第一章2節(jié) 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

第2節(jié)

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)*12.1概述

微型計(jì)算機(jī)廣泛應(yīng)用于測(cè)量和控制，形成了各種各樣的通用或?qū)Ｓ梦C(jī)測(cè)控系統(tǒng)。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)能把模擬的物理參數(shù)的真實(shí)世界與數(shù)字處理和數(shù)字控制的仿真世界連接起來(lái)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換與傳送的功能。

*2圖2.1.1數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)*3

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（設(shè)備）是指從傳感器和其它待測(cè)設(shè)備等模擬和數(shù)字被測(cè)單元中自動(dòng)采集信息的過(guò)程。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是結(jié)合基于計(jì)算機(jī)的測(cè)量軟硬件產(chǎn)品來(lái)實(shí)現(xiàn)靈活的、用戶自定義的測(cè)量系統(tǒng)。微機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)單片機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)就是將外部世界的信息，連續(xù)變化的物理量形式，例如溫度、壓力、位移、速度等，將這些信息送入計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理。將這些連續(xù)的物理量離散化，并進(jìn)行量化編碼，從而變成數(shù)字量，方便使用。

*4圖2.1.2微機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)*5輸出控制數(shù)據(jù)分配是數(shù)據(jù)收集的逆向轉(zhuǎn)換，在計(jì)算機(jī)化的反饋控制系統(tǒng)中數(shù)據(jù)采集作為系統(tǒng)的輸入，計(jì)算機(jī)通過(guò)數(shù)據(jù)分配系統(tǒng)輸出控制功能來(lái)閉合過(guò)程控制回路。一般計(jì)算機(jī)的控制輸出是數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，-----DO有時(shí)需要轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)以驅(qū)動(dòng)過(guò)程。D/A轉(zhuǎn)換采用D/A轉(zhuǎn)換器，每個(gè)D/A轉(zhuǎn)換器是通過(guò)緩沖鎖存器與計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)總線相連接，鎖存器的操作是由計(jì)算機(jī)控制的地址譯碼與控制邏輯來(lái)完成。*6圖2.1.3計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)閥門(mén)*7

設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)基本問(wèn)題如下：①輸入輸出通道的分辨率及精度；②輸入輸出通道數(shù)及多通道的結(jié)構(gòu)配置；③輸入通道的采樣速率及數(shù)據(jù)吞吐率；④輸出通道的穩(wěn)定時(shí)間；⑤輸入模擬信號(hào)的調(diào)理；⑥輸出負(fù)載特性及驅(qū)動(dòng)問(wèn)題；⑦與微機(jī)接口時(shí)尋址和控制方式；⑧成本因素。*8建立數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的方式有兩種：其一，選用標(biāo)準(zhǔn)集成電路自行設(shè)計(jì)所需要的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，這就是芯片級(jí)設(shè)計(jì)。其二，選用通用模塊板，通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)總線的連接構(gòu)成所要求的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，這就是板級(jí)設(shè)計(jì)，也稱之為系統(tǒng)集成。

前者經(jīng)濟(jì)合理，對(duì)設(shè)計(jì)者要求高，且周期長(zhǎng)；后者可擴(kuò)展性好，周期短，但成本遠(yuǎn)高于前者，對(duì)特殊要求的應(yīng)用不能完全適用。*92.2數(shù)據(jù)采集原理

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是數(shù)據(jù)獲取與數(shù)據(jù)分配的綜合系統(tǒng)，既具有模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)的功能，又具有數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)的功能。

可以說(shuō)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)信號(hào)變換并進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)募?jì)算機(jī)、模數(shù)轉(zhuǎn)換與數(shù)模轉(zhuǎn)換于一體的混合系統(tǒng)。*10

A/D--模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)的過(guò)程是采樣過(guò)程與量化過(guò)程的結(jié)合，采樣的實(shí)質(zhì)是將連續(xù)信號(hào)離散化(采樣），量化的過(guò)程是將已離散的信號(hào)進(jìn)行編碼變換成數(shù)字碼的過(guò)程。

D/A--數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)的過(guò)程是將已采樣信號(hào)恢復(fù)的過(guò)程。*11

DO--開(kāi)關(guān)量(數(shù)字量)信號(hào)輸出的過(guò)程。

DigitalOutput它可由控制軟件將輸出通道變成高電平或低電平，通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路即可帶動(dòng)繼電器或其他開(kāi)關(guān)元件動(dòng)作，也可驅(qū)動(dòng)指示燈顯示狀態(tài)。開(kāi)關(guān)量輸出DO信號(hào)可用來(lái)控制開(kāi)關(guān)、交流接觸器、變頻器以及可控硅等執(zhí)行元件動(dòng)作。 DI--開(kāi)關(guān)量(數(shù)字量)信號(hào)輸入的過(guò)程

DigitalInput

I/O

輸出/輸出*12

采樣――利用采樣脈沖序列，從信號(hào)中抽取一系列離散值，使之成為采樣信號(hào)x(nTs)的過(guò)程。

Ts稱為采樣間隔，或采樣周期，1/Ts=fs稱為采樣頻率。由于后續(xù)的量化過(guò)程需要一定的時(shí)間τ，對(duì)于隨時(shí)間變化的模擬輸入信號(hào)，要求瞬時(shí)采樣值在時(shí)間τ內(nèi)保持不變，這樣才能保證轉(zhuǎn)換的正確性和轉(zhuǎn)換精度，這個(gè)過(guò)程就是采樣保持。正是有了采樣保持，實(shí)際上采樣后的信號(hào)是階梯形的連續(xù)函數(shù)。1、A/D轉(zhuǎn)換

