數(shù)據(jù)采集基礎(chǔ)知識(shí)講座

1、Advance technologies; Automate the world.整理ppt數(shù)據(jù)采集基礎(chǔ)知識(shí)講座數(shù)據(jù)采集基礎(chǔ)知識(shí)講座張斌張斌北京凌華技術(shù)支持部北京凌華技術(shù)支持部Advance technologies; Automate the world.整理ppt內(nèi)容大綱信號(hào)與系統(tǒng)初步信號(hào)采集的基本定理基本定義A/DD/ADIOTimer/CounterAdvance technologies; Automate the world.整理ppt信號(hào)與系統(tǒng)初步一個(gè)典型的系統(tǒng)：模擬輸入采樣/量化1101數(shù)字輸入數(shù)字信號(hào)處理1101數(shù)字輸出模擬重建模擬輸出Advance technologies

2、; Automate the world.整理ppt信號(hào)與系統(tǒng)初步 (續(xù))信號(hào)的分類：信息信息狀態(tài)狀態(tài)速率速率幅值幅值形狀形狀頻率頻率onofft1-0-t0.985ttf信號(hào)信號(hào)模擬量模擬量數(shù)字量數(shù)字量開(kāi)開(kāi)/關(guān)信號(hào)關(guān)信號(hào)脈沖隊(duì)列脈沖隊(duì)列直流信號(hào)直流信號(hào)時(shí)域信號(hào)時(shí)域信號(hào)頻域信號(hào)頻域信號(hào)Advance technologies; Automate the world.整理ppt信號(hào)與系統(tǒng)初步 (續(xù))數(shù)字信號(hào)onofft1-0-t開(kāi)關(guān)信號(hào)輸入：檢測(cè)一個(gè)開(kāi)關(guān)的打開(kāi)/閉合輸出：打開(kāi)/關(guān)閉一個(gè)閥門驅(qū)動(dòng)能力通道數(shù)脈沖隊(duì)列輸入：讀光編碼器的輸出信號(hào)輸出：產(chǎn)生一個(gè)方波時(shí)鐘頻率分辨率對(duì)采集卡的要求Advance

3、 technologies; Automate the world.整理ppt信號(hào)與系統(tǒng)初步 (續(xù))模擬信號(hào)電壓信號(hào)溫度壓力流量應(yīng)力DC精度頻域信號(hào)振動(dòng)語(yǔ)音聲吶分辨率采樣頻率精度觸發(fā)對(duì)采集卡的要求時(shí)域信號(hào)雷達(dá)回波血壓變化汽車點(diǎn)火波形分辨率采樣頻率精度觸發(fā)0.985ttfAdvance technologies; Automate the world.整理ppt信號(hào)采集傳感器信號(hào)調(diào)理放大濾波信號(hào)轉(zhuǎn)換將外部信號(hào)采入計(jì)算機(jī)，并加以處理，最后輸出Advance technologies; Automate the world.整理pptPC Based信號(hào)采集系統(tǒng)Advance technologie

4、s; Automate the world.整理pptPC Base DAQ系統(tǒng)架構(gòu)ISA / PCI Expansion SlotAddressLatchDataBufferI/ORead/Write8259Interrupt8237DMADecoderAdressDataControl7424474244PC SystemDAQ cardDACADCDIOCNT1 12 23 34 42 23 31 14 4Advance technologies; Automate the world.整理pptPC Base數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)功能A/D轉(zhuǎn)換（模擬量/數(shù)字量轉(zhuǎn)換）D/A轉(zhuǎn)換（數(shù)字量/模擬量轉(zhuǎn)換

5、）DIO（數(shù)字量輸入/輸出）Timer/Counter（定時(shí)器/計(jì)數(shù)器）Advance technologies; Automate the world.整理ppt基本定義A/D：模擬量數(shù)字量轉(zhuǎn)換把外部電壓信號(hào)轉(zhuǎn)成計(jì)算機(jī)能夠識(shí)別的數(shù)字信號(hào)采樣頻率 Max Sampling Rate (S/s), Sampling Frequency (Hz)精度(Resolution)：8bit 12bit 14bit 16bit輸入范圍(Input Range)(增益)：同步采樣(Simultaneous analog input)輪詢采樣(Multiplex analog input)突發(fā)模式采樣(Bur

