多通路信号采集电路研究与设计论文

1、 . PAGE45 / NUMPAGES45多通路信号采集电路研究与设计摘要近年来，随着信号采集技术的不断发展，人们对信号采集系统性能的要求越来越高。信号采集系统在日常生活中的应用也愈加广泛，比如交通检测、生命体征探测、天文望远镜星系探测、工业生产中检测成品等等。为了提高信号采集系统的功能，国外众多生产厂商更加专注于研究采集卡。高性能采集卡的设计成为他们设计的重要任务。 目前，国外的数据采集系统常用的数据采集卡有RS-232、RS-485卡、PCI卡、ISA卡等。这些数据采集卡需要插在主机的的PCI插槽或ISA插槽上，使用不方便等。而通用串行总线(USB) HYPERLINK :/ hqew

2、/tech/detail/usb.html t _blank 是一种新的接口方式，具有连接方便、支持热插拔、无需外界电源、传输速度高、功耗低等优点。因此，基于USB的数据采集系统在通信、遥感、智能仪器表、工业自动化等领域得到了广泛应用。 本文就是在信号采集系统的实际信号采集的背景下，侧重于分析研究多通路信号的采集。MPS-010601采集卡的软件部分应用VC+编写控制软件，对信号采集系统、模数转换、信号显示、信号通信等程序进行了设计。关键词： 采集卡、多通道、信号采集Multi-channel Signal Acquisition Circuit Design And AnalysisAbst

3、ractIn recent years, with the development of signal acquisition technology, people on the signal acquisition system performance have become increasingly demanding.Signal acquisition system in daily life has become even more widespread, such as traffic detection, vital signs detection, telescope gala

4、xy detection, detection of finished industrial production and so on.In order to improve the function of the signal acquisition system, many domestic and foreign manufacturers to focus more on research grabber.High-performance capture card design has become an important task of their design. .At pres

5、ent, domestic and foreign data acquisition system used in data acquisition card RS-232, RS-485 card, PCI card, ISA card. The data acquisition card to be plugged in to host the PCI slot or ISA slot, inconvenient use and the like. USB universal serial bus ( USB ) is a new interface mode, has convenien

6、t connection, supports hot plug and play, no need of external power supply, high transmission speed, the advantages of low power consumption. Therefore, data acquisition system based on USB in communication, remote sensing, intelligent meter, industrial automation and other fields has been widely us

7、ed.This article is in the context of the actual signal acquisition signal acquisition system, focusing on the analysis of multi-channel signal acquisition.MPS-010601 acquisition card software application written in VC+ control software, signal acquisition system, A/ D conversion, signal display, sig

8、nal communication program design.Key words:acquisition card, multi-channel, signal acquisitionTOC o 1-3 h z uHYPERLINK l _Toc325905961第1章绪论 PAGEREF _Toc325905961 h 6HYPERLINK l _Toc3259059621.1 课题研究的背景和意义 PAGEREF _Toc325905962 h 6HYPERLINK l _Toc3259059631.2 课题研究的现状6HYPERLINK l _Toc3259059671.3 国外研究

9、主要成果与发展趋势7HYPERLINK l _Toc325905968第2章采集卡硬件设计部分9HYPERLINK l _Toc3259059692.1 信号采集器概述9HYPERLINK l _Toc325905970211 信号采集器的产生9HYPERLINK l _Toc325905971212 信号采集器的种类9HYPERLINK l _Toc325905972213 常用的信号采集器的功能模块9HYPERLINK l _Toc3259059732.2 采集卡的实现平台（微控制器） PAGEREF _Toc325905973 h 10HYPERLINK l _Toc3259059742

10、21 微控制器的基本概念 PAGEREF _Toc325905974 h 10HYPERLINK l _Toc325905975222 微控制器的分类与工作原理 PAGEREF _Toc325905975 h 12HYPERLINK l _Toc3259059762.3 采集卡模块说明 PAGEREF _Toc325905976 h 13HYPERLINK l _Toc325905977231 模块简介 PAGEREF _Toc325905977 h 13HYPERLINK l _Toc325905978232 性能以与接口说明14HYPERLINK l _Toc3259059792.4 原理

11、 PAGEREF _Toc325905979 h 17HYPERLINK l _Toc325905980241 信号数据采集17HYPERLINK l _Toc325905981242 信号输出17HYPERLINK l _Toc325905982243 数字信号输入输出18HYPERLINK l _Toc325905983244 比较器、计数器与PWM18HYPERLINK l _Toc325905984第3章多通路信号采集电路设计20HYPERLINK l _Toc3259059853.1动态库（DLL）20HYPERLINK l _Toc3259059883.2 编程函数与参数20HYP

12、ERLINK l _Toc3259059893.3 程序驱动安装说明23HYPERLINK l _Toc3259059893.4 界面展示26HYPERLINK l _Toc325905990第4章信号采集与处理28HYPERLINK l _Toc3259059914.1 信号的相关知识28HYPERLINK l _Toc325905992411 信号的定义与分类28HYPERLINK l _Toc325905993412 信号调制过程39HYPERLINK l _Toc3259059914.2单通路信号采集与多通路采集的区别30HYPERLINK l _Toc3259059944.3模拟信号

