數據采集

基本簡介

數據采集，又稱數據獲取，是利用一種裝置，從系統外部采集數據并輸入到系統内部的一個接口。數據采集技術廣泛應用在各個領域。比如攝像頭，麥克風，都是數據采集工具。

被采集數據是已被轉換為電訊号的各種物理量，如溫度、水位、風速、壓力等，可以是模拟量，也可以是數字量。采集一般是采樣方式，即隔一定時間（稱采樣周期）對同一點數據重複采集。采集的數據大多是瞬時值，也可是某段時間内的一個特征值。準确的數據量測是數據采集的基礎。數據量測方法有接觸式和非接觸式，檢測元件多種多樣。不論哪種方法和元件，均以不影響被測對象狀态和測量環境為前提，以保證數據的正确性。數據采集含義很廣，包括對面狀連續物理量的采集。在計算機輔助制圖、測圖、設計中，對圖形或圖像數字化過程也可稱為數據采集，此時被采集的是幾何量（或包括物理量，如灰度）數據。

在互聯網行業快速發展的今天，數據采集已經被廣泛應用于互聯網及分布式領域，數據采集領域已經發生了重要的變化。首先，分布式控制應用場合中的智能數據采集系統在國内外已經取得了長足的發展。其次，總線兼容型數據采集插件的數量不斷增大，與個人計算機兼容的數據采集系統的數量也在增加。國内外各種數據采集機先後問世，将數據采集帶入了一個全新的時代。

生産數據

智能制造離不開車間生産數據的支撐。在制造過程中，數控機床不僅是生産工具和設備，更是車間信息網絡的節點，通過機床數據的自動化采集、統計、分析和反饋，将結果用于改善制造過程，将大大提高制造過程的柔性和加工過程的集成性，從而提升産品生産過程的質量和效率。蓋勒普MDC系統幫助企業解決了這一難題。

生産數據及設備狀态信息采集分析管理系統MDC（Manufacturing Data Collection & Status Management）主要用于采集數控機床和其他生産設備的工作和運行狀态數據，實現對設備的監視與控制，并對采集的數據進行分析處理，也可為MES和ERP等其他軟件提供數據支持。MDC系統是機床數據采集系統和機床數據分析處理系統的集成，是具有數據采集，機床監控，數據分析處理，報表輸出等功能的車間應用管理和決策支援系統。

MDC通過與數控系統、PLC系統、以及機床電控部分的智能化集成，實現對機床數據采集部分的自動化執行，不需要操作人員的手動輸入，這樣保障了數據的實時性和準确性。在采集數據的挖掘方面，MDC為企業提供了更為專業化的分析和處理，個性化的數據處理和豐富的圖形報表展示，對機床和生産相關的關鍵數據進行統計和分析，如開機率、主軸運轉率、主軸負載率、NC運行率、故障率、設備綜合利用率(OEE)、設備生産率、零部件合格率、質量百分比等。精确的數據及時傳遞并分散到相關流程部門處理，實時引導、響應和報告車間的生産動态，極大提升了解決問題的能力，推進了企業車間智能制造的進程。

原理

在計算機廣泛應用的今天，數據采集的重要性是十分顯着的。它是計算機與外部物理世界連接的橋梁。各種類型信号采集的難易程度差别很大。實際采集時，噪聲也可能帶來一些麻煩。數據采集時，有一些基本原理要注意，還有更多的實際的問題要解決。

假設對一個模拟信号x(t）每隔Δt時間采樣一次。時間間隔Δt被稱為采樣間隔或者采樣周期。它的倒數1/Δt被稱為采樣頻率，單位是采樣數/每秒。t=0，Δt,2Δt,3Δt……等等，x(t）的數值就被稱為采樣值。所有x(0),xΔt),x（2Δt）都是采樣值。根據采樣定理，最低采樣頻率必須是信号頻率的兩倍。反過來說，如果給定了采樣頻率，那麼能夠正确顯示信号而不發生畸變的最大頻率叫做奈奎斯特頻率，它是采樣頻率的一半。如果信号中包含頻率高于奈奎斯特頻率的成分，信号将在直流和奈奎斯特頻率之間畸變。

采樣率過低的結果是還原的信号的頻率看上去與原始信号不同。這種信号畸變叫做混疊（alias）。出現的混頻偏差（aliasfrequency）是輸入信号的頻率和最靠近的采樣率整數倍的差的絕對值。

采樣的結果将會是低于奈奎斯特頻率(fs/2=50Hz）的信号可以被正确采樣。而頻率高于50HZ的信号成分采樣時會發生畸變。分别産生了30、40和10Hz的畸變頻率F2、F3和F4。計算混頻偏差的公式是：

