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1、第4章 数据采集与存储,哈尔滨工业大学航天学院,C语言在测量与控制中的应用系列课件,第四章 数据采集,计算机内是数字信号，传感器输出多数是模拟电压或电流。,模拟信号：是一种连续时间信号，在t0的时间区间内，除若干个第一类间断点外，都可以给出确定的函数值，幅值的取值也可以是连续的。函数定义在连续的时间区间上，即自变量是连续的，函数的值域也是连续的。,数字信号：是一种离散时间信号，只在时间的一些离散点上（如采样时刻）由定义。幅值的取值也是离散的，只能用一组有限字长的数码表示。函数的定义域是离散的，值域也是离散的。,4.1 A/D转换与D/A转换,A/D转换器将模拟信号转换成数字信号 D/A转换器将
2、数字信号转换成模拟信号,传感器,计算机,A/D,D/A,非电物理量,模拟电信号,数字信号,数字信号,模拟电信号,A/D转换器,A/D转换可看作：采样、量化和编码的过程 。,T-采样周期 单位 s fs=1/T 采样频率 单位 Hz s=2fs=2 /T 采样角频率 单位 弧度/秒,量化,量化：用有限字长的一组数去逼近离散模拟信号的幅值。 计算机内，任何数值都可以表示成二进制数字量最低位的整数倍。数字量最低位所代表的数值称为量化单位或量化当量q。 若A/D的字长为N位 q=1/2N,N=8 28=256 q=1/256 N=10 210=1024 q=1/1024 N=12 212=4096 q
3、=1/4096 N=16 216=65536 q=1/65536 字长越长，分辨率越高。A/D所允许模拟信号幅值变化的全部范围，只能用2N个有限的数值表示。,编码,编码：将量化后的数值变成按某种规律编码的二进制数，如原码，反码，补码，偏移码，BCD码等。,使用接口是要搞清其编码规则，若接口编码与计算所用数据类型编码规则不同，要进行编码的变换。,A/D转换需要时间，1ms为低速，1ms1s为中速， 1 s为高速。,字长8位 低分辨率 1016位 中高分辨率,D/A转换,D/A转换可看成解码和保持的过程。,解码：根据D/A的编码规则，将数字量折算成电压或电流值 （仅是采样时刻的）。,保持:解决采样
4、时刻之间的插值问题，常用零阶保持器，常值外推。,零阶保持器,4.2 接口的编码与变换,计算机内部的数都使用二进制数表示，编码不同，一组二进制数表示的数值或含义也不同。,13,非法,9,-5,-2,-3,+5,原码,通常，计算机内有符号定点数的最高位（MSB)是符号位，表示正、负；后面是数值位，表明绝对值的大小。,数值位= 绝对值的无符号二进制码 00011111B= +31 10011111B= -31,反码,数值位=,正数：绝对值的无符号二进制码 负数：绝对值的无符号二进制码取反,00011111B= +31 11100000B= -31,补码,数值位=,正数：绝对值的无符号二进制码 负数：
5、绝对值的无符号二进制码取反，末位加1,00011111B= +31 11100001B= -31,分数二进制码,在分数二进制码中，每个数值位的权用满刻度的分数表示，满刻度为1。n位分数二进制码,从左到右第一位即最高位的权为2-1，第n位即最低位的权为2-n。,4位分数二进制码 MSB 第2位 第3位 LSB 权 1/2 1/4 1/8 1/16 0 0 0 1 1/16=0.0625 0 0 1 0 2/16=0.125 0 1 0 0 4/16=0.25 1 0 0 0 8/16=0.5 1 1 1 1 15/16=0.9375,分数补码,有符号的定点小数可用分数补码表示。分数补码从左到右第
6、一位即最高位MSB是符号位，0表示正数，1表示负数。第2位的权为2-1，第n位即最低位LSB的权为2-n+1。,4位分数补码 MSB 第2位 第3位 LSB 权 符号位 1/2 1/4 1/8 0 1 1 1 +7/8=+0.875 0 0 0 1 +1/8=+0.125 0 0 0 0 0 1 1 1 1 -1/8=-0.125 1 0 0 0 -8/8=-1.0,一个A/D、D/A接口板的例子,A/D 10 bit -2.560V +2.555V D/A 8 bit -2.56 V +2.54 V,D/A的分辨率比A/D少两位，A/D只能输出8位，低2位舍去。,从分数补码的角度考虑，舍去的
7、低2位只是很小的零头。并不意味着输出信号仅为输入的1/4，只是相当量化的误差大了。,A/D 1bit 5mV D/A 1bit20mV,偏移码,数值位=,正数：绝对值的无符号二进制码 负数：绝对值的无符号二进制码取反，末位加1,10011111B= +31 01100001B= -31,格雷码,格雷码亦称反射二进制码，常用于数字测量元件，如光电码盘，光栅。 格雷码从一个数变到相邻的另一个数，只改变一位。当变化位产生错误时，产生的误差最小。,电平变化时，读数容易出错 ！,格雷码与 二进制码 的比较,十进制数 二进制码 格雷码 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 1 0 0 0 1
8、 2 0 0 1 0 0 0 1 1 3 0 0 1 1 0 0 1 0 4 0 1 0 0 0 1 1 0 5 0 1 0 1 0 1 1 1 6 0 1 1 0 0 1 0 1 7 0 1 1 1 0 1 0 0 8 1 0 0 0 1 1 0 0 9 1 0 0 1 1 1 0 1 10 1 0 1 0 1 1 1 1,二进制码格雷码,1,0,1,1,格雷码二进制码,1,1,0,1,4.3 计算机总线与功能扩展板卡及模块,总线是连接多个数字系统或部件的公共信息通道，它由若干公共信号线组成。 总线是传送信息代码的公共途径，由其构成系统与系统之间，板与板之间，芯片与芯片之间标准的信息通道。,
