1、Advance technologies; Automate the world.数据采集基础知识数据采集基础知识张斌张斌北京凌华技术支持部北京凌华技术支持部http:/http:/Advance technologies; Automate the world.内容大纲内容大纲 信号与系统初步信号与系统初步 基本定义基本定义 A/D D/A DIO Timer/CounterAdvance technologies; Automate the world.信号与系统初步信号与系统初步 一个典型的系统：一个典型的系统：模拟输入模拟输入采样采样/量化量化1101数字输入数字输入数字信号数字信号处
2、理处理1101数字输出数字输出模拟重建模拟重建模拟输出模拟输出Advance technologies; Automate the world.信号与系统初步信号与系统初步 ( (续续) ) 信号的分类：信号的分类：信息信息状态状态速率速率幅值幅值形状形状频率频率onofft1-0-t0.985ttf信号信号模拟量模拟量数字量数字量开开/关信号关信号脉冲队列脉冲队列直流信号直流信号时域信号时域信号频域信号频域信号Advance technologies; Automate the world.信号与系统初步信号与系统初步 ( (续续) ) 数数字字信信号号onofft1-0-t开关信号开关信号
3、输入：输入：检测一个开关的打开检测一个开关的打开/闭合闭合输出：输出：打开打开/关闭一个阀门关闭一个阀门驱动能力驱动能力通道数通道数脉冲队列脉冲队列输入：输入：读光编码器的输出信号读光编码器的输出信号输出：输出：产生一个方波产生一个方波时钟频率时钟频率对采集卡的要求对采集卡的要求Advance technologies; Automate the world.信号与系统初步信号与系统初步 ( (续续) ) 模模拟拟信信号号电压信号电压信号温度温度压力压力流量流量应力应力DC精度精度频域信号频域信号振动振动语音语音声呐声呐分辨率分辨率采样频率采样频率精度精度触发触发对采集卡的要求对采集卡的要求时
4、域信号时域信号雷达回波雷达回波血压变化血压变化汽车点火波形汽车点火波形分辨率分辨率采样频率采样频率精度精度触发触发0.985ttfAdvance technologies; Automate the world.信号采集信号采集 传感器传感器 信号调理信号调理 放大放大 滤波滤波 信号转换信号转换 将外部信号采入计算机，并加以处理，最后输出将外部信号采入计算机，并加以处理，最后输出Advance technologies; Automate the world.PC BasedPC Based信号采集系统信号采集系统Advance technologies; Automate the worl
5、d.PC BasePC Base数据采集系统功能数据采集系统功能 A/D转换（模拟量转换（模拟量/数字量转换）数字量转换） D/A转换（数字量转换（数字量/模拟量转换）模拟量转换） DIO（数字量输入（数字量输入/输出）输出） Timer/Counter（定时器（定时器/计数器）计数器）Advance technologies; Automate the world.基本定义基本定义 A/D：模拟量模拟量-数字量转换数字量转换 把外部电压信号转成计算机能够识别的数字信号把外部电压信号转成计算机能够识别的数字信号 采样频率采样频率 Max Sampling Rate (S/s), Samplin
6、g Frequency (Hz) 精度精度(Resolution)：8bit 12bit 14bit 16bit 输入范围输入范围(Input Range)(增益增益)： 同步采样同步采样(Simultaneous analog input) 轮询采样轮询采样(Multiplex analog input) 突发模式采样突发模式采样(Burst mode) 触发模式触发模式(Trigger mode) 隔离隔离(Isolation) FIFO Advance technologies; Automate the world.A/DA/D转换过程转换过程A/D转换器转换器模拟量输入模拟量输入A/
