数据采集系统基本组成解读课件.ppt

1、数据采集系统基本组成数据采集系统基本组成l 数据采集系统包括硬件和软件两大部分，硬件部分又可分为数据采集系统包括硬件和软件两大部分，硬件部分又可分为模拟部分和数字部分。模拟部分和数字部分。图图1.1 数据采集系统硬件基本组成数据采集系统硬件基本组成多通道数据采集系统的几种结构形式多通道数据采集系统的几种结构形式l 每个通道都有各自独自的采样保持器与每个通道都有各自独自的采样保持器与A/D转换器，转换器，这种结构形式可以对各通道输入信号这种结构形式可以对各通道输入信号进行同步、高速进行同步、高速数据采集。数据采集。多通道多通道A/D转换转换 l 各通道有各自独立的采样保持器，但公用一个各通道有各

2、自独立的采样保持器，但公用一个A/D转换器。通过多路开关分，对各路信号转换器。通过多路开关分，对各路信号分时进行分时进行A/D转换转换。能够实现。能够实现多路信号多路信号的的同步采集同步采集，但采集，但采集速度稍慢。速度稍慢。单通道共享单通道共享A/D转换器转换器 多通道数据采集系统的几种结构形式多通道数据采集系统的几种结构形式l 各通道公用一个采样保持器和各通道公用一个采样保持器和A/D转换器。工作时，转换器。工作时，通过多路开关将各路信号分时切换，输入到公用的通过多路开关将各路信号分时切换，输入到公用的采样保持器中，实现采样保持器中，实现多路信号的分时采集多路信号的分时采集，而，而非同非同

3、步采集步采集。并且。并且采集速度最慢采集速度最慢。优点是。优点是节省硬件成本节省硬件成本，适于对适于对采集速度要求不高采集速度要求不高的应用场合。的应用场合。多通道共享采样保持器与多通道共享采样保持器与A/D转换器转换器 数据采集系统的主要性能指标数据采集系统的主要性能指标1.系统分辨率：数据采集系统可以分辨的输入信号的系统分辨率：数据采集系统可以分辨的输入信号的最小变化量。通常用最低有效位值（最小变化量。通常用最低有效位值（LSB）占系统）占系统满刻度信号的百分比表示，或用系统可分辨的实际满刻度信号的百分比表示，或用系统可分辨的实际电压数值来表示。有时也用信号满刻度值可以划分电压数值来表示。

4、有时也用信号满刻度值可以划分的级数来表示。的级数来表示。位数位数级数级数1 LSB（满度值的百分数）（满度值的百分数）1 LSB（10V满度）满度）82560.391%39.1mV1240960.0244%2.44 mV16655360.0015%0.15 mV2010485760.000095%9.53 uV24167772160.0000060%0.60 uV表表1.1 系统的分辨率（满度值为系统的分辨率（满度值为10 V）数据采集系统的主要性能指标数据采集系统的主要性能指标2.系统精度：当系统工作在额定采集速率下，每个离散系统精度：当系统工作在额定采集速率下，每个离散子样的转换精度。子样

5、的转换精度。模数转换器的精度是系统精度的极限值。模数转换器的精度是系统精度的极限值。系统精度是系统的系统精度是系统的实际输出值实际输出值与与理论输出值理论输出值之差，它之差，它是系统各种误差的总和。通常表示为满度值的百分数。是系统各种误差的总和。通常表示为满度值的百分数。3.采集速率（系统通过速率、吞吐率）：在满足系统精采集速率（系统通过速率、吞吐率）：在满足系统精度指标的前提下，系统对输入模拟信号在单位时间内度指标的前提下，系统对输入模拟信号在单位时间内所完成的采样次数，或者说是系统每个通道、每秒钟所完成的采样次数，或者说是系统每个通道、每秒钟可采集的子样数目。可采集的子样数目。“采集采集”

6、包括对被测物理量进行采样、量化、编码、包括对被测物理量进行采样、量化、编码、传输、存储等过程。传输、存储等过程。采集速率的倒数是采样周期。采集速率的倒数是采样周期。数据采集系统的主要性能指标数据采集系统的主要性能指标4.动态范围：某个物理量的变化范围。信号的动态范围动态范围：某个物理量的变化范围。信号的动态范围是指信号的最大幅值和最小幅值之比的分贝数。采是指信号的最大幅值和最小幅值之比的分贝数。采集系统的动态范围通常定义为所允许输入的最大幅集系统的动态范围通常定义为所允许输入的最大幅值值Vimax与最小幅值与最小幅值Vimin之比的分贝数，动态范围：之比的分贝数，动态范围：瞬时动态范围：对大动

