摘 要： 數(shù)據(jù)采集" title="數(shù)據(jù)采集">數(shù)據(jù)采集與控制技術(shù)" title="控制技術(shù)">控制技術(shù)廣泛應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域。本文介紹了數(shù)據(jù)采集與控制技術(shù)的現(xiàn)狀，分析了數(shù)據(jù)采集控制卡" title="控制卡">控制卡常用總線形式的特點，闡述了研華" title="研華">研華數(shù)據(jù)采集控制卡產(chǎn)品的特點，展望了數(shù)據(jù)采集與控制技術(shù)的發(fā)展方向。

關(guān)鍵詞： 數(shù)據(jù)采集與控制技術(shù) 研華? 數(shù)據(jù)采集控制卡

數(shù)據(jù)采集與控制技術(shù)的現(xiàn)狀
數(shù)據(jù)采集與控制技術(shù)是信息科學(xué)的一個重要分支，它研究數(shù)據(jù)的采集、存儲、處理以及控制等作業(yè)。在智能儀器、信號處理以及工業(yè)自動控制等領(lǐng)域都存在著數(shù)據(jù)的采集與控制問題。將被測對象的各種參量檢測采集后，轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，送到計算機進行存儲、分析和處理，這一過程稱為“數(shù)據(jù)采集”，相應(yīng)的系統(tǒng)稱為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)通過給定信號與采集信號的關(guān)系，根據(jù)控制算法輸出控制信號控制系統(tǒng)的執(zhí)行機構(gòu)，構(gòu)成系統(tǒng)控制回路，這一過程稱為系統(tǒng)的控制。
根據(jù)輸入輸出信號種類的不同，數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)可分為模擬量輸入輸出系統(tǒng)與數(shù)字量輸入輸出系統(tǒng)。對于前者，在工程中比較關(guān)注輸入模式（單端或差分）、分辨率、輸入范圍、采集速率、精度與噪聲等指標；而對于后者，通常比較關(guān)注數(shù)字量的類型（TTL電平或隔離量）、輸入輸出速度、并行操作位數(shù)與驅(qū)動能力等指標。
根據(jù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的不同，數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)可分為集中式數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)與分布式數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)。前者的特點是現(xiàn)場進行數(shù)據(jù)的采集、處理與控制，上位機與被測對象的位置較近，實時性強，適用于上位機與被測對象距離較短且對采集速度要求較高的場合。后者對被測設(shè)備進行數(shù)據(jù)采集并轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，經(jīng)由現(xiàn)場總線上傳至上位機，經(jīng)上位機進行處理后，對現(xiàn)場設(shè)備進行控制，適用于對多個現(xiàn)場設(shè)備進行遠程監(jiān)控與維護的場合。
研華數(shù)據(jù)采集板卡
在過去的23年中，研華公司推出了大量工業(yè)自動化" title="工業(yè)自動化">工業(yè)自動化產(chǎn)品，積累了豐富的設(shè)計制造經(jīng)驗，已經(jīng)成為全球領(lǐng)先的工業(yè)自動化產(chǎn)品供應(yīng)商，能夠提供各種工業(yè)數(shù)據(jù)采集控制產(chǎn)品。在集中式數(shù)據(jù)采集控制方面，研華提供了種類豐富的數(shù)據(jù)采集控制卡，涵蓋了各種常用的總線形式，功能搭配形式多樣，可以滿足不同用戶的需求。在分布式數(shù)據(jù)采集控制方面，研華公司也提供各種功能的采集模塊，包括基于串行通信的ADAM-4000系列模塊與基于以太網(wǎng)的ADAM-6000系列模塊。本文主要介紹研華公司的數(shù)據(jù)采集控制卡。
從總線形式方面來看，數(shù)據(jù)采集卡可分為ISA總線、PCI總線、CompactPCI(CPCI)總線、PC-104總線等形式。
對于工業(yè)控制與采集系統(tǒng)來說，ISA總線是一個非常經(jīng)濟實用的實現(xiàn)方案，其8MHz主頻能滿足大部分機電控制的要求，允許多個CPU共享系統(tǒng)資源，在上世紀80年代被廣泛應(yīng)用。研華公司的PCL系列板卡就是基于ISA總線的。但由于它存在著接口速度較慢、需要用戶手動配置系統(tǒng)資源、不能實現(xiàn)板卡的即插即用等不足，已經(jīng)逐漸被淘汰。
