摘 要： 數(shù)據(jù)采集" title="數(shù)據(jù)采集">數(shù)據(jù)采集與控制技術(shù)" title="控制技術(shù)">控制技術(shù)廣泛應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域,。本文介紹了數(shù)據(jù)采集與控制技術(shù)的現(xiàn)狀，分析了數(shù)據(jù)采集控制卡" title="控制卡">控制卡常用總線形式的特點(diǎn),，闡述了研華" title="研華">研華數(shù)據(jù)采集控制卡產(chǎn)品的特點(diǎn),，展望了數(shù)據(jù)采集與控制技術(shù)的發(fā)展方向,。

關(guān)鍵詞： 數(shù)據(jù)采集與控制技術(shù) 研華? 數(shù)據(jù)采集控制卡

數(shù)據(jù)采集與控制技術(shù)的現(xiàn)狀
數(shù)據(jù)采集與控制技術(shù)是信息科學(xué)的一個(gè)重要分支，它研究數(shù)據(jù)的采集,、存儲(chǔ),、處理以及控制等作業(yè)。在智能儀器,、信號(hào)處理以及工業(yè)自動(dòng)控制等領(lǐng)域都存在著數(shù)據(jù)的采集與控制問題。將被測(cè)對(duì)象的各種參量檢測(cè)采集后,，轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào),，送到計(jì)算機(jī)進(jìn)行存儲(chǔ)、分析和處理,，這一過程稱為“數(shù)據(jù)采集”,，相應(yīng)的系統(tǒng)稱為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)通過給定信號(hào)與采集信號(hào)的關(guān)系,，根據(jù)控制算法輸出控制信號(hào)控制系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，構(gòu)成系統(tǒng)控制回路,，這一過程稱為系統(tǒng)的控制,。
根據(jù)輸入輸出信號(hào)種類的不同，數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)可分為模擬量輸入輸出系統(tǒng)與數(shù)字量輸入輸出系統(tǒng),。對(duì)于前者,，在工程中比較關(guān)注輸入模式（單端或差分）、分辨率,、輸入范圍,、采集速率、精度與噪聲等指標(biāo),；而對(duì)于后者,，通常比較關(guān)注數(shù)字量的類型（TTL電平或隔離量）、輸入輸出速度,、并行操作位數(shù)與驅(qū)動(dòng)能力等指標(biāo),。
根據(jù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的不同，數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)可分為集中式數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)與分布式數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng),。前者的特點(diǎn)是現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集,、處理與控制，上位機(jī)與被測(cè)對(duì)象的位置較近,，實(shí)時(shí)性強(qiáng),，適用于上位機(jī)與被測(cè)對(duì)象距離較短且對(duì)采集速度要求較高的場(chǎng)合。后者對(duì)被測(cè)設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)采集并轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào),，經(jīng)由現(xiàn)場(chǎng)總線上傳至上位機(jī),，經(jīng)上位機(jī)進(jìn)行處理后,，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備進(jìn)行控制，適用于對(duì)多個(gè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控與維護(hù)的場(chǎng)合,。
