张斌 北京凌华技术支持部 zhangbin@adlinktech.com 数据采集基础知识讲座 张斌 北京凌华技术支持部 zhangbin@adlinktech.com.

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1 张斌 北京凌华技术支持部 zhangbin@adlinktech.com
数据采集基础知识讲座 张斌 北京凌华技术支持部

2 内容大纲 信号与系统初步 信号采集的基本定理 基本定义 A/D D/A DIO Timer/Counter

3 信号与系统初步 一个典型的系统： 模拟输入 采样/量化 1101… 数字输入 数字信号 处理 数字输出 模拟重建 模拟输出

4 信号与系统初步 (续) 信号的分类： 信息 状态 速率 幅值 形状 频率 信号 模拟量 数字量 开/关信号 脉冲队列 直流信号 时域信号
on off t 1- 0- 0.985 f 信号 模拟量 数字量 开/关信号 脉冲队列 直流信号 时域信号 频域信号

5 信号与系统初步 (续) 数字信号 脉冲队列 开关信号 对采集卡的要求 输入： 检测一个开关的打开/闭合 输出： 打开/关闭一个阀门 驱动能力
on off t 1- 0- 开关信号 输入： 检测一个开关的打开/闭合 输出： 打开/关闭一个阀门 驱动能力 通道数 脉冲队列 读光编码器的输出信号 产生一个方波 时钟频率 分辨率 对采集卡的要求

6 信号与系统初步 (续) 电压信号 频域信号 对采集卡的要求 时域信号 模拟信号 温度 压力 流量 应力 DC精度 振动 语音 声呐 分辨率
采样频率 精度 触发 对采集卡的要求 时域信号 雷达回波 血压变化 汽车点火波形 0.985 t f 模拟信号

7 信号采集 传感器 信号调理 放大 滤波 信号转换 …… 将外部信号采入计算机，并加以处理，最后输出

8 PC Based信号采集系统

9 PC Base DAQ系统架构

10 PC Base数据采集系统功能 A/D转换（模拟量/数字量转换） D/A转换（数字量/模拟量转换） DIO（数字量输入/输出）
Timer/Counter（定时器/计数器）

11 基本定义 A/D：模拟量—数字量转换 把外部电压信号转成计算机能够识别的数字信号
采样频率 Max Sampling Rate (S/s), Sampling Frequency (Hz) 精度(Resolution)：8bit 12bit 14bit 16bit 输入范围(Input Range)(增益)： 同步采样(Simultaneous analog input) 轮询采样(Multiplex analog input) 突发模式采样(Burst mode) 触发模式(Trigger mode) 隔离(Isolation) FIFO ……

12 A/D转换过程—多路切换卡 7. 隔离与 非隔离 多 路 A/D + 数据 选 转换器 _ 缓冲区 择 CPU 1. 信号源控制 通道数
4. 数据传输 I/O 指令 DMA 总线主控 1. 信号源控制 通道数 信号类型 (SE/DI) 信号范围 自动通道扫描 3. A/D 数据缓冲区 数据寄存器 FIFO 缓冲区 多 路 选 择 A/D 转换器 + _ n 数据 缓冲区 AT 总线或 PCI 总线 内存(Buffer) 模拟 信号 A/D 触发信号 CPU 6. A/D 分辨率与数据格式 数据位数 二进制代码或补码 单极性或双极性 中断信号 2. 触发源控制 触发信号源 采样频率 5. 中断信号控制

13 A/D转换的过程—同步板卡 … A/D + 转换器 _ 数据 A/D + 缓冲区 转换器 _ CPU A/D + 转换器 _ n n
模拟 信号 + _ A/D 转换器 n 数据 缓冲区 内存(Buffer) 模拟 信号 PCI总线 … CPU + _ A/D 转换器 n 模拟 信号

14 A/D基本定义 信号的频率 代表信号变化快慢的物理量 任何一种信号都可以转换成一组正弦波的迭加 不同的信号频率不同： 语音：<4kHz
超声：20kHz~xxMHz FM收音机：MHz 雷达：xGHz …

15 A/D基本定义 采样频率 采样定律的特例 采样周期的倒数 表示采样快慢的物理量 多少时间采一个点/每秒采样多少个点
Nyquist采样定律：fs>=2*fmax fs ：采样频率 fmax ：信号最高频率 一般最小为fs>=2.5*fmax 工程上一般取为fs>=6~8*fmax 采样定律的特例 等效时间采样

