高速數據採集系統

數據採集系統的重要技術指標包括數據轉換速率和記錄容量。在低速數據採集系統中，單片機直接控制A/D轉換器，數據採集一般要經過啓動A/D轉換、讀取A/D轉換值、將數據存入存儲器、修改存儲器地址指針、判斷數據採集是否完成等過程。由於數據採集的功能主要通過軟件來實現，因此，其採樣速率一般在1MHz以下。在高速數據採集系統中，單片機不再承擔A/D轉換的控制、數據的讀出與存儲工作，這些操作由專門的高速數字電路完成。通過高速數字電路，實現A/D轉換的數據和存儲器之間的直接傳輸。 ^[1] 

高速數據採集系統已在雷達、聲納、軟件無線電、瞬態信號測試等領域得到廣泛應用。它的關鍵技術是高速ADC技術、數據存儲與傳輸技術和抗干擾技術。

高速數據採集系統一般分為數據採集和數據處理兩部分。

在數據採集時，必須以很高的速度採集數據。在數據處理時並不需要與數據採集同樣高的速率進行。因此，高速數據採集需要有一個數據緩存單元，先將採集的數據有效的存儲，然後根據系統需要進行數據處理。 ^[1] 

高速數據採集系統通常由單片機、高速緩存、高速A/D轉換器組成。

單片機，也稱單片微型計算機。它是把中央處理器（CPU）、隨機存取存儲器（RAM）、只讀存儲器（ROM）、輸入/輸出端口（I/O）等主要計算機功能部件都集成在一塊集成電路芯片上的微型計算機。 ^[2] 

高速緩存是關鍵部件，其構成方案有三種：

（1）高速SRAM切換方式。 ^[1]  高速SRAM只有一套數據、地址和控制總線，可通過三態緩衝門分別接到A/D轉換器和DSP上。當A/D採樣時，SRAM由三態門切換到A/D轉換器一側，以使採樣數據寫入其中。當A/D採樣結束後，SRAM再由三態門切換到DSP一側以便DSP進行讀寫。這種方式的優點是SRAM可隨機存取，同時較大容量的高速SRAM容易得到且價格適中，缺點是切換控制電路比較複雜，且只能由A/D轉換器和DSP分時讀寫。

（2）先進先出（FIFO）方式。 ^[1]  FIFO存儲器就象數據管道一樣，數據從管道的一頭流入、從另一頭流出，先進入的數據先流出。FIFO具有兩套數據線而無地址線，可在其一端寫操作而在另一端讀操作，數據在其中順序移動，因而能夠達到很高的傳輸速度和效率，且由於省去了地址線而有利於PCB板佈線。缺點是隻能順序讀寫數據，因而顯得比較呆板，而且大容量的高速FIFO非常昂貴；

（3）雙口RAM。 ^[1]  雙口RAM具有兩套獨立的數據、地址和控制總線，因而可從兩個端口同時讀寫而互不干擾，並可將採樣數據從一個端口寫入而由DSP從另一個端口讀出。雙口RAM也能達到很高的傳輸速度，並且具有隨機存取的優點，缺點是大容量的高速雙口RAM很難得且價格昂貴。

高速A/D轉換器常採用並行A/D轉換器或並/串行A/D轉換器，由電阻分壓器、比較器、緩衝寄存器和編碼器組成。 ^[3] 

一般來説，高速採集系統的任務是採集各種類型傳感器輸出的模擬信號並轉換成數字信號後輸入計算機處理，得到特定的數據結果。同時將計算得到波形和數值進行顯示，對各種物理量狀態監控。

圖1是基於DSP的數據採集系統 ^[4]  ，一般包括：AD模數轉換芯片、SDRAM動態數據存儲元件、Flash靜態數據存儲元件、HPI主機接口、USB接口、PCI接口等。典型的數字信號處理過程如圖1所示。

