簡介

現(xiàn)今，在實驗室研究、測試和測量以及工業(yè)自動化領(lǐng)域中，絕大多數(shù)科研人員和工程師使用配有PCI、PXI/CompactPCI、PCMCIA、USB、IEEE1394、ISA、并行或串行接口的基于PC的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。許多應(yīng)用使用插入式設(shè)備采集數(shù)據(jù)并把數(shù)據(jù)直接傳送到計算機(jī)內(nèi)存中，而在一些其它應(yīng)用中數(shù)據(jù)采集硬件與PC分離，通過并行或串行接口和PC相連。從基于PC的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中獲取適當(dāng)?shù)慕Y(jié)果取決于圖示一中的各項組成部分：

• PC
• 傳感器
• 信號調(diào)理
• 數(shù)據(jù)采集硬件
• 軟件

本文詳細(xì)介紹了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的各個組成部分，并解釋各個部分最重要的準(zhǔn)則。本文也定義了用于基于PC的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成部分的許多通用術(shù)語。

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圖1 典型的基于PC的DAQ系統(tǒng)

個人電腦(PC)

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)所使用的計算機(jī)會極大地影響連續(xù)采集數(shù)據(jù)的最大速度，而當(dāng)今的技術(shù)已可以使用Pentium級別以及多核的處理器，它們能結(jié)合更高性能的PCI/PCI Express、PXI/CompactPCI和IEEE1394（火線）總線以及傳統(tǒng)的ISA總線和USB總線。PCI總線和USB接口是目前絕大多數(shù)臺式計算機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備，而ISA總線已不再經(jīng)常使用。隨著PCMCIA、USB和IEEE 1394的出現(xiàn)，為基于桌面PC的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)提供了一種更為靈活的總線替代選擇。對于使用RS-232或RS-485串口通信的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集應(yīng)用，串口通信的速率常常會使數(shù)據(jù)吞吐量受到限制。在選擇數(shù)據(jù)采集設(shè)備和總線方式時，請記住您所選擇的設(shè)備和總線所能支持的數(shù)據(jù)傳輸方式。

計算機(jī)的數(shù)據(jù)傳送能力會極大地影響數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的性能。所有PC都具有可編程I/O和中斷傳送方式。目前絕大多數(shù)個人電腦可以使用直接內(nèi)存訪問（Direct memory access，DMA）傳送方式，它使用專門的硬件把數(shù)據(jù)直接傳送到計算機(jī)內(nèi)存，從而提高了系統(tǒng)的數(shù)據(jù)吞吐量。采用這種方式后，處理器不需要控制數(shù)據(jù)的傳送，因此它就可以用來處理更復(fù)雜的工作。為了利用DMA或中斷傳送方式，您的數(shù)據(jù)采集設(shè)備必須能支持這些傳送類型。例如，PCI、USB設(shè)備可以支持DMA和中斷傳送方式，而PCMCIA設(shè)備只能使用中斷傳送方式。所選用的數(shù)據(jù)傳送方式會影響您數(shù)據(jù)采集設(shè)備的數(shù)據(jù)吞吐量。

限制采集大量數(shù)據(jù)的因素常常是硬盤，磁盤的訪問時間和硬盤的分區(qū)會極大地降低數(shù)據(jù)采集和存儲到硬盤的最大速率。對于要求采集高頻信號的系統(tǒng)，就需要為您的PC選擇高速硬盤，從而保證有連續(xù)（非分區(qū)）的硬盤空間來保存數(shù)據(jù)。此外，要用專門的硬盤進(jìn)行采集并且在把數(shù)據(jù)存儲到磁盤時使用另一個獨立的磁盤運行操作系統(tǒng)。

對于要實時處理高頻信號的應(yīng)用，需要用到32位的高速處理器以及相應(yīng)的協(xié)處理器或?qū)Ｓ玫牟迦胧教幚砥?，如?shù)字信號處理（DSP）板卡。然而，對于在一秒內(nèi)只需采集或換算一兩次數(shù)據(jù)的應(yīng)用系統(tǒng)而言，使用低端的PC就可以滿足要求。

在滿足您短期目標(biāo)的同時，要根據(jù)投資所能產(chǎn)生的長期回報的最大值來確定選用何種操作系統(tǒng)和計算機(jī)平臺。影響您選擇的因素可能包括開發(fā)人員和最終用戶的經(jīng)驗和要求、PC的其它用途（現(xiàn)在和將來）、成本的限制以及在您實現(xiàn)系統(tǒng)期間內(nèi)可使用的各種計算機(jī)平臺。傳統(tǒng)平臺包括具有簡單的圖形化用戶界面的Mac OS，以及Windows 9x。此外，Windows NT 4.0和Windows 2000能提供更為穩(wěn)定的32位OS，并且使用起來和Windows 9x類似。Windows 2000是新一代的Windows NT OS，它結(jié)合了Windows NT和Windows 9x的優(yōu)勢，這些優(yōu)勢包括固有的即插即用和電源管理功能。

