典型的数据采集系统（一）

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在我们一般的科研、生产和日常生活中，外界的模拟量比如温度、压力、速度或者位移等物理量往往进行测量和控制，如何利用这些物理量转化为计算机系统能够识别的数字量就是所谓的数据采集过程。那么一个完整的数据采集系统应该具备的基本硬件有哪些呢？各部分又是如何协作实现预定功能呢？今天就让我们一起好好探究下吧！
数据采集的基本要素
1 传感器
在数据采集的第一步当然是获得测量数据，这就要使用我们所熟知的传感器来实现。传感器的种类可谓是千差万别，但是一个基本的功能就是将非电量的模拟值转化为电信号，电信号既有利于信号的传递，也利于转化与处理。比如你想测量一个加热炉的内部温度，测得的温度值只是一个模拟量，我们可以借助于一个热电偶来是实现温度的测量，并直接转为一个电压信号，采集到的电压信号的高低我们可以根据理论计算转化为响应的温度值。
下图所示为常用的pt100，在0度时的标准电阻值为100欧姆，随着温度的升高阻值发生改变，可用作温度测量时的检测设备。

2 信号调理
经过传感器检测后得到的信号并不是一个标准能够识别的对象，正如我们这个世界所蕴含的丰富的物理信息，即使通过传感器检测后的形态也是千差万别，他们是各种机、光、电等各种形式。我们的后续处理一般是采用电信号的形式，要求适于处理。
以普通的单片机控制系统为例，A/D芯片只能接收一定范围的模拟信号，而传感器把非电物理量变换成电信号后，并不一定在这一范围内。传感器输出的信号可能还需要放大、滤波、线性化补偿、隔离、保护等措施后，才能送A/D转换器，这一过程就是信号调理的过程。在工业应用中，如果信号调理电路输出规范化的标准信号，这种信号调理电路还成为变送器。
常见的信号调理电路有：电桥电路、调制/解调电路、滤波电路、放大电路、隔离电路等。

上图所示为HAKK-WB系列温度变送器，是使用24V供电、二线制的一体化变送器。产品采用进口集成电路，将热电阻或热电偶的信号放大，并转换成4-20mA的输出电流，或0～5V的输出电压。
3 A/D和D/A转换
A/D和D/A转换是是实现模拟量到数字量和数字量到模拟量转化的一个重要环节，能够实现数据的采集和控制输出的目的。
整体控制系统
我们讲述了一个典型数据采集系统的基本硬件结构，下面就看下整体功能的实现。下图图是笔者很久前设计的工业温度控制系统整体框架，是基于最基本的单片机来实现的，但求达到抛砖引玉的作用。

首先热电偶作为传感检测元件测得加热炉内的温度，温度值的高低是通过调节天然气进气量的大小来实现的。检测的温度值通过变送器实现信号的调理功能，在进入计算机处理前需要通过A/D转换为数字量，当然还需要一个采样保持器来保持一个采样周期内的温度值得稳定。经过转换后的温度值可以通过单片机处理后显示和报警。
当然为了维持炉内温度的稳定，还需要实时进行温度的调整，这是靠通过实时控制天然气的进气阀门来实现，而调整量的大小则是借助于一些实用的控制算法来实现。
常用的防干扰措施
在数据采集系统中，外界的干扰对数据的准确和反映性能都有很大影响。不过还是有一些需要注意的地方，这对提高整个系统的稳定性都是很有益处的。
（1）印制电路板的绝缘质量要好，布线安排要合理，不起眼的细节也会对系统的性能产生很大影响
（2）采用屏蔽技术、隔离技术和接地技术，将数字地、模拟地分开，最后在电源板一点共地，可有效防止外界环境输入对单片机产生的共模干扰。
（3）供电系统的抗干扰是很重要的，在交流电源进入处采用隔离变压器，也能够保证供电系统的稳定性。


典型的数据采集系统（二）