16 A/D基本定义 足够的采样率下的采样结果 过低采样率下的采样结果

17 A/D基本定义 能够正确显示信号而不发生畸变的最大频率叫做Nyquist频率，它是采样频率的一半
信号中所包含的频率高于Nyquist频率的成分，将在直流和Nyquist频率之间发生畸变，称为混叠（alias） 混频偏差（alias frequency） ＝ABS（采样频率的最近整数倍－输入频率） 解决方案 在A/D前加入低通滤波器，将信号中高于Nyquist频率的信号成分滤去 称为抗混叠滤波器

18 A/D基本定义 采样频率的控制 三种方式的特点 CLK与Trigger Soft Polling（内部软件触发，通过I/O指令实现）
Timer Pacer（由8254定时器芯片分频产生的内部定速时钟） 例如：频率 = 2MHz 时钟 /（C1*C2）（这里的C1与C2是16位定时器的分频系数） External CLK / Trig（外部时钟） 三种方式的特点 软件触发最为简单、易用，但无法精确控制采样时序，适用于对时序要求不甚严格的场合，如采集DC信号 内部时钟能够精确控制采样时序，但无法保证与外部信号严格同步，但一般应用（无论时域还是频域）均能够满足要求 外部时钟最为灵活，能够满足特殊应用的需求 CLK与Trigger

19 A/D基本定义 Trigger（触发）：启动、停止或同步采集事件的方法 M N 数字触发 模拟触发 延时触发 预触发 中触发 后触发
上升沿触发 下降沿触发 正沿触发 负沿触发 触发 事件

20 A/D基本定义 下列情况适用软件触发模式（Software Trigger，非Soft Polling） 下列情况适用硬件触发模式
用户需要对所有采集事件进行明确控制 时间要求不甚严格 下列情况适用硬件触发模式 采集事件需要与外部装置严格同步 高速、瞬态采集事件

21 A/D基本定义 多通道采样 同步采样 轮询采样 突发模式采样 采用多个A/D芯片，不同通道采用同一时钟
保证不同通道的采样时间相同（信号同步） 轮询采样 只采用一个A/D芯片，通过多路转换开关实现不同通道的切换 通道转换时间 可以通过外加采样/保持电路保证采样的同步 突发模式采样 用通道时钟控制通道间的时间间隔 用另一个扫描时钟控制两次扫描过程之间的间隔 BSSH

22 A/D基本定义 信号类型 从信号端来讲，信号分为 从信号输入端来讲，输入方式分为
接地信号 浮空信号 从信号输入端来讲，输入方式分为 差分输入（DI） 参考地单端输入（RSE） 无参考地单端输入（NRSE） 一般来讲，浮空信号和差分输入方式比较好。但要看具体情况而定。 接地信号 浮空信号 DI 适合 RSE 不适合 NRSE

23 A/D基本定义 接地信号的测量 最好采用差分或NRSE方式 若采用RSE方式，会引入较大误差
接地回路通常会在测量数据中引入频率为电源频率的交流和偏置直流干扰 如果信号电压很高并且信号源和数据采集卡之间的连接阻抗很小，也可以采用RSE输入方式

24 A/D基本定义 浮空信号的测量 可以用差分、RSE、NRSE方式测量浮空信号 在差分输入时，必须保证相对于测量地的信号共模电压在允许范围之内
需在测量端与测量地之间连接偏置电阻 10K ohm<R1=R2<100K ohm 信号为直流时，仅需要R2；若为交流信号，则R1、R2均为必需

25 A/D基本定义 几种信号输入方式的特点 差分输入 NRSE RSE 总体而言，差分输入方式是比较好的选择 可避免接地回路干扰
可避免因环境引起的共模干扰 NRSE RSE 最简单，若信号满足下列条件，可选择RSE输入 输入信号幅值较大，一般需>1V 连线比较短，一般<5m 环境干扰很小或信号屏蔽比较好 所有输入信号都与信号源共地 否则建议选用差分输入方式 总体而言，差分输入方式是比较好的选择

