数据采集基础知识讲座

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1、Advance technologies;Automate the world.数据采集基础知识讲座数据采集基础知识讲座Advance technologies;Automate the world.内容大纲信号与系统初步信号采集的基本定理基本定义A/DD/ADIOTimer/CounterAdvance technologies;Automate the world.信号与系统初步一个典型的系统：模拟输入采样/量化1101数字输入数字信号处理1101数字输出模拟重建模拟输出Advance technologies;Automate the world.信号与系统初步(续)信号的分类：信息信息

2、状态状态速率速率幅值幅值形状形状频率频率onofft1-0-t0.985ttf信号信号模拟量模拟量数字量数字量开开/关信号关信号脉冲队列脉冲队列直流信号直流信号时域信号时域信号频域信号频域信号Advance technologies;Automate the world.信号与系统初步(续)数字信号onofft1-0-t开关信号输入：检测一个开关的打开/闭合输出：打开/关闭一个阀门驱动能力通道数脉冲队列输入：读光编码器的输出信号输出：产生一个方波时钟频率分辨率对采集卡的要求Advance technologies;Automate the world.信号与系统初步(续)模拟信号电压信号温度压

3、力流量应力DC精度频域信号振动语音声呐分辨率采样频率精度触发对采集卡的要求时域信号雷达回波血压变化汽车点火波形分辨率采样频率精度触发0.985ttfAdvance technologies;Automate the world.信号采集传感器信号调理放大滤波信号转换将外部信号采入计算机，并加以处理，最后输出Advance technologies;Automate the world.PC Based信号采集系统Advance technologies;Automate the world.PC Base DAQ系统架构ISA/PCI Expansion SlotAddressLatchDat

4、aBufferI/ORead/Write8259Interrupt8237DMADecoderAdressDataControl7424474244PC SystemDAQ cardDACADCDIOCNT1 12 23 34 42 23 31 14 4Advance technologies;Automate the world.PC Base数据采集系统功能A/D转换（模拟量/数字量转换）D/A转换（数字量/模拟量转换）DIO（数字量输入/输出）Timer/Counter（定时器/计数器）Advance technologies;Automate the world.基本定义A/D：模拟量

5、数字量转换把外部电压信号转成计算机能够识别的数字信号采样频率 Max Sampling Rate(S/s),Sampling Frequency(Hz)精度(Resolution)：8bit 12bit 14bit 16bit输入范围(Input Range)(增益)：同步采样(Simultaneous analog input)轮询采样(Multiplex analog input)突发模式采样(Burst mode)触发模式(Trigger mode)隔离(Isolation)FIFOAdvance technologies;Automate the world.A/D转换过程多路切换卡多

6、路选择+_A/D转换器模拟模拟信号信号A/D 触发信号触发信号数据缓冲区n1.信号源控制 通道数 信号类型(SE/DI)信号范围 自动通道扫描2.触发源控制 触发信号源 采样频率3.A/D 数据缓冲区 数据寄存器 FIFO 缓冲区AT 总线或 PCI 总线内存(Buffer)4.数据传输 I/O 指令 DMA 总线主控中断信号中断信号CPU5.中断信号控制6.A/D 分辨率与数据格式 数据位数 二进制代码或补码 单极性或双极性7.隔离与非隔离Advance technologies;Automate the world.A/D转换的过程同步板卡模拟信号 A/D触发信号数据缓冲区+_A/D转换器

7、nPCI总线内存(Buffer)CPU+_A/D转换器n+_A/D转换器n模拟信号模拟信号Advance technologies;Automate the world.A/D基本定义信号的频率代表信号变化快慢的物理量任何一种信号都可以转换成一组正弦波的迭加不同的信号频率不同：语音：4kHz 音乐：=2*fmax fs：采样频率 fmax：信号最高频率 一般最小为fs=2.5*fmax 工程上一般取为fs=68*fmax采样定律的特例等效时间采样Advance technologies;Automate the world.A/D基本定义足够的采样率下的采样结果 过低采样率下的采样结果 Adv

