計(jì)算機(jī)測(cè)控系統(tǒng)分析—數(shù)據(jù)采集卡詳細(xì)介紹

1、計(jì)算機(jī)測(cè)控系統(tǒng)分析數(shù)據(jù)采集卡詳細(xì)介紹數(shù)據(jù)采集卡概述數(shù)據(jù)采集卡的產(chǎn)生 為了滿足IBM-PC機(jī)及其兼容機(jī)用于數(shù)據(jù)采集與控制的需要，國(guó)內(nèi)外許多廠商生產(chǎn)了各種各樣的數(shù)據(jù)采集板卡（或I/O板卡）。這類板卡均參照IBM-PC機(jī)的總線技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)和生產(chǎn)，用戶只要把這類板卡插入IBM-PC機(jī)主板上相應(yīng)的I/O擴(kuò)展槽中，就可以迅速方便地構(gòu)成一個(gè)數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)，從而大大節(jié)省了硬件的研制時(shí)間和投資，又可以充分利用IBM-PC機(jī)的軟硬件資源，還可以使用戶集中精力對(duì)數(shù)據(jù)采集與處理中的理論和方法進(jìn)行研究、進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)以及程序的編制等。數(shù)據(jù)采集卡的種類 基于PC總線的板卡種類很多，其分類方法也有很多種。按照板卡處理信號(hào)

2、的不同可以分為模擬量輸入板卡(A/D卡)、模擬量輸出板卡(D/A卡)、開(kāi)關(guān)量輸入板卡、開(kāi)關(guān)量輸出板卡、脈沖量輸入板卡、多功能板卡等。其中多功能板卡可以集成多個(gè)功能，如數(shù)字量輸入/輸出板卡將模擬量輸入和數(shù)字量輸入/輸出集成在同一張卡上。根據(jù)總線的不同，可分為PCI板卡和ISA板卡。 PCI-5121智能CAN接口卡 還有其它一些專用I/O板卡，如智能接口卡、虛擬存儲(chǔ)板（電子盤）、信號(hào)調(diào)理板、專用（接線）端子板等，這些種類齊全、性能良好的I/O板卡與IPC配合使用，使系統(tǒng)的構(gòu)成十分容易。 常用的數(shù)據(jù)采集卡 1模擬量輸入卡（A/D卡） 在工業(yè)測(cè)控系統(tǒng)中，輸入信號(hào)往往是模擬量，這就需要一個(gè)裝置把模擬量

3、轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，各種A/D芯片就是用來(lái)完成此類轉(zhuǎn)換的。在實(shí)際的計(jì)算機(jī)測(cè)控系統(tǒng)中，不是以A/D芯片為基本單元，而是制成商品化的A/D板卡。 模擬量輸入板卡根據(jù)使用的A/D轉(zhuǎn)換芯片和總線結(jié)構(gòu)不同，性能有很大的區(qū)別。板卡通常有單端輸入、差分輸人以及兩種方式組合輸入三種。板卡內(nèi)部通常設(shè)置一定的采樣緩沖器，對(duì)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行緩沖處理，緩沖器的大小也是板卡的性能指標(biāo)之一。在抗干擾方面，A/D板卡通常采取光電隔離技術(shù)，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的隔離。板卡模擬信號(hào)采集的精度和速度指標(biāo)通常由板卡所采用的A/D轉(zhuǎn)換芯片決定。 例如，下圖所示為研華PCI-1713模擬量輸入卡。該板卡具有32 路單端或16 路差分模擬量輸入，或組合輸入方

4、式，12位A/D轉(zhuǎn)換分辨率，A/D轉(zhuǎn)換器的采樣速率可達(dá)100 kHz，每個(gè)輸入通道的增益可編程，卡上有4K采樣FIFO緩沖器，2500VDC 隔離保護(hù)，支持軟件、內(nèi)部定時(shí)器觸發(fā)或外部觸發(fā)。 2模擬量輸出卡（D/A卡） 計(jì)算機(jī)內(nèi)部處理采用的是數(shù)字量，而執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用的是模擬量。計(jì)算機(jī)通過(guò)D/A板卡將數(shù)字量轉(zhuǎn)化為模擬量，從而通過(guò)控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)作去控制生產(chǎn)工藝過(guò)程。 D/A轉(zhuǎn)換板卡同樣依據(jù)其采用的D/A轉(zhuǎn)換芯片的不同，轉(zhuǎn)換性能指標(biāo)有很大的差別。 例如，下圖所示為研華PCI-1720U模擬量輸出卡。該板卡具有四路12 位D/A 輸出通道，多種輸出范圍。由于能夠在輸出和PCI總線之間提供2500VDC的

