设计控制：智能传感器和数据采集
随着物联网（IoT）和大数据大潮扑面而来，智能传感器的影响力也越来越大。不管是最新的智能手表的出现，还是恒温器能够学习房主的习惯、并据此自动调节加热和空气调节，以及电表的无线发射，或者是智能手机APP能够在车库门忘记关闭时提供报警，智能仪表在完成数据的采集并使其具有可用性方面都起到了重要作用。
传统仪表，比如，热电偶、热电阻、应力计、线性可变差动传感器（LVDT）以及流量计，测量的都是用于监视和控制过程的物理参数。很多这样的设备，输出低电平模拟量信号，这就需要精确的信号调制功能，这样仪表才能保持所采集信号的关键信息。信号调制功能包括传感器的励磁、信号放大、防失真滤波器、低通和高通滤波器、线性化、以及被经常忽视但是非常关键的功能——隔离。在信号调制完成后，传感器信号可以通过数模转换器完成数字化，并由数据采集系统做进一步的处理。
片上系统
电子技术的发展，正在快速改变着利用传感器采集过程数据的方式。微控制器和微处理器已经变得非常复杂，集成了通讯接口、激励源、高分辨率的模数（A-D）和数模（D-A）转换器、通用离散I/O、快速架构、更多的支持系统以及低功率模式。这一般被称之为SoC，或者片上系统，这些微小的设备，在性能上超过以往完整或一半大小的ISA和PCI卡解决方案，但是在费用上要降低很多。集成了数据转换器的微控制器，可以被封装到2mm × 3mm大小的芯片内。
这一切，对于智能传感器和数据采集来讲，意味着什么？智能传感器分析所采集到的测量数据，并根据被测量的物理参数做出决策，而最重要的是，它还能实现通讯功能。就地的计算能力使得自我测试、自我校准、消除部件随着时间和温度的变化所产生的漂移、远程升级和重新组态成为可能。
■ 图中所示为智能感应、分布式信号处理与隔离装置以及Dataforth MAQ20 数据采集系统。该公司提供的智能感应解决方案，从在严酷工业环境下保持信号的完整性到为客户的测试和测量应用提供简单、快捷的解决方案，信号处理模块、数据采集和控制系统，以及数据通讯产品。图片来源：Dataforth
分布广泛
低成本和低功耗的电子产品，使得信号调制可以在更靠近传感器的地方、甚至是传感器芯片内实现。这就使得处理能力，可以分布在数据采集系统的任何地方，因此就可以获得更多的信号处理能力，而这在以前根本是不可能的。系统具有更大的灵活性，而且可以升级扩充，传感器芯片也更牢固，因此系统就具有更高的可靠性。
以前的老系统，传感器连接所需的双绞线必须小心处理，附加特定的屏蔽接地要求，然后结扎成束走线；现在，只需很少的电缆就可以连接多个传感器，而且不需要严格的走线和屏蔽。利用智能传感器，低电平模拟量信号的电缆可以非常短，因此可以避免环境电磁干扰信号耦合到信号电缆中，这样就可以维持信号的完整性。当被调制的传感器数据格式和智能传感器通讯标准确定了，各种传感器所测量的物理参数就可以通用了。
智能传感器
智能传感器使数据采集系统更容易设计、使用和维护。也许，智能传感器被认为是一个分立元件，就像使用了集成电子元件的热电偶或加速计一样，但是从广义来讲，随着电子技术的不断发展，系统级别的智能传感和智能信号处理也获得了长足的进步。过去，数据采集系统一般依赖于安装在主机上的计算机软件，来对测量数据进行复杂的计算。现在，单个信号处理器的输入和输出模块，同时连接1到32个传感器，就可以在远离主机的模块内完成信号处理功能。
在就地可以对信号监视实现报警功能，并且当信号值达到限值时，执行预设的动作。在严酷的工业环境应用中，高性能的信号调制器，可以提供传感器信号隔离，在瞬态工况时为传感器提供保护，比如静电释放（ESD）或二次累计以及极端过电压等。
用于数据采集系统的片上系统微控制器和微处理器中，已经集成了一些经由以太网、USB、CAN和其它现场总线来完成通讯的外围设备。更快的处理器、支持计算功能、就地内存运行控制功能，比如线性-积分-微分（PID）算法，能够在系统控制模块内保存、执行和运行的同时，完成I/O模块和主机软件的通讯。
现在有一种趋势，很多系统逐步转向单机系统功能，不再依赖于主机系统来运行应用软件。数据采集和控制功能完全在数据采集系统内的应用软件内完成，用户接口非常简单，而且在世界上的任何地方通过网络浏览器都可以浏览。
当然，智能传感器也有其缺点：电子元器件和传感器的集成增加了系统的成本。当改造现有装置时，改线的工作量比较大。新硬件和系统的优化运行有其学习曲线。安全和满足监管标准的要求，也可能限制智能传感器的应用。每个应用都需要进行专门的分析，以衡量成本和收益。但是总的来说，智能传感器和智能系统正在改变数据采集的方式及其在应用系统中的使用。
更准确的大数据采集
在工业应用、生产制造、实验室、医药应用以及家庭生活中，对更多数据的需求是无所不在的。数据被用于实现过程自动化和扩展功能。数据分析可以提供系统部件的健康状况、过程工艺的效率和故障情况。
智能传感器和智能感应是数据采集和处理的发展趋势。智能传感器可以实现更精确、更有效和更为广泛的数据采集。在严酷的工业环境下，智能感应解决方案，可以为客户的测试和测量应用提供快速和便捷的解决方案。能提供帮助的产品包括信号调制模块、数据采集和控制系统以及数据通讯产品。这些产品，在系统设计和开发过程中消除了模拟问题，并为数据采集和控制系统提供了更好的用户体验。（作者：John Lehman）