7、态范围信号的高精度采集时，瞬时动态范围：对大动态范围信号的高精度采集时，某一时刻系统所能采集到的信号的不同频率分量幅某一时刻系统所能采集到的信号的不同频率分量幅值之比的最大值，即幅值最大频率分量的幅值值之比的最大值，即幅值最大频率分量的幅值Afmax与幅度最小频率分量的幅值与幅度最小频率分量的幅值Afmin之比的分贝数。瞬之比的分贝数。瞬时动态范围：时动态范围：minmaxlg20iiiVVI minmaxlg20ffAAI 数据采集系统的主要性能指标数据采集系统的主要性能指标5.非线性失真（谐波失真）：给系统输入一个频率为非线性失真（谐波失真）：给系统输入一个频率为f的正弦波时，其输出中出现

8、很多频率为的正弦波时，其输出中出现很多频率为kf（k为正整为正整数）的新的频率分量的现象，称为非线性失真。谐数）的新的频率分量的现象，称为非线性失真。谐波失真系数用来衡量系统产生非线性失真的程度，波失真系数用来衡量系统产生非线性失真的程度，它通常用下式表示：它通常用下式表示：A1为基波振幅，为基波振幅，Ak为第为第k次谐波的振幅。次谐波的振幅。%100.2322212322AAAAAH微弱信号检测方法微弱信号检测方法l 提高信号检测灵敏度或降低可检测下限的基本方法：提高信号检测灵敏度或降低可检测下限的基本方法：从传感器及放大器入手：降低固有噪声水平、研制新的低噪从传感器及放大器入手：降低固有噪

9、声水平、研制新的低噪声传感器。声传感器。分析测量中的噪声规律和信号规律，通过各种手段从噪声中分析测量中的噪声规律和信号规律，通过各种手段从噪声中提取信号。提取信号。l 对传感器的基本要求是：测量范围宽，线性好，灵敏度高，对传感器的基本要求是：测量范围宽，线性好，灵敏度高，噪声低，谱段宽，响应快，寿命长，便于匹配，均衡稳定。噪声低，谱段宽，响应快，寿命长，便于匹配，均衡稳定。用于弱信号检测的传感器，首要要求是高灵敏度、低噪声。用于弱信号检测的传感器，首要要求是高灵敏度、低噪声。填空：填空：16*1=16 判断判断6*1=6 简答简答6*6=36 分析分析10+10+10+12=12分分放大器放大

10、器l 使用测量放大器的原因：弱信号、使用测量放大器的原因：弱信号、强干扰；动态范围宽，共强干扰；动态范围宽，共模干扰电压大。模干扰电压大。目的：检测叠加在高共模电压上的微弱信号。目的：检测叠加在高共模电压上的微弱信号。要求：高输入阻抗、共模抑制能力强、失调及漂移小、噪声要求：高输入阻抗、共模抑制能力强、失调及漂移小、噪声低、闭环增益稳定性高。低、闭环增益稳定性高。l 分类：分类：l 技术指标：技术指标：放大放大倍数：倍数：AU、AUS、Ai、Ais 输入阻抗：输入阻抗：Ri=U0/Ii 输出阻抗输出阻抗 通频带通频带混频偏差混频偏差l 采样率过低的结果是还原信号的频率看上去与原始信采样率过低的

11、结果是还原信号的频率看上去与原始信号不同。这种信号畸变叫做混叠（号不同。这种信号畸变叫做混叠（alias）。出现的混）。出现的混频偏差（频偏差（alias frequency）是输入信号的频率和最靠）是输入信号的频率和最靠近的采样率整数倍的差的绝对值。近的采样率整数倍的差的绝对值。采样频率采样频率fs是是100HZ信号信号调理调理l 信号调理能够在信号、传感器、信号调理能够在信号、传感器、DAQ板卡和板卡和PC机之间提供接机之间提供接口。通常的信号调理类型包括：放大、隔离、滤波、激励、口。通常的信号调理类型包括：放大、隔离、滤波、激励、线性化等。线性化等。I2R2R2RRRR2R2Rdn-1d

12、n-2ARUod2R2R2n-2I2I1S0S1n-1SSn-2R2n-1I22IVREFd0d12nI2nIS2Iout1Iout2RVIREF2R/2R=RR+R=2RAIA2I1n-1S21I2R2RVREF所以流入节点所以流入节点A的电流的电流所以流入相邻左侧节点的电流依次减半。所以流入相邻左侧节点的电流依次减半。倒倒T型电阻解码网络型电阻解码网络 D/A转换器转换器l 倒倒T型电阻网络是集成型电阻网络是集成DA转换器中采用最多的一种。从节点转换器中采用最多的一种。从节点A向左看，每个节点等效电阻均为向左看，每个节点等效电阻均为2R。I2R2R2RRRR2R2Rdn-1dn-2ARUo