13、的采集30HYPERLINK l _Toc325905995421 单通道信号采集实物测试与分析32HYPERLINK l _Toc325905996422 双通道信号采集实物测试与分析32HYPERLINK l _Toc325905997423 多通道信号采集实物测试与分析33HYPERLINK l _Toc325906000第5章结论35HYPERLINK l _Toc325906001致36HYPERLINK l _Toc325906002参考文献37HYPERLINK l _Toc325906002附录39第1章 绪论1.1 课题研究背景和意义随着电子制造工业的不断发展以与信号数据采集

14、的客观需求，信号采集与处理一直都是生产生活实践与实际操作领域的一个热点和难点，当前，国外关于信号采集系统研究已经取得了很大的成就。就数模转换的通道数而言，采样通道由以前的单通道发展到双通道、多通道，数据采样频率、分辨率以与精确度也已经不断地强化和提高。而在信号分析的微处理上，最初的信号采集系统以8位单片机为中心。随着微电子技术的日益发展，新型单片机的逐步问世，16位、32位单片机也为信号采集系统研制的厂家所采纳。近年来，使用具有DSP功能的信号采集系统也已投入生产。同时，常用的个人计算机的中央处理器用于信号处理也比较常见。简而言之，随着高性能的微信号处理器的生产使用和用户生产使用中所采用的技术

15、要求的不断提高，信号采集系统将会愈加日趋完善。在绝大多数利用计算机进行调控和信号分析的试验中，都离不开对模拟信息数据的采集。工业现场的复杂性决定模拟数据信号的多样性。因此，鉴于对不同的工程技术要求，测量技术的标准也会随之不同。就采样速率而言，其中有的是变化的信号，比如燃烧炉的温度，针对它就可以选用普通数据采样速率的模数转换器；有的则又是瞬间突变的模拟信号，比如机械振动中物体所承受的压力或电闸开关瞬间打开或者关闭时候对电路中电流的影响。采集数据时，就必须采用采样速率较高的模数转换器。其次，对不同的采样要求，采样精度也不同，绝大部分的普通仪表只需要8位采样精度就可满足测量的要求。而在一些精密仪器的

16、使用和信号分析的试验中，又必须采用14位、16位、18位甚至更高分辨率的仪器来进行信号采样。此外，在很多情况下，则需要采样信号有很多通路，比如设计一个异步多通路信号采集器，就需要考虑不同信号通路中收集到的几路信号。不仅如此，在绝大多数数据采样试验比较复杂或要求高精度调控的场合下，一般都会对数据采样的精确度、速率、通道数等技术规格同时提出较高要求，比如在一些电气设备的故障诊断中，除了采样过程中要求很高的速率和精确度之外，还需同时采集多个通路中输入信号并且这些输入信号是同步进行采集。1.2 课题研究的现状在网络通信快速发展的今天，信号采集系统已经广泛应用在各个领域，可以很方便地进行数据信号的处理与

17、分析。目前信号采集器已经与个人计算机相结合，利用USB接口可以在计算机界面进行信号的采集。国外生产厂商研发的各种新型的信号采集器，将采集卡的生产要求向高性能、低耗能的技术标准发展。 在计算机广泛应用的今天，信号采集的重要性是十分显著的。它是计算机与外部物理世界连接的桥梁。各种类型信号采集的难易程度差别很大。实际采集时，噪声也可能带来一些麻烦。因此，信号采集时，有一些基本原理要注意，还有更多的实际的问题要解决。 信号采集是综合了传感器(前端)的模拟信号处理、模拟信号数字化、数字信号处理和计算机控制技术等，来实现对外界信息获取的一门综合技术。它借助于各种类型的传感器检测外部世界的各种信号，并转换成

18、电信号，然后进行信号调理和A/D转换，使之转换成为能够在数字系统中进一步处理的数字信号。信号采集系统功能的好坏，绝大部分取决于系统的速率和精确度。在精确度完全符合要求的情况下，应要尽可能高的提高采样速率，以保证速率能够满足实时采集、实时处理和实时控制的要求。近年信号采集系统的应用围越来越多、所涉与到的测量信号和信号源的类型越来越宽、对测量的要求也越来越高。国现在已有不少信号测量和采集的系统，但很多系统存在功能单一、采集通道少、采集速率低、操作复杂、并且对测试环境要求较高等问题。人们需要一种应用围广、性价比高的信号采集系统。1.3 国外研究主要成果与发展趋势 目前，国外的数据采集系统常用的数据采