模擬信號(hào)0,1,2,3,2,1,…采樣量化數(shù)字信號(hào)§2.2.1模數(shù)(A/D)和數(shù)模(D/A)*13012345678012345編碼―將離散幅值經(jīng)過(guò)量化以后變?yōu)槎M(jìn)制數(shù)的過(guò)程4位A/D:XXXXX(1)0101X(2)0011X(3)0000量化―把采樣信號(hào)經(jīng)過(guò)舍入或截尾的方法變?yōu)橹挥杏邢迋€(gè)有效數(shù)字的數(shù)，稱為量化。x(1)=5x(2)=4x(3)=0x(4)=0x(5)=4x(6)=5x(7)=1x(8)=0信號(hào)的六等份量化過(guò)程§2.2.1模數(shù)(A/D)和數(shù)模(D/A)*142)A/D轉(zhuǎn)換器的技術(shù)指標(biāo)

(1)分辨率用輸出二進(jìn)制數(shù)碼的位數(shù)表示。位數(shù)越多，量化誤差越小，分辨力越高。常用有8位、10位、12位、16位等。(2)轉(zhuǎn)換速度指完成一次轉(zhuǎn)換所用的時(shí)間，如:1ms(1kHz)；10us(100kHz)(3)模擬信號(hào)的輸入范圍如，5V，+/-5V，10V，+/-10V等?！?.2.1模數(shù)(A/D)和數(shù)模(D/A)*152)A/D轉(zhuǎn)換器的技術(shù)指標(biāo)

(4)轉(zhuǎn)換精度

A/D轉(zhuǎn)換器中采用分辨率和轉(zhuǎn)換誤差來(lái)描述轉(zhuǎn)換精度。

a)分辨率用來(lái)說(shuō)明A/D轉(zhuǎn)換器對(duì)輸入信號(hào)的分辨能力，有n位輸出的A/D轉(zhuǎn)換器能區(qū)分2n個(gè)不同等級(jí)，因此分辨率=VImax/2n，式中，VImax是輸入模擬信號(hào)的最大值。

b)A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換誤差通常以輸出誤差的最大值形式給出，它表示實(shí)際輸出數(shù)字量和理論上應(yīng)得到的數(shù)字量之間的差別，通常規(guī)定應(yīng)小于＋1/2LSB。§2.2.1模數(shù)(A/D)和數(shù)模(D/A)*162、D/A轉(zhuǎn)換過(guò)程和原理

D/A轉(zhuǎn)換器是把數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓或電流信號(hào)的裝置。

D/A轉(zhuǎn)換器一般先通過(guò)T型電阻網(wǎng)絡(luò)將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬電脈沖信號(hào)，然后通過(guò)零階保持電路將其轉(zhuǎn)換為階梯狀的連續(xù)電信號(hào)。只要采樣間隔足夠密，就可以精確的復(fù)現(xiàn)原信號(hào)。為減小零階保持電路帶來(lái)的電噪聲，還可以在其后接一個(gè)低通濾波器?！?.2.1模數(shù)(A/D)和數(shù)模(D/A)*17

D/A轉(zhuǎn)換器的技術(shù)指標(biāo)

(1)分辨率

D/A轉(zhuǎn)換器的分辨力用可用輸入的二進(jìn)制數(shù)碼的位數(shù)來(lái)表示。位數(shù)越多，則分辨力也就越高。常用的有8位、10位、12位、16位、24位、32位等。12位D/A轉(zhuǎn)換器的分辨率為1/212

=0.024%?！?.2.1模數(shù)(A/D)和數(shù)模(D/A)*18

D/A轉(zhuǎn)換器的技術(shù)指標(biāo)

(2)轉(zhuǎn)換精度

轉(zhuǎn)換精度定義為實(shí)際輸出與期望輸出之比。以全程的百分比或最大輸出電壓的百分比表示。理論上D/A轉(zhuǎn)換器的最大誤差為最低位的1/2，10位D/A轉(zhuǎn)換器的分辨率為1/210，約為0.1%，它的精度為0.05%。如10位D/A轉(zhuǎn)換器的滿程輸出為10V，則它的最大輸出誤差為10V×0.0005=5mV。§2.2.1模數(shù)(A/D)和數(shù)模(D/A)*19

D/A轉(zhuǎn)換器的技術(shù)指標(biāo)

(3)轉(zhuǎn)換速度

轉(zhuǎn)換速度是指完成一次D/A轉(zhuǎn)換所用的時(shí)間。轉(zhuǎn)換時(shí)間越長(zhǎng)，轉(zhuǎn)換速度就越低。1ms(1k)所有通道的轉(zhuǎn)換工作必須在一個(gè)采樣間隔中完成，否則，會(huì)造成數(shù)據(jù)積壓。完成一路信號(hào)的轉(zhuǎn)換所需要的時(shí)間應(yīng)小于TS/n（n為輸入量通道數(shù)）?！?.2.1模數(shù)(A/D)和數(shù)模(D/A)*20A/D、D/A轉(zhuǎn)換過(guò)程中的量化誤差實(shí)驗(yàn)：§2.2.1模數(shù)(A/D)和數(shù)模(D/A)*21一、信號(hào)采樣

采樣是將采樣脈沖序列p(t)與信號(hào)x(t)相乘，取離散點(diǎn)x(nt)值的過(guò)程。p(t)x(t)x(nt)§2.2.2采樣定理*22000000