8、ance technologies;Automate the world.A/D基本定义能够正确显示信号而不发生畸变的最大频率叫做Nyquist频率，它是采样频率的一半信号中所包含的频率高于Nyquist频率的成分，将在直流和Nyquist频率之间发生畸变，称为混叠（alias）混频偏差（alias frequency）ABS（采样频率的最近整数倍输入频率）解决方案在A/D前加入低通滤波器，将信号中高于Nyquist频率的信号成分滤去称为抗混叠滤波器抗混叠滤波器Advance technologies;Automate the world.A/D基本定义采样频率的控制Soft Polling（

9、内部软件触发，通过I/O指令实现）Timer Pacer（由8254定时器芯片分频产生的内部定速时钟）例如：频率=2MHz 时钟/（C1*C2）（这里的C1与C2是16位定时器的分频系数）External CLK/Trig（外部时钟）三种方式的特点软件触发最为简单、易用，但无法精确控制采样时序，适用于对时序要求不甚严格的场合，如采集DC信号内部时钟能够精确控制采样时序，但无法保证与外部信号严格同步，但一般应用（无论时域还是频域）均能够满足要求外部时钟最为灵活，能够满足特殊应用的需求CLK与TriggerAdvance technologies;Automate the world.A/D基本定

10、义Trigger（触发）：启动、停止或同步采集事件的方法MNN延时触发预触发中触发后触发模拟触发数字触发上升沿触发MNN下降沿触发正沿触发负沿触发触发事件Advance technologies;Automate the world.A/D基本定义下列情况适用软件触发模式（Software Trigger，非Soft Polling）用户需要对所有采集事件进行明确控制时间要求不甚严格下列情况适用硬件触发模式采集事件需要与外部装置严格同步高速、瞬态采集事件Advance technologies;Automate the world.A/D基本定义多通道采样同步采样 采用多个A/D芯片，不同通道

11、采用同一时钟 保证不同通道的采样时间相同（信号同步）轮询采样 只采用一个A/D芯片，通过多路转换开关实现不同通道的切换 通道转换时间 可以通过外加采样/保持电路保证采样的同步突发模式采样 用通道时钟控制通道间的时间间隔 用另一个扫描时钟控制两次扫描过程之间的间隔 BSSHAdvance technologies;Automate the world.A/D基本定义信号类型从信号端来讲，信号分为 接地信号 浮空信号从信号输入端来讲，输入方式分为 差分输入（DI）参考地单端输入（RSE）无参考地单端输入（NRSE）一般来讲，浮空信号和差分输入方式比较好。但要看具体情况而定。接地信号浮空信号DI适合

12、适合RSE不适合适合NRSE适合适合Advance technologies;Automate the world.A/D基本定义接地信号的测量最好采用差分或NRSE方式若采用RSE方式，会引入较大误差接地回路通常会在测量数据中引入频率为电源频率的交流和偏置直流干扰如果信号电压很高并且信号源和数据采集卡之间的连接阻抗很小，也可以采用RSE输入方式Advance technologies;Automate the world.A/D基本定义浮空信号的测量可以用差分、RSE、NRSE方式测量浮空信号在差分输入时，必须保证相对于测量地的信号共模电压在允许范围之内需在测量端与测量地之间连接偏置电阻10

13、K ohmR1=R21V 连线比较短，一般5m 环境干扰很小或信号屏蔽比较好 所有输入信号都与信号源共地 否则建议选用差分输入方式总体而言，差分输入方式是比较好的选择Advance technologies;Automate the world.A/D基本定义输入范围与增益输入信号的幅度/输入信号的放大倍数单极性与双极性 双极性：e.x.-10V +10V (20V范围)单极性：e.x.0V+5V(5V范围)跳线设置或编程设置可编程增益 对于大信号应用：普通增益（1,2,4,8）对于小信号应用：高增益（1,10,100,1000）例如：输入电压范围：+/-10V,普通增益 可选择的输入电压范围

14、：+/-10V,+/-5V,+/-2.5V,+/-1.25V0V-10V+10V+5VAdvance technologies;Automate the world.A/D基本定义采样精度/分辨率：Accuracy/Resolution采样数据最低位所代表的模拟量的值Nbit:8bit/12bit/16bit电压表示：输入范围/2n用户关心的最小可测电压值举例：假如10V的输入信号用12位数据来表示，则最小可分辨的电压为10/212=0.224mV 振幅振幅分辨率分辨率时间时间02010012014040608010.009.757.506.255.003.752.501.2501111101