19、集卡有RS-232、RS-485卡、PCI卡、ISA卡等。这些数据采集卡需要插在主机的的PCI插槽或ISA插槽上，使用不方便等。而通用串行总线(USB) HYPERLINK :/ hqew /tech/detail/usb.html t _blank 是一种新的接口方式，具有连接方便、支持热插拔、无需外界电源、传输速度高、功耗低等优点。因此，基于USB的数据采集系统在通信、遥感、智能仪器表、工业自动化等领域得到了广泛应用。 信号采集系统的发展趋势主要体现：首先，在专业测控方面基于个人计算机的信号采集系统发展越来越成熟，应用愈加的智能化。在已经过去的几十年中，对外开放架构的个人计算机运行处理能力

20、基本上是平均每隔一年半的时间就会是以前的两倍。为了有效利用CPU的快速发展，当代开放式测试平台采用了高速总线接口，如PCI和PXI/Compact PCI，从而使得运行功能飞速提高，个人计算机功能的提升以与由此导致的基于计算机的测试方案不断创新，使得传统测量仪器和基于计算机的测量的两者的区别越来越模糊。其次，关于通用测控技术方面，一般都会采用嵌入式微处理器的方案，由早期的采用A/D转化器件和4标准单片机构成的系统发展到现在在单芯片上实现完整的信号采集与处理，即当前非常受欢迎的SOC（System On Chip），就是将一个可以采集多路模拟信号的A/D转换功能的子系统和一个CPU硬核集成在同一

21、个芯片上，例如增强型的8052核，其CPU的性能和运行速度也比先前的标准CPU增加了数倍，并且功耗极低。此外，为了解决基于SOC方案号处理功能弱的问题，采用DSP作为信号采集系统的中央处理器的研究与应用目前也逐渐引起生产厂商们的重视，比如TI近年来设计的TMS320C240 x系列芯片就是一款比较完整的信号采集与控制的单片机系统，但是该类产品目前正处于开发的初级测试阶段，在精确度、速率以与其它性能指标上并不能完全满足实际生产操作的要求。因此，国外正开展以DSP作为信号采集系统的采样控制和数据分析运算机制研究与应用的测试。本章小结本章节主要讲述了多通路信号采集电路当前的研究背景、研究现状、国外的

22、研究成果以与展望未来多通路信号采集卡设计方面可能会遇到的瓶颈和技术障碍，对于信号采集卡的设计充满了无尽的遐想。第2章 采集卡硬件设计部分2.1 信号采集器概述211 信号采集器的产生 信号采集，是指从HYPERLINK :/baike.baidu /view/16431.htm传感器和其它待测设备等HYPERLINK :/baike.baidu /view/423054.htm模拟和HYPERLINK :/baike.baidu /view/37407.htm数字被测单元中自动采非电量或者电量信号，送到HYPERLINK :/baike.baidu /view/554441.htm上位机中进行

23、分析，处理。HYPERLINK :/baike.baidu /view/2102581.htm信号采集系统是结合基于HYPERLINK :/baike.baidu /view/3314.htm计算机或者其他专用测试平台的测量软硬件产品来实现灵活的、用户自定义的HYPERLINK :/baike.baidu /view/2847149.htm测量系统。 信号HYPERLINK :/baike.baidu /view/63619.htm采集卡，即实现信号采集功能的HYPERLINK :/baike.baidu /view/3314.htm计算机扩展卡，可以通过USB、PXI、PCI、PCI Exp

24、ress、火线(1394)、PCMCIA、ISA、Compact Flash、485、232、HYPERLINK :/baike.baidu /view/848.htm以太网、各种HYPERLINK :/baike.baidu /view/5030.htm无线网络等总线接入HYPERLINK :/baike.baidu /view/920814.htm个人计算机。为了满足计算机与其设备机用于信号采集与调控的要求，国外众多生产厂商制造了不同类型的信号采集卡（或I/O卡）。此类采集卡均按照IBM-PC机的总线要求设计和生产，用户只要把这类采集卡插入IBM-PC机主板上对应的I/O扩展槽中，就可以很

25、快做成一个信号采集和处理系统，从而很大程度上节约了硬件的研制时间和成本，又能够有效利用IBM-PC机的软硬件资源，还能让用户专注于对信号采集与处理中的理论和试验进行探讨，以与进行系统设计和程序编程等等。212 数据采集卡的种类基于PC总线的采集卡的种类有很多，其分类方法也不同。按照采集卡处理信号的方式可以分为开关输入/输出模块、脉冲输入/输出模块、模拟输入/输出模块、多功能模块等。其中多功能模块可以具有多种功能，如同一板卡上数字输入/输出模块可以分布数字输入/输出和模拟输入/输出。按照总线类型的不同，信号采集卡也不同，可以分为ISA卡和PCI卡。213 常用的几种数据采集卡的功能1模拟输入在工

26、业测控系统中，输入的信号数据一般都是模拟量，这时，各种A/D芯片装置就是用来完成把模拟量转换成数字量的转换。在实际的计算机测控系统中，不是以A/D芯片为基本单元，而是制成商品化的A/D板卡。采样最基本的功能就是模拟输入，一般由多路开关（MUX）、放大器、采样保持电路以与模数转换组成。通过这些，一个模拟信号就可以转化为数字信号。模拟输入的质量由模数转换器的性能和参数决定。在应用的时候，选择合适的模数转换器要根据实际需要的精度。2.模拟输出（D/A卡）计算机部处理的是数字量，而运行时所采用的是模拟量。计算机通过数模转换卡将数字量转化为模拟量，从而通过运行机构来调控整个生产进程。 数模转换器的转换性

