第一章2节数据采集系统

1、*1 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。 数据采集系统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。 *2 图2.1.1数据采集与控制系统*3 数据采集系统（设备）数据采集系统（设备）是指从传感器和其它待测设备等模拟和数字被测单元中自动采集信息的过程。数据采集系统是结合基于计算机的测量软硬件产品来实现灵活的、用户自定义的测量系统。微机数据采集系统单片机数据采集系统就是将外部世界的信息，连续变化的物理量形式，例如温度、压力、位移、速度等，将这些信息送入计算机进行处理。将这些连续的物理量离散化，并进行量化编码，从

2、而变成数字量，方便使用。*4图2.1.2 微机数据采集系统*5输出控制输出控制 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采集作为系统的输入，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。 一般计算机的控制输出是数字数据，-DO 有时需要转换成模拟信号以驱动过程。D/A 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。 *6图2.1.3 计算机控制系统阀门*7 设计数据采集系统基本问题如下： 输入输出通道的分辨率及精度； 输入输出通道数及多通道的结构配置； 输入通道的采样速率及数据吞吐

3、率； 输出通道的稳定时间； 输入模拟信号的调理； 输出负载特性及驱动问题； 与微机接口时寻址和控制方式； 成本因素。*8建立数据采集系统的方式有两种：建立数据采集系统的方式有两种：其一，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，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。 *9 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。 可以说数据

4、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计算机、模数转换与数模转换于一体的混合系统。*10 A/D-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(采样），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。 D/A-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。*11 DO-开关量(数字量)信号输出的过程。 Digital Output 它可由控制软件将输出通道变成高电平或低电平，通过驱动电路即可带动继电器或其他开关元件动作，也可驱动指示灯显示状态。 开关量输出DO信号可用来控制开关、交流接触器、变频器以及可控硅等执行

5、元件动作。DI-开关量(数字量)信号输入的过程 Digital Input I/O 输出/输出*12 采样采样利用采样脉冲序列，从信号中抽取一系列离散利用采样脉冲序列，从信号中抽取一系列离散值，使之成为采样信号值，使之成为采样信号x(nTs)的过程。的过程。 Ts称为采样间隔，或采样周期，称为采样间隔，或采样周期，1/Ts = fs 称为采样频率。称为采样频率。 由于后续的量化过程需要一定的时间由于后续的量化过程需要一定的时间，对于随时间变化的，对于随时间变化的模拟输入信号，要求瞬时采样值在时间模拟输入信号，要求瞬时采样值在时间内保持不变，这样内保持不变，这样才能保证转换的正确性和转换精度，这

6、个过程就是采样保持。才能保证转换的正确性和转换精度，这个过程就是采样保持。正是有了采样保持，实际上采样后的信号是阶梯形的连续函正是有了采样保持，实际上采样后的信号是阶梯形的连续函数。数。 1、A/D转换转换 模拟信号0,1,2,3,2,1,采样量化数字信号2.2.1 模数模数(A/D)和数模和数模(D/A)*13012345678012345编码编码将离散幅值经将离散幅值经 过量化以后变为二进制数的过程过量化以后变为二进制数的过程4位位A/D: XXXXX(1) 0101X(2) 0011X(3) 0000量化量化把采样信号经过舍入或截尾的方法变为只有有把采样信号经过舍入或截尾的方法变为只有有

7、限个有效数字的数，称为量化。限个有效数字的数，称为量化。x(1)=5x(2)=4x(3)=0 x(4)=0 x(5)=4x(6)=5x(7)=1x(8)=0信号的六等份量化过程信号的六等份量化过程2.2.1 模数模数(A/D)和数模和数模(D/A)*142) A/D转换器的技术指标转换器的技术指标 (1) 分辨率分辨率 用输出二进制数码的位数表示。位数越多，量化用输出二进制数码的位数表示。位数越多，量化误差越小，分辨力越高。常用有误差越小，分辨力越高。常用有8位、位、10位、位、12位、位、16位等。位等。(2) 转换速度转换速度 指完成一次转换所用的时间，如指完成一次转换所用的时间，如:1m

