多通道數(shù)據(jù)采集文獻(xiàn)綜述

多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)引言進(jìn)來，我在網(wǎng)上瀏覽了200余篇有關(guān)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的文獻(xiàn)。下載了其中100多篇，詳細(xì)研讀了其中50余篇。我了解到在當(dāng)今社會(huì)各個(gè)領(lǐng)域，包括科研和實(shí)驗(yàn)研究，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)有著不可代替的作用，數(shù)據(jù)采集和處理進(jìn)行得越及時(shí)，工作效率就越高，取得的經(jīng)濟(jì)效益就越大．?dāng)?shù)據(jù)采集系統(tǒng)性能的好壞主要取決于它的精度和速度，在保證精度的條件下，還要盡可能地提高采樣速度，以滿足實(shí)時(shí)采集、實(shí)時(shí)處理和實(shí)時(shí)控制的要求。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)涉及多學(xué)科，所研究的對(duì)象是物理或生物等各種非電或電信號(hào)，如溫度、壓力、流量、位移等模擬量，根據(jù)各種非電或電信號(hào)的特征,利用相應(yīng)的歸一化技術(shù)，將其轉(zhuǎn)換為可真實(shí)反映事物特征的電信號(hào)后，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)可識(shí)別的有限長(zhǎng)二進(jìn)制數(shù)字編碼，即數(shù)字量，并進(jìn)行存儲(chǔ)、處理、顯示或打印。以此二進(jìn)制數(shù)字編碼作為研究自然科學(xué)和實(shí)現(xiàn)工業(yè)實(shí)時(shí)控制的重要依據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)宏觀和微觀自然科學(xué)的量化認(rèn)識(shí)。MicrosoftVisualC++是Microsoft公司推出的開發(fā)Win32環(huán)境程序，面向?qū)ο蟮目梢暬删幊滔到y(tǒng)。它不但具有程序框架自動(dòng)生成、靈活方便的類管理、代碼編寫和界面設(shè)計(jì)集成交互操作、可開發(fā)多種程序等優(yōu)點(diǎn)，而且通過簡(jiǎn)單的設(shè)置就可使其生成的程序框架支持?jǐn)?shù)據(jù)庫接口、OLE2，WinSock網(wǎng)絡(luò)、3D控制界面。本課題研究的是利用PC機(jī)上的聲卡作為數(shù)據(jù)采集卡構(gòu)建數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。利用VC編程實(shí)現(xiàn)多通道數(shù)據(jù)采集并對(duì)數(shù)據(jù)采集進(jìn)行控制和處理。正文研究背景及發(fā)展近況國(guó)外數(shù)據(jù)采集技術(shù)較上世紀(jì)有了很大的發(fā)展，從最近國(guó)外公司展示的新產(chǎn)品可以看出，主要的發(fā)展方向可以概括為使用方便、功能多樣和體積減小三個(gè)方面。國(guó)內(nèi)數(shù)據(jù)采集技術(shù)起步比較晚，國(guó)內(nèi)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)與國(guó)外數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)相比，在技術(shù)上仍然存在一定的差距，主要表現(xiàn)在：(1)由于整個(gè)國(guó)內(nèi)的微電子技術(shù)還與世界水平有一定差距，模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片的速度還不能達(dá)到世界先進(jìn)水平，同時(shí)高速PCB設(shè)計(jì)方面的人才比較稀少，所以國(guó)內(nèi)較少研制出速度非常高同時(shí)性能又非常好的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。(2)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的內(nèi)存不大，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)本身的信號(hào)處理功能不強(qiáng)，在現(xiàn)場(chǎng)只能做一些簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)分析，大多數(shù)的處理要離線到計(jì)算機(jī)上去做。(3)系統(tǒng)的軟件水平以及人機(jī)界面方面的水平還不是很高，設(shè)備操作起來有很多不人性化的地方。雖然國(guó)內(nèi)與國(guó)外在數(shù)據(jù)采集技術(shù)上存在差距，但是總體來看這個(gè)差距在不斷縮小，在不久的將來中國(guó)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)肯定會(huì)晉升國(guó)際一流的水準(zhǔn)。隨著數(shù)字化步伐的不斷加深，數(shù)據(jù)采集技術(shù)作為走進(jìn)數(shù)字世界的一把鑰匙，必須要緊跟數(shù)字化的腳步，只有掌握了尖端的數(shù)據(jù)采集技術(shù)才能在這個(gè)飛速變化的世界具有競(jìng)爭(zhēng)力。