8.1.1 DAQ功能概述
典型的基于PC的DAQ系统框图如图8-1所示。它包括传感器、信号调理模块、数据采集硬件设备以及装有DAQ软件的PC。
图8-1 典型的基于PC的DAQ系统
下面对数据采集系统的各个组成部分进行介绍，并介绍使用各组成部分的最重要的原则。
1.个人计算机（PC）
数据采集系统所使用的计算机会极大地影响连续采集数据的最大速度，而当今的技术已可以使用Pentium和PowerPC级的处理器，它们能结合更高性能的PCI、PXI/CompactPCI和IEEE 1394（火线）总线以及传统的ISA总线和USB总线。PCI总线和USB接口是目前绝大多数台式计算机的标准设备，而ISA总线已不再经常使用。随着PCMCIA、USB和IEEE 1394的出现，为基于桌面PC的数据采集系统提供了一种更为灵活的总线替代选择。对于使用RS-232或RS-485串口通信的远程数据采集应用，串口通信的速率常常会使数据吞吐量受到限制。在选择数据采集设备和总线方式时，请记住所选择的设备和总线所能支持的数据传输方式。
计算机的数据传送能力会极大地影响数据采集系统的性能。所有PC都具有可编程I/O和中断传送方式。目前绝大多数个人计算机可以使用直接内存访问（Direct Memory Access，DMA）传送方式，它使用专门的硬件把数据直接传送到计算机内存中，从而提高了系统的数据吞吐量。采用这种方式后，处理器不需要控制数据的传送，因此它就可以用来处理更复杂的工作。为了利用DMA或中断传送方式，选择的数据采集设备必须能支持这些传送类型。例如，PCI、ISA和IEEE1394设备可以支持DMA和中断传送方式，而PCMCIA和USB设备只能使用中断传送方式。所选用的数据传送方式会影响数据采集设备的数据吞吐量。
限制采集大量数据的因素常常是硬盘，磁盘的访问时间和硬盘的分区会极大地降低数据采集和存储到硬盘的最大速率。对于要求采集高频信号的系统，就需要为PC选择高速硬盘，从而保证有连续（非分区）的硬盘空间来保存数据。此外，要用专门的硬盘进行采集并且在把数据存储到磁盘时使用另一个独立的磁盘运行操作系统。
对于需要实时处理高频信号的应用，需要用到32位的高速处理器以及相应的协处理器或专用的插入式处理器，如数字信号处理（DSP）板卡。然而，对于在1 s内只需要采集或换算一两次数据的应用系统而言，使用低端的PC就可以满足要求。
在满足短期目标的同时，要根据投资所能产生的长期回报的最大值来确定选用何种操作系统和计算机平台。影响选择的因素可能包括开发人员和最终用户的经验和要求、PC的其他用途（现在和将来）、成本的限制以及在实现系统期间内可使用的各种计算机平台。传统平台包括具有简单的图形化用户界面的Mac OS以及Windows 9x。此外，Windows NT 4.0和Windows 2000能提供更为稳定的32位OS，并且使用起来和Windows 9x类似。Windows 2000/XP是新一代的Windows NT OS，它结合了Windows NT和Windows 9x的优势，这些优势包括固有的即插即用和电源管理功能。
2.传感器和信号调理
传感器能够感应物理现象并生成数据采集系统可测量的电信号。例如，热电偶、电阻式测温计（RTD）、热敏电阻器和IC传感器可以把温度转变为模拟数字转化器（Analog-to-Digital Converter，ADC）可测量的模拟信号。其他例子包括应力计、流速传感器、压力传感器，它们可以相应地测量应力、流速和压力。在所有这些情况下，传感器可以生成和它们所检测的物理量呈比例的电信号。(https://www.daowen.com)
为了适合数据采集设备的输入范围，由传感器生成的电信号必须经过处理。为了更精确地测量信号，信号调理配件能放大低电压信号，并对信号进行隔离和滤波。此外，某些传感器需要有电压或电流激励源来生成电压输出。
3.数据采集硬件
模拟输入：模拟输入在模拟输入的技术说明中将给出关于数据采集产品的精度和功能的信息。基本技术说明适用于大部分数据采集产品，包括通道数目、采样速率、分辨率和输入范围等方面的信息。
模拟输出：经常需要模拟输出电路为数据采集系统提供激励源。数模转换器（DAC）的一些技术指标决定了所产生输出信号的质量——稳定时间、转换速率和输出分辨率。
触发器：许多数据采集的应用过程需要基于一个外部事件来起动或停止一个数据采集的工作。数字触发使用外部数字脉冲来同步采集与电压生成。模拟触发主要用于模拟输入操作，当一个输入信号达到一个指定模拟电压值时，根据相应的变化方向来起动或停止数据采集的操作。
RTSI总线：NI公司为数据采集产品开发了RTSI总线。RTSI总线使用一种定制的门阵列和一条带形电缆，能在一块数据采集卡上的多个功能之间或者两块甚至多块数据采集卡之间发送定时和触发信号。通过RTSI总线，用户可以同步模数转换、数模转换、数字输入、数字输出和计数器/计时器的操作。例如，通过RTSI总线，两个输入板卡可以同时采集数据，同时第三个设备可以与该采样率同步地产生波形输出。
数字I/O (DIO)：DIO接口经常在PC数据采集系统中使用，它被用来控制过程、产生测试波形、与外围设备进行通信。在每一种情况下，最重要的参数有可应用的数字线的数目、在这些通路上能接收和提供数字数据的速率以及通路的驱动能力。如果数字线被用来控制事件，例如打开或关掉加热器、电动机或灯，由于上述设备并不能很快地响应，因此通常不采用高速输入、输出。
数字线的数量当然应该与需要被控制的过程数目相匹配。在本书讲述的每一个例子中，需要打开或关掉设备的总电流必须小于设备的有效驱动电流。
定时I/O：计数器/定时器在许多应用中具有很重要的作用，包括对数字事件产生次数的计数、数字脉冲计时以及产生方波和脉冲。通过3个计数器/计时器信号就可以实现所有上述应用——门、输入源和输出。门是指用于使计数器开始或停止工作的一个数字输入信号。输入源是一个数字输入，它的每次翻转都导致计数器的递增，因而提供计数器工作的时间基准。在输出线上输出数字方波和脉冲。
4.软件
软件使PC和数据采集硬件形成了一个完整的数据采集、分析和显示系统。没有软件，数据采集硬件是毫无用处的——或者使用比较差的软件，数据采集硬件也几乎无法工作。大部分数据采集应用实例都使用了驱动软件。软件层中的驱动软件可以直接对数据采集硬件的寄存器编程，管理数据采集硬件的操作并把它和处理器中断，DMA和内存这样的计算机资源结合在一起。驱动软件隐藏了复杂的硬件底层编程细节，为用户提供容易理解的接口。
随着数据采集硬件、计算机和软件复杂程度的增加，好的驱动软件就显得尤为重要。合适的驱动软件可以最佳地结合灵活性和高性能，同时还能极大地降低开发数据采集程序所需要的时间。
为了开发出用于测量和控制的高质量数据采集系统，用户必须了解组成系统的各个部分。在所有数据采集系统的组成部分中，软件是最重要的。这是由于插入式数据采集设备没有显示功能，软件是使用者和系统的唯一接口。软件提供了系统的所有信息，使用者也需要通过它来控制系统。软件把传感器、信号调理、数据采集硬件和分析硬件集成为一个完整的多功能数据采集系统。