一個(gè)連續(xù)信號(hào)經(jīng)過(guò)理想采樣以后，它的頻譜將沿著頻率軸每隔一個(gè)采樣頻率ωs,重復(fù)出現(xiàn)一次，即其頻譜產(chǎn)生了周期延拓，其幅值被采樣脈沖序列的傅立葉系數(shù)（Cn=1/Ts)所加權(quán)，其頻譜形狀不變。一、信號(hào)采樣§2.2.2采樣定理*23

1頻混現(xiàn)象

（a）采樣頻率等于信號(hào)頻率，正弦信號(hào)離散后得到直流信號(hào)（b）采樣頻率等于信號(hào)頻率的2倍，正弦信號(hào)離散后得到三角波信號(hào)（c）采樣頻率小于信號(hào)頻率的2倍，正弦信號(hào)離散后得到更低頻率的正弦信號(hào)§2.2.2采樣定理*24

當(dāng)采樣信號(hào)的頻率低于被采樣信號(hào)的最高頻率時(shí)，采樣所得的信號(hào)中混入了虛假的低頻分量，這種現(xiàn)象叫做頻率混疊。采樣頻率合適的情況下復(fù)原信號(hào)；采樣頻率過(guò)低的情況下，復(fù)原的是一個(gè)虛假的低頻信號(hào)。

1頻混現(xiàn)象

§§2.2.2采樣定理*25

頻混現(xiàn)象又稱頻譜混疊效應(yīng)，它是由于采樣信號(hào)頻譜發(fā)生變化，而出現(xiàn)高、低頻成分發(fā)生混淆的一種現(xiàn)象。

1頻混現(xiàn)象

§2.2.2采樣定理*26

1頻混現(xiàn)象

信號(hào)x(t)的傅里葉變換為X(ω)，其頻帶范圍為

-ωm~ωm；當(dāng)采樣周期Ts較小時(shí)，ωs＞2ωm，周期譜圖相互分離如圖中(b)所示；當(dāng)Ts較大時(shí)，ωs＜2ωm，周期譜圖相互重疊，即譜圖中高頻與低頻部分發(fā)生重疊，如圖中(c)所示，此即頻混現(xiàn)象，這將使信號(hào)復(fù)原時(shí)丟失原始信號(hào)中的高頻信息?！?.2.2采樣定理*272采樣定理

為保證采樣后信號(hào)能真實(shí)地保留原始模擬信號(hào)信息，信號(hào)采樣頻率必須至少為原信號(hào)中最高頻率成分的2倍。這是采樣的基本法則，稱為采樣定理，亦稱仙農(nóng)定理。fs

＞2fmax

§2.2.2采樣定理*28

注意：滿足采樣定理，只保證不發(fā)生頻率混疊，而不能保證采樣信號(hào)能真實(shí)地反映原信號(hào)x(t)。工程實(shí)際中采樣頻率通常大于信號(hào)中最高頻率成分的3~5倍。2采樣定理§2.2.2采樣定理*29A/D采樣前的抗混迭濾波：物理信號(hào)對(duì)象傳感器電信號(hào)放大調(diào)制電信號(hào)A/D轉(zhuǎn)換數(shù)字信號(hào)展開(kāi)低通濾波(0~Fs/2)放大2采樣定理§2.2.2采樣定理*30

為便于數(shù)學(xué)處理，對(duì)截?cái)嘈盘?hào)做周期延拓，得到虛擬的無(wú)限長(zhǎng)信號(hào)。

用計(jì)算機(jī)進(jìn)行測(cè)試信號(hào)處理時(shí)，不可能對(duì)無(wú)限長(zhǎng)的信號(hào)進(jìn)行測(cè)量和運(yùn)算，而是取其有限的時(shí)間片段進(jìn)行分析，這個(gè)過(guò)程稱信號(hào)截?cái)唷！?.2.2采樣定理*31

周期延拓后的信號(hào)與真實(shí)信號(hào)是不同的，下面從數(shù)學(xué)的角度來(lái)看這種處理帶來(lái)的誤差情況。

設(shè)有余弦信號(hào)x(t)，用矩形窗函數(shù)w(t)與其相乘，得到截?cái)嘈盘?hào)：y(t)=x(t)w(t)

將截?cái)嘈盘?hào)譜XT(ω)與原始信號(hào)譜X(ω)相比較可知，它已不是原來(lái)的兩條譜線，而是兩段振蕩的連續(xù)譜.原來(lái)集中在f0處的能量被分散到兩個(gè)較寬的頻帶中去了，這種現(xiàn)象稱之為頻譜能量泄漏。§2.2.3信號(hào)的截?cái)?、能量泄?32周期延拓信號(hào)與真實(shí)信號(hào)是不同的：能量泄漏誤差§2.2.3信號(hào)的截?cái)?、能量泄?33克服方法之一：信號(hào)整周期截?cái)唷?.2.3信號(hào)的截?cái)?、能量泄?34

為了減少頻譜能量泄漏，可采用不同的截取函數(shù)對(duì)信號(hào)進(jìn)行截?cái)?，截?cái)嗪瘮?shù)稱為窗函數(shù)，簡(jiǎn)稱為窗。泄漏與窗函數(shù)頻譜的兩側(cè)旁瓣有關(guān)，如果兩側(cè)瓣的高度趨于零，而使能量相對(duì)集中在主瓣，就可以較為接近于真實(shí)的頻譜。