9、片内总线是微处理器芯片或其它接口器件集成电路内 的信息通道。,片间总线也称元件级总线或片总线，是由集成电路内部引出的总线。通常是在一块印刷电路板内，实现电路板内各元件相互连接的信号线。元件级总线通常包括地址线、数据线和控制线。,内总线也称为系统总线、板级总线，也就是通常所说的计算机总线，用于计算机系统内主板与各插件板相互连接。内总线通常采用并行总线的方式，总线通常都有几十条或上百条线。常见的系统总线有XT总线、ISA（AT）总线、EISA总线、STD总线、多总线(MULTIBUS)、MCA总线、VME总线等。,外总线也称通讯总线，它是各计算机之间，计算机与其它系统（如仪器、仪表、控制装置）之间
10、信息的传输通道。 如RS232C、RS485总线， IEEE488总线， USB总线 。,局部总线 在CPU与高速外设之间又开辟了一条高速数据通道，与系统总线配合使用。常见的局部总线标准有VESA局部总线和PCI局部总线。,标准工业结构总线ISA,ISA总线是在62引脚的PC/XT总线基础上扩展了36个引脚形成的，共98个引脚分布在双面印刷板上。 ISA总线分成两部分，左面一部分可接触62个引脚（A1A31，B1B31），与62引脚的PC/XT总线基本兼容；右面一部分可接触36个引脚（C1C18，D1D18），是ISA总线扩展的部分。 ISA总线的数据线共16条，地址线共24条，接到总线上的中
11、断申请线共11条，DMA通道扩展为8个 ，时钟频率8MHz。,ISA总线数据采集卡,62+36=98线 数据线16条,62线 数据线8条,PCI局部总线,PCI总线支持33MHz，66MHz的时钟频率和32位、64位数据宽度，即工作频率高，数据通道宽，传递数据快。 可与ISA、EISA、MCA等计算机总线配合工作。 有5V和3.3V两种信号环境。 目前有多个版本，发展前景良好。,PCI总线数据采集卡,带ISA和PCI槽的主板,ISA插槽,联想工控机无源底板上的ISA和PCI总线插槽,USB总线数据采集模块,4.4 HY-1232A/D、D/A板,A/D 12位 32通道 （031） 输入电压
12、5 V 输入阻抗 100M A/D转换时间 10s D/A 12位 1路 输出电压 5 V、05V、010V 建立时间 25 s 输出电流 10mA(最大值) 工作温度 0+60 存储温度 -25+85 计算机总线 ISA总线(标准工业结构总线） 板上有6位地址开关，可设基地址。1232占用8的连续的I/O端口地址， 出厂基地址设为 280H , 则地址为 280H 287H 。,基地址的设定,基地址计算公式： 基地址=512（0x200）+所有有效位之和 (ON为1）,基地址 设置开关,基地址=0x200+0x80=0x280,板内寄存器描述(1),基地址+0:写输入通道选择寄存器,且触发A
13、/D转换。 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0,C4C0二进制编码选择通道031,基地址+1：读A/D转换结果低8位 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0,基地址+2：读A/D转换结果高4位 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0,板内寄存器描述(2),基地址+3：写D/A低8位寄存器 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0,基地址+4：写D/A高4位寄存器，且送出D/A12位数据 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0,基地址+5:读A/D完成位寄存器 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0,IO : A/D转换完成位 IO= 0 :A/
14、D转换未完成 IO= 1 :A/D 转换完成,A/D输入汇编程序,MOV AL,0 MOV DX,280H OUT DX,AL ADOK?: MOV DX,285H IN AL,DX AND AL,AL JNS ADOK? MOV DX,282H IN AL,DX AND AL,0FH MOV AH,AL MOV DX,281H IN AL,DX,D/A输出汇编程序,将AX中的数据从D/A输出 MOV DX,283H OUT DX,AL MOV AL,AH MOV DX,284H OUT DX,AL,A/D输入C程序,从0通道输入12位数据赋给整型变量dbyte int dbyte ; out
15、portb(0x280,0x00); do ; while(!(inportb(0x285),D/A输出C程序,将整型变量da中的低12位从D/A输出 outportb(0x283,(da,1232的编码,思考题,1 . 要求从A/D输入数据，并在屏幕上显示电压值。,2 . 从A/D输入数据后，从D/A输出相同（或最接近的）电压值。,3. 编写8位格雷码转换成二进制码的程序。,4. HY-1232接口板A/D输入程序中的do-wile循环是否可改用wile循环？,4.5 用位字段结构处理二进制位字段数据,哈尔滨工业大学航天学院,C语言在测量与控制中的应用系列课件,位字段结构的概念,结构是一种复合数据类型，它可以由不同数据类型的数据组成。组成结构的每个数据项称为结构的成员。,可编程接口器件有一个命令字寄存器或控制字寄存器，通过编程，确定芯片的工作方式。命令字中的一位或几位组合起来，成为一个位字段，决定一项功能。,位字段结构是一种特殊形式的结构，它的成员项是二进制位字段。位字段结构中每个成员项的一般形式为： 数据类型 成员名：位数； 其中数据类型一般采用 unsigned 型或 int 型,结构的定义,结构用关键字struct定义， 结构定义的一般形式如下： struct 结构名 数据类型 成员名1； 数据类型 成员名2； 数据类型 成员名n； ；,例如定义一个有关学生的学号、姓名
