数据采集系统设计原则与基本方法

1、硬件设计的基本原则

【1】良好的性价比

    系统硬件设计中，一定要注意在满足性能指标的前提下，尽可能地降低价格，以便得到高的性能价格比，这是硬件设计中优先考虑的一个主要因素。因为系统在设计完成后，主要的成本便集中在硬件方面，当然也成为产品争取市场关键因素之一。

【2】安全性和可靠性

    选购设备要考虑环境的温度、湿度、压力、振动、粉尘等要求，以保证在规定的工作环境下，系统性能稳定、工作可靠。要有超量程和过载保护，保证输入、输出通道正常工作。要注意对交流市电以及电火花等的隔离。

【3】较强抗干扰能力

    有完善的抗干扰措施，是保证系统精度、工作正常和不产生错误的必要条件。例如强电与弱电之间的隔离措施，对电磁干扰的屏蔽，正确接地、高输人阻抗下的防止漏电等。

2、软件设计的基本原则

【1】结构合理

    程序应该采用结构模块化设计。这不仅有利于程序的进一步扩充或完善，而且也有利于程序的后期修改和维护。

【2】操作性能好，使用方便，具备良好的人机界面。

【3】具有一定的保护措施和容错功能

    系统应设计一定的检测程序，例如状态检测和诊断程序，以便系统发生故障时，便于查找故障部位。对于重要的参数要定时存储，以防止因掉电而丢失数据。

【4】提高程序的执行速度，尽量减小占用系统的内存。

【5】给出必要的程序说明，便于后期程序维护。

二、系统设计的一般步骤

1、分析问题和确定任务

    在进行系统设计之前，必须对要解决的问题进行调查研究、分析论证。如产品的应用场合、面向的客户类型等。在此基础上，根据实际应用中的问题提出具体的要求，确定系统所要完成的数据采集任务和技术指标，确定调试系统和开发软件的手段等。另外，还要对系统设计过程中可能遇到的技术难点做到心中有数，初步定出系统设计的技术路线。

2、确定采样周期Ts

    采样周期Ts决定了采样数据的质量和数量。利用采样定理和系统设指标来确定采样周期。

3．系统总体设计

    在系统总体设计阶段，一般应做以下几项工作。

【1】进行硬件和软件的功能分配

    一般来说，多采用硬件，可以简化软件设计工作，并使系统的速度性能得到改善，但成本会增加，同时，也因接点数增加而增加不可靠因素。若用软件代替硬件功能，可以增加系统的灵活性，降低成本，但系统的工作速度也降低。要根据系统的技术要求，在确定系统总体方案时进行合理的功能分配。

【2】系统A／D通道方案的确定

（1）模拟信号输人范围、被采集信号的分辨率；
（2）完成一次转换所需的时间；
（3）模拟输入信号的特性是什么，是否经过滤波，信号的最高频率是多少；
（4）模拟信号传输所需的通道数；
（5）多路通道切换率是多少，期望的采样/保持器的采集时间是多少；
（6）在保持期间允许的电压下降是多少；
（7）通过多路开关及信号源串联电阻的保持器旁路电流引起的偏差是多少；
（8）所需精度（包括线性度、相对精度、增益及偏置误差）是多少；
（9）当环境温度变化时，各种误差限制在什么范围，在什么条件下允许有漏码；
（10）各通道模拟信号的采集是否要求同步；
（11）所有的通道是否都使用同样的数据传输速率；
（12）数据通道是串行操作还是并行操作；
（13）数据通道是随机选择，还是按某种预定的顺序工作；
（14）系统电源稳定性的要求是什么，由于电源变化引起的误差是多少；
（15）电源切断时是否可能损坏有关芯片（对CMOS的多路开关是安全的，因为当电源切断时，多路开关是打开的；而对结型FET多路开关是接通的，因此有损坏芯片的可能。

【3】确定微型计算机的配置方案

    可以根据具体情况，采用微处理器芯片、单片微型机芯片、单板机、标准功能模板或个人微型计算机等作为数据采集系统的控制处理机。选择何种机型，对整个系统的性能、成本和设计进度等均有重要的影响。

