（检测技术与自动化装置专业论文）围棋矩阵模拟信号检测与传输系统的研究.pdfVIP

中文摘要 围棋是由黑色棋子和白色棋子与1 9 x1 9 方阵棋盘组成，以大屏幕的方式动 态演示实际运行过程，过去只能用摄像头去拍摄。由于甲乙双方在下围棋的过程 中，棋子在棋盘上运行一共有三种状态( 对于一个棋子位来说) ，即无子、黑棋 子、白棋子，而且共有1 9 x1 9 = - 3 6 1 位。这就给信号采集和信号处理带来了很大 的麻烦。 本课题总结前人多年来的研究成果，结合实际对现有的方法进行了改进，设 计出了一套围棋矩阵模拟信号采集系统，针对黑白棋子运行情况及信号采集进行 了仔细的分析和研究，并对信号采集方案提出了自己的见解。由于整个棋盘是由 x 方向1 9 格y 方向1 9 格组成，这就在平面上形成了一个二维的矩阵方列。这 样在x 行与y 列的相交的地方就形成了3 6 1 个交点。其中每个交点包含三种状 态，其一，在交点上没有棋子；其二，在交点上放有白色棋子；其三，在交点上 放有黑色棋子；选择识别某一交点( x ，y ) ，识别这一交点上的状态是本课题的 关键。系统以u s b 数据采集模块为核心，采用廉价的光敏电阻作为获取棋子状 态的传感器，基于棋子状态的模糊推理模型进行数据的处理和特征识别，最终获 得棋子的三种不同状态。同时在计算机软件设计上也做了一些抗干扰处理，考虑 了一些人为和非人为因素的影响。 现场试用结果表明：围棋矩阵模拟信号检测传输系统通过数据采集及接口模 块将采集到的数据进行处理后，送到上位机，准确地将整个棋盘每个位置棋子的 状态反应在电脑屏幕上，达到了进行实时监控、实时演示的目的。 关键词：围棋矩阵u s b 模糊控制数据采集 a b s t r a c t t h eg a m eo fg oi sc o m p o s e do fw h i t ea n db l a c kp a w n sw i t h19b y19m a t r i x b o a r d i nt h ep a s t , ab i g s c r e e nd e m o n s t r a t i o no ft h ea c t u a lo p e r a t i o no ft h ed y n a m i c p r o c e s sc a no n l yu s et h ec a m e r a d u r i n gt h eg a m e ，t h ep a w n s ( e v e r yp a w ns p a c e ) o n t h ec h e s s b o a r dh a v et h r e es t a t e sw h i c ha r en op a w n ，w h i t ep a w na n db l a c kp a w n f o r t h er e a s o nt h es i g n a la c q u i s i t i o na n ds i g n a lp r o c e s s i n gb e c o m ev e r yt r o u b l e s o m e a c c o r d i n gt ot h ec u r r e n tc o n d i t i o n s ，t h i sp a p e ra m e l i o r a t e sc u r r e n tm e t h o d sa n d d e s i g n sa ni n t e l l i g e n tg om a t r i xa n a l o gs i g n a la c q u i s i t i o ns y s t e mw h i c ha i m sa tt h e o p e r a t i o no fp a w n sa n ds i g n a la c q u i s i t i o n a n da l s o ，t h i sp a p e rp r e s e n t sn e w m e t h o d o ns i g n a la c q u i s i t i o nb a s e do nc a r e f u la n a l y s i sa n dr e s e a r c h t h ew h o l ec h e s s b o a r di s c o m p o s e do fx d i r e c t i o na n dyd i r e c t i o ns19d o t sw h i c hf o r m sat w od i m e n s i o n a l m a t r i x t h e3 61i n t e r s e c t i o n sf o r mi nt h ei n t e r s e c t i o no fxd i r e c t i o na n dy d i r e c t i o n e v e r yp o i n to fi n t e r s e c t i o ni n c l u d e st h r e es t a t e sw h i c ha r en op a w n ，w h i t ep a