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第4章DAQ虚拟仪器硬件技术 引言4 1数据采集及数据采集系统4 2信号获取与信号调理技术4 3采样保持与A D转换技术4 4数据存储与数据传输技术4 5PCI总线及其接口技术4 6多通道的组建方案4 7多功能数据采集卡典型实例分析 引言 DAQ虚拟仪器又称PC DAQ仪器系统 其组成如下图所示 它由一台PC机和基于标准总线的采集卡 仪器卡 构成 同时还配备有仪器驱动软件来支持硬件工作 4 1数据采集 DAQ 及数据采集系统 DAS 4 1 1数据采集的基本概念 数据采集 DataAcquisition DAQ 是指将模拟量 模拟信号 采集 转换成数字量 数字信号 后 再由计算机进行存储 处理 显示或输出的过程 用于数据采集的成套设备称为数据采集系统 DataAcquisitionSystem DAS 数据采集是计算机与外部世界联系的桥梁 是获取信息的重要途径 数据采集技术是信息科学的重要组成部分 已广泛应用于国民经济和国防建设的各个领域 并且随着科学技术的发展 尤其是计算机技术的发展与普及 数据采集技术将有广阔的发展前景 4 1 2数据采集系统基本组成1 DAS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 DAS的基本结构图表示如下 4 1 3数据采集系统的主要性能指标 1 系统分辨率下表列出了满度值为10V时数据采集系统的分辨率 2 系统精度 3 采集速率 4 动态范围数据采集系统的动态范围通常定义为所允许输入的最大幅值Vimax与最小幅值Vimin之比的分贝数 即式中最大允许输出幅值Vimax是指使数据采集系统的放大器发生饱和或者是使模数转换器发生溢出的最小输入幅值 瞬时动态范围是指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 即幅度最大频率分量的幅值Afmax与幅度最小频率分量的幅值Afmin之比的分贝数 用I表示瞬时动态范围 则有 5 非线性失真谐波失真系统用来衡量系统产生非线性失真的程度 它通常用下式表示式中A1 基波振幅 Ak 第k次谐波 频率为kf 的振幅 4 2信号获取与信号调理技术 4 2 1信号获取方法和途径1 信号获取作为采集系统 为了获取被测对象的信息 需要拾取必要的原始参量信号 为此 首先要通过敏感元件 传感器将现场非电参量 如压力 温度 速度 位移等物理量转换成电量 1 通过敏感元件拾取被测信号2 通过传感器拾取被测信号3 通过接口直接拾取被测信号4 通过测量仪表拾取被测信号 2 输入通道特点作为信号获取的门户和通道 输入通道具有以下特点 1 输入通道要靠近信号拾取对象2 输入通道常常是一个模拟和数字的混合电路3 输入通道电路设计与多种因素相关4 输入通道的环境无主观选择余地5 输入通道靠近现场 易受干扰 4 2 2采集信号调理的主要功能1 被采集信号的特点传感器感应物理现象并生成与被检测的物理量成比例的电信号 传感器输出信号的类型 主要有电阻 电压 电流和频率等四类信号 2 信号调理功能信号调理功能主要有 1 放大功能2 隔离功能3 多路复用功能4 滤波功能5 激励功能6 线性化功能 4 2 3模拟开关1 模拟开关的分类2 模拟开关的主要技术指标模拟开关的主要技术参数如下 1 通道数量 2 泄漏电流IS 3 导道电阻Ron 4 导通电阻的平坦度 5 切换速度 6 电源电压范围 4 2 4测量放大电路1 测量放大器电路原理 测量放大器原理电路 测量放大器的增益由下列公式来确定 从而测量放大器输出电压为为了提高测量放大器的共模抑制比和降低温度漂移 测量放大器的电路结构采用对称行式 一般取 可得增益表达式为很显然 调节Rg可以很方便地改变测量放大器的增益大小 2 测量放大器主要技术指标测量放大器的主要技术指标有下面六个方面1 共模抑制比共模抑制比CMRR可表示为2 温度漂移3 非线性度4 建立时间5 恢复时间6 电源引起的失调 4 2 5模拟量 