數(shù)據(jù)采集基礎(chǔ)知識講座

1、Advance technologies; Automate the world.數(shù)據(jù)采集基礎(chǔ)知識講座數(shù)據(jù)采集基礎(chǔ)知識講座張斌張斌北京凌華技術(shù)支持部北京凌華技術(shù)支持部Advance technologies; Automate the world.內(nèi)容大綱信號與系統(tǒng)初步信號采集的基本定理基本定義A/DD/ADIOTimer/CounterAdvance technologies; Automate the world.信號與系統(tǒng)初步一個典型的系統(tǒng)：模擬輸入采樣/量化1101數(shù)字輸入數(shù)字信號處理1101數(shù)字輸出模擬重建模擬輸出Advance technologies; Automate the

2、world.信號與系統(tǒng)初步 (續(xù))信號的分類：信息信息狀態(tài)狀態(tài)速率速率幅值幅值形狀形狀頻率頻率onofft1-0-t0.985ttf信號信號模擬量模擬量數(shù)字量數(shù)字量開開/關(guān)信號關(guān)信號脈沖隊列脈沖隊列直流信號直流信號時域信號時域信號頻域信號頻域信號Advance technologies; Automate the world.信號與系統(tǒng)初步 (續(xù))數(shù)字信號onofft1-0-t開關(guān)信號輸入：檢測一個開關(guān)的打開/閉合輸出：打開/關(guān)閉一個閥門驅(qū)動能力通道數(shù)脈沖隊列輸入：讀光編碼器的輸出信號輸出：產(chǎn)生一個方波時鐘頻率分辨率對采集卡的要求Advance technologies; Automate t

3、he world.信號與系統(tǒng)初步 (續(xù))模擬信號電壓信號溫度壓力流量應力DC精度頻域信號振動語音聲吶分辨率采樣頻率精度觸發(fā)對采集卡的要求時域信號雷達回波血壓變化汽車點火波形分辨率采樣頻率精度觸發(fā)0.985ttfAdvance technologies; Automate the world.信號采集傳感器信號調(diào)理放大濾波信號轉(zhuǎn)換將外部信號采入計算機，并加以處理，最后輸出Advance technologies; Automate the world.PC Based信號采集系統(tǒng)Advance technologies; Automate the world.PC Base DAQ系統(tǒng)架構(gòu)ISA

4、 / PCI Expansion SlotAddressLatchDataBufferI/ORead/Write8259Interrupt8237DMADecoderAdressDataControl7424474244PC SystemDAQ cardDACADCDIOCNT1 12 23 34 42 23 31 14 4Advance technologies; Automate the world.PC Base數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)功能A/D轉(zhuǎn)換（模擬量/數(shù)字量轉(zhuǎn)換）D/A轉(zhuǎn)換（數(shù)字量/模擬量轉(zhuǎn)換）DIO（數(shù)字量輸入/輸出）Timer/Counter（定時器/計數(shù)器）Advance techno

5、logies; Automate the world.基本定義A/D：模擬量數(shù)字量轉(zhuǎn)換把外部電壓信號轉(zhuǎn)成計算機能夠識別的數(shù)字信號采樣頻率 Max Sampling Rate (S/s), Sampling Frequency (Hz)精度(Resolution)：8bit 12bit 14bit 16bit輸入范圍(Input Range)(增益)：同步采樣(Simultaneous analog input)輪詢采樣(Multiplex analog input)突發(fā)模式采樣(Burst mode)觸發(fā)模式(Trigger mode)隔離(Isolation)FIFOAdvance tech

6、nologies; Automate the world.A/D轉(zhuǎn)換過程多路切換卡多路選擇+_A/D轉(zhuǎn)換器模擬模擬信號信號A/D 觸發(fā)信號觸發(fā)信號數(shù)據(jù)緩沖區(qū)n1. 信號源控制 通道數(shù) 信號類型 (SE/DI) 信號范圍 自動通道掃描2. 觸發(fā)源控制 觸發(fā)信號源 采樣頻率3. A/D 數(shù)據(jù)緩沖區(qū) 數(shù)據(jù)寄存器 FIFO 緩沖區(qū)AT 總線或 PCI 總線內(nèi)存(Buffer)4. 數(shù)據(jù)傳輸 I/O 指令 DMA 總線主控中斷信號中斷信號CPU5. 中斷信號控制6. A/D 分辨率與數(shù)據(jù)格式 數(shù)據(jù)位數(shù) 二進制代碼或補碼 單極性或雙極性7. 隔離與非隔離Advance technologies; Auto

