正确选择和使用数据采集卡

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          价格：980~~99800元之间

 目前，在实验室研究、科研教学、国防建设、测试和测量以及工业自动化领域中，绝大多数科研人员和工程师使用配有PCI、PCIe、PXI/CompactPCI、PCMCIA、USB、IEEE1394、ISA、并行或串行接口的基于PC的数据采集系统。许多应用使用插入式设备采集数据并把数据直接传送到计算机内存中，而在一些其它应用中数据采集硬件与PC分离，通过并行或串行接口和PC相连。

 数据采集又称数据获取(DAQ)，是使用计算机测量电压、电流、温度、压力或声音等电子、物理现象的过程,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非电量或者电量信号,送到上位机中进行分析,处理。数据采集系统是结合基于计算机或者其他专用测试平台的测量软硬件产品来实现灵活的、用户自定义的测量系统。数据采集卡，即实现数据采集(DAQ)功能的计算机扩展卡，可以通过USB、PXI、PCI、PCI Express、火线(1394)、PCMCIA、ISA、Compact Flash、485、232、以太网、各种无线网络等总线接入个人计算机。

传感器是室内温度、光源强度、或施于物体的压力等物理现象都通过传感器进行测量。传感器，也被称为转换器，能够将一种物理现象转换为可测量的电子信号。根据传感器类型的不同，其输出的可以是电压、电流、电阻，或是随着时间变化的其他电子属性。一些传感器可能需要额外的组件和电路来正确生成可以由DAQ设备准确和安全读取的信号。

图1典型的基于PC的数据采集(DAQ)系统

传感器和信号调理

传感器感应物理现象并生成数据采集系统可测量的电信号。例如，热电偶、电阻式测温计（RTD）、热敏电阻器和IC传感器可以把温度转变为模拟数字转化器（analog-to-digital ，ADC）可测量的模拟信号。其它例子包括应力计、流速传感器、压力传感器，它们可以相应地测量应力、流速和压力。在所有这些情况下，传感器可以生成和它们所检测的物理量呈比例的电信号。
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。为了更精确地测量信号，信号调理配件能放大低电压信号，并对信号进行隔离和滤波。此外，某些传感器需要有电压或电流激励源来生成电压输出。图2显示了带有NI SCXI信号调理配件的典型数据采集系统。

图3 传感器与信号调理与机算机的连接

图2 数据采集卡采集过程

一、数据采集卡的定义：数据采集卡就是把模拟信号转换成数字信号的设备，其核心就是A/D芯片。 二、数据采集简介：在计算机广泛应用的今天，数据采集的重要性是十分显著的。它是计算机与外部物理世界连接的桥梁。各种类型信号采集的难易程度差别很大。实际采集时，噪声也可能带来一些麻烦。数据采集时，有一些基本原理要注意，还有更多的实际的问题要解决。假设现在对一个模拟信号x(t)每隔Δt时间采样一次。时
一、数据采集卡的定义：
   数据采集卡就是把模拟信号转换成数字信号的设备，其核心就是A/D芯片。
二、数据采集简介：
   在计算机广泛应用的今天，数据采集的重要性是十分显著的。它是计算机与外部物理世界连接的桥梁。各种类型信号采集的难易程度差别很大。实际采集时，噪声也可能带来一些麻烦。数据采集时，有一些基本原理要注意，还有更多的实际的问题要解决。
假设现在对一个模拟信号x(t)每隔Δt时间采样一次。时间间隔Δt被称为采样间隔或者采样周期。它的倒数1/Δt被称为采样频率，单位是采样数/每秒。t=0,Δt ,2Δt ,3Δt…… 等等，x(t)的数值就被称为采样值。所有x(0),x(Δt),x(2Δt )都是采样值。这样信号x(t)可以用一组分散的采样值来表示：  下图显示了一个模拟信号和它采样后的采样值。采样间隔是Δt，注意，采样点在时域上是分散的。