5、隔離保護(hù)，PCI-1720非常適合需要高電壓保護(hù)的工業(yè)場(chǎng)合。 3數(shù)字量輸入/輸出卡（I/O卡） 計(jì)算機(jī)測(cè)控系統(tǒng)通過(guò)數(shù)字量輸入板卡采集工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程的離散輸入信號(hào)，并通過(guò)數(shù)字量輸出板卡對(duì)生產(chǎn)過(guò)程或控制設(shè)備進(jìn)行開(kāi)關(guān)式控制（二位式控制）。將數(shù)字量輸入和數(shù)字量輸出功能集成在一塊板卡上，就稱為數(shù)字量輸入/輸出板卡，簡(jiǎn)稱I/O板卡。 例如，下圖所示為研華PCI-1730數(shù)字量輸入/輸出卡，它提供了16路數(shù)字量輸入和16路數(shù)字量輸出，高輸出驅(qū)動(dòng)能力和中斷能力，具有2500VDC高電壓隔離I/O通道。4脈沖量輸入/輸出板卡 工業(yè)控制現(xiàn)場(chǎng)有許多高速的脈沖信號(hào)，如旋轉(zhuǎn)編碼器、流量檢測(cè)信號(hào)等，這些都要用脈沖量輸入板卡

6、或一些專用測(cè)量模塊進(jìn)行測(cè)量。脈沖量輸入/輸出板卡可以實(shí)現(xiàn)脈沖數(shù)字量的輸出和采集，并可以通過(guò)跳線器選擇計(jì)數(shù)、定時(shí)、測(cè)頻等不同工作方式，計(jì)算機(jī)可以通過(guò)該板卡方便地讀取脈沖計(jì)數(shù)值，也可測(cè)量脈沖的頻率或產(chǎn)生一定頻率的脈沖?？紤]到現(xiàn)場(chǎng)強(qiáng)電的干擾，該類型板卡多采用光電隔離技術(shù)，使計(jì)算機(jī)與現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)之間全部隔離，來(lái)提高板卡測(cè)量的抗干擾能力。例如，下圖所示的研華PCI-1780U計(jì)數(shù)器/定時(shí)器卡，是基于PCI總線設(shè)計(jì)的接口卡。該卡使用了AM9513芯片，能夠通過(guò)CPLD實(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù)器/定時(shí)器功能。此外，該卡還提供8個(gè)16位計(jì)數(shù)器通道，并具有8通道可編程時(shí)鐘資源，8路TTL數(shù)字量輸出/8路TTL數(shù)字量輸入，最高輸入頻

7、率達(dá)20MHz，有多種時(shí)鐘可以選擇，可編程計(jì)數(shù)器輸出，同時(shí)有計(jì)數(shù)器門選通功能。 遠(yuǎn)程I/O模塊 遠(yuǎn)程I/O模塊又稱為牛頓模塊，為近年來(lái)比較流行的一種I/O方式，它安裝在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，就地完成A/D、D/A轉(zhuǎn)換、I/O操作及脈沖量的計(jì)數(shù)、累計(jì)等操作。 遠(yuǎn)程I/O以通訊方式和計(jì)算機(jī)交換信息，通訊接口一般采用RS-485總線，通訊協(xié)議與模塊的生產(chǎn)廠家有關(guān)，但都是采用面向字符的通訊協(xié)議。 基于板卡的測(cè)控系統(tǒng)基于板卡的計(jì)算機(jī)測(cè)控系統(tǒng)的組成如圖所示，它可分為硬件和軟件兩大部分。 1計(jì)算機(jī)主機(jī) 它是整個(gè)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的核心。主機(jī)由CPU、存儲(chǔ)器等構(gòu)成。它通過(guò)由過(guò)程輸入通道發(fā)送來(lái)的工業(yè)對(duì)象的生產(chǎn)工況參數(shù)，按照人們

