NO7项目七信号处理传感器与检测技术教案

教学目标知识目标：了解RS232信号的一般功能和使用条件，掌握串口信号处理的使用方法与软件程序的简单编写，了解模拟量转换为数字量的一般功能和使用条件，掌握使用数据采集模块或者数据采集卡进行信号处理的一般原理和方法能力目标：认识由模拟量转换为数字量的过程，了解工业中常用的信号转换器的使用方法和一般规程，掌握LabVIEW语言中有关串行口获取信息的程序编写流程素质目标：教学重点使用数据采集模块或者数据采集卡进行信号处理的一般原理和方法教学难点LabVIEW语言中有关串行口获取信息的程序编写流程教学手段理实一体实物讲解小组讨论、协作教学学时8教学内容与教学过程设计注释项目七信号处理〖理论学习〗任务一认识RS232信号接口一、虚拟仪器和LabVIEW语言1.虚拟仪器虚拟仪器（virtualinstrument，VI）是基于计算机的仪器。计粗略地说这种结合有两种方式，一种是将计算机装入仪器，其典型的例子就是所谓智能化的仪器。。另一种方式是将仪器装入计算机，以通用的计算机硬件及操作系统为依托，实现各种仪器功能。虚拟仪器主要是指这种方式。图7-1反映了常见的虚拟仪器检测流程。图7-1虚拟仪器的检测流程虚拟仪器的主要特点如下。（1）尽可能采用通用的硬件，各种仪器的差异主要是软件。（2）可充分发挥计算机的能力，有强大的数据处理功能，可以创造出功能更强的仪器。（3）用户可以根据自己的需要定义和制造各种仪器。虚拟仪器可分为以下五种类型。PC总线方式的插卡型虚拟仪器2）并行口式虚拟仪器3）GPIB总线方式的虚拟仪器4）VXI总线方式虚拟仪器5）PXI总线方式虚拟仪器虚拟仪器的发展经历了以下过程。（1）GPIB—VXI—PXI总线方式，适合大型高精度集成系统。GPIB于1978年问世，VXI于1987年问世，PXI于1997年问世。（2）PC插卡式—并行口式—串口USB方式，适合于普及型的廉价系统。PC插卡式于20世纪80年代初问世，并行口方式于1995年问世，串口USB方式于1999年问世。2.LabVIEW语言LabVIEW是一种图形化的编程语言，集成了与满足GPIB、VXI、RS232和RS485协议的硬件及数据采集卡通信的全部功能。它还内置了便于应用TCP/IP、ActiveX等软件标准的库函数。图7-2所示为LabVIEW程序的样式，一般的LabVIEW程序由前面板、流程图和工具箱组成。图7-2LabVIEW程序样式二、串口知识1.串行接口的分类1）RS232RS232也称标准串口，是最常用的一种串行通信接口。2）RS422为改进RS232通信距离短、速率低的缺点，RS422定义了一种平衡通信接口，将传输速率提高到10Mb/s，传输距离延长到1200m（速率低于100Kb/s时），并允许在一条平衡总线上连接最多10个接收器。RS422是一种单机发送、多机接收的单向、平衡传输规范，被命名为TIA/EIA422A标准。3）RS485因RS485接口具有良好的抗噪声干扰性、长的传输距离和具有多站能力等优点使其成为首选的串行接口。因为RS485接口组成的半双工网络一般只需两根连线，所以RS485接口均采用屏蔽双绞线传输。RS485接口连接器采用DB-9的9芯插头座，与智能终端连接的RS485接口采用DB9（孔），与键盘连接的接口RS485采用DB-9（针）。4）通用串行总线通用串行总线（universalserialbus，USB）是目前计算机上应用较广泛的接口规范，是由Intel、Microsoft、Compaq、IBM、NEC、NorthernTelcom等几家大厂商发起的新型外设接口标准。USB接口是电脑主板上的一种四针接口，其中中间两个针传输数据，两边两个针给外设供电。USB接口速度快、连接简单、不需要外接电源，传输速度为12Mbps，新的USB2.0的传输速度可达480Mbps，电缆最大长度为5m；USB电缆还分屏蔽和非屏蔽两种，屏蔽电缆传输速度可达12Mbps，价格较贵，非屏蔽电缆速度为1.5Mbps，但价格便宜；USB通过串联方式最多可串接127个设备，支持热插拔。最新的规格USB3.0传输速率可达4.8Gbps，采用光纤传输最高速率可达25Gbps。5）RJ45接口RJ45接口是以太网最为常用的接口，“RJ45”是一个常用名称，指的是由IEC(60)6037标准化，使用由国际性的接插件标准定义的8个位置（8针）的模块化插孔或者插头。2.RS232的串行传输机制RS232接口在工业上又称为串口、UART口或者COM口。如图7-3所示为9芯RS232的接口图，其接口引脚的含义如下。（1）DCD。载波检出，用以确认是否收到Modem的载波。（2）RxD。数据输入线。（3）TxD。数据输出线。（4）DTR。告知数据终端处于待命状态。（5）SG。信号线的接地线，严格的说是信号线的零标准线。（6）DSR。告知本机在待命状态。（7）RTS。要求发送数据。（8）CTS。回应对方发送的RTS的发送许可，告诉对方可以发送。（9）RI。振铃提示。