[转帖]数据采集处理与控制技术

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　　英文名称：Data acquisition Processing and Control Technology

　　相关技术：数据记录器;数据采集器;信号调理器;模/数转换大器;控制器;显示器;致动器;处理器

　　分类：机载设备;处理器;控制器;

　　定义与概念：

　　数据采集处理与控制技术是信息科学的一个主要分支，属于信息获取与处理范畴。在工程技术领域内，它是用来执行数据的采集与处理任务并同时执行整个工业过程的控制与管理。该技术的硬件主要包括传感器、采集器、转换器、显示器、致动器和计算机等;软件主要包括通用软件和测控软件等。它们可以根据实际任务的需要组成不同用途不同规模的测控自动化系统。这种系统可为农业、工业、国防和科学技术实现现代化做出重要贡献。

　　国外概况：

　　数据采集处理与控制技术已有近期50年的发展历史。最早的数据采集系统称之为数据记录器，有时也称为巡回检测装置，只能进行有限的多点按序测量和数据记录。随着电子计算机的引入，出现了以计算机为基础的数据采集与处理系统，这时系统不仅能够采集数据而且还可对原始记录数据进行处理、分析、显示并能给出最后结果。随着计算机功能及其软件技术的发展使系统又增添了控制功能，亦即发展成现在通用的数据采集处理与控制系统，从而使其除了具有测量、数据处理与分析之外又增加了过程控制功能。其整个系统原理如下图所示。

　　由于国外微电子技术、微计算机技术以及微电子机械系统技术的发展使整个系统更加完善，功能更强，成为各个领域自动化的主要依*工具。

　　在充分发展和利用上述三微技术之后使整个系统正在实现集成化、智能化与多功能化。所谓集成化是在大规模与超大规模集成电路技术基础上使芯片上的电路与器件的集成密度越来越高，不仅能实现器件集成而且还可实现仪器的集成直至到系统的集成。例如利用现代集成化技术可以制造出体积小、重量轻、功耗低、响应快、频带宽的硅微压力传感器、多功能传感器以及智能传感器。现在的技术可以实现在1cm2大小的硅片上制造出含有几千个压力传感器的陈列。利用微电子机械加工技术还可制造出硅微结构的加速度计与角速率传感器，制造出微致动器，微信号处理器等。在元器件设计与制造中实现了微型化之后，进一步还可通过芯片技术将它们集成在一起，组成硅微系统。亦即可把传感器、数据采集器、处理器、控制器、致动器集成在一起，组成现代高级的数据采集处理与控制系统。在随着系统功能的不断提高，处理速度不断增快，芯片间连接的多芯片输入/输出端口数量不断增加，最终可实现系统集成化，研制出微型实时测控系统。与此相应，在软件技术方面充分利用人工智能理论和方法研制出高级的人工智能专家系统，使系统实现具有人的智能和能力。如自适应、自学习、自校准、自判断、自修复等功能，从而使系统实现真正的智能化。同时也具有了多功能化。在组配这种综合测控系统时可以通过多变量协调控制以及人机系统的最佳期合作，使传统的测控系统发生重大变革和进步。

　　此外，在整个信息获取与处理领域内，效益最显著的是各个学科各个领域内的信息管理系统。其技术基础也是电子计算机技术和网络技术而且又扩大到卫星通信技术、电视与电信技术等。通过因特网、万维网等可以对全世界的信息进行检索、查询、浏览、远程活动(包括学习、咨询、采购、交易等等)。因此21世纪的世界信息网将给全人类带来信息资源共享的利益，其本身作用已经远远超过了工程技术中应用的数据采集处理与控制系统。

　　国外研制和生产数据采集处理与控制系统的公司很多。世界著名的公司与厂家有近百家。典型的公司有美国的格鲁门数据系统公司、特里达因公司、数据转换公司、模拟器件公司、MTS公司、NEFF公司、Fluke公司等;英国有输力强公司以及工业自动化公司等等;法国有Sfim公司等。他们所研制和生产的数据采集处理与控制系统已经广泛用于航空航天领域以及军工与民用领域。

　　例如美国格鲁门数据公司为美国空军阿诺德工程发展中心研制和配置的一套以高级计算机为基础的航空发动机试验用的全自动化测控系统。该系统既可使发动机试验实现实时数据采集、处理、显示与分析，又能执行试验过程的监控与管理。从而使该中心的航空发动机试验实现了测量 -处理-控制-管理一体化。由于该系统采用了4台现代高级计算机(其浮点运算速度一般都在每秒1亿次以上)组成了分布式计算机系统。因此除执行上述发动机试验的测控任务外，还可执行其它多种科研任务，诸如：仿真、科学计算可视化、计算流体动力学、有限元分析、多媒体、CAD/CAM/CAT综合化应用研究等等。从而使用使整个系统的功能得到了充分的发挥和利用，获得了巨大经济效益。例如在1985年建成该系统的初型时，已投资高达6.25亿美元，但最初每周只能做一次试验，但到1994年改型后由于发挥了多台高级计算机的作用，该系统每周可做出3次试验，大大提高了系统使用效率。