7、mate the world.A/D轉(zhuǎn)換的過程同步板卡模擬信號 A/D觸發(fā)信號數(shù)據(jù)緩沖區(qū)+_A/D轉(zhuǎn)換器nPCI總線內(nèi)存(Buffer)CPU+_A/D轉(zhuǎn)換器n+_A/D轉(zhuǎn)換器n模擬信號模擬信號Advance technologies; Automate the world.A/D基本定義信號的頻率代表信號變化快慢的物理量任何一種信號都可以轉(zhuǎn)換成一組正弦波的迭加不同的信號頻率不同： 語音：4kHz 音樂：=2*fmax fs ：采樣頻率 fmax ：信號最高頻率 一般最小為fs=2.5*fmax 工程上一般取為fs=68*fmax采樣定律的特例等效時間采樣Advance technologie

8、s; Automate the world.A/D基本定義足夠的采樣率下的采樣結(jié)果 過低采樣率下的采樣結(jié)果 Advance technologies; Automate the world.A/D基本定義能夠正確顯示信號而不發(fā)生畸變的最大頻率叫做Nyquist頻率，它是采樣頻率的一半信號中所包含的頻率高于Nyquist頻率的成分，將在直流和Nyquist頻率之間發(fā)生畸變，稱為混疊（alias） 混頻偏差（alias frequency） ABS（采樣頻率的最近整數(shù)倍輸入頻率） 解決方案在A/D前加入低通濾波器，將信號中高于Nyquist頻率的信號成分濾去稱為抗混疊濾波器抗混疊濾波器Advanc

9、e technologies; Automate the world.A/D基本定義采樣頻率的控制Soft Polling（內(nèi)部軟件觸發(fā)，通過I/O指令實現(xiàn)）Timer Pacer（由8254定時器芯片分頻產(chǎn)生的內(nèi)部定速時鐘） 例如：頻率 = 2MHz 時鐘 /（C1*C2）（這里的C1與C2是16位定時器的分頻系數(shù)）External CLK / Trig（外部時鐘）三種方式的特點軟件觸發(fā)最為簡單、易用，但無法精確控制采樣時序，適用于對時序要求不甚嚴格的場合，如采集DC信號內(nèi)部時鐘能夠精確控制采樣時序，但無法保證與外部信號嚴格同步，但一般應用（無論時域還是頻域）均能夠滿足要求外部時鐘最為靈活，

10、能夠滿足特殊應用的需求CLK與TriggerAdvance technologies; Automate the world.A/D基本定義Trigger（觸發(fā)）：啟動、停止或同步采集事件的方法MNN延時觸發(fā)預觸發(fā)中觸發(fā)后觸發(fā)模擬觸發(fā)數(shù)字觸發(fā)上升沿觸發(fā)MNN下降沿觸發(fā)正沿觸發(fā)負沿觸發(fā)觸發(fā)事件Advance technologies; Automate the world.A/D基本定義下列情況適用軟件觸發(fā)模式（Software Trigger，非Soft Polling）用戶需要對所有采集事件進行明確控制時間要求不甚嚴格下列情況適用硬件觸發(fā)模式采集事件需要與外部裝置嚴格同步高速、瞬態(tài)采集事件A

11、dvance technologies; Automate the world.A/D基本定義多通道采樣同步采樣 采用多個A/D芯片，不同通道采用同一時鐘 保證不同通道的采樣時間相同（信號同步）輪詢采樣 只采用一個A/D芯片，通過多路轉(zhuǎn)換開關(guān)實現(xiàn)不同通道的切換 通道轉(zhuǎn)換時間 可以通過外加采樣/保持電路保證采樣的同步突發(fā)模式采樣 用通道時鐘控制通道間的時間間隔 用另一個掃描時鐘控制兩次掃描過程之間的間隔 BSSHAdvance technologies; Automate the world.A/D基本定義信號類型從信號端來講，信號分為 接地信號 浮空信號從信號輸入端來講，輸入方式分為 差分輸入

12、（DI） 參考地單端輸入（RSE） 無參考地單端輸入（NRSE）一般來講，浮空信號和差分輸入方式比較好。但要看具體情況而定。接地信號浮空信號DI適合適合RSE不適合適合NRSE適合適合Advance technologies; Automate the world.A/D基本定義接地信號的測量最好采用差分或NRSE方式若采用RSE方式，會引入較大誤差接地回路通常會在測量數(shù)據(jù)中引入頻率為電源頻率的交流和偏置直流干擾如果信號電壓很高并且信號源和數(shù)據(jù)采集卡之間的連接阻抗很小，也可以采用RSE輸入方式Advance technologies; Automate the world.A/D基本定義浮空信

