1.2 数据采集卡概述
为了满足PC（个人计算机）用于数据采集与控制的需要，国内外许多厂商生产了各种各样的数据采集板卡（或 I/O 板卡）。用户只要把这类板卡插入计算机主板上相应的 I/O（ISA或 PCI）扩展槽中，就可以迅速、方便地构成一个数据采集系统，既节省大量的硬件研制时间和投资，又可以充分利用PC的软、硬件资源，还可以使用户集中精力对数据采集与处理中的理论和方法、系统设计以及程序编制等进行研究。
1.2.1 数据采集卡的类型
基于 PC 总线的板卡是指计算机厂商为了满足用户需要，利用总线模板化结构设计的通用功能模板。基于PC总线的板卡种类很多，其分类方法也有很多种。按照板卡处理信号的不同，可以分为模拟量输入板卡（A-D 卡）、模拟量输出板卡（D-A 卡）、开关量输入板卡、开关量输出板卡、脉冲量输入板卡、多功能板卡等。其中多功能板卡可以集成多个功能，如数字量输入/输出板卡将数字量输入和数字量输出集成在同一个板卡上。根据总线的不同，可分为PCI板卡和ISA板卡。各种类型板卡依据其所处理的数据不同，都有相应的评价指标，现在较为流行的板卡大都是基于PCI总线设计的。
数据采集卡的性能优劣对整个系统举足轻重。选购时不仅要考虑其价格，更要综合考虑、比较其质量、软件支持能力、后续开发和服务能力。
表1-1列出了部分数据采集卡的种类和用途，板卡详细的信息资料请查询相关公司的宣传资料。
表1-1 数据采集卡的种类和用途
还有其他一些专用I/O板卡，如虚拟存储板（电子盘）、信号调理板、专用（接线）端子板等，这些种类齐全、性能良好的I/O板卡与PC配合使用，使系统的构成十分容易。
在多任务实时控制系统中，为了提高实时性，要求模拟量板卡具有更高的采集速度，通信板卡具有更高的通信速度。当然可以采用多种办法来提高采集和通信速度，但在实时性要求特别高的场合，则需要采用智能接口板卡。某智能CAN接口板卡产品图如图1-1所示。
图1-1 某智能CAN接口板卡产品图
所谓“智能”，就是增加了CPU或控制器的I/O板卡，使I/O板卡与CPU具有一定的并行性。例如，除了PC主机从智能模拟量板卡读取结果时是串行操作外，模拟量的采集和PC主机处理其他事件是同时进行的。
1.2.2 数据采集卡的选择
要建立一个数据采集与控制系统，数据采集卡的选择至关重要。
在挑选数据采集卡时，用户主要考虑的是根据需求选取适当的总线形式，适当的采样速率，适当的模拟输入、模拟输出通道数量，适当的数字输入、输出通道数量等。并根据操作系统以及数据采集的需求选择适当的软件。主要选择依据如下。
1.通道的类型及个数
根据测试任务选择满足要求的通道数，选择具有足够的模拟量输入与输出通道数、足够的数字量输入与输出通道数的数据采集卡。
2.最高采样速度
数据采集卡的最高采样速度决定了能够处理信号的最高频率。
根据耐奎斯特采样理论，采样频率必须是信号最高频率的2倍或2倍以上，即fs≥2fmax，采集到的数据才可以有效地复现出原始的采集信号。工程上一般选择 fs=（5～10）fmax。一般的过程通道板卡的采样速率可以达到30～100kHz。快速A-D卡可达到1000kHz或更高的采样速率。
3.总线标准
数据采集卡有PXI、PCI、ISA等多种类型，一般是将板卡直接安装在计算机的标准总线插槽中。需根据计算机上的总线类型和数量选择相应的采集卡。
4.其他
如果模拟信号是低电压信号，用户就要考虑选择采集卡时需要高增益。如果信号的灵敏度比较低，则需要高的分辨率。同时还要注意最小可测的电压值和最大输入电压值，采集系统对同步和触发是否有要求等。
数据采集卡的性能优劣对整个系统的影响举足轻重。选购时不仅要考虑其价格，更要综合考虑各种因素，比较其质量、软件支持能力、后续开发和服务能力等。
1.2.3 基于数据采集卡的测控系统
1.测控系统组成
基于数据采集卡的计算机测控系统的组成如图1-2所示。
1）计算机主机
它是整个计算机控制系统的核心。主机由CPU、存储器等构成。它通过由过程输入通道发送来的工业对象的生产工况参数，按照人们预先安排的程序，自动地进行信息处理、分析和计算，并做出相应的控制决策或调节，以信息的形式通过输出通道，及时发出控制命令，实现良好的人机联系。目前采用的主机有PC及IPC（工业PC）等。
图1-2 基于数据采集卡的控制系统组成框图
2）传感器
