数据采集系统的硬件设计2.docx

1、数据采集系统的硬件设计2第一章 绪论1.1数据采集的概念 数据采集，是指从传感器和其它待测设备等模拟和数字被测单元中自动采集信息的过程。数据采集系统是结合基于计算机的测量软硬件产品来实现灵活的、用户自定义的测量系统。将模拟信号转换为数字信号、并进行存储和计算机处理显示的过程称为数据采集，而其相应的系统则称为数据采集系统(Data Acquisition System，DAS) 数据采集，又称数据获取，是利用一种装置，从系统外部采集数据并输入到系统内部的一个接口。数据采数据采集集技术广泛引用在各个领域。比如摄像头，麦克风，都是数据采集工具。 被采集数据是已被转换为电讯号的各种物理量，可以是模拟量

2、，也可以是数字量。采集一般是采样方式，即隔一定时间（称采样周期）对同一点数据重复采集。采集的数据大多是瞬时值，也可是某段时间内的一个特征值。准确的数据量测是数据采集的基础。数据量测方法有接触式和非接触式，检测元件多种多样。不论哪种方法和元件，均以不影响被测对象状态和测量环境为前提，以保证数据的正确性。数据采集含义很广，包括对面状连续物理量的采集。在计算机辅助制图、测图、设计中，对图形或图像数字化过程也可称为数据采集，此时被采集的是几何量（或包括物理量，如灰度）数据。1.2数据采集系统的发展历史 数据采集系统起始于20世纪50年代，1956年美国首先研究了用在军事上的测试系统，目标是测试中不依靠

3、相关的测试文件，由非成熟人员进行操作，并且测试任务是由测试设备高速自动控制完成的。由于该种数据采集测试系统具有高速性和一定的灵活性，可以满足众多传统方法不能完成的数据采集和测试任务，因而得到了初步的认可。大概在60年代后期，国内外就有成套的数据采集设备和系统多属于专用的系统。 20世纪70年代后期，随着微型机的发展，诞生了采集器、仪表同计算机溶为一体的数据采集系统。由于这种数据采集系统的性能优良，超过了传统的自动检测仪表和专用数据采集系统，因而获得了惊人的发展。从70年代起，数据采集系统发展过程中逐渐分为两类，一类是实验室数据采集系统，一类是工业现场数据采集系统。 20世纪80年代随着计算机的

4、普及应用，数据采集系统得到了很大的发展，开始出现了通用的数据采集与自动测试系统。该阶段的数据采集系统主要有两类，一类以仪表仪器和采集器、通用接口总线和计算机组成。这类系统主要应用于实验室，在工业生产现场也有一定的应用。第二类以数据采集卡、标准总线和计算机构成，这一类在工业现场应用较多。20世纪80年代后期，数据采集发生了很大的变化，工业计算机、单片机和大规模集成电路的组合，用软件管理，是系统的成本减低，体积变小，功能成倍增加，数据处理能力大大加强。 20世纪90年代至今，在国际上技术先进的国家，数据采集系统已成功的运用到军事、航空电子设备及宇航技术、工业等领域。由于集成电路制造技术的不断提高，

5、出现了高性能、高可靠的单片机数据采集系统（DAS）。数据采集技术已经成为一种专门的技术，在工业领域得到了广泛的应用。该阶段的数据采集系统采用模块式结构，根据不同的应用要求，通过简单的增加和更改模块，并结合系统编程，就可扩展或修改系统，迅速组成一个新的系统。 该阶段并行总线数据采集系统向高速、模块化和即插即用方向发展，典型系统有VxI总线系统，PCI、PXI总线系统等，数据位已达到32位总线宽度，采样频率可以达到100MSps。由于采用了高密度，屏蔽型，针孔式的连接器和卡式模块，可以充分保证其稳定性及可靠性，但其昂贵的价格是阻碍它在自动化领域普及的一个重要因素。但是，并行总线系统在军事等领域取得

