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)講座張斌北京凌華技術(shù)支持部第1頁，共52頁。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/Counter第2頁，共52頁。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第3頁，共52頁。信號(hào)與系統(tǒng)初步(續(xù))信號(hào)的分類：信息狀態(tài)速率幅值形狀頻率onofft1-0-t0.985ttf信號(hào)模擬量數(shù)字量開/關(guān)信號(hào)脈沖隊(duì)列直流信號(hào)時(shí)域信號(hào)頻域信號(hào)第4頁，共52頁。信號(hào)與系統(tǒng)初步(續(xù))數(shù)字信號(hào)onofft1-0-t開關(guān)信號(hào)輸入：檢測(cè)一個(gè)開關(guān)的打開/閉合輸出：打開/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)采集卡的要求第5頁，共52頁。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)0.985ttf第6頁，共52頁。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，最后輸出第7頁，共52頁。PCBased信號(hào)采集系統(tǒng)第8頁，共52頁。PCBaseDAQ系統(tǒng)架構(gòu)第9頁，共52頁。PCBase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）第10頁，共52頁?；径xA/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MaxSamplingRate(S/s),SamplingFrequency(Hz)精度(Resolution)：8bit12bit14bit16bit輸入范圍(InputRange)(增益)：同步采樣(Simultaneousanaloginput)輪詢采樣(Multiplexanaloginput)突發(fā)模式采樣(Burstmode)觸發(fā)模式(Triggermode)隔離(Isolation)FIFO……第11頁，共52頁。A/D轉(zhuǎn)換過程—多路切換卡多路選擇+_A/D轉(zhuǎn)換器模擬信號(hào)A/D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)CPU5.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.隔離與非隔離第12頁，共52頁。A/D轉(zhuǎn)換的過程—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)第13頁，共52頁。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：語音：<4kHz音樂：<20kHz超聲：20kHz~xxMHzFM收音機(jī)：MHz雷達(dá)：xGHz…第14頁，共52頁。A/D基本定義采樣頻率采樣周期的倒數(shù)表示采樣快慢的物理量多少時(shí)間采一個(gè)點(diǎn)/每秒采樣多少個(gè)點(diǎn)Nyquist采樣定律：fs>=2*fmaxfs：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>=6~8*fmax采樣定律的特例等效時(shí)間采樣第15頁，共52頁。A/D基本定義足夠的采樣率下的采樣結(jié)果

過低采樣率下的采樣結(jié)果

第16頁，共52頁。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，稱為混疊（alias）混頻偏差（aliasfrequency）＝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第17頁，共52頁。A/D基本定義采樣頻率的控制SoftPolling（內(nèi)部軟件觸發(fā)，通過I/O指令實(shí)現(xiàn)）TimerPacer（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)）ExternalCLK/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，但無法保證與外部信號(hào)嚴(yán)格同步，但一般應(yīng)用（無論時(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Trigger第18頁，共52頁。A/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)事件第19頁，共52頁。A/D基本定義下列情況適用軟件觸發(fā)模式（SoftwareTrigger，非SoftPolling）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)采集事件第20頁，共52頁。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）輪詢采樣只采用一個(gè)A/D芯片，通過多路轉(zhuǎn)換開關(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)鐘控制兩次掃描過程之間的間隔BSSH第21頁，共52頁。A/D基本定義信號(hào)類型從信號(hào)端來講，信號(hào)分為接地信號(hào)浮空信號(hào)從信號(hào)輸入端來講，輸入方式分為差分輸入（DI）參考地單端輸入（RSE）無參考地單端輸入（NRSE）一般來講，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適合適合第22頁，共52頁。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輸入方式第23頁，共52頁。A/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10Kohm<R1=R2<100Kohm信號(hào)為直流時(shí)，僅需要R2；若為交流信號(hào)，則R1、R2均為必需第24頁，共52頁。A/D基本定義幾種信號(hào)輸入方式的特點(diǎn)差分輸入可避免接地回路干擾可避免因環(huán)境引起的共模干擾NRSE可避免接地回路干擾RSE最簡(jiǎn)單，若信號(hào)滿足下列條件，可選擇RSE輸入輸入信號(hào)幅值較大，一般需>1V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第25頁，共52頁。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+5V第26頁，共52頁。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)來表示，則最小可分辨的電壓為10/212=0.224mV

