数据采集的新技术及发展动态
数据采集的新技术及发展动态
1、数据采集系统的历史与发展
数据采集系统起始于20世纪50年代，1956年美国首先研究了用在军事上的测试系统，目标是测试中不依靠相关的测试文件，由非熟练人员进行操作，并且测试任务是由测试设备高速自动控制完成的。由于该种数据采集测试系统具有高速性和一定的灵活性，可以满足众多传统方法不能完成的数据采集和测试任务，因而得到了初步的认可。大约在60年代后期，国外就有成套的数据采集设备产品进入市场，此阶段的数据采集设备和系统多属于专用的系统。20世纪70年代中后期，随着微型机的发展，诞生了采集器、仪表同计算机溶为一体的数据采集系统。由于这种数据采集系统的性能优良，超过了传统的自动检测仪表和专用数据采集系统，因此获得了惊人的发展。
从70年代起，数据采集系统发展过程中逐渐分为两类，一类是实验室数据采集系统，另一类是工业现场数据采集系统。就使用的总线而言，实验室数据采集系统多采用并行总线，工业现场数据采集系统多采用串行数据总线。
20世纪80年代随着计算机的普及应用，数据采集系统得到了极大的发展，开始出现了通用的数据采集与自动测试系统。该阶段的数据采集系统主要有两类，一类以仪器仪表和采集器、通用接口总线和计算机等构成。例如：国际标准ICE625（GPIB）接口总线系统就是一个典型的代表。这类系统主要用于实验室，在工业生产现场也有一定的应用。第二类以数据采集卡、标准总线和计算机构成，例如：FTQ总线系统是这一类的典型代表。这种接口系统采用积木式结构，把相应的接口卡装在专用的机箱内，然后由一台计算机控制。第二类系统在工业现场应用较多。这两种系统中，如果采集测试任务改变，只需将新的仪用电缆接入系统，或将新卡再添加到专用的机箱即可完成硬件平台重建，显然，这种系统比专用系统灵活得多。 20世纪80年代后期，数据采集系统发生了极大的变化，工业计算机、单片机和大规模集成电路的组合，用软件管理，使系统的成本降低，体积减小，功能成倍增加，数据处理能力大大加强。
20世纪90年代至今，在国际上技术先进的国家，数据采集技术已经在军事、航空电子设备及宇航技术、工业等领域被广泛应用。由于集成电路制造技术的不断提高，出现了高性能、高可靠性的单片数据采集系统（DAS）。目前有的DAS产品精度已达16位，采集速度每秒达到几十万次以上。数据采集技术已经成为一种专门的技术，在工业领域得到了广泛
的应用。该阶段数据采集系统采用更先进的模块式结构，根据不同的应用要求，通过简单的增加和更改模块，并结合系统编程，就可扩展或修改系统，迅速地组成一个新的系统。
该阶段并行总线数据采集系统向高速、模块化和即插即用方向发展，典型系统有VXI总线系统，PCI、PXI总线系统等，数据位已达到B) 位总线宽度，采样频率可以达到100MSps[1]。由于采用了高密度，屏蔽型，针孔式的连接器和卡式模块，可以充分保证其稳定性及可靠性，但其昂贵的价格是阻碍它在自动化领域普及的一个重要因素。但是，并行总线系统在军事等领域取得了成功的应用。串行总线数据采集系统向分布式系统结构和智能化方向发展，可靠性不断提高。数据采集系统物理层通信，由于采用RS485、双绞线、电力载波、无线和光纤，所以其技术得到了不断发展和完善。其在工业现场数据采集和控制等众多领域得到了广泛的应用。，由于目前局域网技术的发展，一个工厂管理层局域网，车间层的局域网和底层的设备网已经可以有效地连接在一起，可以有效地把多台数据采集设备联在一起，以实现生产环节的在线实时数据采集与监控。
2、数据采集系统的发展与通信协议
施耐德电气公司的Modicom产品早在1978年就推出了世界第一个生产现场控制（PLC）和
主机的通信协议Modbus，该协议以简洁、开放、可靠而逐渐成为事实上的工业标准。1989年推出的世界上第一个对等的工业控制网络Modbus Plus，实现了数据的高速、实时、对等的传输。为提高可靠性，随后又推出具有冗余功能的Modbus，它大大提高了系统数据传输的可靠性。
20世纪70年代自以太网诞生以来，工业控制总线有了长足的进步，通信速率由10M提高到100M、1000M甚至10G。以太网的标准统一开放(IEEE802.3系列)，技术成熟，有众多的厂家支持，使得以太网产品价格相对低廉，而且不同厂家之间的产品可以轻松互连。以太网与Internet的连接也相当容易，因此，目前也正处于快速发展的时期。鉴于以太网具有成熟的技术、低廉的成本、丰富的开发工具与技术支持，以及和Internet网的无缝连接等优点，有人提议将以太网技术不仅应用在信息层中，而且将其推广到工业控制层和设备层，以实现管控测一体化网络。
