【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 假設(shè)采樣脈沖為理想脈沖， x(t)在脈沖出現(xiàn)瞬間 nTS 取值為x(nTS) ，故，上式改寫為 （ 22） 考慮到時(shí)間為負(fù)值沒有意義，上式改寫為 t x(t) x(t) K δ Ts(t) xS(nTS ) t xS(nTS ) τ TS TS 2TS 3TS … x(t) t x(t) x(t) K δ Ts(t) xS(nTS ) t xS(nTS ) τ TS TS 2TS 3TS … δ Tsδδδ δ Ts(t) … x(t) ?????? ??? n sTss nTttxttxnTx s )()()()()( ???????? ??? n ssss nTtnTxnTx )()()( ?四川理工學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 7 （ 23） 在實(shí)際應(yīng)用中 ， τ TS 。采樣周期 TS 決定了采樣信號(hào)的質(zhì)量和數(shù)量： ⑴ TS ↓， xS(nTS ) ↑，內(nèi)存量↑； ⑵ TS ↑， xS(nTS ) ↓ ，丟失的某些信息。不能無失真地恢復(fù)成原來的信號(hào)， 出現(xiàn)誤差。 因此，在進(jìn)行連續(xù)信號(hào)的離散化處理時(shí)，采樣周期必須依據(jù)某個(gè)定理來選擇。 采樣定理 一般連續(xù)信號(hào) x(t)可表示為無限個(gè)諧波的疊加，信號(hào) x(t)和頻譜 X(f)關(guān)系為 （ 24） 要由 x(nTs)恢復(fù)出 x(t) ，頻譜 X(f)和采樣間隔 Ts 必須滿足下列條件： ⑴ X(f)有 截止頻率 fc 時(shí)，當(dāng) | f |≥ fc 時(shí)， X(f) = 0 ⑵ Ts ≤1/2fc，或 fc≤1/2Ts 對(duì)一個(gè)頻率在 0～ fC 內(nèi)的連續(xù)信號(hào)進(jìn)行采樣，當(dāng)采樣頻率為 fS ≥2 fC 時(shí)，由采樣信號(hào) xS(nTS )能無失真地恢復(fù)為原來信號(hào) x(t) 。 滿足條件下 離散信號(hào) xS(nTS )表示為 當(dāng) | f |≥1/2Ts 時(shí)， X(f) = 0， X(f)完全由 (1/Ts， 1/Ts)上的值確定。在此區(qū)間上，展成付立葉級(jí)數(shù) 其中 所以 （ 25） 可以得到 （ 26） ???? ??? 0 )()()( n sssss nTtnTxnTx ??? ???? ????? ?? dtetxfXdfefXtx ftjftj ?? 22 )()()()(??? s sTT ftj dfefXtx 21 21 2)()( ???? s s sTT fn Tjs dfefXnTx 21 21 2)()( ????? ?? 0 2)( n fn Tjn secfX ? )()(21 21 2 ssT T f nTjsn nTxTdfefXTc s s s ?? ?? ??????? ???? ?????? ? ssn f n Tjss TTfenTxTfX s 2 1,2 1)()( 2 ??? ?????? ????n sssssTTftjnTtTnTtTnTxdfefXtx ss )()(s i n)()()( 21212???馬良堯：基于單片機(jī)的數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì) 8 模擬信號(hào)的采樣控制方式 模擬信號(hào)采樣控制 方式如圖 23 所示 圖 23 采樣控制方式分類 ⑴ 無條件采樣 采集設(shè)備（ A/D 轉(zhuǎn)換器）可以認(rèn)為是隨時(shí)都是準(zhǔn)備好工作的，只要有讀取數(shù)據(jù)的命令發(fā)出系統(tǒng)就可以從采集 設(shè)備上獲得數(shù)據(jù)而不需要控制系統(tǒng)和采集設(shè)備之間進(jìn)行握手信號(hào)的交互。 優(yōu)點(diǎn)： 可以采集任 何形式的信號(hào)，采集點(diǎn)嚴(yán)格按照時(shí)間順序排列。所需要的軟硬件最簡(jiǎn)單，系統(tǒng)容易實(shí)現(xiàn)。 缺點(diǎn)： 由于采集設(shè)備總是在工作，所以每個(gè)時(shí)刻所采集到的數(shù)據(jù)是在變化的，所以每采集一次所獲得的數(shù)據(jù)必須在下一次采集的時(shí)候?qū)⑵涮幚硗戤叢⒈?