第6章测试系统基本单元模块(2)-数据采集系统

第6章测试系统基本单元模块(2)———数据采集系统第一页，共51页。６.１数据采集系统概述６.２模拟量数据的采集６.３数字量数据的采集６.５智能数据采集系统６.６综合应用实例６.４ＣＡＮ总线数据输出采集第二页，共51页。

６.１数据采集系统概述6.1.1连续量的时间离散化概念连续量可用一个连续函数表示，它在有界的时间段及有界的量值范围内取值是连续的。若以Δｔ

为时间间隔，测得连续信号在时间Ｔ＝ｎΔｔ内，ｎ个离散时刻的取值，则由连续信号函数得到一个在时间上离散化的时间序列。6.1.2连续量的幅值量化概念如图６-１所示，如瞬时值均取

由表示，显然，转换后的数字信号与原模拟信号之间存在误差。第三页，共51页。

６.１数据采集系统概述例如，欲将满量程为0~10Ｖ的电压模拟量离散为8种不同输出状态，则各分界点的电压应分别是0，1.25Ｖ，2.5Ｖ，3.75Ｖ，5Ｖ，6.25Ｖ，7.5Ｖ，8.75Ｖ，如图６-２所示。第四页，共51页。

６.１数据采集系统概述从图６-２还可看出，相对同一个编码，存在一个电压范围，将其记作Ｑ，其值可由下式计算:第五页，共51页。

６.２模拟量数据的采集为了保证实现试验数据模拟量能够准确、实时地转化成数字量，便于后端处理设备进行相应的数据处理和存贮，数据采集系统通常由以下主要部分组成:(１)信号调理:包括多路转换器、可调增益放大器、抗混叠(淆)滤波器。(２)采样/保持:采样/保持器(S/H)。(３)模数转换:A/D转换器(ADC)，V/F变换器。(４)数模转换:D/A转换器。(５)其他:如:定时/计数器、总线接口电路等。6.2.1多路转换器(Multiplexer，MUX)第六页，共51页。

６.２模拟量数据的采集由于通道间相互影响，在选择和设计模拟多路开关时必须考虑以下问题:(１)通道数目根据采集数据的多少来选定，多路开关元件一般为四路、八路或十六路；(２)开关接通电阻要尽量小，关断电阻要尽量大；(３)开关切换时间要尽量短；(４)开关的极间电容和寄生电容要小；(５)采集信号的输入方式有时某些采集信号的信号源本身具有较大的共模电压，这时要考虑对共模信号的抑制和使用差分输入方式。第七页，共51页。

６.２模拟量数据的采集6.2.2采样保持器图６-４为采样/保持器的原理图。第八页，共51页。

６.２模拟量数据的采集采样保持工作过程示意如图６-５所示。第九页，共51页。

６.２模拟量数据的采集图６-６为LF3981内部结构及引脚图。第十页，共51页。

６.２模拟量数据的采集6.2.3

A/D转换器１)双积分A/D转换原理第十一页，共51页。

６.２模拟量数据的采集２)逐次逼近法A/D转换原理第十二页，共51页。

６.２模拟量数据的采集３)A/D转换器的主要参数

A/D转换器的两个主要的技术指标为分辨率和转换时间。(１)分辨率。分辨率是指输出的数字量变化一个相邻的值所对应的输入模拟量的变化值。A/D转换器的分辨率习惯上以输出二进制位数或BCD码位数表示，分辨力以1LSB(最低有效位)表示。(２)转换时间。转换时间是指完成一次A/D转换所需的时间，在这段时间里A/D转换器的输入模拟电压值通过前置的采样保持器，保持稳定不变，否则将会造成动态误差。第十三页，共51页。

６.２模拟量数据的采集１)R-2RT型电阻网络D/A转换器实际应用的D/A转换器，普遍采用R-2RT型电阻网络，其结构如图６-９所示。6.2.4Ｄ/Ａ转换器第十四页，共51页。