6、了成功的应用。串行总线数据采集系统向分布式系统结构和智能化方向发展，可靠性不断提高。数据采集系统物理层通信，由于采用RS485、双绞线、电力载波、无线和光纤，所以其技术得到了不断发展和完善。其在工业现场数据采集和控制等众多领域得到了广泛的应用。，由于目前局域网技术的发展，一个工厂管理层局域网，车间层的局域网和底层的设备网已经可以有效地连接在一起，可以有效地把多台数据采集设备联在一起，以实现生产环节的在线实时数据采集与监控。 在互联网行业快速发展的今天，数据采集已经被广泛应用于互联网及分布式领域，数据采集领域已经发生了重要的变化。首先，分布式控制应用场合中的智能数据采集系统在国内外已经取得了长足

7、的发展。其次,总线兼容型数据采集插件的数量不断增大,与个人计算机兼容的数据采集系统的数量也在增加。国内外各种数据采集机先后问世，将数据采集带入了一个全新的时代。1.3数据采集器的应用根据数据采集器的使用用途不同，数据采集器大体上可分为两类：在线式数据采集器和便携式数据采集器。在线式数据采集器又可分为台式和模块式。台式、便携式数据采集器大部分由交流电源供电；模块式数据采集器大部分由直流电源供电，一般是非独立使用的，在采集器与计算机之间由电缆联接构成数据采集传输系统，一般不脱机单独使用。数据采集器的应用涉及到众多的领域。由美国PA SCO 公司生产的“科学工作室”(Science Work sho

8、p)是将数据采集应用于物理实验的崭新系统它由3部分组成：(1)传感器：利用先进的传感技术可实时采集物理实验中各物理量的数据；(2)计算机接口：将来自传感器的数据信号输入计算机，采样速率最高为25万次s；(3)软件：中文及英文的应用软件。Science Work shop数据采集器的几种应用方式：数据采集器与计算机结合提高了实验的测量精度，实现了测量数据和实验结果的自动输出，消除了传统实验仪中多次采样造成的误差；在可见度小、显示瞬间变化物理实验中的运用：在某些不易直接观察物理变化规律实验中的运用：对于易出错的物理概念，可以通过实验用数据采集器去检验；运用物理概念和规律到野外开展探究性研究活动。数

9、据采集器在物流供应链管理中的应用，便携式数据采集器的另一种类型是为扫描物体的条码符号而设计的，适合于脱机使用的场合。识读时，与在线式数据采集器相反，它是将扫描器带到条码符号前扫描，因此，又称之为手持终端机、盘点机。它由电池供电，与计算机之间的通信并不与扫描同时进行，它有自己的内部储存器，可以存储一定量的数据，并可在适当的时候将 这些数据传输给计算机。多数条码便携式数据采集器都有一定的编程能力，再配上应用程序便可成为功能很强的专用设备，从而可满足不同场合的应用需要。越来越多的物流企业将目光投向条码便携式数据采集器，国内已有一些物流企业将条码便携式数据采集器用于仓库管理、运输管理以及物品的实施跟踪

10、方面。随着条码技术的普遍推广，我国商场现代化发展迅速，商业管理电子化的水平得到极大提高，条码便携式数据采集器的市场已经形成，并有较大需求。但国内物流企业的库存(盘点)电子化仍处在一个较低水平。数据采集器在海洋站数据采集中的应用数据采集器在海洋站自动监测系统中起到中坚作用，它是海洋站业务化运行能否实现自动化的关键。目前，该领域国外数据采集器 都有一些共同点，即模块化程度高，灵活方便，稳定可靠，具有仿真功能等。但根据用途、使用环境的不同，其特点也不尽相同。结合海洋站自动监测系统的特点，使用的数据采集器具有的特性如下 ：(1)抗强弱电磁干扰，有防雷击措施；(2)设计模块化，维修方便，功耗低；(3)气

11、温、气压、风、湿度、雨量、水位、水湿和盐度等多种信号接入灵活方便；(4)加电、打印、发报等多方面的控制功能；(5)n-f靠的数据采集软件和电缆传输、电话传输、无线传输多种通信方式；(6)实用方便的仿真功能；(7)打印机、MODEM、电台、卫通等丰富的外设接入：(8)具有交直流通用、太阳能电池接入、欠压过压保护等可靠的供电电源。数据采集器在地震数据采集中的应用地震数据采集设备是数字地震台网的关键设备之一，其主要功能是将地震计输出的模拟电压按规定的格式转换为在时间上和幅度上均量化了的数字量输出，数字地震台网的几项主要技术指标都取决于地震数据采集设备的基本技术参数。我国数字地震观测系统主要采用TDE