傳感器和信號調(diào)理

傳感器感應(yīng)物理現(xiàn)象并生成數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可測量的電信號。例如，熱電偶、電阻式測溫計（RTD）、熱敏電阻器和IC傳感器可以把溫度轉(zhuǎn)變?yōu)槟M數(shù)字轉(zhuǎn)化器（analog-to-digital ，ADC）可測量的模擬信號。其它例子包括應(yīng)力計、流速傳感器、壓力傳感器，它們可以相應(yīng)地測量應(yīng)力、流速和壓力。在所有這些情況下，傳感器可以生成和它們所檢測的物理量呈比例的電信號。

為了適合數(shù)據(jù)采集設(shè)備的輸入范圍，由傳感器生成的電信號必須經(jīng)過處理。為了更精確地測量信號，信號調(diào)理配件能放大低電壓信號，并對信號進(jìn)行隔離和濾波。此外，某些傳感器需要有電壓或電流激勵源來生成電壓輸出。圖2顯示了帶有NI SCXI信號調(diào)理配件的典型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

圖2 用于插入式數(shù)據(jù)采集設(shè)備的SCXI信號調(diào)理的前端系統(tǒng)

信號調(diào)理配件可用于各種重要的應(yīng)用

放大功能——放大是最為普遍的信號調(diào)理功能。例如，需要對熱電偶的信號進(jìn)行放大以提高分辨率和降低噪聲。為了得到最高的分辨率，要對信號放大以使調(diào)理后信號的最大電壓范圍和ADC的最大輸入范圍相等。又例如，SCXI有多種信號調(diào)理模塊可以放大輸入信號。在臨近傳感器的SCXI機(jī)箱內(nèi)對低電壓信號進(jìn)行放大，然后把放大后的高電壓信號傳送到PC，從而最大限度地降低噪聲對讀數(shù)的影響。

隔離功能——另一種常見的信號調(diào)理應(yīng)用是為了安全目的把傳感器的信號和計算機(jī)相隔離。被監(jiān)測的系統(tǒng)可能產(chǎn)生瞬態(tài)的高壓，如果不使用信號調(diào)理， 這種高壓會對計算機(jī)造成損害。 使用隔離的另一原因是為了確保插入式數(shù)據(jù)采集設(shè)備的讀數(shù)不會受到接地電勢差或共模電壓的影響。當(dāng)數(shù)據(jù)采集設(shè)備輸入和所采集的信號使用不同的參考“地線”，而一旦這兩個參考地線有電勢差，就會帶來麻煩。這種電勢差會產(chǎn)生所謂的接地回路，這樣就將使所采集信號的讀數(shù)不準(zhǔn)確；或者如果電勢差太大，它也會對測量系統(tǒng)造成損害。使用隔離式信號調(diào)理能消除接地回路并確保信號可以被準(zhǔn)確地采集。例如，SCXI-1120和SCXI-1121模塊能提供高達(dá)250 Vrms的共模電壓隔離，SCXI-1122能提供高達(dá)450 Vrms電壓隔離。

多路復(fù)用功能——多路復(fù)用是使用單個測量設(shè)備來測量多個信號的常用技術(shù)。模擬信號的信號調(diào)理硬件常對如溫度這樣緩慢變化的信號使用多路復(fù)用方式。ADC采集一個通道后，轉(zhuǎn)換到另一個通道并進(jìn)行采集，然后再轉(zhuǎn)換到下一個通道，如此往復(fù)。由于同一個ADC可以采集多個通道而不是一個通道，每個通道的有效采樣速率和所采樣的通道數(shù)呈反比。例如，1MS/s的PCI-MIO-16E-1采樣通道為10個，那么每個通道的有效采集速率大約為：

由于模擬信號的模擬SCXI模塊采用多路復(fù)用技術(shù)，一個數(shù)據(jù)采集設(shè)備可以測量多達(dá)3,072個信號。

使用AMUX-64T模擬多路復(fù)用器，您可以使用一個設(shè)備來測量256個信號。所有內(nèi)置有多路復(fù)用器的數(shù)據(jù)采集設(shè)備也具備這一特性。

濾波功能——濾波器的功能是指在您所測量的信號中濾除不需要的信號。噪聲濾波器用于如溫度這樣直流信號，它可以衰減那些降低測量精度的高頻信號。例如，許多SCXI模塊在使用數(shù)據(jù)采集設(shè)備對信號數(shù)字化前使用4 Hz和10 kHz的低通濾波器來濾除噪聲。

如振動這樣的交流信號常常需要另一種被稱為抗混疊的濾波器。像噪聲濾波器一樣，抗混頻濾波器也是低通濾波器；然而，它需要有非常陡的截止速率，從而可以濾除信號中所有高于設(shè)備輸入波段的頻率。如果這些頻率沒有被濾除，它們將會作為信號錯誤地出現(xiàn)在設(shè)備輸入帶寬中。專為測量交流信號而設(shè)計的設(shè)備——NI 455x、NI 445x和NI 447x動態(tài)信號采集（DSA）設(shè)備，NI6115同步采樣多功能I/O設(shè)備，SCXI-1141模塊都有內(nèi)置的抗混頻濾波器。

