多通道数据采集文献综述

多通道数据采集系统的设计与实现

引言

进来，我在网上浏览了200余篇有关数据采集系统的文献。下载了其中100多篇，详细研读了其中50余篇。我了解到在当今社会各个领域，包括科研和实验研究，数据采集系统有着不可代替的作用，数据采集和处理进行得越及时，工作效率就越高，取得的经济效益就越大．数据采集系统性能的好坏主要取决于它的精度和速度，在保证精度的条件下，还要尽可能地提高采样速度，以满足实时采集、实时处理和实时控制的要求。

数据采集系统涉及多学科，所研究的对象是物理或生物等各种非电或电信号，如温度、压力、流量、位移等模拟量，根据各种非电或电信号的特征,利用相应的归一化技术，将其转换为可真实反映事物特征的电信号后，经A/D转换器转换为计算机可识别的有限长二进制数字编码，即数字量，并进行存储、处理、显示或打印。以此二进制数字编码作为研究自然科学和实现工业实时控制的重要依据，实现对宏观和微观自然科学的量化认识。

Microsoft Visual C++是Microsoft公司推出的开发Win32环境程序，面向对象的可视化集成编程系统。它不但具有程序框架自动生成、灵活方便的类管理、代码编写和界面设计集成交互操作、可开发多种程序等优点，而且通过简单的设置就可使其生成的程序框架支持数据库接口、OLE2，WinSock网络、3D控制界面。

本课题研究的是利用PC机上的声卡作为数据采集卡构建数据采集系统。利用VC编程实现多通道数据采集并对数据采集进行控制和处理。

正文

1.研究背景及发展近况

国外数据采集技术较上世纪有了很大的发展，从最近国外公司展示的新产品可以看出，主要的发展方向可以概括为使用方便、功能多样和体积减小三个方面。国内数据采集技术起步比较晚，国内的数据采集系统与国外数据采集系统相比，在技术上仍然存在一定的差距，主要表现在：

(1) 由于整个国内的微电子技术还与世界水平有一定差距，模数转换芯片的速度还不能达到世界先进水平，同时高速PCB设计方面的人才比较稀少，所以国内较少研制出速度非常高同时性能又非常好的数据采集系统。

(2) 数据采集系统的内存不大，数据采集系统本身的信号处理功能不强，在现场只能做一些简单的数据分析，大多数的处理要离线到计算机上去做。

(3) 系统的软件水平以及人机界面方面的水平还不是很高，设备操作起来有很多不人性化的地方。

虽然国内与国外在数据采集技术上存在差距，但是总体来看这个差距在不断缩小，在不久的将来中国的数据采集系统肯定会晋升国际一流的水准。随着数字化步伐的不断加深，数据采集技术作为走进数字世界的一把钥匙，必须要紧跟数字化的脚步，只有掌握了尖端的数据采集技术才能在这个飞速变化的世界具有竞争力。

数据采集系统常见的结构有三种：多通道分时复用数据采集系统、多通道同步数据采集系统和分布式数据采集系统，其中多通道同步数据采集系统是目前数据采集系统的主流设计结构。在现代信号处理系统中，多通道同步数据采集系统广泛应用于各种军用、商用和工业领域中，如雷达系统、弹上设备及通信系统等。为了更快速更全面地分析系统，在采集系统主要信号时，往往需要对一些相关信号进行测量。早先的多通道分时复用数据采集系统只能实现循环采集多路信号，不能得到多个通道同一时刻的采样点，并且数据采集的速率也不是很高，而多通道同步数据采集系统恰恰弥补了分时复用数据采集系统的不足。

多通道同步数据采集系统的具体实现有很多种，下面介绍一些常见的设计方案：

1．嵌入式数据采集系统

嵌入式数据采集系统是多通道同步数据采集系统的传统实现方案，该数据采集系统以CPU 为核心控制器。当前的处理器技术已经非常成熟，很多数据采集系统都采用CPU 作为控制器，从低端的51单片机到高端的ARM、PowerPC、DSP。使用51单片机等低端处理器开发数据采集系统的主要优势在于价格便宜，系统的软硬件设计与配置规模都是以满足数据采集系统功能要求为原则，因此系统具有较高的性价比，一般用于实现低端数据采集系统。但是低端的嵌入式数据采集系统中单片机一般做的工作只是控制，速度不高，实时性不好，不可能去完成一些实时的处理工作，同时单片机的结构简单，接口数量和类型都比较少，功能扩展能力很差。高端的嵌入式数据采集系统中核心控制器采用的是高端处理器，例如ARM、PowerPC、DSP和MIPS等，这些处理器的处理速度非常快，像IBM的PowerPC 750 最快能工作在667MHz，这就意味着高端数据采集系统能够完成大量实时信号处理的工作。近年来带有嵌入式操作系统的数据采集系统已经成为一个趋势，市场上常见的有基于ARM 的Linux数据采集系统、基于PowerPC的VxWorks数据采集系统等。

2.基于FPGA的数据采集系统可编程逻辑门阵列FPGA(Filed Programmable GateArray)是在GAL/PAL、PLD等可编程器件的基础上进一步发展出来的产物。FPGA 与传统的专用集成电路(ASIC)不同，它是一种可以随时修改功能的IC，这也是FPGA的一个重要优势。FPGA 的基本结构由6部分组成，分别为可编程输入/输出单元、基本可编程逻辑单元、嵌入式块RAM、丰富的互连布线资源、底层嵌入功能单元和内嵌专用硬核。传统的数据采集系统往往采用单片机或数字信号处理器(DSP)来控制A/D、存储电路以及其它外围电路的工作，但是由于单片机本身的指令周期以及处理速度的影响，其时钟频率较低，各种功能都要靠软件的运行来实现。软件运行时间在整个采样过程中占很大的比例，效率非常低，很难满足系统对数据采集系统实时性和同步性的要求。而基于DSP的数据采集系统，虽然处理速度快，但成本较高，过于频繁的中断会使CPU的效率降低，响应速度变差。采用可编程逻辑器件设计数据采集系统，具有开发周期短、集成度高、功耗低、工作频率高、设计费用低、编程配置灵活等一系列优点。此外，还可以在FPGA芯片内实现采集控制、缓冲、预处理、传输控制、通信等功能。当然采用FPGA作为数据采集系统的控制器也存在一些问题，主要由于FPGA内部RAM资源比较少，会在某种程度上降低系统的传输速率。

3.虚拟数据采集系统

虚拟数据采集系统是一种基于虚拟仪器(Virtual Instrument)技术的数据采集系统。虚拟仪器的起源可以追溯到上世纪70年代，计算机测控系统在国防、航天等领域已经有了长足的发展。微型计算机的出现使仪器的软件化成为可能。虚拟仪器是基于计算机技术的仪器，通过在通用计算机上加上软件和硬件，使得用户在操作这台计算机时，就像在操作一台自己设计的专用传统电子仪器。在虚拟仪器系统中，硬件仅仅是为了解决信号的输入输出，软件才是整个仪器系统的关键，任何一个使用者都可以通过修改软件的方法，很方便地增减仪器系统的功能与规模。虚拟仪器技术的出现，彻底打破了仪器功能由厂家定义，用户无法改变功能的模式，虚拟仪器技术给予用户充分发挥自己的才能和想象力的空间。用户可以随心所欲