多通路信號采集電路研究與設(shè)計

1、8摘要多通路信號采集電路研究與設(shè)計摘要近年來，隨著信號采集技術(shù)的不斷發(fā)展，人們對信號采集系統(tǒng)性能的要求越來越高。信號采集系統(tǒng)在日常生活中的應(yīng)用也愈加廣泛，比如交通檢測、生命體征探測、天文望遠鏡星系探測、工業(yè)生產(chǎn)中檢測成品等等。為了提高信號采集系統(tǒng)的功能，國內(nèi)外眾多生產(chǎn)廠商更加專注于研究采集卡。高性能采集卡的設(shè)計成為他們設(shè)計的重要任務(wù)。 目前，國內(nèi)外的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)常用的數(shù)據(jù)采集卡有RS-232、RS-485卡、PCI卡、ISA卡等。這些數(shù)據(jù)采集卡需要插在主機的的PCI插槽或ISA插槽上，使用不方便等。而通用串行總線(USB)是一種新的接口方式，具有連接方便、支持熱插拔、無需外界電源、傳輸速度高、

2、功耗低等優(yōu)點。因此，基于USB的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在通信、遙感、智能儀器表、工業(yè)自動化等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。 本文就是在信號采集系統(tǒng)的實際信號采集的背景下，側(cè)重于分析研究多通路信號的采集。MPS-010601采集卡的軟件部分應(yīng)用VC+編寫控制軟件，對信號采集系統(tǒng)、模數(shù)轉(zhuǎn)換、信號顯示、信號通信等程序進行了設(shè)計。關(guān)鍵詞： 采集卡、多通道、信號采集AbstractMulti-channel Signal Acquisition Circuit Design And AnalysisAbstractIn recent years, with the development of signal acquisi

3、tion technology, people on the signal acquisition system performance have become increasingly demanding.Signal acquisition system in daily life has become even more widespread, such as traffic detection, vital signs detection, telescope galaxy detection, detection of finished industrial production a

4、nd so on.In order to improve the function of the signal acquisition system, many domestic and foreign manufacturers to focus more on research grabber.High-performance capture card design has become an important task of their design. .At present, domestic and foreign data acquisition system used in d

5、ata acquisition card RS-232, RS-485 card, PCI card, ISA card. The data acquisition card to be plugged in to host the PCI slot or ISA slot, inconvenient use and the like. USB universal serial bus ( USB ) is a new interface mode, has convenient connection, supports hot plug and play, no need of extern

6、al power supply, high transmission speed, the advantages of low power consumption. Therefore, data acquisition system based on USB in communication, remote sensing, intelligent meter, industrial automation and other fields has been widely used.This article is in the context of the actual signal acqu

7、isition signal acquisition system, focusing on the analysis of multi-channel signal acquisition.MPS-010601 acquisition card software application written in VC+ control software, signal acquisition system, A/ D conversion, signal display, signal communication program design.Key words: acquisition car

8、d, multi-channel, signal acquisition常州工學院畢業(yè)設(shè)計說明書第1章 緒論61.1 課題研究的背景和意義61.2 課題研究的現(xiàn)狀61.3 國內(nèi)外研究主要成果及發(fā)展趨勢7第2章 采集卡硬件設(shè)計部分92.1 信號采集器概述9211 信號采集器的產(chǎn)生9212 信號采集器的種類9213 常用的信號采集器的功能模塊92.2 采集卡的實現(xiàn)平臺（微控制器）10221 微控制器的基本概念10222 微控制器的分類及工作原理122.3 采集卡模塊說明13231 模塊簡介13232 性能以及接口說明142.4 原理17241 信號數(shù)據(jù)采集17242 信號輸出17243 數(shù)字信號輸

9、入輸出18244 比較器、計數(shù)器及PWM18第3章 多通路信號采集電路設(shè)計203.1動態(tài)鏈接庫（DLL）203.2 編程函數(shù)及參數(shù)203.3 程序驅(qū)動安裝說明233.4 界面展示26常州工學院畢業(yè)設(shè)計說明書第4章 信號采集與處理284.1 信號的相關(guān)知識28411 信號的定義及分類28412 信號調(diào)制過程394.2 單通路信號采集與多通路采集的區(qū)別30 4.3模擬信號的采集30421 單通道信號采集實物測試與分析32422 雙通道信號采集實物測試與分析32423 多通道信號采集實物測試與分析33第5章 結(jié)論35致謝36參考文獻37附錄39常州工學院畢業(yè)設(shè)計說明書 第1章 緒論1.1 課題研究背

10、景和意義隨著電子制造工業(yè)的不斷發(fā)展以及信號數(shù)據(jù)采集的客觀需求，信號采集與處理一直都是生產(chǎn)生活實踐與實際操作領(lǐng)域的一個熱點和難點，當前，國內(nèi)外關(guān)于信號采集系統(tǒng)研究已經(jīng)取得了很大的成就。就數(shù)模轉(zhuǎn)換的通道數(shù)而言，采樣通道由以前的單通道發(fā)展到雙通道、多通道，數(shù)據(jù)采樣頻率、分辨率以及精確度也已經(jīng)不斷地強化和提高。而在信號分析的微處理上，最初的信號采集系統(tǒng)以8位單片機為中心。隨著微電子技術(shù)的日益發(fā)展，新型單片機的逐步問世，16位、32位單片機也為信號采集系統(tǒng)研制的廠家所采納。近年來，使用具有DSP功能的信號采集系統(tǒng)也已投入生產(chǎn)。同時，常用的個人計算機的中央處理器用于信號處理也比較常見。簡而言之，隨著高性能