激勵功能——對于某些傳感器信號調(diào)理也能提供激勵源。例如，應(yīng)力計、熱敏電阻器和RTD需要有外部電壓或電流激勵信號。用于這些傳感器的信號調(diào)理模塊常用來提供激勵信號。RTD測量常使用電流源來把電阻上的變化量轉(zhuǎn)化為可測量電壓。應(yīng)力計是阻值非常低的電阻設(shè)備，常用于配有電壓激勵源的惠斯通電橋。SCXI-1121和SCXI-1122有板載的激勵源，可配置為電流或電壓激勵，從而可用于壓力計、熱敏電阻器或RTD。

線性化功能——另一種常見的信號調(diào)理功能是線性化功能。許多傳感器，如熱電偶，對被測量的物理量的響應(yīng)是非線性的。NI的NI-DAQ、LabVIEW、Measurement Studio和VirtualBench等應(yīng)用軟件包包含了應(yīng)用于熱電偶、壓力計和RTD的線性化功能。

您需要了解您的信號的特性，用于測量信號的配置以及系統(tǒng)周圍環(huán)境的影響。根據(jù)這些信息，您才可以確定您的DAQ系統(tǒng)是否需要使用信號調(diào)理。

數(shù)據(jù)采集硬件

模擬輸入

模擬輸入的基本考慮－在模擬輸入的技術(shù)說明中將給出關(guān)于數(shù)據(jù)采集產(chǎn)品的精度和功能的信息?；炯夹g(shù)說明適用于大部分?jǐn)?shù)據(jù)采集產(chǎn)品，包括通道數(shù)目、采樣速率、分辨率和輸入范圍等方面的信息。

通道數(shù)－對于采用單端和差分兩種輸入方式的設(shè)備，模擬輸入通道數(shù)可以分為單端輸入通道數(shù)和差分輸入通道數(shù)。在單端輸入中，輸入信號均以共同的地線為基準(zhǔn)。這種輸入方法主要應(yīng)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(dǎo)線較短（低于15 ft），且所有的輸入信號共用一個基準(zhǔn)地線。如果信號達(dá)不到這些標(biāo)準(zhǔn)，此時應(yīng)該用差分輸入。對于差分輸入，每一個輸入信號都有自有的基準(zhǔn)地線；由于共模噪聲可以被導(dǎo)線所消除，從而減小了噪聲誤差。

采樣速率－這一參數(shù)決定了每秒種進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換的次數(shù)。一個高采樣速率可以在給定時間下采集更多數(shù)據(jù)，因此能更好地反映原始信號。

多路復(fù)用－多路復(fù)用是使用單個模數(shù)轉(zhuǎn)換器來測量多個信號的一種常用技術(shù)。要了解更多關(guān)于多路復(fù)用的信息，請參看此文的“信號調(diào)理”章節(jié)。

分辨率－模數(shù)轉(zhuǎn)換器用來表示模擬信號的位數(shù)即是分辨率。分辨率越高，信號范圍被分割成的區(qū)間數(shù)目越多，因此，能探測到的電壓變量就越小。圖3顯示了一個正弦波和使用一個理想的3位模數(shù)轉(zhuǎn)換器所獲得相應(yīng)數(shù)字圖像。一個3位變換器（此器件在實際中很少用到，在此處是為了便于說明）可以把模擬范圍分為23，或8個區(qū)間。

每一個區(qū)間都由在000至111內(nèi)的一個二進(jìn)制碼來表示。很明顯，用數(shù)字來表示原始模擬信號并不是一種很好的方法，這是由于在轉(zhuǎn)換過程中會丟失信息。然而，當(dāng)分辨率增加至16位時，模數(shù)轉(zhuǎn)換器的編碼數(shù)目從8增長至65,536，由此可見，在恰當(dāng)?shù)卦O(shè)計模擬輸入電路其它部分的情況下，您可以對模擬信號進(jìn)行非常準(zhǔn)確的數(shù)字化。

圖3 . 三位分辨率下正弦波的數(shù)字化

量程－量程是模數(shù)轉(zhuǎn)換器可以量化的最小和最大電壓值。NI公司的多功能數(shù)據(jù)采集設(shè)備能對量程范圍進(jìn)行選擇，可以在不同輸入電壓范圍下進(jìn)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。

編碼寬度－數(shù)據(jù)采集設(shè)備上可用的量程、分辨率和增益決定了最小可探測的電壓變化。此電壓變化代表了數(shù)字值上的最低有效位1（LSB），也常被稱為編碼寬度。理想的編碼寬度為電壓范圍除以增益和2的分辨率次冪的乘積。例如，NI的一種16位多功能數(shù)據(jù)采集設(shè)備——NI 6030E，，它可供選擇的范圍為0～10V或－10～10V；可供選擇的增益：1，2，5，10，20，50或100。當(dāng)電壓范圍為0～10V，增益為100時，理想的編碼寬度由以下公式?jīng)Q定：