26 A/D基本定义 输入范围与增益 输入信号的幅度 / 输入信号的放大倍数 单极性与双极性 可编程增益
+10V 输入范围与增益 输入信号的幅度 / 输入信号的放大倍数 单极性与双极性 双极性： e.x. -10V ~ +10V (20V范围) 单极性： e.x. 0V~+5V (5V范围) 跳线设置或编程设置 可编程增益 对于大信号应用： 普通增益（1,2,4,8） 对于小信号应用： 高增益（1,10,100,1000） 例如：输入电压范围： +/-10V, 普通增益 可选择的输入电压范围：+/-10V, +/-5V, +/-2.5V, +/-1.25V +5V 0V -10V

27 A/D基本定义 采样精度/分辨率：Accuracy / Resolution 采样数据最低位所代表的模拟量的值
Nbit: 8bit / 12bit / 16bit 电压表示：输入范围/2n 用户关心的最小可测电压值 举例：假如10V的输入信号用12位数据来表示，则最小可分辨的电压为10/212=0.224mV 振幅 10.00 9.75 7.50 6.25 5.00 3.75 2.50 1.25 111 110 100 011 010 001 000 分辨率 20 40 60 80 100 120 140 时间

28 A/D基本定义 A/D数据格式 二进制原码 二进制循环码 实例1: 16 位, 双极性输入 二进制循环码格式
实例1: 16 位, 双极性输入 二进制循环码格式 实例 2: 12 位, 双极性输入 二进制原码格式

29 A/D基本定义 隔离 FIFO 模拟光隔与数字光隔 A/D的隔离一般隔离数字信号 隔离电压
先进先出存储器 First In First Out 用于A/D转换数据缓存作用 PCI总线的传输速率大于A/D转换速率，FIFO正常情况下是空的 利用Bus Mastering DMA，最多可以单次DMA 64MB，并不受限于FIFO大小

30 Most of the ISA AD cards only use the EOC interrupt
数据采集卡的中断系统 ISA总线采集卡通过跳线选择IRQ 中断源可选择 DMA Enable Signal External Interrupt EOC Interrupt Programmable Multiplexer Timer Interrupt Jumper AT Bus CPU FIFO Half-Full Int. interrupt lines Most of the ISA AD cards only use the EOC interrupt DMA Terminal Count ACL-8316/12的中断系统

31 A/D基本定义 数据采集卡的中断系统 PCI-9111的中断系统 PCI总线采集卡由PCI BIOS自动分配IRQ
中断共享的实现 AD EOC INT1 PCI Controller IRQ Flip-Flops INT1 MUX FIFO Half-full INT2 INT #A of PCI Bus INT2 MUX Timer Pacer External IRQ Clear IRQ PCI-9111的中断系统

32 A/D基本定义 数据传输 Software Polling EOC INT FIFO Half Full INT DMA
Bus Mastering DMA Scatter Gather DMA Transfer Data to memory by: A/D Data Register 1. inport instruction 2. DMA controller 3. PCI Bus-master FIFO Buffer ISA Bus or PCI Bus FIFO Half-Full FIFO enable End of Conversion Interrupt Generation System interrupt line

33 Scatter/Gather DMA CPU Fragmented Gathering Physical Memory
Scatter memory Fragmented Physical Memory Data FIFO A/D Timer Logic PCI Bus Controller D/A Retrieves Data CPU

34 A/D基本定义 实现连续采样 Double Buffer DMA

35 A/D数据采集应用 对于不支持总线主控的采集卡。如何在Windows下应用
Slave的PCI卡不支持DMA，只有中断；ISA卡的DMA也要通过中断 Windows对中断的响应有延时 使用 FIFO 缓冲区来消除Windows延时的影响， 但数据不能进行“实时”处理 FIFO 可以存储至少10 ms的模拟信号数据 1024 × 1 / 100 KHz = ms A/D 数据传输方法 使用FIFO 半满标志位来产生一个中断， 然后在中断服务程序中读取 A/D数据 FIFO 数据查询也是可以的， 而中断则被保留起来用作紧急事件触发源或看门狗定时器触发源