8、s(1kHz)； 10us(100kHz) (3) 模拟信号的输入范围模拟信号的输入范围 如，如，5V， +/-5V，10V，+/-10V等。等。2.2.1 模数模数(A/D)和数模和数模(D/A)*152) A/D转换器的技术指标转换器的技术指标 (4) 转换精度转换精度 A/D转换器中采用分辨率和转换误差来描述转换器中采用分辨率和转换误差来描述转换精度。转换精度。 a) 分辨率用来说明分辨率用来说明A/D转换器对输入信号的转换器对输入信号的分辨能力，有分辨能力，有n位输出的位输出的A/D转换器能区分转换器能区分2n个不个不同等级，因此分辨率同等级，因此分辨率=VImax/2n，式中，式中，

9、VImax是是输入模拟信号的最大值。输入模拟信号的最大值。 b) A/D转换器的转换误差通常以输出误差的转换器的转换误差通常以输出误差的最大值形式给出，它表示实际输出数字量和理论最大值形式给出，它表示实际输出数字量和理论上应得到的数字量之间的差别，通常规定应小于上应得到的数字量之间的差别，通常规定应小于1/2LSB。2.2.1 模数模数(A/D)和数模和数模(D/A)*162、D/A转换过程和原理转换过程和原理 D/A转换器是把数字信号转换为电压或电流信号的装转换器是把数字信号转换为电压或电流信号的装置。置。 D/A转换器一般先通过转换器一般先通过T型电阻网络将数字信号转型电阻网络将数字信号转

10、换为模拟电脉冲信号，然后通过零阶保持电路将其转换为模拟电脉冲信号，然后通过零阶保持电路将其转换为阶梯换为阶梯状状的连续电信号。只要采样间隔足够密，就的连续电信号。只要采样间隔足够密，就可以精确的复现原信号。为减小零阶保持电路带来的可以精确的复现原信号。为减小零阶保持电路带来的电噪声，还可以在其后接一个低通滤波器。电噪声，还可以在其后接一个低通滤波器。2.2.1 模数模数(A/D)和数模和数模(D/A)*17 D/A转换器的技术指标转换器的技术指标 (1) 分辨率分辨率 D/A转换器的分辨力用可用输入的二进制数码的转换器的分辨力用可用输入的二进制数码的位数来表示。位数越多，则分辨力也就越高。常用

11、位数来表示。位数越多，则分辨力也就越高。常用的有的有8位、位、10位、位、12位、位、16位、位、24位、位、32位等。位等。12位位D/A转换器的分辨率为转换器的分辨率为1/212 =0.024%。2.2.1 模数模数(A/D)和数模和数模(D/A)*18 D/A转换器的技术指标转换器的技术指标 (2) 转换精度转换精度 转换精度定义为实际输出与期望输出之比。以转换精度定义为实际输出与期望输出之比。以全程的百分比或最大输出电压的百分比表示。理论全程的百分比或最大输出电压的百分比表示。理论上上D/A转换器的最大误差为最低位的转换器的最大误差为最低位的1/2，10位位D/A转换器的分辨率为转换器

12、的分辨率为1/210，约为，约为0.1%，它的精度为，它的精度为0.05%。如。如10位位D/A转换器的满程输出为转换器的满程输出为10V，则它，则它的最大输出误差为的最大输出误差为10V0.0005=5mV。 2.2.1 模数模数(A/D)和数模和数模(D/A)*19 D/A转换器的技术指标转换器的技术指标 (3) 转换速度转换速度 转换速度是指完成一次转换速度是指完成一次D/A转换所用的时间。转换所用的时间。转换时间越长，转换速度就越低。转换时间越长，转换速度就越低。1ms(1k) 所有通道的转换工作必须在一个采样间隔中完成，否则，会造成数据积压。完成一路信号的转换所需要的时间应小于TS