13、d2R2R2n-2I2I1S0S1n-1SSn-2R2n-1I22IVREFd0d12nI2nIS2Iout1Iout2RVIREF2R/2R=RR+R=2R可写出可写出I的表达式的表达式 121012422nnnnIIIIIdddd输出模拟电压为输出模拟电压为O12101()2422nnnnIIIIUI RRdddd 于是输出电压于是输出电压10iREF02 2niindVU与权电阻解码网络相比，电阻阻值仅两种，便于集成。与权电阻解码网络相比，电阻阻值仅两种，便于集成。RVIREF而而O12101()2422nnnnIIIIUI RRdddd REFO2nVU)2222(00112211dd

14、ddnnnn多通道采样方式多通道采样方式1.循环采样：只采用一个循环采样：只采用一个A/D芯片，通过多路转换开关实现不同芯片，通过多路转换开关实现不同通道的切换；通道转换时间造成多通道不能同时采样；可以通道的切换；通道转换时间造成多通道不能同时采样；可以通过外加采样通过外加采样/保持电路保证采样的同步。保持电路保证采样的同步。2.同步采样：每个通道采用独立的放大器和采样保持器以及同步采样：每个通道采用独立的放大器和采样保持器以及A/D转换器，不同通道采用同一时钟；保证不同通道的采样时间转换器，不同通道采用同一时钟；保证不同通道的采样时间相同（信号同步）；相同（信号同步）；3.突发模式采样：采样

15、频率由扫描时钟控制，通道切换时间间突发模式采样：采样频率由扫描时钟控制，通道切换时间间隔由通道时钟控制。隔由通道时钟控制。数据采集设备的基本结构数据采集设备的基本结构多通道共享采样保持器和多通道共享采样保持器和A/D转换器转换器多通道同步型数据采集系通多通道同步型数据采集系通多通道并行数据采集系统多通道并行数据采集系统分布式数据采集系统分布式数据采集系统被测信号与数据采集设备之间的连接被测信号与数据采集设备之间的连接l 电压信号可以分为接地和浮动两种类型。电压信号可以分为接地和浮动两种类型。接地信号：将信号的一端与系统地连接起来，如大地或建筑物接地信号：将信号的一端与系统地连接起来，如大地或建

16、筑物的地。因为信号用的是系统地，所以与数据采集卡是共地的。的地。因为信号用的是系统地，所以与数据采集卡是共地的。浮动信号：一个不与任何地（如大地或建筑物的地）连接的电浮动信号：一个不与任何地（如大地或建筑物的地）连接的电压信号称为浮动信号，浮动信号的每个端口都与系统地独立。压信号称为浮动信号，浮动信号的每个端口都与系统地独立。常见的浮动信号有电池、热电偶、变压器和隔离放大器。常见的浮动信号有电池、热电偶、变压器和隔离放大器。测量系统可以分为差分（测量系统可以分为差分（Differential）、参考地单端（）、参考地单端（RSE）、）、无参考地单端（无参考地单端（NRSE）三种类型。）三种类型

17、。l 差分测量系统：信号输入端分别与一个模入通道相连接。具差分测量系统：信号输入端分别与一个模入通道相连接。具有放大器的数据采集卡可配置成差分测量系统。有放大器的数据采集卡可配置成差分测量系统。l 一个理想的差分测量系统仅能测出一个理想的差分测量系统仅能测出(+)和和(-)输入端口之间的输入端口之间的电位差，完全不会测量到共模电压；电位差，完全不会测量到共模电压；l 实际应用的数据采集卡的共模电压的范围限制了相对于测实际应用的数据采集卡的共模电压的范围限制了相对于测量系统地的输入电压的波动范围；量系统地的输入电压的波动范围；l 可以用不同的方式来消除共模电压的影响。如果系统共模可以用不同的方式

18、来消除共模电压的影响。如果系统共模电压超过允许范围，需要限制信号地与数据采集卡的地之电压超过允许范围，需要限制信号地与数据采集卡的地之间的浮地电压，以避免测量数据错误；间的浮地电压，以避免测量数据错误；l 参考地单端测量系统参考地单端测量系统(Referenced Single-End，RSE)：也：也叫做接地测量系统，被测信号一端接模拟输入通道，另一叫做接地测量系统，被测信号一端接模拟输入通道，另一端接系统地端接系统地AIGND。l 无参考地单端测量系统无参考地单端测量系统(NRSE)：信号的一端接模拟输入：信号的一端接模拟输入通道，另一端接一个公用参考端，但这个参考端电压相对通道，另一端接