随着互联网技术和IT技术的飞速发展，为适应未来技术发展的趋势，保障用户的投资，施耐德电气公司第一个推出了工业控制领域的开放的TCP/IP以太网Modbus TCP/IP[2]，该技术采用IT行业广泛应用的技术TCP/IP，底层协议采用开放的Modbus，第一次真正地将工
业数据采集与控制网络和IT网络融合为一体，使用户彻底摆脱了各种行业的工业数据采集与控制网络的束缚和限制，进入了工业控制领域的新境界。基于TCP/IP协议，可以把数据采集与工控方案变得“透明”，使生产过程的数据采集与工厂的各种控制设备和计算机设备间实现透明传输数据。同时使用户真正可以享受最新IT技术带来的各种好处，使企业的生产系统、ERP系统、MES系统透明实现了无缝的连接，也为制造业用户未来的电子商务应用提供了生产控制系统的基础。
以太网在企业的管理层应用较多，但是，在底层的设备控制层以太网的应用刚刚起步。究其原因，在于以太网协议中的CSMA/CD机制。这一机制使得以太网本质上不是实时的。而且，由于冲突的存在使得以太网具有不确定性，甚至由于频繁的碰撞，导致最终某些节点抛弃当前的数据帧，使可靠性下降。
然而随着技术的发展，以太网标准在过去五年中，特别是在确定性、速度和优先法则方面有了很大提高，以太网越来越能够满足工业应用的需要，现场总线的通信功能完全可由以太网较好地完成。最近几年，交换式以太网技术的出现大大地提高了以太网的确定性。利用交换技术，可以将一个较大的网络分隔成为各个相对独立的冲突域，冲突只能在一个相
对较小的区域内发生，这样大大地减小了冲突发生的概率，从而提高了网络的确定性和实时性。在与传统现场总线的对比测试中，以太网显示出了明显的优势，使其能够胜任数据采集和控制对实时性、可靠性、抗干扰性的严格要求。以太网已被证明是未来数据采集和控制网络的最佳解决方案，其应用于现场设备控制层是控制网络发展的趋势，并将极大地促进信息从传感器到管理层的集成。
3、国内外数据采集器的现况
数据采集器是一种具有现场记录、分析功能的设备或现场记录、离线分析机器设备等状态数据功能的便携式分析仪器。它把安装在机器设备上的震动传感器和过程传感器等所测得的信号作为输入，配以各种测量分析技术以及多样化的显示格式所组成的一个检测系统，主要应用于对机器设备进行定期巡回状态监测和故障诊断等多种领域。它能和计算机一起组成独立的监测诊断系统，是机器设的计算机辅助诊断手段之一。
3.1 国内研究现状
3.1.1 远距离数据采集
2009年章伟聪等设计了相应的信号采集系统，采用电网频率跟踪技术,将传感器测得的三相末屏电流模拟值经信号调理电路调理及AD620AR放大器放大后,并经AD7656进行模数转换,将模拟信号直接转化为数字信号,避免了信号传输过程中的干扰和衰减问题;并采用参考电源解决了远距离同步采集问题，关于家庭的作文介绍了基于多通道高分辨率AD7656开发绝缘介损在线监测终端信号采集系统的具体方法,给出了具体的接口实现电路和数据采集的初始化操作过程,经实际应用,系统可靠稳定[3]。2009年张鹏等研究开发了数字微波通信方式的远程水声数据采集系统；给出了远程水声数据采集系统的硬件结构,并设计完成了系统的操作软件；北京旅游景点介绍刑罚处罚该系统采用现有的硬件产品,缩短了开发周期,将计算机网络里面广泛应用的TCP/IP协议成功运用在采集系统中,解决了海面微波信道传输的可靠性问题；经海上实验验证.该系统具有小型化、结构简单、远距离、高传输速率、低误码率及无失真传输等的优点[4]。2009年孙丽飞将数据采集技术和GPRS远程无线数据传输技术相结合,很好地应用于远程医疗系统中,提高了测控系统的灵活性[5]。2010年郑士伟设计并实现了四路射频信号相位差测量系统,采用模拟秉法器芯片AD8302测量二路射频信号的相位差.设计了特殊的电路,将基于AD8302的相位差测量系统的测量范围从180°扩展到360°采用基于CAN总线的数据采集系统实现相位差的现场测量.该系统的相位差测量范围为0°～360°,相位差测量精度为0.1°,误
