【正文】 ............................................................................................ 39 常州工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)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(hào)數(shù)據(jù)采集的客觀需求，信號(hào)采集與處理一直都是生產(chǎn)生活實(shí)踐與實(shí)際操作領(lǐng)域的一個(gè)熱點(diǎn)和難點(diǎn)，當(dāng)前，國(guó)內(nèi)外關(guān)于信號(hào)采集系統(tǒng)研究已經(jīng)取得了很大的成就。近年來(lái)，使用具有 DSP 功能的信號(hào)采集系統(tǒng)也已投入生產(chǎn)。工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的復(fù)雜性決定模擬數(shù)據(jù)信號(hào)的多樣性。其次，對(duì)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(cè)量的要求。 課題研究的現(xiàn)狀 在網(wǎng)絡(luò)通信快速發(fā)展的今天，信號(hào)采集系統(tǒng)已經(jīng)廣泛應(yīng)用在各個(gè)領(lǐng)域，可以很方便地進(jìn)行數(shù)據(jù)信號(hào)的處理與分析。它是計(jì)算機(jī)與外部物理世界連接的橋梁。 信號(hào)采集是綜合了傳感器 (前端 )的模擬信號(hào)處理、模擬信號(hào)數(shù)字化、數(shù)字信號(hào)處理和計(jì)算機(jī)控制技術(shù)等，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)外界信息獲取的一 門綜合技術(shù)。 近年信號(hào)采集系統(tǒng)的應(yīng)用范圍越來(lái)越多、所涉及到的測(cè)量信號(hào)和信號(hào)源的類型越來(lái)越寬、對(duì)測(cè)量的要求也越來(lái)越高。這些數(shù)據(jù)采集卡需要插在主機(jī)的的 PCI 插槽或 ISA 插槽上，使用不方便等。在已經(jīng)過(guò)去的幾十年中，對(duì)外開(kāi)放架構(gòu)的個(gè)人計(jì)算機(jī)運(yùn)行處理能力基本上是平均每隔一年半的時(shí)間就會(huì)是以前的兩倍。因此，國(guó)內(nèi)外正開(kāi)展以 DSP作為信號(hào)采集系統(tǒng)的采樣控制和數(shù)據(jù)分析運(yùn)算機(jī)制研究與應(yīng)用的測(cè)試。 信號(hào) 采集卡 ，即實(shí)現(xiàn)信號(hào)采集功能的 計(jì)算機(jī) 擴(kuò)展卡，可以通過(guò) USB、 PXI、 PCI、 PCI Express、火線 (1394)、 PCMCIA、ISA、 Compact Flash、 48 23 以太網(wǎng) 、各種 無(wú)線網(wǎng)絡(luò) 等總線接入 個(gè)人計(jì)算機(jī) 。按照采集卡處理信號(hào)的方式可以分為開(kāi)關(guān)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。在實(shí)際的計(jì)算機(jī)測(cè)控系統(tǒng)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。在應(yīng)用的時(shí)候， 選擇合適的 模數(shù)轉(zhuǎn)換器要 根據(jù) 實(shí)際 需要的精度。 3．?dāng)?shù)字量輸入 /輸出卡（ I/O 卡） 數(shù)字量輸入 /輸出卡 常用來(lái)控制 整個(gè)流程 、 生成信號(hào) 、與外 部設(shè)備進(jìn)行 通信等 ，其主要參 量 有：數(shù)字 口路 數(shù) 、接收 (發(fā)送 )率、驅(qū)動(dòng) 功能 等。 此外， 數(shù)字 輸入輸出 常見(jiàn)的應(yīng)用是在計(jì)算機(jī) 和 外 部設(shè)備 如 掃描儀 、 投影儀 等之間傳送數(shù)據(jù)。脈沖量輸入 /輸出卡 采集 脈沖數(shù)字量的輸 入和輸出信號(hào) ，并 且可以 選擇計(jì) 時(shí) 、定時(shí)、 調(diào)頻 等不同 的運(yùn)行 方式，脈沖計(jì)數(shù)值 、 脈沖的頻率或產(chǎn)生一定頻率的脈沖計(jì) 都可以由 算機(jī)通過(guò)該板卡 模塊很 方便地讀取 和 測(cè)量 出來(lái) 。 