克服方法之二：窗函數(shù)§2.2.3信號(hào)的截?cái)?、能量泄?35

常用窗函數(shù)：

(1)冪窗——采用時(shí)間變量某種冪次的函數(shù)，如矩形、三角形、梯形或其它時(shí)間(t)的高次冪；

(2)三角函數(shù)窗——應(yīng)用三角函數(shù)，即正弦或余弦函數(shù)等組合成復(fù)合函數(shù)，例如漢寧窗、海明窗等；

(3)指數(shù)窗——采用指數(shù)時(shí)間函數(shù)，如e-st形式，例如高斯窗等．克服方法之二：窗函數(shù)§2.2.3信號(hào)的截?cái)唷⒛芰啃孤?361.矩形窗矩形窗屬于時(shí)間變量的零次冪窗，函數(shù)形式為相應(yīng)的窗譜為：矩形窗使用最多，習(xí)慣上不加窗就是使信號(hào)通過(guò)了矩形窗優(yōu)點(diǎn)：主瓣比較集中缺點(diǎn)：旁瓣較高，并有負(fù)旁瓣，導(dǎo)致變換中帶進(jìn)了高頻干擾和泄漏，甚至出現(xiàn)負(fù)譜現(xiàn)象?！?.2.3信號(hào)的截?cái)唷⒛芰啃孤?372.三角窗三角窗亦稱費(fèi)杰(Fejer)窗，是冪窗的一次方形式：相應(yīng)的窗譜為：

三角窗與矩形窗比較，主瓣寬約等于矩形窗的兩倍，但旁瓣小，而且無(wú)負(fù)旁瓣?！?.2.3信號(hào)的截?cái)?、能量泄?38

3.漢寧(Hanning)窗漢寧窗又稱升余弦窗，其時(shí)域表達(dá)式為：相應(yīng)的窗譜為：

與矩形窗對(duì)比，漢寧窗主瓣加寬并降低，旁瓣則顯著減小。漢寧窗的旁瓣衰減速度也較快。比較可知，從減小泄漏觀點(diǎn)出發(fā)，漢寧窗優(yōu)于矩形窗。但漢寧窗主瓣加寬，相當(dāng)于分析帶寬加寬，頻率分辨力下降。§2.2.3信號(hào)的截?cái)?、能量泄?392.3數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理

2.3.1模擬信號(hào)輸入通道的基本結(jié)構(gòu)

1.特征指標(biāo)

在考慮模擬信號(hào)輸入通道系統(tǒng)結(jié)構(gòu)時(shí)必須注意以下特征指標(biāo)：（1）輸入信號(hào)電平，一般將1V以上的電壓信號(hào)和1mA以上的電流信號(hào)作為高點(diǎn)平信號(hào)，電壓小于1mV和電流小于1mA的信號(hào)作為低電平信號(hào)。*40

（2）輸入容量，它是指能接收的模擬信號(hào)的點(diǎn)數(shù)，即通道數(shù)。（3）采樣轉(zhuǎn)換速度，它是指總的模擬輸入通道將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)并傳送至微機(jī)或存儲(chǔ)單元的速度，一般以每秒點(diǎn)數(shù)為標(biāo)志。（4）系統(tǒng)總精度，一般為1.0～0.01%。（5）共模抑制比。*41

系統(tǒng)采樣速度和信號(hào)電平是區(qū)分系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的主要標(biāo)志。按采樣轉(zhuǎn)換速度快慢分為低速、中速和高速，且在低電平和高電平下具有不同的意義。模擬信號(hào)輸入通道速度分類(lèi)(點(diǎn)/秒)

類(lèi)別低電平高電平低速<200<5000中速200～100005000～50000高速>10000>50000*422.結(jié)構(gòu)形式

1）分時(shí)多通道數(shù)據(jù)采集結(jié)構(gòu)圖2.3.1分時(shí)多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

*43

傳感器輸出的單端或雙端信號(hào)經(jīng)端子板輸入給信號(hào)調(diào)理電路進(jìn)行調(diào)理，調(diào)理的內(nèi)容取決于傳感器的電特性和信號(hào)用途，典型的調(diào)理包括：電的隔離、阻抗變換、放大、濾波、線性化以及各種各樣的計(jì)算等。經(jīng)過(guò)調(diào)理的模擬信號(hào)達(dá)到數(shù)據(jù)收集系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)范圍（如電壓為0～±5V，電流為4～20mA），再輸出給模擬多路選通開(kāi)關(guān)。*44

在控制器的控制指令控制下。某一通道被選通，便進(jìn)入采樣保持放大器。采樣保持放大器的輸出接A/D轉(zhuǎn)換器，在計(jì)算機(jī)的控制下完成模擬信號(hào)到數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換。當(dāng)傳感器輸出高電平信號(hào)時(shí)，輸入端子板只需從機(jī)械方面考慮接線端的問(wèn)題。*45

若傳感器輸出低電平信號(hào)時(shí)，輸入端子板不但要從機(jī)械方面考慮接線端的問(wèn)題，還必須從電的方面加以考慮，特別要注意熱電勢(shì)及共模電壓引起的誤差，且信號(hào)調(diào)理電路必須有足夠的增益，以使低電平信號(hào)滿量程放大到后續(xù)的A/D轉(zhuǎn)換器的滿量程。*462）偽同步多通道數(shù)據(jù)收集系統(tǒng)圖3.3.2偽同步多通道數(shù)據(jù)收集

*47

這種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的主要特點(diǎn)是每個(gè)通道加了采樣保持放大器，可使各輸入通道的信號(hào)被同時(shí)采樣，消除了分時(shí)采樣帶來(lái)的時(shí)間歪斜誤差。但由于A/D轉(zhuǎn)換器只有一個(gè)，轉(zhuǎn)換過(guò)程仍是分時(shí)進(jìn)行的，在這一過(guò)程中由于各采樣保持放大器在保持時(shí)間內(nèi)的被保持信號(hào)的變化量不同，因此這種方式并不是真正同步的，故稱之為偽同步或準(zhǔn)同步。

