1.1 数据采集系统概述

1.1.1 数据采集系统的含义

在科研、生产和日常生活中，模拟量的测量和控制是经常遇到的。为了对温度、压力、流量、速度、位移等物理量进行测量和控制，都要先通过传感器把上述物理量转换成能模拟物理量的电信号（即模拟电信号），再将模拟电信号经过处理转换成计算机能识别的数字量，输入计算机，这就是数据采集。用于数据采集的成套设备称为数据采集系统（Data Acquisition System,DAS）。

数据采集系统的任务，就是传感器从被测对象获取有用信息，并将其输出信号转换为计算机能识别的数字信号，然后输入计算机进行相应的处理，得出所需的数据。同时，将计算得到的数据进行显示、储存或打印，以便实现对某些物理量的监视，其中一部分数据还将被生产过程中的计算机控制系统用来进行某些物理量的控制。

数据采集系统性能的优劣，主要取决于它的精度和速度。在保证精度的前提下，应有尽可能高的采样速度，以满足实时采集、实时处理和实时控制对速度的要求。

计算机技术的发展和普及提升了数据采集系统的技术水平。在生产过程中，应用这一系统可对生产现场的工艺参数进行采集、监视和记录，为提高产品质量、降低成本提供信息和手段；在科学研究中，应用数据采集系统可获得大量的动态信息，是研究瞬间物理过程的有力工具。总之，不论在哪个应用领域中，数据的采集与处理越及时，工作效率就越高，取得的经济效益就越大。

1.1.2 数据采集系统的功能

由数据采集系统的任务可以知道，数据采集系统具有以下几方面的功能。

1.数据采集

计算机按照预先选定的采样周期，对输入系统的模拟信号进行采样，有时还要对数字信号、开关信号进行采样。数字信号和开关信号不受采样周期的限制，当这类信号到来时，由相应的程序负责处理。

2.信号调理

信号调理是对从传感器输出的信号做进一步的加工和处理，包括对信号的转换、放大、滤波、储存、重放和一些专门的信号处理。另外，传感器输出信号往往具有机、光、电等多种形式。而对信号的后续处理往往采取电信号的方式和手段，因而必须把传感器输出的信号进一步转化为适宜于电路处理的电信号，其中包括电信号放大。通过信号的调理，获得最终便于传输、显示和记录的，以及可做进一步后续处理的信号。

3.二次数据计算

通常把直接由传感器采集到的数据称为一次数据，把通过对一次数据进行某种数学运算而获得的数据称为二次数据。二次数据计算主要有求和、最大值、最小值、平均值、累计值、变化率、样本方差与标准方差统计方式等。

4.屏幕显示

显示装置可把各种数据以方便于操作者观察的方式显示出来，屏幕上显示的内容一般称为画面。常见的画面有相关画面、趋势图、模拟图、一览表等。

5.数据存储

数据存储就是按照一定的时间间隔，如1小时、1天、1月等，定期将某些重要数据存储在外部存储器上。

6.打印输出

打印输出就是按照一定的时间间隔，如分钟、小时、月的要求，定期将各种数据以表格或图形的形式打印出来。

7.人机联系

人机联系是指操作人员通过键盘、鼠标或触摸屏与数据采集系统对话，完成对系统的运行方式、采样周期等参数和一些采集设备的通信接口参数的设置。此外，还可以通过它选择系统功能，选择输出需要的画面等。

1.1.3 数据采集系统的输入与输出信号

实现计算机数据采集与控制的前提是，必须将生产过程的工艺参数、工况逻辑和设备运行状况等物理量经过传感器或变送器转变为计算机可以识别的电信号（电压或电流）或逻辑量。计算机测控系统经常用到的信号主要分为模拟量信号和数字量信号两大类。

针对某个生产过程设计一套计算机数据采集系统，必须了解输入输出信号的规格、接线方式、精度等级、量程范围、线性关系、工程量换算等诸多要素。

1.模拟量信号

在工业生产控制过程中，特别是在连续型的生产过程（如化工生产过程）中，经常会要求对一些物理量如温度、压力、流量等进行控制。这些物理量都是随时间而连续变化的。在控制领域，把这些随时间连续变化的物理量称为模拟量。

模拟信号是指随时间连续变化的信号，这些信号在规定的一段连续时间内，其幅值为连续值，即从一个量变到下一个量时中间没有间断。

模拟信号有两种类型：一种是由各种传感器获得的低电平信号；另一种是由仪器、变送器输出的4～20mA的电流信号或1～5V的电压信号。这些模拟信号经过采样和A/D转换输入计算机后，常常要进行数据正确性判断、标度变换、线性化等处理。