8、預(yù)先安排的程序，自動(dòng)地進(jìn)行信息處理、分析和計(jì)算，并作出相應(yīng)的控制決策或調(diào)節(jié)，以信息的形式通過(guò)輸出通道，及時(shí)發(fā)出控制命令，實(shí)現(xiàn)良好的人機(jī)聯(lián)系。目前采用的主機(jī)有PC機(jī)及工業(yè)PC機(jī)（IPC）等。 2傳感器與變送器 傳感器的作用是把非電物理量（如溫度、壓力、速度等）轉(zhuǎn)換成電壓或電流信號(hào)。例如，使用熱電偶可以獲得隨著溫度變化而變化的電壓信號(hào)；轉(zhuǎn)速傳感器可以把轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換為電脈沖信號(hào)。 3信號(hào)調(diào)理器 信號(hào)調(diào)理器（電路）的作用是對(duì)傳感器輸出的電信號(hào)進(jìn)行加工和處理，轉(zhuǎn)換成便于輸送、顯示和記錄的電信號(hào)（電壓或電流）。常見(jiàn)的信號(hào)調(diào)理電路有：電橋電路、調(diào)制、解調(diào)電路、濾波電路、放大電路、線性化電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、隔離

9、電路等。 如：傳感器輸出信號(hào)是微弱的，就需要放大電路將微弱信號(hào)加以放大，以滿足過(guò)程通道的要求；為了與計(jì)算機(jī)接口方便，需要A/D轉(zhuǎn)換電路將模擬信號(hào)變換成數(shù)字信號(hào)等。 如果信號(hào)調(diào)理電路輸出的是規(guī)范化的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)（如420mA、15V等），這種信號(hào)調(diào)理電路稱為變送器。 在工業(yè)控制領(lǐng)域，常常將傳感器與變送器做成一體，統(tǒng)稱為變送器。變送器輸出的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)一般送往智能儀表或計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。 4輸入輸出板卡 應(yīng)用IPC對(duì)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行控制，首先要采集各種被測(cè)量，計(jì)算機(jī)對(duì)這些被測(cè)量進(jìn)行一系列處理后，將結(jié)果數(shù)據(jù)輸出。計(jì)算機(jī)輸出的數(shù)字量還必須轉(zhuǎn)換成可對(duì)生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行控制的量。因此，構(gòu)成一個(gè)工業(yè)控制系統(tǒng)，除了IPC主機(jī)外，還需

10、要配備各種用途的I/O接口產(chǎn)品，即I/O板卡。 各種板卡是不能直接由計(jì)算機(jī)主機(jī)控制的，必須由“I/O”接口來(lái)傳送相應(yīng)的信息和命令。I/O接口是主機(jī)和板卡、外圍設(shè)備進(jìn)行信息交換的紐帶。 目前絕大部分I/O接口都是采用可編程接口芯片，它們的工作方式可以通過(guò)編程設(shè)置。 要想驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，必須具有較大的輸出功率，即向執(zhí)行機(jī)構(gòu)提供大電流、高電壓驅(qū)動(dòng)信號(hào)，以帶動(dòng)其動(dòng)作；另一方面，由于各種執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)作原理不盡相同，有的用電動(dòng)，有的用氣動(dòng)或液動(dòng)，如何使計(jì)算機(jī)輸出的信號(hào)與之匹配，也是執(zhí)行機(jī)構(gòu)必須解決的重要問(wèn)題。因此為了實(shí)現(xiàn)與執(zhí)行機(jī)構(gòu)的功率配合，一般都要在計(jì)算機(jī)輸出板卡與執(zhí)行機(jī)構(gòu)之間配置驅(qū)動(dòng)電路。 5.驅(qū)動(dòng)電路

11、 6執(zhí)行機(jī)構(gòu) 它的作用是接受計(jì)算機(jī)發(fā)出的控制信號(hào)，并把它轉(zhuǎn)換成執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)作，使被控對(duì)象按預(yù)先規(guī)定的要求進(jìn)行調(diào)整，保證其正常運(yùn)行。生產(chǎn)過(guò)程按預(yù)先規(guī)定的要求正常運(yùn)行，即控制生產(chǎn)過(guò)程。 7外圍設(shè)備 主要是為了擴(kuò)大計(jì)算機(jī)主機(jī)的功能而配置的。它用來(lái)顯示、存儲(chǔ)、打印、記錄各種數(shù)據(jù)。包括輸入設(shè)備、輸出設(shè)備和存儲(chǔ)設(shè)備。 常用的外圍設(shè)備有：打印機(jī)、記錄儀、圖形顯示器（CRT）、外部存儲(chǔ)器（軟盤、硬盤、光盤等）、記錄儀、聲光報(bào)警器等。 8人機(jī)聯(lián)系設(shè)備 操作臺(tái)是人機(jī)對(duì)話的聯(lián)系紐帶。計(jì)算機(jī)向生產(chǎn)過(guò)程的操作人員顯示系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)、運(yùn)行參數(shù)，發(fā)出報(bào)警信號(hào)；生產(chǎn)過(guò)程的操作人員通過(guò)操作臺(tái)向計(jì)算機(jī)輸入和修改控制參數(shù)，發(fā)出各種操