偽同步多通道數(shù)據(jù)收集系統(tǒng)的主要特點(diǎn)*483）同步多通道數(shù)據(jù)收集系統(tǒng)圖3.3.3同步多通道數(shù)據(jù)收集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

*49

這是完全與實(shí)際自然時(shí)間同步的多通道數(shù)據(jù)收集結(jié)構(gòu)。不但采樣同步，消除了分時(shí)采集的歪斜誤差，而且轉(zhuǎn)換也是同步的，因此各通道轉(zhuǎn)換值完全瞬時(shí)對(duì)應(yīng)。上述三種結(jié)構(gòu)目前均有應(yīng)用，究竟采用那一種結(jié)構(gòu)，一般根據(jù)被采集信號(hào)的頻率范圍確定，對(duì)于緩變信號(hào)一般采用分時(shí)收集結(jié)構(gòu)，對(duì)于中頻范圍的信號(hào)采用準(zhǔn)同步收集結(jié)構(gòu)，而對(duì)于動(dòng)態(tài)范圍大的信號(hào)或高頻信號(hào)應(yīng)采用同步結(jié)構(gòu)。*50采用多路開(kāi)關(guān)的原因：A/D芯片的價(jià)格較貴，一般是多路模擬信號(hào)公用一片A/D芯片的方式。故利用多路開(kāi)關(guān)，使其在任一時(shí)刻，只有一路已采樣的模擬信號(hào)接入A/D芯片的輸入端，進(jìn)行模/數(shù)變換。轉(zhuǎn)換結(jié)束后，將結(jié)果存入指定的存貯區(qū)，然后由CPU控制，使下一路信號(hào)輸入到A/D芯片直至將全部模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換完成。*512.3.2模擬信號(hào)輸出通道的基本結(jié)構(gòu)

1.特征指標(biāo)在考慮模擬信號(hào)輸出通道結(jié)構(gòu)時(shí)必須注意以下特征指標(biāo)：①輸出信號(hào)是電壓還是電流，還是兩者均有，是否有電隔離要求；②輸出容量，這是指輸出通道數(shù)；③輸出精度；④輸出穩(wěn)定時(shí)間。*522.結(jié)構(gòu)形式

1）數(shù)字分配分時(shí)轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)這種結(jié)構(gòu)是每個(gè)通道配置一套輸出數(shù)據(jù)鎖存器和D/A轉(zhuǎn)換器，計(jì)算機(jī)處理的結(jié)果數(shù)據(jù)通過(guò)數(shù)據(jù)總線分時(shí)地選通至各通道輸出鎖存器，與此同時(shí)，D/A轉(zhuǎn)換器立即實(shí)現(xiàn)數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)到模擬信號(hào)的轉(zhuǎn)換。各通道的輸出部分一般都設(shè)有信號(hào)調(diào)理電路，以完成V/I或I/V轉(zhuǎn)換、輸出信號(hào)標(biāo)度變換，必要時(shí)進(jìn)行信號(hào)濾波或電氣隔離。*53圖3.3.4數(shù)字分配分時(shí)轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)*542）數(shù)字分配同步轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)圖3.3.5數(shù)字分配同步轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)

*55

這種結(jié)構(gòu)在分時(shí)轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上增設(shè)了一級(jí)鎖存器，計(jì)算機(jī)將分時(shí)處理后的數(shù)據(jù)分時(shí)鎖存入第一級(jí)鎖存器，待每個(gè)通道的鎖存器均已鎖存完畢后，再發(fā)出控制信號(hào)，將第一級(jí)鎖存器中的數(shù)據(jù)同步鎖存入第二級(jí)鎖存器，再由后續(xù)D/A轉(zhuǎn)換器同步轉(zhuǎn)換輸出。*563）分時(shí)轉(zhuǎn)換多通道模擬分配結(jié)構(gòu)圖3.3.6分時(shí)轉(zhuǎn)換多通道模擬分配結(jié)構(gòu)

*57

這種結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是各通道共用一個(gè)D/A轉(zhuǎn)換器和一個(gè)數(shù)據(jù)輸出鎖存器。計(jì)算機(jī)處理的結(jié)果數(shù)據(jù)通過(guò)數(shù)據(jù)總線依通道順序分時(shí)傳送至輸出鎖存器并進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換，產(chǎn)生相應(yīng)通道的模擬輸出值，而每個(gè)模擬輸出通道在進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換的同時(shí)，計(jì)算機(jī)選通相應(yīng)通道的采樣保持器進(jìn)行跟隨，當(dāng)該通道轉(zhuǎn)換完成并接至下一個(gè)通道進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換時(shí)，該通道的采樣保持器進(jìn)入保持狀態(tài)。*58

顯然，正在進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換的通道，采樣保持器是跟隨狀態(tài)，而其它通道的采樣保持器都處在保持狀態(tài)。這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是成本低，但是其缺點(diǎn)是在保持期間模擬輸出值由于采樣保持器的“漏電”會(huì)發(fā)生變化，如果每一輪的輸出周期較長(zhǎng)，這種由于“漏電”造成的輸出誤差就較大。為保證輸出精度，對(duì)同一數(shù)據(jù)要進(jìn)行“刷新”操作，從而加大了軟件的復(fù)雜性。*592.3.3數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)原理1.編址技術(shù)模擬信號(hào)輸入輸出的控制采用兩種不同的接口編址技術(shù)。即I/O專(zhuān)用編址和存儲(chǔ)器統(tǒng)一編址。使用那一種方法，將影響模擬信號(hào)輸入輸出系統(tǒng)的效率和軟件。不論什么編址方法。模擬信號(hào)輸入輸出接口系統(tǒng)中都必須有一個(gè)硬件地址譯碼設(shè)備，以便計(jì)算機(jī)系統(tǒng)對(duì)接口系統(tǒng)實(shí)施有序管理。*601）I/O專(zhuān)用編址技術(shù)

