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1、数据采集与量测系统概述数据采集与量测系统概述 研华学院研华学院 2014.03 数据采集与监控系统应用数据采集与监控系统应用 自动测试系统应用案例自动测试系统应用案例 局部放电测试航天器碰撞测试发动机测试 光伏电池板测试电力故障录波超声波测试 高速同步采集高速同步采集ATOP服务包服务包 硬件配置 方案验证 根据需求 定制例程 系统培训 (4小时） 交付示例 源程序 PCI-1714U：4通道 30M PCI同步采集卡 PCI-1714UL：4通道 10M PCI同步采集卡 PCIe-1744：4通道 30M PCIe同步采集卡 MIC-3714: 4通道 30M CPCI同步采集卡 PCI-
2、1706：16位8路，250k同步采集多功能卡 PCI-1755: 高度数字信号采集卡 产品服务流程产品服务流程 汽车数字仪表测试方案汽车数字仪表测试方案 车车 速速 表表 转转 速速 表表 燃燃 油油 表表 水水 温温 表表 开开 关关 脉冲输出脉冲输出 模拟输出模拟输出 DO PCI-1735U/PCL- 720 Pulse Out,64DIO PCI-1720U PCL-728 PCI-1680 刹车、左右转向灯、燃油报警、水 温报警以及左右车门开关信 激励 采集 移动式移动式DAQ方案方案-钻井数据采集系统钻井数据采集系统 目前国内的随钻测量钻井工具大部分是引进国外设备，成本高、 维修
3、困难。已经使用的国内设备在体积、集成度和精度上有着 明显的不足，并且老化程度高。 阿尔泰出问题！ USB-4711 高速采集高速采集-发动机运行状态检测系统发动机运行状态检测系统 利用高速数据采集技术和数字信号处理技术，将其发动机旋转时的声音 和振动信号实时高速采集，并对发动机非定常失速过程即各物理量的变化过程及 各时间点的状况，进行完整的记录和量测，然后进行综合评估，这是对发动机的 状态监测的一种最为有效的方法。 PCI-1714U PCI-1711 PCI-1680 工业电脑 系统软件 声音/振动 信号采集 开关量控制 CAN BUS 30M 军工科研军工科研-航天器碰撞监测系统航天器碰撞
4、监测系统 About触发 太阳能电池板同步测试太阳能电池板同步测试 对光伏电池及电池板的制造商而言，最重 要的即是 I-V特性 的测试，光伏电池的光电 转换效率测量结果直接影响产品价格。 PCI-1706 开放式系统架构，方便进行I/O模块及外围设备的扩展 灵活的系统软件，可以进行测试参数设定及数据统计分析 在线虚拟仪控功能，方便系统在线调试及实时分析，自动实现I-V曲线测试。 能够实现Voc、Isc、Pmax、Imp、Vmp、FF、Rsh、 Rs、 MAX等状态参数的测量 8GW 50M 电力：基于电力：基于Linux 同步采集的电力故障录波同步采集的电力故障录波 故障 录波 启动 判别 及
5、 记录 数据 同步 IEC61850 9-1 报文处理 Goose 报文处理 时间同步 其他报文处理 激光器激光器 生产设备生产设备 基础概念基础概念 受控设备 执行机构执行机构 传感器传感器 信号调理信号调理 DAQDAQ系统的架构系统的架构 数据采集的基础知识数据采集的基础知识 传感器: 热电偶 - 工业现场最常见的温度测量传感器之一 - 相对温度测量 - 由两种金属构成 - 测量两种不同金属之间的热电势 - 需要冷端补偿（cold junction compensation，CJC） C C A B + - B Thermocouple Cold Junction Vmeas TTCJC