模拟信号非常便于传送，但它对干扰信号很敏感，容易使传送中的信号的幅值或相位发生畸变。因此，有时还要对模拟信号进行零漂修正、数字滤波等处理。

当控制系统输出模拟信号需要传输较远的距离时，一般采用电流信号而不是电压信号，因为电流信号在一个回路中不会衰减，因而抗干扰能力比电压信号好；当控制系统输出模拟信号需要传输给多个其他仪器仪表或控制对象时，一般采用直流电压信号而不是直流电流信号。

模拟信号的常用规格如下。

1）1～5V电压信号

此信号规格有时称为DDZ-Ⅲ型仪表电压信号规格。1～5V电压信号规格通常用于计算机控制系统的过程通道。工程量的量程下限值对应的电压信号为lV，工程量上限值对应的电压信号为5V，整个工程量的变化范围与4V的电压变化范围相对应。过程通道也可输出1～5V电压信号，用于控制执行机构。

2）4～20mA电流信号

4～20mA电流信号通常用于过程通道和变送器之间的传输信号。工程量或变送器的量程下限值对应的电流信号为4mA，量程上限对应的电流信号为20mA，整个工程量的变化范围与16mA的电流变化范围相对应。过程通道也可输出4～20mA电流信号，用于控制执行机构。

有的传感器的输出信号是毫伏级的电压信号，如 K 分度热电偶在 l000℃时输出信号为41.296mV。这些信号要经过变送器转换成标准信号（4～20mA），再送到过程通道。热电阻传感器的输出信号是电阻值，一般要经过变送器转换为标准信号（4～20mA），再送到过程通道。对于采用4～20mA电流信号的系统，只需采用250Ω电阻就可将其变换为1～5V直流电压信号。

需要说明的是，以上两种标准都不包括零值在内，这是为了避免和断电或断线的情况混淆，使信息的传送更为确切。这样也同时避开了晶体管器件的起始非线性段，使信号值与被测参数的大小更接近线性关系，所以受到国际的推荐和普遍的采用。

2.数字量信号

数字量信号又称为开关量信号，是指在有限的离散瞬时上取值间断的信号，只有两种状态，相对于开和关一样，可用“0”和“1”表达。

在二进制系统中，数字信号是由有限字长的数字组成，其中每位数字不是“0”就是“1”。数字信号的特点是，它只代表某个瞬时的量值，是不连续的信号。

开关量信号反映了生产过程、设备运行的现行状态，又称为状态量。例如，行程开关可以指示出某个部件是否达到规定的位置，如果已经到位，则行程开关接通，并向工控机系统输入1个开关量信号；又如工控机系统欲输出报警信号，则可以输出1个开关量信号，通过继电器或接触器驱动报警设备，发出声光报警。如果开关量信号的幅值为TTL/CMOS电平，有时又将一组开关量信号称之为数字量信号。

有许多的现场设备往往只对应于两种状态，开关信号的处理主要是监测开关器件的状态变化。例如，按钮、行程开关的闭合和断开，马达、电动机的起动和停止，指示灯的亮和灭，继电器或接触器的释放和吸合，晶闸管的通和断，阀门的打开和关闭等，可以用开关输出信号去控制或者对开关输入信号进行检测。

开关（数字）量输入有触点输入和电平输入两种方式；开关（数字）量输出信号也有触点输出和电平输出两种方式。一般把触点输入/输出信号称为开关信号，把电平输入/输出信号称为数字信号。它们的共同点是都可以用“0”和“1”表达。

电平有“高”和“低”之分，对于具体设备的状态和计算机的逻辑值可以事先约定，即电平“高”为“1”，电平“低”为“0”，或者相反。

触点有常开和常闭之分，其逻辑关系正好相反，犹如数字电路中的正逻辑和负逻辑。工控机系统实际上是按电平进行逻辑运算和处理的，因此工控机系统必须为输入触点提供电源，将触点输入转换为电平输入。

对于开关量输出信号，可以分为两种形式：一种是电压输出，另一种是继电器输出。电压输出一般是通过晶体管的通断来直接对外部提供电压信号，继电器输出则是通过继电器触点的通断来提供信号。电压输出方式的速度比较快且外部接线简单，但带负载能力弱；继电器输出方式则与之相反。对于电压输出，又可分为直流电压和交流电压，相应的电压幅值有5V、12V、24V和48V等。