11、的微信號處理器的生產(chǎn)使用和用戶生產(chǎn)使用中所采用的技術(shù)要求的不斷提高，信號采集系統(tǒng)將會愈加日趨完善。在絕大多數(shù)利用計算機進行調(diào)控和信號分析的試驗中，都離不開對模擬信息數(shù)據(jù)的采集。工業(yè)現(xiàn)場的復(fù)雜性決定模擬數(shù)據(jù)信號的多樣性。因此，鑒于對不同的工程技術(shù)要求，測量技術(shù)的標準也會隨之不同。就采樣速率而言，其中有的是變化的信號，比如燃燒爐內(nèi)的溫度，針對它就可以選用普通數(shù)據(jù)采樣速率的模數(shù)轉(zhuǎn)換器；有的則又是瞬間突變的模擬信號，比如機械振動中物體所承受的壓力或電閘開關(guān)瞬間打開或者關(guān)閉時候?qū)﹄娐分须娏鞯挠绊?。采集?shù)據(jù)時，就必須采用采樣速率較高的模數(shù)轉(zhuǎn)換器。其次，對不同的采樣要求，采樣精度也不同，絕大部分的普通儀表只

12、需要8位采樣精度就可滿足測量的要求。而在一些精密儀器的使用和信號分析的試驗中，又必須采用14位、16位、18位甚至更高分辨率的儀器來進行信號采樣。此外，在很多情況下，則需要采樣信號有很多通路，比如設(shè)計一個異步多通路信號采集器，就需要考慮不同信號通路中收集到的幾路信號。不僅如此，在絕大多數(shù)數(shù)據(jù)采樣試驗比較復(fù)雜或要求高精度調(diào)控的場合下，一般都會對數(shù)據(jù)采樣的精確度、速率、通道數(shù)等技術(shù)規(guī)格同時提出較高要求，比如在一些電氣設(shè)備的故障診斷中，除了采樣過程中要求很高的速率和精確度之外，還需同時采集多個通路中輸入信號并且這些輸入信號是同步進行采集。1.2 課題研究的現(xiàn)狀在網(wǎng)絡(luò)通信快速發(fā)展的今天，信號采集系統(tǒng)已

13、經(jīng)廣泛應(yīng)用在各個領(lǐng)域，可以很方便地進行數(shù)據(jù)信號的處理與分析。目前信號采集器已經(jīng)與個人計算機相結(jié)合，利用USB接口可以在計算機界面進行信號的采集。國內(nèi)外生產(chǎn)廠商研發(fā)的各種新型的信號采集器，將采集卡的生產(chǎn)要求向高性能、低耗能的技術(shù)標準發(fā)展。 在計算機廣泛應(yīng)用的今天，信號采集的重要性是十分顯著的。它是計算機與外部物理世界連接的橋梁。各種類型信號采集的難易程度差別很大。實際采集時，噪聲也可能帶來一些麻煩。因此，信號采集時，有一些基本原理要注意，還有更多的實際的問題要解決。 信號采集是綜合了傳感器(前端)的模擬信號處理、模擬信號數(shù)字化、數(shù)字信號處理和計算機控制技術(shù)等，來實現(xiàn)對外界信息獲取的一門綜合技術(shù)。

14、它借助于各種類型的傳感器檢測外部世界的各種信號，并轉(zhuǎn)換成電信號，然后進行信號調(diào)理和A/D轉(zhuǎn)換，使之轉(zhuǎn)換成為能夠在數(shù)字系統(tǒng)中進一步處理的數(shù)字信號。信號采集系統(tǒng)功能的好壞，絕大部分取決于系統(tǒng)的速率和精確度。在精確度完全符合要求的情況下，應(yīng)要盡可能高的提高采樣速率，以保證速率能夠滿足實時采集、實時處理和實時控制的要求。近年信號采集系統(tǒng)的應(yīng)用范圍越來越多、所涉及到的測量信號和信號源的類型越來越寬、對測量的要求也越來越高。國內(nèi)現(xiàn)在已有不少信號測量和采集的系統(tǒng)，但很多系統(tǒng)存在功能單一、采集通道少、采集速率低、操作復(fù)雜、并且對測試環(huán)境要求較高等問題。人們需要一種應(yīng)用范圍廣、性價比高的信號采集系統(tǒng)。 1.3

15、國內(nèi)外研究主要成果及發(fā)展趨勢 目前，國內(nèi)外的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)常用的數(shù)據(jù)采集卡有RS-232、RS-485卡、PCI卡、ISA卡等。這些數(shù)據(jù)采集卡需要插在主機的的PCI插槽或ISA插槽上，使用不方便等。而通用串行總線(USB)是一種新的接口方式，具有連接方便、支持熱插拔、無需外界電源、傳輸速度高、功耗低等優(yōu)點。因此，基于USB的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在通信、遙感、智能儀器表、工業(yè)自動化等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。 信號采集系統(tǒng)的發(fā)展趨勢主要體現(xiàn)：首先，在專業(yè)測控方面基于個人計算機的信號采集系統(tǒng)發(fā)展越來越成熟，應(yīng)用愈加的智能化。在已經(jīng)過去的幾十年中，對外開放架構(gòu)的個人計算機運行處理能力基本上是平均每隔一年半的時間就會

16、是以前的兩倍。為了有效利用CPU的快速發(fā)展，當代開放式測試平臺采用了高速總線接口，如PCI和PXI/Compact PCI，從而使得運行功能飛速提高，個人計算機功能的提升以及由此導(dǎo)致的基于計算機的測試方案不斷創(chuàng)新，使得傳統(tǒng)測量儀器和基于計算機的測量的兩者的區(qū)別越來越模糊。其次，關(guān)于通用測控技術(shù)方面，一般都會采用嵌入式微處理器的方案，由早期的采用A/D轉(zhuǎn)化器件和4標準單片機構(gòu)成的系統(tǒng)發(fā)展到現(xiàn)在在單芯片上實現(xiàn)完整的信號采集與處理，即當前非常受歡迎的SOC（System On Chip），就是將一個可以采集多路模擬信號的A/D轉(zhuǎn)換功能的子系統(tǒng)和一個CPU硬核集成在同一個芯片上，例如增強型的8052內(nèi)