差约为士1°。该系统工作频带宽、电路简单、易于实现,可用于需要实现远距离测量多路射频信号问的相位差的场合[6]。2010年李棚基于单片机的多通道温度数据采集器的设计什么情况下罚角球，采用AT89C51单片机作为CPU，设计了能与多种温度传感器配合使用的信号调理接口电路,考虑到远距离信号传输和系统的抗干扰能力，采用V/A/V的变送装置梦见很多死鱼，能够很好的调整、传输传感器的输出信号。同时设计了一部分和硬件配套的软件，编写了CPU与A/D连接的数据采集子程序[7]。2010冯大伟等设计了小型无人自动测量船水质采样及在线监测系统将自动采样系统、在线监测系统、遥控系统、卫星定位系统和数据采集与输出系统集成于测量船内,通过遥控测量船使之行驶到江河、湖泊等地表水体的离岸监测点位,通过多通道远距离遥控,定时分瓶采样；遥控启动在线监测系统,通过多参数传感器探头进行数据采集,并存储在单片计算机内；测量船返航后,取出采样瓶并进行现场数据查询。小型无人自动测量船水质采样及在线监测系统适用于江河、湖泊等水体的水质在线监测和样品采集,可广泛应用于环境保护、水利和渔业等部门[8]。2010年张逸提出了CAN总线具有较强的纠错能力，适用于高噪声环境，并具有较远的通讯距离和较高的传输速度。详细介绍了基于PIC18F458单片机为核心的CAN总线通讯节点的总体设计方案，硬件结构和软件流程.通讯节点具有结构简单，扩展性强，可靠性高及抗干扰能力强等特点，在此基础上可以很方便地设计出多种
设备。作为一种通用远距离通讯数据采集控制平台，在煤矿自动化领域有着很广阔的应用前景[9]。
3.1.2 高速数据采集
2010年陈波等实现某多通道雷达接收机，设计了一种带数据预处理功能的八通道数据采集系统，其具备LINK口和CPCI总线两种高速输出接口，单通道最高采样频率为125 MHz,分辨率14 bit。怎样煮牛肉好吃讨论了系统硬件解决方案和软件逻辑实现,实测结果表明该系统有效位数高达9.9 bit，通道延时差为40 ps，已成功运用于某雷达接收机[10]。2010张毅等凯采用PCI总线作为数据传输总线是高速数据采集的发展方向。为了采集两路模拟音频信号，提出了一种基于PCI总线的双通道数据采集系统的设计方案。首先介绍了系统的硬件组成及功能，并阐述了系统的工作原理，介绍了核心器件DSP的程序设计。以及驱动程序的设计方法；最后得出结论。本系统具有可传输数据容量大、速度快、实时性好及成本低等特点[11]。2010年付侃等介绍基于STC12C5A60S2单片机高速A/D转换方法。该方法充分利用STC12C5A60S2内部的硬件资源，实现了低成本、高性能的A/D转换。数据采集器将现场的模拟量经放大送STC12C5A60S2进行A/D转换后变成数字量传输到主机进行处理。本系
统除了能获得较快的A/D转换速度外，转换的分辨率也可灵活设置,具有一定的使用价值[12]。
3.1.3 智能化数据采集
为了数据采集处理设备小型化、智能化和一体化，完成大量数据的采集和实时处理，并通过特殊算法完成复杂运算的目的。2010年曹政才等构建了一种基于DSP+FPGA的信号处理平台。该平台采用FPGA来实现FFT运算，利用DSP来完成频域信号的分析和处理以及与上位机的通信，应用CPLD来完成整个系统时序控制。该平台主要特点是硬件电路器件具有实时快速的执行速度，并使用了低功耗、低成本的DSP芯片[13]。2010年侯昭武等采用三块TCS230颜传感器，监测轮船经过后海水的颜变化的情况，数据采用就地处理，并运用改进型BP神经网络算法进行污染模式训练和模式识别。通过nRF401无线数字收发器，把污染识别的结果发送回监视器，再通过字符和语音对识别结果进行报告。把轮船污染数据采集器安装在轮船尾部两侧进行实时监测，结果表明，监测速度快，精确度高[14]。2010年余师棠等设计采用ARM+DSP双CPU的基本架构，充分发挥ARM的控制能力和DSP的运算能力，使系统内部分工更加明确，功能更加强大。通过移植成熟WinCE嵌入
式实时操作系统，为设备提供高效、完善、稳定、可靠的软件平台。该系统采用先进合理的上、下位机架构，嵌入WinCE操作系统以及智能化的人机界面[15]。

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