13、號的測量可以用差分、RSE、NRSE方式測量浮空信號在差分輸入時，必須保證相對于測量地的信號共模電壓在允許范圍之內(nèi)需在測量端與測量地之間連接偏置電阻10K ohmR1=R21V 連線比較短，一般5m 環(huán)境干擾很小或信號屏蔽比較好 所有輸入信號都與信號源共地 否則建議選用差分輸入方式總體而言，差分輸入方式是比較好的選擇Advance technologies; Automate the world.A/D基本定義輸入范圍與增益輸入信號的幅度 / 輸入信號的放大倍數(shù)單極性與雙極性 雙極性： e.x. -10V +10V (20V范圍) 單極性： e.x. 0V+5V (5V范圍) 跳線設置或編程設

14、置可編程增益 對于大信號應用： 普通增益（1,2,4,8） 對于小信號應用： 高增益（1,10,100,1000）例如：輸入電壓范圍： +/-10V, 普通增益 可選擇的輸入電壓范圍：+/-10V, +/-5V, +/-2.5V, +/-1.25V0V-10V+10V+5VAdvance technologies; Automate the world.A/D基本定義采樣精度/分辨率：Accuracy / Resolution采樣數(shù)據(jù)最低位所代表的模擬量的值Nbit: 8bit / 12bit / 16bit電壓表示：輸入范圍/2n用戶關(guān)心的最小可測電壓值舉例：假如10V的輸入信號用12位數(shù)據(jù)

15、來表示，則最小可分辨的電壓為10/212=0.224mV 振幅振幅分辨率分辨率時間時間02010012014040608010.009.757.506.255.003.752.501.250111110100011010001000Advance technologies; Automate the world.A/D基本定義A/D數(shù)據(jù)格式二進制原碼二進制循環(huán)碼A/D Data (Hex)Decimal ValueVoltage (Volts)7FFF+32767+10.000004000+16384 +5.0001500011 +0.0003100000 0.00000FFFF-1 -0.0

16、0031C000-16384 -5.000158001-32767-10.000008000-32768-10.00031A/DData(Hex)Decimal ValueVoltage (Volts)FFF4095+10.000C003072 +5.0018012049 +0.0058002048 0.0007FF2047 -0.0054001024 -5.0010011-10.0000000-10.005實例 2: 12 位, 雙極性輸入二進制原碼格式實例1: 16 位, 雙極性輸入 二進制循環(huán)碼格式Advance technologies; Automate the world.A/D基

17、本定義隔離模擬光隔與數(shù)字光隔A/D的隔離一般隔離數(shù)字信號隔離電壓FIFO先進先出存儲器 First In First Out用于A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)緩存作用PCI總線的傳輸速率大于A/D轉(zhuǎn)換速率，F(xiàn)IFO正常情況下是空的利用Bus Mastering DMA，最多可以單次DMA 64MB，并不受限于FIFO大小Advance technologies; Automate the world.A/D基本定義數(shù)據(jù)采集卡的中斷系統(tǒng)ISA總線采集卡通過跳線選擇IRQ中斷源可選擇AT Businterrupt linesExternal Interrupt EOC InterruptTimer Interru

18、ptFIFO Half-Full Int.DMA Terminal CountProgrammableMultiplexerDMA Enable SignalCPUJumperACL-8316/12的中斷系統(tǒng)的中斷系統(tǒng)Most of the ISA AD cards only use the EOC interrupt Advance technologies; Automate the world.A/D基本定義數(shù)據(jù)采集卡的中斷系統(tǒng)PCI總線采集卡由PCI BIOS自動分配IRQ多塊PCI卡可共享同一中斷對于PCI總線采集卡，軟件設計時必須考慮中斷共享中斷共享的實現(xiàn)PCIController

19、INT #Aof PCI BusIRQFlip-FlopsINT1Clear IRQ INT1MUXAD EOCINT2MUXTimer Pacer FIFO Half-fullExternal IRQINT2PCI-9111的中斷系統(tǒng)的中斷系統(tǒng)Advance technologies; Automate the world.A/D基本定義數(shù)據(jù)傳輸Software PollingEOC INTFIFO Half Full INTDMABus Mastering DMAScatter Gather DMAA/D Data RegisterISA Bus or PCI BusFIFO Buffer

20、1. inport instruction2. DMA controller3. PCI Bus-masterTransfer Data tomemory by:FIFO enableInterrupt GenerationSysteminterrupt lineEnd of ConversionFIFO Half-FullAdvance technologies; Automate the world.Scatter/Gather DMAPCI BusControllerCPUTimerLogicA/DD/AData FIFOFragmented Physical MemoryGatheri