模擬輸入的重要因素－盡管前面所提到的數(shù)據(jù)采集設(shè)備具有16位分辨率的ADC和100 kS/s采樣率這樣的基本指標(biāo)，但是您可能無法在16個通道上進(jìn)行全速采樣，或者得不到滿16位的精度。例如，目前市場上的某些帶有16位ADC的產(chǎn)品所得到的有效數(shù)據(jù)要低于12位。為了確定您所要用的設(shè)備是否能滿足您所期待的結(jié)果，請仔細(xì)審查那些超出產(chǎn)品分辨率的技術(shù)指標(biāo)。

評估數(shù)據(jù)采集產(chǎn)品時，還需要考慮微分非線性度(DNL)、相對精度、儀用放大器的穩(wěn)定時間和噪聲等。

微分非線性度（DNL）——在理想情況下，當(dāng)您提高一個數(shù)據(jù)采集設(shè)備上的電壓值時，模數(shù)轉(zhuǎn)換器上的數(shù)字編碼也應(yīng)該線性增加。如果您對一個理想的模數(shù)轉(zhuǎn)換器測定電壓值與輸出碼的關(guān)系，繪出的線應(yīng)是一條直線。這條理想直線的離差被定義為非線性度。DNL是指以LSB為測量單位，和1LSB理想值的最大離差。一個理想的數(shù)據(jù)采集設(shè)備的DNL值為0，一個好的數(shù)據(jù)采集設(shè)備的DNL值應(yīng)在±0.5 LSB以內(nèi)。

對于一個編碼應(yīng)該有多寬，我們沒有更多的限制。編碼不會比0 LSB更小，因此，DNL肯定是小于-1LSB。一個性能較差的數(shù)據(jù)采集設(shè)備可能有一個等于或非常接近零的編碼寬度，這意味著會有一個丟失碼。對一個有丟失碼的數(shù)據(jù)采集設(shè)備無論輸入什么電壓，設(shè)備都無法將此電壓量化為丟失碼

所表示的值。有時DNL指標(biāo)顯示數(shù)據(jù)采集設(shè)備沒有丟失碼，這意味著DNL低于–1 LSB，但是沒有上邊界的技術(shù)指標(biāo)。所有NIE系列設(shè)備都保證沒有丟失碼，并且其技術(shù)說明上清楚地標(biāo)明DNL的技術(shù)指標(biāo)，因此您就可以知道設(shè)備的線性度。

如果以上文提到的數(shù)據(jù)采集設(shè)備為例，其編碼寬度為1.5 μV，略高于500 μV時會有一個丟失碼，此時，增加電壓至502 μV的情況將不會被探測到。在這個例子中，只有電壓值再增加一個LSB，大于503 μV時，電壓改變值才能被探測到。因此較差的DNL會降低設(shè)備的分辨率。

相對精度－相對精度是指相對理想數(shù)據(jù)采集的轉(zhuǎn)換函數(shù)（一條直線），最大離差的LSB測量位數(shù)。數(shù)據(jù)采集設(shè)備的相對精度是通過連接一個負(fù)的滿量程電壓來確定的，采集電壓，增加電壓值，重復(fù)這些步驟直至覆蓋設(shè)備的整個輸入范圍。當(dāng)描繪這些數(shù)字化點時，結(jié)果應(yīng)是如圖4(a)所示的一條近似直線。然而，當(dāng)您從數(shù)字化值中減去理想直線值，可描繪出這些計算結(jié)果所得到的點，如圖4(b)所示。距零的最大離差值即為設(shè)備的相對精度。

圖4.決定一個數(shù)據(jù)采集設(shè)備的相對精度。圖4(a)顯示了通過掃描輸入而產(chǎn)生的一條近似的直線

圖4(b) 顯示，通過減去理論計算的直線數(shù)值得到的圖形顯示實際上并不是直的

數(shù)據(jù)采集設(shè)備的驅(qū)動軟件將模數(shù)轉(zhuǎn)換器輸出的二進(jìn)制碼值通過乘以一個常數(shù)轉(zhuǎn)化為電壓值。良好的相對精度對數(shù)據(jù)采集設(shè)備很重要，因為它確保了將模數(shù)轉(zhuǎn)換器輸出的二進(jìn)制碼值能被準(zhǔn)確地轉(zhuǎn)化為電壓值。獲得良好的相對精度需要正確地設(shè)計模數(shù)轉(zhuǎn)換器和外圍的模擬電路。