振幅分辨率時(shí)間02010012014040608010.009.757.506.255.003.752.501.250111110100011010001000第27頁，共52頁。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)碼格式第28頁，共52頁。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FirstInFirstOut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BusMasteringDMA，最多可以單次DMA64MB，并不受限于FIFO大小第29頁，共52頁。A/D基本定義數(shù)據(jù)采集卡的中斷系統(tǒng)ISA總線采集卡通過跳線選擇IRQ中斷源可選擇ATBusinterruptlinesExternalInterruptEOCInterruptTimerInterruptFIFOHalf-FullInt.DMATerminalCountProgrammableMultiplexerDMAEnableSignalCPUJumperACL-8316/12的中斷系統(tǒng)MostoftheISAADcardsonlyusetheEOCinterrupt第30頁，共52頁。A/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PCIBIOS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#AofPCIBusIRQFlip-FlopsINT1ClearIRQINT1MUXADEOCINT2MUXTimerPacerFIFOHalf-fullExternalIRQINT2PCI-9111的中斷系統(tǒng)第31頁，共52頁。A/D基本定義數(shù)據(jù)傳輸SoftwarePollingEOCINTFIFOHalfFullINTDMABusMasteringDMAScatterGatherDMAA/DDataRegisterISABusorPCIBusFIFOBuffer1.inportinstruction2.DMAcontroller3.PCIBus-masterTransferDatatomemoryby:FIFOenableInterruptGenerationSysteminterruptlineEndofConversionFIFOHalf-Full第32頁，共52頁。Scatter/GatherDMAPCIBusControllerCPUTimerLogicA/DD/ADataFIFOFragmentedPhysicalMemoryGatheringScattermemoryRetrievesData第33頁，共52頁。A/D基本定義實(shí)現(xiàn)連續(xù)采樣DoubleBufferDMA第34頁，共52頁。A/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也要通過中斷Windows對(duì)中斷的響應(yīng)有延時(shí)使用FIFO緩沖區(qū)來消除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10ms的模擬信號(hào)數(shù)據(jù)1024×1/100KHz=10.24msA/D數(shù)據(jù)傳輸方法使用FIFO半滿標(biāo)志位來產(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用作緊急事件觸發(fā)源或看門狗定時(shí)器觸發(fā)源第35頁，共52頁。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)第36頁，共52頁。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(SettingTime)：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(MaxDataUpdateRate)精度(Resolution)：8bit12bit14bit16bit輸出范圍輸出信號(hào)類型電壓輸出電流輸出(Source、Sink)……第37頁，共52頁。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DoubleBufferDMA的Buffer有何區(qū)別？PCI-6208V的D/A建立時(shí)間是2微秒，是否可以說其可以用作輸出頻率500KHz的任意波形發(fā)生器？第38頁，共52頁。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速度第39頁，共52頁。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1.2KOhm隔離輸入PC814第40頁，共52頁。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)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5~35V達(dá)林頓管-內(nèi)部電源VDD外部電源第41頁，共52頁。DIO基本定義既可作DI，也可作DO，程序控制8255兼容第42頁，共52頁。T/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NGATECLKOUT第43頁，共52頁。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NGATECLKOUT輸入信號(hào)已知長(zhǎng)度的脈沖第44頁，共52頁。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)度的脈沖第45頁，共52頁?？偨Y(jié)本次內(nèi)容涉及A/D、D/A、GPIO、GPTC等，對(duì)于高速I/O將在今后專門介紹第46頁，共52頁。附錄

常見傳感器及信號(hào)調(diào)理第47頁，共52頁。模擬信號(hào)調(diào)理低電壓信號(hào)電流輸入/輸出RTDs和熱敏電阻熱電偶應(yīng)變儀隔離放大噪聲濾波電流與電壓的轉(zhuǎn)換;隔離，放大，噪聲濾波隔離，放大，噪聲濾波冷端補(bǔ)償激勵(lì)電源隔離，放大，噪聲濾波激勵(lì)電壓全橋和半橋設(shè)置隔離，放大，噪聲濾波多功能I/O第48頁，共5