27、能指标通常由其部数模转换芯片来决定的。3数字量输入/输出卡（I/O卡）数字量输入/输出卡常用来控制整个流程、生成信号、与外部设备进行通信等，其主要参量有：数字口路数、接收(发送)率、驱动功能等。若输出用来驱动家用节能灯、冰箱、空调等电器，就不需要较高的数据转换率。路数要和控制对象匹配，并且采集卡能提供的驱动电流要大于其所需的电流。但是，如果用的是合适的调理设备，依旧可以用I/O卡输出电流TTL电平信号去监测那些电压较高、电流较大的工业生产设备。此外，数字输入输出常见的应用是在计算机和外部设备如扫描仪、投影仪等之间传送数据。为了满足同步通信的需要，其他一部分数字口还有“握手”线。路数、数据转换速

28、率、“握手”能力都是数字量输入/输出的重要参数，应根据实际应用中的需要来选用合适的数字量I/O卡。4脉冲量输入/输出板卡工业生产过程中有很多的高速脉冲信号，这些都是需要用脉冲量输入卡或者一些专用用来测量脉冲量的仪器来进行测量。脉冲量输入/输出卡采集脉冲数字量的输入和输出信号，并且可以选择计时、定时、调频等不同的运行方式，脉冲计数值、脉冲的频率或产生一定频率的脉冲计都可以由算机通过该板卡模块很方便地读取和测量出来。为了避免实际生产操作中强电的影响，该类型板卡多采用光电隔离技术，将计算机与实际信号之间全部隔离，以此来提升测试板卡的抗干扰性能。想要选择合适的数据采集卡，首先我们需要了解数据采集的信号

29、类型与采样频率的控制这两个核心问题。然后才能根据实验要求选择合适的数据采集卡。2.2 采集卡的实现平台（微控制器）221 微控制器的基本概念与分类微控制器 (Micro Control Unit，MCU)是指随着大规模集成电路的出现与其发展，将计算机的CPU、RAM、ROM、定时计数器和多种I/O接口集成在一片芯片上，形成芯片级的缩微型计算机，为不同的应用场合做不同组合控制，其中文名称为微控制单元，又称为单片微型计算机(Single Chip Microcomputer)或者单片机。MCU按存储器类型可分为无片ROM型和带片ROM型两种。对于无片ROM型的芯片，必须外接EPROM才能应用（典型

30、芯片为8031）。带片ROM型的芯片又分为片EPROM型（典型芯片为87C51）、MASK片掩模ROM型（典型芯片为8051）、片FLASH型（典型芯片为89C51）等类型，一些公司还推出带有片一次性可编程ROM（One Time Programming, OTP)的芯片（典型芯片为97C51)。微控制器是电脑上的一个芯片。与通用微处理器相比较而言（在PC上使用的那种），它是突显自给自足性能和成本效益的一款微处理器。目前使用的大多数计算机系统被嵌入在其他机器中的，如机，钟表，家电，汽车，和基础设施。一款嵌入式系统通常具有记忆和程序长度的最低要求，可能需要简单但不寻常的输入/输出系统。例如，大多

31、数嵌入式系统缺少键盘，屏幕，磁盘，打印机或个人计算机的其他可识别的I / O设备。它们可以控制电动马达，继电器或电压，并且读开关，可变电阻器或其他电子设备。通常，唯一通过一个可读的I / O设备是一个单一的发光二极管，它的严重的成本或功耗限制甚至可以消除。与通用CPU相反，微控制器不具有地址总线或数据总线，因为它们集成在同一个芯片作为CPU上所有的RAM和非易失性存储器。因为它们需要更少的引脚，该芯片可以被放置在一个更小，更便宜的封装中。集成存储器和其他外围设备在单个芯片上，并测试它们作为一个单元增加了芯片的成本，但通常会导致降低了嵌入式系统作为一个整体的净成本。 （即使已经集成外设的CPU的

32、成本比一个CPU +外围设备的成本稍多，更少的芯片通常允许更小和更便宜的电路板，并降低了组装和测试电路板所需的人工） 。这种趋势导致了如此的设计。微控制器是一个集成电路，通常具有以下特点：中央处理单元 - 从小型简单的4位处理器到复杂的32位或64位处理器的输入/输出接口外设如串行端口器（UART）其他串行通讯接口如IC，串行外设接口和控制器局域网络的系统互连如定时器和看门狗的RAM数据存储器ROM，EPROM，EEPROM或闪存用于程序存储的时钟发生器 - 通常是振荡器石英计时晶振，谐振器或RC电路的包括许多模数转换器。这种整合大大减少芯片的数量，并且将需要使用不同的芯片上，以产生等效的系统