17、核，其CPU的性能和運行速度也比先前的標準CPU增加了數(shù)倍，并且功耗極低。此外，為了解決基于SOC方案中信號處理功能弱的問題，采用DSP作為信號采集系統(tǒng)的中央處理器的研究與應(yīng)用目前也逐漸引起生產(chǎn)廠商們的重視，比如TI近年來設(shè)計的TMS320C240x系列芯片就是一款比較完整的信號采集與控制的單片機系統(tǒng)，但是該類產(chǎn)品目前正處于開發(fā)的初級測試階段，在精確度、速率以及其它性能指標上并不能完全滿足實際生產(chǎn)操作的要求。因此，國內(nèi)外正開展以DSP作為信號采集系統(tǒng)的采樣控制和數(shù)據(jù)分析運算機制研究與應(yīng)用的測試。本章小結(jié) 本章節(jié)主要講述了多通路信號采集電路當前的研究背景、研究現(xiàn)狀、國內(nèi)外的研究成果以及展望未來多

18、通路信號采集卡設(shè)計方面可能會遇到的瓶頸和技術(shù)障礙，對于信號采集卡的設(shè)計充滿了無盡的遐想。常州工學院畢業(yè)設(shè)計說明書 第2章 采集卡硬件設(shè)計部分2. 1 信號采集器概述211 信號采集器的產(chǎn)生 信號采集，是指從傳感器和其它待測設(shè)備等模擬和數(shù)字被測單元中自動采非電量或者電量信號，送到上位機中進行分析，處理。信號采集系統(tǒng)是結(jié)合基于計算機或者其他專用測試平臺的測量軟硬件產(chǎn)品來實現(xiàn)靈活的、用戶自定義的測量系統(tǒng)。 信號采集卡，即實現(xiàn)信號采集功能的計算機擴展卡，可以通過USB、PXI、PCI、PCI Express、火線(1394)、PCMCIA、ISA、Compact Flash、485、232、以太網(wǎng)、各

19、種無線網(wǎng)絡(luò)等總線接入個人計算機。 為了滿足計算機及其設(shè)備機用于信號采集與調(diào)控的要求，國內(nèi)外眾多生產(chǎn)廠商制造了不同類型的信號采集卡（或I/O卡）。此類采集卡均按照IBM-PC機的總線要求設(shè)計和生產(chǎn)，用戶只要把這類采集卡插入IBM-PC機主板上對應(yīng)的I/O擴展槽中，就可以很快做成一個信號采集和處理系統(tǒng)，從而很大程度上節(jié)約了硬件的研制時間和成本，又能夠有效利用IBM-PC機的軟硬件資源，還能讓用戶專注于對信號采集與處理中的理論和試驗進行探討，以及進行系統(tǒng)設(shè)計和程序編程等等。212 數(shù)據(jù)采集卡的種類基于PC總線的采集卡的種類有很多，其分類方法也不同。按照采集卡處理信號的方式可以分為開關(guān)輸入/輸出模塊、

20、脈沖輸入/輸出模塊、模擬輸入/輸出模塊、多功能模塊等。其中多功能模塊可以具有多種功能，如同一張板卡上數(shù)字輸入/輸出模塊可以分布數(shù)字輸入/輸出和模擬輸入/輸出。按照總線類型的不同，信號采集卡也不同，可以分為ISA卡和PCI卡。213 常用的幾種數(shù)據(jù)采集卡的功能1模擬輸入在工業(yè)測控系統(tǒng)中，輸入的信號數(shù)據(jù)一般都是模擬量，這時，各種A/D芯片裝置就是用來完成把模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量的轉(zhuǎn)換。在實際的計算機測控系統(tǒng)中，不是以A/D芯片為基本單元，而是制成商品化的A/D板卡。采樣最基本的功能就是模擬輸入，一般由多路開關(guān)（MUX）、放大器、采樣保持電路以及模數(shù)轉(zhuǎn)換組成。通過這些，一個模擬信號就可以轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號。

21、模擬輸入的質(zhì)量由模數(shù)轉(zhuǎn)換器的性能和參數(shù)決定。在應(yīng)用的時候，選擇合適的模數(shù)轉(zhuǎn)換器要根據(jù)實際需要的精度。2.模擬輸出（D/A卡）20常州工學院畢業(yè)設(shè)計說明書計算機內(nèi)部處理的是數(shù)字量，而運行時所采用的是模擬量。計算機通過數(shù)模轉(zhuǎn)換卡將數(shù)字量轉(zhuǎn)化為模擬量，從而通過運行機構(gòu)來調(diào)控整個生產(chǎn)進程。 數(shù)模轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換性能指標通常由其內(nèi)部數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片來決定的。3數(shù)字量輸入/輸出卡（I/O卡）數(shù)字量輸入/輸出卡常用來控制整個流程、生成信號、與外部設(shè)備進行通信等，其主要參量有：數(shù)字口路數(shù)、接收(發(fā)送)率、驅(qū)動功能等。若輸出用來驅(qū)動家用節(jié)能燈、冰箱、空調(diào)等電器，就不需要較高的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換率。路數(shù)要和控制對象匹配，并且采集卡

22、能提供的驅(qū)動電流要大于其所需的電流。但是，如果用的是合適的調(diào)理設(shè)備，依舊可以用I/O卡輸出電流TTL電平信號去監(jiān)測那些電壓較高、電流較大的工業(yè)生產(chǎn)設(shè)備。此外，數(shù)字輸入輸出常見的應(yīng)用是在計算機和外部設(shè)備如掃描儀、投影儀等之間傳送數(shù)據(jù)。為了滿足同步通信的需要，其他一部分數(shù)字口還有“握手”線。路數(shù)、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換速率、“握手”能力都是數(shù)字量輸入/輸出的重要參數(shù)，應(yīng)根據(jù)實際應(yīng)用中的需要來選用合適的數(shù)字量I/O卡。4脈沖量輸入/輸出板卡工業(yè)生產(chǎn)過程中有很多的高速脈沖信號，這些都是需要用脈沖量輸入卡或者一些專用用來測量脈沖量的儀器來進行測量。脈沖量輸入/輸出卡采集脈沖數(shù)字量的輸入和輸出信號，并且可以選擇計時、定