存（其中處理包括采集、量化、編碼、存儲(chǔ)以及其他的一些應(yīng)用所需要的變換），否則會(huì)造成 數(shù)據(jù)的采集失敗，采樣點(diǎn)的丟失。而且處理器和采集設(shè)備需要同時(shí)工作。 ① 定時(shí)采樣（固定的采樣時(shí)間間隔）； ② 定點(diǎn)數(shù)采樣（在 信號(hào)的周期內(nèi)才固定點(diǎn)數(shù)的值，采樣的間隔隨著信號(hào)的周期變化而變化） 。 ⑵ 條件采樣 采樣過程受到控制，并不是任何時(shí)候 需要數(shù)據(jù)都可以得到滿足，常見的有程序查詢采樣和中斷控制采樣兩種。 ① 程序查詢采樣： 處理器不斷的詢問采集設(shè)備的狀態(tài)，了解是否已經(jīng)將所需 要的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換處理完畢。 特點(diǎn)： 系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性不是很高，處理器和采 集設(shè)備之間的交互信息比較多，采樣 無條件采樣 條件采樣 DMA 方式采樣 定時(shí)采樣（等間隔采樣） 定時(shí)采樣（變步長(zhǎng)采樣） 程序查詢采樣 中斷控制采樣 四川理工學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 9 處理器的使用率不是很高，但是硬件設(shè)備簡(jiǎn)單，控制程序容易實(shí)現(xiàn)（只需要一些循環(huán)語(yǔ)句和控制信號(hào)就可以實(shí)現(xiàn)）不需要保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)。 ② 中斷控制采樣： 處理器只啟動(dòng)設(shè)備，一旦設(shè)備啟動(dòng)后處理器就不干預(yù)其工作，等到設(shè)備采集完畢的時(shí)候，向處理器發(fā)送中斷信號(hào)通知處理器。（這兩種方式以及下面的 DMA 方式和微機(jī)原理中的三中 I/O 方式是同樣的道理，是它的一種實(shí)際應(yīng)用） 。 特點(diǎn)： 處理器的使用效率可以提高。但是需要保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)，軟件處理要求比較高一些。 ⑶ DMA 方式采樣 利用中斷控制方式進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，可以大大提高 CPU利用率。但是，中斷方式仍是由 CPU通過程序把采集的數(shù)據(jù)從 I/O 端口傳送至累加器，然后再由累加器送至內(nèi)存。圖 24 中實(shí)線部分為中斷方式傳輸數(shù)據(jù)的示意。在這個(gè)過程中的最大傳輸效率不超過 10000biat/s，從而使數(shù)據(jù)傳輸需要一定的時(shí)間。如果要高速數(shù)據(jù)采集，采用中斷控制采樣是不合適的。 圖 24 DMA傳送方式示意圖 在 DMA 方式采樣 控制下， 由硬件完成數(shù)據(jù)傳送操作， 數(shù)據(jù)直接在外部設(shè)備和存儲(chǔ)器 MEM 之間進(jìn)行傳送，而不通過 CPU和 I／ O，因而可大大 提高數(shù)據(jù)的采集速率。 內(nèi)存 CPU I/O 外設(shè) DMA 控制器 馬良堯：基于單片機(jī)的數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì) 10 數(shù)據(jù)傳輸理論基礎(chǔ) 依照適當(dāng)?shù)囊?guī)程，經(jīng)過一條或多條鏈路，在數(shù)據(jù)源和數(shù)據(jù) 終端 之間傳送數(shù)據(jù)的過程。也 為 借助信道上的信號(hào)將數(shù)據(jù)從一處送往另一處的操作 就稱為數(shù)據(jù)傳輸。 數(shù)據(jù)傳輸 ⑴ 基帶、頻帶和數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)傳輸 ： ① 基帶傳輸是指由數(shù)據(jù)終端設(shè)備（ DTE）送出的二進(jìn)制“ 1”數(shù)據(jù)傳輸或“ 0”的電信號(hào)直接送到電路的傳輸方式。 ② 大多數(shù)傳輸信道是帶通型特性，基帶信號(hào)通不過。采用調(diào)制方法把基帶信號(hào)調(diào)制到信道帶寬范圍內(nèi)進(jìn) 行傳輸，接收端通過解調(diào)方法再還原出基帶信號(hào)的方式，稱為頻帶傳輸。 ③ 數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)傳輸是利用數(shù)字話路傳輸數(shù)據(jù)信號(hào)的一種方式。 ⑵ 并行傳輸與串行傳輸 ： ① 并行傳輸是構(gòu)成字符的二進(jìn)制代碼在并行信道上同時(shí)傳輸?shù)?方式 ，所傳送的數(shù)據(jù)同時(shí)發(fā)送和接收 。 一個(gè)并行數(shù)據(jù)占多少二進(jìn)制數(shù)，就要多少根傳輸線。這種通信方式數(shù)度快，但傳輸線多，價(jià)格貴，適合近距離傳輸。 如圖 25 所示。 圖 25 并行傳輸方式 ② 串行傳輸是構(gòu)成字符的二進(jìn)制代碼在一條信道上以位（碼元）為單位，按時(shí)間順序逐位傳輸?shù)姆绞健Ｋ俣入m慢，但只需一條傳輸信道，投資小，易于實(shí)現(xiàn)，是數(shù)據(jù)傳輸采用的主要傳輸方式。 如圖 26 所示。 0 0 1 1 1 0 1 0 0 0 1 1 1 0 1 0 儀 器 計(jì) 算 機(jī) 四川理工學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 11 圖 26 串行傳輸方式 ⑶ 異步傳輸和同步傳輸 ： ① 異步傳輸是字符同步傳輸?shù)姆绞?。?dāng)發(fā)送一個(gè)字符代碼時(shí)，字符前面要加一個(gè)“起”信號(hào)，長(zhǎng)度為 1 個(gè)碼元寬，極性為“ 0”，即空號(hào)極性；而在發(fā)完一個(gè)字符后面加一個(gè)“止”信號(hào)，長(zhǎng)度為 1， 或 2 個(gè)碼元寬，極性為“ 1”，即傳號(hào)極性。接收端通過檢測(cè)起、止信號(hào)，即可區(qū)分出所傳輸?shù)淖址?。字符可以連續(xù)發(fā)送，也可 單獨(dú)發(fā)送，不發(fā)送字符時(shí)，連續(xù)發(fā) 送止信號(hào)。如圖 27 所示。 圖 27 數(shù)據(jù)異步傳輸格式 由圖可知， 1幀數(shù)據(jù)是由以下 4個(gè)部分按順序組成的： Ⅰ 起始位 當(dāng)通信線上沒有數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，線路處于邏輯“ 1”狀態(tài)。當(dāng)儀器要發(fā)送一個(gè)字符數(shù)據(jù)時(shí)，首先發(fā)出一個(gè)邏輯“ 0”信號(hào)，這個(gè)邏輯低電平后，就開始準(zhǔn)備接收數(shù)據(jù)位信號(hào)。因此，起始位所起的作用就是表示數(shù)據(jù)傳輸開始。 計(jì) 算 機(jī) 發(fā)送 接收 起始位 1 幀數(shù)據(jù) 數(shù)據(jù)位 D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 停止位 奇偶校驗(yàn) 停止位 ASCⅡ 碼 ASCⅡ 碼 0 1 1 P 1 P … 第 n1 個(gè)字符 第 n+1 個(gè)字符 第 n 個(gè)字符 數(shù)據(jù)流 儀 器 馬良堯：基于單片機(jī)的數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì) 12 Ⅱ 數(shù)據(jù)位 當(dāng)計(jì)算機(jī)接收到起始位后，緊接著就會(huì)收到數(shù)據(jù)位。數(shù)據(jù)位的位數(shù)可以是 7或 8 位的數(shù)據(jù)。在字符數(shù)據(jù)傳輸過程中，數(shù)據(jù)位從最小有效位（最低位）開始傳輸。 Ⅲ 奇偶校驗(yàn)位 數(shù)據(jù)位發(fā)送完之后，可以發(fā)送奇偶校驗(yàn)位。奇偶校驗(yàn)位用于有限差錯(cuò)檢測(cè)，通信雙方在通信時(shí)須約定一致的奇偶校驗(yàn)方式。就數(shù)據(jù)傳輸而言，奇偶校驗(yàn)位是冗余位，但它表示數(shù)據(jù)的一種性質(zhì)，這種性質(zhì)用于檢錯(cuò)，雖有限但很容易實(shí)現(xiàn)。奇偶檢驗(yàn)位可有可無，可奇可偶。 Ⅳ 停止位 在奇偶位或數(shù)據(jù)位（當(dāng)無奇偶校驗(yàn)位時(shí)）之后發(fā)送的是停止位?？梢允?1 位、 位或 2 位。停止位是一個(gè)字符數(shù)據(jù)的結(jié)束標(biāo)志。 ② 同步傳輸是位（碼元）同步傳輸方式。該方式 ，如圖 28 必須在收、發(fā)雙方建立精確的位定時(shí)信號(hào)，以便正確區(qū)分每位數(shù)據(jù)信號(hào)。