第4章DataAcquisition子模板与IO接口设备的软件驱动

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第4章DataAcquisition子模板与I/O接口设备的软件驱动4.1数据采集4.2PXI总线简述4.3DataAcquisition子模板简介4.4应用举例本章小结4.1数据采集4.1.1多参量测量系统的组成和数据采集卡DAQ一个由PC–DAQ / PCI插卡式虚拟仪器组成的多通道多参量测量系统如图4–1所示。该测量系统由两大部分构成:传感器及其调理电路和虚拟仪器硬件平台。图4–1多参量多通道PC–DAQ/PCI虚拟仪器测量系统传感器传感器多路开关传感器调理电路调理电路调理电路放大器采样保持器AD保持器PC计算机数据采集卡/板传感器及其调理电路虚拟仪器硬件平台(PC-DAQ)……4.1.1.1传感器及其调理电路只有那些数值大小合适的电压信号可以直接进入虚拟仪器平台外,大多数被测信号要经由传感器及其调理电路才能进入虚拟仪器系统,也可以说虚拟仪器的输入信号大多数来自传感器及其调理电路。①传感器。传感器完成信号的获得,它将被测参量转换成相应的可用输出信号。被测参量可以是各种非电气参量,如压力、温度、加速度等,也可以是电气量,如电力输电线路电网电压及电流等。高压电网通过高压互感器将电网高电压变为100V电压,通过电流互感器将电网大电流变为5A电流后再采用电压、电流传感器或变送器将100V、5A分别转换成5V低电压送到虚拟仪器。②信号调理。来自传感器的输出信号通常是含有噪声的微弱信号或者是非电压信号,如电流、电荷、电参量(电阻、电容、电感等)信号,故调理电路的基本作用有三个:l放大。将微弱电压信号放大。l转换。将非电压输出信号转换为电压信号。l滤波。滤除高频干扰,限制信号的最高频率fmax,避免产生混淆/叠。如果信号调理电路输出的是规范化的标准信号,即4~20mA电流信号(经250/500Ω标准电阻转换为1~5V/2~10V标准电压信号),则称这种信号调理电路为变送器。4.1.1.2数据采集卡及虚拟仪器硬件平台虚拟仪器的硬件平台由PC计算机与数据采集卡(DAQ卡)组成。数据采集卡(DAQ卡)由以下几个部分组成:①多路开关。将各路信号轮流切换到放大器的输入端,实现多参数多路信号的分时采集。②放大器。将前一级多路开关切换进入待采集信号放大(或衰减)至采样环节的量程范围内。通常实际系统中放大器做成增益可调的放大器,设计者可根据输入信号不同的幅值选择不同的增益倍数。③采样/保持器。取出待测信号在某一瞬时的值(即实现信号的时间离散化),并在A/D转换过程中保持信号不变。如果被测信号变化很缓慢,也可以不用采样/保持器。④ A/D转换器。将输入的模拟量转化为数字量输出,并完成信号幅值的量化。随着电子技术的发展,目前通常将采样/保持器同A/D转换器集成在一块芯片上。以上四个部分都处在PC计算机的前向通道,是组成数据采集卡/板的主要环节,与其它有关电路如定时/计数器、总线接口电路等作在一块印刷电路板上,即构成数据采集卡(DAQ卡),完成对信号数据的采集、放大及模/数转换任务。4.1.2数据采集卡的基本性能指标使用者在选择数据采集卡构成系统时,必须对数据采集卡的性能指标有所了解。数据采集卡的主要性能指标如下。4.1.2.1模拟信号输入部分①模拟输入通道数。该参数表明数据采集卡所能够采集的最多的信号路数。②信号的输入方式。一般待采集信号的输入方式有:l单端输入:即信号的其中一个端子接地。l差动输入:即信号两端均浮地。l单极性:信号幅值范围为[0,A],A为信号最大幅值。l双极性:信号幅值范围为[–A,A]。一般的数据采集卡都设有信号输入方式的选择设置,设计者可根据实际需要进行选择。③模拟信号的输入范围(量程)一般根据信号输入特性的不同(单极性输入还是双极性输入)有不同的输入范围。如对单极性输入,典型值为0~10V,对双极性输入,典型值为–5V~5V。④放大器增益。⑤模拟输入阻抗。采集卡固有参数,一般不由用户设置。