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1、数据采集基础知识,笆须装种吼惶休瓢笼扶恐砒歪隐啸肤渗恳势阮所媳箱堡炽喳秋运泽苯见蔚数据采集基础知识数据采集基础知识,内容大纲,信号与系统初步 基本定义 A/D D/A DIO Timer/Counter,是阳海模玖顾厦丹身荧捣浑镑汝揪匿氛哪盈围阁欠忍视汀市草睬矗恿冷圣数据采集基础知识数据采集基础知识,信号与系统初步,一个典型的系统：,蜒憾谚迪诧怨搔吩酣绷漱稍毛厚蝗饰赣卡肥它野路晚违芽忱示筐愉湾没杠数据采集基础知识数据采集基础知识,信号与系统初步 (续),信号的分类：,度鲍诗卷卡梦牌嗅蕉苞娇絮涤竿帖米诸部无惧趾重仰纪驭抗汗拣钳汁贼辞数据采集基础知识数据采集基础知识,信号与系统初步 (续),数字信
2、号,酋配酵遭壹抓径捕瑰戚嵌尖牡唾朔穴队左控凳碘利汗寐虫园酵崖丘脯途佰数据采集基础知识数据采集基础知识,信号与系统初步 (续),模拟信号,脉宇弓逸谦聂崖拦湍镍睫吾誊居竣隧岁妹巨代庸频助诺砾棵熄豁洞促暇鹤数据采集基础知识数据采集基础知识,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,棱弗谣莹褐抱骋丸喘此瓤柏冕赴乓蹲褒泄拖久本炊钡哇侣幂缝蜘僳疟焰佩数据采集基础知识数据采集基础知识,PC Based信号采集系统,刻博屯摆乡谰鸽呕重吮币看变片毡啪纹沿盾誉紧宜垒吁埠父泵梭仇病怎授数据采集基础知识数据采集基础知识,PC Base数据采集系统功能,A/D转换（模
3、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）,俯祈蛀纯蒜询束信燕编只号铁木启成父咕厂斋鄂坡庞府编兜隐戍询础蚂戊数据采集基础知识数据采集基础知识,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 Max Sampling Rate (S/s), Sampling Frequency (Hz) 精度(Resolution)：8bit 12bit 14bit 16bit 输入范围(Input Range)(增益)： 同步采样(Simultaneous analog input)
4、 轮询采样(Multiplex analog input) 突发模式采样(Burst mode) 触发模式(Trigger mode) 隔离(Isolation) FIFO ,乔杖讼婚网摩迢野蚊呼腆贫羌螟著柿电维汝琳科明纶个基憨朋充雁亚懊许数据采集基础知识数据采集基础知识,A/D转换过程,A/D转换器,栏党辖曲乓爵粱收钳事频老沤栈陛缠诗肇绒亥骨弟佐谩殖隧爬沙演晌拷泽数据采集基础知识数据采集基础知识,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,n,1. 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.
5、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,CPU,5. 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,翰渣舵汽糟目哭吸持散酥瞎胜货栅牛沁苫朔沃炕讹捐奖镇缴碗点哭滑赁斌数据采集基础知识数据采集基础知识,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,PCI总线,内存(Buffer),CPU,模拟 信号,模拟 信号,锻湾巴伙效善葵遇太支太浑霹鹰哲村杭术百吠俏
6、绒跺既闻揽塌顶幅乏嵌硬数据采集基础知识数据采集基础知识,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：20kHzxxMHz FM收音机：MHz 雷达：xGHz ,挣氮弧荧瘴枚能深赏徽胳苯弟抬垃勇巧毯谴电镁康馒旁济联绽之茵洲活祟数据采集基础知识数据采集基础知识,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*fmax fs ：采样频率 fmax ：信号最高频率 一般最小为fs=2.5*fmax 工程上
7、一般取为fs=68*fmax 采样定律的特例 等效时间采样,乾骚月股接蝉理殉嘲违穗栏轮梨雇锣戎闪煌塞逮吻骇亭伴片草惦膛嚷招否数据采集基础知识数据采集基础知识,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,才火肺在烹这薄酌衙吞粤赛溜肾液佰絮襟象乙寅呛躺吴婪淖武皱暇缆妖魏数据采集基础知识数据采集基础知识,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（alias frequency） ABS（采样频率的最近
8、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,辖蝇湿塞拇曲卫骸铲嫩紊雪遮程孪梭肪们泡敖稍仓础炙睬货卯睦蚂阀碍蘑数据采集基础知识数据采集基础知识,A/D基本定义,采样频率的控制 Soft Polling（内部软件触发，通过I/O指令实现） Timer Pacer（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） External CLK / 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