穩(wěn)定時間——穩(wěn)定時間是指放大器、繼電器、或其它電路達(dá)到工作穩(wěn)定模式所需要的時間。當(dāng)您在高增益和高速率下進(jìn)行多通道采樣時，儀用放大器是最不容易穩(wěn)定下來的。在這種條件下，儀用放大器很難追蹤出現(xiàn)在多路復(fù)用器不同通道上的大變化的信號。一般而言，增益越高并且通道的切換時間越短時，儀用放大器越不容易穩(wěn)定。事實上，沒有現(xiàn)成的可編程增益放大器可在2μs時間內(nèi)、增益為100時，穩(wěn)定地達(dá)到12位精度。NI為數(shù)據(jù)采集應(yīng)用專門開發(fā)了NI-PGIA，所以應(yīng)用NI-PGIA的設(shè)備在高增益和高采樣速率下具有一致的穩(wěn)定時間。

噪聲－在數(shù)據(jù)采集設(shè)備的數(shù)字化信號中不希望出現(xiàn)的信號即為噪聲。因為PC是一個有噪聲的數(shù)字化環(huán)境，所以在插入式設(shè)備上作采集工作需要經(jīng)驗豐富的模擬電路設(shè)計人員在多層數(shù)據(jù)采集設(shè)備上精心布線。簡單地把一個模數(shù)轉(zhuǎn)換器、儀用放大器和總線接口電路布置在一個一層或兩層板上，這樣開發(fā)出的設(shè)備會有非常大的噪聲。設(shè)計者可以在數(shù)據(jù)采集設(shè)備中使用金屬屏蔽來降低噪聲。恰當(dāng)?shù)钠帘尾粌H用于數(shù)據(jù)采集設(shè)備上敏感的模擬部分，而且體現(xiàn)在設(shè)備的板層間使用接地層。

圖5顯示了當(dāng)輸入范圍為±10 V，增益為10時的一個直流噪聲。當(dāng)1 LSB = 31 μV，20 LSB噪聲水平相當(dāng)于620 μV的噪聲電壓。圖6顯示了兩個數(shù)據(jù)采集產(chǎn)品的直流噪聲曲線，它們使用的是相同的ADC，兩個數(shù)據(jù)采集產(chǎn)品的質(zhì)量可由這些噪聲曲線來決定——噪聲的范圍和分布情況。從圖6a的曲線可以看出，NIAT-MIO-16XE-10，在0處有高的采樣分布，而它在其它碼值上的點數(shù)量極少。這種分布為高斯分布，它是隨機(jī)噪聲。從曲線可以得知，峰值噪聲在±3 LSB以內(nèi)。在圖6b中，此產(chǎn)品是另一家廠商生產(chǎn)的數(shù)據(jù)采集設(shè)備，它的噪聲分布很不同。設(shè)備生成的噪聲高于20 LSB，出現(xiàn)了許多非期望值的采樣點。

圖5當(dāng)信號通過切換40路DC信號的多路復(fù)用器輸入儀用放大器時，表現(xiàn)為一個高頻率AC信號

圖6 盡管采用了相同16位ADC，兩種數(shù)據(jù)采集產(chǎn)品的噪聲曲線還是具有明顯的不同。

圖6(a)是NI AT-MIO-16XE-10；圖6(b)是另一家廠商的數(shù)據(jù)采集產(chǎn)品。

對于復(fù)雜的測量硬件如插入式數(shù)據(jù)采集設(shè)備，根據(jù)所使用設(shè)備的不同，您所得到的精度有很大的差別。NI一直致力于提供高精度的產(chǎn)品，在許多情況下，這些產(chǎn)品的精度甚至比臺式儀器還要高。在NI產(chǎn)品的技術(shù)規(guī)范中有這些精度的說明。同時您要注意那些沒有詳細(xì)說明的板卡；所省略的技術(shù)指標(biāo)可能會導(dǎo)致測量的不精確。通過評估更多的模擬輸入技術(shù)指標(biāo)，而不是簡單地參考模數(shù)轉(zhuǎn)換器的分辨率，您可以確定所選的數(shù)據(jù)采集產(chǎn)品對于您的應(yīng)用是否具有足夠的精度。

模擬輸出

經(jīng)常需要模擬輸出電路來為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)提供激勵源。數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）的一些技術(shù)指標(biāo)決定了所產(chǎn)生輸出信號的質(zhì)量－穩(wěn)定時間、轉(zhuǎn)換速率和輸出分辨率。

穩(wěn)定時間——穩(wěn)定時間是指輸出達(dá)到規(guī)定精度時所需要的時間。穩(wěn)定時間通常由電壓上的滿量程變化來規(guī)定。需要更多關(guān)于穩(wěn)定時間的信息，請參考模擬輸入這一章節(jié)。

轉(zhuǎn)換速率——轉(zhuǎn)換速率是指數(shù)模轉(zhuǎn)換器所產(chǎn)生的輸出信號的最大變化速率。穩(wěn)定時間和轉(zhuǎn)換速率一起決定模數(shù)轉(zhuǎn)換器改變輸出信號值的速率。因此，一個數(shù)模轉(zhuǎn)換器在一個小的穩(wěn)定時間和一個高的轉(zhuǎn)換速率下可產(chǎn)生高頻率的信號，這是因為輸出信號精確地改變至一個新的電壓值這一過程所需要的時間極短。

