《数字化测量系统》-第六章

6.1概述微型计算机广泛应用于测量和控制，形成了各种各样的通用或专用微机测控系统。在这些应用中，数据采集系统是不可缺少的。它能把模拟的物理参数的真实世界与数字处理和数字控制的仿真世界连接起来，实现数据转换与传送的功能。一般来说，在微机测控系统中，数据采集系统包括：模拟信号的输入输出和数字信号的输入输出，数据采集系统的输入称为数据收集，输出称之为数据分配。数据收集是将来自各种各样传感器的模拟量实时地、准确地测量或汇集起来，送到后续的计算机进行实时处理，并输出以实现对物理系统的控制，或记录存储起来以供事后的分析之用。图6.1.1所示是数据收集系统的一般组成框图。下一页返回6.1概述数据分配是数据收集的逆向转换，在计算机化的反馈控制系统中数据收集作为系统的输入，计算机通过数据分配系统输出控制功能来闭合过程控制回路。图6.1.2所示是数据分配系统的一般组成框图。由于计算机的控制输出是数字数据，因而必须转换成模拟信号以驱动过程。转换采用D/A转换器，每个D/A转换器是通过缓冲锁存器与计算机数据总线相连接，锁存器的操作是由计算机控制的地址译码与控制逻辑来完成。设计数据采集系统必须考虑的基本问题如下：①输入输出通道的分辨率及精度。②输入输出通道数及多通道的结构配置。③输入通道的采样速率及数据吞吐率。

上一页下一页返回6.1概述④输出通道的稳定时间。⑤输入模拟信号的调理。⑥输出负载特性及驱动问题。⑦与微机接口时寻址和控制方式。⑧成本因素。建立数据采集系统的方式有两种：其一，综合考虑以上因素，选用标准集成电路自行设计所需要的数据采集系统，这就是芯片级设计。其二，综合考虑以上因素，选用通用模块板，通过标准总线的连接构成所要求的数据采集系统，这就是板级设计，也称之为系统集成。前者经济合理，对设计者要求高，且周期长；后者可扩展性好，周期短，但成本远高于前者，对特殊要求的应用不能完全适用。

上一页返回6.2数据采集原理数据采集系统是数据获取与数据分配的综合系统，既具有模拟信号转换为数字信号的功能，又具有数字信号转换为模拟信号的功能。因此，可以说数据采集系统是实现信号变换并进行数据传输的集计算机、模数转换与数模转换于一体的混合系统。模拟信号转换为数字信号的过程是采样过程与量化过程的结合，采样的实质是将连续信号离散化，量化的过程是将已离散的信号进行编码变换成数字码的过程。数字信号转换为模拟信号的过程是将已采样信号恢复的过程。

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6.2.1采样与量化过程1.采样过程采样就是以一定的时间间隔(称之为采样周期)从连续信号中抽取瞬间值的过程，抽取的时间与采样周期相比很小，采样的过程可以用图6.2.1说明。采样器可以用一个脉冲(采样脉冲)控制的开关等效，如图6.2.1所示，采样脉冲s(t)通常是一占空比非常小的周期性矩形脉冲，其高电平宽度为t0，周期为T，在s(t)的高电平期间，开关S闭合，输出fs(t)与输入f(t)相等，这一期间称之为采样期，在s(t)的低电平期间，开关S断开，输出fs(t)不再跟随输入f(t)的变化而变化。因此，采样过程可用下式表述上一页下一页返回6.2数据采集原理2.量化过程量化过程就是将经采样得到的离散信号编成数字码的过程，这一过程是在采样过程之后进行的，两个过程按序完成即实现了模拟量至数字量的转换，也即实现了信号的数据收集，数据收集通常由A/D转换电路实现，A/D转换是集采样与量化于一体的专门电路。数据收集的过程不但存在固有的量化误差，还存在因在A/D转换期间被转换信号的幅度发生变化导致的振幅误差。为确保模拟量至数字量转换的转换精度，要求在A/D转换期间输入信号的幅度尽可能不发生变化，变化的幅度直接影响到转换的精度。在A/D转换期间内，被转换信号的幅度变化越大，则误差越大，而A/D转换时间越短(或转换速率越高)则误差越小。