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)常見的結(jié)構(gòu)有三種：多通道分時(shí)復(fù)用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、多通道同步數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和分布式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，其中多通道同步數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是目前數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的主流設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)。在現(xiàn)代信號(hào)處理系統(tǒng)中，多通道同步數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于各種軍用、商用和工業(yè)領(lǐng)域中，如雷達(dá)系統(tǒng)、彈上設(shè)備及通信系統(tǒng)等。為了更快速更全面地分析系統(tǒng)，在采集系統(tǒng)主要信號(hào)時(shí)，往往需要對(duì)一些相關(guān)信號(hào)進(jìn)行測(cè)量。早先的多通道分時(shí)復(fù)用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)只能實(shí)現(xiàn)循環(huán)采集多路信號(hào)，不能得到多個(gè)通道同一時(shí)刻的采樣點(diǎn)，并且數(shù)據(jù)采集的速率也不是很高，而多通道同步數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)恰恰彌補(bǔ)了分時(shí)復(fù)用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的不足。多通道同步數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的具體實(shí)現(xiàn)有很多種，下面介紹一些常見的設(shè)計(jì)方案：1．嵌入式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)嵌入式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是多通道同步數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的傳統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方案，該數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)以CPU為核心控制器。當(dāng)前的處理器技術(shù)已經(jīng)非常成熟，很多數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)都采用CPU作為控制器，從低端的51單片機(jī)到高端的ARM、PowerPC、DSP。使用51單片機(jī)等低端處理器開發(fā)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的主要優(yōu)勢(shì)在于價(jià)格便宜，系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)與配置規(guī)模都是以滿足數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)功能要求為原則，因此系統(tǒng)具有較高的性價(jià)比，一般用于實(shí)現(xiàn)低端數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。但是低端的嵌入式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中單片機(jī)一般做的工作只是控制，速度不高，實(shí)時(shí)性不好，不可能去完成一些實(shí)時(shí)的處理工作，同時(shí)單片機(jī)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，接口數(shù)量和類型都比較少，功能擴(kuò)展能力很差。高端的嵌入式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中核心控制器采用的是高端處理器，例如ARM、PowerPC、DSP和MIPS等，這些處理器的處理速度非?？欤馡BM的PowerPC750最快能工作在667MHz，這就意味著高端數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)能夠完成大量實(shí)時(shí)信號(hào)處理的工作。近年來帶有嵌入式操作系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)已經(jīng)成為一個(gè)趨勢(shì)，市場(chǎng)上常見的有基于ARM的Linux數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、基于PowerPC的VxWorks數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等。2.基于FPGA的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可編程邏輯門陣列FPGA(FiledProgrammableGateArray)是在GAL/PAL、PLD等可編程器件的基礎(chǔ)上進(jìn)一步發(fā)展出來的產(chǎn)物。FPGA與傳統(tǒng)的專用集成電路(ASIC)不同，它是一種可以隨時(shí)修改功能的IC，這也是FPGA的一個(gè)重要優(yōu)勢(shì)。FPGA的基本結(jié)構(gòu)由6部分組成，分別為可編程輸入/輸出單元、基本可編程邏輯單元、嵌入式塊RAM、豐富的互連布線資源、底層嵌入功能單元和內(nèi)嵌專用硬核。傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)往往采用單片機(jī)或數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)來控制A/D、存儲(chǔ)電路以及其它外圍電路的工作，但是由于單片機(jī)本身的指令周期以及處理速度的影響，其時(shí)鐘頻率較低，各種功能都要靠軟件的運(yùn)行來實(shí)現(xiàn)。