23、時、調(diào)頻等不同的運行方式，脈沖計數(shù)值、脈沖的頻率或產(chǎn)生一定頻率的脈沖計都可以由算機通過該板卡模塊很方便地讀取和測量出來。為了避免實際生產(chǎn)操作中強電的影響，該類型板卡多采用光電隔離技術(shù)，將計算機與實際信號之間全部隔離，以此來提升測試板卡的抗干擾性能。想要選擇合適的數(shù)據(jù)采集卡，首先我們需要了解數(shù)據(jù)采集的信號類型及采樣頻率的控制這兩個核心問題。然后才能根據(jù)實驗要求選擇合適的數(shù)據(jù)采集卡。2.2 采集卡的實現(xiàn)平臺（微控制器）221 微控制器的基本概念及分類 微控制器 (Micro Control Unit，MCU)是指隨著大規(guī)模集成電路的出現(xiàn)及其發(fā)展，將計算機的CPU、RAM、ROM、定時計數(shù)器和多種I

24、/O接口集成在一片芯片上，形成芯片級的縮微型計算機，為不同的應(yīng)用場合做不同組合控制，其中文名稱為微控制單元，又稱為單片微型計算機(Single Chip Microcomputer)或者單片機。MCU按存儲器類型可分為無片內(nèi)ROM型和帶片內(nèi)ROM型兩種。對于無片內(nèi)ROM型的芯片，必須外接EPROM才能應(yīng)用（典型芯片為8031）。帶片內(nèi)ROM型的芯片又分為片內(nèi)EPROM型（典型芯片為87C51）、MASK片內(nèi)掩模ROM型（典型芯片為8051）、片內(nèi)FLASH型（典型芯片為89C51）等類型，一些公司還推出帶有片內(nèi)一次性可編程ROM（One Time Programming, OTP)的芯片（典型

25、芯片為97C51)。微控制器是電腦上的一個芯片。與通用微處理器相比較而言（在PC上使用的那種），它是突顯自給自足性能和成本效益的一款微處理器。目前使用的大多數(shù)計算機系統(tǒng)被嵌入在其他機器中的，如電話機，鐘表，家電，汽車，和基礎(chǔ)設(shè)施。一款嵌入式系統(tǒng)通常具有記憶和程序長度的最低要求，可能需要簡單但不尋常的輸入/輸出系統(tǒng)。例如，大多數(shù)嵌入式系統(tǒng)缺少鍵盤，屏幕，磁盤，打印機或個人計算機的其他可識別的I / O設(shè)備。它們可以控制電動馬達，繼電器或電壓，并且讀開關(guān)，可變電阻器或其他電子設(shè)備。通常，唯一通過一個可讀的I / O設(shè)備是一個單一的發(fā)光二極管，它的嚴重的成本或功耗限制甚至可以消除。與通用CPU相反，

26、微控制器不具有地址總線或數(shù)據(jù)總線，因為它們集成在同一個芯片作為CPU上所有的RAM和非易失性存儲器。因為它們需要更少的引腳，該芯片可以被放置在一個更小，更便宜的封裝中。集成存儲器和其他外圍設(shè)備在單個芯片上，并測試它們作為一個單元增加了芯片的成本，但通常會導(dǎo)致降低了嵌入式系統(tǒng)作為一個整體的凈成本。 （即使已經(jīng)集成外設(shè)的CPU的成本比一個CPU +外圍設(shè)備的成本稍多，更少的芯片通常允許更小和更便宜的電路板，并降低了組裝和測試電路板所需的人工） 。這種趨勢導(dǎo)致了如此的設(shè)計。微控制器是一個集成電路，通常具有以下特點：中央處理單元 - 從小型簡單的4位處理器到復(fù)雜的32位或64位處理器的輸入/輸出接口外

27、設(shè)如串行端口器（UART）其他串行通訊接口如I²C，串行外設(shè)接口和控制器局域網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)互連如定時器和看門狗的RAM數(shù)據(jù)存儲器ROM，EPROM，EEPROM或閃存用于程序存儲的時鐘發(fā)生器 - 通常是振蕩器石英計時晶振，諧振器或RC電路的包括許多模數(shù)轉(zhuǎn)換器。這種整合大大減少芯片的數(shù)量，并且將需要使用不同的芯片上，以產(chǎn)生等效的系統(tǒng)，并已被證明是由于其在20世紀70年代引入的嵌入式系統(tǒng)非常流行的布線和印刷電路板的空間量。有些微控制器能夠用哈佛結(jié)構(gòu)：獨立的內(nèi)存總線的指令和數(shù)據(jù)，允許訪問同時發(fā)生。而外圍的整合的決定是非常困難的。該微控制器供應(yīng)商經(jīng)常換工作頻率和對時間將產(chǎn)品推向市場從他們的客戶和

28、降低整體系統(tǒng)成本要求的系統(tǒng)設(shè)計靈活性。制造商必須平衡需要盡量減少對附加功能的芯片尺寸。微控制器架構(gòu)可從這么多的品種很多不同的供應(yīng)商每個指令集架構(gòu)能夠正確地屬于一個自成一類的。其中最主要的是8051，Z80和ARM的衍生工具。需要的引證222微控制器的功能說明微控制器（MCU也或C）是一種功能性的計算機上系統(tǒng)級芯片。它包含一個處理器核心，存儲器和可編程的輸入/輸出外圍設(shè)備。 微控制器包括一個集成的CPU，存儲器（少量的RAM，程序存儲器，或兩者兼有），能夠輸入和輸出的外圍設(shè)備。它強調(diào)高集成化，而相比之下，一個微處理器，它僅包含一個CPU（在PC中使用的那種）。除了一個通用微處理器通常的算術(shù)和邏輯

