【正文】 n Chip），就是將一個(gè)可以采集多路模擬信號(hào)的 A/D轉(zhuǎn)換功能的子系統(tǒng)和一個(gè) CPU硬核集成在同一個(gè)芯片上，例如增強(qiáng)型的 8052內(nèi)核，其 CPU的性能和運(yùn)行速度也比先前的標(biāo)準(zhǔn) CPU增加了數(shù)倍，并且功耗極 低。因此，基于 USB 的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在通信、遙感、智能儀器表、工業(yè)自動(dòng)化等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。人們需要一種應(yīng)用范圍廣、性價(jià)比高的信號(hào)采集系統(tǒng)。信號(hào)采集系統(tǒng)功能的好壞，絕大部分取決于系統(tǒng)的速率和精確度。實(shí)際采集時(shí)，噪聲也可能帶來一些麻煩。國內(nèi)外生產(chǎn)廠商研發(fā)的各種新型的信號(hào)采集器，將采集卡的生產(chǎn)要求向高性能、低耗能的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展。此外，在很多情況下，則需要采樣信號(hào) 有很多通路，比如設(shè)計(jì)一個(gè)異步多通路信號(hào)采集器，就需要考慮不同信號(hào)通路中收集到的幾路信號(hào)。就采樣速率而言，其中有的是變化的信號(hào)，比如燃燒爐內(nèi)的溫度，針對(duì)它就可以選用普通數(shù)據(jù)采樣速率的模數(shù)轉(zhuǎn)換器；有的則又是瞬間突變的模擬信號(hào)，比如機(jī)械振動(dòng)中物體所承受的壓力或電閘開關(guān)瞬間打開或者關(guān)閉時(shí)候?qū)﹄娐分须娏鞯挠绊?。?jiǎn)而言之，隨著高性能的微信號(hào)處理器的生產(chǎn)使用和用戶生產(chǎn)使用中所采用的技術(shù)要求的不斷提高，信號(hào)采集系統(tǒng)將會(huì)愈加日趨完善。而在信號(hào)分析的微處理上，最初的信號(hào)采集系統(tǒng)以 8 位單片機(jī)為 中心。 本文就是在信號(hào)采集系統(tǒng)的實(shí)際信號(hào)采集的背景下，側(cè)重于分析研究多通路信號(hào)的采集。 目前，國內(nèi)外的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)常用的數(shù)據(jù)采集卡有 RS23 RS485 卡、 PCI 卡、 ISA卡等。 1 摘要 2 多通路信號(hào)采集電路研究與設(shè)計(jì) 摘要 近年來，隨著信號(hào)采集技術(shù)的不斷發(fā)展，人們對(duì)信號(hào)采集系統(tǒng)性能的要求越來越高 。高性能采集卡的設(shè)計(jì)成為他們?cè)O(shè)計(jì)的重要任務(wù)。 因此，基于 USB 的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在通信、遙感、智能儀器表、工業(yè)自動(dòng)化等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。就數(shù)模轉(zhuǎn)換的通道數(shù)而言，采樣通道由以前的單通道發(fā)展到雙通道、多通道，數(shù)據(jù)采樣頻率、分辨率以及精確度也已經(jīng)不斷地強(qiáng)化和提高。同時(shí)，常用的個(gè)人計(jì)算機(jī)的中央處理器用于信號(hào)處理也比較常見。因此，鑒于對(duì)不同的工程技術(shù)要求，測(cè)量技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)也會(huì) 隨之不同。而在一些精密儀器的使用和信號(hào)分析的試驗(yàn)中，又必須采用 14位、 16位、 18位甚至更高分辨率的儀器來進(jìn)行信號(hào)采樣。目前信號(hào)采集器已經(jīng)與個(gè)人計(jì) 算機(jī)相結(jié)合，利用 USB 接口可以在計(jì)算機(jī)界面進(jìn)行信號(hào)的采集。