7、D转换时钟转换时钟数字量输出数字量输出Advance technologies; Automate the world.A/DA/D转换过程转换过程- -多路切换卡多路切换卡多多路路选选择择+_A/D转换器转换器模拟模拟信号信号A/D 触发信号触发信号数据数据缓冲区缓冲区n1. 信号源控制信号源控制 通道数通道数 信号类型信号类型 (SE/DI) 信号范围信号范围 自动通道扫描自动通道扫描2. 触发源控制触发源控制 触发信号源触发信号源 采样频率采样频率3. A/D 数据缓冲区数据缓冲区 数据寄存器数据寄存器 FIFO 缓冲区缓冲区AT 总线或总线或 PCI 总线总线内存内存(Buffer)4
8、. 数据传输数据传输 I/O 指令指令 DMA 总线主控总线主控中断信号中断信号CPU5. 中断信号控制中断信号控制6. A/D 分辨率与数据格式分辨率与数据格式 数据位数数据位数 二进制代码或补码二进制代码或补码 单极性或双极性单极性或双极性7. 隔离与隔离与非隔离非隔离Advance technologies; Automate the world.A/D转换的过程-同步板卡模拟模拟信号信号 A/D触发信号触发信号数据数据缓冲区缓冲区+_A/D转换器转换器nPCI总线总线内存内存(Buffer)CPU+_A/D转换器转换器n+_A/D转换器转换器n模拟模拟信号信号模拟模拟信号信号Advan
9、ce technologies; Automate the world.A/DA/D基本定义基本定义 信号的频率信号的频率 代表信号变化快慢的物理量代表信号变化快慢的物理量 任何一种信号都可以转换成一组正弦波的迭加任何一种信号都可以转换成一组正弦波的迭加 不同的信号频率不同：不同的信号频率不同： 语音：语音：4kHz 音乐：音乐：=2*fmax fs ：采样频率采样频率 fmax ：信号最高频率信号最高频率 一般最小为一般最小为fs=2.5*fmax 工程上一般取为工程上一般取为fs=68*fmax 采样定律的特例采样定律的特例 等效时间采样等效时间采样Advance technologies
10、; Automate the world.A/DA/D基本定义基本定义足够的采样率下的采样结果足够的采样率下的采样结果 过低采样率下的采样结果过低采样率下的采样结果 Advance technologies; Automate the world.A/DA/D基本定义基本定义 能够正确显示信号而不发生畸变的最大频率叫做能够正确显示信号而不发生畸变的最大频率叫做Nyquist频率，它是采样频率的一半频率，它是采样频率的一半 信号中所包含的频率高于信号中所包含的频率高于Nyquist频率的成分，将在直频率的成分，将在直流和流和Nyquist频率之间发生畸变，称为混叠（频率之间发生畸变，称为混叠（a
11、lias） 混频偏差（混频偏差（alias frequency） ABS（采样频率的最（采样频率的最近整数倍输入频率）近整数倍输入频率） 解决方案解决方案 在在A/D前加入低通滤波器，将信号中高于前加入低通滤波器，将信号中高于Nyquist频率的信号成分滤去频率的信号成分滤去 称为称为抗混叠滤波器抗混叠滤波器Advance technologies; Automate the world.A/DA/D基本定义基本定义 采样频率的控制采样频率的控制 Soft Polling（内部软件触发，通过（内部软件触发，通过I/O指令实现）指令实现） Timer Pacer（由（由8254定时器芯片分频产生
12、的内部定速时钟）定时器芯片分频产生的内部定速时钟） 例如：频率例如：频率 = 2MHz 时钟时钟 /（C1*C2）（）（这里的这里的C1与与C2是是16位定时器的分位定时器的分频系数）频系数） External CLK / Trig（外部时钟）（外部时钟） 三种方式的特点三种方式的特点 软件触发最为简单、易用，但无法精确控制采样时序，适用于对时序软件触发最为简单、易用，但无法精确控制采样时序，适用于对时序要求不甚严格的场合，如采集要求不甚严格的场合，如采集DC信号信号 内部时钟能够精确控制采样时序，但无法保证与外部信号严格同步，内部时钟能够精确控制采样时序，但无法保证与外部信号严格同步，但一般