29、元件，微控制器集成了額外的元素，例如讀寫內(nèi)存用于數(shù)據(jù)存儲，只讀存儲器用于程序存儲，閃存用于數(shù)據(jù)永久存儲，外設(shè)和輸入/輸出接口。在少至32KHz的時鐘速度，微控制器經(jīng)常工作在非常低的速度相比，微處理器，但是這是足夠的典型應(yīng)用。他們消耗較少的功率（毫瓦甚至微瓦），并且一般要保留的功能，同時等待一個事件，例如按下按鈕或中斷的能力。功耗，同時睡眠（CPU時鐘和外設(shè)禁用）可能只是納瓦，使它們非常適合于低功耗和持久的電池應(yīng)用。微控制器用于自動地控制產(chǎn)品和設(shè)備，如汽車的發(fā)動機控制系統(tǒng)，遠程控制，辦公機器，電器，電動工具，玩具等。通過減小尺寸，成本和功率消耗與使用一個單獨的微處理器，存儲器，以及輸入/輸出裝置

30、的設(shè)計相比，微控制器能夠經(jīng)濟的電子化地控制更多的進程。目前使用的大多數(shù)計算機系統(tǒng)都被嵌入在其他機械中，如汽車，電話，電器，及周邊設(shè)備的計算機系統(tǒng)，這些被稱為嵌入式系統(tǒng)。雖然有些嵌入式系統(tǒng)是非常復(fù)雜的，有很多的內(nèi)存和程序長度的最低要求，沒有操作系統(tǒng)以及復(fù)雜的低軟件。典型的輸入和輸出設(shè)備包括開關(guān)，繼電器，螺線管，指示燈，小型或定制的LCD顯示器，射頻設(shè)備和數(shù)據(jù)傳感器，例如溫度，濕度，光照水平等嵌入式系統(tǒng)通常沒有鍵盤，屏幕，磁盤，打印機，或個人計算機的其他可識別的I / O設(shè)備，并且可能會缺乏任何形式的人工交互的設(shè)備。微控制器提供實時響應(yīng)來回復(fù)他們所控制的嵌入式系統(tǒng)中的事件是強制性的。當某些事件發(fā)生

31、時，中斷系統(tǒng)可以發(fā)出信號處理器暫停處理當前指令序列，并開始中斷服務(wù)程序（ISR）。 ISR將返回到原來的指令序列之前執(zhí)行基于中斷的來源所需的任何處理。可能的中斷源是相關(guān)設(shè)備，并且通常包括諸如內(nèi)部定時器溢出事件，完成模擬到數(shù)字的轉(zhuǎn)換，對輸入諸如從被按下的按鈕邏輯電平的變化，和數(shù)據(jù)通信鏈路上接收。功耗是重要的，因為在電池供電的設(shè)備中斷還可以喚醒微控制器從哪里處理器暫停，直到需要通過外圍事件做一些低功耗的睡眠狀態(tài)。單片機程序必須存放在可用的片上程序存儲器，因為提供與外部鏈接的，可擴展的，內(nèi)存的系統(tǒng)將是昂貴的。編譯器和匯編語言是用來將打開的高級語言程序轉(zhuǎn)換到一個緊湊的機器代碼存儲在微控制器的存儲器中。

32、根據(jù)不同的設(shè)備，程序存儲器可以是永久的，只能在工廠進行編程的只讀存儲器，或程序存儲器可以現(xiàn)場改變程序或可擦除只讀存儲器。由于嵌入式處理器通常用于控制設(shè)備，他們有時需要接受來自他們所控制的設(shè)備的輸入，這是模數(shù)轉(zhuǎn)換器的目的。因為處理器在建造時，解釋和處理數(shù)字數(shù)據(jù)，也就是1和0，它們不能夠用通過一個器件發(fā)送給它的模擬信號做任何事情。這樣模擬到數(shù)字轉(zhuǎn)換器用于將輸入的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成該處理器可以識別的一種形式。還有一個數(shù)字到模擬的轉(zhuǎn)換器，它允許處理器將數(shù)據(jù)發(fā)送到被控制的設(shè)備。除了轉(zhuǎn)換器，許多嵌入式微處理器也可以包括各種定時器。其中一個最常見的定時器類型是可編程間隔定時器，或簡稱PIT。PIT只是倒計時從一些值

33、降到零。一旦達到零，它發(fā)送一中斷到處理器，表明它已經(jīng)完成計數(shù)。這是非常有用，如恒溫器，其中定期測試他們周圍的溫度，看看他們是否需要開啟空調(diào)時對等加熱設(shè)備。時間處理單元或簡稱TPU，本質(zhì)上只是另一種計時器，而且更復(fù)雜。除了倒計數(shù)，所述TPU可以檢測到輸入事件，產(chǎn)生輸出事件，以及其他有用的操作。專用脈沖寬度調(diào)制（PWM）使得它可以為CPU控制功率轉(zhuǎn)換器，電阻性負載，電機等，而無需在緊定時環(huán)路使用大量CPU資源。通用異步接收器/發(fā)送器模塊（UART）使得它可以通過在CPU上具有很少負載的一條串行線路上接收和發(fā)送數(shù)據(jù)。對于那些想要以太網(wǎng)可以使用外部芯片像晶體半導(dǎo)體CS8900A，瑞昱RTL8019，或

34、微ENC28J60，它們所有的都可以方便的與低引腳數(shù)相接。2.3 采集卡模塊說明231 模塊簡介MPS-010601是一款新型的多功能USB數(shù)據(jù)采集卡。與傳統(tǒng)的采集卡不同，MPS-010601不但具備八路信號采集通道，而且具備四路信號輸出（DAC）、八路數(shù)字信號輸入輸出（DIO）、兩路計數(shù)器、兩路比較器和兩路PWM輸出等諸多附加的實用功能。這些附加功能不但大大提高了MPS-010601的性價比，而且大幅擴展了MPS-010601的用途。MPS-010601采集卡還編寫了功能豐富的應(yīng)用軟件，努力為用戶提全面的方案設(shè)計，減少用戶的工作量。采集卡實物如圖21所示。 圖21 采集卡232 性能以及接口