各種類型信號(hào)采集的難易程度差別很大。它借助于各種類型的傳感器檢測(cè)外部世界的各種信號(hào)，并轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，然后進(jìn)行信號(hào)調(diào)理和 A/D 轉(zhuǎn)換，使之轉(zhuǎn)換成為能夠在數(shù)字系統(tǒng)中進(jìn)一步處理的數(shù)字信號(hào)。國內(nèi)現(xiàn)在已有不少信號(hào)測(cè)量和采集的系統(tǒng)，但很多系統(tǒng)存在功能單一、采集通道少、采集速率 低、操作復(fù)雜、并且對(duì)測(cè)試環(huán)境要求較高等問題。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(diǎn)。為了有效利用 CPU的快速發(fā)展，當(dāng)代開放式測(cè)試平臺(tái)采用了高速總線接口，如 PCI和 PXI/Compact PCI，從而使得運(yùn)行功能飛速提高，個(gè)人計(jì)算機(jī) 功能的提升以及由此導(dǎo)致的基于計(jì)算機(jī)的測(cè)試方案不斷創(chuàng)新，使得傳統(tǒng)測(cè)量?jī)x器和基于計(jì)算機(jī)的測(cè)量的兩者的區(qū)別越來越模糊。 本章小結(jié) 本章節(jié)主要講述了多通路信號(hào)采集電路當(dāng)前的研究背景、研究現(xiàn)狀、國 內(nèi)外的研究成果以及展望未來多通路信號(hào)采集卡設(shè)計(jì)方面可能會(huì)遇到的瓶頸和技術(shù)障礙，對(duì)于信號(hào)采集卡的設(shè)計(jì)充滿了無盡的遐想。 為了滿足計(jì)算機(jī)及其設(shè)備機(jī)用于信號(hào)采集與調(diào)控的要求，國內(nèi)外眾多生產(chǎn)廠商制造了不同類型的信號(hào)采集卡（或 I/O 卡 ）。其中多功能模塊可以具有多種功能，如同一張板卡上數(shù)字輸入 /輸出模塊可以分布數(shù)字輸入 /輸出和模擬輸入 /輸出。 采 樣 最基本的功能 就是 模擬輸入 ， 一般由多路開關(guān)（ MUX）、放大器、采樣保持電路以及 模數(shù)轉(zhuǎn)換組成 。 （ D/A 卡） 常州工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 10 計(jì)算機(jī)內(nèi)部處理的是數(shù)字量，而運(yùn)行時(shí)所采用的是模擬量。若輸出用來驅(qū)動(dòng) 家用節(jié)能燈、冰箱、空調(diào) 等電器，就不 需要 較高的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換率。為了 滿足 同步通信的需要， 其他 一 部分 數(shù)字口還有“握手”線。 為了避免實(shí)際生產(chǎn)操作中 強(qiáng)電的 影響 ，該類型板卡多采用光電隔離技術(shù)， 將 計(jì)算機(jī)與 實(shí)際 信號(hào)之間全部隔離， 以此來 提 升測(cè)試 板卡的抗干擾 性能 。 MCU按存儲(chǔ)器類型可分為無片內(nèi) ROM型和帶片內(nèi) ROM型兩種。與通用微處理器相比較而言（在 PC 上使用的那種 ），它是突顯自給自足性能和成本效益的一款微處理器。它們可以控制電動(dòng)馬達(dá)，繼電器或電壓，并且讀開關(guān)，可變電阻器或其他電子設(shè)備。 集成存儲(chǔ)器和其他外圍設(shè)備在單個(gè)芯片上，并測(cè)試它們作為一個(gè)單元增加了芯片的成本，但通常會(huì)導(dǎo)致降低了嵌入式系統(tǒng)作為一個(gè)整體的凈成本。C，串行外設(shè)接口和控制器局域網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)互連如定時(shí)器和看門狗的 RAM 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 ROM， EPROM， EEPROM 或閃存用于程序存儲(chǔ)的時(shí)鐘發(fā)生器 通常是振蕩器石英計(jì)時(shí)晶振，諧振器或 RC 電路的包括許多模數(shù)轉(zhuǎn)換器。