摘 要： 数据采集" title="数据采集">数据采集与控制技术" title="控制技术">控制技术广泛应用于工业领域。本文介绍了数据采集与控制技术的现状，分析了数据采集控制卡" title="控制卡">控制卡常用总线形式的特点，阐述了研华" title="研华">研华数据采集控制卡产品的特点，展望了数据采集与控制技术的发展方向。

关键词： 数据采集与控制技术 研华  数据采集控制卡

数据采集与控制技术的现状
数据采集与控制技术是信息科学的一个重要分支，它研究数据的采集、存储、处理以及控制等作业。在智能仪器、信号处理以及工业自动控制等领域都存在着数据的采集与控制问题。将被测对象的各种参量检测采集后，转换为数字信号，送到计算机进行存储、分析和处理，这一过程称为“数据采集”，相应的系统称为数据采集系统。控制系统通过给定信号与采集信号的关系，根据控制算法输出控制信号控制系统的执行机构，构成系统控制回路，这一过程称为系统的控制。
根据输入输出信号种类的不同，数据采集与控制系统可分为模拟量输入输出系统与数字量输入输出系统。对于前者，在工程中比较关注输入模式（单端或差分）、分辨率、输入范围、采集速率、精度与噪声等指标；而对于后者，通常比较关注数字量的类型（TTL电平或隔离量）、输入输出速度、并行操作位数与驱动能力等指标。
根据系统结构的不同，数据采集控制系统可分为集中式数据采集控制系统与分布式数据采集控制系统。前者的特点是现场进行数据的采集、处理与控制，上位机与被测对象的位置较近，实时性强，适用于上位机与被测对象距离较短且对采集速度要求较高的场合。后者对被测设备进行数据采集并转换为数字信号，经由现场总线上传至上位机，经上位机进行处理后，对现场设备进行控制，适用于对多个现场设备进行远程监控与维护的场合。
研华数据采集板卡
在过去的23年中，研华公司推出了大量工业自动化" title="工业自动化">工业自动化产品，积累了丰富的设计制造经验，已经成为全球领先的工业自动化产品供应商，能够提供各种工业数据采集控制产品。在集中式数据采集控制方面，研华提供了种类丰富的数据采集控制卡，涵盖了各种常用的总线形式，功能搭配形式多样，可以满足不同用户的需求。在分布式数据采集控制方面，研华公司也提供各种功能的采集模块，包括基于串行通信的ADAM-4000系列模块与基于以太网的ADAM-6000系列模块。本文主要介绍研华公司的数据采集控制卡。
从总线形式方面来看，数据采集卡可分为ISA总线、PCI总线、CompactPCI(CPCI)总线、PC-104总线等形式。
对于工业控制与采集系统来说，ISA总线是一个非常经济实用的实现方案，其8MHz主频能满足大部分机电控制的要求，允许多个CPU共享系统资源，在上世纪80年代被广泛应用。研华公司的PCL系列板卡就是基于ISA总线的。但由于它存在着接口速度较慢、需要用户手动配置系统资源、不能实现板卡的即插即用等不足，已经逐渐被淘汰。
ISA总线的继任者PCI总线早在上世纪90年代就已经出现。PCI总线是Intel公司开发的一套局部总线系统，它支持32位或64位总线宽度，频率通常是33MHz。目前最快的PCI 2.0总线速度是66MHz。PCI总线还支持即插即用，系统会自动为PCI板卡分配中断和基地址，无需用户费心。它代表了一种更先进的总线技术，也是目前主流的总线形式。研华公司的PCI系列板卡使用的就是PCI总线。
随着任务关键工业过程的不断发展和完善，工业自动化客户越来越注重系统的可靠性，CompactPCI总线应运而生。它是由PICMG制定的一种开放式技术规范，融合PCI总线的电气规范、标准针孔连接器和欧式卡规范，将PCI标准特性与坚固的机械外型完美地结合在一起，既具有常规IPC中PCI总线的高性能，又具有欧式卡结构的高可靠性，适合于对可靠性要求较高场合。研华基于CPCI总线的种类丰富的MIC系列采集板卡及工业级CPCI总线机箱为恶劣工业环境下的应用(如交通、军工、航空电子、工业自动化和自动测试领域的应用)提供了最佳的解决方案。
随着嵌入式系统在工业自动化领域的不断推广，用户对嵌入式总线采集板卡的需求也越来越多。PC-104总线是目前最常用的一种嵌入式总线规范。研华基于PC-104总线的PCM系列数据采集卡为嵌入式系统中的应用提供了可靠的产品。
以上四种总线形式的板卡在使用时都需要关闭工控机，插入板卡，再重新开机。而USB总线数据采集卡的出现打破了这种局面。USB总线并不是一种新的总线标准，而是电脑系统连接外围设备的输入/输出接口标准。研华公司的USB总线数据采集控制卡具有采集速度高、使用方便等优点。
从功能上分，研华公司的数据采集控制卡包括模拟量采集控制卡、数字量采集控制卡和集多种功能于一身的多功能采集控制卡，同时某些型号的数据采集控制卡还拥有高速、高增益、多通道采集等特性。不同的功能与不同的总线形式相结合构成种类丰富的组合，可以满足不同工业现场的需求。下面介绍几款深受客户欢迎的研华公司的数据采集控制卡。