13、/n（n为输入量通道数）。2.2.1 模数模数(A/D)和数模和数模(D/A)*20A/D、D/A转换过程中的量化误差实验：转换过程中的量化误差实验：2.2.1 模数模数(A/D)和数模和数模(D/A)*21一、信号采样一、信号采样 采样是将采样脉冲序列采样是将采样脉冲序列p(t)与信号与信号x(t)相乘，取离散相乘，取离散点点x(nt)值的过程。值的过程。p(t)x(t)x(nt)2.2.2 采样定理采样定理*22)(X)(tx)(tp)(txs)(Pt)(sXmmsTsTstssT1sTsTsts000000 一个连续信号经过一个连续信号经过理想采样以后，它的频理想采样以后，它的频谱将沿着

14、频率轴每隔一谱将沿着频率轴每隔一个采样频率个采样频率s ,重复出现重复出现一次，即其频谱产生了一次，即其频谱产生了周期延拓，其幅值被采周期延拓，其幅值被采样脉冲序列的傅立叶系样脉冲序列的傅立叶系数（数（Cn=1/Ts)所加权，其所加权，其频谱形状不变。频谱形状不变。 一、信号采样一、信号采样2.2.2 采样定理采样定理*23 1 频混现象频混现象 （a）采样频率等于信号频率，正弦信号离散后得到直流信号）采样频率等于信号频率，正弦信号离散后得到直流信号（b）采样频率等于信号频率的）采样频率等于信号频率的2倍，正弦信号离散后得到三角波信号倍，正弦信号离散后得到三角波信号（c）采样频率小于信号频率的

15、）采样频率小于信号频率的2倍，正弦信号离散后得到更低频倍，正弦信号离散后得到更低频率的正弦信号率的正弦信号2.2.2 采样定理采样定理*24 当采样信号的频率低于被采样信号的最高频率时，当采样信号的频率低于被采样信号的最高频率时，采样所得的信号中混入了虚假的低频分量，这种现采样所得的信号中混入了虚假的低频分量，这种现象叫做频率混叠。象叫做频率混叠。 采样频率采样频率合适合适的情况下复原信号；的情况下复原信号； 采样频率过低的情况下，复原的是一个虚假的采样频率过低的情况下，复原的是一个虚假的低频信号。低频信号。 1 频混现象频混现象 2.2.2 采样定理采样定理*25 频混现象又称频谱混叠效应，

16、它是由于采样信号频谱发生频混现象又称频谱混叠效应，它是由于采样信号频谱发生变化，而出现高、低频成分发生混淆的一种现象。变化，而出现高、低频成分发生混淆的一种现象。 1 频混现象频混现象 2.2.2 采样定理采样定理*26 1 频混现象频混现象 l信号信号x(t)的傅里叶变换为的傅里叶变换为X()，其频带范围为，其频带范围为 -mm；l当采样周期当采样周期Ts较小时，较小时，s2m，周期谱图相互分离，周期谱图相互分离如图中如图中(b)所示；所示；l当当Ts较大时，较大时，s2m，周期谱图相互重叠，即谱图，周期谱图相互重叠，即谱图中高频与低频部分发生重叠，如图中中高频与低频部分发生重叠，如图中(c

17、)所示，此即频所示，此即频混现象，这将使信号复原时丢失原始信号中的高频信混现象，这将使信号复原时丢失原始信号中的高频信息。息。2.2.2 采样定理采样定理*272 采样定理采样定理 为保证采样后信号能真实地保留原始模拟信号信为保证采样后信号能真实地保留原始模拟信号信息，信号采样频率必须至少为原信号中最高频率成分息，信号采样频率必须至少为原信号中最高频率成分的的2倍倍。这是采样的基本法则，称为采样定理，亦称。这是采样的基本法则，称为采样定理，亦称仙农定理。仙农定理。fs 2 fmax 2.2.2 采样定理采样定理*28 注意：注意：满足采样定理，只保证不发生频率混叠，而满足采样定理，只保证不发生

