數(shù)據(jù)采集基礎(chǔ)知識(shí)講座

1、advance technologies; automate the world. 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 advance technologies; automate the world. 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/d d/a dio timer/counter advance technologies; automate the world. 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; automate th

2、e world. 信號(hào)與系統(tǒng)初步 (續(xù)) 信號(hào)的分類(lèi)： 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 on off t 1- 0- t 0.985 t t f 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. 信號(hào)與系統(tǒng)初步 (續(xù)) 數(shù) 字 信 號(hào) on off t 1- 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(mén) 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：

3、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 technologies; automate the world. 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(chē)點(diǎn)火波形 分辨率 采樣頻率 精度 觸發(fā) 0.985 ttf advance technologies; automate the world. 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 technologie

4、s; automate the world. pc based信號(hào)采集系統(tǒng) advance technologies; automate the world. pc base daq系統(tǒng)架構(gòu) isa / pci expansion slot address latch data buffer i/o read/write 8259 interrupt 8237 dma decoder adress data control74244 74244 pc systemdaq card dac adc dio cnt 1 1 2 2 3 3 4 4 2 2 3 3 1 1 4 4 advance t

5、echnologies; automate the world. pc 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） 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. 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(i

6、nput range)(增益)： 同步采樣(simultaneous analog input) 輪詢(xún)采樣(multiplex analog input) 突發(fā)模式采樣(burst mode) 觸發(fā)模式(trigger mode) 隔離(isolation) fifo advance technologies; automate the world. a/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) n 1. 信號(hào)源控制 通道數(shù) 信號(hào)類(lèi)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

7、. 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(xiàn)或 pci 總線(xiàn) 內(nèi)存(buffer) 4. 數(shù)據(jù)傳輸 i/o 指令 dma 總線(xiàn)主控 中斷信號(hào)中斷信號(hào) cpu 5. 中斷信號(hào)控制 6. a/d 分辨率與數(shù)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. a/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 n pci總線(xiàn) 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) a

8、dvance technologies; automate the world. a/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. a/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

9、 world. a/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(chēng)為混疊（alias） 混頻偏差（alias frequency） 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(chēng)為抗混疊濾波器抗混疊濾波器 advance technologies; automate the world. a/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

10、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，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(mǎn)足要求 外部時(shí)鐘最為靈活，能夠滿(mǎn)足特殊應(yīng)用的需求 clk與trigger advance technologies; automate the world. a/

11、d基本定義 trigger（觸發(fā)）：?jiǎn)?dòng)、停止或同步采集事件的方法 mn n 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) mn n 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. a/d基本定義 下列情況適用軟件觸發(fā)模式（software trigger，非soft polling） 用戶(hù)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

12、. a/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(xún)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)程之間的間隔 bssh advance technologies; automate the world. a/d基本定義 信號(hào)類(lèi)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（nr

13、se） 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. a/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. a/d基本定義 浮空信號(hào)的測(cè)量 可以用差分、rs

14、e、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(xiàn)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; automate the world. a/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(xiàn)設(shè)置或編程設(shè)置 可

15、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, +/-1.25v 0v -10v +10v +5v advance technologies; automate the world. a/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(hù)關(guān)心的最小可測(cè)電壓值 舉例：假如10v

16、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 020100120140406080 10.00 9.75 7.50 6.25 5.00 3.75 2.50 1.25 0 111 110 100 011 010 001 000 advance technologies; automate the world. a/d基本定義 a/d數(shù)據(jù)格式 二進(jìn)制原碼 二進(jìn)制循環(huán)碼 a/d data (hex)decimal valuevoltage (volts) 7fff+32767+10.00000 4000+16384 +5.0001

17、5 00011 +0.00031 00000 0.00000 ffff-1 -0.00031 c000-16384 -5.00015 8001-32767-10.00000 8000-32768-10.00031 a/ddata(hex)decimal valuevoltage (volts) fff4095+10.000 c003072 +5.001 8012049 +0.005 8002048 0.000 7ff2047 -0.005 4001024 -5.001 0011-10.000 0000-10.005 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

18、性輸入 二進(jìn)制循環(huán)碼格式 advance technologies; automate the world. a/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(xiàn)的傳輸速率大于a/d轉(zhuǎn)換速率，fifo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 technologies; automate the world. a/d基本定義 數(shù)據(jù)采集卡的中斷系統(tǒng) isa總線(xiàn)采集卡通過(guò)跳線(xiàn)選擇irq

19、 中斷源可選擇 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的中斷系統(tǒng)的中斷系統(tǒng) most of the isa ad cards only use the eoc interrupt advance technologies; automate the world. a/d基本定義 數(shù)據(jù)采

20、集卡的中斷系統(tǒng) pci總線(xiàn)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(xiàn)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) 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的中斷系統(tǒng)的中斷系統(tǒng) advance technologies; automate the world. a/d基本定義 數(shù)據(jù)傳輸 software pol

21、ling 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 systeminterrupt line end of conversion fifo half-full advan

22、ce technologies; automate the world. scatter/gather dma pci bus controller cpu timer logic a/d d/a data fifo fragmented physical memory gathering scatter memory retrieves data advance technologies; automate the world. a/d基本定義 實(shí)現(xiàn)連續(xù)采樣 double buffer dma advance technologies; automate the world. a/d數(shù)據(jù)采集

23、應(yīng)用 對(duì)于不支持總線(xiàn)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 ms a/d 數(shù)據(jù)傳輸方法 使用fifo 半滿(mǎn)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(xún)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(mén)狗定時(shí) 器觸發(fā)源 advance technologies; au

24、tomate the world. a/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(mǎn)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(hù)自行在中斷服務(wù)程序中處理數(shù)據(jù) advance technologies; automate the world. d/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(mǎn)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 12bit 14b

25、it 16bit 輸出范圍 輸出信號(hào)類(lèi)型 電壓輸出 電流輸出(source、sink) advance technologies; automate the world. a/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 tec

26、hnologies; automate the world. 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(lèi)型：光電隔離輸入 隔離輸出類(lèi)型1：達(dá)林頓管輸出 隔離輸出類(lèi)型2：繼電器輸出 輸出驅(qū)動(dòng)能力 i/o速度 advance technologies; automate the world. 隔離數(shù)字輸入 隔離輸入信號(hào)電壓范圍 依賴(lài)于限流電阻 若要使用大負(fù)載則需用戶(hù)自定義限流電阻 1.2k ohm 隔離輸入 pc814 advance technologies; automate the world. 隔離數(shù)字輸出 達(dá)林頓晶體管能夠提供比較大的

27、“灌電流”驅(qū)動(dòng) 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. dio基本定義 既可作di，也可作do，程序控制 8255兼容 advance technologies; automate the world. t/c基本定義 timer / counter 82c54 gate：門(mén)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1 out：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

28、定 n gate clk out advance technologies; automate the world. t/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 n gate clk out 輸入信號(hào) 已知長(zhǎng)度的脈沖 advance technologies; automate the world. t/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 n gate clk out 輸入信號(hào) 已知長(zhǎng)度的脈