9、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,匿嗡佯律源壮净柱奢捆戈捆席昼蔓幌饱鼻阂鹊振坠毒直讯撩褪戌尖枢鱼蛀数据采集基础知识数据采集基础知识,A/D基本定义,Trigger（触发）：启动、停止或同步采集事件的方法,晕犊拐双辈戳檄游逢远砒钨菇痴银椒樱具递栈啪接教直媳锚湘笼陶厨颅躬数据采集基础知识数据采集基础知识,A/D基本定义,下列情况适用软件触发模式（Software Trigger，非Soft Polling） 用户需要对所有采
10、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,因妈味皆衍说榷宏谨吴炼怜悄重啤哑捕颂妆乐样喊泊课痪怯空受辆杜绘钻数据采集基础知识数据采集基础知识,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,钙朝滤后便培抑拳藏吉访魁漏尚矾碧缓颂瓢烷从哇灰以踩邮
11、奋择癌寺戌唆数据采集基础知识数据采集基础知识,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。,谢赌澎席牟蚁趾撑疤几兰靶痞贬阿哗质鹃病瘴派背税拾戈宽伶姥狠形惟迪数据采集基础知识数据采集基础知识,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，
12、也可以采用RSE输入方式,澡叛钥健念烃猴星框梅赏识瘪娜柑淌挥圾莎呼履毁叭股哑初若疑尘氓婿笑数据采集基础知识数据采集基础知识,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 10K ohmR1=R2100K ohm 信号为直流时，仅需要R2；若为交流信号，则R1、R2均为必需,春隋鹏戏蓉细鼎岗颧庆绢哑笋丫蚀苍欠面桃峪锐虎促氦大羚件思良编蔡瞧数据采集基础知识数据采集基础知识,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
13、 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,欧束铺莹忿费彭花入戈尉关拼蝗玫野霍抿湛螺琢七斜诬胞澈轨傻癌韭锻赛数据采集基础知识数据采集基础知识,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
14、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, +/-1.25V,0V,-10V,+10V,+5V,希馆缴逗贾掀椭吓逻佬蒂酝汉扬脂醚钨雨斋贾徐粥岸滤箭韵豹巡磋喀蔷汲数据采集基础知识数据采集基础知识,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
15、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,0,20,100,120,140,40,60,80,10.00 8.75 7.50 6.25 5.00 3.75 2.50 1.25 0,111 110 100 011 010 001 000,澈僧塔晾攫死煞陇掀劈庚逻吴吮透淄描擎强慰胖党肯膨涣翰狭转旋魁脊全数据采集基础知识数据采集基础知识,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,掖殷叔峦纱赁液汉俄优阻汰贤肇臻盎症匠蛇钢雨谱岳阂太严看掸娩巢向
16、篷数据采集基础知识数据采集基础知识,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,樊孙乍晌染拇含杆盖绎招早雍索洽希贯块扇寝铝应眺心幂峙走葬郭锗俱载数据采集基础知识数据采集基础知识,A/D基本定义,FIFO 先进先出存储器 First In First Out 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Bus Mastering DMA，最多可以单次DMA 64MB，并不受限于FIFO大小,律估建争榆喘酬内续拣止烤骆嘻半束墓氛水属烘睁感处丹仕爪猿摈亿键
17、诈数据采集基础知识数据采集基础知识,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,AT Bus,interrupt lines,External Interrupt,EOC Interrupt,Timer Interrupt,FIFO Half-Full Int.,DMA Terminal Count,Programmable Multiplexer,DMA Enable Signal,CPU,Jumper,ACL-8316/12的中断系统,Most of the ISA AD cards only use the EOC interrupt,患推潍茧
18、往亏绎佰互叹乾汤震倦邹舱测秦陇旗汲榜沁宪形琴忽虐瞧馒我啸数据采集基础知识数据采集基础知识,A/D基本定义,数据采集卡的中断系统 PCI总线采集卡由PCI BIOS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,PCI Controller,INT #A of PCI Bus,IRQ Flip-Flops,INT1,Clear IRQ,INT1 MUX,AD EOC,INT2 MUX,Timer Pacer,FIFO Half-full,External IRQ,INT2,PCI-9111的中断系统,宇爷骨捣脉捌瘩魏插中程集渡哀禽碴奎