18、频率混叠，而不能保证采样信号能真实地反映原信号不能保证采样信号能真实地反映原信号x(t)。工程实。工程实际中采样频率通常大于信号中最高频率成分的际中采样频率通常大于信号中最高频率成分的35倍。倍。2 采样定理采样定理2.2.2 采样定理采样定理*29A/D采样前的抗混迭滤波：采样前的抗混迭滤波：物理信号物理信号对象对象传传感感器器电信号电信号放放大大调调制制电信号电信号A/D转换转换数字信号数字信号展开展开低通滤波低通滤波(0Fs/2)放大放大2 采样定理采样定理2.2.2 采样定理采样定理*30 为便于数学处理，对截断信号做周期延拓，得到为便于数学处理，对截断信号做周期延拓，得到虚拟的无限长

19、信号。虚拟的无限长信号。 用计算机进行测试信号处理时，不可能对无限长的信用计算机进行测试信号处理时，不可能对无限长的信号进行测量和运算，而是取其有限的时间片段进行分析，号进行测量和运算，而是取其有限的时间片段进行分析，这个过程称信号截断。这个过程称信号截断。 2.2.2 采样定理采样定理*31 周期延拓后的信号与真实信号是不同的，下面从周期延拓后的信号与真实信号是不同的，下面从数学的角度来看这种处理带来的误差情况。数学的角度来看这种处理带来的误差情况。 设有余弦信号设有余弦信号x(t)，用矩形窗函数，用矩形窗函数w(t)与其相乘，与其相乘，得到截断信号：得到截断信号：y(t) =x(t)w(t

20、) 将截断信号谱将截断信号谱 XT()与原始信号谱与原始信号谱X()相比较可相比较可知，它已不是原来的两条谱线，而是两段振荡的连续知，它已不是原来的两条谱线，而是两段振荡的连续谱谱. 原来集中在原来集中在f0处的能量被分散到两个较宽的频带中处的能量被分散到两个较宽的频带中去了，这种现象称之为频谱能量泄漏。去了，这种现象称之为频谱能量泄漏。2.2.3 信号的截断、能量泄露信号的截断、能量泄露*32周期延拓信号与真实信号是不同的：周期延拓信号与真实信号是不同的：能量泄漏误差能量泄漏误差2.2.3 信号的截断、能量泄露信号的截断、能量泄露*33克服方法之一：信号整周期截断克服方法之一：信号整周期截断

21、2.2.3 信号的截断、能量泄露信号的截断、能量泄露*34 为了减少频谱能量泄漏，可采用不同的截取函数为了减少频谱能量泄漏，可采用不同的截取函数对信号进行截断，截断函数称为窗函数，简称为窗。对信号进行截断，截断函数称为窗函数，简称为窗。泄漏与窗函数频谱的两侧旁瓣有关，如果两侧瓣的高泄漏与窗函数频谱的两侧旁瓣有关，如果两侧瓣的高度趋于零，而使能量相对集中在主瓣，就可以较为接度趋于零，而使能量相对集中在主瓣，就可以较为接近于真实的频谱。近于真实的频谱。 克服方法之二：窗函数克服方法之二：窗函数2.2.3 信号的截断、能量泄露信号的截断、能量泄露*35 常用窗函数：常用窗函数： (1) (1) 幂窗

22、幂窗采用时间变量某种幂次的函数，如采用时间变量某种幂次的函数，如矩形、三角形、梯形或其它时间矩形、三角形、梯形或其它时间(t)(t)的高次幂；的高次幂； (2) (2) 三角函数窗三角函数窗应用三角函数，即正弦或余应用三角函数，即正弦或余弦函数等组合成复合函数，例如汉宁窗、海明窗等；弦函数等组合成复合函数，例如汉宁窗、海明窗等； (3) (3) 指数窗指数窗采用指数时间函数，如采用指数时间函数，如e-ste-st形式，形式，例如高斯窗等例如高斯窗等克服方法之二：窗函数克服方法之二：窗函数2.2.3 信号的截断、能量泄露信号的截断、能量泄露*361. 矩形窗矩形窗 TtTt/Ttw01 TTw2

