数据采集基础知识ppt课件

1、Advance technologies; Automate the world.张斌张斌北京凌华技术支持部北京凌华技术支持部adlinkchinaadlinktechAdvance technologies; Automate the world.内容大纲内容大纲 信号与系统初步信号与系统初步 根本定义根本定义 A/D D/A DIO Timer/CounterAdvance technologies; Automate the world.信号与系统初步信号与系统初步 一个典型的系统：一个典型的系统：模拟输入模拟输入采样采样/量化量化1101数字输入数字输入数字信号数字信号处置处置1101

2、数字输出数字输出模拟重建模拟重建模拟输出模拟输出Advance technologies; Automate the world.信号与系统初步信号与系统初步 ( (续续) ) 信号的分类：信号的分类：信息信息形状形状速率速率幅值幅值外形外形频率频率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.信号与系统初步信号与系统初步 ( (续续) ) 数数字字信信号号onofft1-0-t开关信号开关信号输入：输入：检

3、测一个开关的翻开检测一个开关的翻开/闭合闭合输出：输出：翻开翻开/封锁一个阀门封锁一个阀门驱动才干驱动才干通道数通道数脉冲队列脉冲队列输入：输入：读光编码器的输出信号读光编码器的输出信号输出：输出：产生一个方波产生一个方波时钟频率时钟频率对采集卡的要求对采集卡的要求Advance technologies; Automate the world.信号与系统初步信号与系统初步 ( (续续) ) 模模拟拟信信号号电压信号电压信号温度温度压力压力流量流量应力应力DC精度精度频域信号频域信号振动振动语音语音声呐声呐分辨率分辨率采样频率采样频率精度精度触发触发对采集卡的要求对采集卡的要求时域信号时域信号

4、雷达回波雷达回波血压变化血压变化汽车点火波形汽车点火波形分辨率分辨率采样频率采样频率精度精度触发触发0.985ttfAdvance technologies; Automate the world.信号采集信号采集 传感器传感器 信号调理信号调理 放大放大 滤波滤波 信号转换信号转换 将外部信号采入计算机，并加以处置，最后输出将外部信号采入计算机，并加以处置，最后输出Advance technologies; Automate the world.PC BasedPC Based信号采集系统信号采集系统Advance technologies; Automate the world.PC Ba

5、sePC Base数据采集系统功能数据采集系统功能 A/D转换模拟量转换模拟量/数字量转换数字量转换 D/A转换数字量转换数字量/模拟量转换模拟量转换 DIO数字量输入数字量输入/输出输出 Timer/Counter定时器定时器/计数器计数器Advance technologies; Automate the world.根本定义根本定义 A/D：模拟量：模拟量-数字量转换数字量转换 把外部电压信号转成计算机可以识别的数字信号把外部电压信号转成计算机可以识别的数字信号 采样频率采样频率 Max Sampling Rate (S/s), Sampling Frequency (Hz) 精度精度(

6、Resolution)：8bit 12bit 14bit 16bit 输入范围输入范围(Input Range)(增益增益)： 同步采样同步采样(Simultaneous analog input) 轮询采样轮询采样(Multiplex analog input) 突发方式采样突发方式采样(Burst mode) 触发方式触发方式(Trigger mode) 隔离隔离(Isolation) FIFO Advance technologies; Automate the world.A/DA/D转换过程转换过程A/D转换器转换器模拟量输入模拟量输入A/D转换时钟转换时钟数字量输出数字量输出Adv

7、ance technologies; Automate the world.A/DA/D转换过程转换过程- -多路切换卡多路切换卡多多路路选选择择+_A/D转换器转换器模拟模拟信号信号A/D 触发信号触发信号数据数据缓冲区缓冲区n1. 信号源控制信号源控制 通道数通道数 信号类型信号类型 (SE/DI) 信号范围信号范围 自动通道扫描自动通道扫描2. 触发源控制触发源控制 触发信号源触发信号源 采样频率采样频率3. A/D 数据缓冲区数据缓冲区 数据存放器数据存放器 FIFO 缓冲区缓冲区AT 总线或总线或 PCI 总线总线内存内存(Buffer)4. 数据传输数据传输 I/O 指令指令 DM

8、A 总线主控总线主控中断信号中断信号CPU5. 中断信号控制中断信号控制6. A/D 分辨率与数据格式分辨率与数据格式 数据位数数据位数 二进制代码或补码二进制代码或补码 单极性或双极性单极性或双极性7. 隔离与隔离与非隔离非隔离Advance technologies; Automate the world.A/D转换的过程-同步板卡模拟模拟信号信号 A/D触发信号触发信号数据数据缓冲区缓冲区+_A/D转换器转换器nPCI总线总线内存内存(Buffer)CPU+_A/D转换器转换器n+_A/D转换器转换器n模拟模拟信号信号模拟模拟信号信号Advance technologies; Autom

