【正文】 .............................................. 32 4． 2． 2 雙通道信號采集實物測試與分析 ............................................................... 32 4． 2． 3 多通道信號采集實物測試與分析 ............................................................... 33 第 5章 結論 ............................................................................................................................... 35 致謝 ............................................................................................................................................. 36 參考文獻 ..................................................................................................................................... 37 附錄 ............................................................................................................................................. 39 常州工學院畢業(yè)設計說明書 6 第 1 章 緒論 課題研究背景和意義 隨著電子制造工業(yè)的不斷發(fā)展以及信號數據采集的客觀需求，信號采集與處理一直都是生產生活實踐與實際操作領域的一個熱點和難點，當前，國內外關于信號采集系統研究已經取得了很大的成就。就數模轉換的通道數而言，采樣通道由以前的單通道發(fā)展到雙通道、多通道，數據采樣頻率、分辨率以及精確度也已經不斷地強化和提高。而在信號分析的微處理上，最初的信號采集系統以 8 位單片機為 中心。隨著微電子技術的日益發(fā)展，新型單片機的逐步問世， 16 位、 32 位單片機也為信號采集系統研制的廠家所采納。近年來，使用具有 DSP 功能的信號采集系統也已投入生產。同時，常用的個人計算機的中央處理器用于信號處理也比較常見。簡而言之，隨著高性能的微信號處理器的生產使用和用戶生產使用中所采用的技術要求的不斷提高，信號采集系統將會愈加日趨完善。 在絕大多數利用計算機進行調控和信號分析的試驗中，都離不開對模擬信息數據的采集。工業(yè)現場的復雜性決定模擬數據信號的多樣性。因此，鑒于對不同的工程技術要求，測量技術的標準也會 隨之不同。就采樣速率而言，其中有的是變化的信號，比如燃燒爐內的溫度，針對它就可以選用普通數據采樣速率的模數轉換器；有的則又是瞬間突變的模擬信號，比如機械振動中物體所承受的壓力或電閘開關瞬間打開或者關閉時候對電路中電流的影響。采集數據時，就必須采用采樣速率較高的模數轉換器。其次，對不同的采樣要求，采樣精度也不同，絕大部分的普通儀表只需要 8位采樣精度就可滿足測量的要求。而在一些精密儀器的使用和信號分析的試驗中，又必須采用 14位、 16位、 18位甚至更高分辨率的儀器來進行信號采樣。此外，在很多情況下，則需要采樣信號 有很多通路，比如設計一個異步多通路信號采集器，就需要考慮不同信號通路中收集到的幾路信號。不僅如此，在絕大多數數據采樣試驗比較復雜或要求高精度調控的場合下，一般都會對數據采樣的精確度、速率、通道數等技術規(guī)格同時提出較高要求，比如在一些電氣設備的故障診斷中，除了采樣過程中要求很高的速率和精確度之外，還需同時采集多個通路中輸入信號并且這些輸入信號是同步進行采集。 課題研究的現狀 在網絡通信快速發(fā)展的今天，信號采集系統已經廣泛應用在各個領域，可以很方便地進行數據信號的處理與分析。目前信號采集器已經與個人計 算機相結合，利用 USB 接口可以在計算機界面進行信號的采集。國內外生產廠商研發(fā)的各種新型的信號采集器，將采集卡的生產要求向高性能、低耗能的技術標準發(fā)展。 