽，正確接地、高輸入阻抗下的防止漏電等。

3.2 系統(tǒng)的主要參數(shù)的確定

（1）通道數(shù)：根據(jù)采集被測量量的要求來確定；（2）采樣頻率：根據(jù)被測量的頻率范圍同時(shí)滿足采樣定理來確定采樣頻率；（3）位寬：按照規(guī)定的量化信噪比和分辨力來確定數(shù)據(jù)采集器的位寬。

3.3 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的處理器配置方案

（1）處理器的選擇：可采用DSP 芯片、單片微型機(jī)、單板機(jī)、標(biāo)準(zhǔn)功能模板、可編程控制器或個(gè)人微型計(jì)算機(jī)等。

（2）A/D 通道的配置：根據(jù)數(shù)據(jù)采集的技術(shù)指標(biāo)確定模數(shù)轉(zhuǎn)換的方式，同時(shí)還要注意以下幾點(diǎn)：

①滿足工作條件和環(huán)境的要求，例如抗沖擊性，耐高溫、耐腐蝕性和抗電磁干擾等；②滿足完成一次轉(zhuǎn)換所需的時(shí)間和被采集信號的分辨力；③滿足模擬信號的輸入范圍，并留有1.2～1.5 的過負(fù)荷量；④明確模擬輸入信號的特性，根據(jù)信號的最高頻率，正確配置抗混濾波器；⑤保證測量的準(zhǔn)確度（考慮線性度、頻率響應(yīng)特性、增益和偏置誤差等）；⑥對各通道模擬信號的采集是否要求同步。

4 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)趨勢

完整的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)涉及的軟硬件知識比較多，結(jié)構(gòu)大同小異，目前工程上應(yīng)用的原則軟硬并舉，且能用軟件實(shí)現(xiàn)的盡量用軟件，以簡化硬件電路，提高系統(tǒng)的可靠性和抗干擾能力。同時(shí)，隨著智能計(jì)算技術(shù)、大數(shù)據(jù)和網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，為滿足不同環(huán)境的采集需求，數(shù)據(jù)采集技術(shù)正在向著微型化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化的方向發(fā)展。