數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（首字母縮寫為DAS或DAQ）首先對(duì)放大、電平轉(zhuǎn)換等原始信號(hào)執(zhí)行相應(yīng)的信號(hào)調(diào)節(jié)，然后再進(jìn)行信號(hào)數(shù)字化和存儲(chǔ)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度、壓力和濕度等現(xiàn)實(shí)世界信號(hào)的測(cè)量。數(shù)字信號(hào)通常被定期發(fā)送到另一個(gè)數(shù)字系統(tǒng)執(zhí)行進(jìn)一步處理。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的部分應(yīng)用實(shí)例包括：天氣監(jiān)測(cè)以及對(duì)地震儀、壓力、溫度和風(fēng)力風(fēng)向的記錄等。將這些信息饋送到計(jì)算機(jī)，用于預(yù)測(cè)雨水以及地震和破壞性強(qiáng)風(fēng)等自然現(xiàn)象及災(zāi)害。DAS在醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用包括可跟蹤心電圖（ECG）或腦電圖（EEG）信號(hào)等的患者監(jiān)護(hù)系統(tǒng)。

典型的DAS系統(tǒng)包含如下組件：

● 傳感器：將真實(shí)世界現(xiàn)象轉(zhuǎn)換成等效的電氣模擬信號(hào)

● 信號(hào)調(diào)節(jié)電路：將來自傳感器的信號(hào)改變?yōu)榭蓤?zhí)行數(shù)字化的形式

● 模數(shù)轉(zhuǎn)換器：將已調(diào)節(jié)的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字表示形式

● 存儲(chǔ)與轉(zhuǎn)發(fā)存儲(chǔ)器：用于存儲(chǔ)在后期將被轉(zhuǎn)發(fā)至另一系統(tǒng)的數(shù)字信號(hào)流

● 通信接口：將數(shù)字流傳輸至其它系統(tǒng)的經(jīng)由通道

● 微處理器系統(tǒng)或微控制器：排序并控制所有其它組件

圖1顯示了基本數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的方框圖。這些內(nèi)部模塊的詳細(xì)內(nèi)容將在下一章節(jié)中進(jìn)行闡述。

圖1：從單個(gè)傳感器獲取數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的子系統(tǒng)

a） 傳感器：

如前所述，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)能夠跟蹤溫度、壓力、濕度、流速等物理參數(shù)。由于在電子域中處理非常靈活，因而需要使用適當(dāng)?shù)膫鞲衅鲗⑦@些參數(shù)轉(zhuǎn)換成電阻、電流或電壓變化等可測(cè)量的電氣量。例如，熱敏電阻、電阻式溫度檢測(cè)器（RTD）等傳感器會(huì)隨著溫度的變化而相應(yīng)改變其阻值，而應(yīng)變計(jì)等壓力傳感器則會(huì)根據(jù)所施加的壓力相應(yīng)改變阻值。這些均可通過惠斯通電橋（wheatstone‘s bridge）［1］轉(zhuǎn)換成電氣量（例如電壓）。

表1列出了一些在DAQ中監(jiān)控的通用物理參數(shù)以及所使用的適當(dāng)?shù)膫鞲衅鳌?/p>

表1：常用的電子傳感器。

b） 隔離：

信號(hào)采集應(yīng)用在處理超高電壓信號(hào)時(shí)會(huì)造成系統(tǒng)毀損。強(qiáng)烈推薦使用變壓器對(duì)高電壓進(jìn)行降壓轉(zhuǎn)換，也可使用光隔離等其它保護(hù)電路［2］。

c） 信號(hào)調(diào)節(jié)：

盡管傳感器在對(duì)所監(jiān)控的信號(hào)進(jìn)行電氣解讀方面具有非常寶貴的價(jià)值，但是其可用的電信號(hào)幅值水平卻非常低，通常僅為可計(jì)量信號(hào)的1/10^6或1/10^3。

除了電氣信號(hào)測(cè)量值的問題以外，一些不相干的外部干擾也會(huì)被傳感器拾取并加大噪聲。如果事先知道這些信號(hào)的頻率范圍，就可以設(shè)計(jì)適合的濾波器來清除噪聲。對(duì)于特定位置的溫度監(jiān)控等應(yīng)用而言，溫度不會(huì)隨著時(shí)間的推移發(fā)生顯著變化，例如大部分都是變化緩慢且頻率低。因此，在將輸入信號(hào)提供給高增益放大器之前有必要先將其饋送到低通濾波器（LPF）進(jìn)行濾波。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通常會(huì)同步跟蹤并行環(huán)境中的眾多信號(hào)，并使用單獨(dú)的傳感器測(cè)量每一種數(shù)量值。如圖1所示，如果每種參數(shù)都采用單獨(dú)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)量，那么總體系統(tǒng)就會(huì)變得非常龐大。此外，由于測(cè)量到的信號(hào)量變化非常緩慢，因此無需對(duì)這些信號(hào)進(jìn)行持續(xù)監(jiān)控，這樣我們就可以利用統(tǒng)一的通道多路復(fù)用不同的已調(diào)節(jié)信號(hào)輸出，以實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步處理，如圖2所示。