6、st mode)觸發(fā)模式(Trigger mode)隔離(Isolation)FIFOAdvance technologies; Automate the world.整理pptA/D轉(zhuǎn)換過(guò)程多路切換卡多路選擇+_A/D轉(zhuǎn)換器模擬模擬信號(hào)信號(hào)A/D 觸發(fā)信號(hào)觸發(fā)信號(hào)數(shù)據(jù)緩沖區(qū)n1. 信號(hào)源控制 通道數(shù) 信號(hào)類型 (SE/DI) 信號(hào)范圍 自動(dòng)通道掃描2. 觸發(fā)源控制 觸發(fā)信號(hào)源 采樣頻率3. A/D 數(shù)據(jù)緩沖區(qū) 數(shù)據(jù)寄存器 FIFO 緩沖區(qū)AT 總線或 PCI 總線內(nèi)存(Buffer)4. 數(shù)據(jù)傳輸 I/O 指令 DMA 總線主控中斷信號(hào)中斷信號(hào)CPU5. 中斷信號(hào)控制6. A/D 分辨率與數(shù)

7、據(jù)格式 數(shù)據(jù)位數(shù) 二進(jìn)制代碼或補(bǔ)碼 單極性或雙極性7. 隔離與非隔離Advance technologies; Automate the world.整理pptA/D轉(zhuǎn)換的過(guò)程同步板卡模擬信號(hào) A/D觸發(fā)信號(hào)數(shù)據(jù)緩沖區(qū)+_A/D轉(zhuǎn)換器nPCI總線內(nèi)存(Buffer)CPU+_A/D轉(zhuǎn)換器n+_A/D轉(zhuǎn)換器n模擬信號(hào)模擬信號(hào)Advance technologies; Automate the world.整理pptA/D基本定義信號(hào)的頻率代表信號(hào)變化快慢的物理量任何一種信號(hào)都可以轉(zhuǎn)換成一組正弦波的迭加不同的信號(hào)頻率不同： 語(yǔ)音：4kHz 音樂(lè)：=2*fmax fs ：采樣頻率 fmax ：信號(hào)最

8、高頻率 一般最小為fs=2.5*fmax 工程上一般取為fs=68*fmax采樣定律的特例等效時(shí)間采樣Advance technologies; Automate the world.整理pptA/D基本定義足夠的采樣率下的采樣結(jié)果 過(guò)低采樣率下的采樣結(jié)果 Advance technologies; Automate the world.整理pptA/D基本定義能夠正確顯示信號(hào)而不發(fā)生畸變的最大頻率叫做Nyquist頻率，它是采樣頻率的一半信號(hào)中所包含的頻率高于Nyquist頻率的成分，將在直流和Nyquist頻率之間發(fā)生畸變，稱為混疊（alias） 混頻偏差（alias frequency）

9、 ABS（采樣頻率的最近整數(shù)倍輸入頻率） 解決方案在A/D前加入低通濾波器，將信號(hào)中高于Nyquist頻率的信號(hào)成分濾去稱為抗混疊濾波器抗混疊濾波器Advance technologies; Automate the world.整理pptA/D基本定義采樣頻率的控制Soft Polling（內(nèi)部軟件觸發(fā)，通過(guò)I/O指令實(shí)現(xiàn)）Timer Pacer（由8254定時(shí)器芯片分頻產(chǎn)生的內(nèi)部定速時(shí)鐘） 例如：頻率 = 2MHz 時(shí)鐘 /（C1*C2）（這里的C1與C2是16位定時(shí)器的分頻系數(shù)）External CLK / Trig（外部時(shí)鐘）三種方式的特點(diǎn)軟件觸發(fā)最為簡(jiǎn)單、易用，但無(wú)法精確控制采樣時(shí)序

10、，適用于對(duì)時(shí)序要求不甚嚴(yán)格的場(chǎng)合，如采集DC信號(hào)內(nèi)部時(shí)鐘能夠精確控制采樣時(shí)序，但無(wú)法保證與外部信號(hào)嚴(yán)格同步，但一般應(yīng)用（無(wú)論時(shí)域還是頻域）均能夠滿足要求外部時(shí)鐘最為靈活，能夠滿足特殊應(yīng)用的需求CLK與TriggerAdvance technologies; Automate the world.整理pptA/D基本定義Trigger（觸發(fā)）：?jiǎn)?dòng)、停止或同步采集事件的方法MNN延時(shí)觸發(fā)預(yù)觸發(fā)中觸發(fā)后觸發(fā)模擬觸發(fā)數(shù)字觸發(fā)上升沿觸發(fā)MNN下降沿觸發(fā)正沿觸發(fā)負(fù)沿觸發(fā)觸發(fā)事件Advance technologies; Automate the world.整理pptA/D基本定義下列情況適用軟件觸發(fā)模