35、說明1.USB總線性能 USB2.0高速傳輸總線 使用方便，能夠?qū)崿F(xiàn)自動配置，支持設(shè)備的熱插拔即插即用2.模擬輸入 輸入通道： 2路同步差分、4路多路差分、8路多路差分 輸入端耐壓： ±5V 輸入量程： ±7.5V 采樣： 5Ksps-80Ksps內(nèi)外時鐘 阻抗： 30K 最大總誤差： < 0.5% 增益： 1、2、4、8、163.模擬輸出 輸出通道: 4路同步單端 模輸出范圍： 0-2.5V 輸出電流: 300A 分辨率： 12比特 非線性誤差： ±2LSB 更新時鐘： 5Ksps-80Ksps內(nèi)外時鐘4.數(shù)字輸入/輸出 輸入/輸出通道： 8路 輸入/輸出

36、模式： 全輸入/輸出、半輸入/輸出 輸入電平： 兼容邏輯門電路或互補金屬氧化物半導(dǎo)體電平 輸出電平： 互補金屬氧化物半導(dǎo)體電平 輸入/輸出時鐘： 5Ksps-80Ksps內(nèi)外時鐘5.比較器 比較器數(shù)目： 2 電壓范圍： 13.3V 響應(yīng)時間： 10S 回差電壓： 正反向各2mV 輸出電平： 互補金屬氧化物半導(dǎo)體電平6.計數(shù)器 計數(shù)器數(shù)目： 2 輸入電平： 邏輯門電路或互補金屬氧化物半導(dǎo)體電平 計數(shù)位： 16位 工作時鐘： 5Ksps-80Ksps內(nèi)外時鐘7.PWM輸出 PWM輸出通道： 2 PWM輸出電平： CMOS PWM輸出脈寬： 16bit PWM時基： 2M或24M PWM狀態(tài)顯示：

37、LED8.FIFO存儲器 FIFO個數(shù)： 4 存儲深度： 1K9.工作溫度 0 - 7010. MPS-010601信號采集卡硬件接口說明 GND: 采集卡底線端口 DAx: 模擬信號輸出端口 CPx+: 比較器正輸入端口 CPx-: 比較器負輸入端口 ADx+: 模擬信號差分輸入正端口 ADx-: 模擬信號差分輸入正端口 DX: 數(shù)字信號輸入/輸出端口 EXx: 擴展端口，其中： EX1:內(nèi)部工作時鐘輸出 EX2:計數(shù)器1輸入 EX3:PWM1輸出 EX4:CP1狀態(tài)輸出，CP1+ > CP1-時EX4為高電平 EX5:使用外部時鐘時為外部時鐘輸入；使用內(nèi)部時鐘時為內(nèi)部時鐘輸出 EX6

38、:計數(shù)器2輸入 EX7:PWM2輸入 EX8;CP2狀態(tài)輸出，CP2+ > CP2-時EX8為高電平 2.4 原理241 數(shù)據(jù)信號采集功能 MPS-010601具備多達八個通道的電壓信號輸入端口。八個通道分別由兩路12位高性能ADC和配套的多路開關(guān)組成，兩路ADC進行同步轉(zhuǎn)換。MPS-010601提供了三種通道模式：雙通道、四通道和八通道。值得一提的是，在雙通道模式下兩路采樣是同步進行的，在一些要求較高的應(yīng)用中有著重要作用。噪聲也是采集卡的一個重要性能參數(shù)，這里將對MPS-010601的精度進行一個簡單的測試。通過把采集卡的差分輸入斷接，可以得到一個理論上的零電壓信號，但實際采集中受各種

39、影響總會有一些噪聲存在。為了進一步提高有效分辨率和改善波形，可以軟件中進行數(shù)字濾波。MPS-010601的綜合應(yīng)用軟件中就集成了平滑濾波的功能。平滑濾波能降低噪聲，但同時會減小帶寬，用戶可以根據(jù)需要進行設(shè)置。242 信號輸出功能MPS-010601具有多達四路的信號輸出端口，每路最高都可以達到80Ksps的輸出刷新率，輸出分辨率為12位，并且四路輸出是獨立和同步的。這些高端的配置可以滿足絕大部分應(yīng)用場合的要求。在軟件配合下，MPS-010601可以產(chǎn)生邊界限制以內(nèi)的任意波形。正弦波、方波、三角波、鋸齒波、直流電平自然不在話下，不但頻率、幅值和相位可任意設(shè)置，而且可以人為的向信號中添加噪聲，或是

40、對信號進行各種運算和處理，更為強大的是，還可以由外部的波形文件中讀取數(shù)據(jù)并輸出，甚至可以用鼠標去手工繪制波形。MPS-010601提供了比較實用的信號發(fā)生器軟件，使用該軟件不但可以輸出標準波形（正弦、方波、三角波、鋸齒波、直流），還可以從數(shù)據(jù)文件中讀取的波形或手工繪制的波形。另外，MPS-010601具有強大的信號輸出功能，將其靈活使用，通過與其他功能配合，可以實現(xiàn)很多有價值的復(fù)合功能。例如，輸出一個掃頻信號用以激勵外部裝置，并對響應(yīng)信號進行采集，即可實現(xiàn)掃頻儀的功能；又如，輸出一個與外部信號相關(guān)的直流（或交流）參考信號，與外部信號組成差分信號進行采集，就可以得到外部信號與參考信號相減后的結(jié)果

41、，可藉此消除干擾成分，將信號中的有用信息提取出來；再如，與板卡的比較器功能配合，用輸出電壓作為比較器的參考電壓，可以組成任意電壓比較器等等。243 數(shù)字信號的輸入輸出功能 MPS-010601具備了8路數(shù)字信號的輸入輸出（DIO）通道。這8路數(shù)字端口是雙向復(fù)用的，并且與采樣同步刷新，能達到80Ksps的高速輸入輸出。DIO可以實現(xiàn)軟件與外部的數(shù)字設(shè)備的通信，是一種常用的功能。DIO分為數(shù)字信號輸入（DI）和數(shù)字信號輸出（DO）兩種。DI是對數(shù)字信號的采集，可用來對數(shù)字信號進行偵測。例如，若外部設(shè)備有工作情況的指示信號，就可以用DI來進行采集，從而令計算機了解外部設(shè)備的工作狀態(tài)；又如，對一些通信