4.1.2.2A/D转换部分①采样速率。指在单位时间内数据采集卡对模拟信号的采集次数,是数据采集卡的重要技术指标。由采样定理,为了使采样后输出的离散时间序列信号能无失真地复现原输入信号,必须使采样频率fs至少为输入信号最高有效频率fmax的两倍,否则会出现频率混淆误差。实际系统中,为了保证数据采样精度,一般有下列关系:Nffmaxs)10~7((4–1)式中N为多通道数据采集系统的通道数。②位数b。是指A/D转换器输出二进制数的位数。当输入电压由U=0增至满量程值U=UH时,一个八位(b=8)A/D的数字输出由八个“0”变为八个“1”,共计变化2b个状态,故A/D转换器产生一个最低有效位数字量的输出改变量,相应的输入量Umin=1LSB=q可由下式计算:bUq2LSB1H(4–2)式中:q为量化值;UH≥A,为满量程输入电压,通常等于A/D转换器的电源电压。图4–2示出了八位A/D的输入与输出关系。A/D...7610U=0A/D...7610U=A/D...7610Uq000011110001UH=(a)(b)(c)图4–2八位A/D的输入与输出关系(a)U=0时的输出[00000000];(b)U=UH时的满量程输出[11111111];(c)U=q时1LSB的输出[00000001]③分辨率与分辨力。指数据采集卡可分辨的输入信号最小变化量。分辨率一般以A/D转换器输出的二进制位数或BCD码位数表示。分辨力为1LSB(最低有效位数)。④精度。一般用量化误差表示,量化误差e为LSB/2。1H221LSB21bUqe(4–3)4.1.2.3D/A模数转换部分①分辨率。指当输入数字发生单位数码变化即1LSB时,所对应输出模拟量的变化量。通常用D/A转换器的转换位数b表示。②标称满量程。指相当于数字量标称值的模拟输出量。③响应时间。指数字量变化后,输出模拟量稳定到相应数值范围内(LSB/2)所经历的时间。4.1.3数据采集卡的安装数据采集卡通常都是插卡式结构,一般采用PC计算机本身的PCI总线或ISA总线,故称由它组成的虚拟仪器为PC–DAQ/PCI插卡式虚拟仪器。在使用数据采集卡以前需进行硬件安装和软件设置。硬件安装就是将DAQ卡插入PC机相应的总线扩展插槽内。4.1.4实现数据采集卡软件驱动前的参数设置要使数据采集卡正确地实现数据采集的功能,必须根据实际测量的需要对一些参数进行正确设置。这就是数据采集卡的软件驱动问题。待设置的参数主要有数据采集卡的设备号、地址码,此外,还有如下设置。4.1.4.1模拟信号输入部分①设置信号的输入方式。单端输入还是双端输入,单极性信号还是双极性信号等。②选择增益。根据输入信号幅值范围和分辨率的要求进行增益选择。③选择量程。根据输入信号是单极性还是双极性,相应选择合适的量程。4.1.4.2A/D转换部分①设定信号输入通道号。②设定采样点数。③设定采样速率。④采样结果的输出方式。采样结果可放在一个数组中,也可放在某一缓冲区中。⑤采样触发方式。一般分外触发、定时触发、软件触发等。4.1.4.3D/A转换部分①模拟信号的输出通道号。②模拟信号的输出幅值。此参数应设置在标称满量程范围内。③刷新速率。该参数决定所产生的模拟信号波形的“光滑度”。最快刷新速率的倒数即为响应时间。以上为驱动一个数据采集卡所需的一般参数。但并不是任何情况下,所有参数都必须设置。有的简单的数据采集卡就不具备某些功能。如国产的HY–1232型数据采集卡,不提供定时采集的功能,相应的就没有采样速率设置要求,且采样触发方式只提供软件触发方式一种,使用者无法选择其它的触发方式;与此相反,对于功能较丰富的数据采集卡,可能仅仅设置以上参数还是不够的(如美国NI公司的Lab–PC–1200型数据采集卡),使用者还需设置其它参数,从而可以更灵活地实现一个复杂的数据采集任务。在LabVIEW平台,用软件驱动I/O接口数据采集卡,实现数据采集分以下两种情况:lLabVIEW支持的数据采集卡,如NI公司自行生产的各类数据采集卡,可利用LabVIEW自带的驱动函数驱动。