w na n d b l a c kp a w n t h ek e yi s s u ei sr e c o g n i t i o no f t h e s ei n t e r s e c t i o n so nt h ec h e s s b o a r d t h ek e r n e lo fs y s t e mi su s bm o d e la n dt h ec h e a p e rp h o t o s e n s i t i v er e s i s t a n c e sa r e u s e da st h es e n s o r so fg op a w n ss t a t e s t h es y s t e mu s e sf u z z yc o n s e q u e n c et o p r o c e s st h ev o l t a g e sw h i c hi n f l u e n c et h es t a t e so fg op a w n sg r e a t l y t h u si tc a l lg e t t h ej u d e m e n tc o n c l u t i o na b o u tt h ew h o l ec h e s s b o a r dss t a t e a tt h es a m et i m e ， a n t i - j a m m i n gi sa l s oc o n s i d e r e di nc o m p u t e rs o f t w a r ed e s i g n ，t h ei m p a c to fh u m a n a n dn o n h u m a na r ee l i m i n a t e d t h ef i e l dp r o b a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h eg om a t r i xa n o l o gs i g n a ld e t e c t i o na n d t r a n s m i s s i o n d e v i c eb a s e do nt h et h e o r yi n t r o d u c e di n t h i sp a p e rp r o c e s s e st h e a c q u i r e dd a t af r o mu s bm o d e lw h i c ha r et r a n s m i t e dt ot h ec o m p u t e r , t h er e a l t i m e s t a t e so ft h e s ep a w n sc a ne x a c t l yd i s p l a yo nab i g - s c r e e nb yap r o j e c t o r k e yw o r d s ：g om a t r i x , u s b ，f u z z yc o n t r o l ，d a t aa c q u i s i t i o n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得基叠盘鲎或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：扭审 签字日期： 劭1 7 厂 年 月z 7 目 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解丕壅盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权基盗盘鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名；缸角 签字日期：劲哆年月厉目 导师签名：二妻二甲尹导师签名：c 步驴厂7 签字日期：夕刃嗨月衫同 天津大学硕士学位论文第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 中国古代的四大艺术，琴棋书画，历史悠久，源远流长。其中的棋，说的 就是围棋。围棋艺术，千变万化，具有经久不衰的魅力，这是它流传几千年至今 受到人们喜爱的原因。围棋作为一门科学，它可以最大限度地开发智力，启迪思 维，锻炼头脑，陶冶情操。在围棋的对弈中，包含着形象思维、逻辑思维的创作。 它能增强机械记忆和理解记忆，它能提高人们的计算本领。 围棋是中国的传统棋种，早在春秋战国时期就广为流传。每一朝代都涌现出 许多才华出众的围棋高手，流传着许多动人优美的围棋史话。这些，都是我国古 代劳动人民智慧的结晶。 我们国家的围棋人口有数千万之多，而且有明显上升的趋势。但职业棋手只 有二百人左右。职业棋手也称“专业棋手”，凡是以下棋为职业，服务于各围棋组 织或体育代表队，在围棋技术上受过正规训练，有相当强的围棋功底，经常参加 国内外重大比赛的棋手都称职业棋手。除专业棋手，以业余时间从事围棋活动的 棋手或棋艺爱好者都叫“业余棋手”。