輸入信號可以是語音信號、調製後的電話信號、編碼的數字信號、壓縮的圖像信號，也可以是各種傳感器輸?出的信號。如果輸人信號的幅度較小或者過大，一般都需要經過放大器單元將輸入信號幅度放大或者縮小後，送到AD進行模數轉換；如果輸入信號帶有較大的噪聲，一般需要經過一個硬件的模擬濾波單元，將信號濾波整形後，送到AD進行模數轉換。AD能將模擬信號變換成數字信號，但必須滿足奈奎斯特採樣定理，也就是為了保證不丟失信息的所有信息，採樣頻率必須高於輸入信號最高頻率的2倍，一般為5倍以上。AD變換後得到的數字信號輸人到DSP芯片；再由DSP芯片對該數字信號進行各種數字信號算法的處理。

高速數據採集系統的結構形式多種多樣，常見的分類方法有以下幾種：

（1）隔離型；

（2）非隔離型

（3）集中式；

（4）分佈式。

（1）智能化；

（2）非智能化採集系統。

（1）電壓和電流信號；

（2）高電平和低電平信號；

（3）單端輸入和差分輸入。

（1）單通道輸入方式；

（2）多通道輸入方式。

（1）集成微型計算機的數據採集系統。集成微型計算機的數據採集系統則是將PC及數據採集卡集成一體，採集卡採集完的數據直接保存在內部的硬盤，無需通過線纜傳輸。

（2）集散型數據採集系統。集散型數據採集系統由包含A/D,AMP,DSP,FPGA的數據採集卡組成的數據採集系統，可以獨立採集模擬和數字信號，數據通過光纖或網絡傳輸到PC的硬盤進行保存及處理。

高速數據採集系統具有極高的採樣率，尤其適合用於瞬間測量量產生變化的場合。例如：在電力傳輸或者爆炸，衝擊波，火箭發射過程中。

電力測試的應用包括：

大多數的電網都通過塔架上的電纜來傳送電能. 其暴露在野外，經常遭受雷擊，進而可能損壞變電站的設備. 元器件的損壞將導致部分電力分配能力的損失，並耗費高昂的修理費用. 變壓器，電湧放電器，絕緣體和開關設備的測試 對於質量校準過程和保證元件的承受力是非常重要的.

開關設備測試 是一個巨大的挑戰, 要求特殊的 硬件和軟件 才能產生精確可靠的測試結果. 硬件的挑戰包括絕緣，放大器漂移，噪聲和抗電磁干擾和需要電池操作等。軟件挑戰包括數據完整，重複性和可靠性等。例如核電備用柴油機的測試。

零區 (CZ) 指的是在高功率斷路器上的中斷現象. 現在不可能通過中斷高壓電路來進行，而是通過其他方式，如電弧. 所有的電路中斷器都通過移除相互之間的接觸來完成，這樣接觸之間產生電弧. 零區現象 是壓力，温度，離子密度，等離子流等的指標. 零區測試 用來了解電弧現象以及確定成功的電流中斷的主要參數。

航天器上使用了大量的火工裝置來完成特定的功能,它們在動作時會引起強烈的高頻衝擊環境,對航天器上的儀器設備產生不利的影響。火工品，爆炸和衝擊波測試中，由於其在非常短的時間內壓力等測量值會產生極大地變化，因此需要極高的採樣率。很多測試中需要採用20-100MS/s的採樣速率。

(1)新型快速、高分辨率的數據轉換部件不斷湧現，大大提高了數據採集系統的性能。

(2)高性能單片機的問世和各種數字信號處理器的湧現，進一步推動了數據採集系統的廣泛應用。

(3)智能化傳感器(Smarts nor)的發展，必將對今後數據採集系統的發展產生深遠的影響。

(4)與微型機配套的數據採集部件的大量問世，大大方便了數據採集系統在各個領域裏應用並有利於促進數據採集系統技術的進一步發展。

(5)分佈式數據採集是數據採集系統發展的一個重要趨勢。