采集卡的實(shí)現(xiàn)平臺(tái)（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(xiàn)及其發(fā)展，將計(jì)算機(jī)的 CPU、 RAM、 ROM、定時(shí)計(jì)數(shù)器和多種 I/O 接口集成在一片芯片上，形成芯片級(jí)的縮微型計(jì)算機(jī)，為不同的應(yīng)用場(chǎng)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(jì)算機(jī) (Single Chip Microputer)或 者單片機(jī)。 微控制器是電腦上的一個(gè)芯片。例如，大多數(shù)嵌入式系統(tǒng)缺少鍵盤，屏幕，磁盤，打印機(jī)或個(gè)人計(jì)算機(jī)的其他可識(shí)別的 I / O 設(shè)備。因?yàn)樗鼈冃枰俚囊_，該芯片可以被放置在一個(gè)更小，更便宜的封裝中。 微控制器是一個(gè)集成電路，通常具有以下 特點(diǎn)： 中央處理單元 從小型簡(jiǎn)單的 4 位處理器到復(fù)雜的 32 位或 64 位處理器的輸入 /輸出接口外設(shè)如串行端口器（ UART）其他串行通訊接口如 I178。 而外圍的整合的決定是非常困難的。其中最主要的是 8051， Z80 和 ARM 的衍生工具。它強(qiáng)調(diào)高集成化，而相比之下，一個(gè)微處理器，它僅包含一個(gè) CPU（在 PC 中使用的那種）。功耗，同時(shí)睡眠（ CPU 時(shí)鐘和外設(shè)禁用）可能只是納瓦，使它們非常適合于低功耗和持久的電池應(yīng)用。雖然有些嵌入式系統(tǒng)是非常復(fù)雜的，有很多的內(nèi)存和程序長(zhǎng)度的最低要求，沒(méi)有操作系統(tǒng)以及復(fù)雜的低軟件。 ISR 將返回到原來(lái)的指令序列之前執(zhí)行基于中斷的來(lái)源所需的任何處理。編譯器和匯編語(yǔ)言是用來(lái)將打開(kāi)的高級(jí)語(yǔ)言程序轉(zhuǎn)換到 一個(gè)緊湊的機(jī)器代碼存儲(chǔ)在微控制器的存儲(chǔ)器中。這樣模擬到數(shù)字轉(zhuǎn)換器用于將輸入的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成該處理器可以識(shí)別的一種形式。 PIT 只是倒計(jì)時(shí)從一些值降到零。除了倒計(jì)數(shù)，所述TPU 可以檢測(cè)到輸入事件，產(chǎn)生輸出事件，以及其他有用的操作。 采集卡模塊說(shuō)明 2． 3． 1 模塊簡(jiǎn)介 MPS010601是一款新型的多功能 USB 數(shù)據(jù)采集卡。 采集卡實(shí)物如圖 2— 1所示。 2LSB ? 更新時(shí)鐘： 5Ksps80Ksps 內(nèi)外時(shí)鐘 /輸出 ? 輸入 /輸出通道： 8路 ? 輸入 /輸出模式： 全輸入 /輸出、半輸入 /輸出 ? 輸入電平： 兼容邏輯門電路或互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體電平 ? 輸出電平： 互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體電平 ? 輸入 /輸出時(shí)鐘： 5Ksps80Ksps 內(nèi)外時(shí)鐘 ? 比較器數(shù)目： 2 ? 電壓范圍： ≤ ? 響應(yīng)時(shí)間： ≤ 10μ S ? 回差電壓： 正反向各 2mV ? 輸出電平： 互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體電平 ? 計(jì)數(shù)器數(shù)目： 2 ? 輸入電平： 邏輯門電路或互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體電平 ? 計(jì)數(shù)位： 16位 ? 工作時(shí)鐘： 5Ksps80Ksps 內(nèi)外時(shí)鐘 常州工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 16 輸出 ? PWM 輸出通道： 2 ? PWM 輸出電平： CMOS ? PWM 輸出脈寬： 16bit ? PWM 時(shí)基： 2M 或 24M ? PWM 狀態(tài)顯示： LED 存儲(chǔ)器 ? FIFO 個(gè)數(shù)： 4 ? 