数据采集与处理一直是生产实践研究与应用领域的一个热点和难点。随着微电子制造工艺水平的飞速提高及数据分析理论的进一步完善与成熟,目前国内外对数据采集系统的高性能方面的研究上取得了很大的成就。就 A/D 转换的精度、速度和通道数来说,采样通道从单通道发展到双通道、多通道,采样频率、分辨率、精度逐步提高,为分析功能的加强提供了前提条件。而在数据分析的微处理器上,最初的数据采集系统以 8 位单片机为核心,随着微电子技术的不断发展,新兴单片机的不断问世,16位、32位单片机也为数据采集系统研制厂家所采用,近来采用具有 DSP 功能的数据采集系统也己投入市场。同时,通用 PC 机的 CPU 用于数据处理也较为常见。总之,伴随着高性能微处理器的采用和用户技术要求的不断提高,数据采集系统的功能也越来越完善。数据采集系统的发展主要体现在以下几个趋势:35348
首先,在专业测控方面,基于 PC 计算机的数据采集系统越来越成熟和智能化。在过去的二十年中,开放式架构 PC 机的处理能力平均每十八个月就增强一倍,为了充分利用处理器速度的发展,现代开放式测量平台结合了高速总线接口,如PCI和 PXI/Compact PCI,以便获得性能的进一步提升。计算机的性能提升和由此引起的基于计算机的测量技术的创新,正在持续不断地模糊着传统仪器和基于计算机的测量仪器之间的界线。 论文网
其次,在通用测控方面,采用嵌入式微处理器的方案也由早期的采用 A/D 器件和标准单片机组成应用系统发展到在单芯片上实现完整的数据采集与分析,即目前极为热门的 SOC (System On Chip)。通常在一块芯片上会集成一个可以采样多路模拟信号的 A/D 转换子系统和一个硬 CPU 核(比如增强型 80_52 内核),而且其CPU 的运算处理速度和性能也较早期的标准 CPU 内核提高了数倍,而且有着极低的功耗。这种单芯片解决方案降低了系统的成本和设计的复杂性。
此外,为了解决 SOC 方案中数据处理性能的不足,采用 DSP 作为数据采集系统的 CPU 的研究与应用目前也逐渐引起业内重视。但是这类产品目前仅仅处于发展的初级阶段,在精度、速度或其它性能指标上并不能很好的满足要求。因此,国内外以 DSP 作为数据采集系统的采样控制和分析运算的研究与应用正在展开。
由于DSP芯片独特的结构特点和高速实现各种数字信号处理复杂算法的优点,自1980年以来,得到了突飞猛进的发展,DSP芯片的应用越来越广泛。从运算速度来看,MAC(一次乘法和一次加法)时间从原来的400ns减少到10ns以下,处理能力提高了几十倍,甚至上百倍。DSP芯片内部关键的乘法器部件从原来的占模片区域的40%左右下降到5%以下,片内RAM数量增加一个数量级以上。从制造工艺来看,1980年采用4μm的NMOS工艺发展到现在采用亚微米CMOS工艺。DSP芯片的引脚数量从1980年的最多64个增加到现在的200个以上,引脚数量的增加,意着结构的灵活性增加,如外部存储器的扩展和处理器间的通信等。从芯片的发展来看,代码兼容和管脚兼容性在不断增加。代码兼容是指为某种DSP产品开发的代码可以在不参加修改或只做少量修改的情况下在其他DSP上执行,称为完全兼容或部分兼容[3]。基本上同一厂家同系列DSP中不同型号之间是代码兼容的,有的厂家还尽量保持不同系列DSP之间的兼容性。此外DSP芯片的发展,使得DSP应用系统的成本、体积、重量和功耗都很大程度的下降。
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