42、總線（如RS232）上的信號進行采集，可以獲取總線的活動狀態(tài)，進一步根據(jù)通信協(xié)議進行解讀就能得到通信內(nèi)容；再如，在開發(fā)單片機等可編程器件時，可采集IO端口上的電平狀態(tài)作為調(diào)試的參考；等等。DO功能可用來控制外部的開關(guān)器件、數(shù)字器件或邏輯器件。最常見的是控制外部的繼電器，用軟件控制外部電路的通斷；還可以用DO來模擬帶有時序的邏輯信號，與外部邏輯電路進行通信；除此之外還可以用DO來模擬PWM，以獲得靈活的多通道PWM輸出；等等。DIO與MPS-010601的其他功能配合，也可實現(xiàn)很多的復(fù)合功能。比如，很多時候我們不但希望計算機能夠采集信號，而且希望能向外輸出一個控制信號，組成一個閉環(huán)控制系統(tǒng)。一般

43、的數(shù)據(jù)采集卡只具備信號采集功能，用戶就不能實現(xiàn)上述設(shè)想。MPS-010601的DO則可以實現(xiàn)這樣的功能。例如莫非電子提供的一款“電壓在線監(jiān)測報警軟件”中就包含了這樣的功能。該軟件可對八路電壓進行監(jiān)測并與設(shè)定的警戒條件進行比較，一旦符合就向用戶報警，同時會將報警信號將從DO向外輸出。例如，用這套系統(tǒng)對如加熱爐進行監(jiān)測，一旦設(shè)備超出過熱即立刻通過DO控制繼電器關(guān)掉設(shè)備，溫度恢復(fù)正常后再自動重新開始加熱。這期間完全由軟件自動完成而不需人工干預(yù)，大幅提高了工作效率。復(fù)雜的閉環(huán)控制往往是在大型設(shè)備的專利，但現(xiàn)在只需一塊采集卡就可以完成，簡單易用而且成本低廉，可見MPS-010601的優(yōu)越。244 比較器

44、、計數(shù)器及PWM 比較器是指將某個輸入電壓與參考電壓進行比較，當輸入電壓高于參考電壓時對外輸出高電平（即真），反之輸出低電平（即假）。MPS-010601具備兩組純硬件實現(xiàn)的比較器，可以不需要軟件干預(yù)獨立工作。每個比較器都具有正負10mV的滯回電壓，并且具有專門的比較結(jié)果輸出。用戶可以對結(jié)果輸出進行采集和分析，也可以直接用來控制外部設(shè)備。比較器與DAC相配合，可以實現(xiàn)對任意參考電壓的比較。 計數(shù)器可以對輸入的脈沖進行計數(shù)，并向計算機返回已經(jīng)記錄的脈沖個數(shù)。計數(shù)器可用來記錄開關(guān)接通的次數(shù)，也可以通過光電門采集電機轉(zhuǎn)速等。MPS-010601提供了兩路計數(shù)器，每路計數(shù)器的硬件最大計數(shù)值為65535

45、。PWM（脈寬調(diào)制）輸出也是一種常用的功能。PWM以作為快速的開關(guān)切換信號輸出，也可以用在控制電機轉(zhuǎn)速等方面。MPS-010601提供了兩路PWM輸出。PWM的占空比是可控的，用戶只需要通過軟件編程就可以完成配置，得到所需要的PWM輸出。MPS-010601為每個PWM輸出配置了一個硬件指示燈，指示燈的亮度可以指示占空比的大小，方便用戶觀察。本章小結(jié) 本章節(jié)主要描述了信號采集卡的硬件模塊，先介紹了信號采集卡的組成模塊以及各個模塊的功能，然后還講述了本次畢業(yè)設(shè)計所運用的MPS-010601采集卡的性能、接口說明以及工作原理，為接下來的實驗打好理論基礎(chǔ)。常州工學院畢業(yè)設(shè)計說明書 第3章 用戶編程3

46、.1動態(tài)鏈接庫（DLL）MPS-010601采用DLL（Dynamic Linkable Library，動態(tài)鏈接庫）的方式來進行編程驅(qū)動。DLL的編制與具體的編程語言及編譯器無關(guān)，只要遵循約定的DLL接口規(guī)范和調(diào)用方式，用各種語言編寫的DLL都可以相互調(diào)用。DLL可以方便的在VC、VB、LabVIEW等語言下被調(diào)用，具體方式分別為：VC下調(diào)用DLL typedef void(* FUNC )(void); /定義一個函數(shù)指針 FUNC Func; /定義一個函數(shù)指針變量HINSTANCE hDLL=LoadLibrary("DllTest.dll"); /加載dllFun

47、c=(FUNC)GetProcAddress(hDll."FuncInDLL");/找到dll中的函數(shù)Func();/調(diào)用dll里的函數(shù) VB下調(diào)用DLL Public | Private Declare Function name Lib "labname" Alias "aliasname"(arglist) As type" Publia(可選)用于聲明在所有模塊中的所有過程都可以使用的函數(shù)；Private用于聲明只能在包含該聲明的模塊中使用的函數(shù)。3.2 編程函數(shù)及參數(shù)MPS-010601提供的驅(qū)動文件名為MPS-0

48、10601.dll，內(nèi)部共有四個驅(qū)動函數(shù)，分別為：extern "C" int SetPara（int SampleRate，int ADChannelNumber，int *ADPGAofChannels，int DIOModal，unsigned short PWM1,unsigned short PWM2,int ExtTrigger,int DeviceNumber） int SetPara:函數(shù)執(zhí)行配置采集卡參數(shù)的功能。若函數(shù)執(zhí)行成功，返回1；執(zhí)行失敗返回0。int SampleRate:采樣率、刷新率等工作時鐘頻率。此參數(shù)為內(nèi)部時鐘頻率設(shè)定。參數(shù)取值范圍為500

49、0-80000，小于5000將被設(shè)置為5000，大于8000將被設(shè)置為80000。若44常州工學院畢業(yè)設(shè)計說明書ExtTrigger = 0，EX1和EX5對外輸出該頻率的時鐘脈沖；若ExtTrigger = 1，只有EX1輸出時鐘脈沖。對于AD而言，SampleRate的值為總采樣率值，實際分配到每個通道上的采樣率為SampleRate/（ADChannelNumber/ 2)。對于DA和DIO而言，SampleRate就是每個通道的工作頻率值。int ADChannelNumber：模擬輸入通道數(shù)。ADChannelNumber=2，AD1與AD5分別被設(shè)置為兩路模擬信號輸入，并且為同步采