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因此，为了减小转换误差，一方面，应确保在转换期内信号的幅度保持不变，另一方面，应提高A/D转换器转换速率。前者可以采用采样保持器解决，后者依赖于A/D转换器转换速率。理论上讲，在采用了采样保持器并选用了符合转换速度要求的A/D转换器之后，幅度误差问题可以得到解决，但实际上任何器件都不是理想的，器件的非理想性仍然会导致转换误差。影响转换幅度误差的主要因素包括采样保持器的孔径时间、A/D转换器的转换时间以及信号的频率。

上一页下一页返回6.2数据采集原理6.2.2孔径时间(转换时间)、分辨率以及信号频率对转换振幅误差的影响当输入信号经采样开关S直接与A/D转换器连接时，在采样开关S闭合的时间里A/D要完成模拟量到数字量的转换，因此，采样时间就是转换时间(图6.2.2(a)所示中的t0)。而当输入信号经采样保持器与A/D转换器连接时，采样保持器在保持指令发出到采样开关完全断开之间存在时间上的延迟，该延迟称之为孔径时间(图6.2.2(b)所示中的t0)。

上一页下一页返回6.2数据采集原理一般情况下，输入信号f(t)是变化的，对于不经采样保持直接转换的模式，由于转换需要时间，在转换期间t0内输入A/D的信号幅度发生变化，引起振幅误差△f；而对于经采样保持后转换的模式，在孔径时间t0里，输入A/D的信号幅度也发生变化，同样引起振幅误差△f。虽然两种引起振幅误差的原因不同，但本质都是在转换期间内A/D转换器的输入信号的幅度发生变化所致，因此，我们将图6.2.2(a)中的采样时间t0与图6.2.2(b)中的孔径时间t0。统一看做孔径时间，以便于后续分析。

上一页下一页返回6.2数据采集原理设输入信号f(t)是按正弦变化的信号，且f(t)=Asinωt，则在孔径时间内的幅度变化(幅度误差)为最大幅度误差为最大幅度误差与输入正弦信号峰-峰值的比值为γ实际上就是峰-峰满度值相对振幅误差。

上一页下一页返回6.2数据采集原理若最大幅度误差△fmax小于等于A/D转换器的分辨力(1LSB)或l小于等于A/D的分辨率1/2n时，A/D转换电路是合理的。为此，当A/D转换电路能有够达到转换精度要求时应上一页下一页返回6.2数据采集原理式(6.2.7)即转换时间(孔径时间)、A/D分辨率以及信号频率之间的关系。该式说明分辨率及信号频率越高，A/D转换速率要求越高，当分辨率确定后，信号频率与A/D转换时间成反比，与转换速率成正比。例如，若A/D的分辨率为12bits，转换时间为25us，当采用该A/D直接测量正弦信号时，由式(6.2.7)可计算出，被测量正弦信号的频率必须小于3.1Hz。显然，直接测量的方式远未能发挥A/D的性能。

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要提高被测量正弦信号的频率，解决的方法有两种：一是更换采用高速A/D，假设要求提高被测量正弦信号的频率至1.5kHz，则根据式(6.2.7)可计算出A/D的转换时间应缩短至50ns；二是在A/D之前设置一孔径时间远小于A/D转换时间的采样保持器，此时相当于将A/D转换器的转换时间提高到采样保持器的孔径时间。在上例中，在A/D之间加入一孔径时间为50ns的采样保持器，则根据式(6.2.7)可计算出被测量正弦信号的频率提高至1.5kHz。通过上面的分析可得出下以下结论：