　　美国MTS公司研制和生产的自动测控系统已经广泛用于航空航天、机械、交通、材料等工业，并深受各国工业界的欢迎。例如其最具特色的Aero-90疲劳试验测控系统已经成功地用于大型飞机的全机结构强度试验的测控。该系统是现代高科技综合应用，具有很高的经济效益。

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　　美国NEFF公司推出的系列化测控系统除广泛用于航空航天领域外，还用于能源部门如电力、石化、煤炭、石油等。其典型系统如NEFF-490，可以满足现代军工系统的动态测试要求。A/D为12位的系统每一通道采样率高达1000KHZ，A/D为14位的系统每一通道采样率也达到256KHZ，因此在国际上享有盛誉。

　　在研制小型高性能机械载数据系统中则要以法国的Sfim公司的产品为代表。该公司研制生产的达明(DAMIEN)系列产品已广泛用于飞机的试飞测试。如最新的达明6(DAMIENVI)，采用了磁遥混合方式。整个系统采用模块化结构，如模拟量采集模块、数字量采集模块、模/数转换模块、电源模块、中央管理模块等。由这些模块可以组成最小单个数据采集系统也可由若干个子系统组成大型式系统。这些系统已广泛用于各类飞机的飞行试验测试任务。达明6采用了最新的固态记录器，用电可擦可编程序存储器(E2PROM)记录数据，还采用了数据压缩技术，使记录密度和速度都大为提高而且其本身具有更大的耐冲击力，因而可用于更苛刻的环境中。

　　关键技术：

　　在数据采集处理与控制系统中技术难点包括硬件技术与软件技术。

　　硬件部分主要是解决高速高精度的数据采集器件问题，它们是解决现代飞机在高速高空高温环境条件下的动态参数测试的关键技术。例如研制采样率在1~10MHz，分辨率在12~16位的高速与超高速数据采集系统。为此要解决高速与超高速采样器与转换器，解决现代高级计算机及其有关器件。

　　软件部分则是要在开发通用测试软件外，重视测控软件的开发。如开发人工智能与测控专家系统则变成技术关键。

　　应用与影响：

　　数据采集处理与控制技术已经在实现自动化中发挥了重大作用。而信息获取与处理技术则是在更大范围特别是信息化产业中起到了重大作用。

　　例如，在工业自动化中通过采用数据采集系统和传感器从各种被测控的工业现场信号源中采集有关信号，经过调理与转换，转换成计算机能够接收的数字信号并由其进行计算、处理和分析后再转换成能够执行各种控制任务的驱动信号，发送给有关伺服作动机构和致动器，从而实现整个工业过程的控制任务。通常把能够实现工业过程的测量-控制-处理-管理一体化的系统称之为测控自动化系统。任何一种现代工业过程都可以采用这种系统来实现自动化，因而其作用和经济效益是巨大的。

　　再如，一个航空武器系统。它可通过机载火控计算机将机载传感器、红外探测器、雷达等子系统所感受到的信号进行处理与数据融合，最终可得到精确打击目标的最佳位置和时间后，即可执行武器发射，最有效地摧毁敌方的空中或地面目标，最先取得作战胜利。随着军用飞机的发展，现代电子战或信息战已成为军界关注的焦点。除上述航空武器系统本身外，还依*了人造地球卫星，先进通信网络技术将获取的有关信息进行快速传输与处理，同时还发出干扰敌方电子信号的信号甚至释放假信息给敌方造成混乱，使其陷入瘫痪，我方则可执行精确打击敌方目标，最先获得胜利。由此可见信息的获取、管理、分配和保护已成为战争取胜的最关键因素。未来的战争主要*信息战。因此信息的获取与处理成为至关重要的技术。而且在整个社会的各个领域也具有极其重要的作用。例如现代社会各个行业建立的以计算机为基础的信息管理系统或者专业数据库管理系统等都已显现出它的重大作用。通过现行各种通用网络系统(包括互联网、因特网、万维网)以及广域信息服务系统和电子信箱等可以与全国和全世界有关信息网络连接起来，实现信息资源共享，进入了真正信息化社会。这些技术的发展扩大了传统的信息获取与处理的范围与技术内涵，同时也是现代计算机技术、网络技术、通信技术以及现代测控技术的发展结果。

　　参考资料：

　　1、梁恺，90年代测控系统的发展趋向，测控技术，1990，Vo.9,No2.

　　2、梁恺，超级计算机为航空试验及其测控技术带来巨大进步，测控技术，1995，Vo.14,No2.

　　3、梁恺，国外航空试验与测控技术集成化综述，航空信息研究报告，HY97004，中国航空工业总公司第628研究所，1997年2月