图1模拟信号和采样显示

如果对信号x(t)采集N个采样点，那么x(t)就可以用下面这个数列表示： 
这个数列被称为信号x(t)的数字化显示或者采样显示。注意这个数列中仅仅用下标变量编制索引，而不含有任何关于采样率（或Δt）的信息。所以如果只知道该信号的采样值，并不能知道它的采样率，缺少了时间尺度，也不可能知道信号x(t)的频率。
根据采样定理，最低采样频率必须是信号频率的两倍。反过来说，如果给定了采样频率，那么能够正确显示信号而不发生畸变的最大频率叫做恩奎斯特频率，它是采样频率的一半。如果信号中包含频率高于奈奎斯特频率的成分，信号将在直流和恩奎斯特频率之间畸变。图２显示了一个信号分别用合适的采样率和过低的采样率进行采样的结果。
采样率过低的结果是还原的信号的频率看上去与原始信号不同。这种信号畸变叫做混叠（alias）。出现的混频偏差（alias frequency）是输入信号的频率和最靠近的采样率整数倍的差的绝对值。

 
图2不同采样率的采样结果
图３给出了一个例子。假设采样频率fs是100HZ,，信号中含有25、70、160、和510 Hz的成分。

 
图３ 说明混叠的例子
采样的结果将会是低于奈奎斯特频率（fs/2=50 Hz）的信号可以被正确采样。而频率高于50HZ的信号成分采样时会发生畸变。分别产生了30、40和10 Hz的畸变频率F2、F3和F4。计算混频偏差的公式是：
混频偏差＝ABS（采样频率的最近整数倍－输入频率）
其中ABS表示“绝对值”，例如：
混频偏差F2 =|100–70| = 30 Hz
混频偏差F3 = |(2)100–160| = 40 Hz
混频偏差F4 = |(5)100–510| = 10 Hz
为了避免这种情况的发生，通常在信号被采集（A/D）之前，经过一个低通滤波器，将信号中高于奈奎斯特频率的信号成分滤去。在图3的例子中，这个滤波器的截止频率自然是25HZ。这个滤波器称为 抗混叠滤波器
采样频率应当怎样设置呢？也许你可能会首先考虑用采集卡支持的最大频率。但是，较长时间使用很高的采样率可能会导致没有足够的内存或者硬盘存储数 据太慢。理论上设置采样频率为被采集信号最高频率成分的2倍就够了，实际上工程中选用5～10倍，有时为了较好地还原波形，甚至更高一些。
通常，信号采集后都要去做适当的信号处理，例如FFT等。这里对样本数又有一个要求，一般不能只提供一个信号周期的数据样本，希望有5～10个周期，甚至更多的样本。并且希望所提供的样本总数是整周期个数 的。这里又发生一个困难，有时我们并不知道，或不确切知道被采信号的频率，因此不但采样率不一定是信号频率的整倍数，也不能保证提供整周期数的样本。我们所有的仅仅是一个时间序列的离散的函数x(n)和采样频率。这是我们测量与分析的唯一依据。
主要类型：
在工业现场，我们会安装很多的各种类型的传感器，如压力的、温度的、流量的、声音的、电参数的等等，受现场环境的限制传感器信号如压力传感器输出的电压或者电流信号不能远传或者因为传感器太多布线复杂，我们就会选用分布式或者远程的采集卡（模块）在现场把信号较高精度地转换成数字量，然后通过各种远传通信技术（如485、232、以太网、各种无线网络）把数据传到计算机或者其他控制器中进行处理。这种也算作数据采集卡的一种，只是它对环境的适应能力更强，可以应对各种恶劣的工业环境。
如果是在比较好的现场或者实验室，如学校的实验室，就可以使用USB/PCI这种采集卡。和常见的内置采集卡不同，外置数据采集卡一般采用USB接口和1394接口，因此，外置数据采集卡主要指USB采集卡和1394采集卡。

   
T510-数据采集卡
数据采集卡，绝大多数集中在采集模拟量、数字量、热电阻、热电偶，其中热电阻可以认为是非电量（其实本质上还是要用电流驱动来采集）其中模拟量采集卡和数字量采集卡用得是最广泛的。
现在市场上有一种二合一采集卡，二合一，指的是数字模拟采集卡，AV+DV采集卡，数字、模拟二合一，数字输入输出，模拟接口输入(DV/AV/S-video)。
最后虽然说是采集卡，但实际应用中经常需要它输出控制信号。采集卡广泛应用于安防监控、教育课件录制、大屏拼接、多媒体录播录像、会议录制、虚拟演播室、虚拟现实、安检X光机、雷达图像信号、VDR纪录仪、医疗X光机、CT机、胃肠机、阴道镜、工业检测、智能交通、医学影像、工业监控、仪器仪表、机器视觉等领域。