上一页下一页返回6.2数据采集原理①在数据收集系统中，当被测量信号非直流信号时，一般应在A/D转换器的前端设置一孔径时间远小于A/D转换时间的采样保持器，提高被采集输入信号的频率。此时，A/D转换器的启动指令的发出时刻应滞后于S/H保持指令的发出时刻，且S/H的保持时间应大于A/D的转换时间。②被测量信号为直流信号时，由于在转换期间信号幅度不发生变化，可以直接采用A/D转换器对输入信号实施数据收集，不必设置采样保持器。③如果被测量信号的频率非常高，采样保持器的孔径时间指标无法满足要求，则应改为采用并行式高速A/D转换器，对被测量信号实施数据收集，此时也无需在A/D的前端设置采样保持器。

上一页下一页返回6.2数据采集原理6.2.3采样定理1.时域采样见图6.2.1，令输入信号f(t)的傅里叶变换为F(ω)；采样脉冲序列s(t)的傅里叶变换为S(ω)；采样后信号fs(t)的傅里叶变换为Fs(ω)。若采用均匀采样，采样周期为Ts，采样频率为因为s(t)是周期信号，因此其傅里叶变换为上一页下一页返回6.2数据采集原理其中Sn是s(t)的傅里叶级数的系数根据频域卷积定理有上一页下一页返回6.2数据采集原理式(6.2.11)表明：信号在时域被采样后，它的频谱Fs(ω)是连续信号频谱F(ω)的形状以采样频率ω

s为间隔周期地重复而得到，在重复的过程中幅度被s(t)的傅里叶系数Sn所加权。因为Sn只是n的函数，不是频率ω的函数，所以F(ω)在重复的过程中形状不发生变化。

上一页下一页返回6.2数据采集原理当采样脉冲s(t)为图6.2.1所示的波形，设脉冲幅度为E，则有上一页下一页返回6.2数据采集原理则矩形脉冲采样信号的频谱为显然，在这种情况下，F(ω)在以ω

s为周期的重复过程中振幅以的规律变化。矩形脉冲采样信号的频谱图见图6.2.3。

上一页下一页返回6.2数据采集原理2.采样定理模拟信号被采样后变为了离散信号，它是否保留了原信号f(t)的全部信息，也即，在什么条件下，可从采样信号fs(t)中无失真地恢复原连续信号f(t)，采样定理给出了答案。采样定理的内容是：一个频带受限的信号f(t)，如果频谱只占据-ωm~+ωm的范围，则信号f(t)可以用等间隔的采样值唯一地表示。采样间隔必须不大于1/2ωm，或者说最低采样频率为2ωm。

上一页下一页返回6.2数据采集原理参见图6.2.4可以证明采样定理。图(a)是连续信号的频谱，信号f(t)的频谱F(ω)限制在-ωm~+ωm的范围内，若以间隔Ts对f(t)进行采样得到采样信号fs(t)，fs(t)的频谱Fs(ω)是F(ω)以ωs为周期重复，若采样过程满足式(6.2.1)，则F(ω)频谱在重复过程中是不产生失真的。图(b)和图(c)分别是高采样频率时采样信号及频谱和低采样频率时采样信号及频谱。图中可以看出，当满足ωs≥2ωm条件时，频谱Fs(ω)会产生频谱混叠(低采样频率采样的情况)，而当ωs<2ωm时，频谱Fs(ω)产生频谱混叠(低采样频率采样的情况)。因此，只有满足ωs≥2ωm条件，Fs(ω)才不会产生频谱混叠。这样，采样信号fs(t)保留了原连续信号f(t)的全部信息，完全可以用fs(t)唯一地表示f(t)，或者说，完全可以由fs(t))恢复出f(t)。

上一页下一页返回6.2数据采集原理对于采样定理，可以从物理概念上做如下解释：由于一个频带受限的信号波形绝不可能在很短的时间内产生独立的、实质的变化，它的最高变化速度受最高频率分量ωm的限制。因此为了保留这一频率分量的全部信息，一个周期的间隔内至少采样两次，即必须满足ωs≥2ωm。通常把最低允许采样频率ωs=2ωm称为“奈奎斯特(Nyquist)频率”，对应的采样周期(间隔)称为“奈奎斯特间隔”。从图6.2.4(b)中可以看到，由于ωs≥2ωm，频谱F(ω)没有发生混叠，可以采用一截止频率为ωm的理想低通滤波器从频谱Fs(ω)中无失真地截取出频谱F(ω)，从而恢复原信号F(t)。