他们的主要特点是：一般不以围棋为主要职 业，没有受过( 或仅受过暂短时间) 正规训练，通常不参加专业棋手的比赛。 不论是职业棋手还是业余棋手，在中国和日本以及欧美的围棋界里，现在都 实行“段位制度”和“级位制度”。段位的高低是一个棋手棋艺水平的重要标志，我 国的段位共分九个等级，依实力的高低从九段排至一段，九段为最高。一段也叫 初段。获得初段的称号，说明棋艺达到一定的水平，大至说来九段的棋力要让初 段两、三子左右，以上所说指的是专业段位。 除专业段位外还有业余段位，业余段位是按照业余棋手的棋力水平所评定的 等级。目前我国最高业余段位六段，同专业段位相比较，与同等级的业余段位棋 手艺水平相差甚远。据统计，专业初段棋手实力同业余五六段的棋手实力旗鼓相 当。业余段位以下称“级”，级也分九个等级。与段位不同的是级数越大棋力越低， 以一级为最高。 天津大学硕士学位论文第一章绪论 1 2 围棋运动的发展历史 围棋，古之称为“博弈”( 一解) ，说到底，它是一种争胜负的游戏，在这个 层面上，它与象棋没有本质区别。由于象棋方便易行，在平民中弈者众，故象棋 是一个平民游戏( 没有贬谪之意) ，而围棋在宫廷和文人雅士之中流行，故围棋 是一个“贵族”游戏( 没有附庸风雅之意) 。由于围棋历史悠久，自古以来，在诗 词歌赋、书画小说中留下许多名篇佳句、动人故事，美好传说。比如“红楼梦” 中的“金陵十二钗”中，就有众多围棋爱好者且不乏围棋高手，也有许多关于围棋 场面及故事的描写，读过“红楼梦”的人，应该有这个印象。 晋朝人张华在他写的博物志中说：尧造围棋以教子丹朱。还提到，舜觉 得儿子商均不甚聪慧，也曾制作围棋教子。路史后记写得更为详细。尧娶妻 富宜氏，生下儿子朱，儿子行为不好，尧很难过，特地制作了围棋，以闲其情。 按照这种说法，制造围棋，是为了开发智慧，纯洁性情的。不过也有另一种看法， 认为夏人乌曹作赌博围棋。唐朝人皮日休在其原弈一书中则说，围棋始于战 国，是纵横家们的创造。他的根据是，围棋有害诈争伪之道。这样一来，围棋又 成了寻欢作乐，耍弄权术的工具了。其实，这些说法都不过是推测而已，尧、舜 之说只是编织的美妙传说。乌曹在古史考中被认为是造砖的先祖。在造围棋 方面找不到更多的佐证。至于皮日休提出的围棋源于战国。更不足为信。早在春 秋时，孔子就已经提到围棋了。 在甘肃水昌县鸳鸯池出上的原始社会末期的陶罐，不少绘有黑色、红色甚至 彩色的条纹图案，线条均匀。纵横交错，格子齐整，形状很象现在的围棋盘，但 纵横线条只有十至十二道，而不象现在是十九道。考古学家讽称之为棋盘纹图案。 湖南省湘阴县挖掘出一座唐代古墓，随葬品里有围棋盘一件，大小呈正方形，纵 横各十五道。在内蒙发掘的一座辽代古墓里，挖出围棋方桌，高十厘米，边长四 十厘米，桌上画有长宽各三十厘米的围棋盘。棋盘纵横各十三道，布有黑子七十 一枚，白子七十三枚，共一百四十四枚。另有黑子八枚，白子三枚空放着。想必 墓主生前好弈，舍不下一盘残局，带到九泉之下琢磨去了。 这些只是众多考古新发现中的几件古物，但足以说明几点t 首先，不容置疑的是，围棋在原始社会时，已具雏形。纵横交错的棋盘图形 已经基本形成。 其次，从出土棋盘的十、十三、十五一直至今天通用的十九道线的发展过程 看，围棋不可能是某一个人某一天里突然创造出的奇迹，而是经过了由简单到复 杂，棋子由少到多，着法由单一到多样的发展变化过程，时间跨越数千年，集聚 天津大学硕士学位论文第一章绪论 了无数围棋爱好者的智慧和经验，逐渐被改进，被丰富，最后形成今天这种规模 的。从这个意义上来讲，围棋的创造者，是我国广大的劳动群众。 由于战事频繁，军事学知识渐渐积累起来。下围棋和军事上的运筹帷幄，调 兵遣将有几分相似。战争的需要势必加速围棋的发展。两汉时己有人把围棋当作 兵法，隋书经籍志还有棋谱收入兵书。 回顾历史，从左传、 论语、孟子等书中。很容易了解到，围棋 在我国春秋、战国时期，已经广为流行，甚至出现了诸侯列国都知道的围棋高手。 众所周知，那个时候，中国和西域各国还没有交往。直至西汉时方有张骞出使西 域，中国才和中亚细亚诸国有了文化交流。而那时，围棋在中国已经有了很久的 历史了。 1 3 围棋演示棋盘目前存在的问题 以上是对围棋的历史、著名的棋手、围棋段级位等级的简单介绍。如果要 想让更多的观众欣赏到一场高手云集、别开生面的围棋比赛，就往往需要用大型 或者超大型的演示棋盘进行现场演示。一年一度的帮派联赛和个人赛吸引了众多 大师级名手参加，对现实中大型赛事的现场直播满足了无数棋迷朋友学习的欲望 与热情。 网络围棋频道的棋局解说为语音解说，使用专门设计的接收软件，用户可以 通过互联网流畅地接收到音频解说和同步的视频摆棋过程演示，获得和电视解说 相似的效果。收看语音解说需要安装相应的运行环境，比如s u n 公司的j a 、，a 运行 环境。 互联网( i n t e r n e t ) 这些年得到了迅猛的发展，这种发展当然也包括了各种 网上娱乐的发展，网上围棋就是其中的一个方面。目前，网上有许多地方可以下 围棋，这些地方包括j a 、，a 对弈网址，如m i c r o s o t r 的g a m ez o n e ，y a h o o 的 游戏网址等。 就目前来讲，大部分棋类比赛的演示是用大型或者超大型的演示棋盘进行现 场演示的。