11、式（Software Trigger，非Soft Polling）用戶需要對(duì)所有采集事件進(jìn)行明確控制時(shí)間要求不甚嚴(yán)格下列情況適用硬件觸發(fā)模式采集事件需要與外部裝置嚴(yán)格同步高速、瞬態(tài)采集事件Advance technologies; Automate the world.整理pptA/D基本定義多通道采樣同步采樣 采用多個(gè)A/D芯片，不同通道采用同一時(shí)鐘 保證不同通道的采樣時(shí)間相同（信號(hào)同步）輪詢采樣 只采用一個(gè)A/D芯片，通過(guò)多路轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)不同通道的切換 通道轉(zhuǎn)換時(shí)間 可以通過(guò)外加采樣/保持電路保證采樣的同步突發(fā)模式采樣 用通道時(shí)鐘控制通道間的時(shí)間間隔 用另一個(gè)掃描時(shí)鐘控制兩次掃描過(guò)程之間的

12、間隔 BSSHAdvance technologies; Automate the world.整理pptA/D基本定義信號(hào)類型從信號(hào)端來(lái)講，信號(hào)分為 接地信號(hào) 浮空信號(hào)從信號(hào)輸入端來(lái)講，輸入方式分為 差分輸入（DI） 參考地單端輸入（RSE） 無(wú)參考地單端輸入（NRSE）一般來(lái)講，浮空信號(hào)和差分輸入方式比較好。但要看具體情況而定。接地信號(hào)浮空信號(hào)DI適合適合RSE不適合適合NRSE適合適合Advance technologies; Automate the world.整理pptA/D基本定義接地信號(hào)的測(cè)量最好采用差分或NRSE方式若采用RSE方式，會(huì)引入較大誤差接地回路通常會(huì)在測(cè)量數(shù)據(jù)中引

13、入頻率為電源頻率的交流和偏置直流干擾如果信號(hào)電壓很高并且信號(hào)源和數(shù)據(jù)采集卡之間的連接阻抗很小，也可以采用RSE輸入方式Advance technologies; Automate the world.整理pptA/D基本定義浮空信號(hào)的測(cè)量可以用差分、RSE、NRSE方式測(cè)量浮空信號(hào)在差分輸入時(shí)，必須保證相對(duì)于測(cè)量地的信號(hào)共模電壓在允許范圍之內(nèi)需在測(cè)量端與測(cè)量地之間連接偏置電阻10K ohmR1=R21V 連線比較短，一般5m 環(huán)境干擾很小或信號(hào)屏蔽比較好 所有輸入信號(hào)都與信號(hào)源共地 否則建議選用差分輸入方式總體而言，差分輸入方式是比較好的選擇Advance technologies; Auto

14、mate the world.整理pptA/D基本定義輸入范圍與增益輸入信號(hào)的幅度 / 輸入信號(hào)的放大倍數(shù)單極性與雙極性 雙極性： e.x. -10V +10V (20V范圍) 單極性： e.x. 0V+5V (5V范圍) 跳線設(shè)置或編程設(shè)置可編程增益 對(duì)于大信號(hào)應(yīng)用： 普通增益（1,2,4,8） 對(duì)于小信號(hào)應(yīng)用： 高增益（1,10,100,1000）例如：輸入電壓范圍： +/-10V, 普通增益 可選擇的輸入電壓范圍：+/-10V, +/-5V, +/-2.5V, +/-1.25V0V-10V+10V+5VAdvance technologies; Automate the world.整理

15、pptA/D基本定義采樣精度/分辨率：Accuracy / Resolution采樣數(shù)據(jù)最低位所代表的模擬量的值Nbit: 8bit / 12bit / 16bit電壓表示：輸入范圍/2n用戶關(guān)心的最小可測(cè)電壓值舉例：假如10V的輸入信號(hào)用12位數(shù)據(jù)來(lái)表示，則最小可分辨的電壓為10/212=0.224mV 振幅振幅分辨率分辨率時(shí)間時(shí)間02010012014040608010.009.757.506.255.003.752.501.250111110100011010001000Advance technologies; Automate the world.整理pptA/D基本定義A/D數(shù)據(jù)格