關(guān)于應(yīng)用方面的一個例子是音頻信號的產(chǎn)生，它需要上述參數(shù)具有高性能指標(biāo)。數(shù)模轉(zhuǎn)換器需要一個高的轉(zhuǎn)換速率和小的穩(wěn)定時間來產(chǎn)生高頻率信號來覆蓋音頻范圍。與此相對照，另一個應(yīng)用示例是利用一個電壓信號源來控制一個加熱器，它不需要高速數(shù)/模轉(zhuǎn)換。這是因為加熱器對電壓值的改變不能很快地響應(yīng)，沒有必要使用高速數(shù)/模轉(zhuǎn)換器。

輸出分辨率——輸出分辨率與輸入分辨率類似；它是產(chǎn)生模擬輸出的數(shù)字碼的位數(shù)。較大的位數(shù)可以縮小輸出電壓增量的量值，因此可以產(chǎn)生更平滑的變化信號。對于要求動態(tài)范圍寬、增量小的模擬輸出應(yīng)用，需要有高分辨率的電壓輸出。

觸發(fā)器

許多數(shù)據(jù)采集的應(yīng)用過程需要基于一個外部事件來起動或停止一個數(shù)據(jù)采集的工作。數(shù)字觸發(fā)使用外部數(shù)字脈沖來同步采集與電壓生成。模擬觸發(fā)主要用于模擬輸入操作，當(dāng)一個輸入信號達(dá)到一個指定模擬電壓值時，根據(jù)相應(yīng)的變化方向來起動或停止數(shù)據(jù)采集的操作。

RTSI總線

NI公司為數(shù)據(jù)采集產(chǎn)品開發(fā)了RTSI總線。RTSI總線使用一種定制的門陣列和一條帶形電纜，能在一塊數(shù)據(jù)采集卡上的多個功能之間或者兩塊甚至多塊數(shù)據(jù)采集卡之間發(fā)送定時和觸發(fā)信號。通過RTSI總線，您可以同步模數(shù)轉(zhuǎn)換、數(shù)模轉(zhuǎn)換、數(shù)字輸入、數(shù)字輸出、和計數(shù)器/計時器的操作。例如，通過RTSI總線，兩個輸入板卡可以同時采集數(shù)據(jù)，同時第三個設(shè)備可以與該采樣率同步的產(chǎn)生波形輸出。

數(shù)字I/O (DIO)

DIO接口經(jīng)常在PC數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中使用，它被用來控制過程、產(chǎn)生測試波形、與外圍設(shè)備進(jìn)行通信。在每一種情況下，最重要的參數(shù)有可應(yīng)用的數(shù)字線的數(shù)目、在這些通路上能接收和提供數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的速率、以及通路的驅(qū)動能力。如果數(shù)字線被用來控制事件，比如打開或關(guān)掉加熱器、電動機(jī)或燈，由于上述設(shè)備并不能很快地響應(yīng)，因此通常不采用高速輸入輸出。

數(shù)字線的數(shù)量當(dāng)然應(yīng)該與需要被控制的過程數(shù)目相匹配。在上述的每一個例子中，需要打開或關(guān)掉設(shè)備的總電流必須小于設(shè)備的有效驅(qū)動電流。

然而，通過應(yīng)用恰當(dāng)?shù)臄?shù)字信號調(diào)理配件，您可以使用進(jìn)/出數(shù)據(jù)采集硬件的低電流TTL信號來監(jiān)測/控制工業(yè)硬件產(chǎn)生的高電壓和電流信號。例如，在打開或關(guān)閉一個高閥門時，電壓和電流的值可能達(dá)到2A、100VAC的數(shù)量級。因為一個DIO設(shè)備的輸出為幾個毫安，電壓為0～5VDC，所以可以使用如SSR系列、ER-8/16，SC-206x，或 SCXI模塊來開關(guān)電源信號，控制閥門。

一個常見的DIO應(yīng)用是傳送計算機(jī)和設(shè)備之間的數(shù)據(jù)，這些設(shè)備包括數(shù)據(jù)記錄器、數(shù)據(jù)處理器以及打印機(jī)。因為上述設(shè)備常以1個字節(jié)（8位）來傳送數(shù)據(jù)，插入式DIO設(shè)備的數(shù)字線常排列為8位一組，許多具有數(shù)字能力的板卡具有帶同步通信功能的握手電路。通道數(shù)、數(shù)據(jù)速率和握手能力都是很重要的技術(shù)指標(biāo)，您需要了解這些指標(biāo)并且它們要與應(yīng)用的要求相匹配。

定時I/O

計數(shù)器/定時器在許多應(yīng)用中具有很重要的作用，包括對數(shù)字事件產(chǎn)生次數(shù)的計數(shù)、數(shù)字脈沖計時，以及產(chǎn)生方波和脈沖。您通過三個計數(shù)器/計時器信號就可以實現(xiàn)所有上述應(yīng)用——門、輸入源和輸出。

