搜索
计算机测控系统李江全石河子大学机电学院电气工程系2009年11月——数据采集卡数据采集卡概述数据采集卡的产生为了满足IBM-PC机及其兼容机用于数据采集与控制的需要，国内外许多厂商生产了各种各样的数据采集板卡（或I/O板卡）。这类板卡均参照IBM-PC机的总线技术标准设计和生产，用户只要把这类板卡插入IBM-PC机主板上相应的I/O扩展槽中，就可以迅速方便地构成一个数据采集与处理系统，从而大大节省了硬件的研制时间和投资，又可以充分利用IBM-PC机的软硬件资源，还可以使用户集中精力对数据采集与处理中的理论和方法进行研究、进行系统设计以及程序的编制等。数据采集卡的种类基于PC总线的板卡种类很多，其分类方法也有很多种。按照板卡处理信号的不同可以分为模拟量输入板卡(A/D卡)、模拟量输出板卡(D/A卡)、开关量输入板卡、开关量输出板卡、脉冲量输入板卡、多功能板卡等。其中多功能板卡可以集成多个功能，如数字量输入/输出板卡将模拟量输入和数字量输入/输出集成在同一张卡上。根据总线的不同，可分为PCI板卡和ISA板卡。PCI-5121智能CAN接口卡还有其它一些专用I/O板卡，如智能接口卡、虚拟存储板（电子盘）、信号调理板、专用（接线）端子板等，这些种类齐全、性能良好的I/O板卡与IPC配合使用，使系统的构成十分容易。常用的数据采集卡1．模拟量输入卡（A/D卡）在工业测控系统中，输入信号往往是模拟量，这就需要一个装置把模拟量转换成数字量，各种A/D芯片就是用来完成此类转换的。在实际的计算机测控系统中，不是以A/D芯片为基本单元，而是制成商品化的A/D板卡。模拟量输入板卡根据使用的A/D转换芯片和总线结构不同，性能有很大的区别。板卡通常有单端输入、差分输人以及两种方式组合输入三种。板卡内部通常设置一定的采样缓冲器，对采样数据进行缓冲处理，缓冲器的大小也是板卡的性能指标之一。在抗干扰方面，A/D板卡通常采取光电隔离技术，实现信号的隔离。板卡模拟信号采集的精度和速度指标通常由板卡所采用的A/D转换芯片决定。例如，下图所示为研华PCI-1713模拟量输入卡。该板卡具有32路单端或16路差分模拟量输入，或组合输入方式，12位A/D转换分辨率，A/D转换器的采样速率可达100kHz，每个输入通道的增益可编程，卡上有4K采样FIFO缓冲器，2500VDC隔离保护，支持软件、内部定时器触发或外部触发。2．模拟量输出卡（D/A卡）计算机内部处理采用的是数字量，而执行机构采用的是模拟量。计算机通过D/A板卡将数字量转化为模拟量，从而通过控制执行机构的动作去控制生产工艺过程。D/A转换板卡同样依据其采用的D/A转换芯片的不同，转换性能指标有很大的差别。例如，下图所示为研华PCI-1720U模拟量输出卡。该板卡具有四路12位D/A输出通道，多种输出范围。由于能够在输出和PCI总线之间提供2500VDC的隔离保护，PCI-1720非常适合需要高电压保护的工业场合。3．数字量输入/输出卡（I/O卡）计算机测控系统通过数字量输入板卡采集工业生产过程的离散输入信号，并通过数字量输出板卡对生产过程或控制设备进行开关式控制（二位式控制）。将数字量输入和数字量输出功能集成在一块板卡上，就称为数字量输入/输出板卡，简称I/O板卡。例如，下图所示为研华PCI-1730数字量输入/输出卡，它提供了16路数字量输入和16路数字量输出，高输出驱动能力和中断能力，具有2500VDC高电压隔离I/O通道。4．脉冲量输入/输出板卡工业控制现场有许多高速的脉冲信号，如旋转编码器、流量检测信号等，这些都要用脉冲量输入板卡或一些专用测量模块进行测量。脉冲量输入/输出板卡可以实现脉冲数字量的输出和采集，并可以通过跳线器选择计数、定时、测频等不同工作方式，计算机可以通过该板卡方便地读取脉冲计数值，也可测量脉冲的频率或产生一定频率的脉冲。考虑到现场强电的干扰，该类型板卡多采用光电隔离技术，使计算机与现场信号之间全部隔离，来提高板卡测量的抗干扰能力。例如，下图所示的研华PCI-1780U计数器/定时器卡，是基于PCI总线设计的接口卡。该卡使用了AM9513芯片，能够通过CPLD实现计数器/定时器功能。此外，该卡还提供8个16位计数器通道，并具有8通道可编程时钟资源，8路TTL数字量输出/8路TTL数字量输入，最高输入频率达20MHz，有多种时钟可以选择，可编程计数器输出，同时有计数器门选通功能。远程I/O模块远程I/O模块又称为牛顿模块，为近年来比较流行的一种I/O方式，它安装在工业现场，就地完成A/D、D/A转换、I/O操作及脉冲量的计数、累计等操作。远程I/O以通讯方式和计算机交换信息，通讯接口一般采用RS-485总线，通讯协议与模块的生产厂家有关，但都是采用面向字符的通讯协议。