ISA總線的繼任者PCI總線早在上世紀90年代就已經(jīng)出現(xiàn)。PCI總線是Intel公司開發(fā)的一套局部總線系統(tǒng)，它支持32位或64位總線寬度，頻率通常是33MHz。目前最快的PCI 2.0總線速度是66MHz。PCI總線還支持即插即用，系統(tǒng)會自動為PCI板卡分配中斷和基地址，無需用戶費心。它代表了一種更先進的總線技術(shù)，也是目前主流的總線形式。研華公司的PCI系列板卡使用的就是PCI總線。
隨著任務(wù)關(guān)鍵工業(yè)過程的不斷發(fā)展和完善，工業(yè)自動化客戶越來越注重系統(tǒng)的可靠性，CompactPCI總線應(yīng)運而生。它是由PICMG制定的一種開放式技術(shù)規(guī)范，融合PCI總線的電氣規(guī)范、標準針孔連接器和歐式卡規(guī)范，將PCI標準特性與堅固的機械外型完美地結(jié)合在一起，既具有常規(guī)IPC中PCI總線的高性能，又具有歐式卡結(jié)構(gòu)的高可靠性，適合于對可靠性要求較高場合。研華基于CPCI總線的種類豐富的MIC系列采集板卡及工業(yè)級CPCI總線機箱為惡劣工業(yè)環(huán)境下的應(yīng)用(如交通、軍工、航空電子、工業(yè)自動化和自動測試領(lǐng)域的應(yīng)用)提供了最佳的解決方案。
隨著嵌入式系統(tǒng)在工業(yè)自動化領(lǐng)域的不斷推廣，用戶對嵌入式總線采集板卡的需求也越來越多。PC-104總線是目前最常用的一種嵌入式總線規(guī)范。研華基于PC-104總線的PCM系列數(shù)據(jù)采集卡為嵌入式系統(tǒng)中的應(yīng)用提供了可靠的產(chǎn)品。
以上四種總線形式的板卡在使用時都需要關(guān)閉工控機，插入板卡，再重新開機。而USB總線數(shù)據(jù)采集卡的出現(xiàn)打破了這種局面。USB總線并不是一種新的總線標準，而是電腦系統(tǒng)連接外圍設(shè)備的輸入/輸出接口標準。研華公司的USB總線數(shù)據(jù)采集控制卡具有采集速度高、使用方便等優(yōu)點。
從功能上分，研華公司的數(shù)據(jù)采集控制卡包括模擬量采集控制卡、數(shù)字量采集控制卡和集多種功能于一身的多功能采集控制卡，同時某些型號的數(shù)據(jù)采集控制卡還擁有高速、高增益、多通道采集等特性。不同的功能與不同的總線形式相結(jié)合構(gòu)成種類豐富的組合，可以滿足不同工業(yè)現(xiàn)場的需求。下面介紹幾款深受客戶歡迎的研華公司的數(shù)據(jù)采集控制卡。
PCL-818系列板卡是ISA總線多功能數(shù)據(jù)采集控制卡，分為PCL-818L/H/HD/HG四種型號。它們共有的特點是可以進行16路單端或8路差分模擬量采集，分辨率為12位，帶DMA的自動通道/增益掃描功能，帶有16路數(shù)字量輸入通道與16路數(shù)字量輸出通道及1個16位定時/計數(shù)器，可通過軟件選擇模擬量輸入范圍，具有軟件觸發(fā)、Pacer觸發(fā)與外部觸發(fā)三種A/D轉(zhuǎn)換觸發(fā)方式，A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移方式可采用查詢方式、中斷方式或DMA方式。其中，PCL-818L是一款低成本板卡，采樣速率為40kHz，只支持雙極性輸入，可滿足用戶的低成本需求。PCL-818HG帶有一個可編程的信號放大器，最大增益可以達到1000，可用來采集微弱的模擬信號。PCL-818HD可以確保在所有增益及輸入范圍內(nèi)達到100kHz的采樣率。
如前文所述，ISA總線由于自身的局限已逐漸被PCI總線所替代，研華公司的PCI總線數(shù)據(jù)采集控制卡種類更為豐富，功能更為強大。
PCI-1710系列數(shù)據(jù)采集控制卡是PCI總線多功能數(shù)據(jù)采集控制卡，分為PCI-1710/L/HG/HGL四種型號，先進的電路設(shè)計使得它具有更高的質(zhì)量和更多的功能。PCI-1710系列板卡可以進行16路單端或8路差分模擬量采集，與PCL-818系列板卡不同，PCI-1710系列板卡可以自由組合單端或差分輸入方式。它的分辨率為12位，最高采樣速率可達100SPS。板載的4KB FIFO緩沖器提供了連續(xù)高速的數(shù)據(jù)輸入及Windows下更可靠的性能。此外，該系列產(chǎn)品還帶有16路數(shù)字量輸入通道與16路數(shù)字量輸出通道及1個可編程定時/計數(shù)器。PCI-1710及PCI-1710HG還帶有兩路模擬量輸出，并可對每個模擬量輸入通道的增益進行編程，還在+12V(DC)與+5V（DC）輸出管腳處提供了短路保護器件，當短路發(fā)生時，短路保護器件可以自動斷開，停止輸出電流，直到短路被清除兩分鐘后，管腳才開始輸出電流。此外，專門為PCI-1710/HG設(shè)計的PCL-10186電纜可以最大限度地降低信號的噪聲。該電纜采用雙絞線，并且模擬信號與數(shù)字信號是分開屏蔽的，使信號間的交叉干擾降到了最小，并使EMI/EMC問題得到了最終的解決。