門——門是指用來使計數(shù)器開始或停止工作的一個數(shù)字輸入信號。

輸入源——輸入源是一個數(shù)字輸入，它的每次翻轉(zhuǎn)都導(dǎo)致計數(shù)器的遞增，因而提供計數(shù)器工作的時間基準(zhǔn)。

輸出——在輸出線上輸出數(shù)字方波和脈沖。

應(yīng)用一個計數(shù)器/計時器時最重要的指標(biāo)是分辨率和時鐘頻率。分辨率是計數(shù)器所應(yīng)用的位數(shù)。簡單地說，高分辨率意味著計數(shù)器可以計數(shù)的位數(shù)越高。時鐘頻率決定了您可以翻轉(zhuǎn)數(shù)字輸入源的速度有多快。當(dāng)頻率越高，計數(shù)器遞增的也越快，因此對于輸入可探測的信號頻率越高，對于輸出則可產(chǎn)生更高頻率的脈沖和方形波。在我們的E系列數(shù)據(jù)采集設(shè)備中采用了DAQ-STC計數(shù)器/計時器，其時鐘頻率為20 MHz，共有16個24位計數(shù)器。在NI 660x計數(shù)器/計時器設(shè)備中，所用的NI-TIO計數(shù)器/計時器最高時鐘頻率為80 MHz，共有8個32位計數(shù)器。

DAQ-STC是NI的一種定制的專用集成電路 (ASIC) ， 它是為數(shù)據(jù)采集應(yīng)用專門設(shè)計的。與應(yīng)用在數(shù)據(jù)采集設(shè)備上的其他現(xiàn)有計數(shù)器/計時器芯片相比較，DAQ-STC是與眾不同的。例如，DAQ-STC是一個正向/反向的計數(shù)器/計時器，意味著它可以使用附加的外部數(shù)字信號，根據(jù)“高”或“低”電平，來正向計數(shù)或反向計數(shù)。這種類型的計數(shù)器/計時器可用于旋轉(zhuǎn)或線性編碼器來測量位置。其它的專有功能還有生成緩沖式脈沖系列、對相同的采樣時間進(jìn)行定時、相關(guān)時間戳記、以及采樣速率的瞬間改變 。

NI-TIO也是一種針對計時應(yīng)用特定設(shè)計的定制的ASIC。它將所有的DAQ-STC計數(shù)器/計時器的功能進(jìn)行合并，并且還加入了新的特點，如自身編碼器的兼容性、消除反沖過濾器和兩個信號的邊緣分離測量。

圖7自動潤滑檢測應(yīng)用（應(yīng)用了一個SCXI機(jī)箱和在Macintosh上運行的LabVIEW）

軟件

軟件使PC和數(shù)據(jù)采集硬件形成了一個完整的數(shù)據(jù)采集、分析和顯示系統(tǒng)。沒有軟件，數(shù)據(jù)采集硬件是毫無用處的——或者使用比較差的軟件，數(shù)據(jù)采集硬件也幾乎無法工作。大部分?jǐn)?shù)據(jù)采集應(yīng)用實例都使用了驅(qū)動軟件。軟件層中的驅(qū)動軟件可以直接對數(shù)據(jù)采集硬件的寄存器編程，管理數(shù)據(jù)采集硬件的操作并把它和處理器中斷，DMA和內(nèi)存這樣的計算機(jī)資源結(jié)合在一起。驅(qū)動軟件隱藏了復(fù)雜的硬件底層編程細(xì)節(jié)，為用戶提供容易理解的接口。

例如，以下的代碼片斷顯示了使用C語言的NI-DAQ功能調(diào)用，該功能從MIO-16E-10的一個模擬輸入通道讀取電壓并進(jìn)行換算。

隨著數(shù)據(jù)采集硬件、計算機(jī)和軟件復(fù)雜程度的增加，好的驅(qū)動軟件就顯得尤為重要。合適的驅(qū)動軟件可以最佳地結(jié)合靈活性和高性能，同時還能極大地降低開發(fā)數(shù)據(jù)采集程序所需的時間。

在選擇驅(qū)動軟件時，需要考慮以下幾個因素。

可以使用哪些功能？

控制數(shù)據(jù)采集硬件的驅(qū)動功能可被分為模擬I/O、數(shù)字I/O和計時I/O。盡管大多數(shù)驅(qū)動都具有這些基本功能，您需要明確驅(qū)動不僅僅只是對設(shè)備的數(shù)據(jù)進(jìn)行存取。請確定驅(qū)動有以下功能：

* 在前臺進(jìn)行處理時可以在后臺采集數(shù)據(jù)

* 使用可編程I/O，中斷和DMA來傳輸數(shù)據(jù)

* 把數(shù)據(jù)存入硬盤和從硬盤提取數(shù)據(jù)