12、一124C 型TDE一224C 型地震数据采集器。近年来，又成功研制了动态范围更大、线性度更高、兼容性更强、低功耗高可靠性的TDE一324C型地震数据采集器阎。该数据采集器对拾震计输出的电信号模拟放大后送至AD数字化，AD 采用同时采样，采样数据经DSP数字滤波处理后，变为带内的数字地震信号。数据采集器应用过采样技术以提高数据的动态范围，接收GPS信号作为时钟基准。处理后的数字地震信号、状态监测信号、时间信号经打包成为地震数据帧，通过串口送至地震数据采集器。整个采集器无设置开关和按键，所有的参数设置均通过串口与计算机相连，再由软件实现。第二章 总体方案设计利用计算机执行程序控制测试过程并进行数

13、据处理直至以适当方式给出测试结果的测试系统自动测试系统（Automated Test System ATS），它是计算机技术、数字信号处理技术、自动控制技术同测量技术相结合的结果。在工业应用中测试和处理的信息量愈来愈大，速度愈来愈高。 因测试对象的空间位置分散，测试任务复杂， 测试系统庞大，需要大量的测试基本单元， 加之，测试系统中各测试点之间以及测试点与中央管理计算机之间的信息交换量越来越大， 配合也越来越密切，对测试和控制的现场化、远程化、网络化提出了更高要求。基于现场总线、局域网和互联网的综合自动化测试系统，是自动测试技术的发展方向。用两个计算机数据采集系统构成一个网络化工业自动测试系统

14、。在电机研制、生产和维修阶段，都要进行一系列的实验来获取电机的各种物理参数和性能指标，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。而传统的测试仪表已经不能满足实验要求，因此对电机参数的数据采集和保存显得尤为重要。本文提出了采用数据采集卡，开发出一种精度和自动化程度较高的测试设备，实现了电机的电压、电流信号的实时采集、显示及保存、分析。他为电机的性能测试提供了记录分析工具，对于电

15、机有关的测试具有一定的现实意义。由于计算机与外设的数据传输限制，要实现实时、高速的数据采集与记录是设计的难题，同时要使采集的数据准确、及时的存入存储介质也是设计的难点。2.1 设计要求及功能用于数据采集成套设备的数据采集系统，计算机是数据采集系统的核心，完成对整个采集过程的控制、对采集的数据进行处理的任务。数据采集卡已经越来越广泛的用于各种系统的数据采集，数据采集卡的准确和快速性得到人们的好评，我们就会选用数据采集卡在现场把信号较高精度地转换成数字量，然后通过通信技术把数据传到计算机或者其他控制器中进行处理。它对环境的适应能力更强，可以应对各种恶劣的工业环境。 对于数据采集系统的要求：通过传感

16、器对电机的电压、电流进行实时采集，通过数据采集卡尽可能高精度的转换为数字信号传输到计算机中，计算机根据数据的信息进行分析运算通过虚拟仪表显示数据。 系统由计算机、数据采集卡、信号调理板、测控系统等组成。主要功能有:1）对稳态交、直流电量进行测量和处理；2）对转速信号进行测量和控制；3）将测试数据通过现场总线传送上位机；4）上位机完成现场数据的处理、绘制参数曲线；5）可视化虚拟仪表界面，对测量和采集参数进行实时显示；2.2 设计方案本系统设计中，提出了一种基于数据采集卡的电机数据采集设计方案，以实现电机数据的显示、分析、以及传输，计算机动态数据采集子系统由计算机、数据采集卡、三相交流电量传感器以

17、及电压和电流仪表构成，进行三相交流稳态值测量与波形分析。 系统的总体设计框图如图1所示： 图1数据采集系统框图各模块功能如下：电机：被测对象，提供电压电流等重要参数。传感器板：对电机运行稳定时的瞬态交流电量进行测量和处理。把非电的物理量转变成模拟电量，通常把传感器输出到AD转换器输出的这一段信号通道称为模拟通道。信号调制板：对初始测量量进行调制便于送入数据采集卡。为了减少在传输时的耗损，先对传输信号进行特殊处理，然后再传递。把原始的待传信号托附到高频振荡调制，将模拟转换成特殊的模拟信号。 数据采集卡：对数据进行一系列处理，高速的A/D转换。快速拾取模拟输出的子样脉冲，并保持幅值恒定，以提高AD

