如何构建数据采集系统（一）

前言

数据采集系统（Data Acquisition System），是指从传感器和其它待测设备等模拟和数字被测单元中自动采集经调理的电量或非电量信号，传输至上位机或服务器中进行分析、处理、监控以及存储的整体系统。本章将展现典型数据采集系统的组成部分，协助您快速了解数据采集系统构建过程中的主要技术要点与重点。

众所周知，数据采集系统是计算机与外部物理世界连接的桥梁，现今已广泛应用于实验室研究、测试和测量以及工业自动化领域中。

在构建一个基本的数据采集系统（下图）时，以下五个部分是必须考虑的：

传感器

数据采集

信号传输

分析处理

数据存储

图： 典型数据采集系统

1 传感器

数据采集始于要被测量的物理现象，可能是房间的温度、光源的强度、空间的压力、应用在物体上的力量，或是其它许多现象。一个有效的数据采集系统可以测量这一切不同的现象。

传感器是将物理现象转变成可测量信号（电压或电流）的设备，例如热电偶、RTD、热敏电阻都可以把温度转变为A/D组件可测量的模拟信号。下表是工程项目中所常见的传感器，以及它们可测量的现象。

为了适合数据采集设备的输入范围，由传感器生成的电信号必须经过处理，即通常意义所说的“信号调理”。下表中列举了常用传感器所需的信号调理，工程师需要在构建系统时综合考虑，选择最合适的传感器和数据采集设备。

2 数据采集

数据采集设备是上位机和外界之间的接口，它的主要功能是将输入的模拟信号数字化，使计算机能够解读这些信号。如何选择合适和正确的数据采集设备，这是工程师们在构建系统之时须掌握的技能之一，对于数采设备而言，主要有以下几项指标需要参考：

通道数

对于采用单端和差分两种输入方式的设备，模拟输入通道数可以分为单端输入通道数和差分输入通道数。在单端输入中，输入信号均以共同的地线为基准。这种输入方法主要应用于输入信号电压较高（高于1 V），信号源到模拟输入硬件的导线较短（低于15 ft），且所有的输入信号共用一个基准地线。如果信号达不到这些标准，此时应该用差分输入。

采样速率

这一参数决定了每秒种进行模数转换的次数。一个高采样速率可以在给定时间下采集更多数据，因此能更好地反映原始信号。

分辨率/量程

模数转换器用来表示模拟信号的位数即是分辨率。分辨率越高，信号范围被分割成的区间数目越多，因此，能探测到的电压变量就越小（如下图）。

量程是模数转换器可以量化的最小和最大电压值。某些设备提供商的数据采集设备都能做到对量程范围进行选择，可以在不同输入电压范围下进行配置。由于具有这种灵活性，您可以使信号的范围匹配ADC的输入范围，从而充分利用测量的分辨率。

值得一提的是，分辨率与精度是两个完全不同的概念，具体的区别可见本白皮书第三章内容。

防护性

数据采集设备所使用的周围环境如果较为复杂和严苛的情况下，那么在选择时，工程师需要对设备的防护等级进行考量。