数据采集基础知识重点

Advancetechnologies;Automatetheworld.数据采集基础知识张斌北京凌华技术支持部内容大纲•信号与系统初步•基本定义–A/D–D/A–DIO–Timer/CounterAdvancetechnologies;Automatetheworld.信号与系统初步•一个典型的系统：模拟输入采样/量化1101…数字输入数字信号处理1101…数字输出模拟重建模拟输出Advancetechnologies;Automatetheworld.信号与系统初步(续)•信号的分类：信息状态速率幅值形状频率onofft1-0-t0.985ttf信号模拟量数字量开/关信号脉冲队列直流信号时域信号频域信号Advancetechnologies;Automatetheworld.信号与系统初步(续)•数字信号onofft1-0-t开关信号输入：检测一个开关的打开/闭合输出：打开/关闭一个阀门驱动能力通道数脉冲队列输入：读光编码器的输出信号输出：产生一个方波时钟频率对采集卡的要求Advancetechnologies;Automatetheworld.信号与系统初步(续)•模拟信号电压信号温度压力流量应力DC精度频域信号振动语音声呐分辨率采样频率精度触发对采集卡的要求时域信号雷达回波血压变化汽车点火波形分辨率采样频率精度触发0.985ttfAdvancetechnologies;Automatetheworld.信号采集•传感器•信号调理–放大–滤波–信号转换–……•将外部信号采入计算机，并加以处理，最后输出Advancetechnologies;Automatetheworld.PCBased信号采集系统Advancetechnologies;Automatetheworld.PCBase数据采集系统功能•A/D转换（模拟量/数字量转换）•D/A转换（数字量/模拟量转换）•DIO（数字量输入/输出）•Timer/Counter（定时器/计数器）Advancetechnologies;Automatetheworld.基本定义•A/D：模拟量-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–采样频率MaxSamplingRate(S/s),SamplingFrequency(Hz)–精度(Resolution)：8bit12bit14bit16bit–输入范围(InputRange)(增益)：–同步采样(Simultaneousanaloginput)–轮询采样(Multiplexanaloginput)–突发模式采样(Burstmode)–触发模式(Triggermode)–隔离(Isolation)–FIFO–……Advancetechnologies;Automatetheworld.A/D转换过程A/D转换器模拟量输入A/D转换时钟数字量输出Advancetechnologies;Automatetheworld.A/D转换过程--多路切换卡多路选择+_A/D转换器模拟信号A/D触发信号数据缓冲区n1.信号源控制通道数信号类型(SE/DI)信号范围自动通道扫描2.触发源控制触发信号源采样频率3.A/D数据缓冲区数据寄存器FIFO缓冲区AT总线或PCI总线内存(Buffer)4.数据传输I/O指令DMA总线主控中断信号CPU5.中断信号控制6.A/D分辨率与数据格式数据位数二进制代码或补码单极性或双极性7.隔离与非隔离Advancetechnologies;Automatetheworld.A/D转换的过程--同步板卡模拟信号A/D触发信号数据缓冲区+_A/D转换器nPCI总线内存(Buffer)CPU+_A/D转换器n+_A/D转换器n…模拟信号模拟信号Advancetechnologies;Automatetheworld.A/D基本定义•信号的频率–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–不同的信号频率不同：»语音：4kHz»音乐：20kHz»超声：20kHz~xxMHz»FM收音机：MHz»雷达：xGHz»…Advancetechnologies;Automatetheworld.A/D基本定义•采样频率–采样周期的倒数–表示采样快慢的物理量–多少时间采一个点/每秒采样多少个点–Nyquist采样定律：fs=2*fmaxfs：采样频率fmax：信号最高频率一般最小为fs=2.5*fmax工程上一般取为fs=6~8*fmax•采样定律的特例–等效时间采样Advancetechnologies;Automatetheworld.A/D基本定义足够的采样率下的采样结果过低采样率下的采样结果Advancetechnologies;Automatetheworld.A/D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Nyquist频率，它是采样频率的一半•信号中所包含的频率高于Nyquist频率的成分，将在直流和Nyquist频率之间发生畸变，称为混叠（alias）•混频偏差（aliasfrequency）＝ABS（采样频率的最近整数倍－输入频率）•解决方案–在A/D前加入低通滤波器，将信号中高于Nyquist频率的信号成分滤去–称为抗混叠滤波器Advancetechnologies;Automatetheworld.A/D基本定义•采样频率的控制–SoftPolling（内部软件触发，通过I/O指令实现）–TimerPacer（由8254定时器芯片分频产生的内部定速时钟）»例如：频率=2MHz时钟/（C1*C2）（这里的C1与C2是16位定时器的分频系数）–ExternalCLK/Trig（外部时钟）•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，适用于对时序要求不甚严格的场合，如采集DC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，