6、 数据采集的基础知识数据采集的基础知识 信号变送器: 隔离 - 不正常的接地有可能对系统造成损害 - 增加信号隔离装置可以有效避免这一问题 信号源信号源测量设备测量设备 信号源信号源测量设备测量设备 数据采集的基础知识数据采集的基础知识 信号变送器: 滤波 - 滤波器可以有效去除某些特定频率的多余噪声信号 - 低通滤波器可以避免信号混扰现象 低通滤波器低通滤波器 Time domain Frequency domain Time domain Frequency domain 数据采集的基础知识数据采集的基础知识 信号变送器: 放大/衰减 - 来自现场的信号经常会出现过小或者过大的情况, 因此
7、需 要进行放大或者衰减以适应A/D芯片的输入范围。 - 此外，信号的放大也可以有效减小信号被干扰的可能 。 10 mV signal Amplifier 10 V signal -5V 5V -5V 5V 数据采集的基础知识数据采集的基础知识 模拟量输入: 模拟量到数字量转换器 (ADC) - ADC 可以通过采样保持器和数字化把模拟量转换为数字 量 - 采样和保持的速度是 AI速率的关键 Analog Data采样采样 & 保持保持数字化数字化Digital Data AD Converter 数据采集的基础知识数据采集的基础知识 模拟量输入:模拟量到数字量转换器 (ADC) - 分辨率：1
8、2位/14位/16位 1LSB = Range/ 2resolution Ex: 8bit20V/256=0.08V=80mV *LSB: Least Significant Bit 数据采集的基础知识数据采集的基础知识 模拟量输入模拟量输入:模拟量到数字量转换器模拟量到数字量转换器 (ADC) - 高分辨率板卡可以获取更好的量化效果高分辨率板卡可以获取更好的量化效果 3-bit resolution 4-bit resolution 000 001 010 011 100 101 110 111 Vref 0000 1111 . . . . . . 0001 Vref 量化误差 数据采集的基
9、础知识数据采集的基础知识 模拟量输入模拟量输入:模拟量到数字量转换器模拟量到数字量转换器 (ADC) - 更高的采样速率可以保证更好的采样效果更高的采样速率可以保证更好的采样效果 000 001 010 011 100 101 110 111Vref 数据采集的基础知识数据采集的基础知识 精确度精确度 误差误差 好的精度好的精度 好的准度好的准度 不好的准度不好的准度 不好的精度不好的精度 数据采集的基础知识数据采集的基础知识 模拟量输入:模拟量到数字量转换器 (ADC) - 数字转换器通常都是A/D卡片中最昂贵的部分 - 通过多路选通技术，多路信号可以共享同一个 ADC 放大器放大器A/D转
10、换器转换器 Ch. 0 Ch. 7 Ch. 8 Ch. 15 MUX . . . . . . . . . System DA&C Card Signal 电压信号电压信号 信号来自传感器或者信号来自传感器或者 变送器变送器 热电偶热电偶 模拟量值模拟量值 (ex. 1.234) 波形图波形图 模拟量输入或者多 功能卡 ISA, PCI, and USB Series 模拟量输入（模拟量输入（AI） 规格和功能说明规格和功能说明 模拟量输入产品的规格模拟量输入产品的规格 - 采样通道数采样通道数 - 输入模式输入模式: 差分或者单端差分或者单端 - 极性极性: 单极性单极性 (010V) 或或
11、双极性双极性 (+/- 5V) - 输入范围、增益输入范围、增益 - 分辨率分辨率: 12-bit, 16-bit - 数据获取方式数据获取方式: 轮询轮询, 中断中断, DMA - 采集速率采集速率 (共享或独享共享或独享) - 采集时钟采集时钟: 内部内部, 轮询轮询, 外部外部 - FIFO 大小大小 隔离模拟量输入卡隔离模拟量输入卡 (PCI-1713, PCI-1715) 采样通道数采样通道数 板卡最多可同时采集的模拟量个数，一般为板卡最多可同时采集的模拟量个数，一般为2n 研华采集板卡最少为研华采集板卡最少为4通道，最多为通道，最多为64通道。通道。 输入模式输入模式 单端输入：以