常州工學院畢業(yè)設計說明書 7 在計算機廣泛應用的今天，信號采集的重要性是十分顯著的。它是計算機與外部物理世界連接的橋梁。各種類型信號采集的難易程度差別很大。實際采集時，噪聲也可能帶來一些麻煩。因此，信號采集時，有一些基本原理要注意，還有更多的實際的問題要解決。 信號采集是綜合了傳感器 (前端 )的模擬信號處理、模擬信號數字化、數字信號處理和計算機控制技術等，來實現對外界信息獲取的一 門綜合技術。它借助于各種類型的傳感器檢測外部世界的各種信號，并轉換成電信號，然后進行信號調理和 A/D 轉換，使之轉換成為能夠在數字系統中進一步處理的數字信號。信號采集系統功能的好壞，絕大部分取決于系統的速率和精確度。在精確度完全符合要求的情況下，應要盡可能高的提高采樣速率，以保證速率能夠滿足實時采集、實時處理和實時控制的要求。 近年信號采集系統的應用范圍越來越多、所涉及到的測量信號和信號源的類型越來越寬、對測量的要求也越來越高。國內現在已有不少信號測量和采集的系統，但很多系統存在功能單一、采集通道少、采集速率 低、操作復雜、并且對測試環(huán)境要求較高等問題。人們需要一種應用范圍廣、性價比高的信號采集系統。 國內外研究主要成果及發(fā)展趨勢 目前，國內外的數據采集系統常用的數據采集卡有 RS23 RS485 卡、 PCI 卡、 ISA卡等。這些數據采集卡需要插在主機的的 PCI 插槽或 ISA 插槽上，使用不方便等。而通用串行總線 (USB)是一種新的接口方式，具有連接方便、支持 熱插拔、無需外界電源、傳輸速度高、功耗低等優(yōu)點。因此，基于 USB 的數據采集系統在通信、遙感、智能儀器表、工業(yè)自動化等領域得到了廣泛應用。 信號采集系統的發(fā)展趨勢主要體現： 首先，在專業(yè)測控方面基于個人計算機的信號采集系統發(fā)展越來越成熟，應用愈加的智能化。在已經過去的幾十年中，對外開放架構的個人計算機運行處理能力基本上是平均每隔一年半的時間就會是以前的兩倍。為了有效利用 CPU的快速發(fā)展，當代開放式測試平臺采用了高速總線接口，如 PCI和 PXI/Compact PCI，從而使得運行功能飛速提高，個人計算機 功能的提升以及由此導致的基于計算機的測試方案不斷創(chuàng)新，使得傳統測量儀器和基于計算機的測量的兩者的區(qū)別越來越模糊。 其次，關于通用測控技術方面，一般都會采用嵌入式微處理器的方案，由早期的采用 A/D轉化器件和 4標準單片機構成的系統發(fā)展到現在在單芯片上實現完整的信號采集與處理，即當前非常受歡迎的 SOC（ System On Chip），就是將一個可以采集多路模擬信號的 A/D轉換功能的子系統和一個 CPU硬核集成在同一個芯片上，例如增強型的 8052內核，其 CPU的性能和運行速度也比先前的標準 CPU增加了數倍，并且功耗極 低。 常州工學院畢業(yè)設計說明書 8 此外，為了解決基于 SOC方案中信號處理功能弱的問題，采用 DSP作為信號采集系統的中央處理器的研究與應用目前也逐漸引起生產廠商們的重視，比如 TI近年來設計的TMS320C240x系列芯片就是一款比較完整的信號采集與控制的單片機系統，但是該類產品目前正處于開發(fā)的初級測試階段，在精確度、速率以及其它性能指標上并不能完全滿足實際生產操作的要求。因此，國內外正開展以 DSP作為信號采集系統的采樣控制和數據分析運算機制研究與應用的測試。 本章小結 本章節(jié)主要講述了多通路信號采集電路當前的研究背景、研究現狀、國 內外的研究成果以及展望未來多通路信號采集卡設計方面可能會遇到的瓶頸和技術障礙，對于信號采集卡的設計充滿了無盡的遐想。常州工學院畢業(yè)設計說明書 9 第 2 章 采集卡硬件設計部分 2. 1 信號采集器概述 2． 1． 1 信號采集器 的產生 信號采集，是指從 傳感器 和其它待測設備等 模擬 和 數字 被測單元中自動采非電量或者電量信號，送到 上位機 中進行分析，處理。 信號采集系統 是結合基于 計算機 或者其他專用測試平臺的測 量軟硬件產品來實現靈活的、用戶自定義的 測量系統 。 信號 采集卡 ，即實現信號采集功能的 計算機 擴展卡，可以通過 USB、 PXI、 PCI、 PCI Express、火線 (1394)、 PCMCIA、ISA、 Compact Flash、 48 23 以太網 、各種 無線網絡 等總線接入 個人計算機 。 