存儲(chǔ)深度： 1K ? 0℃ 70℃ ? GND: 采集卡底線端口 ? DAx: 模擬信號(hào)輸出端口 ? CPx+: 比較器正輸入端口 ? CPx: 比較器負(fù)輸入端口 ? ADx+: 模擬信號(hào)差分輸入正端口 ? ADx: 模擬信號(hào)差分輸入正端 口 ? DX: 數(shù)字信號(hào)輸入 /輸出端口 ? EXx: 擴(kuò)展端口，其中： EX1:內(nèi)部工作時(shí)鐘輸出 EX2:計(jì)數(shù)器 1輸入 EX3:PWM1輸出 EX4:CP1狀態(tài)輸出， CP1+ CP1時(shí) EX4為高電平 EX5:使用外部時(shí)鐘時(shí)為外部時(shí)鐘輸入；使用內(nèi)部時(shí)鐘時(shí)為內(nèi)部時(shí)鐘輸出 常州工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 17 EX6:計(jì)數(shù)器 2輸入 EX7:PWM2輸入 EX8。值得一提的是，在雙通道模式下兩路采樣是同步進(jìn)行的，在一些要求較高的應(yīng)用中有著重要作用。 MPS010601 的綜合應(yīng)用軟件中就集成了平滑濾波的功能。在軟件配合下， MPS010601 可以產(chǎn)生邊界限制以內(nèi)的任意波形。例如，輸出一個(gè)掃頻信號(hào)用以激勵(lì)外部裝置，并對(duì)響應(yīng)信號(hào)進(jìn)行采集，即可實(shí)現(xiàn)掃頻儀的功能；又如，輸出一個(gè)與外部信號(hào)相關(guān)的直流（或交流）參考信號(hào)，與外部信號(hào)組成差分信號(hào)進(jìn)行采集，就可以得到外部信號(hào)與參考信號(hào)相減后的結(jié)常州工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 18 果，可藉此消除干擾成分，將信號(hào)中的有用信息提取出來(lái)；再如，與板卡的比較器功能配合，用輸出電壓作為比較器的參考電壓，可以組成任意電壓比較器等等。 DIO 分為數(shù)字信號(hào)輸入（ DI）和數(shù)字信號(hào)輸出（ DO）兩種。最常見(jiàn)的是控制外部的繼電器，用軟件控制外部電路的通斷；還可以用 DO 來(lái)模擬帶有時(shí)序的邏輯信號(hào)，與外部邏輯電路進(jìn)行通信；除此之外還可以用 DO 來(lái)模擬 PWM，以獲得靈活的多通道 PWM 輸出；等等。 MPS010601的 DO則可以實(shí)現(xiàn)這樣的功能。這期間完全由軟件自動(dòng)完成而不需人工干預(yù)，大幅提高了工作效率。每個(gè)比較器都具有正負(fù) 10mV 的滯回電壓，并且具有專門的比較結(jié)果輸出。計(jì)數(shù) 器可用來(lái)記錄開(kāi)關(guān)接通的次數(shù)，也可以通過(guò)光電門采集電機(jī)轉(zhuǎn)速等。 MPS010601提供了兩路 PWM 輸出。常州工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 20 第 3 章 用戶編程 動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)（ DLL） MPS010601 采用 DLL（ Dynamic Linkable Library，動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)）的方式來(lái)進(jìn)行編程驅(qū)動(dòng)。 //定義一個(gè)函數(shù)指針變量 HINSTANCE hDLL=LoadLibrary()。 編程函數(shù)及參數(shù) MPS010601 提供的驅(qū)動(dòng)文件名為 ，內(nèi)部共有四個(gè)驅(qū)動(dòng)函數(shù)，分 別為： extern C int SetPara（ int SampleRate， int ADChannelNumber， int *ADPGAofChannels， int DIOModal， unsigned short PWM1,unsigned short PWM2,int ExtTrigger,int DeviceNumber） int SetPara:函數(shù)執(zhí)行配置采集卡參數(shù)的功能。參數(shù)取值范圍為 500080000，小于 5000 將被設(shè)置為 5000，大于 8000 將被設(shè)置為 80000。 int ADChannelNumber：模擬 輸入通道數(shù)。 int DIOModal：數(shù)字 I/O 模式端口配置。