13、应用（无论时域还是频域）均能够满足要求但一般应用（无论时域还是频域）均能够满足要求 外部时钟最为灵活，能够满足特殊应用的需求外部时钟最为灵活，能够满足特殊应用的需求 CLK与与TriggerAdvance technologies; Automate the world.A/DA/D基本定义基本定义 Trigger（触发）：启动、停止或同步采集事件的方法（触发）：启动、停止或同步采集事件的方法MNN延时触发延时触发预触发预触发中触发中触发后触发后触发模拟触发模拟触发数字触发数字触发上升沿触发上升沿触发MNN下降沿触发下降沿触发正沿触发正沿触发负沿触发负沿触发触发触发事件事件Advance te
14、chnologies; Automate the world.A/DA/D基本定义基本定义 下列情况适用软件触发模式（下列情况适用软件触发模式（Software Trigger，非，非Soft Polling） 用户需要对所有采集事件进行明确控制用户需要对所有采集事件进行明确控制 时间要求不甚严格时间要求不甚严格 下列情况适用硬件触发模式下列情况适用硬件触发模式 采集事件需要与外部装置严格同步采集事件需要与外部装置严格同步 高速、瞬态采集事件高速、瞬态采集事件Advance technologies; Automate the world.A/DA/D基本定义基本定义 多通道采样多通道采样 同
15、步采样同步采样 采用多个采用多个A/D芯片，不同通道采用同一时钟芯片，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）保证不同通道的采样时间相同（信号同步） 轮询采样轮询采样 只采用一个只采用一个A/D芯片，通过多路转换开关实现不同通道的切芯片，通过多路转换开关实现不同通道的切换换 通道转换时间通道转换时间 可以通过外加采样可以通过外加采样/保持电路保证采样的同步保持电路保证采样的同步 突发模式采样突发模式采样 用通道时钟控制通道间的时间间隔用通道时钟控制通道间的时间间隔 用另一个扫描时钟控制两次扫描过程之间的间隔用另一个扫描时钟控制两次扫描过程之间的间隔Advance techn
16、ologies; Automate the world.A/DA/D基本定义基本定义 信号类型信号类型 从信号端来讲，信号分为从信号端来讲，信号分为 接地信号接地信号 浮空信号浮空信号 从信号输入端来讲，输入方式分为从信号输入端来讲，输入方式分为 差分输入（差分输入（DI） 参考地单端输入（参考地单端输入（RSE） 无参考地单端输入（无参考地单端输入（NRSE） 一般来讲，浮空信号和差分输入方式比较好。但要看具体情况而定。一般来讲，浮空信号和差分输入方式比较好。但要看具体情况而定。接地信号接地信号浮空信号浮空信号DI适合适合适合适合RSE不适合不适合适合适合NRSE适合适合适合适合Advanc
17、e technologies; Automate the world.A/DA/D基本定义基本定义 接地信号的测量接地信号的测量 最好采用差分或最好采用差分或NRSE方式方式 若采用若采用RSE方式，会引入较大误差方式，会引入较大误差 接地回路通常会在测量数据中引入频率为电源频率的交流和偏置接地回路通常会在测量数据中引入频率为电源频率的交流和偏置直流干扰直流干扰 如果信号电压很高并且信号源和数据采集卡之间的连接阻抗很小，如果信号电压很高并且信号源和数据采集卡之间的连接阻抗很小，也可以采用也可以采用RSE输入方式输入方式Advance technologies; Automate the wor
18、ld.A/DA/D基本定义基本定义 浮空信号的测量浮空信号的测量 可以用差分、可以用差分、RSE、NRSE方式测量浮空信号方式测量浮空信号 在差分输入时，必须保证相对于测量地的信号共模电压在允许范围在差分输入时，必须保证相对于测量地的信号共模电压在允许范围之内之内 需在测量端与测量地之间连接偏置电阻需在测量端与测量地之间连接偏置电阻 10K ohmR1=R21V 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 否则建议选用差分输入方式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