16、式二進(jìn)制原碼二進(jìn)制循環(huán)碼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)Decimal ValueVoltage (Volts)FFF4095+10.000C003072 +5.0018012049 +0.0058002048 0.0007FF2047 -0.005

17、4001024 -5.0010011-10.0000000-10.005實(shí)例 2: 12 位, 雙極性輸入二進(jìn)制原碼格式實(shí)例1: 16 位, 雙極性輸入 二進(jìn)制循環(huán)碼格式Advance technologies; Automate the world.整理pptA/D基本定義隔離模擬光隔與數(shù)字光隔A/D的隔離一般隔離數(shù)字信號(hào)隔離電壓FIFO先進(jìn)先出存儲(chǔ)器 First In First Out用于A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)緩存作用PCI總線的傳輸速率大于A/D轉(zhuǎn)換速率，F(xiàn)IFO正常情況下是空的利用Bus Mastering DMA，最多可以單次DMA 64MB，并不受限于FIFO大小Advance tech

18、nologies; Automate the world.整理pptA/D基本定義數(shù)據(jù)采集卡的中斷系統(tǒng)ISA總線采集卡通過(guò)跳線選擇IRQ中斷源可選擇AT Businterrupt linesExternal Interrupt EOC InterruptTimer InterruptFIFO Half-Full Int.DMA Terminal CountProgrammableMultiplexerDMA Enable SignalCPUJumperACL-8316/12的中斷系統(tǒng)的中斷系統(tǒng)Most of the ISA AD cards only use the EOC interrupt

19、 Advance technologies; Automate the world.整理pptA/D基本定義數(shù)據(jù)采集卡的中斷系統(tǒng)PCI總線采集卡由PCI BIOS自動(dòng)分配IRQ多塊PCI卡可共享同一中斷對(duì)于PCI總線采集卡，軟件設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮中斷共享中斷共享的實(shí)現(xiàn)PCIControllerINT #Aof PCI BusIRQFlip-FlopsINT1Clear IRQ INT1MUXAD EOCINT2MUXTimer Pacer FIFO Half-fullExternal IRQINT2PCI-9111的中斷系統(tǒng)的中斷系統(tǒng)Advance technologies; Automate t

20、he world.整理pptA/D基本定義數(shù)據(jù)傳輸Software PollingEOC INTFIFO Half Full INTDMABus Mastering DMAScatter Gather DMAA/D Data RegisterISA Bus or PCI BusFIFO Buffer1. inport instruction2. DMA controller3. PCI Bus-masterTransfer Data tomemory by:FIFO enableInterrupt GenerationSysteminterrupt lineEnd of ConversionF

21、IFO Half-FullAdvance technologies; Automate the world.整理pptScatter/Gather DMAPCI BusControllerCPUTimerLogicA/DD/AData FIFOFragmented Physical MemoryGatheringScatter memoryRetrieves DataAdvance technologies; Automate the world.整理pptA/D基本定義實(shí)現(xiàn)連續(xù)采樣Double Buffer DMAAdvance technologies; Automate the worl

22、d.整理pptA/D數(shù)據(jù)采集應(yīng)用對(duì)于不支持總線主控的采集卡。如何在Windows下應(yīng)用Slave的PCI卡不支持DMA，只有中斷；ISA卡的DMA也要通過(guò)中斷Windows對(duì)中斷的響應(yīng)有延時(shí)使用 FIFO 緩沖區(qū)來(lái)消除Windows延時(shí)的影響， 但數(shù)據(jù)不能進(jìn)行“實(shí)時(shí)”處理FIFO 可以存儲(chǔ)至少10 ms的模擬信號(hào)數(shù)據(jù) 1024 1 / 100 KHz = 10.24 msA/D 數(shù)據(jù)傳輸方法 使用FIFO 半滿標(biāo)志位來(lái)產(chǎn)生一個(gè)中斷， 然后在中斷服務(wù)程序中讀取 A/D數(shù)據(jù) FIFO 數(shù)據(jù)查詢也是可以的， 而中斷則被保留起來(lái)用作緊急事件觸發(fā)源或看門狗定時(shí)器觸發(fā)源Advance technologi