18、转换器的转换精度。计算机：接受数字信号，通过软件实现完成可视化虚拟仪表界面，对测量和采集参数进行实时显示并对数据的处理、绘制参数曲线。第三章 系统硬件设计基于PC的数据采集，通过模块化硬件和计算机的结合，进行测量。尽管数据采集系统根据不同的应用需求有不同的定义，但各个系统采集、分析和显示信息的目的却都相同。数据采集硬件系统整合了信号、传感器、激励器、信号调理、数据采集设备。3.1 控制电路的硬件设计 电动机是工业生产的重要设备，其性能的优劣直接影响着生产机械的运行状态，拥有先进、完善的测试系统对一个大型企业来说是至关重要的。当前随着计算机技术的飞速发展。计算机辅助测试系统在各行各业得到了广泛应

19、用回。如果将现代虚拟仪器技术引入电动机测试领域，通过虚拟仪器应用软件将计算机与标准化虚拟仪器硬件结合起来。实现传统仪器功能的软件化与模块化从而可达到自动测试与分析的目的。 三相异步电动机的工作原理，就是通过一种旋转磁场与由这种旋转磁场的感应作用在转子绕组内所感应的电流相互作用，以产生电磁转矩来实现拖动作用。三相异步电动机中实现能量转换的前提是产生一种旋转磁场，旋转磁场是一种极性和大小不变，且以一定的转速旋转的磁场。在三相异步电动机的定子上装有对称的三相绕组，在圆柱体的转子铁芯嵌有均匀分布的导体，导体两端分别用铜环把它们联接在一起。当对称三相绕组接到对称三相电源以后，即在定子、转子之间的气隙内建

20、立了以同步转速旋转的旋转磁场。由于转子上的导体被这种旋转磁场所切割，根据电磁感应定律，转子导体上会产生感应电动势。因为转子上导体以构成回路，转子导体上就有感应电动势。 三相异步电动机主要是由静止的定子和转动的转子两大部分组成。定子有定子铁心、定子绕组和机座三部分构成，定子铁心是异步电动机住磁通磁路的一部分，用于嵌放定子绕组，通过定子铁心的磁通是交变的。定子绕组是异步电动机的主要电路部分，它是由许多线圈按一定的规律联接而成。其作用是通过时变电流建立旋转磁场以实现能量转换。机座的作用是固定和支撑定子铁心并形成散热风格。转子由转子铁心、转子绕组，转轴等部分组成，转子铁心是电动机主磁通磁路的一部分，也

21、由硅钢片迭成。转子绕组的主要作用是感生电势、通过电流和产生电磁转矩。转轴的作用是支撑转子和传递机械能，它由成型线圈加工而成。定子和转子之间有一个很小的气隙，气隙的大小和异步电动机的性能关系很大。 三相异步电动的额定值主要有，额定功率（KW）指电动机在额定功运行的时输出的机械功率。额定电压（V），指电动机在额定情况下运行时，外加在定组绕组上的线电压。额定电流（A），电动机在额定电压下使用，输出额定功率时，定组绕组中的线电流。额定频率，国内异步电动机的额定频率均为50。额定转速（r/min）：电动机在额定电压、额定频率下，转轴上额定功率输出时的转子转速。额定功率与额定电压、额定电流、效率、功率因数

22、之间的关系， 。 本设计用三个继电器来控制电动机的起动和对电动机的瞬态电流和电压的数据采集。由于电动机刚起动瞬间，转子所产生的电流和电压都非常大，为了避免将仪器损坏，所以必须要等到电动机稳定后才可以对电压和电流量进行采集，即1KM控制电动机的总起动，3KM控制电动机的测试回路。控制电路硬件设计如图2所示： 图2控制电路硬件设计3.2检测电路的设计3.2.1传感器的选择 传感器是测试系统的“感觉器官”，也是虚拟仪器测试分析系统的关键部分。传感器对信息的采集，通常情况下主要是振动信号、加速度信号、速度信号、温度信号、湿度信号、压力信号、扭矩信号和电流信号、电压信号、电荷信号等，无论是机械量还是电量