上一页下一页返回6.2数据采集原理在实际系统中，严格地说，无论采样频率取得多高，也不可避免产生频谱之间的重叠，这就会带来误差。然而对大多数的信号来说，幅度频谱在高频时衰减大，大部分能量集中在某个频带内。至于频带取多宽，需要根据所要求的测量精度而定，这时可以根据最高频率选取采样频率ωs。实际中所取采样频率比奈奎斯特频率大许多倍，例如，一般在工业测控中一般取ωs=(2.5~3)奈奎斯特频率；而在计算机数据处理或数字仿真系统中则往往取ωs=(10~100)奈奎斯特频率。

上一页下一页返回6.2数据采集原理在工程上为了把混叠误差减小到可以接受的程度，必须或可以采取以下措施：①在对系统输入的模拟信号进行初步分析的基础上，预先确定信号的有效频带宽度。②在采样之前，先用截止频率特性陡峭的抗混叠滤波器对模拟输入信号进行抗混叠滤波，进一步使输入信号的频率分量限制在一定的频带内。③根据实际需要在兼顾器件成本、信号传输资源的成本的前提下，尽可能采用高的采样频率，在目前的情况下，采样频率的选取在满足采样定理的前提下，主要要考虑信号传输资源的成本。

上一页下一页返回6.2数据采集原理3.采样信号的恢复对模拟输入信号采样的目的是进行数字测量与数字传输，在许多工程应用中，还需要将采样的信号在数字测量与传输后恢复成原来的信号。从理论上讲，从fs(t)可以精确地恢复出f(t)，但这一过程需要一个在实际中无法做到的理想滤波器。目前在工程上普遍采用的方法是利用D/A转换器将采样的信号fs(t)恢复转换成f’(t)，f’(t)是f(t)的精确逼近。图6.2.5表示D/A转换器的输出波形，可以看出，它是一个宽度为Ts的阶梯波。D/A转换器不仅完成将数字信号转换为模拟信号，还起到了零阶保持器的作用，使原来采样的窄脉冲变成宽度为Ts的宽脉冲。

上一页下一页返回D/A转换器的输出f’(t)与输入信号f(t)的逼近程度与零阶保持器的频率特性有关，图6.2.6表示了零阶保持器的频率特性。其中幅频特性上的虚线表不理想滤波器的特性。由图可见，零阶保持器基本上是一个低通滤波器。与理想滤波器特性相比，在通带内，输出幅值下降，在高频阻带内，有信号通过，因此采样数据系统的输出将存在纹波。另外，从相频特性可见，零阶保持器要产生相位滞后，导致系统稳定性下降。

上一页返回6.2数据采集原理6.3.1模拟信号输入通道的基本结构1.特征指标在考虑模拟信号输入通道系统结构时必须注意以下特征指标：①输入信号电平，一般将1V以上的电压信号和1mA以上的电流信号作为高电平信号，电压小于1mV和电流小于1mA的信号作为低电平信号。