数据采集硬件及软件：

模拟输入

模拟输入的基本考虑－在模拟输入的技术说明中将给出关于数据采集产品的精度和功能的信息。基本技术说明适用于大部分数据采集产品，包括通道数目、采样速率、分辨率和输入范围等方面的信息。
模拟输出

经常需要模拟输出电路来为数据采集系统提供激励源。数模转换器（DAC）的一些技术指标决定了所产生输出信号的质量－稳定时间、转换速率和输出分辨率。
触发器

许多数据采集的应用过程需要基于一个外部事件来起动或停止一个数据采集的工作。数字触发使用外部数字脉冲来同步采集与电压生成。模拟触发主要用于模拟输入操作，当一个输入信号达到一个指定模拟电压值时，根据相应的变化方向来起动或停止数据采集的操作。
RTSI总线

北京迪阳公司为数据采集产品开发了RTSI总线。RTSI总线使用一种定制的门阵列和一条带形电缆，能在一块数据采集卡上的多个功能之间或者两块甚至多块数据采集卡之间发送定时和触发信号。通过RTSI总线，您可以同步模数转换、数模转换、数字输入、数字输出、和计数器/计时器的操作。例如，通过RTSI总线，两个输入板卡可以同时采集数据，同时第三个设备可以与该采样率同步的产生波形输出。
数字I/O(DIO)

DIO接口经常在PC数据采集系统中使用，它被用来控制过程、产生测试波形、与外围设备进行通信。在每一种情况下，最重要的参数有可应用的数字线的数目、在这些通路上能接收和提供数字数据的速率、以及通路的驱动能力。如果数字线被用来控制事件，比如打开或关掉加热器、电动机或灯，由于上述设备并不能很快地响应，因此通常不采用高速输入输出。
定时I/O

计数器/定时器在许多应用中具有很重要的作用，包括对数字事件产生次数的计数、数字脉冲计时，以及产生方波和脉冲。您通过三个计数器/计时器信号就可以实现所有上述应用——门、输入源和输出。

软件

软件使PC和数据采集硬件形成了一个完整的数据采集、分析和显示系统。没有软件，数据采集硬件是毫无用处的——或者使用比较差的软件，数据采集硬件也几乎无法工作。大部分数据采集应用实例都使用了驱动软件。软件层中的驱动软件可以直接对数据采集硬件的寄存器编程，管理数据采集硬件的操作并把它和处理器中断，DMA和内存这样的计算机资源结合在一起。驱动软件隐藏了复杂的硬件底层编程细节，为用户提供容易理解的接口。

完整的测量系统的搭建：

测量方案和分析方法的选择往往很费时间。一旦您设定了测量系统的具体规格，那就要决定如何百分之百地去执行这个方案。为了缩短制定系统规格的时间，NI为您提供几种在线资源。DAQ Designer(数据采集系统配置指南)是一个交互式的配置指南。您可以用它为您特定的数据采集系统选择最理想的软硬件产品。您只需简单回答有关您应用系统的一些问题(如信号类型、通道数、数据采集系统工作环境等),DAQ Designer会为您推荐最符合您要求的软硬件部件。

第一步：选择信号类型

·                                模拟输入

·                                模拟输出

·                                数字I/O

·                                定时/计数器

第二步：选择每种信号的通道数
假设您的信号类型是模拟输入：如电压、电流、热电偶、RTD、LVDT、压力、应变、扩音器等等输入信号；
假设您的信号类型是数字I/O：如静态数字输入、静态数字输出、高速数字输入、高速数字输出；
假设您的信号类型是计数/定时器：如频率、瞬时、事件计数、脉冲序列发生等；
分别填写所有涉及到的信号所用的通道数，并且定义每个通道中信号的详细属性。

第三步：确定测量系统的工作环境：

·                                工作温度

·                                冲击与震动承受度

·                                每个机箱的I/O计数

·                                循环速率

第四步：方案推荐——选择测量系统平台

·                                PCI

·                                PXI

·                                FieldPoint

• 便携式测量系统

第五步：结论
系统会根据您所填写的这些要求从几百种高速数据采集产品中为您选择最适合您应用的软硬件产品，并显示整套系统的价格。

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