15、00011010001000Advance technologies;Automate the world.A/D基本定义A/D数据格式二进制原码二进制循环码A/D Data(Hex)Decimal ValueVoltage(Volts)7FFF+32767+10.000004000+16384+5.0001500011+0.0003100000 0.00000FFFF-1-0.00031C000-16384-5.000158001-32767-10.000008000-32768-10.00031A/DData(Hex)Decimal ValueVoltage(Volts)FFF4095+1

16、0.000C003072+5.0018012049+0.0058002048 0.0007FF2047-0.0054001024-5.0010011-10.0000000-10.005实例 2:12 位,双极性输入二进制原码格式实例1:16 位,双极性输入 二进制循环码格式Advance technologies;Automate the world.A/D基本定义隔离模拟光隔与数字光隔A/D的隔离一般隔离数字信号隔离电压FIFO先进先出存储器 First In First Out用于A/D转换数据缓存作用PCI总线的传输速率大于A/D转换速率，FIFO正常情况下是空的利用Bus Master

17、ing DMA，最多可以单次DMA 64MB，并不受限于FIFO大小Advance technologies;Automate the world.A/D基本定义数据采集卡的中断系统ISA总线采集卡通过跳线选择IRQ中断源可选择AT Businterrupt linesExternal Interrupt EOC InterruptTimer InterruptFIFO Half-Full Int.DMA Terminal CountProgrammableMultiplexerDMA Enable SignalCPUJumperACL-8316/12的中断系统的中断系统Most of the

18、 ISA AD cards only use the EOC interrupt Advance technologies;Automate the world.A/D基本定义数据采集卡的中断系统PCI总线采集卡由PCI BIOS自动分配IRQ多块PCI卡可共享同一中断对于PCI总线采集卡，软件设计时必须考虑中断共享中断共享的实现PCIControllerINT#Aof PCI BusIRQFlip-FlopsINT1Clear IRQ INT1MUXAD EOCINT2MUXTimer Pacer FIFO Half-fullExternal IRQINT2PCI-9111的中断系统的中断系

19、统Advance technologies;Automate the world.A/D基本定义数据传输Software PollingEOC INTFIFO Half Full INTDMABus Mastering DMAScatter Gather DMAA/D Data RegisterISA Bus or PCI BusFIFO Buffer1.inport instruction2.DMA controller3.PCI Bus-masterTransfer Data tomemory by:FIFO enableInterrupt GenerationSysteminterrup

20、t lineEnd of ConversionFIFO Half-FullAdvance technologies;Automate the world.Scatter/Gather DMAPCI BusControllerCPUTimerLogicA/DD/AData FIFOFragmented Physical MemoryGatheringScatter memoryRetrieves DataAdvance technologies;Automate the world.A/D基本定义实现连续采样Double Buffer DMAAdvance technologies;Automa

21、te the world.A/D数据采集应用对于不支持总线主控的采集卡。如何在Windows下应用Slave的PCI卡不支持DMA，只有中断；ISA卡的DMA也要通过中断Windows对中断的响应有延时使用 FIFO 缓冲区来消除Windows延时的影响，但数据不能进行“实时”处理FIFO 可以存储至少10 ms的模拟信号数据 1024 1/100 KHz=10.24 msA/D 数据传输方法 使用FIFO 半满标志位来产生一个中断，然后在中断服务程序中读取 A/D数据 FIFO 数据查询也是可以的，而中断则被保留起来用作紧急事件触发源或看门狗定时器触发源Advance technologie

22、s;Automate the world.A/D数据采集应用如何对数据实时处理DMA：高速，基本可满足不太严格的实时处理要求严格“实时”，内时钟触发 EOC中断 实时操作系统（或DOS）用户自行在中断服务程序中处理数据Advance technologies;Automate the world.D/A基本定义D/A：数字量模拟量转换将计算机内部数字量信号转成外部电压建立时间(Setting Time)：指变化量为满刻度时，达到终值1/2LSB时所需的时间更新频率/采样频率(Max Data Update Rate)精度(Resolution)：8bit 12bit 14bit 16bit输出