在一些工業(yè)場合需要對信號進行高速采集，PCI-1714即可滿足這種需求。它的采樣速率最高可達30MSPS，32KB的板載FIFO可以實現(xiàn)更快速的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。它支持DMA數(shù)據(jù)傳輸，可將連續(xù)的高速數(shù)據(jù)直接導(dǎo)入主存儲口而不需CPU的參與，支持高速和無空隙數(shù)據(jù)采集。它使用4組同樣的電路和A/D轉(zhuǎn)換芯片實現(xiàn)各通道的同步采集，當輸入信號的時間關(guān)系非常重要的時候，可實現(xiàn)多通道的同步采集。
上述幾款采集控制卡的分辨率都是12位的。研華還擁有高分辨率數(shù)據(jù)采集控制卡如PCI-1716，其分辨率為16位。
以上介紹了幾款研華公司的ISA與PCI數(shù)據(jù)采集卡，在研華的數(shù)據(jù)采集控制產(chǎn)品中還包括功能強大的CPCI總線、PC-104總線與USB總線形式的數(shù)據(jù)采集控制卡。由于篇幅所限，下面僅介紹一款USB多功能數(shù)據(jù)采集控制模塊USB-4711。USB-4711可進行模擬量與數(shù)字量的輸入、輸出，擁有一般數(shù)據(jù)采集控制卡的全部功能。它支持USB2.0接口，使用時不需要任何外接電源，用戶可以像使用其他USB設(shè)備一樣方便快捷地進行信號的采集與系統(tǒng)的控制。
研華的數(shù)據(jù)采集控制產(chǎn)品不僅有穩(wěn)定可靠的硬件設(shè)計，而且配有種類齊全的驅(qū)動軟件及應(yīng)用例程，可以使用戶方便地將研華的產(chǎn)品應(yīng)用到自己的系統(tǒng)中，極大地縮減了系統(tǒng)的開發(fā)周期。研華的數(shù)據(jù)采集控制產(chǎn)品配有Windows操作系統(tǒng)與Linux系統(tǒng)下的驅(qū)動軟件，方便了用戶在不同操作系統(tǒng)下的應(yīng)用。講解詳細的設(shè)備驅(qū)動手冊和豐富的VC、BC、BCB及LabVIEW等不同編程語言下的例程，使用戶可以隨意選擇自己熟悉的編程語言，快速地編寫出應(yīng)用程序。
數(shù)據(jù)采集技術(shù)發(fā)展趨勢
隨著工業(yè)技術(shù)的不斷發(fā)展，工業(yè)領(lǐng)域?qū)?shù)據(jù)采集控制產(chǎn)品的要求將不斷提高。下面介紹數(shù)據(jù)采集控制產(chǎn)品的發(fā)展趨勢。
首先，在數(shù)據(jù)采集控制卡方面，ISA總線板卡將逐漸被采集速度更高、使用更方便的PCI總線板卡所取代。為了應(yīng)對這一趨勢，研華公司
針對自己的每一款I(lǐng)SA總線數(shù)據(jù)采集控制卡都推出了對應(yīng)的PCI總線板卡，產(chǎn)品價格的漲幅大多在10%以內(nèi)，且原產(chǎn)品的端子板等配件都無需更換，用戶也不必重新開發(fā)應(yīng)用程序，可以實現(xiàn)從ISA到PCI的無縫升級。
其次，數(shù)據(jù)采集與控制技術(shù)越來越多地被應(yīng)用到野外、深海等環(huán)境惡劣的工業(yè)控制場合，這些場合往往不能提供穩(wěn)定的外接電源，只能靠電池供電，這就對系統(tǒng)的功耗提出了嚴格的要求，低功耗數(shù)據(jù)采集控制設(shè)備的需求會不斷提高。研華公司開發(fā)了很多低功耗數(shù)據(jù)采集控制產(chǎn)品來滿足用戶在這方面的需求。
最后，在分布式數(shù)據(jù)采集應(yīng)用方面，采集設(shè)備與控制器間的通訊方式將從傳統(tǒng)的串行通訊向網(wǎng)絡(luò)通訊甚至無線通訊方式轉(zhuǎn)變。為了應(yīng)對這種變化，研華公司推出了基于以太網(wǎng)的ADAM-6000數(shù)據(jù)采集控制模塊與基于無線局域網(wǎng)的ADAM-6000W系列模塊，走在了數(shù)據(jù)采集技術(shù)網(wǎng)絡(luò)化、無線化的前沿。
總之，無論數(shù)據(jù)采集技術(shù)今后走向何方，研華公司將秉承“開放式eAutomation無縫整和”的理念，提供優(yōu)質(zhì)的產(chǎn)品與滿意的服務(wù)，樹立華人工業(yè)自動化第一品牌。
參考文獻
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[2] 研華（中國）培訓(xùn)中心.數(shù)據(jù)采集應(yīng)用與編程，2004.