６.２模拟量数据的采集图６-９中无论从哪个R-2R的节点向上或向下看，等效电阻都是R；从d3、d2、d1、d0看进去的等效输入电阻的是3R。所以从每一开关流入的电流Ｉ可以看作相等，即。这样由开关d3

~d0流入的电流Ｉ经过Ｔ型电阻网络的分流，实际进入运算放大器输入端的电流依次为和。设d3、d2、d1、d0为输入的二进制数字量，于是输出的电压值为:第十五页，共51页。

６.２模拟量数据的采集２)Ｄ/Ａ转换器的主要性能指标(１)分辨率Δ:指D/A转换器所能分辨最小的量化信号的能力，这是对微小输入量变化的敏感程度的描述，一般用转换器的数字量的位数来表示。(２)建立时间:是DAC转换速度快慢的一个重要参数，指DAC的数字输入有满刻度值的变化时，其输出模拟信号电压(或电流)达到满刻度值1/2LSB时所需要的时间。其他还有绝对精度、相对精度、线性度、温度系数和非线性误差等性能指标。第十六页，共51页。

６.３数字量数据的采集6.3.1

SPI数字接口数据采集１)SPI的数据传输LPC2400系列处理器的SPI接口模块的结构框架图如图６-１０所示。第十七页，共51页。

６.３数字量数据的采集LPC2400系列处理器的SPI接口占用4条引脚，分别是SCK、SSEL、MISO和MOSI，其具体描述如下:(１)串行数据输入(也称为主进从出，或MISO)；(２)串行数据输出(也称为主出从进，或MOSI)；(３)时钟信号(也称为SCK)；(４)从使能信号(也称为SSEL)。LPC2400系列处理器的SPI有4种不同的数据传输格式，其时序图如图６-１１所示。第十八页，共51页。

６.３数字量数据的采集第十九页，共51页。

６.３数字量数据的采集数据和时钟的相位关系如表６-２所示。该表针对CPOL和CPHA的每一种设定值和以下三种情况进行了总结:(１)当驱动第一个数据位时；(２)当驱动所有其他数据位时；(３)当采样数据时。第二十页，共51页。

６.３数字量数据的采集２)SPI接口寄存器描述LPC2400系列处理器SPI接口共有5个寄存器，所有寄存器都可以以8位、16位和32位访问，详情如表６-３所示。第二十一页，共51页。

６.３数字量数据的采集6.3.2

RS-232接口数据采集１)RS-232C接口概述图６-１２所示为ＤＢ-２５和ＤＢ-９两种类型连接器的外形及引脚定义。第二十二页，共51页。

６.３数字量数据的采集２)电平转换芯片及接口电平转换的连接原理如图６-１３所示。第二十三页，共51页。

６.３数字量数据的采集３)在通信中RS-232C总线的连接方法(１)远距离通信计算机通过MODEM或其他数据通信设备(DCE)使用一条电话线进行远程通信时，RS-232C的连接方法如图６-１４所示。第二十四页，共51页。

６.３数字量数据的采集(２)近距离通信如图６-１５所示，通信双方通过直接连接，不需要使用调制解调器就可以实现近距离通信。第二十五页，共51页。

６.３数字量数据的采集6.3.3

USB接口数据采集１)USB概述USB(Universal

Serial

Bus)被称为通用串行总线如图６-１６所示，是由Intel等厂商制定的连接计算机与具有USB接口的多种外设之间通信的串行总线。第二十六页，共51页。

６.３数字量数据的采集２)USB的物理接口及电气特性如图６-１７所示，USB插座有两种形式:A型和B型，有4条信号线，其中两条电源线(+5V和GND)、两条数据线。第二十七页，共51页。