9、ate the world.A/DA/D根本定义根本定义 信号的频率信号的频率 代表信号变化快慢的物理量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：不同的信号频率不同： 语音：语音：4kHz 音乐：音乐：=2*fmax fs ：采样频率：采样频率 fmax ：信号最高频率：信号最高频率 普通最小为普通最小为fs=2.5*fmax 工程上普通取为工程上普通取为fs=68*fmax 采样定律的特例采样定律的特例 等效时间采样等效时间采样Advance technologies; Automate the world

10、.A/DA/D根本定义根本定义足够的采样率下的采样结果足够的采样率下的采样结果 过低采样率下的采样结果过低采样率下的采样结果 Advance technologies; Automate the world.A/DA/D根本定义根本定义 可以正确显示信号而不发生畸变的最大频率叫做可以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频率，它是采样频率的一半 信号中所包含的频率高于信号中所包含的频率高于Nyquist频率的成分，将在直频率的成分，将在直流和流和Nyquist频率之间发生畸变，称为混叠频率之间发生畸变，称为混叠alias 混频偏向混频偏向alias fre

11、quency ABS采样频率的最采样频率的最近整数倍输入频率近整数倍输入频率 处理方案处理方案 在在A/D前参与低通滤波器，将信号中高于前参与低通滤波器，将信号中高于Nyquist频率频率的信号成分滤去的信号成分滤去 称为抗混叠滤波器称为抗混叠滤波器Advance technologies; Automate the world.A/DA/D根本定义根本定义 采样频率的控制采样频率的控制 Soft Polling内部软件触发，经过内部软件触发，经过I/O指令实现指令实现 Timer Pacer由由8254定时器芯片分频产生的内部定速定时器芯片分频产生的内部定速时钟时钟 例如：频率例如：频率 =

12、 2MHz 时钟时钟 /C1*C2这里的这里的C1与与C2是是16位定时器的分频系数位定时器的分频系数 External CLK / Trig外部时钟外部时钟 三种方式的特点三种方式的特点 软件触发最为简单、易用，但无法准确控制采样时序，软件触发最为简单、易用，但无法准确控制采样时序，适用于对时序要求不甚严厉的场所，如采集适用于对时序要求不甚严厉的场所，如采集DC信号信号 内部时钟可以准确控制采样时序，但无法保证与外部信内部时钟可以准确控制采样时序，但无法保证与外部信号严厉同步，但普通运用无论时域还是频域均可以号严厉同步，但普通运用无论时域还是频域均可以满足要求满足要求 外部时钟最为灵敏，可以

13、满足特殊运用的需求外部时钟最为灵敏，可以满足特殊运用的需求 CLK与与TriggerAdvance technologies; Automate the world.A/DA/D根本定义根本定义 Trigger触发：启动、停顿或同步采集事件的方法触发：启动、停顿或同步采集事件的方法MNN延时触发延时触发预触发预触发中触发中触发后触发后触发模拟触发模拟触发数字触发数字触发上升沿触发上升沿触发MNN下降沿触发下降沿触发正沿触发正沿触发负沿触发负沿触发触发触发事件事件Advance technologies; Automate the world.A/DA/D根本定义根本定义 以下情况适用软件触发方

14、式以下情况适用软件触发方式Software Trigger，非，非Soft Polling 用户需求对一切采集事件进展明确控制用户需求对一切采集事件进展明确控制 时间要求不甚严厉时间要求不甚严厉 以下情况适用硬件触发方式以下情况适用硬件触发方式 采集事件需求与外部安装严厉同步采集事件需求与外部安装严厉同步 高速、瞬态采集事件高速、瞬态采集事件Advance technologies; Automate the world.A/DA/D根本定义根本定义 多通道采样 同步采样 采用多个A/D芯片，不同通道采用同一时钟 保证不同通道的采样时间一样信号同步 轮询采样 只采用一个A/D芯片，经过多路转换

15、开关实现不同通道的切换 通道转换时间 可以经过外加采样/坚持电路保证采样的同步 突发方式采样 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Advance technologies; Automate the world.A/DA/D根本定义根本定义 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 普通来讲，浮空信号和差分输入方式比较好。但要看详细情况而定。接地信号接地信号浮空信号浮空信号DI适合适合适合适合RSE不适合不适合适合适合NRSE适合适合适合适合Advan