軟件運(yùn)行時(shí)間在整個(gè)采樣過程中占很大的比例，效率非常低，很難滿足系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實(shí)時(shí)性和同步性的要求。而基于DSP的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，雖然處理速度快，但成本較高，過于頻繁的中斷會(huì)使CPU的效率降低，響應(yīng)速度變差。采用可編程邏輯器件設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，具有開發(fā)周期短、集成度高、功耗低、工作頻率高、設(shè)計(jì)費(fèi)用低、編程配置靈活等一系列優(yōu)點(diǎn)。此外，還可以在FPGA芯片內(nèi)實(shí)現(xiàn)采集控制、緩沖、預(yù)處理、傳輸控制、通信等功能。當(dāng)然采用FPGA作為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的控制器也存在一些問題，主要由于FPGA內(nèi)部RAM資源比較少，會(huì)在某種程度上降低系統(tǒng)的傳輸速率。3.虛擬數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)虛擬數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是一種基于虛擬儀器(VirtualInstrument)技術(shù)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。虛擬儀器的起源可以追溯到上世紀(jì)70年代，計(jì)算機(jī)測(cè)控系統(tǒng)在國(guó)防、航天等領(lǐng)域已經(jīng)有了長(zhǎng)足的發(fā)展。微型計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)使儀器的軟件化成為可能。虛擬儀器是基于計(jì)算機(jī)技術(shù)的儀器，通過在通用計(jì)算機(jī)上加上軟件和硬件，使得用戶在操作這臺(tái)計(jì)算機(jī)時(shí)，就像在操作一臺(tái)自己設(shè)計(jì)的專用傳統(tǒng)電子儀器。在虛擬儀器系統(tǒng)中，硬件僅僅是為了解決信號(hào)的輸入輸出，軟件才是整個(gè)儀器系統(tǒng)的關(guān)鍵，任何一個(gè)使用者都可以通過修改軟件的方法，很方便地增減儀器系統(tǒng)的功能與規(guī)模。虛擬儀器技術(shù)的出現(xiàn)，徹底打破了儀器功能由廠家定義，用戶無法改變功能的模式，虛擬儀器技術(shù)給予用戶充分發(fā)揮自己的才能和想象力的空間。用戶可以隨心所欲陳捃，黃用勤，王永濤．基于虛擬儀器的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)［J］．武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2007，29（6）：122－124．孟武勝，朱劍波，黃鴻，等．基于LabVIEW數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)［J］．電子測(cè)量技術(shù)，2008，31（11）：63－65．黃松嶺．虛擬儀器設(shè)計(jì)基礎(chǔ)教程[H]．北京：清華大學(xué)出版社，2008．10．李念強(qiáng)．?dāng)?shù)據(jù)采集技術(shù)與系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M]．北京：機(jī)械工業(yè)出版禮，2009．5．鄭繼明,李儀.聲卡在數(shù)據(jù)采集中的應(yīng)用[J].國(guó)外電子測(cè)量技術(shù),2000(5).牛立全.用PC聲卡采集超低頻信號(hào)的方法[J].微計(jì)算機(jī)應(yīng)用,2004,1.張偉．基于虛擬儀器的諧波測(cè)量研究［J］．儀器儀表學(xué)報(bào)，2004，25（增刊3）：292－295．王曉峰.基于虛擬儀器結(jié)構(gòu)的虛擬式音頻分析儀設(shè)計(jì)[D].重慶大學(xué),2002溫紅艷,高靜濤.基于PC聲卡的虛擬示波器的開發(fā)實(shí)現(xiàn)[J].武漢工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào),24(1),2005,33-35尹屹梅,林祥欽.用聲卡采集電生理數(shù)據(jù)的方法研究[J].中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào),2002,32(3):283～287.姜志玲.虛擬儀器技術(shù)在測(cè)控領(lǐng)域中的應(yīng)用[J].電子工程師,2003,29(8):33～35.周林，殷俠等．?dāng)?shù)據(jù)采集與分析技術(shù)．第一版．西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2005．任家富，庹先國(guó)，陶永莉．?dāng)?shù)據(jù)采集與總線技術(shù)．第一版．北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2008．沈蘭遜．高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的原理與應(yīng)用．北京：人民郵電出版社，1995．宋萬杰，羅豐，吳順君．CPLD技術(shù)及其應(yīng)用．西安：西安電子科技大學(xué)出版社，1999．任愛峰，初秀琴，常存等．基于FPGA的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)．西安：西安電子科技大學(xué)出版社．2004王淑芳，杜飛明．基于虛擬儀器