I/O專(zhuān)用編址是指I/O的地址空間與存儲(chǔ)器的地址空間是互相獨(dú)立的，微處理器設(shè)有專(zhuān)門(mén)的輸入、輸出指令，I/O系統(tǒng)與CPU的數(shù)據(jù)交換是通過(guò)輸入輸出指令進(jìn)行的。80X86微處理器系統(tǒng)采用的就是這種編址技術(shù)。*612）存儲(chǔ)器統(tǒng)一編址技術(shù)這種方法不設(shè)專(zhuān)門(mén)的I/O地址空間，而是在存儲(chǔ)器空間中劃出一個(gè)區(qū)域作為模擬I/O子系統(tǒng)的尋址區(qū)，不設(shè)立專(zhuān)門(mén)的輸入輸出指令，而是使用計(jì)算機(jī)指令系統(tǒng)中存儲(chǔ)器指令對(duì)I/O系統(tǒng)進(jìn)行操作。51系列單片機(jī)采用的就是這種編址技術(shù)。*622.控制方式計(jì)算機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的控制通常采用下面三種控制方式：

1）程序通道I/O傳送最基本的控制結(jié)構(gòu)包括查詢和中斷，都是程序通道I/O傳送方式。其特點(diǎn)是：模擬I/O子系統(tǒng)的全部功能都是在計(jì)算機(jī)CPU的程序控制下實(shí)現(xiàn)的。*63(a)(b)圖3.3.7程序通道I/O傳送結(jié)構(gòu)原理(a)查詢(b)中斷*64

不論采用哪種編址方法，它們都是在計(jì)算機(jī)的讀/寫(xiě)命令的控制下，進(jìn)行選擇通道號(hào)、啟動(dòng)轉(zhuǎn)換，取A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果值或送D/A數(shù)據(jù)等操作。由于模擬I/O子系統(tǒng)對(duì)CPU而言是一種外圍設(shè)備，因此，在程序通道I/O傳送中，既允許采用查詢方式也允許采用中斷方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。因此在模擬I/O子系統(tǒng)中一般都設(shè)有供查詢的狀態(tài)標(biāo)志和有關(guān)中斷控制電路。*652）直接存儲(chǔ)器存取（DMA結(jié)構(gòu)）在程序通道I/O傳送方式中，數(shù)據(jù)交換是在CPU與RAM之間進(jìn)行的，CPU發(fā)出地址及讀/寫(xiě)信號(hào)，并經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)總線傳送信號(hào)。此時(shí)外設(shè)與RAM交換信息必須借助I/O指令和并行或串行I/O通道，通過(guò)CPU的累加器與RAM交換信息。*66

用這種控制方式的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，速度較慢，不適用于高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)一般采用DMA結(jié)構(gòu)，其工作過(guò)程如下：首先，CPU根據(jù)一定的要求對(duì)DMA進(jìn)行編程（初始化），設(shè)置傳送字節(jié)數(shù)內(nèi)存地址，DMA處于準(zhǔn)備狀態(tài)。當(dāng)A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換完一個(gè)數(shù)據(jù)，即向DMA發(fā)出一個(gè)準(zhǔn)備好信號(hào)，送到DMA的READY輸入端。*67DMA檢測(cè)到READY信號(hào)有效，便向CPU發(fā)出總線請(qǐng)求信號(hào)BUSRQ，CPU接到BUSRQ信號(hào)后，向DMA發(fā)回答B(yǎng)USACK信號(hào)，表示準(zhǔn)備出讓總線控制權(quán)，DMA接到該信號(hào)后，即開(kāi)始實(shí)行總線控制。這時(shí)CPU被掛起來(lái)，所有數(shù)據(jù)總線、地址總線和部分控制總線均由DMA管理，并按規(guī)定的時(shí)序進(jìn)行數(shù)據(jù)的讀/寫(xiě)操作。DMA傳送數(shù)據(jù)一結(jié)束，便自動(dòng)撤消向CPU提出的總線請(qǐng)求信號(hào)，CPU重新控制總線。*683）通道表結(jié)構(gòu)圖3.3.8通道表結(jié)構(gòu)框圖

*69

通道表結(jié)構(gòu)可以對(duì)各個(gè)模擬輸入通道的采樣率、增益和通道順序用列表的形式預(yù)先選擇，解決了在隨機(jī)增益和通道輸入條件下進(jìn)行高速數(shù)據(jù)采集的問(wèn)題。在初始狀態(tài)，先由用戶編制好采樣表，采樣表由若干控制字組成，控制字的內(nèi)容是每次采樣轉(zhuǎn)換的通道和相應(yīng)的增益，控制字的長(zhǎng)度依據(jù)通道數(shù)和增益的擋數(shù)而定，一般一個(gè)字節(jié)的長(zhǎng)度即可滿足要求。*70

