數(shù)據(jù)采集基礎(chǔ)知識課件

1、數(shù)據(jù)采集基礎(chǔ)知識張斌北京凌華技術(shù)支持部內(nèi)容大綱信號與系統(tǒng)初步基本定義A/DD/ADIOTimer/Counter信號與系統(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)字信號處理1101數(shù)字輸出模擬重建模擬輸出信號與系統(tǒng)初步 (續(xù))信號的分類：信息狀態(tài)速率幅值形狀頻率onofft1-0-t0.985ttf信號模擬量數(shù)字量開/關(guān)信號脈沖隊(duì)列直流信號時(shí)域信號頻域信號信號與系統(tǒng)初步 (續(xù))數(shù)字信號onofft1-0-t開關(guān)信號輸入：檢測一個(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輸出：產(chǎn)生一個(gè)方波時(shí)鐘頻率對采集卡的要求信號采集傳感器信號調(diào)理放

2、大濾波信號轉(zhuǎn)換將外部信號采入計(jì)算機(jī)，并加以處理，最后輸出采樣頻率、抗混頻濾波器和樣本數(shù)奶奎斯特頻率：給定采樣頻率那么能正確顯示信號而不發(fā)生畸變的最大頻率。混頻：由于采樣頻率太低而使得還原的信號頻率與原信號頻率不同，這種畸變稱為混頻?？够祛l濾波器：在信號被A/D轉(zhuǎn)換前讓信號經(jīng)過一個(gè)能將高于奶奎斯特的信號成分濾除掉的低通濾波器。工程實(shí)踐中按照信號最高頻率成分的510倍進(jìn)行采樣。緩沖和觸發(fā)緩沖指計(jì)算機(jī)中的BUFFER，板上的不能保存數(shù)據(jù)。如果所使用DAQ卡上有DMA那就直接進(jìn)入計(jì)算機(jī)內(nèi)存了。在以下幾種情況需要使用BUFFER: 1.需要采集許多樣本，其速率超過顯示或處理速度的。 2.需要連續(xù)采集并且

3、同時(shí)進(jìn)行分析和顯示數(shù)據(jù)的。 3.采樣周期必須準(zhǔn)確均勻通過樣本的。 在下列情況不適用BUFFER: 1.數(shù)據(jù)短小每秒只采集有限點(diǎn)的。 2.需要縮減存儲(chǔ)器開支的。觸發(fā)可以分為軟觸發(fā)和硬件觸發(fā)。1.當(dāng)用戶需要對所有采集操作有明確的控制并且事件定時(shí)不需要非常準(zhǔn)確的采用軟觸發(fā)。2.當(dāng)采集事件需要定時(shí)非常準(zhǔn)確、用戶削減軟件開支或采集事件需要與外部裝置同步時(shí)可以考慮采用硬件觸發(fā)。典型物理量的經(jīng)驗(yàn)采樣周期被測物理量采樣周期（秒）流量1-2壓力3-5液位6-8溫度10-15成分15-20采樣技術(shù)常規(guī)采樣：變化緩慢信號間歇采樣：高速數(shù)據(jù)采集變頻采樣：得明確信號隨時(shí)間變化的關(guān)系下采樣：即帶通采樣，適合于當(dāng)被采集信號

4、中最低頻率大于最高頻率一半時(shí)，可以采用。多路開關(guān)電子式的多路開關(guān)可以分為雙極型晶體管、場效應(yīng)管開關(guān)、集成電路開關(guān)三種。第一種開關(guān)速度快但漏電流大、開路電阻小如果信號源內(nèi)阻大轉(zhuǎn)換精度不高。把場效應(yīng)管開關(guān)和計(jì)數(shù)器、譯碼器、控制電路做成一片就是集成多路開關(guān)。集成的多路開關(guān)有帶譯碼的和不帶譯碼的。有一對多的，也有既可一對多也可多對一的。其中AD7501、AD7502、AD7503是多對一的，而CD4501/CD4502則屬于后者。多路開關(guān)配置時(shí)有單端接法和雙端接法。當(dāng)信號源信噪比小時(shí)采用后者，注意前者是將所有輸入信號均參考一個(gè)公共地，即各信號噪聲一樣，否則引入差模干擾。多路開關(guān)從一個(gè)通道切換到另一個(gè)通

5、道時(shí)，建議軟件延時(shí)，以防轉(zhuǎn)換時(shí)的瞬變尖峰電壓。即消抖。多路開關(guān)可以擴(kuò)展使用以增加通道數(shù)目。在自動(dòng)數(shù)據(jù)采集中，應(yīng)選用“先斷后通”的多路開關(guān)。否則，就會(huì)發(fā)生兩個(gè)通道短接的現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)會(huì)損壞信號源或多路開關(guān)自身。PC Based信號采集系統(tǒng)基本定義A/D：模擬量-數(shù)字量轉(zhuǎn)換把外部電壓信號轉(zhuǎn)成計(jì)算機(jī)能夠識別的數(shù)字信號采樣頻率 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

6、采樣(Multiplex analog input)突發(fā)模式采樣(Burst mode)觸發(fā)模式(Trigger mode)隔離(Isolation)FIFOA/D轉(zhuǎn)換過程A/D轉(zhuǎn)換器模擬量輸入A/D轉(zhuǎn)換時(shí)鐘數(shù)字量輸出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A/D 觸發(fā)信號數(shù)據(jù)緩沖區(qū)n1. 信號源控制 通道數(shù) 信號類型 (SE/DI) 信號范圍 自動(dòng)通道掃描2. 觸發(fā)源控制 觸發(fā)信號源 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CPU5. 中斷信號控制6.

