摘 要： 數據采集" title="數據采集">數據采集與控制技術" title="控制技術">控制技術廣泛應用于工業領域。本文介紹了數據采集與控制技術的現狀，分析了數據采集控制卡" title="控制卡">控制卡常用總線形式的特點，闡述了研華" title="研華">研華數據采集控制卡產品的特點，展望了數據采集與控制技術的發展方向。
關鍵詞： 數據采集與控制技術 研華? 數據采集控制卡
數據采集與控制技術的現狀
數據采集與控制技術是信息科學的一個重要分支，它研究數據的采集、存儲、處理以及控制等作業。在智能儀器、信號處理以及工業自動控制等領域都存在著數據的采集與控制問題。將被測對象的各種參量檢測采集后，轉換為數字信號，送到計算機進行存儲、分析和處理，這一過程稱為“數據采集”，相應的系統稱為數據采集系統。控制系統通過給定信號與采集信號的關系，根據控制算法輸出控制信號控制系統的執行機構，構成系統控制回路，這一過程稱為系統的控制。
根據輸入輸出信號種類的不同，數據采集與控制系統可分為模擬量輸入輸出系統與數字量輸入輸出系統。對于前者，在工程中比較關注輸入模式（單端或差分）、分辨率、輸入范圍、采集速率、精度與噪聲等指標；而對于后者，通常比較關注數字量的類型（TTL電平或隔離量）、輸入輸出速度、并行操作位數與驅動能力等指標。
根據系統結構的不同，數據采集控制系統可分為集中式數據采集控制系統與分布式數據采集控制系統。前者的特點是現場進行數據的采集、處理與控制，上位機與被測對象的位置較近，實時性強，適用于上位機與被測對象距離較短且對采集速度要求較高的場合。后者對被測設備進行數據采集并轉換為數字信號，經由現場總線上傳至上位機，經上位機進行處理后，對現場設備進行控制，適用于對多個現場設備進行遠程監控與維護的場合。
研華數據采集板卡
在過去的23年中，研華公司推出了大量工業自動化" title="工業自動化">工業自動化產品，積累了豐富的設計制造經驗，已經成為全球領先的工業自動化產品供應商，能夠提供各種工業數據采集控制產品。在集中式數據采集控制方面，研華提供了種類豐富的數據采集控制卡，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。在分布式數據采集控制方面，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的ADAM-6000系列模塊。本文主要介紹研華公司的數據采集控制卡。
從總線形式方面來看，數據采集卡可分為ISA總線、PCI總線、CompactPCI(CPCI)總線、PC-104總線等形式。
對于工業控制與采集系統來說，ISA總線是一個非常經濟實用的實現方案，其8MHz主頻能滿足大部分機電控制的要求，允許多個CPU共享系統資源，在上世紀80年代被廣泛應用。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、需要用戶手動配置系統資源、不能實現板卡的即插即用等不足，已經逐漸被淘汰。
ISA總線的繼任者PCI總線早在上世紀90年代就已經出現。PCI總線是Intel公司開發的一套局部總線系統，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，系統會自動為PCI板卡分配中斷和基地址，無需用戶費心。它代表了一種更先進的總線技術，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。
隨著任務關鍵工業過程的不斷發展和完善，工業自動化客戶越來越注重系統的可靠性，CompactPCI總線應運而生。它是由PICMG制定的一種開放式技術規范，融合PCI總線的電氣規范、標準針孔連接器和歐式卡規范，將PCI標準特性與堅固的機械外型完美地結合在一起，既具有常規IPC中PCI總線的高性能，又具有歐式卡結構的高可靠性，適合于對可靠性要求較高場合。研華基于CPCI總線的種類豐富的MIC系列采集板卡及工業級CPCI總線機箱為惡劣工業環境下的應用(如交通、軍工、航空電子、工業自動化和自動測試領域的應用)提供了最佳的解決方案。
隨著嵌入式系統在工業自動化領域的不斷推廣，用戶對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范。研華基于PC-104總線的PCM系列數據采集卡為嵌入式系統中的應用提供了可靠的產品。
以上四種總線形式的板卡在使用時都需要關閉工控機，插入板卡，再重新開機。而USB總線數據采集卡的出現打破了這種局面。USB總線并不是一種新的總線標準，而是電腦系統連接外圍設備的輸入/輸出接口標準。研華公司的USB總線數據采集控制卡具有采集速度高、使用方便等優點。
從功能上分，研華公司的數據采集控制卡包括模擬量采集控制卡、數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，同時某些型號的數據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合構成種類豐富的組合，可以滿足不同工業現場的需求。下面介紹幾款深受客戶歡迎的研華公司的數據采集控制卡。