【4】操作面板的设计

（1）输人和修改源程序；
（2）显示和打印各种参数
（3）工作方式的选择；
（4）启动和停止系统的运行。

    为了完成上述功能，操作面板一般由数字键、功能键、开关、显示器件以及打印机等组成。

【5】系统抗干扰设计

    对于数据采集系统，其抗干扰能力要求一般都比较高。因此，抗干扰设计应贯穿于系统设计的全过程，要在系统总体设计时统一考虑。

三、硬件和软件的设计

【1】硬件设计

    硬件设计的任务是以所选择的微型机为中心，设计出与其相配套的电路部分，经调试后组成硬件系统。采用单片机的硬件设计过程。

（1）明确硬件设计任务

    为了使以后的工作能顺利进行，不造成大的返工，在硬件正式设计之前，应细致地制定设计的指标和要求，并对硬件系统各组成部分之间的控制关系、时间关系等作出详细的规定。

（2）尽可能详细地绘制出逻辑图、电路图当然，在以后的实验和调试中还要不断地对电路图进行修改，逐步达到完善。

（3）制作电路和调试电路

    按所绘制的电路图在实验板上连接出电路并进行调试，通过调试，找出硬件设计中的毛病并予以排除，使硬件设计尽可能达到完善。调试好之后，再设计成正式的印刷电路板。

【2】软件设计

（1）明确软件设计任务

    在软件正式设计之前，首先必须要明确设计任务。然后，再把设计任务加以细致化和具体化，即把一个大的设计任务，细分成若干个相对独立的小任务，这就是软件工程学中的“自顶向下细分”的原则。

（2）按功能划分程序模块并绘出流程图

    将程序按小任务组织成若干个模块程序，如初始化程序、自检程序、采集程序、数据处理程序、打印和显示程序、打印报警程序等，这些模块既相互独立又相互联系，低一级模块可以被高一级模块重复调用，这种模块化、结构化相结合的程序设计技术既提高了程序的可扩充性，又便于程序的调试及维护。

（3）程序设计语言的选择

    选用何种语言与硬件选择有关。

（4）调试程序

    首先，对子程序进行调试，不断地修改出现的错误，直到把子程序调好为止，然后再将主程序与子程序连接成一个完整的程序进行调试。

    其次，调试程序时，在程序中插人断点，分段运行，逐段排除错误。

    最后，将调试好的程序固化到EPRO（系统采用微处理器、单板机、单片机时）或存入磁盘（系统采用个人微机时），供今后使用。

四、举例说明（压力采集与分析）

系统设计背景：

    压力传感器生产单位在产品出厂前必须对所生产传感器进行全检，而且压力传感器的产量很大，人工检测的方法不仅效率低，产品质量也得不到保证。于是生产单位便要求一套综合检测设备，既要满足检测效率，又要保证检测品质。


系统设计分析：

（1）深刻了解被检压力传感器特性，如供电方式，信号输出类型及范围，精度，重复性，线性，迟滞，温漂等基本参数。
（2）检测为生产的后续保障，因此检测效率应略大于生产效率。即适当选择系统每次测试传感器的数量和每次测试所需的时间，以及检测员每次安装被检传感器的时间等。此项内容一般需与生产单位工艺人员共同分析。
（3）熟悉产品检验流程和主要测试性能指标。国内一般的压力传感器生产单位的核心测试部件均为外购件，在来料检验过程中就已经对传感器进行基本检验了，而成品检验一般主要针对在生产过程中是否对传感器造成了损坏或其他项目。一般主要检测传感器的精度和线性，并按照全检原则。而重复性和温漂一般按月按比例进行抽检！、
（4）根据实际情况，进行详尽分析，此处不再赘述！

系统平台搭建：

（1）根据要求设计传感器安装工装，测试台外壳等机械部分，不再赘述！
（2）为提高检测效率，硬件设计须搭建多路数据采集系统，可使用多路模拟开关与AD采集电路搭建，成本低，设计简单，但开发周期较长，并且在稳定性与可靠性方面必须给予足够的测试。也可以使用多功能数据采集卡，如NI、研华等厂商，研发周期短，可靠性高，但成本较高。必须根据实际情况合理选择。
（3）软件平台可使用VB、VC或Labview作为开发平台，主要在于良好的人机界面、采集模块与计算机通讯总线选择，以及数据分析与处理功能。根据设计者的实际情况选择。