該微控制器供應(yīng)商經(jīng)常換工作頻率和對(duì)時(shí)間將產(chǎn)品推向市場(chǎng)從他們的客戶和降低整體系統(tǒng)成本要求的系統(tǒng)設(shè)計(jì)靈活性。 [需要的引證 ] 常州工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 12 2． 2． 2微控制器的 功能說明 微控制器（ MCU 也或μ C）是一種功能性的計(jì)算機(jī)上系統(tǒng)級(jí)芯片。除了一個(gè)通用微處理器通常的算術(shù)和邏輯元件，微控制器集成了額外的元素，例如讀寫內(nèi)存用于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，只讀存儲(chǔ)器用于程序存儲(chǔ)，閃存用于數(shù)據(jù)永久存儲(chǔ)，外設(shè)和輸入 /輸出接口。 微控制器用于自動(dòng)地控制產(chǎn)品和設(shè)備，如汽車的發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)，遠(yuǎn)程控制，辦公機(jī)器，電器，電動(dòng)工具，玩具等。典型的輸入和輸出設(shè)備包括開關(guān)，繼電器，螺線管，指示燈，小型或定制的 LCD 顯示器，射頻設(shè)備和數(shù)據(jù)傳感器，例如溫度，濕度，光照水平等嵌入式系統(tǒng)通常沒有鍵盤，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，并且可能會(huì)缺乏任何形式的人工交互的設(shè)備。可能的中斷源是相關(guān)設(shè)備，并且通常包括諸如內(nèi)部定時(shí)器溢出事件，完成模擬到數(shù)字的轉(zhuǎn)換，對(duì)輸入諸如從被按下的按鈕邏輯電平的變化，和數(shù)據(jù)通信鏈路上接收。根據(jù)不同的設(shè)備，程序存儲(chǔ)器可以是永久的，只能在工廠進(jìn)行編程的只讀存儲(chǔ)器，或程序存儲(chǔ)器可以現(xiàn)場(chǎng)改變程序或可擦除只讀存儲(chǔ)器。還有一個(gè)數(shù)字到模擬的轉(zhuǎn)換器，它允許處理器將數(shù)據(jù)發(fā)送到被控制的設(shè)備。一旦達(dá)到零，它發(fā)送一中斷到處理器，表明它已經(jīng)完成計(jì)數(shù)。 專用脈沖寬度調(diào)制（ PWM）使得它可以為 CPU 控制功率轉(zhuǎn)換器，電阻性負(fù)載，電機(jī)等，而無需在緊定時(shí)環(huán)路使用大量 CPU 資源。與傳統(tǒng)的采集卡不同， MPS010601不但具備八路信號(hào)采集通道，而且具備四路信號(hào)輸出（ DAC）、八路數(shù)字信號(hào)輸入 \輸出（ DIO）、兩路計(jì)數(shù)器、兩路比較器和兩路 PWM 輸出等諸多附加的實(shí)用功能。 常州工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 14 圖 2— 1 采集卡 2． 3． 2 性能以及 接口說明 總線性能 ? ? 使用方便，能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)配置，支持設(shè)備的熱插拔即插即用 ? 輸入通道： 2路同步差分、 4路多路差分、 8路多路差分 ? 輸入端耐壓： 177。CP2狀態(tài)輸出， CP2+ CP2時(shí) EX8為高電平 原理 2． 4． 1 數(shù)據(jù)信號(hào)采集功能 MPS010601具備多達(dá)八個(gè)通道的電壓信號(hào)輸入端口。 噪聲也是采集卡的一個(gè)重要性能參數(shù)，這里將對(duì) MPS010601 的精度進(jìn)行一個(gè)簡(jiǎn)單的測(cè)試。平滑濾波能降低噪聲，但同時(shí)會(huì)減小帶寬，用戶可以根據(jù)需要進(jìn)行設(shè)置。