7、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A/D轉(zhuǎn)換的過程-同步板卡模擬信號 A/D觸發(fā)信號數(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模擬信號模擬信號A/D基本定義信號的頻率代表信號變化快慢的物理量任何一種信號都可以轉(zhuǎn)換成一組正弦波的迭加不同的信號頻率不同：語音：4kHz音樂：=2*fmax fs ：采樣頻率 fmax ：信號最高頻率 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A/D基本定義能夠正確顯示信號而不發(fā)生畸變的最大頻率叫做Nyqui

8、st頻率，它是采樣頻率的一半信號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） 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，將信號中高于Nyquist頻率的信號成分濾去稱為抗混疊濾波器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 / T

9、rig（外部時(shí)鐘）三種方式的特點(diǎn)軟件觸發(fā)最為簡單、易用，但無法精確控制采樣時(shí)序，適用于對時(shí)序要求不甚嚴(yán)格的場合，如采集DC信號內(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TriggerA/D基本定義下列情況適用軟件觸發(fā)模式（Software Trigger，非Soft Polling）用戶需要對所有采集事件進(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

10、的采樣時(shí)間相同（信號同步）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A/D基本定義信號類型從信號端來講，信號分為接地信號浮空信號從信號輸入端來講，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，浮空信號和差分輸入方式比較好。但要看具體情況而定。接地信號浮空信號DI適合適合RSE不適合適合NRSE適合適合A/D基本定義接地信號的測量最好采用差分或NRSE方式若采用RSE方式，會(huì)引入較大誤差接地回路通

11、常會(huì)在測量數(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電壓很高并且信號源和數(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A/D基本定義浮空信號的測量可以用差分、RSE、NRSE方式測量浮空信號在差分輸入時(shí)，必須保證相對于測量地的信號共模電壓在允許范圍之內(nèi)需在測量端與測量地之間連接偏置電阻10K ohmR1=R21V連線比較短，一般5m環(huán)境干擾很小或信號屏蔽比較好所有輸入信號都與信號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A/D基本定義輸入范圍與增益輸入信號的幅度 / 輸入信號的放大倍數(shù)單極性與雙極性雙極性： e.x. -10V +10V (20V范圍)

12、單極性： e.x. 0V+5V (5V范圍)跳線設(shè)置或編程設(shè)置可編程增益對于大信號應(yīng)用： 普通增益（1,2,4,8）對于小信號應(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+5VA/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)心的最小可測電壓值舉例：假如10V的輸入信號用12位數(shù)據(jù)來表示，則最小可分辨的電壓為

13、10/212=0.224mV 振幅分辨率時(shí)間02010012014040608010.008.757.506.255.003.752.501.250111110100011010001000A/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)字信號隔離電壓隔離的作用保護(hù)計(jì)算機(jī)降低噪聲模擬信號數(shù)字信號A/D基本定義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)IF

14、O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AT Businterrupt linesExternal Interrupt EOC InterruptTimer InterruptFIFO Half-Full Int.DMA Terminal CountProgrammableMultiplexerDMA Enable SignalCPUJumperACL-8316/12的中斷系統(tǒng)Most of the ISA AD cards only use t

15、he EOC interrupt 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PCI BIOS自動(dòng)分配IRQ多塊PCI卡可共享同一中斷對于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)A/D基本定義數(shù)據(jù)傳輸Software PollingEOC INTFIFO Half Full INTDMABus Masterin

16、g 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 ConversionFIFO Half-FullScatter/Gather DMAPCI BusControllerCPUTimerLogicA/DD/AData FIFOFragm

17、ented Physical MemoryGatheringScatter memoryRetrieves DataA/D基本定義連續(xù)采樣的實(shí)現(xiàn)Double Buffer DMAA/D數(shù)據(jù)采集應(yīng)用對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10 ms的模擬信號數(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)志位來產(chǎn)生一個(gè)中斷， 然

18、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A/D數(shù)據(jù)采集應(yīng)用如何對數(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)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 12bit 14bit 16bit輸出范圍輸出信號類型電壓輸出電流輸出(Source、Sink)A/D與D/A測試能否用A/D卡采集脈沖信號？假如用100K的采集卡采集75K的信號，會(huì)得到什么樣的結(jié)果？簡要說明DI、RSE、NRSE的區(qū)別？凌華哪些板卡支持NRSE輸入？用PCI-9112的+/-10V進(jìn)行采樣，最小可分辨多少電壓？ 對于mV級信號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