激励信号 输出1 D A转换原理根据叠加原理 D为任意数时四位D A转换器的总输出电压 R 2R梯形网络D A转换器原理 2 D A转换器的主要技术指标1 分辨率2 转换精度3 转换时间4 尖峰误差 D A转换器尖峰误差及消峰原理 3 D A转换电路输入与输出形式1 输入方式2 输出方式输出输入关系式为 D A转换器单极性输出电路 D A芯片连接成双极性输出的电路图及数字量与模拟量的关系如下图所示 D A转换器双极性输出电路 4 3采样保持与A D转换技术 4 3 1采样保持器1 采样保持的必要性在A D转换期间 输入的模拟信号发生变化 将会使A D转换产生误差 而且信号变化的快慢将影响误差的大小 假设输入信号是正弦波 而且要求对输入信号的瞬时值进行测量 为了使模拟信号变化产生的A D转换误差小于A D转换器分辨率的1 2 需要满足下式 式中 为A D转换器的满度值 tc为转换时间 为输入信号 假定 且 则有 2 采样保持器的组成原理采样保持器 S H 可以取出输入信号某一瞬间的值并在一定时间内保持不变 采样保持器有两种工作方式 即采样方式和保持方式 在采样方式下 采样保持器的输出必须跟踪模拟输入电压 在保持方式下 采样保持器的输出将保持采样命令发出时刻的电压输入值 直到保持命令撤销为止 其原理如图所示 采样保持器电路原理 3 采样保持器的主要性能指标主要性能指标如下 1 捕获时间tAC 2 孔径时间tAP 3 保持建立时间tHS 4 孔径抖动 5 衰减率 采样保持器的动态特性 4 3 2A D转换器的分类和指标1 A D转换器分类 表4 3列出了6种常用的A D转换器比较 2 技术指标A D转换器常用以下几项技术指标来评价其质量水平 1 分辨率与量化误差 A D转换器的量化误差 2 转换精度 3 转换速率转换速率是指A D转换器在每秒钟内所能完成的转换次数 这个指标也可表述为转换时间 即A D转换从启动到结束所需的时间 两者互为倒数 例如 某A D转换器的转换速率为10MHz 则其转换时间是100ns 转换速度是一项重要的技术指标 速度越高价格越贵 4 满刻度范围满刻度范围是指A D转换器所允许最大的输入电压范围 满刻度值只是个名义值 实际的A D转换器的最大输入电压值总比满刻度值小1 2n n为转换器的位数 这是因为0值也是2n个转换状态中的一个 例如12位的A D转换器 其满刻度值为10V 而实际允许的最大输入电压值为 4 3 3高速A D转换器的原理目前高速ADC主要有逐次逼近式 并行式和分级式等几种类型 现简介如下 1 逐次逼近式ADC逐次逼近式ADC是目前应用最普遍的一种ADC 其电路结构简单 2 并行 或称闪烁 式ADC并行 或称闪烁 式ADC是一种转换速率最快的ADC 3 分级式ADC将两个或多个较低分辨率的闪烁式ADC组合起来 构成一个高分辨率的ADC是能够实现的 这就是目前流行的分级式ADC 又称流水线或多级式ADC subranging pipelined multi stageormultistepADC 分级式ADC结构框图 AD9220 AD9221 AD9223的12位流水线型A D转换器结构框图 4 4数据存储与数据传输技术 4 4 1ADC与CPU直接数据传输1 程序控制的数据传输方式2 DMA控制的数据传输方式 4 4 2基于高速数据缓存技术的数据传输方式1 基于双口RAM的高速数据缓存方式 2 基于FIFO的高速数据缓存方式FIFO FirstInFirstOut 是先进先出存储器 其特点是 同一存储器配备有两个数据端口 一个是输入端口 只负责数据的写入 另一个是输出端口 只负责数据的输出 IDT72251是一个8KB 9的FIFO存储器 4 5PCI总线及其接口技术 4 5 1基于PCI总线数据采集卡总体设计方案整个系统分成以下四大模块 1 信号调理模块 2 高速AD转换模块 3 PCI总线接口模块 4 CPLD时序控制模块 4 5 2PCI总线概述1 PCI总线特点PCI局部总线具有如下特点 1 高性能 2 线性突发传输 3 采用总线主控和同步操作 4 