19、择总体而言，差分输入方式是比较好的选择Advance technologies; Automate the world.A/DA/D基本定义基本定义 输入范围与增益输入范围与增益 输入信号的幅度输入信号的幅度 / 输入信号的放大倍数输入信号的放大倍数 单极性与双极性单极性与双极性 双极性：双极性： e.x. -10V +10V (20V范围范围) 单极性：单极性： e.x. 0V+5V (5V范围范围) 跳线设置或编程设置跳线设置或编程设置 可编程增益可编程增益 对于大信号应用：对于大信号应用： 普通增益（普通增益（1,2,4,8） 对于小信号应用：对于小信号应用： 高增益（高增益（1,10,
20、100,1000） 例如：输入电压范围：例如：输入电压范围： +/-10V, 普通增益普通增益 可选择的输入电压范围：可选择的输入电压范围：+/-10V, +/-5V, +/-2.5V, +/-1.25V0V-10V+10V+5VAdvance technologies; Automate the world.A/DA/D基本定义基本定义 采样精度采样精度/分辨率：分辨率：Accuracy / Resolution 采样数据最低位所代表的模拟量的值采样数据最低位所代表的模拟量的值 Nbit: 8bit / 12bit / 16bit 电压表示：输入范围电压表示：输入范围/2n 用户关心的最小可
21、测电压值用户关心的最小可测电压值 举例：假如举例：假如10V的输入信号用的输入信号用12位数据来表示，则最小可分辨的电压位数据来表示，则最小可分辨的电压为为10/212=0.224mV 振幅振幅分辨率分辨率时间时间02010012014040608010.008.757.506.255.003.752.501.250111110100011010001000Advance technologies; Automate the world.A/DA/D基本定义基本定义 A/D数据格式数据格式 二进制原码二进制原码 二进制循环码二进制循环码A/D Data (Hex)Decimal ValueVo
22、ltage (Volts)7FFF+32767+10.000004000+16384 +5.0001500011 +0.0003100000 0.00000FFFF-1 -0.00031C000-16384 -5.000158001-32767-10.000008000-32768-10.00031A/DData(Hex)Decimal ValueVoltage (Volts)FFF4095+10.000C003072 +5.0018012049 +0.0058002048 0.0007FF2047 -0.0054001024 -5.0010011-10.0000000-10.005实例实例
23、2: 12 位位, 双极性输入双极性输入二进制原码格式二进制原码格式实例实例1: 16 位位, 双极性输入双极性输入 二进制循环码格式二进制循环码格式Advance technologies; Automate the world.A/DA/D基本定义基本定义 隔离隔离 模拟光隔与数字光隔模拟光隔与数字光隔 A/D的隔离一般隔离数字信号的隔离一般隔离数字信号 隔离电压隔离电压 隔离的作用隔离的作用 保护计算机保护计算机 降低噪声降低噪声模拟信号模拟信号数字信号数字信号Advance technologies; Automate the world.A/DA/D基本定义基本定义 FIFO 先进先
24、出存储器先进先出存储器 First In First Out 用于用于A/D转换数据缓存作用转换数据缓存作用 PCI总线的传输速率大于总线的传输速率大于A/D转换速率，转换速率，FIFO正常情况下是空的正常情况下是空的 利用利用Bus Mastering DMA，最多可以单次最多可以单次DMA 64MB，并不受限于并不受限于FIFO大小大小Advance technologies; Automate the world.A/DA/D基本定义基本定义 数据采集卡的中断系统数据采集卡的中断系统 ISA总线采集卡通过跳线选择总线采集卡通过跳线选择IRQ 中断源可选择中断源可选择AT Businter