PCL-818系列板卡是ISA總線多功能數據采集控制卡，分為PCL-818L/H/HD/HG四種型號。它們共有的特點是可以進行16路單端或8路差分模擬量采集，分辨率為12位，帶DMA的自動通道/增益掃描功能，帶有16路數字量輸入通道與16路數字量輸出通道及1個16位定時/計數器，可通過軟件選擇模擬量輸入范圍，具有軟件觸發、Pacer觸發與外部觸發三種A/D轉換觸發方式，A/D轉換后的數據轉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帶有一個可編程的信號放大器，最大增益可以達到1000，可用來采集微弱的模擬信號。PCL-818HD可以確保在所有增益及輸入范圍內達到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總線數據采集控制卡種類更為豐富，功能更為強大。
PCI-1710系列數據采集控制卡是PCI總線多功能數據采集控制卡，分為PCI-1710/L/HG/HGL四種型號，先進的電路設計使得它具有更高的質量和更多的功能。PCI-1710系列板卡可以進行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100SPS。板載的4KB FIFO緩沖器提供了連續高速的數據輸入及Windows下更可靠的性能。此外，該系列產品還帶有16路數字量輸入通道與16路數字量輸出通道及1個可編程定時/計數器。PCI-1710及PCI-1710HG還帶有兩路模擬量輸出，并可對每個模擬量輸入通道的增益進行編程，還在+12V(DC)與+5V（DC）輸出管腳處提供了短路保護器件，當短路發生時，短路保護器件可以自動斷開，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設計的PCL-10186電纜可以最大限度地降低信號的噪聲。該電纜采用雙絞線，并且模擬信號與數字信號是分開屏蔽的，使信號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。
在一些工業場合需要對信號進行高速采集，PCI-1714即可滿足這種需求。它的采樣速率最高可達30MSPS，32KB的板載FIFO可以實現更快速的數據轉換。它支持DMA數據傳輸，可將連續的高速數據直接導入主存儲口而不需CPU的參與，支持高速和無空隙數據采集。它使用4組同樣的電路和A/D轉換芯片實現各通道的同步采集，當輸入信號的時間關系非常重要的時候，可實現多通道的同步采集。
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據采集控制卡如PCI-1716，其分辨率為16位。
以上介紹了幾款研華公司的ISA與PCI數據采集卡，在研華的數據采集控制產品中還包括功能強大的CPCI總線、PC-104總線與USB總線形式的數據采集控制卡。由于篇幅所限，下面僅介紹一款USB多功能數據采集控制模塊USB-4711。USB-4711可進行模擬量與數字量的輸入、輸出，擁有一般數據采集控制卡的全部功能。它支持USB2.0接口，使用時不需要任何外接電源，用戶可以像使用其他USB設備一樣方便快捷地進行信號的采集與系統的控制。
研華的數據采集控制產品不僅有穩定可靠的硬件設計，而且配有種類齊全的驅動軟件及應用例程，可以使用戶方便地將研華的產品應用到自己的系統中，極大地縮減了系統的開發周期。研華的數據采集控制產品配有Windows操作系統與Linux系統下的驅動軟件，方便了用戶在不同操作系統下的應用。講解詳細的設備驅動手冊和豐富的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，快速地編寫出應用程序。
數據采集技術發展趨勢
隨著工業技術的不斷發展，工業領域對數據采集控制產品的要求將不斷提高。下面介紹數據采集控制產品的發展趨勢。
首先，在數據采集控制卡方面，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。為了應對這一趨勢，研華公司
針對自己的每一款ISA總線數據采集控制卡都推出了對應的PCI總線板卡，產品價格的漲幅大多在10%以內，且原產品的端子板等配件都無需更換，用戶也不必重新開發應用程序，可以實現從ISA到PCI的無縫升級。
其次，數據采集與控制技術越來越多地被應用到野外、深海等環境惡劣的工業控制場合，這些場合往往不能提供穩定的外接電源，只能靠電池供電，這就對系統的功耗提出了嚴格的要求，低功耗數據采集控制設備的需求會不斷提高。研華公司開發了很多低功耗數據采集控制產品來滿足用戶在這方面的需求。
最后，在分布式數據采集應用方面，采集設備與控制器間的通訊方式將從傳統的串行通訊向網絡通訊甚至無線通訊方式轉變。為了應對這種變化，研華公司推出了基于以太網的ADAM-6000數據采集控制模塊與基于無線局域網的ADAM-6000W系列模塊，走在了數據采集技術網絡化、無線化的前沿。
總之，無論數據采集技術今后走向何方，研華公司將秉承“開放式eAutomation無縫整和”的理念，提供優質的產品與滿意的服務，樹立華人工業自動化第一品牌。
參考文獻
[1] 肖忠祥.數據采集原理.西安：西北工業大學出版社，2001.
[2] 研華（中國）培訓中心.數據采集應用與編程，2004.