一些厂家生产的围棋、象棋、国际象棋及各种超大型磁性和电子演示 棋盘具有外观新颖、典雅美观大方，具有品种多、类型全的特点，既能做精美的 礼品馈赠亲友，又具有陈列观赏价值，适合各层次人士的需求，深受国际友人的 赞赏和广大棋类爱好者的青睐与欢迎。但是，这样的演示棋盘一般是用在比赛后 去分析选手的战术和策略或者是用来进行教学，而达不到实时监控、实时演示的 目的。 天津大学硕士学位论文第一章绪论 1 4 电子棋盘的应用开发 现代中国围棋比赛的计时、记录方式仍然沿袭着过去的手动计时切换和手工 记录棋谱的方式，在这种方式中，棋手每走完一手棋都要按动一次计时切换按钮， 并用笔记录当前行棋步骤，这不但分散了棋手的注意力，而且还浪费了宝贵的思 考时间。特别值得一提的是，这种现状在今天这种高技术时代显得尤为笨拙和不 合时宜。电子棋盘的出现彻底改变了传统比赛计时、记录的现状，解决了上述存 在的问题。 所谓电子棋盘，是安装了棋子检测传感器的棋盘，它能识别对弈双方的棋 子，进而能完成自动计时切换和记录棋谱功能。棋手在下棋过程中只管下棋，每 走完一步棋电子棋盘都会自动地切换比赛计时时钟，不需要棋手再去按动时钟切 换按键，这种方式避免了棋手分散注意力和思考时间的浪费。能够直接将行棋信 息数字化的棋盘设备，即一种能直接将棋子的种类、名称以及位置信息转换成数 字信号的设备，其目的用于实现比赛的自动计时、记录以及后续棋谱信息的发布、 处理等。 世界上关于电子棋盘的设想由来已久，早期人们的目的是用来记录棋谱， 真正适用于比赛的电子棋盘直到2 0 0 0 年才真正出现，那就是2 0 0 0 年的3 4 届国 际象棋奥林匹克赛，那届比赛有4 0 0 盘比赛采用电子棋盘进行，并同时通过互联 网向全世界直播。此前中国象棋电子棋盘一直没有用于比赛的实用产品，资料中 记载的几项这方面的专利在技术方案中都存在着共同的缺陷，不能应付比赛中的 各种复杂情况。与国际象棋电子棋盘同一时期出现的棋缘q y 0 1 型电子棋盘是中 国第一代实用型的电子棋盘，目前它设计成面向中国象棋的电子棋盘，其原理同 样适用于国际象棋以及其他棋类。 电子棋盘在外表上看与普通的棋盘并无差别，因此使用过程对棋手不会有负 面影响，但电子棋盘的用途却远远超出普通棋盘，具体如下： ( 1 )自动计时控制 电子棋盘中的关键部件是棋子检测传感器，该传感器能实时地检测到对弈双 方的棋子，并将双方棋子区别开来，利用这一信息能够可靠地实现对弈双方计时 钟的启、停控制。棋手在下棋过程中只管下棋，不需要去按动时钟切换按键，避 免了分散注意力和思考时间的浪费。 ( 2 )记录棋谱 棋谱记录分两种情况，一种是比赛过程中棋谱的实时记录，便于比赛后复盘 以及后期的棋谱管理工作；另一种是棋谱出版工作，采用电子棋盘录入棋谱，只 需将原来的行棋过程重复一遍，在软件的协助下，棋谱便生成了，其录入速度快、 天津大学硕士学位论文第一章绪论 效率高。 ( 3 )网上比赛直播 象棋比赛转播与球类比赛转播的差别很大，球类比赛过程中要传递的信息量 大、实时性强，适合于采用电视视频转播；而棋类比赛转播的特点则刚好与之相 反，需要传递的信息量极少，一般只有棋子位置信息和时间信息，因此它特别适 合于互联网上的直播，通过互联网，人们最多在几秒钟之内就能看到电子棋盘送 出的对弈双方的行棋情况。 ( 4 ) 远程对弈 安装了“机械手 的电子棋盘特别适用于远程对弈，对弈双方棋手都采用这 样的电子棋盘，通过互联网建立通信联系。本地棋手每走一步棋都会自动地通过 互联网指挥远端对手棋盘上的“机械手”完成这步棋，下棋双方都有身临其境的 感觉，真正实现了一种看得见、摸得着的远程对弈方式，其感觉妙不可言。 ( 5 )人机对弈 以前的人机对弈都是人面对着计算机屏幕进行，缺乏自然感，时间长了人会 感到很不舒适。采用安装有“机械手一的电子棋盘来进行人机对弈，其感觉真实、 自然，将这样的棋盘置于娱乐场所，用于人机对弈，定会吸引广大棋迷跃跃欲 试，有着巨大的经济潜力。 ( 6 ) 棋类学习 电子棋盘可存储大量的棋谱信息，利用它来打谱、研究棋局，直观、生动采 用它进行象棋学习和训练，效率高，节省时间。 1 5 本课题研究的目的和意义及创新点 本课题旨在开发一套安全可靠、操作方便、实时性强的围棋演示棋盘。该棋 盘由围棋矩阵模拟信号采集及接口模块和上位机演示棋盘两部分组成，采用分离 式设计开发，在满足功能的前提下有效地降低开发成本、提高开发速度。 围棋矩阵模拟信号采集及接口模块的主要作用是获取棋子在棋盘上运行的 三种状态( 对于一个棋子位来说) ，即无子、黑棋子、自棋子共有1 9 1 9 = - 3 6 1 位。 该装置由围棋矩阵传感器部分和行列信号处理模块构成。围棋矩阵传感器主要完 成棋子运行状态的电压信号采集，行列信号处理模块就是地址选择码和l9 选一 数据传输模块，地址选择码来自u s b 2 0 3 数据采集及接口模块的地址输出总线， 该地址输出总线的低四位为列提供了数据选择的地址；在1 9 列信号处 理完毕后，将y 0 0 输出l 至y 1 8 输出l 这1 9 路信号接到一1 9 选一数据 传输模块。这一数据传输模块是行信号处理模块0 。将y 0 0 输出2 至y 1 8 天津大学硕士学位论文第一章绪论 输出2 这1 9 路信号接到另一1 9 选一数据传输模块。