正弦波、方波、三角波、鋸齒波、直流電平自然不在話下，不但頻率、幅值和相位可任意設(shè)置，而且可以人為的向信號(hào)中添加噪聲，或是對(duì)信號(hào)進(jìn)行各種運(yùn)算和處理，更為強(qiáng)大的是，還可以由外部的波形文件中讀取數(shù)據(jù)并輸出，甚至可以用鼠標(biāo)去手工繪制波形。 2． 4． 3 數(shù)字信號(hào)的輸入輸出功能 MPS010601具備了 8路數(shù)字信號(hào)的輸入 \輸出（ DIO）通道。 DI 是對(duì)數(shù)字信號(hào)的采集，可用來對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行偵測(cè)。 DIO 與 MPS010601的其他功能配合，也可實(shí)現(xiàn)很多的復(fù)合功能。例如莫非電子提供的一款“電壓在線監(jiān)測(cè)報(bào)警軟件”中就包含了這樣的功能。復(fù)雜的閉環(huán)控制往往是在大型設(shè)備的專利，但現(xiàn)在只需一塊采集卡就可以完成，簡(jiǎn)單易用而且成本低廉，可見 MPS010601的優(yōu)越。用戶可以對(duì)結(jié)果輸出進(jìn)行采集和分析，也可以直接用來控制外部設(shè)備。 MPS010601提供了兩路計(jì)數(shù)器，每路計(jì)數(shù)器的硬件最大計(jì)數(shù)值為 65535。 PWM 的占空比是可控的，用戶只需要通過軟件編程就可以完成配置，得到所需要的 PWM 輸出。 DLL 的編制與具體的編程語言及編譯器無關(guān)，只要遵循約定的 DLL 接口規(guī)范和調(diào)用方式，用各種語言編寫的 DLL 都可以相互調(diào)用 。 //加載 dll Func=(FUNC)GetProcAddress(hDll.FuncInDLL)。若函數(shù)執(zhí)行成功，返回 1；執(zhí)行失敗返回 0。若常州工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 21 ExtTrigger = 0， EX1 和 EX5 對(duì)外輸出該頻率的時(shí)鐘脈沖；若 ExtTrigger = 1，只有EX1 輸出時(shí)鐘脈沖。 ADChannelNumber=2， AD1 與 AD5 分別被設(shè)置為兩路模擬信號(hào)輸入，并且為同步采集，其余 ADx 口無效； ADChannelNumber=4,AD ADAD AD6 被設(shè)置四路模擬信號(hào)輸入， AD1 與 AD5 同步， AD2 和 AD6 同步，相鄰?fù)ǖ罏榍袚Q掃描模式，其余 ADx 口無效； ADChannelNumber=8，所有通道被設(shè)置為八路模擬信號(hào)輸入， AD1與 AD5 同步， AD2 與 AD6 同步， AD3 與 AD7 同步， AD4 與 AD8 同步，相鄰?fù)ǖ罏榍袚Q掃描模式。 unsigned short PWM1:PWM1 輸出占空比設(shè)置。 unsigned short PWM2:PWM2 輸出占空比設(shè)置。 int ExtTrigger：外部時(shí)鐘觸發(fā)使能。可通過該功能同步多塊采集卡進(jìn)行同步采集來擴(kuò)展通道數(shù)。 float *VoltgaIn2:第二組模擬信號(hào)輸入（ AD5AD8）的數(shù)據(jù)。 VoltgaIn2 所指向的數(shù)組大小應(yīng)大于 SampleNumber 的大小。若函數(shù)執(zhí)行成功，該數(shù)組內(nèi)數(shù)據(jù)被自動(dòng)更新為最新采集到的數(shù)據(jù)（更新的元素個(gè)數(shù)由 SampleNumber 決定）；若函數(shù)執(zhí)行失敗，該數(shù)組內(nèi)數(shù)據(jù)無效。該 參數(shù)無最大限制，但建議一次采集樣點(diǎn)不要過大，以免等待時(shí)間過長(zhǎng)。因此在配置 Dx為輸入模塊的同時(shí)，應(yīng)對(duì) Dx輸出高電平。該參數(shù)無最大限制，但建議一次采集樣點(diǎn)不要過大，以免等待時(shí)間過長(zhǎng)影響程序執(zhí)行效率。 