采樣表編制完成后由控制程序通過(guò)控制邏輯控制地址計(jì)數(shù)器寫(xiě)入采樣表RAM。采樣表裝入完成后，RAM轉(zhuǎn)入讀出狀態(tài)，在控制邏輯的控制下依次讀出控制字，開(kāi)始按照預(yù)定的采樣順序和增益進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)在于數(shù)據(jù)采集的格式可以任意改變，既適用于低、中速數(shù)據(jù)采集，也適用于高速數(shù)據(jù)采集，還可勝任遙測(cè)系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)采集。*712.4數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)2.4.1方案設(shè)計(jì)2.4.2設(shè)備選型2.4.3程序選擇*72數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)

計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的測(cè)量，依賴于各種類(lèi)型的傳感器。傳感器的輸出信號(hào)可分為三類(lèi)：開(kāi)關(guān)信號(hào)：兩個(gè)狀態(tài)的信號(hào)。如電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)與停車(chē)；開(kāi)關(guān)的合與斷；以及各種開(kāi)關(guān)型傳感器的輸出信號(hào)等。開(kāi)關(guān)信號(hào)只用一位二進(jìn)制表示。因此8位機(jī)可以同時(shí)處理8個(gè)開(kāi)關(guān)信號(hào)。*73數(shù)字信號(hào)： 用二進(jìn)制數(shù)形式表示的數(shù)。數(shù)字信號(hào)可以是數(shù)字電壓表、鍵盤(pán)、數(shù)字輸出的裝置輸出的信息，也可以是頻率輸出型傳感器的輸出信息。微機(jī)可以直接接收數(shù)字信號(hào)。8位微機(jī)一次只能接收8位二進(jìn)制表示的數(shù)字量，超過(guò)8位時(shí)，必須分幾次來(lái)接收。模擬信號(hào)，指在連續(xù)時(shí)間內(nèi)，對(duì)信號(hào)的幅值可以在某范圍內(nèi)連續(xù)任意取值。我們所討論的微機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要處理的即是這一類(lèi)信號(hào)。模擬信號(hào)微機(jī)不能直接接收和處理，常要通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換器（A/D）將模擬量轉(zhuǎn)換成微機(jī)能處理的數(shù)字信號(hào)。*74一、采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)考慮的主要因素

1、輸入信號(hào)的特性電壓電流

2、對(duì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)性能的要求

3、接口特性

4、軟件2.4.1方案設(shè)計(jì)干什么用？*751、輸入信號(hào)的特性：信號(hào)的數(shù)量多少路？信號(hào)類(lèi)型電壓電流數(shù)字脈沖信號(hào)的輸入方式

（單端、差動(dòng)、單極性、雙極性，接地、浮地）信號(hào)的強(qiáng)弱及動(dòng)態(tài)范圍信號(hào)中的噪聲共模電壓大小信號(hào)源的阻抗共模電壓(common

mode

voltage):在每一導(dǎo)體和所規(guī)定的參照點(diǎn)之間（往往是大地或機(jī)架）出現(xiàn)的相量電壓的平均值?；蛘哒f(shuō)同時(shí)加在電壓表兩測(cè)量端和規(guī)定公共端之間的那部分輸入電壓。*76信號(hào)的輸入方式電壓信號(hào)可以分為接地和浮動(dòng)兩種類(lèi)型。接地信號(hào)：將信號(hào)的一端與系統(tǒng)地連接起來(lái)，如大地或建筑物的地。因?yàn)樾盘?hào)用的是系統(tǒng)地，所以與數(shù)據(jù)采集卡是共地的。浮動(dòng)信號(hào)：一個(gè)不與任何地（如大地或建筑物的地）連接的電壓信號(hào)稱為浮動(dòng)信號(hào)，浮動(dòng)信號(hào)的每個(gè)端口都與系統(tǒng)地獨(dú)立。常見(jiàn)的浮動(dòng)信號(hào)有電池、熱電偶、變壓器和隔離放大器。測(cè)量系統(tǒng)可以分為差分（Differential）、參考地單端（RSE）、無(wú)參考地單端（NRSE）三種類(lèi)型。