混頻偏差=ABS(采樣頻率的整數倍－輸入頻率）

其中ABS表示“絕對值”

為了避免這種情況的發生，通常在信号被采集（A/D）之前，經過一個低通濾波器，将信号中高于奈奎斯特頻率的信号成分濾去。這個濾波器稱為抗混疊濾波器。

采樣頻率應當怎樣設置。也許可能會首先考慮用采集卡支持的最大頻率。但是，較長時間使用很高的采樣率可能會導緻沒有足夠的内存或者硬盤存儲數據太慢。理論上設置采樣頻率為被采集信号最高頻率成分的2倍就夠了，實際上工程中選用5～10倍，有時為了較好地還原波形，甚至更高一些。

通常，信号采集後都要去做适當的信号處理，例如FFT等。這裡對樣本數又有一個要求，一般不能隻提供一個信号周期的數據樣本，希望有5～10個周期，甚至更多的樣本。并且希望所提供的樣本總數是整周期個數的。這裡又發生一個困難，并不知道，或不确切知道被采信号的頻率，因此不但采樣率不一定是信号頻率的整倍數，也不能保證提供整周期數的樣本。所有的僅僅是一個時間序列的離散的函數x(n）和采樣頻率。這是測量與分析的唯一依據。數據采集卡，數據采集模塊，數據采集儀表等，都是數據采集工具。

現場采集

對于大部分制造業企業，測量儀器的自動數據采集一直是個令人煩惱的事情，即使儀器已經具有RS232/485等接口，但仍然在使用一邊測量，一邊手工記錄到紙張，最後再輸入到PC中處理的方式，不但工作繁重，同時也無法保證數據的準确性，常常管理人員得到的數據已經是滞後了一兩天的數據；而對于現場的不良産品信息及相關的産量數據，如何實現高效率、簡潔、實時的數據采集更是一大難題。

采集功能

·實時采集來自生産線的産量數據或是不良品的數量、或是生産線的故障類型（如停線、缺料、品質），并傳輸到數據庫系統中；

·接收來自數據庫的信息：如生産計劃信息、物料信息等；

·傳輸檢查工位的不良品名稱及數量信息；

·連接檢測儀器，實現檢測儀器數字化，數據采集儀自動從測量儀器中獲取測量數據，進行記錄，分析計算，形成相應的各類圖形，對測量結果進行自動判斷，如在機械加工零部件的跳動測量，拉力計拉力曲線的繪制等；

采集特點

·配備RS232、RS485串口，可連接多個檢測儀器實現自動數據采集；

·配備USB接口，方便數據的輸出；

·配備RJ45接口，可通過網線接入網絡；

·配備VGA視頻輸出及音頻輸出接口；

·内置WIFI模塊，可通過無線方式接入，方便現場組網；

·最大支持32G數據存儲空間；

·配備4.3英寸觸摸屏，方便操作；

·用戶可在網絡中的任一PC通過接口獲取數據，方便進行二次開發；

·可移動測量，即時傳輸數據，也可測試完成後，通過網絡上傳數據；

·電源連續工作時間6小時，待機時間長達10天；生産現場數據采集在品質過程中的非常重要的一個環節，好的數據采集方案可把品質管理人員從處理數據的繁重工作中解放出來，有更多的時間去解決實際的品質問題，同時即時的數據采集也使系統真正地實現實時監控，盡早發現問題，避免更大的損失。

系統實例

簡介

在一些工業現場中，設備長時間運行容易出現故障，為了監控這些設備，通常利用數據采集裝置采集他們

運行時的數據并送給PC機，通過運行在PC機上的特定軟件對這些數據進行分析，以此判斷當前運行設備的狀況，進而采取相應措施。當前常用的數據采集裝置，在其系統軟件設計中，多采用單任務順序機制。這樣就存在系統安全性差的問題。這對于穩定性、實時性要求很高的數據采集裝置來說是不允許的，因此有必要引入嵌入式操作系統。下面以μC/OSⅡ為操作系統平台，基于ARM7系列處理器，對一種高性能的數據采集系統開發進行探索。

操作系統簡介

嵌入式操作系統μC/OSⅡ（microcontrolleroperatingsystem）是專為微控制器系統和軟件開發而設計的公開源代碼的搶占式實時多任務操作系統内核，是一段微控制器啟動後首先執行的背景程序，作為整個系統的框架貫穿系統運行的始終。對于對實時性和穩定性要求很高的數據采集系統來說，引入μC/OSⅡ無疑将大大改善其性能。