设计者只需正确设置输入参数就可实现数据采集的任务,而不需编写代码程序。lLabVIEW不支持的数据采集卡,可利用LabVIEW的代码嵌入功能(CIN模块)来实现采集卡的软件驱动。4.1.5I/O接口设备Lab–PC–1200型数据采集卡简介Lab–PC–1200型数据采集卡是NI公司1200系列数据采集卡之一,是一种性能优良的低价位适合PC机及其兼容机的采集卡。它能够完成信号采集(A/D)、数字信号的模拟输出(D/A)以及定时/计数等功能,具有八个模拟量输入通道(对差分输入是四对模拟输入通道)、两个模拟量输出通道、24个数字量I/O口、三个16位的计数器(用于定时/计数功能),具体功能如下:①信号采集(包括模拟信号输入和A/D转换两部分)部分,即前向通道,主要性能指标如下:l提供三种信号输入方式选项:单端无参考地输入、单端有参考地输入、差分输入。l放大器增益(软件设置):1、2、5、10、20、50、100。l量程:分为 5 V和0~10 V两种,分别对应信号为双极性输入方式和单极性输入方式。l分辨率:12位。l单通道最大采样率:100kHz/s。②D/A转换部分,即后向通道,主要性能指标如下:l分辨率:12位。l响应时间(即最快刷新速率的倒数):1ms。4.1.6Lab–PC–1200型数据采集卡的安装检验与参数设置在进行数据采集卡软件驱动前应进行参数设置,LabVIEW提供了Measurement&Automation软件。该软件可以自动检测到与系统(PC机)相连的设备(如DAQ卡、GPIB、VISA、VXI、IMAQ等硬件产品),并可调用相应设备的设置软件对设备参数进行设置。1.Measurement&Automation的调用Measurement&Automation图标在Windows桌面上,它是在安装完LabVIEW后自动产生的。其调用方法是:用鼠标点击Measurement&Automation图标后,出现图4–3所示的浏览窗口。2.检验若Lab–PC–1200型数据采集卡已经插入PC计算机的PCI插槽中,检验方法是:用鼠标双击图4–3下Measurement&Automation浏览窗口下的DevicesandInterfaces子目录,在右侧窗口会出现以Lab–PC–1200为名称的列表项,则表明已安装成功。3.参数设置用鼠标右击Lab–PC–1200列表项,弹出Lab–PC–1200的设置窗口,如图4–4所示。设置项目有五项:System、AI、AO、Accessory、OPC。下面以I/O接口设备Lab–PC–1200型数据采集卡为例说明各项参数的设置方法。图4–4所示的就是System设置项。图4–3Measurement&Automation浏览窗口图4–4Lab–PC–1200设置软件的用户界面——System设置项1) System设置项该设置项显示了设备占用的系统资源以及设备的编号。① Device1:LabVIEW分配给Lab–PC–1200型数据采集卡的设备号为1, 因为没有接入其它的I/O设备。② Resources:Input/OutputRange0x140-0x15FInterruptRequest5DirectMemoryAccess3PC计算机分配给Lab–PC–1200型数据采集卡的输入/输出地址范围PC计算机分配给Lab–PC–1200型数据采集卡的中断号为5PC计算机分配给Lab–PC–1200型数据采集卡的直接访问内存的地址号为32) AI设置项用鼠标点击图4–4中的“AI”按钮,出现如图4–5所示的设置项。①Polarity/:极性选择,实指量程,根据输入信号是单极性还是双极性,相应选择合适量程。如信号是单极性信号,Lab–PC–1200型数据采集卡量程为0~10V;若信号为双极性信号,量程为–5~+5V。图4–5所示为双极性信号。②Mode:模拟信号的输入方式,有三种方式选择:NonreferenceSingleE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