圖2：N通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的總體方框圖。

d） ADC：

由于處理數(shù)字信號(hào)簡(jiǎn)單易行，因而需要將模擬多路復(fù)用器中出來的多路復(fù)用信號(hào)輸入饋送至模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）。ADC的所需分辨率完全取決于應(yīng)用需求，但其采樣率則取決于輸入信號(hào)的帶寬。我們假定通道1的帶寬是f1，通道2是f2，……通道N是fn，那么N通道多路復(fù)用的模擬輸入則被饋送至ADC，采樣頻率應(yīng)為

Fs ≥ 2 * max （f1， f2， …， fn）。

Fs = k * max （f1， f2， …， fn）， k≥2

推薦使用較大的k值，以便讓數(shù)字解碼的信號(hào)能夠緊密跟蹤模擬信號(hào)且不會(huì)丟失任何有效數(shù)據(jù)。

有人也許會(huì)感到奇怪，在對(duì)信號(hào)進(jìn)行多路復(fù)用之前為什么不單獨(dú)數(shù)字化各個(gè)通道。假設(shè)我們的某個(gè)應(yīng)用需要監(jiān)控10個(gè)左右的通道，如果在進(jìn)行多路復(fù)用之前對(duì)信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化，那么不得不使用10個(gè)單獨(dú)的ADC（每個(gè)通道分配一個(gè)），這樣就需要10個(gè)單獨(dú)的ADC IC。

對(duì)于上述提及的ADC使用方法，需要考慮的一大重要問題就是溫度、壓力等各種參數(shù)在不同實(shí)例下進(jìn)行采樣的情況，即溫度處于時(shí)間“t”，壓力處于“t+Δt”，其中Δt = 1 / Fswitch，而Fswitch = 多路復(fù)用器的開關(guān)頻率 = Fs/N。如果在“t”和“t+Δt”之間環(huán)境條件發(fā)生突變，那么初始時(shí)間點(diǎn)測(cè)量的溫度讀數(shù)無法反應(yīng)出這種變化，而在“t+Δt”測(cè)得的壓力讀數(shù)才能反映出這一突然變化。如果需要在相同情況下測(cè)量所有的物理參數(shù)，那么將信號(hào)饋送至模擬多路復(fù)用器之前需要在每個(gè)通道中運(yùn)用單獨(dú)的采樣與保持電路。觸發(fā)信號(hào)應(yīng)被同時(shí)饋入所有通道的采樣與保持電路中，觸發(fā)信號(hào)的頻率應(yīng)為Fswitch/N，其中N表示通道的數(shù)量。這類系統(tǒng)也被稱為時(shí)間同步系統(tǒng)。

模擬多路復(fù)用器的開關(guān)頻率由所用的通道數(shù)量控制，并需要考慮采樣速率。但是，開關(guān)頻率還需要受ADC轉(zhuǎn)換時(shí)間參數(shù)的限制。

實(shí)例：

如果ADC的工作時(shí)鐘頻率是FADC，而且每次轉(zhuǎn)換需要“L”個(gè)時(shí)鐘周期進(jìn)行采樣，“M”個(gè)時(shí)鐘周期進(jìn)行轉(zhuǎn)換，那么

以上條件可被解讀為兩種情況：

1. 如果“M”和“L”非常大，那么加到ADC的時(shí)鐘要求就會(huì)更高。

2. 具有較大“L”和“M”的ADC固定時(shí)鐘會(huì)限制Fswitch，這樣反過來也會(huì)限制被監(jiān)控信號(hào)的信號(hào)帶寬。

這一條件并非強(qiáng)制性的。如果前一個(gè)通道已經(jīng)完成采樣階段并開始進(jìn)入轉(zhuǎn)換階段（假設(shè)ADC具備此功能），我們就可以將多路復(fù)用器切換到下一個(gè)通道。在這種情況下

使用PSoC（片上可編程系統(tǒng)）實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

除了外部傳感器、隔離器和存儲(chǔ)PC外，以上系統(tǒng)一般需要‘N’個(gè)低通濾波器、‘N’個(gè)高增益放大器、‘N’個(gè)采樣與保持電路、1個(gè)外部N:1模擬多路復(fù)用器、1個(gè)ADC芯片（帶外部參考電壓）和1個(gè)可用來讀取數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)并通過RS-232接口將讀數(shù)傳送到PC的專用MCU?？偟膩碚f，需要‘3N+2’顆芯片；如果我們需要監(jiān)控10個(gè)通道的信號(hào)，那么實(shí)際需要32顆芯片，這樣會(huì)使系統(tǒng)過于龐大和昂貴。

我們能用一個(gè)片上可編程系統(tǒng)替代32顆芯片，將材料成本降低‘3N+1’倍。表2列出了采用可編程SoC實(shí)現(xiàn)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)所用的組件列表及其主要特性。

表2：在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中所用PSoC和其它MCU的對(duì)比。

圖3：采用PSoC的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)概覽。

圖4：采用內(nèi)置運(yùn)放和外部電阻器與電容器的二階低通濾波器（參考圖3中的連接方式）。

圖3顯示了采用賽普拉斯PSoC 3/5構(gòu)建的系統(tǒng)的內(nèi)部原理圖，以及對(duì)各模塊的解釋。采用PSoC 3/5構(gòu)建該項(xiàng)目時(shí)所使用的工具為PSoC Creator。