23、都将被传感器转换为电量输出。根据采集的信号的不同传感器可以分为电量传感器和非电量传感器，在该系统中测试的对象是电力参数，所采用的传感器组件也都是电量传感器。传感器组件能感受或响应)规定的被测量，并将被测信号按照一定规律转换为测试系统能识别的信号。 传感器是测量装置与被测量之间的接口，处于测量系统的输入端，其性能直接影响着整个测量系统，对测量精确度起着主要的作用。作为一个重要的测试单元，传感器首先必须在它的工作频率范围内满足不失真测试的条件，即幅频特性是常数，相频特性呈线性，最好等于零。此外，在选择和使用传感器时还应该注意以下几种性能参数指标：(1) 较好的隔离性能伴随有用信号，往往存在各种干扰

24、噪声，致使信号采集过程不能得到稳定的真实信号。(2) 适当的灵敏度高意味着传感器能检测微小的信号。当被测量稍有变化，传感器就有较大的输出。但高灵敏度的传感器测量范围也较窄，较容易受噪声的干扰。(3) 足够的精确度传感器的精确度表示其输出电量与被测量的真值的一致程度。然而精确度越高，其价格也越高，对测量环境的要求也越高。(4) 高度的可靠性高的传感器能长期完成它的功能并保持其性能参数。为了保证传感器使用中的高度可靠性，除了选用设计合理、制作精良的产品外，还应该了解工作环境对传感器的影响。(5) 对被测对象的影响小传感器的工作方式有接触和非接触两种。接触式传感器工作时必须可靠地与被测对象接触或固定

25、在被测对象上，这时要求传感器与被测物之间的相互作用要小，其质量要尽可能地小，以减少传感器对被测对象运行状态的影响。非接触式传感器则无此缺点。 传感器是把非电物理量如物料、温度、液位、压力、气体特性等转换成电信号或把物理量如压力、液位等直接送到变送器。变送器则是把传感器采集到的微弱的电信号放大以便转送或启动控制元件。或将传感器输入的非电量转换成电信号同时放大以便供远方测量和控制的信号源。现在比较常用的就是霍尔电流传感器。 霍尔传感器是一种能将磁场变化转换成电量输出的磁敏传感器，主要是由半导体元器件构成，具有结构简单、体积小、动态响应范围宽、无接触和寿命长的特点和优点，在工程测试领域有着广泛的应用

26、。 霍尔电流传感器主要有以下特点:霍尔电流、电压传感器/变送器具有优越的电性能，是一种先进的、能隔离主电路回路和电子控制电路的电检测元件。它综合了互感器和分流器的所有优点，同时又克服了互感器和分流器的不足(互感器只适用于50Hz工频测量;分流器无法进行隔离测量)。利用同一只霍尔电流电压传感器/变送器模块检测元件既可以检测交流也可以检测直流，甚至可以检测瞬态峰值，因而是替代互感器和分流器的新一代产品。 霍尔传感器的工作原理是:当外界的磁场作用于霍尔片上时其敏感部分将产生一定的电动势;此信号经过差分放大再输入施密特触发器，整形后形成方波信号。霍尔元件是基于霍尔效应原理工作的。金属或半导体薄片，若在

27、它的两端通过控制电流工，并在薄片的垂直方向上施加磁感应强度为B的磁场，则在垂直于电流和磁场的方向上(即霍尔输出端之间)将产生电动势VH (霍尔电动势或霍尔电压)，这种现象称为霍尔效应。 霍尔效应的产生是由于运动电荷受磁场中洛伦兹力作用的结果。见图3.1, 假设在N型半导体薄片的电流控制端通以电流工，则在半导体中的载流子(电子)将沿着和电流相反的方向运动，若在垂直于半导体薄片平面的方向上施加磁场B，则由于洛伦兹力九的作用，电子将向一侧偏转(见图中虚线方向)，并使该侧积累负电荷，而另一侧积累正电荷，由此产生电场。该电场阻止运动电子的继续偏转。设该电场作用在运动电子上的电场力为fE，当电场力几和洛伦