36 A/D数据采集应用 如何对数据实时处理 DMA：高速，基本可满足不太严格的实时处理要求
严格“实时”，内时钟触发 ＋ EOC中断 ＋ 实时操作系统（或DOS） 用户自行在中断服务程序中处理数据

37 D/A基本定义 D/A：数字量—模拟量转换 将计算机内部数字量信号转成外部电压
建立时间(Setting Time)：指变化量为满刻度时，达到终值1/2LSB时所需的时间 更新频率/采样频率 (Max Data Update Rate) 精度(Resolution)：8bit 12bit 14bit 16bit 输出范围 输出信号类型 电压输出 电流输出(Source、Sink) ……

38 A/D与D/A测试 能否用A/D卡采集脉冲信号？ 假如用100K的采集卡采集75K的信号，会得到什么样的结果？
简要说明DI、RSE、NRSE的区别？凌华哪些板卡支持NRSE输入？ 对于mV级信号采用高增益的好处是什么？ 什么是FIFO？与Double Buffer DMA的Buffer有何区别？ PCI-6208V的D/A建立时间是2微秒，是否可以说其可以用作输出频率500KHz的任意波形发生器？

39 数字I/O基本定义 I/O点数或通道数 隔离与非隔离 输出驱动能力 I/O速度 非隔离输入输出：TTL电平兼容 隔离输入类型：光电隔离输入
隔离输出类型1：达林顿管输出 隔离输出类型2：继电器输出 输出驱动能力 I/O速度

40 隔离数字输入 隔离输入信号电压范围 依赖于限流电阻 若要使用大负载则需用户自定义限流电阻 隔离输入 1.2K Ohm PC814

41 隔离数字输出 达林顿晶体管能够提供比较大的“灌电流”驱动 需要外部或内部电源 若为感性负载，必须使用外部电源 - VDD 达林顿管 电源
+ 负载 电源 5~35V 达林顿管 - 内部电源 VDD 外部电源

42 DIO基本定义 既可作DI，也可作DO，程序控制 8255兼容

43 T/C基本定义 N Timer / Counter — 82C54 GATE OUT CLK GATE：门控信号。只有当GATE为H时计数

44 T/C基本用法 N 计输入信号频率 已知长度的脉冲 GATE OUT 输入信号 CLK 设置计数初值N
将已知长度(T)的脉冲输入至GATE，待测信号输至CLK 测量T时间中的计数，即可算得输入信号的频率 N GATE CLK OUT 输入信号 已知长度的脉冲

45 T/C基本用法 N 计输入脉冲信号时间 输入信号 GATE OUT 已知长度的脉冲 CLK 设置计数初值N
将已知长度(t)的方波或脉冲输入至CLK，待测信号输至GATE 测量脉冲过程中的计数，即可算得输入信号的时间 N GATE CLK OUT 输入信号 已知长度的脉冲

46 总结 本次内容涉及A/D、D/A、GPIO、GPTC等，对于高速I/O将在今后专门介绍

47 附录 常见传感器及信号调理

48 模拟信号调理 隔离 放大 低电压信号 噪声滤波 电流与电压的转换; 隔离，放大，噪声滤波 电流输入/输出 激励电源 隔离，放大，噪声滤波
多功能I/O RTDs 和热敏电阻 隔离，放大，噪声滤波 冷端补偿 热电偶 激励电压 全桥和半桥设置 隔离，放大，噪声滤波 应变仪

49 常见传感器 物理现象 传感器 温度 热电偶 RTD IC传感器 热敏电阻 光 光电传感器 声 麦克风 力和压力 应变仪 压电传感器

50 热电偶 价格较低，坚固 可承受高温 可迅速感知温度的快速变化 需要作冷端补偿 电压量很小 需要放大 输出非线性 需要冷端补偿

51 RTD 精度比热电偶高 不需要冷端补偿 比热电偶昂贵 需要电流源 非线性输出，需要线性化 2路RTDs接线，简单，但要考虑接线电阻误差