12、作命令；程序員使用操作臺(tái)檢查程序；維修人員利用操作臺(tái)判斷故障等。 9網(wǎng)絡(luò)通信接口 對(duì)于復(fù)雜的生產(chǎn)過(guò)程，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)通信接口可構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)集成式計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。系統(tǒng)采用多臺(tái)計(jì)算機(jī)分別執(zhí)行不同的控制功能，既能同時(shí)控制分布在不同區(qū)域的多臺(tái)設(shè)備，同時(shí)又能實(shí)現(xiàn)管理功能。 軟件使PC和數(shù)據(jù)采集硬件形成了一個(gè)完整的數(shù)據(jù)采集、分析和顯示系統(tǒng)。沒(méi)有軟件，數(shù)據(jù)采集硬件是毫無(wú)用處的或者使用比較差的軟件，數(shù)據(jù)采集硬件也幾乎無(wú)法工作。 大部分?jǐn)?shù)據(jù)采集應(yīng)用實(shí)例都使用了驅(qū)動(dòng)軟件。軟件層中的驅(qū)動(dòng)軟件可以直接對(duì)數(shù)據(jù)采集件的寄存器編程，管理數(shù)據(jù)采集硬件的操作并把它和處理器中斷，DMA和內(nèi)存這樣的計(jì)算機(jī)資源結(jié)合在一起。驅(qū)動(dòng)軟件隱藏了復(fù)雜的

13、硬件底層編程細(xì)節(jié)，為用戶提供容易理解的接口。 軟件子系統(tǒng) 基于PC的DAQ系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱PCs）的基本特點(diǎn)是，輸入輸出裝置為板卡的形式，并將板卡直接與個(gè)人計(jì)算機(jī)的系統(tǒng)總線相連，即直接插在計(jì)算機(jī)主機(jī)的擴(kuò)展槽上。這些輸入輸出板卡往往按照某種標(biāo)準(zhǔn)由第三方批量生產(chǎn)，開(kāi)發(fā)者或用戶可以直接在市場(chǎng)上購(gòu)買，也可以由開(kāi)發(fā)者自行制作。一塊板卡的點(diǎn)數(shù)（指測(cè)控信號(hào)的數(shù)量）少的有幾點(diǎn)，多的可達(dá)24點(diǎn)、32點(diǎn)甚至更多。 系統(tǒng)特點(diǎn) 由于PCs價(jià)格低廉、組成靈活、標(biāo)準(zhǔn)化程度高、結(jié)構(gòu)開(kāi)放、配件供應(yīng)來(lái)源廣泛、應(yīng)用軟件豐富等特點(diǎn)，PCs是一種很有應(yīng)用前景的計(jì)算機(jī)測(cè)控系統(tǒng)。 利用板卡開(kāi)發(fā)測(cè)控系統(tǒng)的步驟利用板卡開(kāi)發(fā)測(cè)控系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)步驟用數(shù)據(jù)

14、采集卡構(gòu)成完整的測(cè)控系統(tǒng)還需要： 接線端子板、通信電纜和驅(qū)動(dòng)程序光盤板卡產(chǎn)品的成套性PCI-1710HG多功能板卡PCI-1710HG多功能板卡介紹 PCI-1710HG是一款功能強(qiáng)大的低成本多功能PCI總線數(shù)據(jù)采集卡，如圖所示，其中包含五種最常用的測(cè)量和控制功能。PCI1710HG板卡的成套性電纜采用PCL-10168型，是兩端針型接口的68芯SCSI-II電纜，用于連接板卡與ADAM-3968接線端子板。 PCL-10168電纜接線端子板采用ADAM-3968型，是DIN導(dǎo)軌安裝的68芯SCSI-II接線端子板，用于各種輸入輸出信號(hào)線的連接。ADAM-3968接線端子板用PCI-1710H

