高速數(shù)據(jù)采集卡間接助力新冠疫情防治

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2020年2月25日，國產(chǎn)自主研發(fā)的飛行時間質(zhì)譜儀入選中國醫(yī)學(xué)裝備協(xié)會推薦的《新冠疫情防治急需醫(yī)學(xué)裝備目錄（第三批）》，國產(chǎn)飛行時間質(zhì)譜助力新冠炎疫情防治起到重要作用。

在快速篩查COVID-19新冠病毒中，飛行時間質(zhì)譜檢測時無需核酸提取及PCR步驟，具有準確、快速、安全、簡便和高靈敏的特點，能夠精準區(qū)別冠狀病毒肺患者和普通肺。同時采樣時只需采集血液，無需采集呼吸道標本，不僅有效保護醫(yī)護人員的安全，而且避免不同被染上的階段采樣部位可能出現(xiàn)病毒量的不足而導(dǎo)致的假陰性結(jié)果。實現(xiàn)了用高密度、相對低速的FLASH存儲器對高速實時數(shù)據(jù)的可靠存儲。

飛行時間質(zhì)譜儀是通過離子在一定距離真空無場區(qū)內(nèi)按不同質(zhì)荷比以不同時間到達檢測器，從而建立質(zhì)譜圖的質(zhì)譜儀。經(jīng)典線性飛行時間質(zhì)譜儀包括離子源、飛行管、檢測器及采集記錄系統(tǒng)和真空系統(tǒng)。其中高速數(shù)據(jù)采集卡作為采集記錄系統(tǒng)的一部分，其采集精度的準確度直接關(guān)系到之后數(shù)據(jù)的準確，在整個系統(tǒng)中起到非常關(guān)鍵的作用。通常約定如果線傳播延長時間大于1/2數(shù)字信號驅(qū)動端的上升時間，則認為此類信號是高速信號并產(chǎn)生傳輸線效應(yīng)。

數(shù)據(jù)采集的基本理論

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采樣過程為了對模擬信號用數(shù)字方法處理，應(yīng)先將模擬信號數(shù)字化，即進行模/數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換。模/數(shù)轉(zhuǎn)換過程，包括三個內(nèi)容：一是采樣，二是量化，三是編碼。一個模擬信號首先經(jīng)過預(yù)采樣濾波器，對信號進行調(diào)理，然后由采樣器在每個采樣時刻讀出一個數(shù)據(jù)；再由模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)量化為二進制數(shù)碼，數(shù)據(jù)之后保存到存儲器用于數(shù)字信號處理。模/數(shù)轉(zhuǎn)換器模/數(shù)轉(zhuǎn)換器是整個數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的核心，它的性能直接限制系統(tǒng)的性能。要使設(shè)計的系統(tǒng)能滿足工作條件，首先要選對模/數(shù)轉(zhuǎn)換器。因此，有必要去了解模/數(shù)轉(zhuǎn)換器的發(fā)展狀況。采樣方式常見的采樣方式可分為“實時采樣”和“等效時間采樣”兩大類?！皩崟r采樣”是在信號存在期間對其采樣。按照采樣定理，采樣速率必須高于信號中較高頻率分量的 2 倍；A/D采集采用8位的1GHzA/D轉(zhuǎn)換芯片,高速大容量存儲采用固態(tài)存儲芯片F(xiàn)LASH(閃存)為存儲介質(zhì),FPGA(現(xiàn)場可編程門陣列)為存儲陣列的控制核心,針對來自A/D的高速數(shù)據(jù),引入多級流水和冗余校驗技術(shù),能夠屏蔽FLASH的壞塊。對于周期性正弦信號，一個周期內(nèi)應(yīng)該至少有兩個采樣點。“實時采樣”除了通常使用的定時采樣外，還常常使用“等點采樣”，即“變步長采樣”。這種采樣方法不論被測信號頻率為多少，一個信號周期內(nèi)均勻采樣的點數(shù)總共為 N 個。