*77差分測(cè)量系統(tǒng)：信號(hào)輸入端分別與一個(gè)模入通道相連接。具有放大器的數(shù)據(jù)采集卡可配置成差分測(cè)量系統(tǒng)。*78一個(gè)理想的差分測(cè)量系統(tǒng)僅能測(cè)出(+)和(-)輸入端口之間的電位差，完全不會(huì)測(cè)量到共模電壓；實(shí)際應(yīng)用的數(shù)據(jù)采集卡的共模電壓的范圍限制了相對(duì)于測(cè)量系統(tǒng)地的輸入電壓的波動(dòng)范圍；可以用不同的方式來(lái)消除共模電壓的影響。如果系統(tǒng)共模電壓超過(guò)允許范圍，需要限制信號(hào)地與數(shù)據(jù)采集卡的地之間的浮地電壓，以避免測(cè)量數(shù)據(jù)錯(cuò)誤；*79參考地單端測(cè)量系統(tǒng)(ReferencedSingle-End，RSE)：也叫做接地測(cè)量系統(tǒng)，被測(cè)信號(hào)一端接模擬輸入通道，另一端接系統(tǒng)地AIGND。*80無(wú)參考地單端測(cè)量系統(tǒng)(NRSE)：信號(hào)的一端接模擬輸入通道，另一端接一個(gè)公用參考端，但這個(gè)參考端電壓相對(duì)于測(cè)量系統(tǒng)的地來(lái)說(shuō)是不斷變化的。*81幾種信號(hào)輸入方式的特點(diǎn)差分輸入可避免接地回路干擾可避免因環(huán)境引起的共模干擾NRSE可避免接地回路干擾RSE最簡(jiǎn)單，若信號(hào)滿足下列條件，可選擇RSE輸入*82若信號(hào)滿足下列條件，可選擇RSE測(cè)量方式：輸入信號(hào)幅值較大，一般需>1V；連線比較短，一般<5m；環(huán)境干擾很小或信號(hào)屏蔽比較好；所有輸入信號(hào)都與信號(hào)源共地。否則建議選用差分輸入方式，總體而言，差分輸入方式是比較好的選擇輸入信號(hào)源的阻抗與插入式數(shù)據(jù)采集卡的阻抗相匹配：對(duì)于電池、RTD、應(yīng)變片、熱電偶等信號(hào)源，由于阻抗很小，可以將這些信號(hào)源直接連接到數(shù)據(jù)采集卡上或信號(hào)調(diào)理硬件上。直接將高阻抗的信號(hào)源接到插入式板卡上會(huì)導(dǎo)致出錯(cuò)。*832.對(duì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)性能的要求：系統(tǒng)的采集速率系統(tǒng)的精度系統(tǒng)的分辨率主機(jī)（PC、MCU單片機(jī)、DSP數(shù)字信號(hào)微處理器）并行、串行、總線3.接口特性：*841.采集速率（系統(tǒng)通過(guò)速率、吞吐率）：在滿足系統(tǒng)精度指標(biāo)的前提下，系統(tǒng)對(duì)輸入模擬信號(hào)在單位時(shí)間內(nèi)所完成的采樣次數(shù)，或者說(shuō)是系統(tǒng)每個(gè)通道、每秒鐘可采集的子樣數(shù)目?！安杉卑▽?duì)被測(cè)物理量進(jìn)行采樣、量化、編碼、傳輸、存儲(chǔ)等過(guò)程。采集速率的倒數(shù)是采樣周期。2.系統(tǒng)精度：當(dāng)系統(tǒng)工作在額定采集速率下，每個(gè)離散子樣的轉(zhuǎn)換精度。模數(shù)轉(zhuǎn)換器的精度是系統(tǒng)精度的極限值。系統(tǒng)精度是系統(tǒng)的實(shí)際輸出值與理論輸出值之差，它是系統(tǒng)各種誤差的總和。通常表示為滿度值的百分?jǐn)?shù)。*85數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的主要性能指標(biāo)3.系統(tǒng)分辨率：數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可以分辨的輸入信號(hào)的最小變化量。通常用最低有效位值（LSB）占系統(tǒng)滿刻度信號(hào)的百分比表示，或用系統(tǒng)可分辨的實(shí)際電壓數(shù)值來(lái)表示。有時(shí)也用信號(hào)滿刻度值可以劃分的級(jí)數(shù)來(lái)表示。

位數(shù)級(jí)數(shù)1LSB（滿度值的百分?jǐn)?shù)）1LSB（10V滿度）82560.391%39.1mV1240960.0244%2.44mV16655360.0015%0.15mV2010485760.000095%9.53uV24167772160.0000060%0.60uV表

系統(tǒng)的分辨率（滿度值為10V）*862.4.1方案設(shè)計(jì)方案1：遠(yuǎn)程高精度溫度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案2：基于USB2.0的高速同步數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案3：基于工業(yè)以太網(wǎng)下的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)方案4：人體溫濕度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案5：基于Win98平臺(tái)的DMA高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)*87*88

工業(yè)環(huán)型以太網(wǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是一個(gè)易擴(kuò)展開(kāi)放式的監(jiān)控系統(tǒng)，是目前世界上先進(jìn)的過(guò)程自動(dòng)化系統(tǒng)開(kāi)放式解決方案，是面向工廠自動(dòng)化的新一代開(kāi)放式SCADA(易擴(kuò)展開(kāi)放式的監(jiān)控系統(tǒng))。網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)方案中由監(jiān)控總站的管理計(jì)算機(jī)、數(shù)字服務(wù)器、視頻服務(wù)器、環(huán)網(wǎng)交換機(jī)和各種礦用儀器儀表搭建而成。系統(tǒng)的主干網(wǎng)采用100M的工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)，用以保證各監(jiān)測(cè)、監(jiān)控信息進(jìn)行高速傳輸和交換，保證系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。主干網(wǎng)在設(shè)計(jì)時(shí)具有冗余性，設(shè)備具有糾錯(cuò)能力，具有靈活性和可擴(kuò)展性，保證了高可靠性，同時(shí)還能支持多種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。主干網(wǎng)的連接采用光纖分布式數(shù)據(jù)接口（FDDI），整個(gè)系統(tǒng)環(huán)形網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。方案3：基于工業(yè)以太網(wǎng)下的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)*89利用DMA技術(shù)實(shí)現(xiàn)的高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)框圖如圖1所示，該系統(tǒng)采用了ISA總線與PC機(jī)接口。當(dāng)數(shù)據(jù)通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換采集進(jìn)來(lái)后，先存儲(chǔ)到系統(tǒng)內(nèi)部的數(shù)據(jù)緩存SRAM中；當(dāng)數(shù)據(jù)存滿預(yù)定的字節(jié)數(shù)后，系統(tǒng)即向計(jì)算機(jī)發(fā)出DMA申請(qǐng)。DMA控制器在接管總線以后，在沒(méi)有CPU的干預(yù)下，以極快的速度將緩存中的數(shù)據(jù)經(jīng)計(jì)算機(jī)總線送到計(jì)算機(jī)內(nèi)存中，再由計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析處理。方案5：基于Win98