数据采集基础知识

数据采集基础知识张斌北京凌华技术支持部http://第1页，共48页。内容大纲信号与系统初步基本定义A/DD/ADIOTimer/Counter第2页，共48页。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第3页，共48页。信号与系统初步(续)信号的分类：信息状态速率幅值形状频率onofft1-0-t0.985ttf信号模拟量数字量开/关信号脉冲队列直流信号时域信号频域信号第4页，共48页。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对采集卡的要求第5页，共48页。信号与系统初步(续)模拟信号电压信号温度压力流量应力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0.985ttf第6页，共48页。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，最后输出第7页，共48页。PCBased信号采集系统第8页，共48页。PCBase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）第9页，共48页。基本定义A/D：模拟量-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MaxSamplingRate(S/s),SamplingFrequency(Hz)精度(Resolution)：8bit12bit14bit16bit输入范围(InputRange)(增益)：同步采样(Simultaneousanaloginput)轮询采样(Multiplexanaloginput)突发模式采样(Burstmode)触发模式(Triggermode)隔离(Isolation)FIFO……第10页，共48页。A/D转换过程A/D转换器模拟量输入A/D转换时钟数字量输出第11页，共48页。A/D转换过程--多路切换卡多路选择+_A/D转换器模拟信号A/D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.隔离与非隔离第12页，共48页。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…模拟信号模拟信号第13页，共48页。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：<20kHz超声：20kHz~xxMHzFM收音机：MHz雷达：xGHz…第14页，共48页。A/D基本定义采样频率采样周期的倒数表示采样快慢的物理量多少时间采一个点/每秒采样多少个点Nyquist采样定律：fs>=2*fmaxfs：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>=6~8*fmax采样定律的特例等效时间采样第15页，共48页。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

第16页，共48页。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（aliasfrequency）＝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第17页，共48页。A/D基本定义采样频率的控制SoftPolling（内部软件触发，通过I/O指令实现）TimerPacer（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）ExternalCLK/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Trigger第18页，共48页。A/D基本定义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第19页，共48页。A/D基本定义下列情况适用软件触发模式（SoftwareTrigger，非SoftPolling）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、瞬态采集事件第20页，共48页。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第21页，共48页。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适合适合RSE不适合适合NRSE适合适合第22页，共48页。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输入方式第23页，共48页。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10Kohm<R1=R2<100Kohm信号为直流时，仅需要R2；若为交流信号，则R1、R2均为必需第24页，共48页。A/D基本定义几种信号输入方式的特点差分输入可避免接地回路干扰可避免因环境引起的共模干扰NRSE可避免接地回路干扰RSE最简单，若信号满足下列条件，可选择RSE输入输入信号幅值较大，一般需>1V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第25页，共48页。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：+/-10V,+/-5V,+/-2.5V,+/-1.25V0V-10V+10V+5V第26页，共48页。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

振幅分辨率时间02010012014040608010.008.757.506.255.003.752.501.250111110100011010001000第27页，共48页。A/D基本定义A/D数据格式二进制原码二进制循环码实例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

二进制循环码格式第28页，共48页。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隔离的作用保护计算机降低噪声模拟信号数字信号第29页，共48页。A/D基本定义FIFO先进先出存储器FirstInFirstOut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BusMasteringDMA，最多可以单次DMA64MB，并不受限于FIFO大小第30页，共48页。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ATBusinterruptlinesExternalInterruptEOCInterruptTimerInterruptFIFOHalf-FullInt.DMATerminalCountProgrammableMultiplexerDMAEnableSignalCPUJumperACL-8316/12的中断系统MostoftheISAADcardsonlyusetheEOCinterrupt第31页，共48页。A/D基本定义数据采集卡的中断系统PCI总线采集卡由PCIBIOS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#AofPCIBusIRQFlip-FlopsINT1ClearIRQINT1MUXADEOCINT2MUXTimerPacerFIFOHalf-fullExternalIRQINT2PCI-9111的中断系统第32页，共48页。A/D基本定义数据传输SoftwarePollingEOCINTFIFOHalfFullINTDMABusMasteringDMAScatterGatherDMAA/DDataRegisterISABusorPCIBusFIFOBuffer1.inportinstruction2.DMAcontroller3.PCIBus-masterTransferDatatomemoryby:FIFOenableInterruptGenerationSysteminterruptlineEndofConversionFIFOHalf-Full第33页，共48页。Scatter/GatherDMAPCIBusControllerCPUTimerLogicA/DD/ADataFIFOFragmentedPhysicalMemoryGatheringScattermemoryRetrievesData第34页，共48页。A/D基本定义连续采样的实现DoubleBufferDMA第35页，共48页。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10ms的模拟信号数据1024×1/100KHz=10.24msA/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第36页，共48页。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第37页，共48页。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(SettingTime)：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(MaxDataUpdateRate)精度(Resolution)：8bit12bit14bit16bit输出范围输出信号类型电压输出电流输出(Source、Sink)……第38页，共48页。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？用PCI-9112的+/-10V进行采样，最小可分辨多少电压？对于mV级信号采用高增益的好处是什么？什么是FIFO？与DoubleBufferDMA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？第39页，共48页。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速度第40页，共48页。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1.2KOhm隔离输入PC814第41页，共48页。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5~35V达林顿管-内部电源VDD外部电源第42页，共48页。DIO基本定义既可作DI，也可作DO，程序控制8255兼容第43页，共48页。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NGATECLKOUT第44页，共48页。T/C基本用法计输入信号频率设置计数初值N将已知长度(T)的脉冲输入至GATE，待测信号输至CL