23、sin矩形窗属于时间变量的零次幂窗，函数形式为矩形窗属于时间变量的零次幂窗，函数形式为相应的窗谱为：相应的窗谱为：矩形窗使用最多，习惯上不加窗就是使信号通过了矩形窗矩形窗使用最多，习惯上不加窗就是使信号通过了矩形窗优点：主瓣比较集中优点：主瓣比较集中缺点：旁瓣较高，并有负旁瓣，导致变换中带进了高缺点：旁瓣较高，并有负旁瓣，导致变换中带进了高频干扰和泄漏，甚至出现负谱现象。频干扰和泄漏，甚至出现负谱现象。2.2.3 信号的截断、能量泄露信号的截断、能量泄露*372. 三角窗三角窗 TtTtTtTtw0-11 222sinT/T/w三角窗亦称费杰三角窗亦称费杰( (Fejer) )窗，是幂窗的一次

24、方形式：窗，是幂窗的一次方形式：相应的窗谱为：相应的窗谱为： 三角窗与矩形窗比较，主瓣宽约等于矩形窗三角窗与矩形窗比较，主瓣宽约等于矩形窗的两倍，但旁瓣小，而且无负旁瓣。的两倍，但旁瓣小，而且无负旁瓣。2.2.3 信号的截断、能量泄露信号的截断、能量泄露*38 3. 汉宁汉宁(Hanning)窗窗 TtTtTtTtw0cos21211 2sinsin21sinTTTTTTw汉宁窗又称升余弦窗，其时域表达式为：汉宁窗又称升余弦窗，其时域表达式为：相应的窗谱为：相应的窗谱为： 与矩形窗对比，汉宁窗主瓣加宽并降低，旁瓣则与矩形窗对比，汉宁窗主瓣加宽并降低，旁瓣则显著减小。汉宁窗的旁瓣衰减速度也较快。

25、比较可知，显著减小。汉宁窗的旁瓣衰减速度也较快。比较可知，从减小泄漏观点出发，汉宁窗优于矩形窗。但汉宁窗从减小泄漏观点出发，汉宁窗优于矩形窗。但汉宁窗主瓣加宽，相当于分析带宽加宽，频率分辨力下降。主瓣加宽，相当于分析带宽加宽，频率分辨力下降。2.2.3 信号的截断、能量泄露信号的截断、能量泄露*39 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点平信号，电压小于1mV和电流小于1mA的信号作为低电平信号。*40 （2）输入容量，它是指能接收的模拟信号的点数，即通道数。 （3）采样转换速度，它是指总的模拟输入通道

26、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。 （4）系统总精度，一般为1.00.01%。 （5）共模抑制比。*41 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。模拟信号输入通道速度分类(点/秒) 类 别低电平高电平低 速2001000050000*42 1）分时多通道数据采集结构图2.3.1分时多通道数据采集系统 *43 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

27、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05V，电流为420mA），再输出给模拟多路选通开关。 *44 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。 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。 *45 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。 *46 2）

28、伪同步多通道数据收集系统图3.3.2 伪同步多通道数据收集 *47 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。 伪同步多通道数据收集系统的主要特点*48 3）同步多通道数据收集系统图3.3.3 同步多通道数据收集系统结构 *49 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

29、转换值完全瞬时对应。 上述三种结构目前均有应用，究竟采用那一种结构，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。*50采用多路开关的原因：采用多路开关的原因： A/D芯片的价格较贵，一般是多路模拟信号公用一片A/D芯片的方式。故利用多路开关，使其在任一时刻，只有一路已采样的模拟信号接入A/D芯片 的输入端，进行模/数变换。转换结束后，将结果存入指定的存贮区，然后由CPU控制，使下一路信号输入到A/D芯片直至将全部模拟信号转换完成。*51 在考虑模拟信号输出通道结构时必须注意以下特征指标

30、： 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； 输出容量，这是指输出通道数； 输出精度； 输出稳定时间。*52 1）数字分配分时转换结构 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。 *53图3.3.4 数字分配分时转换结构 *54 2）数字分配同步转换结构图3.3.5 数字分配同步转换结构 *55 这种结构在分时转换结构的基础上增设了一