μC/OSⅡ的特點可以概括為以下幾個方面：公開源代碼，代碼結構清晰、明了，注釋詳盡，組織有條理，可移植性好，可裁剪，可固化。内核屬于搶占式，最多可以管理60個任務。μC/OSⅡ自1992年的第一版（μC/OS）以來已經有好幾百個應用，是一個經實踐證明好用且穩定可靠的内核。對μC/OSⅡ的研究和應用都很多。

系統基本工作原理

應用時，數據采集系統置于被監控的設備處，通過傳感器對設備的電壓或者電流信号進行采樣、保持，并送入A/D轉換器變成數字信号，然後将該信号送到FIFO中。當FIFO中存放的數據到了一定數目時，由ARM7從FIFO中讀出，然後通過ARM7的以太網接口或者RS232送給上位機。考慮到要監控的設備可能會很多，所以設計了多路采集通道，他們經過模拟開關後再進入A/D轉換器。CPLD是整個系統的控制核心，他控制采集通道的切換、A/D轉換器的啟/停、轉換後的數據在FIFO中的存放地址發生器、産生中斷請求以通知ARM7讀取存放在FIFO中的數據等。

系統硬件結構

該系統采用了Samsung公司的S3C4510B作為系統與上位機溝通的橋梁，S3C4510B是基于以太網應用系統的高性價比16/32位RISC微控制器，他有如下幾個主要特點：

硬件方面内含一個由ARM公司設計的16/32位ARM7TDMIRISC處理器核，ARM7TDMI為低功耗、高性能的16/32核，最适合用于對價格及功耗敏感的應用場合。S3C4510B通過在ARM7TDMI核内容基礎上擴展一系列完整地通用外圍器件。

片上資源包括2個帶緩沖描述符（bufferdescriptor）的HDLC通道；2個UART通道；2個GDMA通道；2個32位定時器；18個可編程的I/O口。還有中斷控制器；DRAM/SDRAM控制器；ROM/SRAM和FLASH控制器；系統管理器；1個内部32位系統總線仲裁器；1個外部存儲器控制器等片内的邏輯控制電路。

這些為μC/OSⅡ的移植提供了優良的物理資源。

軟件支持方面他有配套的代碼編輯調試環境ADS12和JTAG在線調試功能，使S3C4510B芯片軟件可以直接用C編寫，這就使μC/OSⅡ的植入成為可能。

12位高速A/D轉換電路采用AnalogDevices的AD574，該電路輸出具有三态鎖存功能。預處理電路包括了電流電壓互感器、隔離電路和同步采樣電路，他可以将信号轉換成與AD574相匹配的量值，供後續處理。通訊電路采用常用的以太網接口與上位機相連，而232接口可作為備用，這樣該裝置既可作為便攜式系統使用，也可通過網絡來對設備實施實時監控。

軟件設計

軟件部分要分别編寫S3C4510B部分的程序和CPLD控制程序。前者可分為μC/OSⅡ的移植和各個應用程序的編寫，後者用VHDL語言實現。

對于S3C4510B部分，根據整個裝置實現的功能和對他的要求進行系統任務分割，并根據實際需要為各個任務分配優先級。系統大緻可分為如下幾個任務：初始化CPLD控制參數；對FIFO的讀取；與上位機的TCP/IP通訊；與上位機的串口通訊。對應每個任務，需要編寫相應的應用程序，軟件設計部分的關鍵技術有：

⑴μC/OSⅡ内核向S3C4510B中的移植，要根據處理器的特點合理地修改μC/OSⅡ的3個與處理器相關的文件：OS_CPUH，OS_CPU_AASM，OS_CPU_C.C。主要是将文件中的彙編指令，改為ARM7的彙編指令，并根據CPU的特點對文件中寄存器的初值進行改寫。

⑵内存配置問題。對于存儲器容量的設計，要綜合考慮μC/OSⅡ内核代碼和應用程序代碼的大小。每個任務是獨立運行的，必須給每個任務提供單獨的棧空間（RAM），RAM總量的計算公式為：

RAM總量=應用程序的RAM需求+内核數據區的RAM需求+各任務棧需求之總和+最多中斷嵌套所需堆棧。

⑶TCP/IP協議在μC/OSⅡ中的實現。為了滿足嵌入式設備與Internet網絡直接交換信息的要求，在μC/OSⅡ中又移植了LwIP協議棧。

LwIP是瑞士計算機科學院（SwedishInstituteofComputerScience）的AdamDunkels等開發的一套用于嵌入式系統的開放源代碼TCP/IP協議棧。LwIP的含義是LightWeight（輕型）IP協議。LwIP可以移植到操作系統上，也可以在無操作系統的情況下獨立運行。LwIPTCP/IP實現的重點是在保持TCP協議主要功能的基礎上減少對RAM的占用，一般他隻需要幾十k的RAM和40k左右的ROM就可以運行，這使LwIP協議棧适合在低端嵌入式系統中使用。