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•CLK与TriggerAdvancetechnologies;Automatetheworld.A/D基本定义•Trigger（触发）：启动、停止或同步采集事件的方法MNN延时触发预触发中触发后触发模拟触发数字触发上升沿触发MNN下降沿触发正沿触发负沿触发触发事件Advancetechnologies;Automatetheworld.A/D基本定义•下列情况适用软件触发模式（SoftwareTrigger，非SoftPolling）–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•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–高速、瞬态采集事件Advancetechnologies;Automatetheworld.A/D基本定义•多通道采样–同步采样»采用多个A/D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）–轮询采样»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换»通道转换时间»可以通过外加采样/保持电路保证采样的同步–突发模式采样»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Advancetechnologies;Automatetheworld.A/D基本定义•信号类型–从信号端来讲，信号分为»接地信号»浮空信号–从信号输入端来讲，输入方式分为»差分输入（DI）»参考地单端输入（RSE）»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。接地信号浮空信号DI适合适合RSE不适合适合NRSE适合适合Advancetechnologies;Automatetheworld.A/D基本定义•接地信号的测量–最好采用差分或NRSE方式–若采用RSE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，也可以采用RSE输入方式Advancetechnologies;Automatetheworld.A/D基本定义•浮空信号的测量–可以用差分、RSE、NRSE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之内–需在测量端与测量地之间连接偏置电阻–10KohmR1=R2100Kohm–信号为直流时，仅需要R2；若为交流信号，则R1、R2均为必需Advancetechnologies;Automatetheworld.A/D基本定义•几种信号输入方式的特点–差分输入»可避免接地回路干扰»可避免因环境引起的共模干扰–NRSE»可避免接地回路干扰–RSE»最简单，若信号满足下列条件，可选择RSE输入输入信号幅值较大，一般需1V连线比较短，一般5m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»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Advancetechnologies;Automatetheworld.A/D基本定义•输入范围与增益–输入信号的幅度/输入信号的放大倍数–单极性与双极性»双极性：e.x.-10V~+10V(20V范围)»单极性：e.x.0V~+5V(5V范围)»跳线设置或编程设置–可编程增益»对于大信号应用：普通增益（1,2,4,8）»对于小信号应用：高增益（1,10,100,1000）–例如：输入电压范围：+/-10V,普通增益»可选择的输入电压范围：+/-10V,+/-5V,+/-2.5V,+/-1.25V0V-10V+10V+5VAdvancetechnologies;Automatetheworld.A/D基本定义•采样精度/分辨率：Accuracy/Resolution–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/2n–用户关心的最小可测电压值–举例：假如10V的输入信号用12位数据来表示，则最小可分辨的电压为10/212=0.224mV振幅分辨率时间02010012014040608010.008.757.506.255.003.752.501.250111110100011010001000Advancetechnologies;Automatetheworld.A/D基本定义•A/D数据格式–二进制原码–二进制循环码A/DData(Hex)DecimalValueVoltage(Volts)7FFF+32767+10.000004000+16384+5.0001500011+0.00031000000.00000FFFF-1-0.00031C000-16384-5.000158001-32767-10.000008000-32768-10.00031A/DData(Hex)DecimalValueVoltage(Volts)FFF4095+10.000C003072+5.0018012049+0.00580020480.0007FF2047-0.0054001024-5.0010011-10.0000000-10.005实例2:12位,双极性输入二进制原码格式实例1:16位,双极性输入二进制循环码格式Advancetechnologies;Automatetheworld.A/D基本定义•隔离–模拟光隔与数字光隔–A/D的隔离一般隔离数字信号–隔离电压•隔离的作用–保护计算机–降低噪声模拟信号数字信号Advancetechnologies;Automatetheworld.A/D基本定义•FIFO–先进先出存储器FirstInFirstOut–用于A/D转换数据缓存作用–PCI总线的传输速率大于A/D转换速率，FIFO正常情况下是空的–利用BusMasteringD