25、rupt linesExternal Interrupt EOC InterruptTimer InterruptFIFO Half-Full Int.DMA Terminal CountProgrammableMultiplexerDMA Enable SignalCPUJumperACL-8316/12的中断系统的中断系统Most of the ISA AD cards only use the EOC interrupt Advance technologies; Automate the world.A/DA/D基本定义基本定义 数据采集卡的中断系统数据采集卡的中断系统 PCI总线采集
26、卡由总线采集卡由PCI BIOS自动分配自动分配IRQ 多块多块PCI卡可共享同一中断卡可共享同一中断 对于对于PCI总线采集卡，软件设计时必须考虑中断共享总线采集卡，软件设计时必须考虑中断共享 中断共享的实现中断共享的实现PCIControllerINT #Aof PCI BusIRQFlip-FlopsINT1Clear IRQ INT1MUXAD EOCINT2MUXTimer Pacer FIFO Half-fullExternal IRQINT2PCI-9111的中断系统的中断系统Advance technologies; Automate the world.A/DA/D基本定义基
27、本定义 数据传输数据传输 Software Polling EOC INT FIFO Half Full INT DMA Bus Mastering DMA Scatter 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 Hal
28、f-FullAdvance technologies; Automate the world.Scatter/Gather DMAScatter/Gather DMAPCI BusControllerCPUTimerLogicA/DD/AData FIFOFragmented Physical MemoryGatheringScatter memoryRetrieves DataAdvance technologies; Automate the world.A/DA/D基本定义基本定义 连续采样的实现连续采样的实现 Double Buffer DMAAdvance technologies;
29、 Automate the world.A/DA/D数据采集应用数据采集应用 对于不支持总线主控的采集卡。如何在对于不支持总线主控的采集卡。如何在Windows下应下应用用 Slave的的PCI卡不支持卡不支持DMA，只有中断；，只有中断；ISA卡的卡的DMA也要通过中断也要通过中断 Windows对中断的响应有延时对中断的响应有延时 使用使用 FIFO 缓冲区来消除缓冲区来消除Windows延时的影响，延时的影响， 但数据不能进行但数据不能进行“实实时时”处理处理 FIFO 可以存储至少可以存储至少10 ms的模拟信号数据的模拟信号数据 1024 1 / 100 KHz = 10.24 ms
30、 A/D 数据传输方法数据传输方法 使用使用FIFO 半满标志位来产生一个中断，半满标志位来产生一个中断， 然后在中断服务程序中读取然后在中断服务程序中读取 A/D数据数据 FIFO 数据查询也是可以的，数据查询也是可以的， 而中断则被保留起来用作紧急事件触发源或而中断则被保留起来用作紧急事件触发源或看门狗定时器触发源看门狗定时器触发源Advance technologies; Automate the world.A/DA/D数据采集应用数据采集应用 如何对数据实时处理如何对数据实时处理 DMA：高速，基本可满足不太严格的实时处理要求：高速，基本可满足不太严格的实时处理要求 严格严格“实时实
31、时”，内时钟触发，内时钟触发 EOC中断中断 实时操作系统（或实时操作系统（或DOS） 用户自行在中断服务程序中处理数据用户自行在中断服务程序中处理数据Advance technologies; Automate the world.D/AD/A基本定义基本定义 D/A：数字量数字量模拟量转换模拟量转换 将计算机内部数字量信号转成外部电压将计算机内部数字量信号转成外部电压 建立时间建立时间(Setting Time)：指变化量为满刻度时，达到终值：指变化量为满刻度时，达到终值1/2LSB时时所需的时间所需的时间 更新频率更新频率/采样频率采样频率 (Max Data Update Rate)