不受处理器限制 5 兼容性强 适合于各种机型 2 PCI总线系统结构 PCI系统结构原理框图 3 PCI总线信号定义 PCI总线操作命令表 PCI局部总线信号 4 5 3PCI总线接口设计1 总线接口方案选择PCI接口设计和ISA等I O接口设计有着完全不同的设计思想 PCI总线设备需要通过桥路控制器将PCI总线协议转换成本地总线协议 设计相对复杂 大致有以下三种实现方法 1 采用普通FPGA实现 2 CPLD 集成总线控制器 3 采用特殊FPGA实现 2 PCI9054简介PCI9054的主要功能特点如下 1 符合PCIV2 2规范 是一种新型的32位 33MHz总线主控接口控制器 2 采用通用总线主控接口 3 有32位多路复用或非多路复用本地局部总线 5 支持PCI双地址周期 DAC 4 与PCIV2 2电源管理规范兼容 3 PCI接口电路设计基于PCI9054的PCI总线接口电路形式比较简单 原理框图如图所示 PCI接口设计原理图 PCI9054的本地总线仲裁信号包括 LHOLD LHOLDA ADS BLAST 和READY 应答握手信号LHOLD和LHOLDA直接相连 ADS BLAST 和READY 与CPLD实现的本地仲裁逻辑相连 如图所示 本地仲裁逻辑图 4 PCI配置空间的实现 1 配置空间简介头域空间的组织结构如表所示 头域空间的组织结构 2 配置寄存器的访问配置空间的访问可以采用两种方式 一种是采用BIOS访问 第二种是采用I O口访问 I O访问比较简单 PLX公司提供的PLXMON软件可对设备卡进行调试 该软件可以访问设备卡的配置空间 在这个基础之上又在Windows98下采用C语言写了一段小程序对配置空间进行了访问 参考程序代码如下 include includeVoidmain unsingnedlongdata address Address 0 x80000000 9 8 0 x100 插槽号为9 outpd 0 xocf8 address Data inpd 0 x0cfc Printf x data Address 0 x80000004 9 8 0 x100 访问第二个寄存器 outpd 0 x0cf8 address Data inpd 0 x0cfc printf x data 4 6多通道的组建方案 4 6 1不带采样 保持器的A D转换通道模拟输入信号的最大变化率与A D转换器的转换速率有如下关系 式中 ts A D转换器的转换时间 UFS A D转换器的满量程电压 n A D转换器的位数 对于正弦输入信号 模拟信号电压的最大变化率发生在正弦信号过零时 则可得 4 6 2带采样 保持器的A D转换通道当模拟输入信号变化率较大时 A D通道需要使用采样 保持器 这时模拟输入信号的最大变化率取决于采样 保持器的孔径时间tAP 用tAP代替tC 其关系为如果将保持命令提前发出 提前的时间与孔径时间相等时 则模拟输入信号的最大变化率取决于孔径时间的不稳定性 即孔径不确定度可由下式决定 例4 1 采样频率 问采样频率是否太高 解因为所以不高 但是 当 100MHz时 若其它值不变 则这时太高了 不能保证整个A D转换正常进行 所以并不是只要有采样 保持器 采样频率就可以不受限制 而是仍然存在最高采样频率的限制 带采样 保持器的A D通道的形式有以下几种 1 多通道共享采样 保持与A D转换器 多路通道共享采样 保持与A D转换器 例4 2 设数据采集系统为8路巡回采集 A D转换器的位数为8位 信号幅值Um UFS 孔径不定解可得 而根据孔径误差确定的信号上限频率为 由于 信号的上限频率取决于每路信号的吞吐时间 而非孔径误差 2 多通道共享A D转换器 多通道共享A D转换器 3 多通道并行A D转换下图为多通道并行A D转换的系统框图 4 7多功能数据采集卡典型实例分析 4 7 1多功能数据1 板卡的测量功能多功能DAQ板卡通常包括模拟量输入 模拟量输出 数字I O 定时 计数以及触发等多种测量功能 1 信号采集 模拟量输入 2 信号产生 模拟量输出 3 计数与定时4 