传输后的行、列交 点上的数据信号分别送到u s b 2 0 3 数据采集及接口模块的a d 转换输入端，即 a i n a i n 3 进行数模转换。上位机演示棋盘的主要作用是将采集到的数据进行 处理后，送到上位机，达到实时监控、实时演示的目的。该装置在优化设计棋子 状态测量元件、提高测量准确度的基础上，采用大屏幕l c d 和声音提示相结合 的方法，能实时准确地测量每个结点上棋子的状态。 本课题是基于对模拟信号采集和u s b 通信的深入认识，通过大量调研工作， 参考了成熟的电路设计模块之后选定的。我们认为可以尝试开发一种低成本、实 时性较强的演示棋盘装置来进行棋类比赛的大屏幕直播，而类似产品在一些发达 国家还未出现但需求愈加强烈。目前使用的围棋演示棋盘一般采用大型或超大型 磁性和电子演示棋盘，这种棋盘一般是用在比赛后去分析选手的战术和策略或者 是用来进行教学，而达不到实时监控、实时演示的目的，不适合大规模市场推广。 本课题实现了低成本、模块化、程序智能的设计目标，在满足棋类赛事实时性要 求的前提下，市场接受度更高。 本课题的创新点在于： l 、首次应用计算机技术将围棋的实战过程通过电子棋盘的方式展现在大屏幕上。 2 、首次采用光电传感技术将围棋棋子的三状态通过u s b 口的方式进行传输。 3 、该项目现已完成，已经申请国家发明专利。 此专利于2 0 0 6 1 0 1 7 受理申请号2 0 0 6 1 0 0 1 6 1 4 9 4 围棋矩阵显示方法专利申请号2 0 0 6 1 0 1 3 0 2 7 2 9 天津大学硕士学位论文第二章数据采集传输及特征识别 2 1 数据的采集 第二章数据采集传输及特征识别 2 1 1 数据采集概述 随着计算机技术的发展与普及，数字设备正越来越多地取代模拟设备，在生 产过程控制和科学研究等广泛的领域中，计算机测控技术正发挥着越来越重要的 作用。然而，外部世界的大部分信息是以连续变化的物理量形式出现的，例如温 度、压力、位移、速度等。要将这些信息送入计算机进行处理，就必须先将这些 连续的物理量离散化，并进行量化编码，从而变成数字量，这个过程就是数据采 集。它是计算机在监测、管理和控制一个系统的过程中，取得原始数据的主要手 段。 数据采集就是将被测对象( 外部世界、现场) 的各种参量( 可以是物理量，也 可以是化学量、生物量等) 通过各种传感元件做适当转换后，再经信号调理、采 样、量化、编码、传输等步骤，最后送到控制器进行数据处理或存储记录的过程。 控制器一般均由计算机承担，所以说计算机是数据采集系统的核心，它对整个系 统进行控制，并对采集的数据进行加工处理。用于数据采集的成套设备称为数据 采集系统( d a s ) 。 数据采集系统追求的最主要目标有两个：一是精度，二是速度。对任何量 的测试都要有一定的精确度要求，否则将失去测试的意义；提高数据采集的速度 不仅仅是提高了工作效率，更主要的是扩大数据采集系统的适用范围，便于实现 动态测试。 现代数据采集系统具有如下主要特点： ( 1 ) 现代数据采集系统一般都由计算机控制，使得数据采集的质量和效率等大 为提高，也节省了硬件投资。 ( 2 ) 软件在数据采集系统的作用越来越大，这增加了系统设计的灵活性。 ( 3 ) 数据采集与数据处理相互结合得日益紧密，形成数据采集与处理系统采 集、处理到控制的全部工作。 ( 4 ) 数据采集过程一般都具有“实时”特性，实对的标准是能满足实际需要； 对于通用数据采集系统一般希望有尽可能高的速度，以满足更多的应用环 境。 天津大学硕士学位论文第二章数据采集传输及特征识别 ( 5 ) 随着微电子技术的发展，电路集成度的提高，数据采集系统的体积越来越 小，可取性越来越高，甚至出现了单片数据采集系统。 2 1 2 数据采集系统的基本组成 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，下图是硬件基本组成示意图。 图2 1 数据采集系统硬件组成示意图 传感器的作用是把非电的物理量转变成模拟电量( 如电压、电流或频率) 、例 如使用热电偶、热电阻可以获得随温度变化的电压；转速传感器常把转速转换为 电脉冲等。通常把传感器输出到a d 转换器输出的这一段信号通道称为模拟通 道。放大器用来放大和缓冲输入信号。由于传感器输出的信号较小，例如常用的 热电偶输出变化，往往在几毫伏到几十毫伏之间；电阻应变片输出电压变化只有 几个毫伏；人体生物电信号仅是微伏量级。因此，需要加以放大以满足大多数 a d 转换器的满量程输入5 1 0v 的要求。此外，某些传感器内阻比较大，输出 功率较小，这样放大器还起到了阻抗变换器的作用来缓冲输入信号。由于各类传 感器输出信号的情况各不相同，所以放大器的种类也很繁杂。例如为了减少输入 信号的共模分量，就产生了各种差分放大器、仪用放大器和隔离放大器；为了使 不同数量级的输入电压都具有最佳变换，就有量程可以变换的程控放大器；为了 减少放大器输出的漂移，则有斩波稳零和激光修正的精密放大器。传感器和电路 中的器件常会产生噪声，人为的发射源也可以通过各种耦合渠道使信号通道感染 上噪声，例如工频传号可以成为一种人为的干扰源。这种噪声可以用滤波器来衰 减，以提高模拟输入信号的信噪比。 