32、精度精度(Resolution)：8bit 12bit 14bit 16bit 输出范围输出范围 输出信号类型输出信号类型 电压输出电压输出 电流输出电流输出(Source、Sink) Advance technologies; Automate the world.A/DA/D与与D/AD/A测试测试 能否用能否用A/D卡采集脉冲信号？卡采集脉冲信号？ 假如用假如用100K的采集卡采集的采集卡采集75K的信号，会得到什么样的的信号，会得到什么样的结果？结果？ 简要说明简要说明DI、RSE、NRSE的区别？凌华哪些板卡支持的区别？凌华哪些板卡支持NRSE输入？输入？ 用用PCI-9112的的+
33、/-10V进行采样，最小可分辨多少电压？进行采样，最小可分辨多少电压？ 对于对于mV级信号采用高增益的好处是什么？级信号采用高增益的好处是什么？ 什么是什么是FIFO？与？与Double Buffer DMA的的Buffer有何区别？有何区别？ PCI-6208V的的D/A建立时间是建立时间是2微秒，是否可以说其可以微秒，是否可以说其可以用作输出频率用作输出频率500KHz的任意波形发生器？的任意波形发生器？Advance technologies; Automate the world.数字数字I/OI/O基本定义基本定义 I/O点数或通道数点数或通道数 隔离与非隔离隔离与非隔离 非隔离输入
34、输出：非隔离输入输出：TTL电平兼容电平兼容 隔离输入类型：光电隔离输入隔离输入类型：光电隔离输入 隔离输出类型隔离输出类型1：达林顿管输出：达林顿管输出 隔离输出类型隔离输出类型2：继电器输出：继电器输出 输出驱动能力输出驱动能力 I/O速度速度Advance technologies; Automate the world.隔离数字输入隔离数字输入 隔离输入信号电压范围隔离输入信号电压范围 依赖于限流电阻依赖于限流电阻 若要使用大负载则需用户自定义限流电阻若要使用大负载则需用户自定义限流电阻1.2K Ohm隔离输入PC814Advance technologies; Automate th
35、e world.隔离数字输出隔离数字输出 达林顿晶体管能够提供比较大的达林顿晶体管能够提供比较大的“灌电流灌电流”驱动驱动 需要外部或内部电源需要外部或内部电源 若为感性负载，必须使用外部电源若为感性负载，必须使用外部电源+负载电源电源535V达林顿管达林顿管-内部电源VDD外部电源Advance technologies; Automate the world.DIODIO基本定义基本定义 既可作既可作DI，也可作，也可作DO，程序控制，程序控制 8255兼容兼容Advance technologies; Automate the world.T/CT/C基本定义基本定义 Timer / C
36、ounter 82C54 GATE：门控信号。只有当门控信号。只有当GATE为为H时计数时计数 CLK：时钟。每输入一个脉冲计时钟。每输入一个脉冲计数值减数值减1 OUT：计数输出。当计数到一定计数输出。当计数到一定值时改变状态。状态的改变由工值时改变状态。状态的改变由工作方式决定作方式决定NGATECLKOUTAdvance technologies; Automate the world.T/CT/C基本用法基本用法 计输入信号频率计输入信号频率 设置计数初值设置计数初值N 将已知长度将已知长度(T)的脉冲输入至的脉冲输入至GATE，待测信号输至待测信号输至CLK 测量测量T时间中的计数，
37、即可算得输入信号的频率时间中的计数，即可算得输入信号的频率NGATECLKOUT输入信号已知长度的脉冲Advance technologies; Automate the world.T/CT/C基本用法基本用法 计输入脉冲信号时间计输入脉冲信号时间 设置计数初值设置计数初值N 将已知长度将已知长度(t)的方波或脉冲输入至的方波或脉冲输入至CLK，待测信号输至待测信号输至GATE 测量脉冲过程中的计数，即可算得输入信号的时间测量脉冲过程中的计数，即可算得输入信号的时间NGATECLKOUT输入信号已知长度的脉冲Advance technologies; Automate the world.总结总结 本次内容涉及本次内容涉及A/D、D/A、GPIO、GPTC等，对于凌华等，对于凌华高速高速I/O将在今后专门介绍将在今后专门介绍