研華數(shù)據(jù)采集板卡
在過去的23年中,，研華公司推出了大量工業(yè)自動(dòng)化" title="工業(yè)自動(dòng)化">工業(yè)自動(dòng)化產(chǎn)品，積累了豐富的設(shè)計(jì)制造經(jīng)驗(yàn),，已經(jīng)成為全球領(lǐng)先的工業(yè)自動(dòng)化產(chǎn)品供應(yīng)商,，能夠提供各種工業(yè)數(shù)據(jù)采集控制產(chǎn)品。在集中式數(shù)據(jù)采集控制方面,，研華提供了種類豐富的數(shù)據(jù)采集控制卡,，涵蓋了各種常用的總線形式，功能搭配形式多樣,，可以滿足不同用戶的需求,。在分布式數(shù)據(jù)采集控制方面，研華公司也提供各種功能的采集模塊,，包括基于串行通信的ADAM-4000系列模塊與基于以太網(wǎng)的ADAM-6000系列模塊,。本文主要介紹研華公司的數(shù)據(jù)采集控制卡。
從總線形式方面來看,，數(shù)據(jù)采集卡可分為ISA總線,、PCI總線、CompactPCI(CPCI)總線,、PC-104總線等形式,。
對(duì)于工業(yè)控制與采集系統(tǒng)來說，ISA總線是一個(gè)非常經(jīng)濟(jì)實(shí)用的實(shí)現(xiàn)方案,，其8MHz主頻能滿足大部分機(jī)電控制的要求,，允許多個(gè)CPU共享系統(tǒng)資源，在上世紀(jì)80年代被廣泛應(yīng)用,。研華公司的PCL系列板卡就是基于ISA總線的,。但由于它存在著接口速度較慢、需要用戶手動(dòng)配置系統(tǒng)資源,、不能實(shí)現(xiàn)板卡的即插即用等不足,，已經(jīng)逐漸被淘汰。
ISA總線的繼任者PCI總線早在上世紀(jì)90年代就已經(jīng)出現(xiàn),。PCI總線是Intel公司開發(fā)的一套局部總線系統(tǒng),，它支持32位或64位總線寬度，頻率通常是33MHz,。目前最快的PCI 2.0總線速度是66MHz,。PCI總線還支持即插即用，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)為PCI板卡分配中斷和基地址,，無需用戶費(fèi)心,。它代表了一種更先進(jìn)的總線技術(shù),，也是目前主流的總線形式。研華公司的PCI系列板卡使用的就是PCI總線,。
隨著任務(wù)關(guān)鍵工業(yè)過程的不斷發(fā)展和完善,，工業(yè)自動(dòng)化客戶越來越注重系統(tǒng)的可靠性，CompactPCI總線應(yīng)運(yùn)而生,。它是由PICMG制定的一種開放式技術(shù)規(guī)范,，融合PCI總線的電氣規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)針孔連接器和歐式卡規(guī)范,，將PCI標(biāo)準(zhǔn)特性與堅(jiān)固的機(jī)械外型完美地結(jié)合在一起,，既具有常規(guī)IPC中PCI總線的高性能，又具有歐式卡結(jié)構(gòu)的高可靠性,，適合于對(duì)可靠性要求較高場(chǎng)合。研華基于CPCI總線的種類豐富的MIC系列采集板卡及工業(yè)級(jí)CPCI總線機(jī)箱為惡劣工業(yè)環(huán)境下的應(yīng)用(如交通,、軍工,、航空電子、工業(yè)自動(dòng)化和自動(dòng)測(cè)試領(lǐng)域的應(yīng)用)提供了最佳的解決方案,。
隨著嵌入式系統(tǒng)在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域的不斷推廣,，用戶對(duì)嵌入式總線采集板卡的需求也越來越多。PC-104總線是目前最常用的一種嵌入式總線規(guī)范,。研華基于PC-104總線的PCM系列數(shù)據(jù)采集卡為嵌入式系統(tǒng)中的應(yīng)用提供了可靠的產(chǎn)品,。
以上四種總線形式的板卡在使用時(shí)都需要關(guān)閉工控機(jī)，插入板卡,，再重新開機(jī),。而USB總線數(shù)據(jù)采集卡的出現(xiàn)打破了這種局面。USB總線并不是一種新的總線標(biāo)準(zhǔn),，而是電腦系統(tǒng)連接外圍設(shè)備的輸入/輸出接口標(biāo)準(zhǔn),。研華公司的USB總線數(shù)據(jù)采集控制卡具有采集速度高、使用方便等優(yōu)點(diǎn),。