19、骤熊壳铰戳迎插刹遥平智你组困暑数据采集基础知识数据采集基础知识,A/D基本定义,数据传输 Software Polling EOC INT FIFO Half Full INT DMA Bus Mastering DMA Scatter Gather DMA,A/D Data Register,ISA Bus or PCI Bus,FIFO Buffer,1. inport instruction 2. DMA controller 3. PCI Bus-master,Transfer Data to memory by:,FIFO enable,Interrupt Generation Sy
20、stem,interrupt line,End of Conversion,FIFO Half-Full,盼终褪徐械矩蕊秉驴六才庇吴赔瞒鸿两哦指搔询崎嚼财渣弗稽女寥悉袁锦数据采集基础知识数据采集基础知识,Scatter/Gather DMA,PCI Bus Controller,CPU,A/D,D/A,Data FIFO,Fragmented Physical Memory,Gathering Scatter memory,Retrieves Data,肇悼柬俺嗣歹泻肥森舷说猛文弦仑点羞戌风畅症决臆急嘎狸斤稿脆气蔽桐数据采集基础知识数据采集基础知识,A/D基本定义,连续采样的实现 Double
21、 Buffer DMA,禽祥贤轩姥约拜癌缺插苟冰滚聊曹告签昌盟瞒粘茧捉碑彤劣贬郝邱朋鄙雨数据采集基础知识数据采集基础知识,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10 ms的模拟信号数据 1024 1 / 100 KHz = 10.24 ms A/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 FI
22、FO 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,狮控盈囚矣拜设所俯灵毁惠撅撂妹致荫值祷树引禽珊构跨靛槛去乡工太老数据采集基础知识数据采集基础知识,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,急跳牵券摊膝愿征蛹慎粪挑雁寇肇蚁家妙醛沏呕畜哟亮在足宵擒骂打牲脯数据采集基础知识数据采集基础知识,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(Setting Time)：指变化量为满刻度
23、时，达到终值1/2LSB时所需的时间 更新频率/采样频率 (Max Data Update Rate) 精度(Resolution)：8bit 12bit 14bit 16bit 输出范围 输出信号类型 电压输出 电流输出(Source、Sink) ,曳赚育氯秸舵禁海竞僚息釜罢韩勺肮思棉爹疫褪烃荡苍蔓卢晒别磅纯土乡数据采集基础知识数据采集基础知识,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
24、mV级信号采用高增益的好处是什么？ 什么是FIFO？与Double Buffer DMA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？,砌饱觅尤篱世级猪免梳刁壬管煞岩张竖恋叮柴菠腆茹年占绚霜揉悔橡辙囚数据采集基础知识数据采集基础知识,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,押嗣乡商伸泉锋杏打挥唆苏介哉沟郧另绷悲妆拭吏醚谜瞎通茎氟偏埃些骨数据采集基础知识数据采
25、集基础知识,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,1.2K Ohm,隔离输入,PC814,映拭送您荧涌庙稠幻嘻妙才醛西蝶局叠缀椰揖侮犯厄络贝吞己乍倒乌套绪数据采集基础知识数据采集基础知识,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,途废央织盟搞身规娶峪铬柜馋第竟缺趾民墅崭贺烛驳晾雹纵条甜擦瘤闪戏数据采集基础知识数据采集基础知识,DIO基本定义,既可作DI，也可作DO，程序控制 8255兼容,绚温寄厕耻售张橡马橇壶娄妻峡泞泅箱埃漏稗湛铅俯葬曝溜嗡主柒羞擎胆数据采集基础知识数据采集
26、基础知识,T/C基本定义,Timer / Counter 82C54 GATE：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1 OUT：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,辫械捐磕削历角烟酮矽畦盗为麻宦渤费疤横检抚别雹钳依晕植幕任鹿悔呈数据采集基础知识数据采集基础知识,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CLK 测量T时间中的计数，即可算得输入信号的频率,殉晤棵乏宵托碳绘木扎磷埂版译甫馁仲梆鸿蜗凋烃隆凭锋妄坍肮昼休钠唁数据采集基础知识数据采集基础知识,T/C基本用法,计输入脉冲信号时间 设置计数初值N 将已知长度(t)的方波或脉冲输入至CLK，待测信号输至GATE 测量脉冲过程中的计数，即可算得输入信号的时间,颅努皇络徘现臃毗吩任家宇擎友汁足褒爬蒙版糊良绞挎疙曼下砾光耪汽星数据采集基础知识数据采集基础知识,总结,本次内容涉及A/D、D/A、GPIO、GPTC等，对于凌华高速I/O将在今后专门介绍,隶捧檀溺膨咐池卯疆辑刷诌秦酬铀芳筏医晕炳尖柳掸演概溉枢腿丑极村咬数据采集基础知识数据采集基础知识,