16、ce technologies; Automate the world.A/DA/D根本定义根本定义 接地信号的丈量 最好采用差分或NRSE方式 假设采用RSE方式，会引入较大误差 接地回路通常会在丈量数据中引入频率为电源频率的交流和偏置直流干扰 假设信号电压很高并且信号源和数据采集卡之间的衔接阻抗很小，也可以采用RSE输入方式Advance technologies; Automate the world.A/DA/D根本定义根本定义 浮空信号的丈量 可以用差分、RSE、NRSE方式丈量浮空信号 在差分输入时，必需保证相对于丈量地的信号共模电压在允许范围之内 需在丈量端与丈量地之间衔接偏置电

17、阻 10K ohmR1=R21V 连线比较短，普通连线比较短，普通5m 环境干扰很小或信号屏蔽比较好环境干扰很小或信号屏蔽比较好 一切输入信号都与信号源共地一切输入信号都与信号源共地 否那么建议选用差分输入方式否那么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总体而言，差分输入方式是比较好的选择Advance technologies; Automate the world.A/DA/D根本定义根本定义 输入范围与增益输入范围与增益 输入信号的幅度输入信号的幅度 / 输入信号的放大倍数输入信号的放大倍数 单极性与双极性单极性与双极性 双极性：双极性： e.x. -10V +10V

18、 (20V范围范围) 单极性：单极性： e.x. 0V+5V (5V范围范围) 跳线设置或编程设置跳线设置或编程设置 可编程增益可编程增益 对于大信号运用：对于大信号运用： 普通增益普通增益1,2,4,8 对于小信号运用：对于小信号运用： 高增益高增益1,10,100,1000 例如：输入电压范围：例如：输入电压范围： +/-10V, 普通增益普通增益 可选择的输入电压范围：可选择的输入电压范围：+/-10V, +/-5V, +/-2.5V, +/-1.25V0V-10V+10V+5VAdvance technologies; Automate the world.A/DA/D根本定义根本定义

19、 采样精度采样精度/分辨率：分辨率：Accuracy / Resolution 采样数据最低位所代表的模拟量的值采样数据最低位所代表的模拟量的值 Nbit: 8bit / 12bit / 16bit 电压表示：输入范围电压表示：输入范围/2n 用户关怀的最小可测电压值用户关怀的最小可测电压值 举例：假设举例：假设10V的输入信号用的输入信号用12位数据来表示，那么最位数据来表示，那么最小可分辨的电压为小可分辨的电压为10/212=0.224mV 振幅振幅分辨率分辨率时间时间02010012014040608010.008.757.506.255.003.752.501.250111110100

20、011010001000Advance technologies; Automate the world.A/DA/D根本定义根本定义 A/D数据格式数据格式 二进制原码二进制原码 二进制循环码二进制循环码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)Decima

21、l ValueVoltage (Volts)FFF4095+10.000C003072 +5.0018012049 +0.0058002048 0.0007FF2047 -0.0054001024 -5.0010011-10.0000000-10.005实例实例 2: 12 位位, 双极性输入双极性输入二进制原码格式二进制原码格式实例实例1: 16 位位, 双极性输入双极性输入 二进制循环码格式二进制循环码格式Advance technologies; Automate the world.A/DA/D根本定义根本定义 隔离隔离 模拟光隔与数字光隔模拟光隔与数字光隔 A/D的隔离普通隔离数字信

22、号的隔离普通隔离数字信号 隔离电压隔离电压 隔离的作用隔离的作用 维护计算机维护计算机 降低噪声降低噪声模拟信号模拟信号数字信号数字信号Advance technologies; Automate the world.A/DA/D根本定义根本定义 FIFO 先进先出存储器先进先出存储器 First In First Out 用于用于A/D转换数据缓存作用转换数据缓存作用 PCI总线的传输速率大于总线的传输速率大于A/D转换速率，转换速率，FIFO正常情况正常情况下是空的下是空的 利用利用Bus Mastering DMA，最多可以单次，最多可以单次DMA 64MB，并不受限于并不受限于FIFO

23、大小大小Advance technologies; Automate the world.A/DA/D根本定义根本定义 数据采集卡的中断系统数据采集卡的中断系统 ISA总线采集卡经过跳线选择总线采集卡经过跳线选择IRQ 中断源可选择中断源可选择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Mos

24、t of the ISA AD cards only use the EOC interrupt Advance technologies; Automate the world.A/DA/D根本定义根本定义 数据采集卡的中断系统数据采集卡的中断系统 PCI总线采集卡由总线采集卡由PCI BIOS自动分配自动分配IRQ 多块多块PCI卡可共享同一中断卡可共享同一中断 对于对于PCI总线采集卡，软件设计时必需思索中断共享总线采集卡，软件设计时必需思索中断共享 中断共享的实现中断共享的实现PCIControllerINT #Aof PCI BusIRQFlip-FlopsINT1Clear IRQ

25、 INT1MUXAD EOCINT2MUXTimer Pacer FIFO Half-fullExternal IRQINT2PCI-9111的中断系统的中断系统Advance technologies; Automate the world.A/DA/D根本定义根本定义 数据传输数据传输 Software Polling EOC INT FIFO Half Full INT DMA Bus Mastering DMA Scatter Gather DMAA/D Data RegisterISA Bus or PCI BusFIFO Buffer1. inport instruction2.