33、，并已被证明是由于其在20世纪70年代引入的嵌入式系统非常流行的布线和印刷电路板的空间量。有些微控制器能够用哈佛结构：独立的存总线的指令和数据，允许访问同时发生。而外围的整合的决定是非常困难的。该微控制器供应商经常换工作频率和对时间将产品推向市场从他们的客户和降低整体系统成本要求的系统设计灵活性。制造商必须平衡需要尽量减少对附加功能的芯片尺寸。微控制器架构可从这么多的品种很多不同的供应商每个指令集架构能够正确地属于一个自成一类的。其中最主要的是8051，Z80和ARM的衍生工具。需要的引证222微控制器的功能说明微控制器（MCU也或C）是一种功能性的计算机上系统级芯片。它包含一个处理器核心，存

34、储器和可编程的输入/输出外围设备。 微控制器包括一个集成的CPU，存储器（少量的RAM，程序存储器，或两者兼有），能够输入和输出的外围设备。它强调高集成化，而相比之下，一个微处理器，它仅包含一个CPU（在PC中使用的那种）。除了一个通用微处理器通常的算术和逻辑元件，微控制器集成了额外的元素，例如读写存用于数据存储，只读存储器用于程序存储，闪存用于数据永久存储，外设和输入/输出接口。在少至32KHz的时钟速度，微控制器经常工作在非常低的速度相比，微处理器，但是这是足够的典型应用。他们消耗较少的功率（毫瓦甚至微瓦），并且一般要保留的功能，同时等待一个事件，例如按下按钮或中断的能力。功耗，同时睡眠（

35、CPU时钟和外设禁用）可能只是纳瓦，使它们非常适合于低功耗和持久的电池应用。微控制器用于自动地控制产品和设备，如汽车的发动机控制系统，远程控制，办公机器，电器，电动工具，玩具等。通过减小尺寸，成本和功率消耗与使用一个单独的微处理器，存储器，以与输入/输出装置的设计相比，微控制器能够经济的电子化地控制更多的进程。目前使用的大多数计算机系统都被嵌入在其他机械中，如汽车，电器，与周边设备的计算机系统，这些被称为嵌入式系统。虽然有些嵌入式系统是非常复杂的，有很多的存和程序长度的最低要求，没有操作系统以与复杂的低软件。典型的输入和输出设备包括开关，继电器，螺线管，指示灯，小型或定制的LCD显示器，射频设

36、备和数据传感器，例如温度，湿度，光照水平等嵌入式系统通常没有键盘，屏幕，磁盘，打印机，或个人计算机的其他可识别的I / O设备，并且可能会缺乏任何形式的人工交互的设备。微控制器提供实时响应来回复他们所控制的嵌入式系统中的事件是强制性的。当某些事件发生时，中断系统可以发出信号处理器暂停处理当前指令序列，并开始中断服务程序（ISR）。 ISR将返回到原来的指令序列之前执行基于中断的来源所需的任何处理。可能的中断源是相关设备，并且通常包括诸如部定时器溢出事件，完成模拟到数字的转换，对输入诸如从被按下的按钮逻辑电平的变化，和数据通信链路上接收。功耗是重要的，因为在电池供电的设备中断还可以唤醒微控制器从

37、哪里处理器暂停，直到需要通过外围事件做一些低功耗的睡眠状态。单片机程序必须存放在可用的片上程序存储器，因为提供与外部的，可扩展的，存的系统将是昂贵的。编译器和汇编语言是用来将打开的高级语言程序转换到一个紧凑的机器代码存储在微控制器的存储器中。根据不同的设备，程序存储器可以是永久的，只能在工厂进行编程的只读存储器，或程序存储器可以现场改变程序或可擦除只读存储器。由于嵌入式处理器通常用于控制设备，他们有时需要接受来自他们所控制的设备的输入，这是模数转换器的目的。因为处理器在建造时，解释和处理数字数据，也就是1和0，它们不能够用通过一个器件发送给它的模拟信号做任何事情。这样模拟到数字转换器用于将输入

38、的数据转换成该处理器可以识别的一种形式。还有一个数字到模拟的转换器，它允许处理器将数据发送到被控制的设备。除了转换器，许多嵌入式微处理器也可以包括各种定时器。其中一个最常见的定时器类型是可编程间隔定时器，或简称PIT。PIT只是倒计时从一些值降到零。一旦达到零，它发送一中断到处理器，表明它已经完成计数。这是非常有用，如恒温器，其中定期测试他们周围的温度，看看他们是否需要开启空调时对等加热设备。时间处理单元或简称TPU，本质上只是另一种计时器，而且更复杂。除了倒计数，所述TPU可以检测到输入事件，产生输出事件，以与其他有用的操作。专用脉冲宽度调制（PWM）使得它可以为CPU控制功率转换器，电阻性