* 同時執(zhí)行多個功能

* 集成多個數(shù)據(jù)采集設(shè)備

* 和信號調(diào)理設(shè)備無縫地集成

* 數(shù)據(jù)采集驅(qū)動的所有這些功能都包含在NI-DAQ中，它可以為用戶節(jié)省大量的時間。

哪些操作系統(tǒng)可以使用驅(qū)動？

請確保驅(qū)動軟件與您現(xiàn)在和未來打算使用的操作系統(tǒng)兼容。經(jīng)過設(shè)計，驅(qū)動也應(yīng)該可以在各種不同特性和功能的OS上使用。您也可能需要能在多個平臺上移植代碼的靈活性，比如說從Windows PC到Macintosh。NI-DAQ可用于Windows 2000/NT/ME/9x 和 Mac OS。

由于您對程序無需或者只做少量改動就可以在各種硬件產(chǎn)品或操作系統(tǒng)上使用，NI-DAQ能保護(hù)您在軟件上的投資。

您可以使用哪些編程語言來調(diào)用驅(qū)動？

確?？梢允褂媚矚g編程語言來調(diào)用驅(qū)動，而且驅(qū)動能在您的開發(fā)環(huán)境中很好地工作。如Visual Basic這樣的編程語言，具有事件驅(qū)動的開發(fā)環(huán)境，為程序的開發(fā)提供了各種控件。如果您在Visual Basic環(huán)境中開發(fā)程序，確保驅(qū)動具有能適合這種開發(fā)語言編程方式的自定義控件，如NI-DAQ中的控件。

您是否能通過軟件來使用所需要的硬件功能？

當(dāng)用戶購買數(shù)據(jù)采集硬件并通過軟件來使用硬件時，常會發(fā)現(xiàn)所需要的硬件功能不能由軟件來調(diào)用處理。如果硬件和軟件由不同的廠商開發(fā)，就經(jīng)常會出現(xiàn)這種問題。NI-DAQ驅(qū)動軟件可以調(diào)用NI數(shù)據(jù)采集硬件產(chǎn)品功能表中所有的功能。

驅(qū)動是否會使性能受到限制？

由于驅(qū)動是一個額外的軟件層，它可能會使性能受到某些限制。此外，如Windows 9x這樣的操作系統(tǒng)也具有明顯的中斷延遲時間。如果處理不好，這些等待時間會嚴(yán)重地降低優(yōu)化，所提供的采集速率能高達(dá)10 MS/s。

回答這些問題使您可以了解開發(fā)人員對驅(qū)動軟件所做的工作。在理想的情況下，您會希望為您提供驅(qū)動軟件的公司在開發(fā)數(shù)據(jù)采集軟件方面和他們在開發(fā)數(shù)據(jù)采集硬件方面具有相同的實力。

應(yīng)用軟件

另一種對數(shù)據(jù)采集硬件編程的方法是使用應(yīng)用軟件。然而，即使使用應(yīng)用軟件，由于應(yīng)用軟件也使用驅(qū)動軟件來控制數(shù)據(jù)采集硬件，所以您仍要了解上面所提到的問題的答案。應(yīng)用軟件的優(yōu)勢是它為驅(qū)動軟件增加了分析和顯示的功能，同時它也可以把數(shù)據(jù)采集和儀器控制（GPIB、RS-232和VXI）集成在一起。

為了讓用戶能開發(fā)出完整的儀器、采集和控制程序，NI提供了傳統(tǒng)C編程人員使用的應(yīng)用軟件Measurement Studio，以及具有圖形化編程方法的應(yīng)用軟件LabVIEW 。這些產(chǎn)品都有帶有專用功能的附加工具包。Measurement Studio還包含能為Visual C++和Visual Basic用戶提供完整儀器功能的工具。NI VI Logger是非常靈活的易用工具，它是為您的數(shù)據(jù)記錄應(yīng)用而專門設(shè)計的。

圖8 NI 的VI Logger應(yīng)用軟件能幫助用戶進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄

開發(fā)您的系統(tǒng)

為了開發(fā)出用于測量和控制的高質(zhì)量數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，您必須了解組成系統(tǒng)的各個部分。在所有數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的組成部分中，軟件是最重要的。這是由于插入式數(shù)據(jù)采集設(shè)備沒有顯示功能，軟件是您和系統(tǒng)的唯一接口。軟件提供了系統(tǒng)的所有信息，您也需要通過它來控制系統(tǒng)。軟件把傳感器、信號調(diào)理、數(shù)據(jù)采集硬件和分析硬件集成為一個完整的多功能數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

圖9 通過LabWindows/CVI高級分析庫中的信號處理功能，您可以對數(shù)據(jù)進(jìn)行頻譜分析、濾波和加窗操作

因此，在開發(fā)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)時，您要對軟件進(jìn)行充分評估。通過明確您系統(tǒng)的要求來選擇硬件并確保硬件規(guī)范滿足系統(tǒng)和您的要求。同時，仔細(xì)地選擇合適的軟件——無論是驅(qū)動軟件或是應(yīng)用軟件——可以為您節(jié)省大量的開發(fā)時間和金錢。