６.３数字量数据的采集图６-１８所示的为高速外设的USB电缆与电阻的连接图。第二十八页，共51页。

６.３数字量数据的采集３)USB的软件结构(１)通用主控制器驱动程序(UHCD)处于软件结构的最底层，用于管理和控制USB主控制器及其通信。(２)USB驱动程序(USBD)处于软件结构的中间层，用于实现USB总线驱动、带宽分配、管道建立和控制通道的管理。(３)USB设备驱动程序处于软件结构的最上层，用于实现对特定USB设备的管理和驱动，是USB系统软件和USB应用程序之间的接口。当设计一种新USB设备时需要编写相应的设备驱动程序。４)USB的传输模式(１)控制传输控制传输发送设备请求信息，主要用于读取设备配置信息以及设备状态、设置设备地址、设置设备属性、发送控制指令等功能。(２)同步传输同步传输仅适用于高速/全速设备。第二十九页，共51页。

６.３数字量数据的采集(３)中断传输中断传输用于支持数据量少的周期性传输需求。(４)块数据传输块数据传输是非周期性的数据传输，仅全速/高速设备支持块数据传输，同时，当且仅当总线带宽有效时才进行块数据传输。6.3.4定时器/计数器数据的采集１)定时器/计数器的结构及工作原理其中设置有两个１６位的可编程定时器/计数器，具有４种工作方式，其结构如图６-１９所示。第三十页，共51页。

６.３数字量数据的采集定时器由一个Ｎ位计数器、计数时钟源控制电路、状态和控制寄存器等组成，计数器的计数方式有加１和减１两种，计数时钟可以是内部时钟也可以是内部时钟，其工作原理如图６-２０所示。第三十一页，共51页。

６.３数字量数据的采集(１)MCS-51内部定时器/计数器可以分为定时器模式和计数模式两种。在这两种模式下，又可单独设定为方式0、方式1、方式2和方式3工作。(２)定时模式下的定时时间或计数模式下的计数值均可由ＣＰＵ通过程序设定，但都不能超过各自的最大值。最大定时时间或最大计数值和定时器/计数器位数的设定有关，而位数设定由取决于工作方式的设定。例如，若定时器/计数器在定时模式的方式0下工作，则它按二进制13位计数。因此，最大定时时间为:式中:Ｔ计数———定时器/计数器的计数脉冲周期时间，由单片机主脉冲经12分频得到。(３)定时器/计数器是一个二进制的加１计数器，当计数器计满回零时能自动产生溢出中断请求，表示定时时间已到或计数已经终止。第三十二页，共51页。

６.３数字量数据的采集２)定时器/计数器的控制寄存器如图６-２１所示，定时器/计数器T0、T1都有4种工作方式，可通过程序对TMOD设置来选择。TMOD的低4位用于定时器/计数器0，高四位用于定时器/计数器1，其位定义如下:(１)C/D:定时或计数功能选择位，其值等于1时为计数方式，等于0时为定时方式。(２)M1、M0:定时器/计数器工作方式选择位，其值与工作方式的对应关系如图５-９所示。(３)GATE:门控位，用于控制定时器/计数器的启动是否受外部中断请求信号的影响。第三十三页，共51页。

６.３数字量数据的采集３)定时器/计数器的工作方式当M1M0

=00时，定时器/计数器设定为工作方式0，构成13位定时器/计数器。其逻辑结构如图６-２２所示(图中ｘ取0或1，分别代表T0或T1的有关信号)。第三十四页，共51页。

６.３数字量数据的采集如果C/T

=1，图中开关S1自动地接在下面，定时器/计数器工作在计数状态，加法计数器对TX引脚上的外部脉冲计数。计数值由下式确定:式中:Ｎ———计数值；

———THX、TLX的初值。

时为最小计数值1，时为最大计数值8192，即计数范围为1

~8192。C/T=0时为定时方式，开关S1自动的接在上面，加法计数器对机器周期脉冲

计数，每个机器周期TLx加1，定时时间由下式确定:式中:

———单片机的机器周期。

如果振荡频率，则，定时范围为。第三十五页，共51页。

６.４ＣＡＮ总线数据输出采集6.4.1

CAN总线简介CAN，全称为，即控制器局域网，是国际上应用最广泛的现场总线之一。CAN是一种多主方式的串行通信总线，基本设计规范要求有高的位速率，高抗电磁干扰性，而且能够检测出产生的任何错误。如今CAN总线网络应用在众多应用领域系统中，不仅因为其成本低廉，还由人通过这种网络可进行牢靠而高速的通信。CAN总线协议是基于串行通信ISO11898标准的，在现场总线中，它是唯一被国际标准化组织批准的现场总线，图６-２３为CAN总线在汽车电子中的拓扑图。第三十六页，共51页。

６.４ＣＡＮ总线数据输出采集6.4.2

CAN总线数据的采集表６-４是CAN2.0A协议标准帧。第三十七页，共51页。

６.４ＣＡＮ总线数据输出采集１)CAN数据帧数据帧携带数据由发送器至接收器，它由7个不同的位场组成，分别是帧起始、仲裁场、控制场、数据场、CRC场、应答场以及帧结束，如图６-２４所示。第三十八页，共51页。

６.４ＣＡＮ总线数据输出采集(１)帧起始:标志一个数据帧或远程帧的开始，它是一个显性位。(２)仲裁场:包括报文标识符11位(CAN2.0A标准)和远程发送申请RTR位，这12位共同组成报文优先权信息。数据帧的优先权比同一标识符的远程帧的优先权要高。(３)控制场:由6位组成，包括2位作为控制总线发送电平的备用位(留作CAN通信协议扩展功能用)与4位数据长度码。其中数据长度码(DLC0~DLC3)指出了数据场中的字节数目0

~8(被发送/接收的数据的字节数目)。(４)数据场:存储在发送缓冲器数据区或接收缓冲器数据区中以待发送或接收的数据，按字节存储的数据可由微控制器发送到网络中，也可由其他节点接收。其中第一个字节的最高位首先被发送或接收。(５)CRC场:又名循环冗余码校验场，包括CRC序列(15位)和CRC界定符(1个隐性位)。CRC场通过一种多项式的运算，来检查报文传输过程中的错误并自动纠正错误。这一步由控制器自身来完成。(６)应答场:包括应答间隙和应答界定符两位。(７)帧结束:每一个数据帧和远程帧均结束于帧结束序列，它由７个隐性位组成。第三十九页，共51页。

６.４ＣＡＮ总线数据输出采集２)SJA1000SJA1000的硬件结构框图如图６-２５所示，通过它讲述CAN总线数据的采集。第四十页，共51页。

６.５智能数据采集系统6.5.1智能测试系统的基本结构及功能１)系统硬件组成智能测试系统典型结构如图６-２６所示。第四十一页，共51页。

６.５智能数据采集系统(１)微机子系统:微机子系统是整个系统的核心，对整个系统起监督、管理、控制作用。(２)数据采集子系统及接口:用于和传感器、测试元件、变送器连接，实现参数采集、选路控制、零点校正、量程自动切换等功能。被测参数由数据采集子系统收集、整理后，传送到微机子系统处理。(３)基本I/O子系统及接口:实现人—机对话、输入或修改系统参数、改变系统工作状态、输出测试结果、动态显示测控过程、实现以多种形式输出、显示、记录、报警等功能。(４)通信子系统及接口:用于实现本系统与其他仪器仪表、系统的通信与互联，依靠通信子系统可根据实际问题需求灵活构造不同规模、不同用途的微机测控系统。(５)控制子系统及接口:实现对被测控对象、被测试组件、测试信号发生器以及系统本身和测试操作过程的自动控制。第四十二页，共51页。

６.５智能数据采集系统２)系统软件结构测试系统的软件通常由初始化模块、数据采集模块、测试算法模块、人—机接口、时钟管理、故障自诊断与处理、中断管理和监控程序等九大部分组成。监控程序调用功能模块，形成一个有机整体，实现对测试系统的全面管理，如图６-２７所示。第四十三页，共51