传感器的作用是把非电物理量（如温度、压力、速度等）转换成电压或电流信号。例如，使用热电偶可以获得随着温度变化的电压信号；转速传感器可以把转速转换为电脉冲信号。
3）信号调理器
信号调理器（电路）的作用是对传感器输出的电信号进行加工和处理，转换成便于输送、显示和记录的电信号（电压或电流）。例如，传感器输出信号是微弱的，就需要放大电路将微弱信号加以放大，以满足过程通道的要求；为了与计算机接口方便，需要A/D转换电路将模拟信号变换成数字信号等。常见的信号调理电路有电桥电路、调制解调电路、滤波电路、放大电路、线性化电路、A/D转换电路、隔离电路等。
如果信号调理电路输出的是规范化的标准信号（如4～20mA、1～5V 等），这种信号调理电路称为变送器。在工业控制领域，常常将传感器与变送器做成一体，统称为变送器。变送器输出的标准信号一般传输到智能仪表或计算机系统。
4）输入/输出板卡
应用IPC对工业现场进行控制，首先要采集各种被测量，计算机对这些被测量进行一系列处理后，将结果数据输出。计算机输出的数字量还必须转换成可对生产过程进行控制的量。因此，构成一个工业控制系统，除了IPC主机外，还需要配备各种用途的I/O接口产品，即I/O板卡（或数据采集卡）。
常用的I/O板卡包括模拟量输入/输出（AI/AO）板卡、数字量（开关量）输入/输出（DI/DO）板卡、脉冲量输入/输出板卡及混合功能的接口板卡等。
各种板卡是不能直接由计算机主机控制的，必须由I/O接口来传送相应的信息和命令。I/O接口是主机和板卡、外围设备进行信息交换的纽带。目前绝大部分 I/O 接口都是采用可编程接口芯片，它们的工作方式可以通过编程设置。
常用的I/O接口有并行接口、串行接口等。
5）执行机构
它的作用是接受计算机发出的控制信号，并把它转换成执行机构的动作，使被控对象按预先规定的要求进行调整，保证其正常运行。生产过程按预先规定的要求正常运行，即控制生产过程。
常用的执行机构有各种电动、液动、气动开关，电液伺服阀，交直流电动机，步进电机，各种有触点和无触点开关，电磁阀等。在系统设计中需根据系统的要求来选择。
6）驱动电路
要想驱动执行机构，必须具有较大的输出功率，即向执行机构提供大电流、高电压驱动信号，以带动其动作；另一方面，由于各种执行机构的动作原理不尽相同，有的用电动，有的用气动或液动，如何使计算机输出的信号与之匹配，也是执行机构必须解决的重要问题。因此为了实现与执行机构的功率配合，一般都要在计算机输出板卡与执行机构之间配置驱动电路。
7）外围设备
主要是为了扩大计算机主机的功能而配置的。它用来显示、存储、打印、记录各种数据。包括输入设备、输出设备和存储设备。常用的外围设备有：打印机、图形显示器（CRT）、外部存储器（软盘、硬盘、光盘等）、记录仪、声光报警器等。
8）人机联系设备
操作台是人机对话的联系纽带。计算机向生产过程的操作人员显示系统运行状态、运行参数，发出报警信号；生产过程的操作人员通过操作台向计算机输入和修改控制参数，发出各种操作命令；程序员使用操作台检查程序；维修人员利用操作台判断故障等。
9）网络通信接口
对于复杂的生产过程，通过网络通信接口可构成网络集成式计算机控制系统。系统采用多台计算机分别执行不同的控制功能，既能同时控制分布在不同区域的多台设备，同时又能实现管理功能。
数据采集硬件的选择要根据具体的应用场合并考虑到自己现有的技术资源。
2.数据采集卡测控系统特点
随着计算机和总线技术的发展，越来越多的科学家和工程师采用基于 PC 的数据采集系统来完成实验室研究和工业控制中的测试测量任务。
基于PC的DAQ系统（简称PCs）的基本特点是输入、输出装置为板卡的形式，并将板卡直接与个人计算机的系统总线相连，即直接插在计算机主机的扩展槽上。这些输入、输出板卡往往按照某种标准由第三方批量生产，开发者或用户可以直接在市场上购买，也可以由开发者自行制作。一块板卡的点数（指测控信号的数量）少的有几点，多的有64点甚至更多。
构成PCs的计算机可以用普通的商用机，也可以用自组装的计算机，还可以使用工业控制计算机。
PCs主要采用Windows操作系统，应用软件可以由开发者利用C、VC++、VB等语言自行开发，也可以在市场上购买组态软件进行组态后生成。
总之，由于PCs价格低廉、组成灵活、标准化程度高、结构开放、配件供应来源广泛、应用软件丰富等特点，是一种很有应用前景的计算机控制系统。