計算機數據采集與

分析技術概述1.1數據采集與分析的基本概念1.2計算機數據采集系統(tǒng)的組成1.3數據采集與分析系統(tǒng)的主要性能指標

1.1數據采集與分析的基本概念

信息技術主要包括信息獲取、傳輸、處理、存儲(記錄)、顯示和應用等。信息技術的三大支柱是信息獲取技術、通信技術和計算機技術，常被稱為3C(即Collection、Communication和Computer)技術。其中信息獲取技術是信息技術的基礎和前提，而數據采集技術是信息獲取的主要手段和方法，數據分析和處理是計算機技術的主要目標。因此數據采集與分析技術是信息技術的重要組成部分。數據采集與分析技術是以傳感器技術、測試技術、電子技術和計算機技術等為基礎的一門綜合應用技術。

數據采集與分析技術所涉及的學科和理論比較多。數據采集主要涉及的學科有測試與儀器科學、信息與通信科學和計算機科學。其中測試與儀器科學側重于信息的獲取，信息

與通信科學側重于信息的傳輸，計算機科學側重于信息的分析處理。

1.1.1信息和信號

有關信息(Information)至今還沒有一個統(tǒng)一的確切定義，不過信息的概念早被人們所理解和接受。早在1948年，維納(NorbertWiener)在其著作《控制論——動物與機器中的

通信與控制問題》中就指出:“信息既不是物質，也不是能量，信息就是信息”，即提出了“信息”是存在于客觀世界的第三要素的著名論斷。另一美國學者山農(ClaudeElwood

Shannon)第一次系統(tǒng)地給出了信息的定量描述，成功地用數學公式把物質、能量和信息之間的相互作用和依存關系統(tǒng)一起來。

信息被認為是客觀物質世界的靈魂，因為信息反映了事物的運動狀態(tài)和運動方式。這里所說的“事物”是廣義的事物，既包括客觀物質世界中的事物，也包括主觀精神世界中的現象;“運動”泛指一切意義上的變化，包括物理的、化學的、生物的、思維的和社會的運動;“運動狀態(tài)”是指事物的運動在空間上所表現的性狀和態(tài)勢;“運動方式”則是指事物的運動在時間上所表現的過程和規(guī)律。從這個廣義的信息概念出發(fā)，引入不同的約束條件，就可以得到不同的具體的定義。例如信息可以具體為消息、情報和知識等。

信息本身不是物質，不具有能量，而信號(Signal)是傳輸信息的載體，也就是說，信息寓于信號之中。信號是含有能量的物質，具有可觀測性。在數據采集系統(tǒng)中，把想要獲取的信息轉換為信號，直接采集處理的是信號，而不是信息。

信號與信息不能混為一談。信號只是信息的某種形式。實際的信息中往往包含著多種信息成分，其中不關心的成分統(tǒng)稱為噪聲或冗余信息。在一個具體的數據采集系統(tǒng)里面，可能要花費很多代價來設法去除各種噪聲，從而獲得滿意的所要求的信息。

1.1.2數據采集

數據采集(DataAcquisition)就是將要獲取的信息通過傳感器轉換為信號，并經過信號調理、采樣、量化、編碼和傳輸等步驟，最后送到計算機系統(tǒng)中進行處理、分析、存儲和

顯示。

數據采集系統(tǒng)是計算機與外部世界聯系的橋梁，是獲取信息的重要途徑。數據采集技術是信息科學的重要組成部分，已廣泛應用于國民經濟和國防建設的各個領域，并且隨著科學技術的發(fā)展，尤其是計算機技術的發(fā)展與普及，數據采集技術將有廣闊的發(fā)展前景。

數據采集系統(tǒng)追求的主要目標有兩個，一是精度，二是速度。對任何量值的測試都要有一定的精確度要求，否則將失去采集的意義;提高數據采集的速度不僅僅可以提高工作

效率，更主要的是擴大數據采集系統(tǒng)的適用范圍，便于實現動態(tài)測試。

現代數據采集系統(tǒng)具有如下幾個特點：

(1)現代數據采集系統(tǒng)一般都內含有計算機系統(tǒng)，使得數據采集的質量和效率等大為提高，同時顯著地節(jié)省了硬件資源。

(2)軟件在數據采集系統(tǒng)中的作用越來越大，增加了系統(tǒng)設計的靈活性和功能。

(3)數據采集與數據處理相互結合得日益緊密，形成數據采集與處理相互融合的系統(tǒng)，可實現從數據采集、處理到控制的全部工作。

(4)速度快，數據采集過程一般都具有“實時”特性。對于通用數據采集系統(tǒng)一般希望有盡可能高的速度，以滿足更多的應用環(huán)境。

(5)隨著微電子技術的發(fā)展，電路集成度的提高，數據采集系統(tǒng)的體積越來越小，可靠性越來越高，甚至出現了單片數據采集系統(tǒng)。

(6)數據通信總線在數據采集系統(tǒng)中的應用越來越廣泛，總線技術對數據采集系統(tǒng)結構的發(fā)展起著重要作用。

1.1.3系統(tǒng)