為了滿足計算機及其設備機用于信號采集與調控的要求，國內外眾多生產廠商制造了不同類型的信號采集卡（或 I/O 卡 ）。此類采集卡均按照 IBMPC機的總線要求設計和生產，用戶只要把這類采集卡插入 IBMPC機主板上對應的 I/O 擴展槽中，就可以很快做成一個信號采集和處理系統，從而很大程度上節(jié)約了硬件的研制時間和成本，又能夠有效利用 IBMPC機的軟硬件資源，還能讓用戶專注于對信號采集與處理中的理論和試驗進行探討，以及進行系統設計和程序編程等等。 2． 1． 2 數據采集卡的種類 基于 PC總線的采集卡的種類有很多，其分類方法也不同。按照采集卡處理信號的方式可以分為開關輸入 /輸出模塊、脈沖輸入 /輸出模塊、模擬輸入 /輸出模塊、多功 能模塊等。其中多功能模塊可以具有多種功能，如同一張板卡上數字輸入 /輸出模塊可以分布數字輸入 /輸出和模擬輸入 /輸出。按照總線類型的不同，信號采集卡也不同，可以分為 ISA卡和 PCI 卡。 2． 1． 3 常用的幾種數據采集卡的功能 1．模擬輸入 在工業(yè)測控系統中，輸入的信號數據一般都是模擬量，這時，各種 A/D 芯片裝置就是用來完成把模擬量轉換成數字量的轉換。在實際的計算機測控系統中，不是以 A/D 芯片為基本單元，而是制成商品化的 A/D 板卡。 采 樣 最基本的功能 就是 模擬輸入 ， 一般由多路開關（ MUX）、放大器、采樣保持電路以及 模數轉換組成 。通過這些，一個模擬信號就可以轉化為數字信號。模擬輸入的質量 由模數轉換器 的性能和參數 決定。在應用的時候， 選擇合適的 模數轉換器要 根據 實際 需要的精度。 （ D/A 卡） 常州工學院畢業(yè)設計說明書 10 計算機內部處理的是數字量，而運行時所采用的是模擬量。計算機通過數模轉換卡將數字量轉化為模擬量，從而通過運行機構來調控整個生產進程。 數模轉換器的轉換性能指標通常由其內部數模轉換芯片來決定的。 3．數字量輸入 /輸出卡（ I/O 卡） 數字量輸入 /輸出卡 常用來控制 整個流程 、 生成信號 、與外 部設備進行 通信等 ，其主要參 量 有：數字 口路 數 、接收 (發(fā)送 )率、驅動 功能 等。若輸出用來驅動 家用節(jié)能燈、冰箱、空調 等電器，就不 需要 較高的數據轉換率。路數要 和 控制對象 匹配 ， 并 且采集卡能提供的驅動電流 要大于其 所需 的 電流。但 是，如果用的是 合適的調理設備， 依舊 可以用 I/O 卡 輸出電流 TTL 電平信號去 監(jiān)測那些 電壓 較高 、電流 較大 的工業(yè) 生產 設備。 此外， 數字 輸入輸出 常見的應用是在計算機 和 外 部設備 如 掃描儀 、 投影儀 等之間傳送數據。為了 滿足 同步通信的需要， 其他 一 部分 數字口還有“握手”線。路數、數據轉換速率、“握手”能力都是數字量輸入 /輸出的 重要參數，應 根據實際應用中的需要來選用 合適的數字量 I/O 卡 。 4．脈沖量輸入 /輸出板卡 工業(yè) 生產過程中 有 很多的 高速脈沖信號，這些都 是需要 用脈沖量輸入卡或 者 一些專用 用來 測量 脈沖量的儀器來 進行測量。脈沖量輸入 /輸出卡 采集 脈沖數字量的輸 入和輸出信號 ，并 且可以 選擇計 時 、定時、 調頻 等不同 的運行 方式，脈沖計數值 、 脈沖的頻率或產生一定頻率的脈沖計 都可以由 算機通過該板卡 模塊很 方便地讀取 和 測量 出來 。 為了避免實際生產操作中 強電的 影響 ，該類型板卡多采用光電隔離技術， 將 計算機與 實際 信號之間全部隔離， 以此來 提 升測試 板卡的抗干擾 性能 。 想要選擇合適的數據采集卡，首先我們需 要了解數據采集的信號類型及采樣頻率的控制這兩個核心問題。然后才能根據實驗要求選擇合適的數據采集卡。 采集卡的實現平臺（微控制器） 2． 2． 1 微控制器的基本概念及分類 微控制器 (Micro Control Unit， MCU)是指隨著大規(guī)模集成電路的出現及其發(fā)展，將計算機的 CPU、 RAM、 ROM、定時計數器和多種 I/O 接口集成在一片芯片上，形成芯片級的縮微型計算機，為不同的應用場合做不同組合控制，其中文名稱為微控制單元，又稱為單片微型計算機 (Single Chip Microputer)或 者單片機。 MCU按存儲器類型可分為無片內 ROM型和帶片內 ROM型兩種。對于無片內 ROM型的芯片，必須外接 EPROM 才能應用（典型芯片為 8031）。帶