下一页返回6.3数据采集系统的结构原理②输入容量是指能接收的模拟信号的点数，即通道数。③采样转换速度是指总的模拟输入通道将模拟信号转换为数字信号并传送至微机或存储单元的速度，一般以每秒点数为标志。①系统总精度，一般为1.0%~-0.01%。②共模抑制比。在这些指标中，系统采样速度和信号电平是区分系统结构的主要标志。按采样转换速度快慢分为低速、中速和高速，且在低电平和高电平下具有不同的意义。见表6.3.1。上一页下一页返回6.3数据采集系统的结构原理2.结构形式1)分时多通道数据收集系统分时多通道数据收集系统结构如图6.3.1所示。传感器输出的单端或双端信号经端子板输入给信号调理电路进行调理，调理的内容取决于传感器的电特性和信号用途，典型的调理包括：电的隔离、阻抗变换、放大、滤波、线性化以及各种各样的计算等。经过调理的模拟信号达到数据收集系统的标准信号范围(如电压为0~±5V，电流为2~20mA)，再输出给模拟多路选通开关。在控制器的控制指令控制下。某一通道被选通，便进入采样保持放大器。采样保持放大器的输出接A/D转换器，在计算机的控制下完成模拟信号到数字信号的转换。上一页下一页返回6.3数据采集系统的结构原理当传感器输出高电平信号时，输入端子板只需从机械方面考虑接线端的问题。若传感器输出低电平信号时，输入端子板不但要从机械方面考虑接线端的问题，还必须从电的方面加以考虑，特别要注意热电势及共模电压引起的误差，且信号调理电路必须有足够的增益，以使低电平信号满量程放大到后续的A/D转换器的满量程。上一页下一页返回6.3数据采集系统的结构原理2)伪同步多通道数据收集系统伪同步多通道数据收集系统结构如图6.3.2所示。这种系统结构的主要特点是每个通道加了采样保持放大器，可使各输入通道的信号被同时采样，消除了分时采样带来的时间歪斜误差。但由于A/D转换器只有一个，转换过程仍是分时进行的，在这一过程中由于各采样保持放大器在保持时间内的被保持信号的变化量不同，因此这种方式并不是真正同步的，故称之为伪同步或准同步。上一页下一页返回6.3数据采集系统的结构原理3)同步多通道数据收集系统同步多通道数据收集系统结构如图6.3.3所示。这是完全与实际自然时间同步的多通道数据收集结构。不但采样同步，消除了分时采集的歪斜误差，而且转换也是同步的，因此各通道转换值完全瞬时对应。上述三种结构目前均有应用，究竟采用哪一种结构，一般根据被采集信号的频率范围确定，对于缓变信号一般采用分时收集结构，对于中频范围的信号采用准同步收集结构，而对于动态范围大的信号或高频信号应采用同步结构。上一页下一页返回6.3数据采集系统的结构原理