數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集，又稱數(shù)據(jù)獲取，是利用一種裝置，從系統(tǒng)外部采集數(shù)據(jù)并輸入到系統(tǒng)內(nèi)部的一個接口。數(shù)據(jù)采集技術(shù)目前廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域。針對制造業(yè)企業(yè)的龐大生產(chǎn)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)采集工具尤為重要。

數(shù)據(jù)采集，又稱數(shù)據(jù)獲取，是利用一種裝置，從系統(tǒng)外部采集數(shù)據(jù)并輸入到系統(tǒng)內(nèi)部的一個接口。數(shù)據(jù)采集

技術(shù)廣泛引用在各個領(lǐng)域。比如攝像頭，麥克風(fēng)，都是數(shù)據(jù)采集工具?！”徊杉瘮?shù)據(jù)是已被轉(zhuǎn)換為電訊號的各種物理量，如溫度、水位、風(fēng)速、壓力等，可以是模擬量，也可以是數(shù)字量。

數(shù)據(jù)采集模塊跟數(shù)據(jù)采集卡有什么區(qū)別？

在產(chǎn)品概述方面。

（1）起源。為了滿足IBM-PC機及其兼容機用于數(shù)據(jù)采集與控制的需要，國內(nèi)外許多廠商生產(chǎn)了各種各樣的數(shù)據(jù)采集板卡（或I/O板卡）。這類板卡均參照IBM-PC機的總線技術(shù)標準設(shè)計和生產(chǎn)，用戶只要把這類板卡插入IBM-PC機主板上相應(yīng)的I/O擴展槽中，就可以迅速方便地構(gòu)成一個數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)，從而大大節(jié)省了硬件的研制時間和投資，又可以充分利用IBM-PC機的軟硬件資源，還可以使用戶集中精力對數(shù)據(jù)采集與處理中的理論和方法進行研究、進行系統(tǒng)設(shè)計以及程序的編制等。制造高速或超高速采樣率的數(shù)字存儲示波器的公司主要有Agilent，Tektronix，Nicolet和Lecroy等,數(shù)字存儲示波器的較高采樣率也已達到10GS/s。

（2）分類。

基于PC總線的板卡種類很多，其分類方法也有很多種。按照板卡處理信號的不同可以分為模擬量輸入板卡(A/D卡)、模擬量輸出板卡(D/A卡)、開關(guān)量輸入板卡、開關(guān)量輸出板卡、脈沖量輸入板卡、多功能板卡等。其中多功能板卡可以集成多個功能，如數(shù)字量輸入/輸出板卡將模擬量輸入和數(shù)字量輸入/輸出集成在同一張卡上。根據(jù)總線的不同，可分為PXI/CPCI板卡和PCI板卡。數(shù)據(jù)采集技術(shù)已廣泛應(yīng)用于通信、圖像采集、雷達、醫(yī)學(xué)器械等技術(shù)領(lǐng)域。

還有其它一些專用I/O板卡，如智能接口卡、虛擬存儲板（電子盤）、信號調(diào)理板、專用（接線）端子板等，這些種類齊全、性能良好的I/O板卡與IPC配合使用，使系統(tǒng)的構(gòu)成十分容易。

（3）主要類型。

在工業(yè)現(xiàn)場，我們會安裝很多的各種類型的傳感器，如壓力的、溫度的、流量的、聲音的、電參數(shù)的等等，受現(xiàn)場環(huán)境的限制傳感器信號如壓力傳感器輸出的電壓或者電流信號不能遠傳或者因為傳感器太多布線復(fù)雜，我們就會選用分布式或者遠程的采集卡（模塊）在現(xiàn)場把信號較高的精度地轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，然后通過各種遠傳通信技術(shù)（如485、232、以太網(wǎng)、各種無線網(wǎng)絡(luò)）把數(shù)據(jù)傳到計算機或者其他控制器中進行處理。這種也算作數(shù)據(jù)采集卡的一種，只是它對環(huán)境的適應(yīng)能力更強，可以應(yīng)對各種惡劣的工業(yè)環(huán)境。如果對采集卡信號質(zhì)量要求比較高，需要對其做一些噪聲和電磁屏蔽處理。