31、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。*56 3）分时转换多通道模拟分配结构图3.3.6 分时转换多通道模拟分配结构 *57 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

32、保持状态。 *58 显然，正在进行 D/A转换的通道，采样保持器是跟随状态，而其它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。 *59 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。使用那一种方法，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

33、理。 *60 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。*61 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。*62 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 最基本的控制结构包括查询和中

34、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。 *63 (a) (b) 图3.3.7 程序通道I/O传送结构原理 (a) 查询 (b) 中断*64 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。*65 2）直接存储器存取（DMA结构） 在程序通道I/O传送方

35、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。 *66 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： 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READY输入端。 *67 DMA检测到READY信号有效，便向CPU发出总线请求信号BUSRQ，

36、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，便自动撤消向CPU提出的总线请求信号， CPU重新控制总线。 *68 3）通道表结构 图3.3.8 通道表结构框图 *69 通道表结构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

37、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。 *70 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。 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。 *712.4 数据采集系统设计 2.4.1 方案设计 2.4.2 设备选型 2.4.3 程序选择*72数据采集系统的典型结构数据采集系统的典型结构计算机数据采集系统的测量，依赖于各种类

38、型的传感器。传感器的输出 信号信号 可分为三类：开关信号：两个状态的信号。如电机的运转与停车；开关的合与断；以及各种开关型传感器的输出信号等。开关信号只用一位二进制表示。因此8位机可以同时处理8个开关信号。 *73数字信号：用二进制数形式表示的数。数字信号可以是数字电压表、键盘、数字输出的装置输出的信息，也可以是频率输出型传感器的输出信息。微机可以直接接收数字信号。8位微机一次只能接收8位二进制表示的数字量，超过8位时，必须分几次来接收。模拟信号，指在连续时间内，对信号的幅值可以在某范围内连续任意取值。我们所讨论的微机数据采集系统主要处理的即是这一类信号。模拟信号微机不能直接接收和处理，常要通

39、过模数转换器（A/D）将模拟量转换成微机能处理的数字信号。*74一、采集系统设计考虑的主要因素一、采集系统设计考虑的主要因素v 1 1、输入信号的特性、输入信号的特性 电压电压 电流电流 v 2 2、对数据采集系统性能的要求、对数据采集系统性能的要求v 3 3、接口特性、接口特性v 4 4、软件、软件2.4.1 方案设计方案设计干什么用？干什么用？*751 1、输入信号的特性：、输入信号的特性：信号的数量信号的数量 多少路？多少路？信号类型信号类型 电压电压 电流电流 数字数字 脉冲脉冲 信号的输入方式信号的输入方式 （单端、差动、单极性、双极性，接地、浮地单端、差动、单极性、双极性，接地、浮

40、地） 信号的强弱及动态范围信号的强弱及动态范围信号中的噪声信号中的噪声共模电压大小共模电压大小 信号源的阻抗信号源的阻抗共模电压(common mode voltage):在每一导体和所规定的参照点之间（往往是大地或机架）出现的相量电压的平均值。或者说同时加在电压表两测量端和规定公共端之间的那部分输入电压。*76信号的输入方式信号的输入方式l 电压信号可以分为接地和浮动两种类型。电压信号可以分为接地和浮动两种类型。 接地信号：将信号的一端与系统地连接起来，如大地或建筑物接地信号：将信号的一端与系统地连接起来，如大地或建筑物的地。因为信号用的是系统地，所以与数据采集卡是共地的。的地。因为信号用的

41、是系统地，所以与数据采集卡是共地的。 浮动信号：一个不与任何地（如大地或建筑物的地）连接的电浮动信号：一个不与任何地（如大地或建筑物的地）连接的电压信号称为浮动信号，浮动信号的每个端口都与系统地独立。压信号称为浮动信号，浮动信号的每个端口都与系统地独立。常见的浮动信号有电池、热电偶、变压器和隔离放大器。常见的浮动信号有电池、热电偶、变压器和隔离放大器。 测量系统可以分为差分（测量系统可以分为差分（Differential）、参考地单端（）、参考地单端（RSE）、）、无参考地单端（无参考地单端（NRSE）三种类型。）三种类型。 *77l 差分测量系统：信号输入端分别与一个模入通道相连接。具差分测