在傳輸中，數(shù)據(jù)要分成 組（ 或稱幀）， 一幀含多個(gè)字符代碼或多個(gè)獨(dú)立碼元。在發(fā)送數(shù)據(jù)前，在每幀開始必須加上規(guī)定的幀同步碼元序列，接收端檢測(cè)出該序列標(biāo)志后，確定幀的開始，建立雙方同步。接收端 DCE 從接收序列中提取位定時(shí)信號(hào)，從而達(dá)到位（碼元）同步。 圖 28 數(shù)據(jù)同步串行傳輸格式 ⑷ 單工、半雙工和全雙工傳輸 ： 單工傳輸指數(shù)據(jù)只能按單一方向發(fā)送和接收；半雙工傳輸指數(shù)據(jù)可以在兩個(gè)方向傳輸?shù)荒芡瑫r(shí)進(jìn)行，即交替收、發(fā)；全雙工 傳輸指數(shù)據(jù)可以在兩個(gè)方向同時(shí)傳輸，即同時(shí)收和發(fā)。一般四線線路為全 雙工數(shù)據(jù)傳輸，二線線路可實(shí)現(xiàn)全雙工數(shù)據(jù)傳輸 。 串行通信接口標(biāo)準(zhǔn) 串行 通信接口（ Serial Communication Interface）按 國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織提供數(shù)據(jù)2 數(shù)據(jù)1 數(shù)據(jù)n … 校驗(yàn)字節(jié) 12 個(gè)同步字符 連續(xù)傳送 n 個(gè)字 符 校驗(yàn) 四川理工學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 13 的 電氣標(biāo)準(zhǔn)及協(xié)議 劃分為 RS23 RS48 USB、 IEEE 1394 等。 RS232 和 RS485標(biāo)準(zhǔn)只對(duì)接口的電氣特性做出規(guī)定，不涉及接插件、電纜或協(xié)議。 USB 和 IEEE 1394是近幾年發(fā)展起來的新型接口標(biāo)準(zhǔn)，主要應(yīng)用于高速數(shù)據(jù)傳輸領(lǐng)域。 所謂標(biāo)準(zhǔn)接口，就是明確定義若干信號(hào)線，使接口電路標(biāo)準(zhǔn)化、通用化。借助串行通信標(biāo)準(zhǔn)接口，不 同類型的數(shù)據(jù)通信設(shè)備可以很容易實(shí)現(xiàn)它們之間的串行通信連接。 采用標(biāo)準(zhǔn)接口后，能很方便地把各種計(jì)算機(jī)、外部設(shè)備、測(cè)量?jī)x器等有機(jī)地連接起來，進(jìn)行串行通信。 RS— 232C 是由美國(guó)電子工業(yè)協(xié)會(huì)（ EIA）正式公布的、在異步串行通信中應(yīng)用最廣的標(biāo)準(zhǔn)總線。它包括了按位串行傳輸?shù)碾娖骱蜋C(jī)械方面的規(guī)定。適合于短距離或帶調(diào)制解調(diào)器的通信場(chǎng)合，為了提高數(shù)據(jù)傳輸速率和通信距離， EIA 又公布了 RS— 422， RS— 423 和 RS 一 485 串行總線接口標(biāo)準(zhǔn)。 20mA電流環(huán)是一種非標(biāo)準(zhǔn)的串行接口電路，但由于它具有簡(jiǎn)單、對(duì)電器噪聲不敏感的優(yōu)點(diǎn)， 因而在串行通信中也得到廣泛使用。為保證通信的可靠性要求，在選擇接口標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，須注意兩點(diǎn)：①通信速度和通信距離，②抗干擾能力。 ⑴ 通信速度與距離 通常的標(biāo)準(zhǔn)串行接口標(biāo)準(zhǔn)，其電氣特性都具有可靠傳輸時(shí)的最大通信速度和傳送距離兩方面指標(biāo)，但這兩方面指標(biāo)之間具有一定的相關(guān)性。通常情況下，適當(dāng)?shù)亟档屯ㄐ潘俣?，可提高通信距離，反之亦然。例如，采用 RS232C 標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行單向數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，最大數(shù)據(jù)傳輸速率為 20kb/s，最大傳送距離為 15m，而改用 RS422標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，最大傳輸速率可達(dá) 10Mb/s，最大傳送距離為 300m