28、兹力人相等时，电子的积累达到动态平衡。这时在霍尔薄片两横端面之间建立的电场称为霍尔电场，相应的电动势称为霍尔电动势玲，其与控制电流和磁场的关系为 ，式中，是霍尔常数()；I是控制电流(A);B是磁感应强度(T); d是霍尔元件的厚度(m)。 将其代人式中，则有 由上式可知，霍尔电动势的大小与控制电流和磁场的磁感应弓引的乘积成线性函数关系。KH称为霍尔元件的灵敏度(V/AT)，它表征了单位磁感应强度和单位控制电流时输出霍尔电动势的大小。霍尔元件灵敏度与元件材料的性质和几何尺寸有关。由于半导体尤其是N型半导钩的霍尔常数R_要比金属的大得多，所以实际使用中，一般都采用N型半导体材料制作霍尔元件。此外

29、，从式(5.2)可以看出，元件的厚度越薄，灵敏度就越高，所以霍尔元件一般都比较薄。霍尔传感器在使用时应注意的事项:(1) 在选用传感器模块时，要根据测量范围、测量精度、反应时间以及接线方式等参数来确定型号;(2) 在测试时要按照规定的连接方式将传感器接入测试电路;(3) 在实际测试中用户对传感器输出幅度可根据需要，进行适当调节以达到最佳效果;(4) 传感器的最佳测量精度是额定值下测量得到的，当测量值低于额定值时原边要使用多匝绕线，使总的匝数接近于额定值，从而确保在测试中获得最佳测量精度。 本设计采用霍尔电流传感器，形成霍尔电参量测量传感器，能够测量电动机设备的电流、电压的变化。 电压传感器LV

30、28P，LV28P应用霍尔原理的电压传感器，符合94V0标准的绝缘外壳，对于电压测量,原边电流与被测电压的比一定要通过一个由用户选择的外部电阻确定，并串联在传感器原边回路上。其优点在于：出色的精度，良好的线性度，低温漂，最佳的反应时间，宽频带，无插入损坏，抗干扰能力强。主要应用于：交流变频调速、伺服电极，直流电机牵引的静电转化，电池电源，不间断电源（UPS），开关电源（SMPS）和电焊机电源。使用原则，对于电压测量,原边电流与被测电压的比一定要通过一个由用户选择的外部电阻R 1确定,并串联在传感器原边回路上。 注意事项：当把LV28-P焊接在电路板上时,须用低温烙铁,焊接时间应尽量短,否则将有

31、可能造成管脚内部联线开路电路板上安装LV28-P的插孔位置必须与LV28-P脚尺寸完全吻合,不能人为挤压管脚,否则也将可能造成管脚内部联线开路 多极电流传感器LTS25-NP ，LTS25-NP也是应用霍尔原理的传感器，其系列产品的目标是找到电力电子的领域中隔离测量的良好方法。由于数字器件、处理器在电力电子领域中的广泛应用，而这些器件都是单端5V供电的，LTSR也是单端5V供电。所以有了LTSR传感器使我们可以更加贴近电力电子领域。LTS-25-NP是一种体积非常小的电流传感器，为PCB安装而设计。从新技术到新工艺角度上来说，这种产品的研发和生产都是一种挑战。 LTSR是闭环原理的传感器，它基

32、于原、副边磁场补偿原理。这就是说，由于被测量电流产生的磁通，被传感器中的HALL(霍尔)元件感应到，HALL元件产生一个感应电流，供给副边线圈，然后在磁芯中产生相反的磁通来补偿原边产生磁通。性能 应用霍尔原理的闭环(补偿)电流传感器 单极电源电压 设计紧凑便于安装在印刷线路板上 统一的测量电阻 符合 UL 94-V0标准的绝缘外壳 多测量范围 版权所有优势 出色的精度 良好的线性度 低温漂 反应时间快 频带宽度宽 无插入损耗 电流过载能力 抗外界干扰能力强应用 交流变频调速伺服电机牵引 直流电机牵引的静电转换 不间断电源 (UPS) 电焊机电源 电池电源 开关电源(SMPS) 霍尔电流传感器是测量电流的一种新型设备，该设备采用霍尔检测原理具有测量精确度高、隔离程度高、线性好、安装更换简便等优点。逐渐