42、量系统：信号输入端分别与一个模入通道相连接。具有放大器的数据采集卡可配置成差分测量系统。有放大器的数据采集卡可配置成差分测量系统。*78l 一个理想的差分测量系统仅能测出一个理想的差分测量系统仅能测出(+)和和(-)输入端口之间的输入端口之间的电位差，完全不会测量到共模电压；电位差，完全不会测量到共模电压；l 实际应用的数据采集卡的共模电压的范围限制了相对于测实际应用的数据采集卡的共模电压的范围限制了相对于测量系统地的输入电压的波动范围；量系统地的输入电压的波动范围；l 可以用不同的方式来消除共模电压的影响。如果系统共模可以用不同的方式来消除共模电压的影响。如果系统共模电压超过允许范围，需要限

43、制信号地与数据采集卡的地之电压超过允许范围，需要限制信号地与数据采集卡的地之间的浮地电压，以避免测量数据错误；间的浮地电压，以避免测量数据错误； *79l 参考地单端测量系统参考地单端测量系统(Referenced Single-End，RSE)：也：也叫做接地测量系统，被测信号一端接模拟输入通道，另一叫做接地测量系统，被测信号一端接模拟输入通道，另一端接系统地端接系统地AIGND。*80l 无参考地单端测量系统无参考地单端测量系统(NRSE)：信号的一端接模拟输入：信号的一端接模拟输入通道，另一端接一个公用参考端，但这个参考端电压相对通道，另一端接一个公用参考端，但这个参考端电压相对于测量系

44、统的地来说是不断变化的。于测量系统的地来说是不断变化的。*81l 几种信号输入方式的特点几种信号输入方式的特点 差分输入差分输入 可避免接地回路干扰可避免接地回路干扰 可避免因环境引起的共模干扰可避免因环境引起的共模干扰 NRSE 可避免接地回路干扰可避免接地回路干扰 RSE 最简单，若信号满足下列条件，可选择最简单，若信号满足下列条件，可选择RSE输入输入*82l 若信号满足下列条件，可选择若信号满足下列条件，可选择RSE测量方式：测量方式： 输入信号幅值较大，一般需输入信号幅值较大，一般需1V； 连线比较短，一般连线比较短，一般5m； 环境干扰很小或信号屏蔽比较好；环境干扰很小或信号屏蔽比

45、较好； 所有输入信号都与信号源共地。所有输入信号都与信号源共地。l 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好的选择l 输入信号源的阻抗与插入式数据采集卡的阻抗相匹配：输入信号源的阻抗与插入式数据采集卡的阻抗相匹配： 对于电池、对于电池、RTD、应变片、热电偶等信号源，由于阻抗很小，、应变片、热电偶等信号源，由于阻抗很小，可以将这些信号源直接连接到数据采集卡上或信号调理硬件上。可以将这些信号源直接连接到数据采集卡上或信号调理硬件上。 直接将高阻抗的信号源接到插入式板卡上会导致出错。直接将高阻抗的信号源接到插入式板卡上会

46、导致出错。*832.2.对数据采集系统性能的要求：对数据采集系统性能的要求：系统的采集速率系统的采集速率系统的精度系统的精度系统的分辨率系统的分辨率主机（主机（PCPC、MCUMCU单片机、DSPDSP数字信号微处理器）并行、串行、总线并行、串行、总线3.3.接口特性接口特性 ：*841.采集速率（系统通过速率、吞吐率）：在满足系统精度指标采集速率（系统通过速率、吞吐率）：在满足系统精度指标的前提下，系统对输入模拟信号在单位时间内所完成的采样次的前提下，系统对输入模拟信号在单位时间内所完成的采样次数，或者说是系统每个通道、每秒钟可采集的子样数目。数，或者说是系统每个通道、每秒钟可采集的子样数目