int *Counter1：指向保存計(jì)數(shù)器 1計(jì)數(shù)值的變量的指針。 int *Counter2：指向保存計(jì)數(shù)器 2計(jì)數(shù)值的變量的指針。 int DeviceNumber：操作所針對(duì)的設(shè)備號(hào)。它借助于各種類型的傳感器檢測(cè)外部世界的各種信號(hào)，并轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，然后進(jìn)行信號(hào)調(diào)理和 A/D 轉(zhuǎn)換，使之轉(zhuǎn)換成為能夠在數(shù)字系統(tǒng)中進(jìn)一步處理的數(shù)字信號(hào)。 信號(hào)通常都包含一定信息量的函數(shù)，根據(jù)所裝載信息方式的不同，可以將信號(hào)分為模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)。 第二 種 是脈沖信號(hào)。 2. 模擬信號(hào) 第一類模擬信號(hào)是 直流信號(hào) ，指的 是 不變 的或變化 很慢 的信號(hào)。該信號(hào) 不同 的地方 在于， 時(shí)域信號(hào) 在 傳輸 信息時(shí) 既包含 信號(hào)的電壓值 ， 又顯示出 電 壓值 隨時(shí)間的變化 而變化的狀態(tài) 。 常州工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 29 第三類則是 頻域信號(hào) ，與 時(shí)域信號(hào) 相似 ， 但所采集到的信息是包含在信號(hào)本身當(dāng)中的 ， 既 不 與 波形 相關(guān) ， 又 不 會(huì)隨著 時(shí)間 的推移而發(fā)生改變 。根據(jù)實(shí)際操作中具體電路不同，所以，除了這些通用功能，還要依據(jù)實(shí)際操作中電路的特征和需求來研究符合要求的信號(hào)處理模塊。 一些性能高的信號(hào)采集器本身就裝載該裝置 。 使用 隔離 處理 的原因有兩個(gè)：一是考慮 到隔離過后會(huì)更加的 安全；二是可 以 使 得 從數(shù)據(jù)采集卡 讀取 的 信號(hào) 不受 采集器本身 和輸出電信號(hào)的 影響。 ： 很多采集器 對(duì) 采樣的信號(hào) 響應(yīng) 不是 線性的，因 此必須要 對(duì)其 傳輸過程中的信號(hào) 進(jìn)行先行處理 ，以 降低信號(hào)源發(fā)出的信號(hào)所導(dǎo)致的 誤差。 4． 2 單通路信號(hào)采集與多通路采集的區(qū)別 單通路信號(hào)采集電路就是采集單一通路內(nèi)的數(shù)據(jù)信號(hào)，比如電流、電壓、速率等。多通路信號(hào)采集系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)信號(hào)的同步采集和傳輸，在現(xiàn)代采集信號(hào)處理系統(tǒng)中，廣泛應(yīng)用于交通、醫(yī)學(xué)、商業(yè)和工業(yè)領(lǐng)域等，例如高速路段上測(cè)超速還有雷達(dá)信號(hào)捕捉不明物體等。 4． 3 信號(hào)的采集 以上所講述的都是關(guān)于信號(hào)的一些基本知識(shí)以及采集信號(hào)的所必須的步驟，關(guān)于信號(hào)采集器的選取以及在實(shí)驗(yàn)過程中需要注意的事項(xiàng)都已提前了解。信號(hào)發(fā)生器經(jīng)過信號(hào)采集卡后，在應(yīng)用程序上顯示出了正弦波形圖，經(jīng)過波形處理后，如圖 43 所示。因此，我就嘗試使用了 MPS010601 采集卡上的另外的功能，能夠顯示出所采集的信號(hào)電壓的變化，如下圖所示，這樣就可以很好地說明信號(hào)采集結(jié)果了。 常州工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 35 第五章 結(jié)論 隨著信號(hào)采集技術(shù)的發(fā)展，對(duì)信號(hào)本