23、es; Automate the world.整理pptA/D數(shù)據(jù)采集應(yīng)用如何對(duì)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)處理DMA：高速，基本可滿足不太嚴(yán)格的實(shí)時(shí)處理要求嚴(yán)格“實(shí)時(shí)”，內(nèi)時(shí)鐘觸發(fā) EOC中斷 實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)（或DOS） 用戶自行在中斷服務(wù)程序中處理數(shù)據(jù)Advance technologies; Automate the world.整理pptD/A基本定義D/A：數(shù)字量模擬量轉(zhuǎn)換將計(jì)算機(jī)內(nèi)部數(shù)字量信號(hào)轉(zhuǎn)成外部電壓建立時(shí)間(Setting Time)：指變化量為滿刻度時(shí)，達(dá)到終值1/2LSB時(shí)所需的時(shí)間更新頻率/采樣頻率 (Max Data Update Rate)精度(Resolution)：8bit 12bi

24、t 14bit 16bit輸出范圍輸出信號(hào)類型 電壓輸出 電流輸出(Source、Sink)Advance technologies; Automate the world.整理pptA/D與D/A測(cè)試能否用A/D卡采集脈沖信號(hào)？假如用100K的采集卡采集75K的信號(hào)，會(huì)得到什么樣的結(jié)果？簡(jiǎn)要說(shuō)明DI、RSE、NRSE的區(qū)別？凌華哪些板卡支持NRSE輸入？對(duì)于mV級(jí)信號(hào)采用高增益的好處是什么？什么是FIFO？與Double Buffer DMA的Buffer有何區(qū)別？PCI-6208V的D/A建立時(shí)間是2微秒，是否可以說(shuō)其可以用作輸出頻率500KHz的任意波形發(fā)生器？Advance techn

25、ologies; Automate the world.整理ppt數(shù)字I/O基本定義I/O點(diǎn)數(shù)或通道數(shù)隔離與非隔離非隔離輸入輸出：TTL電平兼容隔離輸入類型：光電隔離輸入隔離輸出類型1：達(dá)林頓管輸出隔離輸出類型2：繼電器輸出輸出驅(qū)動(dòng)能力I/O速度Advance technologies; Automate the world.整理ppt隔離數(shù)字輸入隔離輸入信號(hào)電壓范圍依賴于限流電阻若要使用大負(fù)載則需用戶自定義限流電阻1.2K Ohm隔離輸入PC814Advance technologies; Automate the world.整理ppt隔離數(shù)字輸出達(dá)林頓晶體管能夠提供比較大的“灌電流”驅(qū)動(dòng)

26、需要外部或內(nèi)部電源若為感性負(fù)載，必須使用外部電源+負(fù)載電源電源535V達(dá)林頓管達(dá)林頓管-內(nèi)部電源VDD外部電源Advance technologies; Automate the world.整理pptDIO基本定義既可作DI，也可作DO，程序控制8255兼容Advance technologies; Automate the world.整理pptT/C基本定義Timer / Counter 82C54GATE：門控信號(hào)。只有當(dāng)GATE為H時(shí)計(jì)數(shù)CLK：時(shí)鐘。每輸入一個(gè)脈沖計(jì)數(shù)值減1OUT：計(jì)數(shù)輸出。當(dāng)計(jì)數(shù)到一定值時(shí)改變狀態(tài)。狀態(tài)的改變由工作方式?jīng)Q定NGATECLKOUTAdvance technologies; Automate the world.整理pptT/C基本用法計(jì)輸入信號(hào)頻率設(shè)置計(jì)數(shù)初值N將已知長(zhǎng)度(T)的脈沖輸入至GATE，待測(cè)信號(hào)輸至CLK測(cè)量T時(shí)間中的計(jì)數(shù)，即可算得輸入信號(hào)的頻率NGATECLKOUT輸入信號(hào)已知長(zhǎng)度的脈沖Advance technologies; Automate the world.整理pptT/C基本用法計(jì)輸入脈沖信號(hào)時(shí)間設(shè)置計(jì)數(shù)初值N將已知長(zhǎng)度(t)的方波或脈沖輸入至CLK，待測(cè)信號(hào)輸至GATE測(cè)量脈沖過(guò)程中的計(jì)數(shù)，即可算得輸入信號(hào)的時(shí)間NGATECLKOUT輸入信號(hào)已知長(zhǎng)度的脈沖Advance technologies; Auto