47、。“采集采集”包括对被测物理量进行采样、量化、编码、传输、包括对被测物理量进行采样、量化、编码、传输、存储等过程。存储等过程。采集速率的倒数是采样周期。采集速率的倒数是采样周期。2.系统精度：当系统工作在额定采集速率下，每个离散子样的系统精度：当系统工作在额定采集速率下，每个离散子样的转换精度。转换精度。 模数转换器的精度是系统精度的极限值。模数转换器的精度是系统精度的极限值。系统精度是系统的系统精度是系统的实际输出值实际输出值与与理论输出值理论输出值之差，它是系统之差，它是系统各种误差的总和。通常表示为满度值的百分数。各种误差的总和。通常表示为满度值的百分数。*85数据采集系统的主要性能指标

48、数据采集系统的主要性能指标3.系统分辨率：系统分辨率：数据采集系统可以分辨的输入信号的最小变数据采集系统可以分辨的输入信号的最小变化量。通常用最低有效位值（化量。通常用最低有效位值（LSB）占系统满刻度信号的百）占系统满刻度信号的百分比表示，或用系统可分辨的实际电压数值来表示。有时也分比表示，或用系统可分辨的实际电压数值来表示。有时也用信号满刻度值可以划分的级数来表示。用信号满刻度值可以划分的级数来表示。 位数位数级数级数1 LSB（满度值的百分数）（满度值的百分数） 1 LSB（10V满度）满度）82560.391%39.1mV1240960.0244%2.44 mV16655360.001

49、5%0.15 mV2010485760.000095%9.53 uV24167772160.0000060%0.60 uV表表 系统的分辨率（满度值为系统的分辨率（满度值为10 V）*862.4.1 方案设计方案1：远程高精度温度数据采集系统设计远程高精度温度数据采集系统设计方案2：基于基于USB2.0的高速同步的高速同步数据采集系统设计数据采集系统设计方案3：基于工业以太网下的远程基于工业以太网下的远程数据采集系统数据采集系统方案4：人体温湿度数据采集系统设计人体温湿度数据采集系统设计方案5：基于基于Win98平台的平台的DMA高速数据采集系统设计高速数据采集系统设计*87*88 工业环型以

50、太网监测系统是一个易扩展开放式的监控系统，是目前世界上先进的过程自动化系统开放式解决方案，是面向工厂自动化的新一代开放式SCADA(易扩展开放式的监控系统)。网络设计方案中由监控总站的管理计算机、数字服务器、视频服务器、环网交换机和各种矿用仪器仪表搭建而成。系统的主干网采用100M的工业以太网技术，用以保证各监测、监控信息进行高速传输和交换，保证系统的实时性。主干网在设计时具有冗余性，设备具有纠错能力，具有灵活性和可扩展性，保证了高可靠性，同时还能支持多种网络协议。主干网的连接采用光纤分布式数据接口（FDDI），整个系统环形网络的拓扑结构如图1所示。方案3：基于工业以太网下的远程基于工业以太网

51、下的远程数据采集系统数据采集系统*89 利用DMA技术实现的高速数据采集系统框图如图1所示，该系统采用了ISA总线与PC机接口。当数据通过A/D转换采集进来后，先存储到系统内部的数据缓存SRAM中；当数据存满预定的字节数后，系统即向计算机发出DMA申请。DMA控制器在接管总线以后，在没有CPU的干预下，以极快的速度将缓存中的数据经计算机总线送到计算机内存中，再由计算机进行数据分析处理。方案5：基于基于Win98平台的平台的DMA高速数据采集系统设计高速数据采集系统设计2.4.2 设备选型一、传感器选择二、板卡选择三、软件*90 传感器是信号输入通道的第一环节，也是决定整个测试传感器是信号输入通道的第一环节，也是决定整个测试系统性能的关键环节之一。系统性能的关键环节之一。 正确选用传感器正确选用传感器 明确所设计的测控系统对传感器的技术要求。明确所设计的测控系统对传感器的技术要求。 了解现有传感器厂家有哪些可供选择的传感器。