6.3.2模拟信号输出通道的基本结构1.特征指标在考虑模拟信号输出通道结构时必须注意以下特征指标。①输出信号是电压还是电流，还是两者均有，是否有电隔离要求。②输出容量，这是指输出通道数。③输出精度。④输出稳定时间。上一页下一页返回6.3数据采集系统的结构原理2.结构形式1)数字分配分时转换结构数字分配分时转换结构如图6.3.4所示。这种结构是每个通道配置一套输出数据锁存器和D/A转换器，计算机处理的结果数据通过数据总线分时地选通至各通道输出锁存器，与此同时，D/A转换器立即实现数字数据到模拟信号的转换。各通道的输出部分一般都设有信号调理电路，以完成V/I或I/V转换、输出信号标度变换，必要时进行信号滤波或电气隔离。上一页下一页返回6.3数据采集系统的结构原理2)数字分配同步转换结构数字分配同步转换结构如图6.3.5所示。这种结构在分时转换结构的基础上增设了一级锁存器，计算机将分时处理后的数据分时锁存入第一级锁存器，待每个通道的锁存器均已锁存完毕后，再发出控制信号，将第一级锁存器中的数据同步锁存入第二级锁存器，再由后续D/A转换器同步转换输出。上一页下一页返回6.3数据采集系统的结构原理3)分时转换多通道模拟分配结构分时转换多通道模拟分配结构如图6.3.6所示。这种结构的特点是各通道共用一个D/A转换器和一个数据输出锁存器。计算机处理的结果数据通过数据总线依通道顺序分时传送至输出锁存器并进行D/A转换，产生相应通道的模拟输出值，而每个模拟输出通道在进行D/A转换的同时，计算机选通相应通道的采样保持器进行跟随，当该通道转换完成并接至下一个通道进行D/A转换时，该通道的采样保持器进入保持状态。显然，正在进行D/A转换的通道，采样保持器是跟随状态，而其他通道的采样保持器都处在保持状态。这种结构的优点是成本低，但是其缺点是在保持期间模拟输出值由于采样保持器的“漏电”会发生变化，如果每一轮的输出周期较长，这种由于“漏电”造成的输出误差就较大。为保证输出精度，对同一数据要进行“刷新”操作，从而加大了软件的复杂性。上一页下一页返回6.3数据采集系统的结构原理6.3.3数据采集系统的控制结构原理1.编址技术模拟信号输入输出的控制采用两种不同的接口编址技术。即I/O专用编址和存储器统一编址。使用哪一种方法，都将影响模拟信号输入输出系统的效率和软件。不论什么编址方法。模拟信号输入输出接口系统中都必须有一个硬件地址译码设备，以便计算机系统对接口系统实施有序管理。目前编址方法有两种，下面分别介绍。上一页下一页返回6.3数据采集系统的结构原理1)I/O专用编址技术I/O专用编址是指I/O的地址空间与存储器的地址空间是互相独立的，微处理器设有专门的输入、输出指令，I/O系统与CPU的数据交换是通过输入输出指令进行的。80X86微处理器系统采用的就是这种编址技术。2)存储器统一编址技术这种方法不设专门的I/O地址空间，而是在存储器空间中划出一个区域作为模拟I/O子系统的寻址区，不设立专门的输入输出指令，而是使用计算机指令系统中存储器指令对I/O系统进行操作。51系列单片机采用的就是这种编址技术。上一页下一页返回6.3数据采集系统的结构原理2.控制方式计算机对数据采集系统的控制通常采用下面三种控制方式。1)程序通道I/O传送图6.3.7所示是最基本的控制结构，包括查询和中断，都是程序通道I/O传送方式。其特点是：模拟I/O子系统的全部功能都是在计算机CPU的程序控制下实现的。不论采用哪种编址方法，它们都是在计算机的读/写命令的控制下，进行选择通道号、启动转换，取A/D转换结果值或送D/A数据等操作。由于模拟I/O子系统对CPU而言是一种外围设备，因此，在程序通道I/O传送中，既允许采用查询方式，也允许采用中断方式进行数据传输。因此，在模拟I/O子系统中一般都设有供查询的状态标志和有关中断控制电路。上一页下一页返回6.3数据采集系统的结构原理2)直接存储器存取(DMA结构)在程序通道I/O传送方式中，数据交换是在CPU与RAM之间进行的，CPU发出地址及读/写信号，并经过数据总线传送信号。此时外设与RAM交换信息必须借助I/O指令和并行或串行I/O通道，通过CPU的累加器与RAM交换信息。用这种控制方式的数据采集系统，速度较慢，不适用于高速数据采集系统，高速数据采集系统一般采用DMA结构，其工作过程如下：上一页下一页返回6.3数据采集系统的结构原理首先，CPU根据一定的要求对DMA进行编程(初始化)，设置传送字节数内存地址，DMA处于准备状态。当A/D转换器转换完一个数据，即向DMA发出一个准备好信号，送到DMA的RFADY输入端。DMA检测到RFADY信号有效，便向CPU发出总线请求信号BUSRQ，CPU接到BUSRQ信号后，向DMA发回答BUSACK信号，表示准备出让总线控制权，DMA接到该信号后，即开始实行总线控制。这时CPU被挂起来，所有数据总线、地址总线和部分控制总线均由DMA管理，并按规定的时序进行数据的读/写操作。DMA传送数据一结束，便自动撤销向CPU提出的总线请求信号，CPU重新控制总线。上一页下一页返回6.3数据采集系统的结构原理3)通道表结构通道表结构(如图6.3.8所示)可以对各个模拟输入通道的采样率、增益和通道顺序用列表的形式预先选择，解决了在随机增益和通道输入条件下进行高速数据采集的问题。在初始状态，先由用户编制好采样表，采样表由若干控制字组成，控制字的内容是每次采样转换的通道和相应的增益，控制字的长度依据通道数和增益的挡数而定，一般一个字节的长度即可满足要求。采样表编制完成后由控制程序通过控制逻辑控制地址计数器写入采样表RAM。采样表装入完成后，RAM转入读出状态，在控制逻辑的控制下依次读出控制字，开始按照预定的采样顺序和增益进行数据采集。上一页下一页返回6.3数据采集系统的结构原理这种结构的优点在于数据采集的格式可以任意改变，既适用于低、中速数据采集，也适用于高速数据采集，还可胜任遥测系统中的数据采集。这种结构的数据采集系统由于其采样格式控制的灵活性、广泛的适应性而日益受到重视，将逐步成为数据采集系统的主流技术。

