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高速数据采集系统

高速数据采集系统

高速数据采集系统广泛应用于军事、航天、航空、铁路、机械等诸多行业。区别于中速及低速数据采集系统，高速数据采集系统内部包含高速电路，电路系统1/3以上数字逻辑电路的时钟频率>=50MHz；对于并行采样系统，采样频率达到50MHz，并行8bit以上；对于串行采样系统，采样频率达到200MHz，广泛使用的高速数据采集系统采样频率一般在200KS/s~100MS/s，分辨率16bit~24bit。

简介
数据采集系统的重要技术指标包括数据转换速率和记录容量。在低速数据采集系统中，单片机直接控制A/D转换器，数据采集一般要经过启动A/D转换、读取A/D转换值、将数据存入存储器、修改存储器地址指针、判断数据采集是否完成等过程。由于数据采集的功能主要通过软件来实现，因此，其采样速率一般在1MHz以下。在高速数据采集系统中，单片机不再承担A/D转换的控制、数据的读出与存储工作，这些操作由专门的高速数字电路完成。通过高速数字电路，实现A/D转换的数据和存储器之间的直接传输。
高速数据采集系统已在雷达、声纳、软件无线电、瞬态信号测试等领域得到广泛应用。它的关键技术是高速ADC技术、数据存储与传输技术和抗干扰技术。
系统组成
高速数据采集系统一般分为数据采集和数据处理两部分。
在数据采集时，必须以很高的速度采集数据。在数据处理时并不需要与数据采集同样高的速率进行。因此，高速数据采集需要有一个数据缓存单元，先将采集的数据有效的存储，然后根据系统需要进行数据处理。
高速数据采集系统通常由单片机、高速缓存、高速A/D转换器组成。
单片机
单片机，也称单片微型计算机。它是把中央处理器（CPU）、随机存取存储器（RAM）、只读存储器（ROM）、输入/输出端口（I/O）等主要计算机功能部件都集成在一块集成电路芯片上的微型计算机。
高速缓存
高速缓存是关键部件，其构成方案有三种：
（1）高速SRAM切换方式。高速SRAM只有一套数据、地址和控制总线，可通过三态缓冲门分别接到A/D转换器和DSP上。当A/D采样时，SRAM由三态门切换到A/D转换器一侧，以使采样数据写入其中。当A/D采样结束后，SRAM再由三态门切换到DSP一侧以便DSP进行读写。这种方式的优点是SRAM可随机存取，同时较大容量的高速SRAM容易得到且价格适中，缺点是切换控制电路比较复杂，且只能由A/D转换器和DSP分时读写。
（2）先进先出（FIFO）方式。FIFO存储器就象数据管道一样，数据从管道的一头流入、从另一头流出，先进入的数据先流出。FIFO具有两套数据线而无地址线，可在其一端写操作而在另一端读操作，数据在其中顺序移动，因而能够达到很高的传输速度和效率，且由于省去了地址线而有利于PCB板布线。缺点是只能顺序读写数据，因而显得比较呆板，而且大容量的高速FIFO非常昂贵；
（3）双口RAM。双口RAM具有两套独立的数据、地址和控制总线，因而可从两个端口同时读写而互不干扰，并可将采样数据从一个端口写入而由DSP从另一个端口读出。双口RAM也能达到很高的传输速度，并且具有随机存取的优点，缺点是大容量的高速双口RAM很难得且价格昂贵。
高速A/D转换器
高速A/D转换器常采用并行A/D转换器或并/串行A/D转换器，由电阻分压器、比较器、缓冲寄存器和编码器组成。
基本功能
一般来说，高速采集系统的任务是采集各种类型传感器输出的模拟信号并转换成数字信号后输入计算机处理，得到特定的数据结果。同时将计算得到波形和数值进行显示，对各种物理量状态监控。
基本原理
图1是基于DSP的数据采集系统，一般包括：AD模数转换芯片、SDRAM动态数据存储元件、Flash静态数据存储元件、HPI主机接口、USB接口、PCI接口等。典型的数字信号处理过程如图1所示。