PCL-818系列板卡是ISA总线多功能数据采集控制卡，分为PCL-818L/H/HD/HG四种型号。它们共有的特点是可以进行16路单端或8路差分模拟量采集，分辨率为12位，带DMA的自动通道/增益扫描功能，带有16路数字量输入通道与16路数字量输出通道及1个16位定时/计数器，可通过软件选择模拟量输入范围，具有软件触发、Pacer触发与外部触发三种A/D转换触发方式，A/D转换后的数据转移方式可采用查询方式、中断方式或DMA方式。其中，PCL-818L是一款低成本板卡，采样速率为40kHz，只支持双极性输入，可满足用户的低成本需求。PCL-818HG带有一个可编程的信号放大器，最大增益可以达到1000，可用来采集微弱的模拟信号。PCL-818HD可以确保在所有增益及输入范围内达到100kHz的采样率。
如前文所述，ISA总线由于自身的局限已逐渐被PCI总线所替代，研华公司的PCI总线数据采集控制卡种类更为丰富，功能更为强大。
PCI-1710系列数据采集控制卡是PCI总线多功能数据采集控制卡，分为PCI-1710/L/HG/HGL四种型号，先进的电路设计使得它具有更高的质量和更多的功能。PCI-1710系列板卡可以进行16路单端或8路差分模拟量采集，与PCL-818系列板卡不同，PCI-1710系列板卡可以自由组合单端或差分输入方式。它的分辨率为12位，最高采样速率可达100SPS。板载的4KB FIFO缓冲器提供了连续高速的数据输入及Windows下更可靠的性能。此外，该系列产品还带有16路数字量输入通道与16路数字量输出通道及1个可编程定时/计数器。PCI-1710及PCI-1710HG还带有两路模拟量输出，并可对每个模拟量输入通道的增益进行编程，还在+12V(DC)与+5V（DC）输出管脚处提供了短路保护器件，当短路发生时，短路保护器件可以自动断开，停止输出电流，直到短路被清除两分钟后，管脚才开始输出电流。此外，专门为PCI-1710/HG设计的PCL-10186电缆可以最大限度地降低信号的噪声。该电缆采用双绞线，并且模拟信号与数字信号是分开屏蔽的，使信号间的交叉干扰降到了最小，并使EMI/EMC问题得到了最终的解决。
在一些工业场合需要对信号进行高速采集，PCI-1714即可满足这种需求。它的采样速率最高可达30MSPS，32KB的板载FIFO可以实现更快速的数据转换。它支持DMA数据传输，可将连续的高速数据直接导入主存储口而不需CPU的参与，支持高速和无空隙数据采集。它使用4组同样的电路和A/D转换芯片实现各通道的同步采集，当输入信号的时间关系非常重要的时候，可实现多通道的同步采集。
上述几款采集控制卡的分辨率都是12位的。研华还拥有高分辨率数据采集控制卡如PCI-1716，其分辨率为16位。
以上介绍了几款研华公司的ISA与PCI数据采集卡，在研华的数据采集控制产品中还包括功能强大的CPCI总线、PC-104总线与USB总线形式的数据采集控制卡。由于篇幅所限，下面仅介绍一款USB多功能数据采集控制模块USB-4711。USB-4711可进行模拟量与数字量的输入、输出，拥有一般数据采集控制卡的全部功能。它支持USB2.0接口，使用时不需要任何外接电源，用户可以像使用其他USB设备一样方便快捷地进行信号的采集与系统的控制。
研华的数据采集控制产品不仅有稳定可靠的硬件设计，而且配有种类齐全的驱动软件及应用例程，可以使用户方便地将研华的产品应用到自己的系统中，极大地缩减了系统的开发周期。研华的数据采集控制产品配有Windows操作系统与Linux系统下的驱动软件，方便了用户在不同操作系统下的应用。讲解详细的设备驱动手册和丰富的VC、BC、BCB及LabVIEW等不同编程语言下的例程，使用户可以随意选择自己熟悉的编程语言，快速地编写出应用程序。
数据采集技术发展趋势
随着工业技术的不断发展，工业领域对数据采集控制产品的要求将不断提高。下面介绍数据采集控制产品的发展趋势。
首先，在数据采集控制卡方面，ISA总线板卡将逐渐被采集速度更高、使用更方便的PCI总线板卡所取代。为了应对这一趋势，研华公司
针对自己的每一款ISA总线数据采集控制卡都推出了对应的PCI总线板卡，产品价格的涨幅大多在10%以内，且原产品的端子板等配件都无需更换，用户也不必重新开发应用程序，可以实现从ISA到PCI的无缝升级。
其次，数据采集与控制技术越来越多地被应用到野外、深海等环境恶劣的工业控制场合，这些场合往往不能提供稳定的外接电源，只能靠电池供电，这就对系统的功耗提出了严格的要求，低功耗数据采集控制设备的需求会不断提高。研华公司开发了很多低功耗数据采集控制产品来满足用户在这方面的需求。
最后，在分布式数据采集应用方面，采集设备与控制器间的通讯方式将从传统的串行通讯向网络通讯甚至无线通讯方式转变。为了应对这种变化，研华公司推出了基于以太网的ADAM-6000数据采集控制模块与基于无线局域网的ADAM-6000W系列模块，走在了数据采集技术网络化、无线化的前沿。
总之，无论数据采集技术今后走向何方，研华公司将秉承“开放式eAutomation无缝整和”的理念，提供优质的产品与满意的服务，树立华人工业自动化第一品牌。
参考文献
[1] 肖忠祥.数据采集原理.西安：西北工业大学出版社，2001.
[2] 研华（中国）培训中心.数据采集应用与编程，2004.