在数据采集系统中，往往要对多个物理量进行采集，即所谓多路巡回检测， 这可通过多路模拟开关来实现。多路模拟开关可以分时选通来自多个输入通道的 某一路信号。因此，在多路开关后的单元电路，如采样保持电路、a d 及处理 天津大学硕士学位论文 第二章数据采集传输及特征识别 器电路等，只需套即可。这样节省成本和体积，但这仅仅在物理量变化比较缓 慢、变化周期在数十至数百毫秒之间的情况下较合适。因为这时可以使用普通的 数十微秒a d 转换器从容地分时处理这些信号。但当分时通道较多时，必须注 意泄漏及逻辑安排等问题；当信号频率较高时，使用多路分路开关后，对a d 的转换速率要求也随之上升。在数据通过率超过4 0 5 0k h z 时，一般不再使用分 时的多路开关技术。模拟多路开关有时也可以安排在放大器之前，但当输入的信 号电平较低时，需注意选择多路模拟开关的类型。若选用集成电路的模拟多路开 关，由于它比干簧或继电器组成的多路开关导通电阻大，泄漏电流大，因而有较 大的误差产生。所以要根据具体情况来选择多路模拟开关的类型。 模拟开关之后是模拟通道的转换部分、它包括采样保持和a d 转换电路。 采样保持电路的作用是快速拾取模拟多路开关输出的子样脉冲，并保持幅值恒 定，以提高a d 转换器的转换精度，如果把采样保持电路放在模拟多路开关之 前( 每道一个) ，还可实现对瞬时信号进行同时采样。 采样保持器输出的信号送至模数转换器，模数转换器是模拟输入通道的关 键电路。由于输入信号变化速度不同。系统对分辨力、精度、转换速率及成本的 要求也不同，所以a d 转换器的种类也较多，早期的采样保持器和模数转换器 需要数据采集系统设计人员自行设计。目前普遍采用单片集成电路，有的单片 a d 转换器内部还包含有采样保持电路、基准电源和接口电路。这为系统设计 提供了较大方便。a d 转换的结果要送给计算机。有的则采用并行码输出，有的 则采用串行码输出。使用串行输出结果的方式对长距离传输和需要光电隔离的场 合较为有利。 对数据采集系统的性能要求和具体应用目的与应用环境有密切关系，对应不 同的情况往往有不同的要求。比较主要和常用的几个指标有：系统分辨率、系统 精度、采集速率、动态范围、非线性失真。 2 1 3 模拟多路开关 模拟多路开关( 简称多路开关) 是一种重要器件，在多路被测信号共用一路 a d 转换器的数据采集系统中通常用来将多路被测信号分别传送到a d 转换器 进行转换、以便计算机能对多路被测信号进行处理。多路开关可分为两类：一类 是机电式，如舌簧继电器；另一类是电子式。前者主要用于大电流、高电压、低 速切换场所；后者主要用于小电流、低电压、高速切换场所。电子多路开关由于 是一种集成化无触点开关，不仅寿命长、体积小。而且对系统的干扰小，因而在 数据采集系统中得到广泛应用。电子多路开关根据其结构可分为双极型晶体管开 关、场效应晶体管开关、集成电路开关三种类型。双极型晶体管工作速度快，导 天津大学硕士学位论文 第二章数据采集传输及特征识别 通电阻大，但由于它是电流控制器件，功耗大，集成度低，且只能沿一个方向传 递信号电流。 场效应晶体管开关又分为结型和绝缘栅型两种。结型场效应管可以两个方向 对信号进行开关控制，接通时间可做到l o n s l o o n s 以内导通电阻为 5 q 。1 0 0 q 。结型场效应管为分立器件，需要专门的电平转换电路来驱动，使用 时不方便。绝缘场效应管分为p m o s ，n m o s ，c m o s 三种类型。最常用的是c m o s 型场效应管，其导通电阻随信号电压变化时波动小，如图2 - 2 所示。导通电 阻v 一般可以做到小于1 0 0 q ，而且开关接通时间短，可以小于l o o n s ，易于 和驱动电路集成。 一，一 一 d - ， _ 。，。j c 瞄 图2 2m o s 开关管导通电阻特性 集成电路开关是将场效应管、地址计数器、译码器及控制电路等集成制造在 一块芯片上而构成的器件，除了具有场效应管的特性外，还具有体积小、使用方 便等优点。在现代数据采集系统中，主要使用电子式多路开关。 图2 3 为一个1 6 路的集成多路开关，模拟量输入部分由1 6 个漏极连在一起 的场效应管开关所组成，开关驱动部分包括一个四位计数器和一个四一十六线译 码器，其工作原理如下：由计算机送出四位二进制数，如要选择第1 路输入信号， 则把计数器置成0 0 0 1 状态，经四一十六线译码器后，第l 根线输出高电平，场 效应管1 1 导通，v o = q ，选中第l 路信号。如果要连续选通第1 路到第3 路 的信号，可以在计数器加入计数脉冲，每加入一次脉冲，计数器加l ，状态依次 变为0 0 0 1 ，0 0 1 0 ，0 0 1 l 。 天津大学硕士学位论文 第二章数据采集传输及特征识别 图2 31 6 路集成多路开关 2 2 常见的串行数据传输接口 在一个通信系统中，d t e 和d c e 都是不可缺少的组成设备，这2 个设备之 间除了要传送二进制数据外还要传递一些用于协调双方工作的控制信息。串行 连接时要解决两个问题，是双方要共同遵循的某种约定，这种约定称为物理接 口标准，包括连接电缆的机械、电气特性、信号功能及传送过程的定义，它属于 七层参考模型中的物理层。二是按接口标准设置双方进行串行通信的接口电路。 