39、负载，电机等，而无需在紧定时环路使用大量CPU资源。通用异步接收器/发送器模块（UART）使得它可以通过在CPU上具有很少负载的一条串行线路上接收和发送数据。对于那些想要以太网可以使用外部芯片像晶体半导体CS8900A，瑞昱RTL8019，或微ENC28J60，它们所有的都可以方便的与低引脚数相接。2.3 采集卡模块说明231 模块简介MPS-010601是一款新型的多功能USB数据采集卡。与传统的采集卡不同，MPS-010601不但具备八路信号采集通道，而且具备四路信号输出（DAC）、八路数字信号输入输出（DIO）、两路计数器、两路比较器和两路PWM输出等诸多附加的实用功能。这些附加功能不但

40、大大提高了MPS-010601的性价比，而且大幅扩展了MPS-010601的用途。MPS-010601采集卡还编写了功能丰富的应用软件，努力为用户提全面的方案设计，减少用户的工作量。采集卡实物如图21所示。图21 采集卡232 性能以与接口说明1.USB总线性能 USB2.0高速传输总线 使用方便，能够实现自动配置，支持设备的热插拔即插即用2.模拟输入 输入通道： 2路同步差分、4路多路差分、8路多路差分 输入端耐压： 5V 输入量程： 7.5V 采样： 5Ksps-80Ksps外时钟 阻抗： 30K 最大总误差： CP1-时EX4为高电平 EX5:使用外部时钟时为外部时钟输入；使用部时钟时为

41、部时钟输出 EX6:计数器2输入 EX7:PWM2输入 EX8;CP2状态输出，CP2+ CP2-时EX8为高电平2.4 原理241 数据信号采集功能 MPS-010601具备多达八个通道的电压信号输入端口。八个通道分别由两路12位高性能ADC和配套的多路开关组成，两路ADC进行同步转换。MPS-010601提供了三种通道模式：双通道、四通道和八通道。值得一提的是，在双通道模式下两路采样是同步进行的，在一些要求较高的应用中有着重要作用。噪声也是采集卡的一个重要性能参数，这里将对MPS-010601的精度进行一个简单的测试。通过把采集卡的差分输入断接，可以得到一个理论上的零电压信号，但实际采集中

42、受各种影响总会有一些噪声存在。为了进一步提高有效分辨率和改善波形，可以软件中进行数字滤波。MPS-010601的综合应用软件中就集成了平滑滤波的功能。平滑滤波能降低噪声，但同时会减小带宽，用户可以根据需要进行设置。242 信号输出功能MPS-010601具有多达四路的信号输出端口，每路最高都可以达到80Ksps的输出刷新率，输出分辨率为12位，并且四路输出是独立和同步的。这些高端的配置可以满足绝大部分应用场合的要求。在软件配合下，MPS-010601可以产生边界限制以的任意波形。正弦波、方波、三角波、锯齿波、直流电平自然不在话下，不但频率、幅值和相位可任意设置，而且可以人为的向信号中添加噪声，

43、或是对信号进行各种运算和处理，更为强大的是，还可以由外部的波形文件中读取数据并输出，甚至可以用鼠标去手工绘制波形。MPS-010601提供了比较实用的信号发生器软件，使用该软件不但可以输出标准波形（正弦、方波、三角波、锯齿波、直流），还可以从数据文件中读取的波形或手工绘制的波形。另外，MPS-010601具有强大的信号输出功能，将其灵活使用，通过与其他功能配合，可以实现很多有价值的复合功能。例如，输出一个扫频信号用以激励外部装置，并对响应信号进行采集，即可实现扫频仪的功能；又如，输出一个与外部信号相关的直流（或交流）参考信号，与外部信号组成差分信号进行采集，就可以得到外部信号与参考信号相减后的

44、结果，可藉此消除干扰成分，将信号中的有用信息提取出来；再如，与板卡的比较器功能配合，用输出电压作为比较器的参考电压，可以组成任意电压比较器等等。243 数字信号的输入输出功能 MPS-010601具备了8路数字信号的输入输出（DIO）通道。这8路数字端口是双向复用的，并且与采样同步刷新，能达到80Ksps的高速输入输出。DIO可以实现软件与外部的数字设备的通信，是一种常用的功能。DIO分为数字信号输入（DI）和数字信号输出（DO）两种。DI是对数字信号的采集，可用来对数字信号进行侦测。例如，若外部设备有工作情况的指示信号，就可以用DI来进行采集，从而令计算机了解外部设备的工作状态；又如，对一些

45、通信总线（如RS232）上的信号进行采集，可以获取总线的活动状态，进一步根据通信协议进行解读就能得到通信容；再如，在开发单片机等可编程器件时，可采集IO端口上的电平状态作为调试的参考；等等。DO功能可用来控制外部的开关器件、数字器件或逻辑器件。最常见的是控制外部的继电器，用软件控制外部电路的通断；还可以用DO来模拟带有时序的逻辑信号，与外部逻辑电路进行通信；除此之外还可以用DO来模拟PWM，以获得灵活的多通道PWM输出；等等。DIO与MPS-010601的其他功能配合，也可实现很多的复合功能。比如，很多时候我们不但希望计算机能够采集信号，而且希望能向外输出一个控制信号，组成一个闭环控制系统。一