19、一个公用参考端，但这个参考端电压相对于测量系统的地来说是不断变化的。于测量系统的地来说是不断变化的。l 几种信号输入方式的特点几种信号输入方式的特点 差分输入差分输入 可避免接地回路干扰可避免接地回路干扰 可避免因环境引起的共模干扰可避免因环境引起的共模干扰 NRSE 可避免接地回路干扰可避免接地回路干扰 RSE 最简单，若信号满足下列条件，可选择最简单，若信号满足下列条件，可选择RSE输入输入l 若信号满足下列条件，可选择若信号满足下列条件，可选择RSE测量方式：测量方式：输入信号幅值较大，一般需输入信号幅值较大，一般需1V；连线比较短，一般连线比较短，一般5m；环境干扰很小或信号屏蔽比较好

20、；环境干扰很小或信号屏蔽比较好；所有输入信号都与信号源共地。所有输入信号都与信号源共地。l 否则建议选用差分输入方式，总体而言，差分输入方式是比较否则建议选用差分输入方式，总体而言，差分输入方式是比较好的选择好的选择l 输入信号源的阻抗与插入式数据采集卡的阻抗相匹配：输入信号源的阻抗与插入式数据采集卡的阻抗相匹配：对于电池、对于电池、RTD、应变片、热电偶等信号源，由于阻抗很小，、应变片、热电偶等信号源，由于阻抗很小，可以将这些信号源直接连接到数据采集卡上或信号调理硬件上。可以将这些信号源直接连接到数据采集卡上或信号调理硬件上。直接将高阻抗的信号源接到插入式板卡上会导致出错。直接将高阻抗的信号

21、源接到插入式板卡上会导致出错。测量放大器电路原理测量放大器电路原理 三运放测量放大器原理图三运放测量放大器原理图b.电阻电阻R3、R4、R5、R6要精密配合（要精密配合（R3=R5、R4=R6）。）。a.运放运放A1、A2的特性的特性一致性。一致性。对电路要求对电路要求A1A2A3+_b1b2+_i+IcuIdu2Ou5 5R2 2RG GR1 1R4 4R3 3RO1O1uS SRO Ou6 6R由图可知由图可知G Gb2b2b1b1IcIcb2b2IcIcIdIdb b Ruuiuuuuu1134265634)1(O OO OO OuRRuRRRRRuIdIdG GG GG GO2O2O1

22、O1)(uRRRRRRRiuu2121A1A2A3+_b1b2+_i+IcuIdu2Ou5 5R2 2RG GR1 1R4 4R3 3RO1O1uS SRO Ou6 6R放大器具有很高的抑制放大器具有很高的抑制共模信号的能力共模信号的能力 令输出输出uO与共模信号与共模信号uIc无关无关 RRRRR6543IdIdG GO OO OO OO OO1O1 uRRRuuuRRuRRRRRu)1()()1(211342656342A1A2A3+_b1b2+_i+IcuIdu2Ou5 5R2 2RG GR1 1R4 4R3 3RO O1 1uS SRO Ou6 6R2.5 测量放大电路测量放大电路 抑

23、制共模信号能力抑制共模信号能力总线性能参数总线性能参数 总线宽度：指数据总线的位数，用位总线宽度：指数据总线的位数，用位(bit)来表示。如来表示。如8位、位、16位、位、32位、位、64位总线宽度。位总线宽度。寻址能力：地址总线的位数及能直接寻址的存储器空间的大小。寻址能力：地址总线的位数及能直接寻址的存储器空间的大小。总线频率：总线的工作频率，以总线频率：总线的工作频率，以MHz表示，是总线工作速率的表示，是总线工作速率的一个重要参数。一个重要参数。数据传输率：在一定的时间内总线上可传送的数据总量，用每数据传输率：在一定的时间内总线上可传送的数据总量，用每秒最大传输数据量来表示。计算公式：

24、秒最大传输数据量来表示。计算公式：总线数据传输率总线数据传输率=(总线宽度总线宽度8位位)*总线频率总线频率 总线定时协议：总线上进行信息传送必须遵守定时规则，以使总线定时协议：总线上进行信息传送必须遵守定时规则，以使源与目的同步。源与目的同步。热拔插：允许带电插拔工作中的板卡。热拔插：允许带电插拔工作中的板卡。即插即用：自动配置扩展板卡及其他设备的能力。即插即用：自动配置扩展板卡及其他设备的能力。负载能力：总线上所有能挂接的器件个数。负载能力：总线上所有能挂接的器件个数。2023-2-14西北农林科技大学电子系31LabVIEW程序的基本构成程序的基本构成 l 前面板（前面板（front p

