你有沒有想過你能吃到你的蛋糕，也吃它？在某些數(shù)據(jù)采集情況下，您也許可以做到這一點。我說的是只需要相對高頻波形的最大值（最大值）、最小值（最小值）或平均值（平均值）的應(yīng)用。數(shù)據(jù)采集領(lǐng)域充滿了這種性質(zhì)的例子。請考慮以下事項：

50、60 或 400 Hz 功率波形的最小值或最大值

加速度計的最小、最大或平均加速度 （g），用于振動研究

生命科學(xué)研究中脈動血壓波形的最大值（收縮壓）、最小值（舒張壓）和平均值（平均值）

消除近直流信號（例如熱電偶）上的噪聲

有/沒有高頻波形的記錄，例如音頻，振動，噪聲等。

在這些示例中，數(shù)據(jù)采集任務(wù)的重點不是波形本身，而是波形的某些組成部分，由其在單位時間內(nèi)的最大值、最小值或平均值表示。下面是一個更詳細的示例：

我們的一位客戶想要對他的測功機進行儀器化。他有幾個參數(shù)要測量，包括油壓、轉(zhuǎn)速、扭矩和發(fā)動機溫度——都是低頻波形。問題是第五個參數(shù)，振動，來自安裝在發(fā)動機缸體上的加速度計。與其他四個信號相比，該信號產(chǎn)生高頻信息，因此在測量方法上迫使一些異常條件。他有以下選擇：

以符合加速度計頻率響應(yīng)要求的高速率對所有通道進行采樣。

以慢速率對四個較低頻率通道進行采樣，以更快的速率對第五個高頻通道進行采樣。

確定報告每個通道值的頻率（例如，每秒五次或 5 Hz），然后選擇該采樣率。

第一種選擇受到數(shù)據(jù)膨脹的影響——它會產(chǎn)生大量數(shù)據(jù)，將它放在哪里的挑戰(zhàn)，以及之后如何處理所有這些數(shù)據(jù)的問題。為了附加一些數(shù)字，假設(shè)加速度計需要以 5，000 Hz 的速率進行采樣?？紤]其他四個通道需要 25，000 Hz 的吞吐速率。由于在此應(yīng)用程序中需要獲取數(shù)據(jù)長達 8 小時，因此每個會話將生成驚人的 1.4 GB 文件。那些沒有僅根據(jù)文件大小就勸阻這種方法的人應(yīng)該進一步考慮每秒對引擎溫度進行 5，000 次采樣的荒謬性。

第二種選擇是數(shù)據(jù)采集的圣杯——每個通道的可選采樣率——由少數(shù)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)提供。但要準備好為該功能付出高昂的代價。

選項3似乎沒有現(xiàn)實基礎(chǔ)。如何以慢速對快速移動的通道進行采樣并得出任何有意義的信息？關(guān)鍵在于您使用的應(yīng)用程序和采樣方法。

從應(yīng)用的角度來看，我們的客戶對加速度計產(chǎn)生的實際波形不感興趣（見圖1）。例如，他不需要連續(xù)的振動信號，他可以用FFT進行變換來確定其所有頻率分量和幅度。他只是想知道振動發(fā)動機在單位時間內(nèi)產(chǎn)生的最大g。在他的應(yīng)用程序上下文中，他希望每秒報告五次的值。換句話說，他想累積200毫秒的加速度數(shù)據(jù)（1除以5 Hz），然后只報告最大值。

由于不需要連續(xù)再現(xiàn)高頻波形，我們可以利用一種鮮為人知的技術(shù)，稱為過采樣。許多數(shù)據(jù)采集產(chǎn)品支持雙采樣率功能，其中數(shù)據(jù)采集硬件以比報告給軟件的速率快得多的速度對數(shù)據(jù)進行采樣。該技術(shù)也稱為“突發(fā)采樣”，最常用于通過高速采樣所有使能通道來最小化時間偏差。突發(fā)速率越高，時間偏差誤差越小。但對于具有板載智能的數(shù)據(jù)采集產(chǎn)品，過度采樣還帶來了另一個好處：能夠評估和應(yīng)用通常丟棄的所有數(shù)據(jù)。這是軟件孤立的獲取的通道信息，因為它需要數(shù)據(jù)的頻率遠低于硬件的突發(fā)速率使其可用。我將使用我們的測功機示例來澄清這個概念，稱為智能過采樣。