46、般的数据采集卡只具备信号采集功能，用户就不能实现上述设想。MPS-010601的DO则可以实现这样的功能。例如莫非电子提供的一款“电压在线监测报警软件”中就包含了这样的功能。该软件可对八路电压进行监测并与设定的警戒条件进行比较，一旦符合就向用户报警，同时会将报警信号将从DO向外输出。例如，用这套系统对如加热炉进行监测，一旦设备超出过热即立刻通过DO控制继电器关掉设备，温度恢复正常后再自动重新开始加热。这期间完全由软件自动完成而不需人工干预，大幅提高了工作效率。复杂的闭环控制往往是在大型设备的专利，但现在只需一块采集卡就可以完成，简单易用而且成本低廉，可见MPS-010601的优越。244 比较

47、器、计数器与PWM 比较器是指将某个输入电压与参考电压进行比较，当输入电压高于参考电压时对外输出高电平（即真），反之输出低电平（即假）。MPS-010601具备两组纯硬件实现的比较器，可以不需要软件干预独立工作。每个比较器都具有正负10mV的滞回电压，并且具有专门的比较结果输出。用户可以对结果输出进行采集和分析，也可以直接用来控制外部设备。比较器与DAC相配合，可以实现对任意参考电压的比较。 计数器可以对输入的脉冲进行计数，并向计算机返回已经记录的脉冲个数。计数器可用来记录开关接通的次数，也可以通过光电门采集电机转速等。MPS-010601提供了两路计数器，每路计数器的硬件最大计数值为6553

48、5。PWM（脉宽调制）输出也是一种常用的功能。PWM以作为快速的开关切换信号输出，也可以用在控制电机转速等方面。MPS-010601提供了两路PWM输出。PWM的占空比是可控的，用户只需要通过软件编程就可以完成配置，得到所需要的PWM输出。MPS-010601为每个PWM输出配置了一个硬件指示灯，指示灯的亮度可以指示占空比的大小，方便用户观察。本章小结本章节主要描述了信号采集卡的硬件模块，先介绍了信号采集卡的组成模块以与各个模块的功能，然后还讲述了本次毕业设计所运用的MPS-010601采集卡的性能、接口说明以与工作原理，为接下来的实验打好理论基础。第3章 用户编程3.1动态库（DLL）MPS

49、-010601采用DLL（Dynamic Linkable Library，动态库）的方式来进行编程驱动。DLL的编制与具体的编程语言与编译器无关，只要遵循约定的DLL接口规和调用方式，用各种语言编写的DLL都可以相互调用。DLL可以方便的在VC、VB、LabVIEW等语言下被调用，具体方式分别为：VC下调用DLL typedef void(* FUNC )(void); /定义一个函数指针 FUNC Func; /定义一个函数指针变量HINSTANCE hDLL=LoadLibrary(DllTest.dll); /加载dllFunc=(FUNC)GetProcAddress(hDll.Fu

50、ncInDLL);/找到dll中的函数Func();/调用dll里的函数 VB下调用DLL Public | Private Declare Function name Lib labname Alias aliasname(arglist) As type Publia(可选)用于声明在所有模块中的所有过程都可以使用的函数；Private用于声明只能在包含该声明的模块中使用的函数。3.2 编程函数与参数MPS-010601提供的驱动文件名为MPS-010601.dll，部共有四个驱动函数，分别为：extern C int SetPara（int SampleRate，int ADChanne

51、lNumber，int *ADPGAofChannels，int DIOModal，unsigned short PWM1,unsigned short PWM2,int ExtTrigger,int DeviceNumber） int SetPara:函数执行配置采集卡参数的功能。若函数执行成功，返回1；执行失败返回0。int SampleRate:采样率、刷新率等工作时钟频率。此参数为部时钟频率设定。参数取值围为5000-80000，小于5000将被设置为5000，大于8000将被设置为80000。若ExtTrigger = 0，EX1和EX5对外输出该频率的时钟脉冲；若ExtTrigge

52、r = 1，只有EX1输出时钟脉冲。对于AD而言，SampleRate的值为总采样率值，实际分配到每个通道上的采样率为SampleRate/（ADChannelNumber/ 2)。对于DA和DIO而言，SampleRate就是每个通道的工作频率值。int ADChannelNumber：模拟输入通道数。ADChannelNumber=2，AD1与AD5分别被设置为两路模拟信号输入，并且为同步采集，其余ADx口无效；ADChannelNumber=4,AD1、AD2、AD5、AD6被设置四路模拟信号输入，AD1与AD5同步，AD2和AD6同步，相邻通道为切换扫描模式，其余ADx口无效；ADCh