25、anel）；）；l 流程框图（流程框图（block diagram）；）；l 图标图标/连结器连结器(icon/connector)。l 简单的简单的LabVIEW问题问题IEEE-488总线定义总线定义l IEEE-488总线由总线由8条双向数据线、条双向数据线、3条信号交换线、条信号交换线、5条通用条通用控制线和控制线和8根地线组成。根地线组成。GPIB总线构成总线构成管理总线管理总线（5根）根）挂钩总线挂钩总线（3根）根）数据总线数据总线（8根）根）仪器仪器A(计算机计算机)控者、讲者控者、讲者和听者和听者功能功能IECIEC接口接口仪器仪器B(激励源激励源)听者听者功能功能IECIEC

26、接口接口仪器仪器C(数字万用数字万用表表)讲者、听者讲者、听者功能功能IECIEC接口接口仪器仪器D(打印机打印机)听者听者职能职能IECIEC接口接口DUT被被测测设设备备EOIRENSROIFCATNNDAVNRFDDAVDIO1 DIO8传递仪器消息和大部分接口传递仪器消息和大部分接口消息，包括数据、命令和地消息，包括数据、命令和地址：传送设备命令址：传送设备命令(7位位)，传送地址和数据传送地址和数据(8位位)。控制数据总线的时序，以控制数据总线的时序，以保证数据总线能正确、有保证数据总线能正确、有节奏地传输信息。节奏地传输信息。控制控制GPIB总线总线接口状态。接口状态。总线上的读操

27、作总线上的读操作l FRAME#信号有效，地址期开始，并在时钟信号有效，地址期开始，并在时钟2的上升沿处稳定有的上升沿处稳定有效。地址期内，效。地址期内，AD3l:00线传输一个有效地址，线传输一个有效地址，C/BE3:0#线线传输一个总线命令。数据期从时钟传输一个总线命令。数据期从时钟3的上升沿处开始，在此期间，的上升沿处开始，在此期间，AD31:00线传送数据，而线传送数据，而C/BE#作为字节使能线指明数据线上作为字节使能线指明数据线上当前传输哪几个字节，从数据期开始到传输完成，当前传输哪几个字节，从数据期开始到传输完成，C/B#始终保始终保持有效。持有效。总线上的读操作总线上的读操作l

28、 从设备被地址期内发送的地址选中，提供从设备被地址期内发送的地址选中，提供DEVSEL信号和信号和TRDY#信号，信号，TRDY#在在DEVSEL#之后出现。之后出现。IRDY#号由主设备发出。在号由主设备发出。在IRDY#和和TRDY#同时有效的时钟上升沿，数据传输开始，两信号中的一个无效同时有效的时钟上升沿，数据传输开始，两信号中的一个无效时，进入等待周期，不传输数据。读操作的地址期和数据期之间，时，进入等待周期，不传输数据。读操作的地址期和数据期之间，AD线上要有交换期，要求线上要有交换期，要求TRDY#有效必须比地址的稳定有效晚一拍，有效必须比地址的稳定有效晚一拍，交换期过后，有交换期

29、过后，有DEVSEL#信号时，从设备必须驱动信号时，从设备必须驱动AD线。线。l 时钟时钟7处是最后一个数据期，由于主设备因某种原因不能完成最后一处是最后一个数据期，由于主设备因某种原因不能完成最后一次传输次传输(IRDY#有效有效)，故，故FRAME#不能撤销，只有在时钟不能撤销，只有在时钟8处，处，IRDY#为有效后，为有效后，FRAME#信号才能撤销。信号才能撤销。总线上的写操作总线上的写操作l 写操作与读操作相类似，也是写操作与读操作相类似，也是FRAME#信号有效，地址周期开信号有效，地址周期开始，在时钟始，在时钟2的上升沿处达到稳定有效。整个数据期也与读操作的上升沿处达到稳定有效。

30、整个数据期也与读操作基本相同。在第三个数据期中，从设备连续插入了基本相同。在第三个数据期中，从设备连续插入了3个等待周期个等待周期(TRDY#无效无效)。时钟。时钟5处，传输双方均插入了等待周期。处，传输双方均插入了等待周期。l FRAME#撤销，以撤销，以IRDY#无效为前提，以表明最后一个数据期。无效为前提，以表明最后一个数据期。时钟时钟5处，主设备撤销处，主设备撤销IRDY#，插入等待周期，要写的数据延迟，插入等待周期，要写的数据延迟发送，字节使能信号不受等待周期的影响，不延迟。发送，字节使能信号不受等待周期的影响，不延迟。总线上的写操作总线上的写操作l 写操作与读操作的不同：写操作中，