該應(yīng)用假設(shè) 5，000 Hz 的采樣率足以捕獲加速度計生成的峰值 g 值。這是最快移動信號相對于時間的速率，構(gòu)成了用于計算硬件所需突發(fā)速率的基礎(chǔ)。由于總共需要采集5個通道，因此突發(fā)速率為每秒25，000個樣本（5，000 Hz乘以5個通道，見圖2）。請記住，25，000 Hz 表示我們的硬件持續(xù)掃描 5 個啟用通道的速率，無論應(yīng)用軟件請求轉(zhuǎn)換的頻率如何。在我們的應(yīng)用環(huán)境中，軟件將被編程為以每通道5 Hz的速率采集數(shù)據(jù)（見圖2）。計算它的吞吐量數(shù)會產(chǎn)生 25 Hz（5 Hz 乘以 5 個通道）。在這一點上，很明顯硬件以 1，000：1（25，000 Hz 除以 25 Hz）的比率生成多余的數(shù)據(jù)。會怎樣呢？

大多數(shù)硬件的正確答案是“無”。他們只是獲取第 1，000 個點（我們稱之為“最后一個點”，參見圖 2）并將該值報告給軟件 — 在此過程中忽略其他 999 個點。但是，具有智能過采樣功能的數(shù)據(jù)采集硬件產(chǎn)品可以解決多余的樣本。對于我們的加速度計通道，他們可以評估每 200 毫秒轉(zhuǎn)換的 1，000 個樣本并報告最大值。這種方法以5 Hz的速率產(chǎn)生數(shù)據(jù)流，精確描述加速度計波形的峰值包絡(luò)，這正是應(yīng)用所要求的。我們僅以 25 Hz 的有效采樣率實現(xiàn)了這一目標，在 8 小時的測試中，僅消耗 1.4 MB 的磁盤空間——比我們的第一個選項少三個數(shù)量級。但這個故事還有更多。

將注意力轉(zhuǎn)向應(yīng)用程序的其他 4 個通道。智能過采樣為它們提供了什么優(yōu)勢？捕獲這些近直流信號的最大值或最小值沒有任何意義。但是算術(shù)平均值計算可以顯著降低噪聲。每 200 ms 將從四個通道中的每一個獲取的 1，000 個值平均為單個數(shù)據(jù)值。結(jié)果是一個波形，其中噪聲降低到零，以清晰地顯示即使是最微小的幅度波動（見圖3）。

有一些關(guān)于智能過采樣的注意事項。智能過采樣的有效性隨著軟件采樣率接近硬件的突發(fā)速率而降低。當硬件和軟件速率分別為 20，000 Hz 和 10，000 Hz 時，選擇平均模式會產(chǎn)生幾乎無用的 2 點平均值。另一個考慮因素是確保軟件的速率低于您正在測量的信號的最高頻率分量。即使硬件速率明顯高于軟件速率，60 Hz 電源線的測量也會在軟件速率大于或等于 60 Hz 時失真。當軟件嘗試在信號能夠完成一個周期之前報告最小值、最大值或平均值時，這種情況會產(chǎn)生兩難境地。

智能過采樣在許多應(yīng)用中都有好處，尤其是與降噪相關(guān)的應(yīng)用，以至于很難想到一種情況不會受益。大多數(shù)DATAQ儀器的硬件產(chǎn)品，以及一些高端數(shù)據(jù)采集制造商，都支持智能過采樣。

圖 1 — WinDaq數(shù)據(jù)采集軟件屏幕，顯示以高速率采樣的扭矩（頂部）和加速度計波形（底部），無需智能過采樣。

圖 2 — 來自 DATAQ 儀器 WinDaq/Pro 數(shù)據(jù)采集軟件包的相應(yīng)智能過采樣對話框。從左下角順時針方向：硬件突發(fā)速率選擇（此處稱為最大采樣率）;每個通道的智能過采樣方法（最大值、最小值、最后點、平均值）;軟件采樣率選擇。

圖 3— 波形與圖 1 相同，但采樣速率較低，扭矩啟用平均智能過采樣（頂部），加速度最大 IOS。請注意扭矩的降噪級別，以及加速度計的最大包絡(luò)趨勢。

審核編輯：郭婷