上一页返回6.3数据采集系统的结构原理6.4.1基于80X86的通用数据采集系统1.结构形式数据采集结构采用如图6.3.1所示的分时多通道数据采集结构，输入为16通道，计算机总线为ISA总线，控制方式采用程序控制I/O查询方式。2.输入通道输入通道如图6.4.1所示。输入16个通道，采用2片CD4051并联构成，通道选通和芯片选通由74LS173锁存的控制码控制，控制码为0000B~0111B时，U1被选通，从而选通CH0~CH7，控制码为1000B~1111B时，U2被选通，从而选通CH8~CH15，控制码由输出指令向0340H口写入，采样保持器的控制通过向0344H和0345H口写入任意数实现，向0345H口写入启动采样，向0344H口写入启动保持。下一页返回6.4数据采集系统设计3.A/D转换部分A/D转换部分的电路原理图如图6.4.2所示。A/D转换器选用AD574A，图中设计为双极性12位并行转换并输出方式，A/D转换器的启动由R/C控制，根据图中设计，用输出指令向0342H口输出任意数据即可启动A/D转换。转换状态根据由0348H口输入的D0位的高低电平判断，为高时表示正在转换，为低时表示转换结束，数据可以输出。转换结果，由输入指令从0346H口读取，由于是12位并行读取，故需要在读取的同时给总线的I/OCSl6线施加一低电平驱动信号，这里采用OC门加上拉电阻的方式实现，OC门的输入为读数负脉冲，经OC门后产生负驱动信号，驱动I/OCS16线，实现12位转换结果并行读出。

上一页下一页返回6.4数据采集系统设计4.译码部分电路见图6.4.3。译码器采用74LS138，因为这里数据输入为16位并行，因此数据输入的外设口必须为偶地址，故这里每一个口具有以偶地址开始的连续两个地址，地址线A0不参与译码。必须说明的是，由于这里为I/O操作，为了确保计算机在进行DMA操作时不影响本数据采集系统的I/O操作，这里使AEN信号参与译码，且仅当AEN=“0”时译码器工作，而当计算机进行DMA操作时AEN=“1”，译码器不工作，这样就避免了I/O操作和DMA操作发生冲突。根据图中的设计，各个口的地址分配见表6.4.1。5.控制软件控制软件如下：

上一页下一页返回6.4数据采集系统设计6.4.2基于80X86的自动量程数据采集系统1.结构形式本数据采集系统为自动选择量程的多量程单通道数据采集系统，结构如图6.4.4所示。计算机总线为ISA总线，控制方式采用程序控制I/O查询方式。

上一页下一页返回6.4数据采集系统设计2.多量程前置放大器多量程前置放大器由电阻网络、量程切换继电器、运算放大器和继电器控制电路组成(如图6.4.5所示)。本数据采集共设1000V，200V，20V，2V，200mV，20mV，2mV七个量程，基本量程是2V。量程切换继电器为12V驱动的直流继电器，继电器驱动线圈的一端接地，另一端由MC1413的输出驱动，驱动电平为高时，继电器由常闭触点切换至常开触点。MC1413的输入为锁存在锁存器74LS273的控制码，该控制码由输出指令向0344H口写入。根据电路的设计，对应各量程的继电器切换控制码如表6.4.2所示。