31、数据和地址是由同一个写操作与读操作的不同：写操作中，数据和地址是由同一个设备设备(主设备主设备)发出，址期与数据期之间没有交换周期。发出，址期与数据期之间没有交换周期。l 只有一个数据期，只有一个数据期，FRAME#信号在没有等待周期的情况下，信号在没有等待周期的情况下，在地址期在地址期(读操作应在交换周期读操作应在交换周期)过后即撤销。过后即撤销。PCI总线传输的终止过程总线传输的终止过程l 主、从设备都可提出终止主、从设备都可提出终止PCI总线传输要求，但无权单方面实总线传输要求，但无权单方面实施传输停止，停止控制由主设备完成。结束标志是施传输停止，停止控制由主设备完成。结束标志是FRAM

32、E#信信号和号和IRDY#信号均已撤销，而后进入总线空闲状态。信号均已撤销，而后进入总线空闲状态。1.由主设备提出的终止：主设备通过撤销由主设备提出的终止：主设备通过撤销FRAME#信号并建立信号并建立IRDY#，提出终止请求，告诉从设备，现在进入最后数据期，提出终止请求，告诉从设备，现在进入最后数据期，此后此后IRDY#一直有效，直到出现一直有效，直到出现TRDY#信号，完成数据最后信号，完成数据最后传输。接着传输。接着IRDW便撤销，达到完全终止的条件便撤销，达到完全终止的条件(FRAME#和和IRDY#同时无效同时无效)，结束传输，进入总线空闲状态。，结束传输，进入总线空闲状态。VXI器

33、件、模块与主机箱器件、模块与主机箱1.VXI器件器件l 器件是组成器件是组成VXI总线系统最基本的逻辑单元；通常，一个器件总线系统最基本的逻辑单元；通常，一个器件占据一块占据一块VXI模块，但也允许在一个模块上实现多个器件和一模块，但也允许在一个模块上实现多个器件和一个器件占据多个模块；个器件占据多个模块；l VXIVXI系统中，最多可有系统中，最多可有256256个器件，每个器件都有一个唯一的逻个器件，每个器件都有一个唯一的逻辑地址，逻辑地址的编号为辑地址，逻辑地址的编号为0 0255255。l 器件之间的基本操作是信息传输。根据其性质、特点和它所支器件之间的基本操作是信息传输。根据其性质、

34、特点和它所支持的通信规程，持的通信规程，VXIVXI总线器件分为总线器件分为:寄存器基器件寄存器基器件消息基器件消息基器件存储器器件存储器器件扩展器件扩展器件字节字节传送协议传送协议l 字节传送协议是命令者和从者之间进行字节传送协议是命令者和从者之间进行8位数据传输的协议，位数据传输的协议，借助借助“字节有效字节有效”和和“字节请求字节请求”两个字串行命令完成。两个字串行命令完成。1）字节有效命令）字节有效命令-命令者利用命令者利用“字节有效字节有效”命令向从者发送一个命令向从者发送一个字节的数据字节的数据 D15D9为命令标识，内容固定，为命令标识，内容固定，D7D0是命令者向从者发送的是命

35、令者向从者发送的数据字节，数据字节，D8用来传送用来传送END消息，为消息，为1时表示这次发送的字节时表示这次发送的字节是字节串的最后一个字节，为是字节串的最后一个字节，为0说明还有字节要发送。说明还有字节要发送。2）字节请求命令）字节请求命令-命令者可用命令者可用“字节请求字节请求”命令从从者处取回一个命令从从者处取回一个字节数据字节数据，“字节请求字节请求”命令是一个固定的命令是一个固定的16位命令，其编码为位命令，其编码为DEEFH。从者在其数据低寄存器返回一个数据字节：。从者在其数据低寄存器返回一个数据字节：高高、低、低速速USB设备在集线器的终端位置及其所连的功设备在集线器的终端位置

36、及其所连的功能设备能设备高、低速高、低速USB设备在集线器的终端位置及其所设备在集线器的终端位置及其所连的功能设备连的功能设备由于由于USB设备上的输入保护设设备上的输入保护设备可能互相排斥，因此当观察备可能互相排斥，因此当观察数据的输入端口时，可能发现数据的输入端口时，可能发现由电压生成器产生的信号波形由电压生成器产生的信号波形可能会变形。可能会变形。靠近设备的靠近设备的USBUSB连接器连接器上的上的D+D+或或D-D-插口插口信号发送信号发送l 任何驱动状态下，任何驱动状态下，USB设备必须能接收上图所示波形。波形设备必须能接收上图所示波形。波形从一个输出阻抗为从一个输出阻抗为39的电压