從功能上分,，研華公司的數(shù)據(jù)采集控制卡包括模擬量采集控制卡、數(shù)字量采集控制卡和集多種功能于一身的多功能采集控制卡,，同時(shí)某些型號(hào)的數(shù)據(jù)采集控制卡還擁有高速,、高增益、多通道采集等特性,。不同的功能與不同的總線形式相結(jié)合構(gòu)成種類豐富的組合,，可以滿足不同工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的需求。下面介紹幾款深受客戶歡迎的研華公司的數(shù)據(jù)采集控制卡,。
PCL-818系列板卡是ISA總線多功能數(shù)據(jù)采集控制卡,，分為PCL-818L/H/HD/HG四種型號(hào),。它們共有的特點(diǎn)是可以進(jìn)行16路單端或8路差分模擬量采集，分辨率為12位,，帶DMA的自動(dòng)通道/增益掃描功能,，帶有16路數(shù)字量輸入通道與16路數(shù)字量輸出通道及1個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器，可通過軟件選擇模擬量輸入范圍,，具有軟件觸發(fā),、Pacer觸發(fā)與外部觸發(fā)三種A/D轉(zhuǎn)換觸發(fā)方式，A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移方式可采用查詢方式,、中斷方式或DMA方式,。其中，PCL-818L是一款低成本板卡,，采樣速率為40kHz,，只支持雙極性輸入，可滿足用戶的低成本需求,。PCL-818HG帶有一個(gè)可編程的信號(hào)放大器,，最大增益可以達(dá)到1000，可用來采集微弱的模擬信號(hào),。PCL-818HD可以確保在所有增益及輸入范圍內(nèi)達(dá)到100kHz的采樣率,。
如前文所述，ISA總線由于自身的局限已逐漸被PCI總線所替代,，研華公司的PCI總線數(shù)據(jù)采集控制卡種類更為豐富,，功能更為強(qiáng)大。
PCI-1710系列數(shù)據(jù)采集控制卡是PCI總線多功能數(shù)據(jù)采集控制卡,，分為PCI-1710/L/HG/HGL四種型號(hào),，先進(jìn)的電路設(shè)計(jì)使得它具有更高的質(zhì)量和更多的功能。PCI-1710系列板卡可以進(jìn)行16路單端或8路差分模擬量采集,，與PCL-818系列板卡不同,，PCI-1710系列板卡可以自由組合單端或差分輸入方式。它的分辨率為12位,，最高采樣速率可達(dá)100SPS,。板載的4KB FIFO緩沖器提供了連續(xù)高速的數(shù)據(jù)輸入及Windows下更可靠的性能。此外,，該系列產(chǎn)品還帶有16路數(shù)字量輸入通道與16路數(shù)字量輸出通道及1個(gè)可編程定時(shí)/計(jì)數(shù)器,。PCI-1710及PCI-1710HG還帶有兩路模擬量輸出，并可對(duì)每個(gè)模擬量輸入通道的增益進(jìn)行編程,，還在+12V(DC)與+5V（DC）輸出管腳處提供了短路保護(hù)器件,，當(dāng)短路發(fā)生時(shí)，短路保護(hù)器件可以自動(dòng)斷開,，停止輸出電流,，直到短路被清除兩分鐘后,，管腳才開始輸出電流。此外,，專門為PCI-1710/HG設(shè)計(jì)的PCL-10186電纜可以最大限度地降低信號(hào)的噪聲,。該電纜采用雙絞線，并且模擬信號(hào)與數(shù)字信號(hào)是分開屏蔽的,，使信號(hào)間的交叉干擾降到了最小,，并使EMI/EMC問題得到了最終的解決。
在一些工業(yè)場(chǎng)合需要對(duì)信號(hào)進(jìn)行高速采集,，PCI-1714即可滿足這種需求,。它的采樣速率最高可達(dá)30MSPS，32KB的板載FIFO可以實(shí)現(xiàn)更快速的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換,。它支持DMA數(shù)據(jù)傳輸,，可將連續(xù)的高速數(shù)據(jù)直接導(dǎo)入主存儲(chǔ)口而不需CPU的參與，支持高速和無空隙數(shù)據(jù)采集,。它使用4組同樣的電路和A/D轉(zhuǎn)換芯片實(shí)現(xiàn)各通道的同步采集,，當(dāng)輸入信號(hào)的時(shí)間關(guān)系非常重要的時(shí)候，可實(shí)現(xiàn)多通道的同步采集,。