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

27、ter memoryRetrieves DataAdvance technologies; Automate the world.A/DA/D根本定义根本定义 延续采样的实现 Double Buffer DMAAdvance technologies; Automate the world.A/DA/D数据采集运用数据采集运用 对于不支持总线主控的采集卡。如何在对于不支持总线主控的采集卡。如何在Windows下运下运用用 Slave的的PCI卡不支持卡不支持DMA，只需中断；，只需中断；ISA卡的卡的DMA也要经过中断也要经过中断 Windows对中断的呼应有延时对中断的呼应有延时 运用运用

28、FIFO 缓冲区来消除缓冲区来消除Windows延时的影响，延时的影响， 但数但数据不能进展据不能进展“实时处置实时处置 FIFO 可以存储至少可以存储至少10 ms的模拟信号数据的模拟信号数据 1024 1 / 100 KHz = 10.24 ms A/D 数据传输方法数据传输方法 运用运用FIFO 半满标志位来产生一个中断，半满标志位来产生一个中断， 然后在中断效然后在中断效力程序中读取力程序中读取 A/D数据数据 FIFO 数据查询也是可以的，数据查询也是可以的， 而中断那么被保管起来用而中断那么被保管起来用作紧急事件触发源或看门狗定时器触发源作紧急事件触发源或看门狗定时器触发源Adva

29、nce technologies; Automate the world.A/DA/D数据采集运用数据采集运用 如何对数据实时处置如何对数据实时处置 DMA：高速，根本可满足不太严厉的实时处置要求：高速，根本可满足不太严厉的实时处置要求 严厉严厉“实时，内时钟触发实时，内时钟触发 EOC中断中断 实时操作系实时操作系统或统或DOS 用户自行在中断效力程序中处置数据用户自行在中断效力程序中处置数据Advance technologies; Automate the world.D/AD/A根本定义根本定义 D/A：数字量：数字量模拟量转换模拟量转换 将计算机内部数字量信号转成外部电压将计算机内部

30、数字量信号转成外部电压 建立时间建立时间(Setting Time)：指变化量为满刻度时，到达：指变化量为满刻度时，到达终值终值1/2LSB时所需的时间时所需的时间 更新频率更新频率/采样频率采样频率 (Max Data Update Rate) 精度精度(Resolution)：8bit 12bit 14bit 16bit 输出范围输出范围 输出信号类型输出信号类型 电压输出电压输出 电流输出电流输出(Source、Sink) Advance technologies; Automate the world.A/DA/D与与D/AD/A测试测试 能否用能否用A/D卡采集脉冲信号？卡采集脉冲信

31、号？ 假设用假设用100K的采集卡采集的采集卡采集75K的信号，会得到什么样的的信号，会得到什么样的结果？结果？ 简要阐明简要阐明DI、RSE、NRSE的区别？凌华哪些板卡支持的区别？凌华哪些板卡支持NRSE输入？输入？ 用用PCI-9112的的+/-10V进展采样，最小可分辨多少电压？进展采样，最小可分辨多少电压？ 对于对于mV级信号采用高增益的益处是什么？级信号采用高增益的益处是什么？ 什么是什么是FIFO？与？与Double Buffer DMA的的Buffer有何区别？有何区别？ PCI-6208V的的D/A建立时间是建立时间是2微秒，能否可以说其可以微秒，能否可以说其可以用作输出频率

32、用作输出频率500KHz的恣意波形发生器？的恣意波形发生器？Advance technologies; Automate the world.数字数字I/OI/O根本定义根本定义 I/O点数或通道数点数或通道数 隔离与非隔离隔离与非隔离 非隔离输入输出：非隔离输入输出：TTL电平兼容电平兼容 隔离输入类型：光电隔离输入隔离输入类型：光电隔离输入 隔离输出类型隔离输出类型1：达林顿管输出：达林顿管输出 隔离输出类型隔离输出类型2：继电器输出：继电器输出 输出驱动才干输出驱动才干 I/O速度速度Advance technologies; Automate the world.隔离数字输入隔离数字输入 隔离输入信号电压范围隔离输入信号电压范围 依赖于限