一、e i a r s 一2 3 2 c 接口标准 r s - - 2 3 2 c 标准( 协议) 是美国e i a ( 电子工业协会) 于1 9 6 9 年公布的通讯 协议，它适合数据传输速率0 2 0 0 0 0 b i f f s 范围内的通信。它最初是为远程通信 连接数据终端设备d t e 与数据通信设备d c e 而制订的。但目前已广泛用于计算 机( 更准确地说，是计算机接口) 与终端或外设之间的近端连接。这个标准对串行 通信接口的有关问题，如信号线功能、电气特性都作了明确规定。由于通信设备 厂商都生产与r s - 2 3 2 c 制式兼容的通信设备，因此，它作为一种标准已被目前 微机串行通信接口中广泛采用。 ( 1 ) 电气持性 r s 一2 3 2 c 对电气特性、逻辑电平和各种信号线功能都作了规定。 对于数据发送t x d 和数据接收r x d 线上的信号电平规定为：逻辑 天津大学硕士学位论文第二章数据采集传输及特征识别 i ( m a r k ) = 一3 一1 5 v ，典型值为一1 2 v ；逻辑0 ( s p a c e ) ：+ 3 + 1 2 v 。 对于r t s 、c t s 、d s r 和d c d 等控制和状态信号电平规定为： 信号有效( 接通，o n 状态) = + 3 + 1 5 v ，典型值为+ 1 2 v ；信号无效( 断开，o f f 状态) = 一3 - 1 5 v ，典型值为一1 2 v 。 以上规定说明了r s - - 2 3 2 c 标准对逻辑电平的定义。对于传输数据：逻辑“1 一 的电平低于- - 3 v ，逻辑“0 的电平高于+ 3 v ；对于控制信号：接通状态( o n ) i i p 信号有效的电平高于+ 3 v ，断开状态( o f f ) i l p 信号无效的电平低于- - 3 v ，也就是 当传输电平的绝对值大于3 v 时，电路可以有效地检查出来。介于- 3 一+ 3 y 之间 和低于一1 5 v 或高于+ 1 5 v 的电压认为无意义。因此，实际工作时，应保证电平 在+ 5 1 5 v 之间。 ( 2 ) 传输距离及通讯速率 r s 2 3 2 c 接口标准的电气特性中规定，驱动器负载电容应小于2 5 0 0 p f ，在 不使用m o d e m 的情况下，d t e 和d c e 之间最大传输距离为1 5 m 。然而，在实 际应用中，传输距离可大大超过1 5 m ，这说明了r s m 2 3 2 c 标准所规定的直接传 送最大距离是1 5 m 是偏于保守的。r s m 2 3 2 c 接口标准规定传输数据速率不能高 于2 0 k b i t s 。 二、r s - 4 8 5 接口标准 如上所述，e i a r s 一2 3 2 c 接口标准规定，最大传输距离为1 5 m ，最高数 据传输速率不高于2 0 b i t s 。为了解决传输距离不够远、传输速率不够快的问题， e 1 a 在r s - - 2 3 2 c 的基础上，制订了更高性能的串行接口标准。 r s - - 4 8 5 是一种平衡传输方式的串行接口标准，它和r s - - 4 2 2 a 兼容，并 且扩展了r s - 4 2 2 a 的功能。两者主要差别是：r s - - 4 2 2 a 只允许电路中有1 个发 送器，而r s - - 4 8 5 标准允许有多个发送器，它是一个多发送器的标准，r s - - 4 8 5 并且允许1 个发送器驱动多个负载设备，负载设备可以是被动发送器、接收器或 收发器组合单元。r s - - 4 8 5 的共线电路结构是在一对平衡传输的两端都配置终端 电阻，其发送器、接收器、组合收发器可挂在平衡传输线上的任何位置，实现在 数据传输中多个驱动器和接收器共用同一传输线的多点应用，配置如图2 - 4 所示。 r s - - 4 8 5 标准抗干扰能力强，传输速率高，传送距离远。采用双绞线，不用 m o d e m 的情况下在1 0 0 k b i t s 的速率时，可传送的距离为1 2 k i n ，若速率降到 9 6 0 0 b i t s ，则传送距离可达1 5 k m 。它允许的最大速率可达1 0 m b i t s ( 传送1 5 m ) 。 r s - - 4 8 5 允许平衡电缆上连接3 2 个发送器接收器对，目前又在许多方面得 到应用，尤其是在多点通信系统中，如工业集散分布系统、商业p o s 收款机和 考勤机的联网中用得很多，是个很有发展前途的串行通信接1 3 标准。为了实现 r s - - 4 8 5 标准串行传送，可采用大规模集成芯片，如m a x i m 公司的m a x 4 8 5 4 9 1 天津大学硕士学位论文 第二章数据采集传输及特征识别 芯片。 l n - 2 0 n 习曰扒一龠y 0il tt上一 盯 l a 图2 - 4 典型的r s - - 4 8 5 共线配置 r s - - 4 2 2 与r s - - 4 8 5 一样，其数据信号采用差分传输方式，也称作平衡传 输。它使用一对双绞线，将其中一线定义为a ，另一线定义为b ，如图2 5 所示 图2 - 5r s - 4 2 2 信号电平范围 r s - - 4 2 2 在通常情况下，发送驱动器a 、b 之间的正电平在+ 2 vn + 6 v 之间， 这是一个逻辑状态；负电平在2 v 到6 v 之间，这又是一个逻辑状态。