一般情況下建議使用 16 位循環(huán)模式。一般情況下建議使用 16 位循環(huán)模式。若使用內(nèi)部時(shí)鐘，則內(nèi)部時(shí)鐘將從 EX1 與 EX5 輸出；若使用外部時(shí)鐘，則外部時(shí)鐘從 EX5 輸入，同時(shí)內(nèi)部時(shí)鐘從 EX1 輸出。 VoltgaIn1 所指向的數(shù)組大小應(yīng)大于 SampleNumber 的大小。若采集卡工作在 2通道模擬輸入模式下，則 VoltgaIn2 中的元素代表 AD5采集到 的數(shù)據(jù)；若采集卡工作在 4 通道模擬輸入模式下，則 VoltgaIn2 中的第一個(gè)元素代表 AD5 采集到的數(shù)據(jù)，第二個(gè)元素代表 AD6，第三個(gè)元素代表 AD5，第四個(gè)元素代表 AD6??????以此類推；若采集卡工作在 8 通道模擬輸入模式下，則 VoltgaIn1 中的第一個(gè)元素代表 AD5采集到的數(shù)據(jù)，第二個(gè)元素代表 AD6，第三個(gè)元素代表 AD7，第四個(gè)元素代表 AD8，第 ,五個(gè)元素代表 AD5??以此類推。無(wú)論數(shù)字輸入 /輸出端口工作在輸入模式還是輸出模式，都可以獲得當(dāng)前 Dx 端口的電平狀態(tài)。該參數(shù)決定函數(shù)執(zhí)行一次數(shù)據(jù)數(shù)組中所更新的數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)。 ?extern C int DataOut（ float *VoltgaOut1， float *VoltgaOut2， float *VoltgaOut3， float *VoltgaOut4， unsigned char*D0， int SampleNumber,int DeviceNumber） unsigned char *DO：值得注意的是：當(dāng)對(duì)應(yīng)的端口 Dx 端口被設(shè)置為輸入模塊時(shí)，向Dx 輸出低電平表示將 Dx拉低， Dx 將不隨輸入變化而變化；向 Dx 輸出高電平表示將 Dx 配置為輸入狀態(tài)，此時(shí)才可以從 Dx 中讀到外界輸入的電平狀態(tài)。 int SampleNumber：該參數(shù)決定函數(shù)執(zhí)行一次數(shù)據(jù)數(shù)組中所輸出的數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)，當(dāng)向采集卡中輸出 SampleNumber 個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)后函數(shù)成功返回。若函數(shù)執(zhí)行成功，返回 1；執(zhí)行失敗返回 0。執(zhí)行 SetPara 函數(shù)后，計(jì)數(shù)值的值將被清零。執(zhí)行 SetPara 函數(shù)后，計(jì)數(shù)值的值將被清零。 常州工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 28 第 4 章 信號(hào)采集與處理 信號(hào)采集的 相關(guān)知識(shí) 信號(hào)采集是綜合了傳感器 (前端 )的模擬信號(hào)處理、模擬信號(hào)數(shù)字化、數(shù)字信號(hào)處理和計(jì)算機(jī)控制技術(shù)等，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)外界信息獲取的一門綜合技術(shù)。 4． 1． 1 信號(hào)的分類 1．信號(hào)類型 信號(hào) 采集前， 需要了解將要采集的信號(hào)特性 ，因?yàn)椴?同 的 信號(hào) 對(duì) 測(cè)量方式和采集系統(tǒng)的要求是 不一樣的 ，只有了解 了 被測(cè)信號(hào) 的特性 ， 才會(huì)選用合適的測(cè)量方式和采集系統(tǒng) 。 邏輯門電路 信號(hào)就是開(kāi)關(guān)信號(hào)，一個(gè) 邏輯門電路 信號(hào) 電壓在 2~5V 范圍內(nèi) ，就 稱之 為高電 位；而 在 0~ 之間，就 稱之 為低電 位 。 但 有些 設(shè)備則是 需要數(shù)字輸入 脈沖的 ， 例 如一個(gè)步進(jìn)式馬達(dá) 就需要輸入數(shù)字脈沖來(lái)改變其位置和速率 。 第二類是時(shí)域信號(hào)。 另外要使用合適的測(cè)量速度 ， 這樣就能 跟上波形的 突變 。 信號(hào)調(diào)制 從傳感器采集到