数字I O5 触发 2 板卡的通信功能1 板卡与计算机的连接总线 1 内插式DAQ板卡 2 外挂式DAQ板卡2 板卡与被测对象连接的输入信号线DAQ板卡的模拟信号输入模式有单端和差分两种 其作用和连接方式是不同的 1 单端电压信号输入 2 差模电压信号输入 3 对板卡的基本要求根据测试对象及系统的技术指标 主要考虑下列因素 1 输入信号的特性2 对输入通道性能的要求输入通道的主要技术指标有 1 通道的通过速率 2 通道的分辨率 3 通道的精度3 接口特性 4 7 2PCI 1200的组成原理及技术性能1 PCI 1200卡的组成原理1 PCI 1200卡的组成原理框图 2 I O连接器PCI 1200卡通过I O连接器输入或输出模拟和数字信号 I O连接器引脚分布如图所示 PCI 1200卡的I O连接器引脚说明如表所示 2 PCI 1200板卡的组态1 板卡模拟I O的组态2 模拟输出极性3 模拟输入极性 4 模拟输入方式 1 RSE输入 8通道 复位态 2 NRSE输入 8通道 3 DIFF输入 4通道 3 主要性能模拟输入 1 模拟通道数 8路单端输入或4路双端输入 DC耦合 2 信号输入方式 单端输入 有参考地和无参考地两种 差分输入 3 A D转换器 逐次逼近型 12位 100KS s 4 输入范围 5V 双极性 0 10V 单极性 划分为七档 5 每档通道增益分别为 1 2 5 10 20 50 100 6 FIFO缓存容量 4096次采样值 2 模拟输出 1 输出通道数 2路电压输出 2 分辨力 12位 1 4096 3 典型更新速率 20S S 1KS S 取决于系统 4 D A转换器 双缓冲 12位 5 s 满量程建立时间 5 输出范围 0 10V 5V电压输出 DC耦合 6 输出特性 0 2 输出阻抗典型值 2mA 驱动电源 3 数字I O 1 通道数 24I O 三个8位端口 用82C55并行接口芯片 2 兼容性 TTL电平 3 上电状态 全部端口为方式O输入4 定时I O 1 通道数 3路计数器 定时器 2 分辨力 16位 3 兼容性 TTL电平 4 基本时钟 2MHz 4 7 3模拟输入信号的连接1 模拟输入信号的连接1 输入的连接 模拟输入信号范围 2 信号源类型当组态PCI 1200卡的输入模式和进行信号连接时 首先必须明确被测信号源是浮空的还是有参考地的 这两种类型的信号源说明如下 1 浮空信号源 2 有参考地信号源2 输入组态的应用PCI 1200卡可以组态成RSE NRSE或DIFF三种输入方式中的任何一种 1 差分连接 DIF组态 的应用 1 有参考地信号源的差分连接下图表示了有参考地的信号源与组态成DIFF输入模式的PCI 1200卡的连接方法 2 浮空信号源的差分连接下图表示了浮空信号源与组态成DIFF输入模式的PCI 1200卡的连接方法 2 单端连接的应用单端连接是指PCI 1200卡所有模拟输入信号均以一个公共地作为参考的连接 输入信号连接在测量放大器的正输入端 它们的共地点接在测量放大器的负输入端 1 浮空信号源的单端连接 RSE组态 下图表示了浮空信号源与组态成RSE模式的PCI 1200卡的连接方法 2 有参考地信号源的单端连接 NRSE组态 下图表示了有参考地信号源与组态成NRSE模式的PCI 1200卡的连接方法 3 共模信号抑制 4 7 4PCI 1200卡的功能单元PCI 1200卡包含PCI接口电路 定时电路 模拟输入电路 模拟输出电路 数字I O等5个功能单元 1 PCI接口电路PCI 1200卡接口电路由PCI接口芯片和数字逻辑控制芯片构成 如下图所示 2 定时电路1 定时电路组成PCI 1200卡用两片82C53定时 计数器为内部A D D A转换及通用I O提供定时功能 下图为A B两片定时电路的组成框图 2 通用功能的定时信号连接 带外部开关门的事件计数 频率测量 3 模拟输入电路1 模拟输入通道的组成2 多路输入及通道扫描3 抖动 Dither 电路4 ADC的输出 4 模拟输出电路1 模拟输出电路下图所示为模拟输出电