LwIP的特性有：支持多網絡接口下的IP轉發；支持ICMP協議；包括實驗性擴展的的UDP（用戶數據報協議）；包括阻塞控制、RTT估算、快速恢複和快速轉發的TCP（傳輸控制協議）；提供專門的内部回調接口（rawAPI）用于提高應用程序性能。

LwIP可以很容易地在μC/OSⅡ的調度下，為系統增加網絡通信和網絡管理功能。LwIP協議棧在設計時就考慮到了将來的移植問題，他把所有與硬件，OS，編譯器相關的部份獨立出來，放在/src/arch目錄下。因此LwIP在μC/OSⅡ上的實現就是修改這個目錄下的文件，其他的文件一般不應該修改。在驅動中主要是根據S3C4510B内的以太網控制特殊功能寄存器，編寫網絡接口的處發送包、接收包函數，初始化以及用于以太網控制器的外部中斷服務程序。

産品采購

數據采集器也稱為盤點機或者掌上移動電腦，它的主要特征是一體性和機動性，具有小巧的體型，較輕的重量，性能完善齊全，可以手持操作。時下用手機掃描條碼将數據錄入智能手機當中，可以視為典型一例，實在是方便實用。在實際應用，如何選擇條碼數據采集器呢？

首先，了解數據采集器的基本知識，方能選擇好。其實它就是将掃描及數據實現一體化，由于可通過電池工作，因此數據采集器支持離線操作。它還支持實時采集和顯示、對數據進行儲存、傳輸及處理自動化的功能，使數據準确及時，實用可靠。

下面了解數據采集選購的時候要知道的兩個類型

選擇條碼采集器設備時候，要知道一般分有手持型和固定型，還分有批處理和無線型。

手持的，顧名思義就可以拿在手上移動采集條碼數據的，而固定型則是固定在某一處的。

批處理型數據采集器支持USB及串口數據線，與計算機實現通信，支持離線工作。無線數據采集器則是通過無線網絡随時與本地應用服務器連接并更新。批處理方式在條碼采集完畢之後，通過通訊座向電腦傳輸信息。無線方式則支持與個人計算機實時交換數據。一般情況下，單獨進行批處理的條形碼采集器價格相對無線采集的要低點，選擇哪種類型，這個根據實際使用情況來決定使用那種類型。

選擇數據采集器還應注意容量和速度因素

每當使用數據采集器的時候，會碰到所要采集的數據多少的問題，如果數據量大，則需要選擇大容量的、其實是處理的速度。由于數字電路高端技術的不斷研發，在采集器主要結構中，CPU一般是采用十六或三十二位的處理器，而位數和主頻越高，采集器對數據的采集和處理能力、速度則越強要，工作效率越高。内存上則大部分使用的是FLASH-ROM+RAM型，能夠在持久的不供電情況下保留信息，而且較快的讀寫速度保證了操作的高效，内存容量的增大使數據一次性處理增快。

尤其是數據量比較大的時候，容量和運行速度是事先都要預算好的。

是否需要支持大屏幕、大容量電池

一些應用場合需要大點的采集器屏幕，以便使用人員能夠随時輕松查看到數據。同時有些場合需要長時間連續使用，這個時候就要考慮電池的供電能力，能供多長時間就要重新充電。條碼采集設備、顯示屏、CPU都能夠帶來功耗，部分結構可支持電池工作。條碼采集掃描和鍵盤輸入是兩種重要的設備輸入途徑。大部分采集器具備屏幕，根據所需它們還可以支持中英文和圖形的高精度顯示等。

選購數據采集器是否需要編程

更多的時候，在采集器收集到條碼信息後，需要立刻進行處理，換算出直接可看的結果。這就需要在設備基礎上進行二次編程開發了。

接口：

根據實際設備情況選擇條碼數據采集器的接口：一般有串口、紅外口、并口可與多類标準串口、并口設備進行連接傳輸數據，無線的還可以直接傳輸數據。

數據采集器設備應經廣泛應用于貨物出入倉庫和快遞物流，行政和企業管理系統等各個領域。以上就是根據實際經驗所編寫的數據采集器選擇應當注意的幾點事項。