如何構建數據采集系統（一）

數據采集系統（Data Acquisition System），是指從傳感器和其它待測設備等模擬和數字被測單元中自動采集經調理的電量或非電量信號，傳輸至上位機或服務器中進行分析、處理、監控以及存儲的整體系統。本章將展現典型數據采集系統的組成部分，協助您快速了解數據采集系統構建過程中的主要技術要點與重點。

眾所周知，數據采集系統是計算機與外部物理世界連接的橋梁，現今已廣泛應用于實驗室研究、測試和測量以及工業自動化領域中。

在構建一個基本的數據采集系統（下圖）時，以下五個部分是必須考慮的：

傳感器

數據采集

信號傳輸

分析處理

數據存儲

圖： 典型數據采集系統

1 傳感器

數據采集始于要被測量的物理現象，可能是房間的溫度、光源的強度、空間的壓力、應用在物體上的力量，或是其它許多現象。一個有效的數據采集系統可以測量這一切不同的現象。

傳感器是將物理現象轉變成可測量信號（電壓或電流）的設備，例如熱電偶、RTD、熱敏電阻都可以把溫度轉變為A/D組件可測量的模擬信號。下表是工程項目中所常見的傳感器，以及它們可測量的現象。

為了適合數據采集設備的輸入范圍，由傳感器生成的電信號必須經過處理，即通常意義所說的“信號調理”。下表中列舉了常用傳感器所需的信號調理，工程師需要在構建系統時綜合考慮，選擇最合適的傳感器和數據采集設備。

2 數據采集

數據采集設備是上位機和外界之間的接口，它的主要功能是將輸入的模擬信號數字化，使計算機能夠解讀這些信號。如何選擇合適和正確的數據采集設備，這是工程師們在構建系統之時須掌握的技能之一，對于數采設備而言，主要有以下幾項指標需要參考：

通道數

對于采用單端和差分兩種輸入方式的設備，模擬輸入通道數可以分為單端輸入通道數和差分輸入通道數。在單端輸入中，輸入信號均以共同的地線為基準。這種輸入方法主要應用于輸入信號電壓較高（高于1 V），信號源到模擬輸入硬件的導線較短（低于15 ft），且所有的輸入信號共用一個基準地線。如果信號達不到這些標準，此時應該用差分輸入。

采樣速率

這一參數決定了每秒種進行模數轉換的次數。一個高采樣速率可以在給定時間下采集更多數據，因此能更好地反映原始信號。

分辨率/量程

模數轉換器用來表示模擬信號的位數即是分辨率。分辨率越高，信號范圍被分割成的區間數目越多，因此，能探測到的電壓變量就越小（如下圖）。

量程是模數轉換器可以量化的最小和最大電壓值。某些設備提供商的數據采集設備都能做到對量程范圍進行選擇，可以在不同輸入電壓范圍下進行配置。由于具有這種靈活性，您可以使信號的范圍匹配ADC的輸入范圍，從而充分利用測量的分辨率。

值得一提的是，分辨率與精度是兩個完全不同的概念，具體的區別可見本白皮書第三章內容。

防護性

數據采集設備所使用的周圍環境如果較為復雜和嚴苛的情況下，那么在選擇時，工程師需要對設備的防護等級進行考量。