37、源直接进入每个的电压源直接进入每个USB数据口。数据口。l 高速高速USB设备的连接是通过阻抗为设备的连接是通过阻抗为9015%，最大单路时延，最大单路时延为为26ns的屏蔽双绞线电缆进行，其最大速率为的屏蔽双绞线电缆进行，其最大速率为12Mb/s，并且，并且每个驱动器的阻抗必须在每个驱动器的阻抗必须在2844之间。之间。l 低速低速USB设备在插口端必须要有一个带有串行设备在插口端必须要有一个带有串行A口连接器的可口连接器的可控制电缆，速率为控制电缆，速率为1.5Mb/s。当电缆与设备相连时，在。当电缆与设备相连时，在D+/D-线上必须要有一个线上必须要有一个200450PF的单终端电容器。

38、低速电缆的的单终端电容器。低速电缆的传播时延必须小于传播时延必须小于18ns，从而保证信号响在其上升沿或下降，从而保证信号响在其上升沿或下降沿的第一个中点处产生，以允许电缆与一块电容器相连。沿的第一个中点处产生，以允许电缆与一块电容器相连。低速低速USB设备时序设备时序低速低速USB设备时序设备时序低速驱动器信号波形低速驱动器信号波形 驱动器信驱动器信号端口号端口经过信号端的经过信号端的标准输出电平，标准输出电平，并有最小映象并有最小映象和阻尼和阻尼高速高速USB设备的连接时序设备的连接时序USB信号传送信号传送l USB数据收发器包含发送数据所需的差模输出驱动器和接收数据用的差数据收发器包含

39、发送数据所需的差模输出驱动器和接收数据用的差模输入接收器。输出信号时，差模输出驱动器向模输入接收器。输出信号时，差模输出驱动器向USB电缆传送信号。电缆传送信号。l 信号的信号的低输出低输出状态，驱动器稳态输出值必须小于状态，驱动器稳态输出值必须小于0.3V，且要承担，且要承担1.5K的负载加到的负载加到3.6V电源的灌电流。电源的灌电流。l 信号的信号的高输出高输出状态，驱动器稳态输出值必须大于状态，驱动器稳态输出值必须大于2.8V，且要承担，且要承担15K的的负载到地的拉电流。负载到地的拉电流。l 传输数据时，驱动器输出是两个相差传输数据时，驱动器输出是两个相差180度的信号。即一个输出高

40、电平，度的信号。即一个输出高电平，另一个为低电平。接收器检测到两条线之间的电压差，当另一个为低电平。接收器检测到两条线之间的电压差，当D+比比D-高时，高时，信号被定义为差模信号被定义为差模“1”；当；当D-比比D+高时，信号被定义为差模高时，信号被定义为差模“0”。l 驱动器输出还支持三态输出，以保证可以进行双向半双工通信。同时还驱动器输出还支持三态输出，以保证可以进行双向半双工通信。同时还需高阻抗来将那些正在进行热插入操作，或已经连接了但电源却没有接需高阻抗来将那些正在进行热插入操作，或已经连接了但电源却没有接通的下游设备同端口隔离开来。通的下游设备同端口隔离开来。l 当两个差模数据输入，

41、以地电位为参考，当两个差模数据输入，以地电位为参考，D+和和D-至少在至少在0.8V到到2.5V（此（此为允许的共模电压范围）之间时，接收器具有的灵敏度大于为允许的共模电压范围）之间时，接收器具有的灵敏度大于200mV。在。在没有损坏，并以本地地电位为参考的条件下，接收器所能承受的稳态输没有损坏，并以本地地电位为参考的条件下，接收器所能承受的稳态输入电压是入电压是-0.5V到到3.8V之间。每一条信号线都必须有一个单端接收器，这之间。每一条信号线都必须有一个单端接收器，这些接收器必须有一个位于些接收器必须有一个位于0.8V到到2.0V之间（之间（TTL电平）的开关阀值电压电平）的开关阀值电压(

42、称为接收器阀值电压称为接收器阀值电压VSE)。USB信号传送信号传送l 数据传输是由差模信号来实现的。在接收器看来，如果数据线数据传输是由差模信号来实现的。在接收器看来，如果数据线的的D+至少比至少比D-高高200mV就代表一个差模就代表一个差模“1”，而一个差模，而一个差模“0”则由则由D-至少比至少比D+高高200mV来表示。信号的交叉点必须位于来表示。信号的交叉点必须位于1.3V和和2.0V之间。之间。l 数据的数据的J和和K状态是系统中用于差模数据通信的两个逻辑电平。状态是系统中用于差模数据通信的两个逻辑电平。差模信号是在数据线的信号交叉点处进行测量的。只要信号的差模信号是在数据线的信