53、annelNumber=8，所有通道被设置为八路模拟信号输入，AD1与AD5同步，AD2与AD6同步，AD3与AD7同步，AD4与AD8同步，相邻通道为切换扫描模式。若给出的ADChannelNumber参数值小于4，则自动配置为2；若给出的值大于4而小于8，则自动配置为4；若给出的值大于8，则自动配置为8。int *ADPGAofChannels：模拟端口增益输入配置。int DIOModal：数字I/O模式端口配置。unsigned short PWM1:PWM1输出占空比设置。PWM1取值围0-65535，其值越大占空比越高。注：若SampleRate大于等于50000，PWM1时基为2

54、4M，PWM1输出为16bit循环模式；若SampleRate小于50000，PWM1时基为2M，PWM1输出为8bit循环模式（PWM1的高8位有效）。一般情况下建议使用16位循环模式。unsigned short PWM2:PWM2输出占空比设置。PWM2取值围0-65535，其值越大占空比越高。注：若SampleRate大于等于50000，PWM2时基为24M，PWM2输出为16bit循环模式；若SampleRate小于50000，PWM2时基为2M，PWM2输出为8bit循环模式（PWM2的高8位有效）。一般情况下建议使用16位循环模式。int ExtTrigger：外部时钟触发使能。

55、ExtTrigger = 0，使用部时钟触发采集和输出；ExtTrigger为其他值时使用外部时钟触发。一般情况下建议使用部时钟。若使用部时钟，则部时钟将从EX1与EX5输出；若使用外部时钟，则外部时钟从EX5输入，同时部时钟从EX1输出。可通过该功能同步多块采集卡进行同步采集来扩展通道数。Int DeviceNumber：操作所针对的设备号。 extern C int DataIn（float *VoltgaIn1，float *VoltgaIn2，unsigned char*D1，int SampleNumber,int DeviceNumber）float *VoltgaIn1:第一组模

56、拟信号输入（AD1-AD4）的数据。VoltgaIn1所指向的数组大小应大于SampleNumber的大小。float *VoltgaIn2:第二组模拟信号输入（AD5-AD8）的数据。VoltgaIn2为一个一维数组，其每个元素代表一个采样点的电压值。如VoltgaIn2i=1.245,则表示第i个样点对应的电压为1.245V。若采集卡工作在2通道模拟输入模式下，则VoltgaIn2中的元素代表AD5采集到的数据；若采集卡工作在4通道模拟输入模式下，则VoltgaIn2中的第一个元素代表AD5采集到的数据，第二个元素代表AD6，第三个元素代表AD5，第四个元素代表AD6以此类推；若采集卡工作

57、在8通道模拟输入模式下，则VoltgaIn1中的第一个元素代表AD5采集到的数据，第二个元素代表AD6，第三个元素代表AD7，第四个元素代表AD8，第,五个元素代表AD5以此类推。VoltgaIn2所指向的数组大小应大于SampleNumber的大小。unsigned char *DI：数字信号采集得到的信号。DI的每个元素为8位unsigned char型数据，8个信号分别代表某一时刻采样得到的8路电平状态。无论数字输入/输出端口工作在输入模式还是输出模式，都可以获得当前Dx端口的电平状态。若函数执行成功，该数组数据被自动更新为最新采集到的数据（更新的元素个数由SampleNumber决定）

58、；若函数执行失败，该数组数据无效。DI指向的数组大小应大于SampleNumber的大小。int SampleNumber：表示每一次采集的样本数目。该参数决定函数执行一次数据数组中所更新的数据个数。该参数无最大限制，但建议一次采集样点不要过大，以免等待时间过长。若SampleNumber较大或两次执行采集程序间隔较长，导致出现采集到的数据前段出现杂乱，可以将杂乱部分（一般为256个样点）从有效数据中剔除，或在采集有效数据之前先执行一个256样点的读数操作已清空FIFO的数据缓存。int DeviceNumber：操作所针对的设备号。extern C int DataOut（float *Vo

59、ltgaOut1，float *VoltgaOut2，float *VoltgaOut3，float *VoltgaOut4，unsigned char*D0， int SampleNumber,int DeviceNumber）unsigned char *DO：值得注意的是：当对应的端口Dx端口被设置为输入模块时，向Dx输出低电平表示将Dx拉低，Dx将不随输入变化而变化；向Dx输出高电平表示将Dx配置为输入状态，此时才可以从Dx中读到外界输入的电平状态。因此在配置Dx为输入模块的同时，应对Dx输出高电平。当Dx被配置为输出模式时，其输出电平状态将由DO中的输出值决定。若函数执行成功，该数组

60、SampleNumber个数据将会被输出；若函数执行失败，该数组数据不被输出。int SampleNumber：该参数决定函数执行一次数据数组中所输出的数据个数，当向采集卡中输出SampleNumber个数据点后函数成功返回。该参数无最大限制，但建议一次采集样点不要过大，以免等待时间过长影响程序执行效率。int DeviceNumber：操作所针对的设备号。extern C int Counter（int *Counter1,int *Counter2，int DeviceNumber）int Counter函数执行读取计时器计数值的功能。若函数执行成功，返回1；执行失败返回0。int *Co