输入信号可以是语音信号、调制后的电话信号、编码的数字信号、压缩的图像信号，也可以是各种传感器输?出的信号。如果输人信号的幅度较小或者过大，一般都需要经过放大器单元将输入信号幅度放大或者缩小后，送到AD进行模数转换；如果输入信号带有较大的噪声，一般需要经过一个硬件的模拟滤波单元，将信号滤波整形后，送到AD进行模数转换。AD能将模拟信号变换成数字信号，但必须满足奈奎斯特采样定理，也就是为了保证不丢失信息的所有信息，采样频率必须高于输入信号最高频率的2倍，一般为5倍以上。AD变换后得到的数字信号输人到DSP芯片；再由DSP芯片对该数字信号进行各种数字信号算法的处理。
分类
高速数据采集系统的结构形式多种多样，常见的分类方法有以下几种：
根据适应环境不同
（1）隔离型；
（2）非隔离型
（3）集中式；
（4）分布式。
根据控制功能
（1）智能化；
（2）非智能化采集系统。
根据模拟信号的性质
（1）电压和电流信号；
（2）高电平和低电平信号；
（3）单端输入和差分输入。
根据信号通道的结构方式
（1）单通道输入方式；
（2）多通道输入方式。
按硬件组成来分
（1）集成微型计算机的数据采集系统。集成微型计算机的数据采集系统则是将PC及数据采集卡集成一体，采集卡采集完的数据直接保存在内部的硬盘，无需通过线缆传输。
（2）集散型数据采集系统。集散型数据采集系统由包含A/D,AMP,DSP,FPGA的数据采集卡组成的数据采集系统，可以独立采集模拟和数字信号，数据通过光纤或网络传输到PC的硬盘进行保存及处理。
应用
高速数据采集系统具有极高的采样率，尤其适合用于瞬间测量量产生变化的场合。例如：在电力传输或者爆炸，冲击波，火箭发射过程中。
电力测试的应用包括：
高压脉冲测试
大多数的电网都通过塔架上的电缆来传送电能. 其暴露在野外，经常遭受雷击，进而可能损坏变电站的设备. 元器件的损坏将导致部分电力分配能力的损失，并耗费高昂的修理费用. 变压器，电涌放电器，绝缘体和开关设备的测试 对于质量校准过程和保证元件的承受力是非常重要的.
电力开关设备测试
开关设备测试 是一个巨大的挑战, 要求特殊的 硬件和软件 才能产生精确可靠的测试结果. 硬件的挑战包括绝缘，放大器漂移，噪声和抗电磁干扰和需要电池操作等。软件挑战包括数据完整，重复性和可靠性等。例如核电备用柴油机的测试。
零区测试
零区 (CZ) 指的是在高功率断路器上的中断现象. 现在不可能通过中断高压电路来进行，而是通过其他方式，如电弧. 所有的电路中断器都通过移除相互之间的接触来完成，这样接触之间产生电弧. 零区现象 是压力，温度，离子密度，等离子流等的指标. 零区测试 用来了解电弧现象以及确定成功的电流中断的主要参数。
爆炸和火工品测试：
航天器上使用了大量的火工装置来完成特定的功能,它们在动作时会引起强烈的高频冲击环境,对航天器上的仪器设备产生不利的影响。火工品，爆炸和冲击波测试中，由于其在非常短的时间内压力等测量值会产生极大地变化，因此需要极高的采样率。很多测试中需要采用20-100MS/s的采样速率。
发展趋势
(1)新型快速、高分辨率的数据转换部件不断涌现，大大提高了数据采集系统的性能。
(2)高性能单片机的问世和各种数字信号处理器的涌现，进一步推动了数据采集系统的广泛应用。
(3)智能化传感器(Smarts nor)的发展，必将对今后数据采集系统的发展产生深远的影响。
(4)与微型机配套的数据采集部件的大量问世，大大方便了数据采集系统在各个领域里应用并有利于促进数据采集系统技术的进一步发展。
(5)分布式数据采集是数据采集系统发展的一个重要趋势。
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