目录
一、信号采集背景介绍
二、信号采集系统（以自制采集模块为例）
1、传感器
2、信号采集模块设计
1）模块需实现的功能
2）根据各个功能选择芯片以及电路
3）pcb设计
3、上位机显示与控制
三、总结
本文章以笔者自制8路数据采集pcb模块为例，大致介绍制作流程，希望能帮助到需要设计模拟信号采集电路的读者。
一、信号采集背景介绍
为什么要进行信号采集？生活中的信号多种多样，如不同的物体有着不同的纹理、形状信息等；心脏的跳动蕴藏的许多可作为医生诊断病情的信息；温度信息能被直观的呈现对人们有很大的参考。人类能够感觉到这些信息并做出反应，这是由于人类身体有着许多的感受体，它们充当着传感器的作用以收集这些信号，并传输给大脑进行判断。
图1.1 生活中的价值信息
然而，对于只能识别计算机语言（也就是所谓的0，1数字）的计算机而言，实现对上述信号的直接识别显然是不可能的。如果能获取到这些重要的信息参数，并将其作为参考运用在特定的领域进行分析或进一步操作，特别是用于计算机的处理，将给人类带来巨大的便利。因此，信号采集作为实现计算机与物理信息互通的技术纽带得到发展。
传感器数据采集系统的目的就是将日常中的这些重要信息收集起来并转化为计算机能够识别的语言，最后计算机可以基于这些数据进行分析或控制。
图1.2 数据采集系统大致流程
采集系统根据需要采集的信息的不同而有所不同，但大致流程如图1.2所示，数据采集模块将不同物体的纹理或者视觉信息转换为电信号，通过ADC将电信号转换为能够用于计算机处理的计算机语言，计算机对其进行分析处理得到结果。
二、信号采集系统（以自制采集模块为例）
如图2.1所示，传感器数据采集系统一般分为5个部分，其中信号调理、ADC和MCU部分通常集成在一个模块当中。下面笔者将以一些触觉传感为例一一介绍（如有不妥，欢迎指正）：
图2.1 数据采集系统基本流程
1、传感器
传感器的作用是感受各种物理变量，如力、线位移、角位移、应变和温度等，并把这些物理量转变为电信号。为了更好的理解原理，举例如下：
如图2.2所示，介绍了一种集成了压电与压阻传感单元的传感器，将传感器安装在手指上并对不同表面进行滑动感知，其中压电传感单元能够感知滑动过程中的振动信号，并将这些振动信号转换为一定频率的电信号，分析这些信号的频率与振幅恰好对应表面纹理和粗糙度；压阻传感单元在受到压力后能改变自身电阻，因此测量压阻单元的电阻能够知道传感部位的受压情况。它们的最终目标就是将接触表面纹理、粗糙度和受力等转换为电信号。
图2.2 触觉传感示意图
（图片来源：** H, Kim Y, Youm W, et al. Highly pixelated, untethered tactile interfaces for an ultra-flexible on-skin telehaptic system[J]. npj Flexible Electronics, 2022, 6(1): 82.）
2、信号采集模块设计
信号采集模块主要包括信号的调理电路、模数转换（ADC）和微处理器（MCU）的处理传输，在这里笔者将其集成在一块pcb板中进行设计。在设计pcb之前，需要了解各个模块应实现的功能。
1）模块需实现的功能
（1）信号采集模块需要对输入的传感器信号进行转换，以便后续的信号处理。因此，通常需要转换电阻将传感器的输出电流信号转换为电压信号；
（2）传感器的输出原始模拟信号通常带有较大的噪声（如50hz工频），并且信号不大。通常需要进行放大与滤波处理，必要时还需进行调零；如图2.3所示展示了信号调零、放大和滤波后的示意图。
图2.3 信号调零、放大和滤波
（3）计算机只能识别数字信号，而经过滤波后的信号仍是模拟信号。因此需要使用ADC芯片将模拟信号转化为供计算机处理的数字信号，这需要根据采集的分辨率、采样率等要求进行芯片的选择；
图2.4 信号的模数转换（ADC）
（4）整个模块需要微处理器（MCU）的控制以及信号对上位机的传输，因此选择一款合适的MCU是必要的；
图2.5 信号传输
（5）模块需要通过串口或蓝牙与上位机进行通信；
（6）各种芯片可能需要不同的电源供电，因此需设计不同的降压电路。
2）根据各个功能选择芯片以及电路
了解采集模块需要实现的功能后，需要进行探索，寻找适合的芯片来设计电路。在这里，可选择LM358可作为信号调零和放大的芯片，LM2662可作为LM358的负压供电芯片，AD7606可作为ADC芯片，CH340N作为串口芯片，ATmega2560可作为控制芯片。同时，介绍一个比较好的芯片手册查询网站（半导小芯）：半导小芯-芯片查询工具_芯片替代查询_数据手册查询_规格书查询_datasheet查询_IC查询
在这里，你可以查询到各种芯片的使用手册，其中包括芯片的重要参数以及设计电路，我就不作详细介绍。
3）pcb设计
在选择好芯片封装以及电路后，就可以进行pcb设计了，使用AD或者立创eda（国产嘉立创EDA - 一个用心为中国人定制的电路板开发平台）首先将电路进行整合，最后进行pcb转换，相应的设计教程可查询b站视频，这里就不做详细介绍了。最后进行打样，嘉立创免费打样真的香~
3、上位机显示与控制
通常，为了直观的表示出信号的状态，需要将采集的信号进行实时的显示，这里可以使用的上位机软件非常多，如labview、python等。并且，通过上位机界面的按钮控制其他设备的工作，如图2.6对机械手的控制。
图2.6 上位机显示与控制
三、总结
总之，数据采集系统的大致思路如下：
图3.1 数据采集系统大致思路
希望能够帮助到你~