15、G板卡構(gòu)成的控制系統(tǒng)框圖如圖6-6所示。 PCI-1710HG板卡設(shè)備的安裝 首先進(jìn)入研華公司官方網(wǎng)站找到并下載下列程序：、等； 1安裝設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序在測(cè)試板卡和使用研華驅(qū)動(dòng)編程之前必須首先安裝研華設(shè)備管理程序Device Manager和32bitDLL驅(qū)動(dòng)程序。首先執(zhí)行程序，根據(jù)安裝向?qū)瓿膳渲霉芾碥浖陌惭b；接著執(zhí)行程序，按照提示完成驅(qū)動(dòng)程序的安裝。 2安裝硬件關(guān)閉計(jì)算機(jī)電源，打開(kāi)機(jī)箱，將PCI-1710HG板卡正確地插到一空閑的PCI插槽中，如圖6-8所示，檢查無(wú)誤后合上機(jī)箱。 圖6-8 PCI-1710HG板卡安裝重新開(kāi)啟計(jì)算機(jī)，進(jìn)入WindowsXP系統(tǒng)，首先出現(xiàn)“找到新的硬件向?qū)А?/p>

16、對(duì)話框，選擇“自動(dòng)安裝軟件”項(xiàng)，點(diǎn)擊“下一步”按鈕，計(jì)算機(jī)將自動(dòng)完成Advantech PCI-1710HG Device驅(qū)動(dòng)程序的安裝。系統(tǒng)自動(dòng)地為PCI板卡設(shè)備分配中斷和基地址，用戶無(wú)需關(guān)心。注意：在用手持板卡之前，請(qǐng)先釋放手上的靜電（例如：通過(guò)觸摸電腦機(jī)箱的金屬外殼釋放靜電），不要接觸易帶靜電的材料（如塑料材料），手持板卡時(shí)只能握它的邊沿，以免手上的靜電損壞面板上的集成電路或組件。 檢查板卡是否安裝正確：右擊“我的電腦”，點(diǎn)擊“屬性”項(xiàng)，彈出“系統(tǒng)屬性”對(duì)話框，選中“硬件”項(xiàng)，點(diǎn)擊“設(shè)備管理器”按鈕，進(jìn)入“設(shè)備管理器”畫面，若板卡安裝成功后會(huì)在設(shè)備管理器列表中出現(xiàn)PCI-1710HG的設(shè)

17、備信息，如圖所示。 設(shè)備管理器中的板卡信息查看板卡屬性“資源”選項(xiàng)中，可獲得計(jì)算機(jī)分配給板卡的地址輸入輸出范圍：C000-C0FF，其中首地址為C000，分配的中斷號(hào)為22（與板卡在擴(kuò)展槽中的位置有關(guān)），如圖所示。 板卡資源信息3配置板卡 在測(cè)試板卡和使用研華驅(qū)動(dòng)編程之前必須首先對(duì)板卡進(jìn)行配置，通過(guò)研華板卡配置軟件Device Manager來(lái)實(shí)現(xiàn)。從開(kāi)始菜單/所有程序/Advantech Automation/Device Manager打開(kāi)設(shè)備管理程序Advantech Device Manager，如圖所示。 如果沒(méi)有安裝的板卡，先找到該板卡，再執(zhí)行“Add”即可。配置板卡4板卡測(cè)試可以

18、利用板卡附帶的測(cè)試程序?qū)Π蹇ǖ母黜?xiàng)功能進(jìn)行測(cè)試。 運(yùn)行設(shè)備測(cè)試程序：在研華設(shè)備管理程序Advantech Device Manager對(duì)話框中點(diǎn)擊“Test”按鈕，出現(xiàn)“Advantech Device Test”對(duì)話框，通過(guò)不同選項(xiàng)卡可以對(duì)板卡的“Analog Input”、“Analog Output”、“Digital Input”、“Digital Output”、“Counter”等功能進(jìn)行測(cè)試。 PCI-1710HG板卡其它程序的安裝1安裝編程示例程序運(yùn)行或程序，安裝示例程序。例程默認(rèn)安裝在:C:Program FilesAdvantechAdsapiExamples下，可以在這里找到32bitDLL驅(qū)動(dòng)函數(shù)使用的示例程序供編程時(shí)參考。示例程序在驅(qū)動(dòng)手冊(cè)Device Drivers Manual中有說(shuō)明。2安裝ActiveDAQ控件 研華提供ActiveDAQ控件，供VB、VC+等可視化語(yǔ)言對(duì)其板卡編程使用。 首先在研華公司官方網(wǎng)站找到文件，運(yùn)行該程序，安裝程序會(huì)把所需要的文件復(fù)制到計(jì)算機(jī)的硬盤中，并把ActiveDAQ控件安裝在C:windowssystem路徑下或者在C:Winntsystem32路徑下 ActiveDAQ控件集 安裝完文件后，在VB部件“控件”選項(xiàng)卡中就會(huì)