23、范围输出信号类型 电压输出 电流输出(Source、Sink)Advance technologies;Automate the world.A/D与D/A测试能否用A/D卡采集脉冲信号？假如用100K的采集卡采集75K的信号，会得到什么样的结果？简要说明DI、RSE、NRSE的区别？凌华哪些板卡支持NRSE输入？对于mV级信号采用高增益的好处是什么？什么是FIFO？与Double Buffer DMA的Buffer有何区别？PCI-6208V的D/A建立时间是2微秒，是否可以说其可以用作输出频率500KHz的任意波形发生器？Advance technologies;Automate the

24、world.数字I/O基本定义I/O点数或通道数隔离与非隔离非隔离输入输出：TTL电平兼容隔离输入类型：光电隔离输入隔离输出类型1：达林顿管输出隔离输出类型2：继电器输出输出驱动能力I/O速度Advance technologies;Automate the world.隔离数字输入隔离输入信号电压范围依赖于限流电阻若要使用大负载则需用户自定义限流电阻1.2K Ohm隔离输入PC814Advance technologies;Automate the world.隔离数字输出达林顿晶体管能够提供比较大的“灌电流”驱动需要外部或内部电源若为感性负载，必须使用外部电源+负载电源电源535V达林顿管

25、达林顿管-内部电源VDD外部电源Advance technologies;Automate the world.DIO基本定义既可作DI，也可作DO，程序控制8255兼容Advance technologies;Automate the world.T/C基本定义Timer/Counter 82C54GATE：门控信号。只有当GATE为H时计数CLK：时钟。每输入一个脉冲计数值减1OUT：计数输出。当计数到一定值时改变状态。状态的改变由工作方式决定NGATECLKOUTAdvance technologies;Automate the world.T/C基本用法计输入信号频率设置计数初值N将已

26、知长度(T)的脉冲输入至GATE，待测信号输至CLK测量T时间中的计数，即可算得输入信号的频率NGATECLKOUT输入信号已知长度的脉冲Advance technologies;Automate the world.T/C基本用法计输入脉冲信号时间设置计数初值N将已知长度(t)的方波或脉冲输入至CLK，待测信号输至GATE测量脉冲过程中的计数，即可算得输入信号的时间NGATECLKOUT输入信号已知长度的脉冲Advance technologies;Automate the world.总结本次内容涉及A/D、D/A、GPIO、GPTC等，对于高速I/O将在今后专门介绍Advance tec

27、hnologies;Automate the world.附录附录常见传感器及信号调理常见传感器及信号调理Advance technologies;Automate the world.模拟信号调理低电压信号低电压信号电流输入电流输入/输出输出RTDs 和热敏电阻和热敏电阻热电偶热电偶应变仪应变仪隔离隔离放大放大噪声滤波噪声滤波电流与电压的转换电流与电压的转换;隔离，放大，噪声滤波隔离，放大，噪声滤波隔离，放大，噪声滤波隔离，放大，噪声滤波冷端补偿冷端补偿激励电源激励电源隔离，放大，噪声滤波隔离，放大，噪声滤波激励电压激励电压全桥和半桥设置全桥和半桥设置隔离，放大，噪声滤波隔离，放大，噪声滤波

28、多功能多功能I/OAdvance technologies;Automate the world.常见传感器物理现象物理现象传感器传感器温度温度热电偶热电偶 RTD IC传感器传感器 热敏电阻热敏电阻光光光电传感器光电传感器声声麦克风麦克风力和压力力和压力应变仪应变仪 压电传感器压电传感器Advance technologies;Automate the world.热电偶 价格较低，坚固价格较低，坚固 可承受高温可承受高温 可迅速感知温度的快速变化可迅速感知温度的快速变化 需要作冷端补偿需要作冷端补偿 电压量很小电压量很小 需要放大需要放大 输出非线性输出非线性 需要冷端补偿需要冷端补偿Advance technologies;Automate the world.RTD 精度比热电偶高精度比热电偶高 不需要冷端补偿不需要冷端补偿 比热电偶昂贵比热电偶昂贵 需要电流源需要电流源 非线性输出，需要线性化非线性输出，需要线性化 2路路RTDs接线，简单，但要考虑接线电阻误差接线，简单，但要考虑接线电阻误差 3路和路和4路路 RTD 接线，消除了接线电阻误差接线，消除了接线电阻误差