上述幾款采集控制卡的分辨率都是12位的。研華還擁有高分辨率數(shù)據(jù)采集控制卡如PCI-1716,，其分辨率為16位,。
以上介紹了幾款研華公司的ISA與PCI數(shù)據(jù)采集卡，在研華的數(shù)據(jù)采集控制產(chǎn)品中還包括功能強(qiáng)大的CPCI總線,、PC-104總線與USB總線形式的數(shù)據(jù)采集控制卡,。由于篇幅所限，下面僅介紹一款USB多功能數(shù)據(jù)采集控制模塊USB-4711,。USB-4711可進(jìn)行模擬量與數(shù)字量的輸入,、輸出，擁有一般數(shù)據(jù)采集控制卡的全部功能,。它支持USB2.0接口,，使用時(shí)不需要任何外接電源，用戶可以像使用其他USB設(shè)備一樣方便快捷地進(jìn)行信號(hào)的采集與系統(tǒng)的控制,。
研華的數(shù)據(jù)采集控制產(chǎn)品不僅有穩(wěn)定可靠的硬件設(shè)計(jì),，而且配有種類齊全的驅(qū)動(dòng)軟件及應(yīng)用例程，可以使用戶方便地將研華的產(chǎn)品應(yīng)用到自己的系統(tǒng)中,，極大地縮減了系統(tǒng)的開發(fā)周期,。研華的數(shù)據(jù)采集控制產(chǎn)品配有Windows操作系統(tǒng)與Linux系統(tǒng)下的驅(qū)動(dòng)軟件，方便了用戶在不同操作系統(tǒng)下的應(yīng)用,。講解詳細(xì)的設(shè)備驅(qū)動(dòng)手冊(cè)和豐富的VC,、BC,、BCB及LabVIEW等不同編程語言下的例程，使用戶可以隨意選擇自己熟悉的編程語言,，快速地編寫出應(yīng)用程序,。
數(shù)據(jù)采集技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)
隨著工業(yè)技術(shù)的不斷發(fā)展，工業(yè)領(lǐng)域?qū)?shù)據(jù)采集控制產(chǎn)品的要求將不斷提高,。下面介紹數(shù)據(jù)采集控制產(chǎn)品的發(fā)展趨勢(shì),。
首先，在數(shù)據(jù)采集控制卡方面,，ISA總線板卡將逐漸被采集速度更高,、使用更方便的PCI總線板卡所取代。為了應(yīng)對(duì)這一趨勢(shì),，研華公司
針對(duì)自己的每一款I(lǐng)SA總線數(shù)據(jù)采集控制卡都推出了對(duì)應(yīng)的PCI總線板卡,，產(chǎn)品價(jià)格的漲幅大多在10%以內(nèi)，且原產(chǎn)品的端子板等配件都無需更換,，用戶也不必重新開發(fā)應(yīng)用程序,，可以實(shí)現(xiàn)從ISA到PCI的無縫升級(jí)。
其次,，數(shù)據(jù)采集與控制技術(shù)越來越多地被應(yīng)用到野外,、深海等環(huán)境惡劣的工業(yè)控制場(chǎng)合，這些場(chǎng)合往往不能提供穩(wěn)定的外接電源,，只能靠電池供電,，這就對(duì)系統(tǒng)的功耗提出了嚴(yán)格的要求，低功耗數(shù)據(jù)采集控制設(shè)備的需求會(huì)不斷提高,。研華公司開發(fā)了很多低功耗數(shù)據(jù)采集控制產(chǎn)品來滿足用戶在這方面的需求,。
最后，在分布式數(shù)據(jù)采集應(yīng)用方面,，采集設(shè)備與控制器間的通訊方式將從傳統(tǒng)的串行通訊向網(wǎng)絡(luò)通訊甚至無線通訊方式轉(zhuǎn)變,。為了應(yīng)對(duì)這種變化，研華公司推出了基于以太網(wǎng)的ADAM-6000數(shù)據(jù)采集控制模塊與基于無線局域網(wǎng)的ADAM-6000W系列模塊,，走在了數(shù)據(jù)采集技術(shù)網(wǎng)絡(luò)化,、無線化的前沿。
總之,，無論數(shù)據(jù)采集技術(shù)今后走向何方,，研華公司將秉承“開放式eAutomation無縫整和”的理念，提供優(yōu)質(zhì)的產(chǎn)品與滿意的服務(wù),，樹立華人工業(yè)自動(dòng)化第一品牌,。
參考文獻(xiàn)
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