文献综述（或调研报告）：
随着电子技术和计算机技术的发展，工业生产中的自动化应用更加广泛。在自动化控制中，经常需要对各类模拟量进行测量和控制，例如温度，湿度，压强，速度等。常见的方式是将这些量通过传感器转换为模拟电信号，之后通过模数转换器(ADC)转换为数字信号，之后在输入处理器进行后续的处理。数据采集也因此成为了电子测量领域中的重要项目。在科学研究领域中，数据采集通常是研究动态参数变化的重要信息，可以获取分析所必要的重要信息；在工业生产领域，应用数据采集可以实现对生产现场中的各种技术参数和环境参数进行实时监控和记录，从而适时调整这些参数，保证产品质量的同时为提高产品质量和降低生产成本；而在医疗领域中，对生物电信号以及图像的采集由重要作用。在信号处理领域，由于半导体技术和PCB技术的快速发展，信号处理已经广泛应用于射频数字领域，甚至频率更高的应用场景中，而这都需要高速数据采集和数模转换作为技术支撑。[1]
如上所述，对于高速模数转换数据采集的需求在不断增长，并且对采样速度和采样精度都有越来越高的要求。由此就对数据采集的前端部分两个重要部分有了更高的要求，一个是负责模拟信号转换的ADC，另外一个是负责前端控制的器件。如果使用常规的方法进行设计，不可避免诸如PCB布线，高速采样电路和集成电路处理速度不匹配等各种问题[2]。传送的单片机显然不能胜任这样的高速应用场景。如果使用DSP作为数据采集系统，虽然能够保证较高的处理速度，但是系统频繁中断会降低系统的运行效率[3]。而FPGA在这类应用中具有明显的优势。首先，FPGA具有大量的数据接口，并且其硬件构架为并行构架，可以同时处理多路数据，灵活性高于软件构架的处理器。其次，使用FPGA来开发数字电路，可大大缩短开发和验证的时间，减少PCB的面积，提高系统的可靠性。而FPGA的可重复编程性可以使其根据具体的功能进行重复编程[1]。
数据采集的发展经历了几个主要发展历程。20世纪50年代初，美国军方研制除了第一代数据采集和处理系统，利用数据采集系统对设备实现高速的自动控制，其可以由非专业人员进行操作并且在操作中不依赖测试文件，整个测试过程可以实现自动化，该技术在当时得到了广泛的认可。[4]而从70年代开始，由于微型计算机技术的快速发展。在该阶段中，两类主要的采集系统逐渐成型，一类是由数据采集卡，标准总线和计算机构成的用于工业测试的系统，另外一类是仪表和采集设备，通用总线和计算机组成的用于实验测试以及部分工业测试的系统。从80年代开始，由于嵌入式技术和VLSI技术的快速发展，采集系统可开始趋向于小型化和集成化。这个时期国内数据采集技术也开始起步，但是当时开发的数据采集器大多速率较低，技术水平只相当于国外的起始水平。从90年代开始至20世纪初，随着电子集成技术的快速发展，性能更强，速度更快的数据采集系统开始被应用于工业以及军事领域，并且可以根据具体的采集需求进行订制设计。现今的国外测控领域中，比较出名的是美国NI公司，德国的IBA和HBM公司以及瑞士的EISYS公司等。其中，NI公司占据了最多的数据采集设备市场，其研发的Compact RIO数据采集平台在确保精度和采样速度的情况下，集成了控制器，信号调制和多种接口，在工业4.0的发展中起到了重要的促进作用。[5]不仅如此，NI近年来还推出了可以实现数据采集功能的计算机扩展卡。英国的研究人员开发了一种人体物理活动采集装置，通过安装在人体上的各种传感器获取信息，并且将获得的信息无线传输到上位机或者便携设备进行数据的接收和处理。[6]悉尼理工大学的研究人员开发了针对材料振动数据的数据采集系统，该系统利用微处理器进行数据的采集和处理，数据上传至上位机后通过Labview进行定量分析[7]。国内也有很多基于数据采集系统开发的应用。哈尔滨工业大学利用DPS和FPGA开发了一种针对激光雷达测速和测距的高速数据采集和信号实时处理系统，从而快速测量出车辆与障碍物之间的距离和相对速度。[8] 在医疗领域，国内研究者也开发出一种用于血液分析仪的数据采集和控制系统。他们采用ARM FPGA两级控制系统的方式实现5路血液数据的并行采集和处理[9]。除了针对具体的应用场景的，还有很多其他类型的高速数据采集系统。例如电子科技大学的研究人员开发了一种以FPGA为控制核心，FIFO为外部存储器的带通采样高速数据采集系统，存入FIFO的数据可以通过总线接口与PC机通信，实现进一步的数据处理[10]。
除了数据采集的核心处理器之外，数据的传输方式系统的重要组成部分。常见的接口类型主要为USB，PCI总线，PCI-E等。其中使用PCI-E总线的有Sigante公司的PX1500-4型4通道数据采集模块，AL8xGT-1.5E型数据采集卡等。这类总线数据支持的采样速率都在几个GS/s左右，数据传输速率为1Gb/s到4Gb/s不等。PCI-E总线虽然性能较好，但是对于结构的要求较高，并且价格昂贵[4]。USB，即通用串行总线，是近年来比较受欢迎的接口技术。而USB技术的不断发展也使其传输速率从最大12Mb/s发展到第三代USB的最大5Gb/s。与PCI总线相比，USB技术具有方便扩展，热拔插的优点。因此国内外许多公司都开始使用USB作为数据接口。例如NI公司的USB7856产品，该数据采集模块由48个数据采集通道，采样率1MS/s，采样数据位宽为16位。Aglient（Keysight）公司的U2300A系统同样是基于USB接口和FPGA的数据采集模块，最高采样率3MS/s，数据位宽为16位。国内也有不少公司进行了数据采集模块的开发，例如台湾研华公司的USB-4716以及北京阿尔泰公司的USB8544等。
参考文献
[1]杨烨,闫丽.基于FPGA的数据采集系统[J].工业仪表与自动化装置,2019,(5):85-86,109. DOI:10.3969/j.issn.1000-0682.2019.05.022.
[2]孟春祥.基于FPGA的多通道数据采集系统设计[J].大科技,2019,(24):226-227.
[3]和小冬,丁丽.基于带通采样的高速数据采集系统设计[J].信息与电子工程,2010,8(03):313-317.
[4]马秀娟,考丽,赵国良.基于FPGA和DSP的高速数据采集实时处理系统的设计[J].电子器件,2007(03):1009-1013.
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