43、号交叉点处进行测量的。只要信号的交叉电平位于共模范围之内，差模数据信号就与信号的交叉电交叉电平位于共模范围之内，差模数据信号就与信号的交叉电平无关。平无关。l 当总线不处在差模信号方式时，数据线必须处在单端接收器开当总线不处在差模信号方式时，数据线必须处在单端接收器开关阀值（关阀值（VSE）范围（）范围（0.8V到到2.0V之间）之外才有效，如之间）之外才有效，如“空闲空闲”和和“重新开始重新开始”状态。注意，空闲和重新开始状态在逻辑上分状态。注意，空闲和重新开始状态在逻辑上分别等同于别等同于J和和K状态。而全速率的状态。而全速率的J和和K状态正好与低速率的状态状态正好与低速率的状态相反。相反

44、。数据的编码与解码数据的编码与解码l 在包传送时，在包传送时，USB数据编码格式称为数据编码格式称为Non-Return to Zero Inverted whit bit stuffing（ZRZI 无回零反向码）。它可以确无回零反向码）。它可以确保收发数据不需要每个字节发送一个独立的时钟信号，或以保收发数据不需要每个字节发送一个独立的时钟信号，或以Start and Stop位来保持与发送器的同步通信。位来保持与发送器的同步通信。l 遇到遇到“0”转换，遇到转换，遇到“1”保持。保持。l 在在NRZI编码的数据格式中，编码的数据格式中，USB定义逻辑定义逻辑0为电压改变，逻辑为电压改变，逻

45、辑1为电压保持不变，传送的数据低位先送出。为电压保持不变，传送的数据低位先送出。NRZI数据编码数据编码SCPI仪器模型仪器模型l 每个方框对应一个每个方框对应一个SCPI子系统，各个子系统又有更详细的子系统，各个子系统又有更详细的模型描述。根据需要，找到仪器特定的功能块，沿着树状模型描述。根据需要，找到仪器特定的功能块，沿着树状网络从顶向下寻找各分支，找到完成功能的命令。网络从顶向下寻找各分支，找到完成功能的命令。l 格式化：用来转换数据的表达式，当数据需要向外部接口格式化：用来转换数据的表达式，当数据需要向外部接口传送时，必须格式化。传送时，必须格式化。信号路由选择 信号路由选择 测量功能

46、 格式化 数据总线 触发 存储器 信号产生 格式化 数据总线 SCPI仪器模型仪器模型 电压表可能只需要用到测量功能、触发功能和格式化功能电压表可能只需要用到测量功能、触发功能和格式化功能 单输出的源仪器可能只用到信号产生和格式化块单输出的源仪器可能只用到信号产生和格式化块格式化格式化测量功能测量功能触发触发数据总线数据总线简化的检测仪器模型简化的检测仪器模型信号发生信号发生格式化格式化数据总线数据总线简化的源仪器模型简化的源仪器模型SCPI命令句法命令句法1.语法和式样：描述语法和式样：描述SCPI命令的产生规则以及基本的命令结构；命令的产生规则以及基本的命令结构；2.命令标记：提供命令标记

47、：提供SCPI要求和可供选择的命令；要求和可供选择的命令；3.数据交换格式：描述仪器与应用程序之间、应用程序与应用数据交换格式：描述仪器与应用程序之间、应用程序与应用程序之间或者仪器与仪器之间可使用的数据集标准表示方法。程序之间或者仪器与仪器之间可使用的数据集标准表示方法。VISA的编程的编程打开仪器打开仪器资源资源 写命令写命令 从从仪器缓存仪器缓存中读取中读取数据数据 关闭关闭仪器仪器资源资源2.IVI规范及体系结构规范及体系结构 IVI 类驱动类驱动 用户测试程序用户测试程序 IVI 特定驱动特定驱动 VISA HP 34401DMM Fluke DMM45 IVI 配置管理配置管理 IVI 引擎引擎 IVI 配置文件配置文件 l IVI驱动程序比驱动程序比VPP联盟制订的联盟制订的VISA规范更高一层。它扩展了规范更高一层。它扩展了VPP仪器驱动程序的标准，并加上了仪器的可互换性、仿真和状态缓存仪器驱动程序的标准，并加上了仪器的可互换性、仿真和状态缓存等特点，使得仪器厂商可以继续使用它们的仪器特征和新增功能。等特点，使得仪器厂商可以继续使用它们的仪器特征和新增功能。因此因此IVI基金会是对基金会是对VPP系统联盟的一个很好的补充。系统联盟的一个很好的补充。