50、集，其余ADx口無效；ADChannelNumber=4,AD1、AD2、AD5、AD6被設(shè)置四路模擬信號輸入，AD1與AD5同步，AD2和AD6同步，相鄰?fù)ǖ罏榍袚Q掃描模式，其余ADx口無效；ADChannelNumber=8，所有通道被設(shè)置為八路模擬信號輸入，AD1與AD5同步，AD2與AD6同步，AD3與AD7同步，AD4與AD8同步，相鄰?fù)ǖ罏榍袚Q掃描模式。若給出的ADChannelNumber參數(shù)值小于4，則自動配置為2；若給出的值大于4而小于8，則自動配置為4；若給出的值大于8，則自動配置為8。int *ADPGAofChannels：模擬端口增益輸入配置。int DIOModal

51、：數(shù)字I/O模式端口配置。unsigned short PWM1:PWM1輸出占空比設(shè)置。PWM1取值范圍0-65535，其值越大占空比越高。注：若SampleRate大于等于50000，PWM1時基為24M，PWM1輸出為16bit循環(huán)模式；若SampleRate小于50000，PWM1時基為2M，PWM1輸出為8bit循環(huán)模式（PWM1的高8位有效）。一般情況下建議使用16位循環(huán)模式。unsigned short PWM2:PWM2輸出占空比設(shè)置。PWM2取值范圍0-65535，其值越大占空比越高。注：若SampleRate大于等于50000，PWM2時基為24M，PWM2輸出為16bit

52、循環(huán)模式；若SampleRate小于50000，PWM2時基為2M，PWM2輸出為8bit循環(huán)模式（PWM2的高8位有效）。一般情況下建議使用16位循環(huán)模式。int ExtTrigger：外部時鐘觸發(fā)使能。ExtTrigger = 0，使用內(nèi)部時鐘觸發(fā)采集和輸出；ExtTrigger為其他值時使用外部時鐘觸發(fā)。一般情況下建議使用內(nèi)部時鐘。若使用內(nèi)部時鐘，則內(nèi)部時鐘將從EX1與EX5輸出；若使用外部時鐘，則外部時鐘從EX5輸入，同時內(nèi)部時鐘從EX1輸出?？赏ㄟ^該功能同步多塊采集卡進行同步采集來擴展通道數(shù)。Int DeviceNumber：操作所針對的設(shè)備號。 extern "C&quo

53、t; int DataIn（float *VoltgaIn1，float *VoltgaIn2，unsigned char*D1，int SampleNumber,int DeviceNumber）float *VoltgaIn1:第一組模擬信號輸入（AD1-AD4）的數(shù)據(jù)。VoltgaIn1所指向的數(shù)組大小應(yīng)大于SampleNumber的大小。float *VoltgaIn2:第二組模擬信號輸入（AD5-AD8）的數(shù)據(jù)。VoltgaIn2為一個一維數(shù)組，其每個元素代表一個采樣點的電壓值。如VoltgaIn2i=1.245,則表示第i個樣點對應(yīng)的電壓為1.245V。若采集卡工作在2通道模擬輸入

54、模式下，則VoltgaIn2中的元素代表AD5采集到的數(shù)據(jù)；若采集卡工作在4通道模擬輸入模式下，則VoltgaIn2中的第一個元素代表AD5采集到的數(shù)據(jù)，第二個元素代表AD6，第三個元素代表AD5，第四個元素代表AD6以此類推；若采集卡工作在8通道模擬輸入模式下，則VoltgaIn1中的第一個元素代表AD5采集到的數(shù)據(jù)，第二個元素代表AD6，第三個元素代表AD7，第四個元素代表AD8，第,五個元素代表AD5以此類推。VoltgaIn2所指向的數(shù)組大小應(yīng)大于SampleNumber的大小。unsigned char *DI：數(shù)字信號采集得到的信號。DI內(nèi)的每個元素為8位unsigned char

55、型數(shù)據(jù)，8個信號分別代表某一時刻采樣得到的8路電平狀態(tài)。無論數(shù)字輸入/輸出端口工作在輸入模式還是輸出模式，都可以獲得當前Dx端口的電平狀態(tài)。若函數(shù)執(zhí)行成功，該數(shù)組內(nèi)數(shù)據(jù)被自動更新為最新采集到的數(shù)據(jù)（更新的元素個數(shù)由SampleNumber決定）；若函數(shù)執(zhí)行失敗，該數(shù)組內(nèi)數(shù)據(jù)無效。DI指向的數(shù)組大小應(yīng)大于SampleNumber的大小。int SampleNumber：表示每一次采集的樣本數(shù)目。該參數(shù)決定函數(shù)執(zhí)行一次數(shù)據(jù)數(shù)組中所更新的數(shù)據(jù)個數(shù)。該參數(shù)無最大限制，但建議一次采集樣點不要過大，以免等待時間過長。若SampleNumber較大或兩次執(zhí)行采集程序間隔較長，導(dǎo)致出現(xiàn)采集到的數(shù)據(jù)前段出現(xiàn)雜亂

56、，可以將雜亂部分（一般為256個樣點）從有效數(shù)據(jù)中剔除，或在采集有效數(shù)據(jù)之前先執(zhí)行一個256樣點的讀數(shù)操作已清空FIFO的數(shù)據(jù)緩存。int DeviceNumber：操作所針對的設(shè)備號。extern "C" int DataOut（float *VoltgaOut1，float *VoltgaOut2，float *VoltgaOut3，float *VoltgaOut4，unsigned char*D0， int SampleNumber,int DeviceNumber）unsigned char *DO：值得注意的是：當對應(yīng)的端口Dx端口被設(shè)置為輸入模塊時，向Dx輸出低電平表示將Dx拉