图7-39芯RS232接口在工业实际应用中，一般可采用三线制连接方法，如图7-4所示。图7-4RS232接口的三线制连接任务二认识数字量和模拟量的转换数/模转换和模/数转换1.数/模转换D/A转换电路可分为并行和串行两种。并行D/A转换电路是将数字量各位代码同时转换。因此转换速度较快，但使用的元件多，成本高。串行D/A转换电路，其数字量各位代码是串行输入的，在时钟脉冲的作用下，控制转换电路一位接一位地工作，其转换速度比并行转换慢得多，但电路简单，使用方便。下面介绍并行处理方法。以四位D/A转换为例说明数字量转换为模拟量，如图7-14所示图7-14四位数/模转换D/A转换电路的主要性能指标有以下几点。（1）分辨力。分辨力是指输入量的最低位数字(LSB)变化所引起的输出模拟量的变化。（2）绝对精度。绝对精度是指D/A转换器对应于给定的满刻度数字量，其实际输出与理论值之间的误差。（3）转换时间。D/A转换器数据变化量是满刻度时，达到终值1/2LSB时所需要的时间。转换时间与所用元件有关，尤其是双向开关和运算放大器。2.模/数转换A/D转换就是把连续变化的模拟电量转换成数字量。由于模拟量主要是电压，所以这里主要讨论电压数字的转换。A/D转换的分类方法很多，按转换方式，可分为直接法和间接法两类。A/D转换的方法虽然有多种，但常用的是逐次比较型和双积分型两种，在与计算机连接时，多用前一种转换器。在组成单板式仪表时，多用后一种。本节主要介绍逐次逼近法以说明模/数转换原理。图7-15所示是逐次比较型A/D转换器的简化框图。图7-15逐次比较型模数转换模/数转换的主要性能指标有以下几点。（1）分辨力。A/D转换器的分辨力是指转换器的输出每改变1LSB所对应的输入模拟电压的最小变化量。（2）精度。A/D转换器的精度是指对应于一个给定的数字量的实际模拟输入值与理论模拟输入值之差。这一差值也称为绝对误差。当它用百分数表示时，称为相对精度或相对误差。误差的主要来源有量化误差、零位误差、非线性误差等。量化误差是指A/D转换器输出的量化值与输入模拟值之间的误差，对模拟数值进行离散取值而引起的误差。提高分辨力可减小量化误差。（3）转换时间与转换速率。A/D转换器完成一次转换所需要的时间为A/D转换时间，转换速率是转换时间的倒数。一般位数愈多，转换时间愈长。二、数据采集数据采集（DAQ）又称为数据获取，是利用一种装置，从系统外部采集数据并输入到系统内部的一个接口。1.数据采集卡PCIe-6320如图7-16所示，数据采集卡下方的触点列插入计算机中的PCI插槽，配合相应的软件，即可采集各种模拟量或数字量信息。需要注意的是，数据采集卡一般带有输出端口，可以实现控制功能。输入端口称为数据采集端口，输出端口为控制端口。PCIe-6320是国家仪器公司生产的一种工控产品，属于低成本多功能PCI总线卡。PCIe-6320不带模拟量输出，如果需要可选择PCIe-6321或者PCIe-6323。它的主要功能有以下几个方面。（1）16路单端模拟量输入。（2）16位A/D转换器，采样速率可达250kHz。（3）每个输入通道的检测电压值有±10V、±5V、±1V和±0.2V，最大工作电压可达11V。（4）自动通道/增益扫描。（5）4096采样FIFO缓冲器。（6）最大工作电流20mA。（7）数字输入/输出接口24个，最大传输率达到1MHz。（8）具有可编程触发器/定时器。图7-16数据采集卡外形对数据采集板卡进行编程的方式主要有以下三种。（1）软件触发方式。（2）中断传输方式。（3）DMA传输方式。6320的输入/输出端口如图7-17所示，图中左边为端口定义，右边为端口的连接形式，由图可以看出图7-17PCIe6320数据采集卡的端口PCIe-6320数据采集卡共68个引线端口，包括模拟输入端口和数字输出端口以及其他辅助端口。如此多的输入和输出端口数量难以连接引线，所以一般还要配合相应的端子和连接线，图7-18所示为与PCIe-6320相配合的端子和引线。将专用信号引线的一端连接在PCIe6320的端口，而另外一端连接至端子盒相应的端子上，可很方便地进行硬件的连接。图7-17PCle-6320数据采集卡的端口图7-18引线和接线端子盒2.数据采集模块除了以上的PCI总线形式，还有采用其他类型端口（如USB）的数据采集卡，以适应不同现场环境和工作任务的需要。数据采集模块完成的功能和数据采集卡相类似，都能将传感器输出由模拟量转换为数字量进行传输，以及进行各种信号转换。图719数据采集模块如图7-20所示，在网络中使用一个控制器作为服务器，其他的工业数据采集转换模块作为客户端，使用总线方式进行连接，就可以实现分布式的工业数据采集功能。图7-20数据采集模块的网络连接〖实训〗1.使用带串口的数显表头和虚拟仪器LabVIEW程序记录水的温升曲线。2.使用数据采集卡模拟量接口传输信号。〖思考与练习〗1.在本项目任务一中，使用波形图显示只能实时地表现温升曲线。请思考和查找相关的方法，将串口数据输入至某个文件中或者输入至Excel等形式数据表文件进行记录。2.请搜集一些资料，针对本项目任