系統(tǒng)(System)是指由若干相互作用和相互依賴的事物組合而成的具有特定功能的整體。一個系統(tǒng)，對于給定的輸入(激勵)，將會有一個既定的輸出(響應)。系統(tǒng)是一個相對的概念，一個系統(tǒng)可以分為多個小系統(tǒng)的組成，如何確定系統(tǒng)的邊界，取決于系統(tǒng)的結構和研究的目的。例如計算機數據采集系統(tǒng)又可細分為一些較小的子系統(tǒng)，當側重研究如何把現實世界的物理信號變?yōu)殡娦盘枙r，著重研究傳感器系統(tǒng);當側重于數字量的計算、處理、存儲和顯示時，著重于研究計算機系統(tǒng)。

1.2計算機數據采集系統(tǒng)的組成

數據采集系統(tǒng)隨著新型傳感技術、微電子技術和計算機技術的發(fā)展而得到迅速發(fā)展。因為目前數據采集系統(tǒng)一般都使用計算機進行控制，所以又叫做計算機數據采集系統(tǒng)。計算機數據采集系統(tǒng)包括硬件和軟件兩大部分，其中硬件部分又可分為模擬部分和數字部分。計算機數據采集系統(tǒng)的硬件基本組成如圖1.1所示。

從圖1.1可以看出，計算機數據采集系統(tǒng)一般由傳感器、前置放大器、濾波器、多路模擬開關、采樣/保持器(S/H)、模/數轉換器(A/D)和計算機系統(tǒng)組成。圖1.1計算機數據采集系統(tǒng)的硬件基本組成

1.傳感器

傳感器的作用是把非電的物理量(如速度、溫度、壓力等)轉變成模擬電量(如電壓、電流、電阻或頻率)。例如，使用熱電偶或熱電阻可以獲得隨著溫度變化而變化的電壓，轉速傳感器可以把轉速轉換為電脈沖等。通常把傳感器輸出到A/D轉換器輸出的這一段信號通道稱為模擬通道。

2.前置放大器

前置放大器用來放大和緩沖輸入信號。由于傳感器輸出的信號較小(如常用的熱電偶輸出變化往往在幾毫伏到幾十毫伏之間，電阻應變片輸出電壓變化只有幾毫伏，人體生物電信號僅是微伏量級)，因此需要加以放大以滿足大多數A/D轉換器的滿量程輸入(5~10V)要求。此外，某些傳感器內阻比較大，輸出功率較小，放大器還要起阻抗變換器的作用以緩沖輸入信號。因為各類傳感器輸出信號的情況各不相同，所以放大器的種類也很多。例如為了減少輸入信號的共模分量，就產生了各種差分放大器、儀用放大器和隔離放大器;為了使不同數量級的輸入電壓都具有最佳變換，就產生了量程可以變換的程控放大器;為了減少放大器輸出的漂移，則產生了斬波穩(wěn)零和激光修正的精密放大器。

3.濾波器

傳感器以及后續(xù)處理電路中的器件常會產生噪聲，人為的發(fā)射源也可以通過各種耦合渠道使信號通道感染上噪聲，例如工頻信號(50Hz或60Hz)可以成為一種人為的干擾源。

為了提高模擬輸入信號的信噪比，常常需要使用濾波器對噪聲信號進行一定的衰減。

4.多路模擬開關

在數據采集系統(tǒng)中，往往要對多個物理量進行采集，即所謂的多路巡回檢測。多路巡回檢測可以通過多路模擬開關來實現，以簡化設計和降低成本。多路模擬開關可以分時選

通來自多個輸入通道中的某一路通道。因此，在多路模擬開關后的單元電路，如采樣/保持電路、A/D轉換電路以及處理器電路等，只需要一套即可，這樣可以節(jié)省成本和體積。但這僅僅適用于物理量變化比較緩慢、變化周期在數十至數百毫秒之間的情況。因為這時可以使用普通的微秒級A/D轉換器從容地分時處理這些信號。但當分時通道較多時，必須注意泄漏及邏輯安排等問題。

當信號頻率較高時，使用多路分路開關后，對A/D的轉換速率要求也隨之上升。在數據通過率超過40~50kHz時，一般不宜使用分時的多路開關技術。模擬多路開關有時也可以安排在放大器之前，但當輸入的信號電平較低時，需注意選擇多路模擬開關的類型;若選用集成電路的模擬多路開關，則由于它比干簧或繼電器組成的多路模擬開關導通電阻大，泄漏電流大，因而有較大的誤差產生。所以要根據具體情況來選擇多路模擬開關。