另又一个 信号地c ，在r s - - 4 8 5 中还有一“使能”端，而在r s 一4 2 2 中是可用可不用的。 “使能端是用于控制发送驱动器与传输线的切断与连接。当使能端起作用时， 驱动器处于“高阻态”。 r s - - 4 8 5 与r s - - 4 2 2 的不同还在于其共模电压是不同的，r s - - 4 8 5 是- 7 v 至 + 1 2 v 之间，而r s - - 4 2 2 在7 至+ 7 之间。r s - - 4 8 5 接收器最小输入阻抗为1 2 k ， 而r s - - 4 2 2 是4 k 。基本上可以说r s - - 4 8 5 满足所有的r s - - 4 2 2 的规范。 r s - - 4 8 5 与r s - - 4 2 2 一样，其最大传输距离为4 0 0 0 英尺( 约1 2 1 9 米) ，最 大传输速率为1 0 m b p s 。平衡双绞线的长度与传输速率成反比，在1 0 0 k b p s 速率 以下才可能使用规定最长的电缆长度。只有在很短的距离下才能获得最高速率传 输，般1 0 0 米长双绞线最大传输距离仅为1 m b p s 。 三、u s b 接口传输 通用串行总线( u n i v e r s a ls e r i a lb u su s b ) 是种快速、灵活的总线接1 2 1 。 与其它通信接e l 比较，u s b 接口的最大特点是易于使用，这也是u s b 的主要设 天津大学硕士学位论文第二章数据采集传输及特征识别 计目标。作为一种高速总线接口，u s b 适用于多种设备，比如数码相机、m p 3 播放机、高速数据采集设备等。易于使用还表现在u s b 接口支持热插拔，并且 所有的配置过程都由系统自动完成，无需用户干预。 u s b 线缆中包含有两根数据线。部分设备，像读卡器、摄像头、游戏手柄 等耗电比较少的设备可以直接通过u s b 接口供电。可通过u s b 接口供电的设备 又分低电量模式和高电量模式，前者最大可获得1 0 0 m a 的电流，后者最大可获 得5 0 0 m a 的电流。倘若设备需要更大的电流，那只好通过外接电源来供电了。 u s b 提供低速与全速两种数据传送速度规格。全速传送时，结点间连接距 离为5 m ，连接使用4 芯电缆( 电源线2 条，信号线2 条) 。u s b 全速传输速率 与标准的串行端口相比，大约快1 0 0 倍；与标准的并行端口相比，也快近1 0 倍。 因此，u s b 能支持高速的通信接口( 例如综合业务网i s d n 等) ，使用户拥有足 够的带宽供新的数字外设使用。 图2 - 6 给出了u s b 连接设备和主机的连接方法。全速和低速连接方法的不 同在于设备端，全速连接法需要在d + 上接一个1 5 kq 的上拉电阻，而低速接法 是将此电阻接到d 一上。 行口 图2 - 6 全速低速u s b 总线设备连接方法 u s b 总线主机通过主机控制器( h c d ) 与u s b 总线设备进行交互。u s b 总 线主机的功能主要有：检测u s b 总线设备的安装和拆卸；管理u s b 总线主机和 天津大学硕士学位论文第二章数据采集传输及特征识别 设备之间的控制流；管理u s b 总线主机和设备之间的数据流；收集状态和动作 信息；给连接的u s b 总线设备提供电源等。主机上u s b 总线系统软件管理u s b 总线设备以及与客户端软件之间的交往，u s b 总线系统软件与设备软件间有五 类相互作用方式：设备编号和设置、同步数据传输、异步数据传输、电源管理、 设备和总线管理信息。 图2 7 展示了u s b 总线通信模型之间基本的信息流与互联关系： 逻辑的信息流实际的信息流 图2 7u s b 通信模型层次关系图 主机与设备都被划分成不同的层次。主机上实线的箭头是实际的数据传输的 信息流；而空心的箭头表示逻辑的信息流，表明这只是概念上的表示。在主机与 设备之间的所有通信最终都是通过u s b 总线电缆进行的，但在上层的水平层之 间存在着逻辑的主机设备信息流。主机上的客户软件和外设之间的通信取决 于实际的应用需求及设备所提供的能力。 u s b 接口支持1 5 m b i f f s e c ( 低速) 、1 2 m b i t s e c ( 全速) 和高达4 8 0 m b i t s e c ( u s b 2 0 规范) 的数据传输速率，扣除用于总线状态、控制和错误监测等的数 据传输，u s b 的最大理论传输速率仍达1 2 m b i t s e c 或9 6 m b i t s e c ，远高于一般 的串行总线接口。像键盘、鼠标、游戏手柄这样的设备，只要低速方式就可以满 足它们的要求了；而z i p 、扫描仪以及打印机等设备就需要用到全速方式。因此， u s b 总线接口与其他类型的接口相比，它的传输速度适合各种类型的外设。 表2 1 比较了常用的几种计算机接口的速度： 表2 1 不同接口传输速率对比表 接口类型 理论最大传输速率b s u s ba tl o ws p e e d 1 5 m b s u s ba tf u l ls p e e d 1 2 m