12、一个共同接地点为参考点。这种方式适单端输入：以一个共同接地点为参考点。这种方式适 用于输入信号为高电平（大于一伏），信号源与采集端之用于输入信号为高电平（大于一伏），信号源与采集端之 间的距离较短（小于间的距离较短（小于15 英尺），并且所有输入信号有一英尺），并且所有输入信号有一 个公共接地端。如果不能满足上述条件，则需要使用差分个公共接地端。如果不能满足上述条件，则需要使用差分 输入。输入。 差分输入：每个输入可以有不同的接地参考点。并差分输入：每个输入可以有不同的接地参考点。并 且，由于消除了共地噪声的误差，所以差分输入的精度较且，由于消除了共地噪声的误差，所以差分输入的精度较 高。高。
13、 单端差分图示说明单端差分图示说明 - 单端模式下, 电压输入的参考端为同一个地 - 差分模式下，差分通道的配对是固定的 (ch0 & ch1, ch2 & ch3, , ch14 & ch15). - 差分模式下的通道数只有单端模式的一半。 - 某些板卡允许混合输入的模式 Single Ended Differential 极性和量程范围、增益极性和量程范围、增益 正极性、负极性或正负极性；正极性、负极性或正负极性； 如：如：05V，-50V，+/-5V 量程范围：量程范围：AD芯片可以量化的最大最小电压范围芯片可以量化的最大最小电压范围 如：如：00.05，+/-0.625 增益：增益：A
14、D芯片的放大倍数芯片的放大倍数 如如10倍、倍、100倍、倍、1000倍倍 分辨率与采集精度分辨率与采集精度 1.分辨率（分辨率（12bit、16bit) 模数转换器的转换位数，根据采集设定的量程，模数转换器的转换位数，根据采集设定的量程， 将模拟量线形转换成数据量，如选择将模拟量线形转换成数据量，如选择-10+10V的量程，的量程， 则则0001H（16bit A/D) 对应于模拟量对应于模拟量 20V/2的的16次方次方 = 0.305mv，此值即为，此值即为LSB 2.采集精度（采集精度（FSB的的0.01%+1LSB 是什么含义？）是什么含义？） 因为采集的过程不仅只取决于板卡的分辨率
15、，好因为采集的过程不仅只取决于板卡的分辨率，好 比比PC机的好坏不仅只取决于机的好坏不仅只取决于CPU一样，前段模拟信号的一样，前段模拟信号的 增益与运放对数据最终的精度非常重增益与运放对数据最终的精度非常重 要，因此板卡必须要，因此板卡必须 给出采集精度的指标，如上所示得到给出采集精度的指标，如上所示得到20V *0.01% + 0.305mv = 2.305mv而且不同的量程对应于不同的采集精而且不同的量程对应于不同的采集精 度。度。 数据获取方式数据获取方式 软件查询：通过寄存器指令触发的方式，软件查询：通过寄存器指令触发的方式，CPU反复检查和反复检查和 等待，无法以固定速率采集，效率
16、最低，等待，无法以固定速率采集，效率最低，CPU占用率最高占用率最高 。 中断采集：每个数据或中断采集：每个数据或FIFO一半时向一半时向CPU发送中断通知发送中断通知 ，CPU 根据通知读取数据，效率很高。根据通知读取数据，效率很高。 DMA采集：采集： 预先申请预先申请DMA通道，在通道，在DMA控制器操作下，控制器操作下， 以在不受以在不受CPU干扰下传送大笔数据。此时干扰下传送大笔数据。此时CPU可以处理其可以处理其 它任务它任务,效率最高。效率最高。 中断中断/DMA工作原理图工作原理图 工作原理工作原理 1. 一次非循环采集的事件会包含两次一次非循环采集的事件会包含两次 BufChange事件。事件。 2. 如果数据没有被及时传输到如果数据没有被及时传输到User Buffer, 就会就会 产生溢出事件。产生溢出事件。 3. User Buffer的大小要大于或者等于的大小要大于或者等于 Conversion Buffer。 OnBoard 1k FIFO Conver