5.采樣/保持器

多路模擬開關之后是模擬通道的轉換部分，包括采樣/保持器和A/D轉換器。采樣/保持器的作用是快速拾取多路模擬開關輸出的子樣脈沖，并保持幅值恒定，以提高A/D轉換器的轉換精度，如果把采樣/保持器放在模擬多路開關之前(每道一個)，還可實現對瞬時信號進行同時采樣。

6.A/D轉換器

采樣/保持器輸出的信號送至A/D轉換器，

A/D轉換器是模擬輸入通道的關鍵電路。由于輸入信號變化的速度不同，系統(tǒng)對分辨率、精度、轉換速率及成本的要求也不同，因此A/D轉換器的種類也較多。早期的采樣/保持器和A/D轉換器需要數據采集系統(tǒng)設計人員自行設計，目前普遍采用單片集成電路，有的單片A/D轉換器內部還包含有采樣/保持電路、基準電源和接口電路，這為系統(tǒng)設計提供了較大方便。A/D轉換的結果輸出給計算機，有的采用并行碼輸出，有的則采用串行碼輸出。使用串行輸出結果的方式對長距離傳輸和需要光電隔離的場合較為有利。

7.計算機系統(tǒng)

計算機系統(tǒng)是整個計算機數據采集系統(tǒng)的核心。計算機控制整個計算機數據采集系統(tǒng)的正常工作，并且把A/D轉換器輸出的結果讀入到內存，進行必要的數據分析和數據處

理。計算機還需要把數據分析和處理之后的結果寫入存儲器以備將來分析和使用，通常還需要把結果顯示出來。計算機系統(tǒng)包括計算機硬件和計算機軟件，其中計算機硬件是計算

機系統(tǒng)的基礎，而計算機軟件是計算機系統(tǒng)的靈魂。計算機軟件技術在計算機數據采集系統(tǒng)中發(fā)揮著越來越重要的作用。

1.3數據采集與分析系統(tǒng)的主要性能指標

數據采集系統(tǒng)的性能要求與具體應用目的和應用環(huán)境有密切關系，對應不同的應用情況往往有不同的要求。下面是比較常用的幾個指標及其含義。

1.系統(tǒng)分辨率

系統(tǒng)分辨率是指數據采集系統(tǒng)可以分辨的輸入信號的最小變化量。通常可以使用如下幾種方法表示系統(tǒng)分辨率:

·使用系統(tǒng)所采用的A/D轉換器的位數來表示系統(tǒng)分辨率。

·使用最低有效位值(LSB)占系統(tǒng)滿度值的百分比來表示系統(tǒng)分辨率。

·使用系統(tǒng)可分辨的實際電壓數值來表示系統(tǒng)分辨率。

·使用滿度值的百分數來表示系統(tǒng)分辨率。

表1.1給出了滿度值為10V時數據采集系統(tǒng)的分辨率。

2.系統(tǒng)精度

系統(tǒng)精度是指當系統(tǒng)工作在額定采集速率下，整個數據采集系統(tǒng)所能達到的轉換精度。A/D轉換器的精度是系統(tǒng)精度的極限值。實際上，系統(tǒng)精度往往達不到A/D轉換器的精度。因為系統(tǒng)精度取決于系統(tǒng)的各個環(huán)節(jié)(子系統(tǒng))的精度，如前置放大器、濾波器、模擬多路開關等，只有當這些子系統(tǒng)的精度都明顯優(yōu)于A/D轉換器精度時，系統(tǒng)精度才能達到A/D轉換器的精度。這里還應注意系統(tǒng)精度與系統(tǒng)分辨率的區(qū)別。系統(tǒng)精度是系統(tǒng)的實際輸出值與理論輸出值之差，它是系統(tǒng)各種誤差的總和，通常表示為滿度值的百分數。

3.采集速率

采集速率又稱為系統(tǒng)通過速率或吞吐率，是指在滿足系統(tǒng)精度指標的前提下，系統(tǒng)對輸入的模擬信號在單位時間內所能完成的采集次數，或者說是系統(tǒng)每個通道、每秒鐘可采

集的有效數據的數量。這里所說的“采集”包括對被測物理量進行采樣、量化、編碼、傳輸和存儲的全部過程。在時間域上與采集速率對應的指標是采樣周期。采樣周期是采樣速率的倒數，它表征了系統(tǒng)每采集一個有效數據所需的時間。

4.動態(tài)范圍

動態(tài)范圍是指某個確定的物理量的變化范圍。信號的動態(tài)范