21、ngScatter memoryRetrieves DataAdvance technologies; Automate the world.A/D基本定義實現(xiàn)連續(xù)采樣Double Buffer DMAAdvance technologies; Automate the world.A/D數(shù)據(jù)采集應用對于不支持總線主控的采集卡。如何在Windows下應用Slave的PCI卡不支持DMA，只有中斷；ISA卡的DMA也要通過中斷Windows對中斷的響應有延時使用 FIFO 緩沖區(qū)來消除Windows延時的影響， 但數(shù)據(jù)不能進行“實時”處理FIFO 可以存儲至少10 ms的模擬信號數(shù)據(jù) 1024

22、1 / 100 KHz = 10.24 msA/D 數(shù)據(jù)傳輸方法 使用FIFO 半滿標志位來產(chǎn)生一個中斷， 然后在中斷服務程序中讀取 A/D數(shù)據(jù) FIFO 數(shù)據(jù)查詢也是可以的， 而中斷則被保留起來用作緊急事件觸發(fā)源或看門狗定時器觸發(fā)源Advance technologies; Automate the world.A/D數(shù)據(jù)采集應用如何對數(shù)據(jù)實時處理DMA：高速，基本可滿足不太嚴格的實時處理要求嚴格“實時”，內(nèi)時鐘觸發(fā) EOC中斷 實時操作系統(tǒng)（或DOS） 用戶自行在中斷服務程序中處理數(shù)據(jù)Advance technologies; Automate the world.D/A基本定義D/A：數(shù)

23、字量模擬量轉(zhuǎn)換將計算機內(nèi)部數(shù)字量信號轉(zhuǎn)成外部電壓建立時間(Setting Time)：指變化量為滿刻度時，達到終值1/2LSB時所需的時間更新頻率/采樣頻率 (Max Data Update Rate)精度(Resolution)：8bit 12bit 14bit 16bit輸出范圍輸出信號類型 電壓輸出 電流輸出(Source、Sink)Advance technologies; Automate the world.A/D與D/A測試能否用A/D卡采集脈沖信號？假如用100K的采集卡采集75K的信號，會得到什么樣的結(jié)果？簡要說明DI、RSE、NRSE的區(qū)別？凌華哪些板卡支持NRSE輸入？對

24、于mV級信號采用高增益的好處是什么？什么是FIFO？與Double Buffer DMA的Buffer有何區(qū)別？PCI-6208V的D/A建立時間是2微秒，是否可以說其可以用作輸出頻率500KHz的任意波形發(fā)生器？Advance technologies; Automate the world.數(shù)字I/O基本定義I/O點數(shù)或通道數(shù)隔離與非隔離非隔離輸入輸出：TTL電平兼容隔離輸入類型：光電隔離輸入隔離輸出類型1：達林頓管輸出隔離輸出類型2：繼電器輸出輸出驅(qū)動能力I/O速度Advance technologies; Automate the world.隔離數(shù)字輸入隔離輸入信號電壓范圍依賴于限流

25、電阻若要使用大負載則需用戶自定義限流電阻1.2K Ohm隔離輸入PC814Advance technologies; Automate the world.隔離數(shù)字輸出達林頓晶體管能夠提供比較大的“灌電流”驅(qū)動需要外部或內(nèi)部電源若為感性負載，必須使用外部電源+負載電源電源535V達林頓管達林頓管-內(nèi)部電源VDD外部電源Advance technologies; Automate the world.DIO基本定義既可作DI，也可作DO，程序控制8255兼容Advance technologies; Automate the world.T/C基本定義Timer / Counter 82C54G

26、ATE：門控信號。只有當GATE為H時計數(shù)CLK：時鐘。每輸入一個脈沖計數(shù)值減1OUT：計數(shù)輸出。當計數(shù)到一定值時改變狀態(tài)。狀態(tài)的改變由工作方式?jīng)Q定NGATECLKOUTAdvance technologies; Automate the world.T/C基本用法計輸入信號頻率設置計數(shù)初值N將已知長度(T)的脈沖輸入至GATE，待測信號輸至CLK測量T時間中的計數(shù)，即可算得輸入信號的頻率NGATECLKOUT輸入信號已知長度的脈沖Advance technologies; Automate the world.T/C基本用法計輸入脈沖信號時間設置計數(shù)初值N將已知長度(t)的方波或脈沖輸入至CLK，待測信號輸至GATE測量脈沖過程中的計數(shù)，即可算得輸入信號的時間NGATECLKOUT輸入信號已知長度的脈沖Advance technologies