上一页下一页返回6.4数据采集系统设计3.A/D转换器及接口电路A/D转换器及接口电路如图6.4.6所示。A/D转换器采用ICL7135，接口芯片选用74LS245。0342H口用于读取转换结果BCD码和过量程、欠量程和极性标志，0343H口用于读取位选通信号。自动量程的实现在硬件设计完成的前提下主要由软件实现，自动量程的软件流程框图见图6.4.7。

上一页下一页返回6.4数据采集系统设计6.4.3基于通道表结构的数据采集系统上述两个数据采集系统的例子有一个共同的特点，采样的模式是固定的，不可改变，每个通道的采集速度是相等的，无论被采集信号频带的宽与窄，其采集的速度均是按频带最宽的信号确定的，这种形式的数据采集系统适用于大多数数据采集应用，其主要缺点是：由于采样速度按最高频率信号确定，对于频率较低的信号，采样速度过高，采集的点数过多，造成存储及传输过程中资源的浪费。

上一页下一页返回6.4数据采集系统设计解决这一问题的基本方法是设法使各通道的采样速度能够根据被采集信号的频谱范围独立确定，即各采集通道的采样速度是不同的，且可以根据被采集信号的频谱范围改变，也就是数据采集系统的采样模式是可变的，具有这种功能的数据采集系统就是基于通道表结构的数据采集系统。通道表结构的数据采集系统的原理框图如图6.4.8所示。采集系统由输入多路模拟开关、可编程增益放大器、通道存储器、地址计数器、A/D转换器、采样定时器以及接口电路组成。计算机总线为ISA总线，控制方式采用中断方式。

上一页下一页返回6.4数据采集系统设计本采集系统共32个通道，模拟开关采用两片CD4067级联构成，控制信号除4路通道地址线外，另需利用禁止(Inhabit)信号进行片选，因此，模拟开关的控制信号有5个。可编程增益放大器的增益共有1，2，4，8，16，32，64，128八挡，需要三个地址选择信号经3-8译码后选择对应的增益。由此可知，通道选择及增益选择的控制信号共需8个，正好构成一个字节，这就是本采集系统的通道控制字节，通道控制字节就是通道表的存储内容。

上一页下一页返回6.4数据采集系统设计通道存储器采用28C16E2PROM，地址计数器采用74LS161级联构成，由于28C16的存储容量为2k，因此需要12bit、二进制地址线，故需采用3片74LS161级联成12bits地址计数器，A/D转换器为MAX196。电路的工作过程为：①根据数据采集的要求编制通道表，通道表中的每一个控制字节的位定义如下：其中高5位选择通道，低3位选择增益。

上一页下一页返回6.4数据采集系统设计②向存储器写入通道表，过程为：a.向0340H口写入任意数清零地址计数器；b.向0346H口写入00H，使数据总线三态隔离器处于导通状态；c.依次向0344H口写入通道表中的控制字节，写入的数量与通道表的长度相等。结束后即可开始进行数据采集。③向0346H口写入01H，使数据总线三态隔离器处于隔离状态，为采集做好准备。④当采样定时器的时钟上升沿出现，经反相后向CPU申请中断，CPU响应中断后开始数据采集。每一个时钟上升沿触发一次中断，并采集一次数据。

上一页下一页返回6.4数据采集系统设计⑤数据采集过程如下：a.0340H口写入任意数清零地址计数器；b.向0344H口写入任意数，一方面，使地址计数器增1，另一方面，读出地址计数器对应单元的控制字节，该字节被锁存入数据锁存器，选择采集通道和放大器增益。⑥向0348H口写入A/D控制字节，启动A/D转换。⑦当转换完毕INT变低，该信号作为中断申请信号，向CPU申请中断，取走采集结果。上述④~⑦步骤重复进行，可连续进行数据采集。采样定时时钟的频率决定了数据采集的速度，改变其频率可改变数据采集