基于板卡的测控系统基于板卡的计算机测控系统的组成如图所示，它可分为硬件和软件两大部分。1．计算机主机它是整个计算机控制系统的核心。主机由CPU、存储器等构成。它通过由过程输入通道发送来的工业对象的生产工况参数，按照人们预先安排的程序，自动地进行信息处理、分析和计算，并作出相应的控制决策或调节，以信息的形式通过输出通道，及时发出控制命令，实现良好的人机联系。目前采用的主机有PC机及工业PC机（IPC）等。2．传感器与变送器传感器的作用是把非电物理量（如温度、压力、速度等）转换成电压或电流信号。例如，使用热电偶可以获得随着温度变化而变化的电压信号；转速传感器可以把转速转换为电脉冲信号。3．信号调理器信号调理器（电路）的作用是对传感器输出的电信号进行加工和处理，转换成便于输送、显示和记录的电信号（电压或电流）。常见的信号调理电路有：电桥电路、调制、解调电路、滤波电路、放大电路、线性化电路、A/D转换电路、隔离电路等。如：传感器输出信号是微弱的，就需要放大电路将微弱信号加以放大，以满足过程通道的要求；为了与计算机接口方便，需要A/D转换电路将模拟信号变换成数字信号等。如果信号调理电路输出的是规范化的标准信号（如4∽20mA、1∽5V等），这种信号调理电路称为变送器。在工业控制领域，常常将传感器与变送器做成一体，统称为变送器。变送器输出的标准信号一般送往智能仪表或计算机系统。4．输入输出板卡应用IPC对工业现场进行控制，首先要采集各种被测量，计算机对这些被测量进行一系列处理后，将结果数据输出。计算机输出的数字量还必须转换成可对生产过程进行控制的量。因此，构成一个工业控制系统，除了IPC主机外，还需要配备各种用途的I/O接口产品，即I/O板卡。各种板卡是不能直接由计算机主机控制的，必须由“I/O”接口来传送相应的信息和命令。I/O接口是主机和板卡、外围设备进行信息交换的纽带。目前绝大部分I/O接口都是采用可编程接口芯片，它们的工作方式可以通过编程设置。要想驱动执行机构，必须具有较大的输出功率，即向执行机构提供大电流、高电压驱动信号，以带动其动作；另一方面，由于各种执行机构的动作原理不尽相同，有的用电动，有的用气动或液动，如何使计算机输出的信号与之匹配，也是执行机构必须解决的重要问题。因此为了实现与执行机构的功率配合，一般都要在计算机输出板卡与执行机构之间配置驱动电路。5.驱动电路6．执行机构它的作用是接受计算机发出的控制信号，并把它转换成执行机构的动作，使被控对象按预先规定的要求进行调整，保证其正常运行。生产过程按预先规定的要求正常运行，即控制生产过程。7．外围设备主要是为了扩大计算机主机的功能而配置的。它用来显示、存储、打印、记录各种数据。包括输入设备、输出设备和存储设备。常用的外围设备有：打印机、记录仪、图形显示器（CRT）、外部存储器（软盘、硬盘、光盘等）、记录仪、声光报警器等。8．人机联系设备操作台是人机对话的联系纽带。计算机向生产过程的操作人员显示系统运行状态、运行参数，发出报警信号；生产过程的操作人员通过操作台向计算机输入和修改控制参数，发出各种操作命令；程序员使用操作台检查程序；维修人员利用操作台判断故障等。9．网络通信接口对于复杂的生产过程，通过网络通信接口可构成网络集成式计算机控制系统。系统采用多台计算机分别执行不同的控制功能，既能同时控制分布在不同区域的多台设备，同时又能实现管理功能。软件使PC和数据采集硬件形成了一个完整的数据采集、分析和显示系统。没有软件，数据采集硬件是毫无用处的——或者使用比较差的软件，数据采集硬件也几乎无法工作。大部分数据采集应用实例都使用了驱动软件。软件层中的驱动软件可以直接对数据采集件的寄存器编程，管理数据采集硬件的操作并把它和处理器中断，DMA和内存这样的计算机资源结合在一起。驱动软件隐藏了复杂的硬件底层编程细节，为用户提供容易理解的接口。软件子系统基于PC的DAQ系统（简称PCs）的基本特点是，输入输出装置为板卡的形式，并将板卡直接与个人计算机的系统总线相连，即直接插在计算机主机的扩展槽上。这些输入输出板卡往往按照某种标准由第三方批量生产，开发者或用户可以直接在市场上购买，也可以由开发者自行制作。一块板卡的点数（指测控信号的数量）少的有几点，多的可达24点、32点甚至更多。系统特点由于PCs价格低廉、组成灵活、标准化程度高、结构开放、配件供应来源广泛、应用软件丰富等特点，PCs是一种很有应用前景的计算机测控系统。利用板卡开发测控系统的步骤利用板卡开发测控系统的开发步骤用数据采集卡构成完整的测控系统还需要：接线端子板、通信电缆和驱动程序光盘板卡产品的成套性PCI-1710HG多功能板卡PCI-1710HG多功能板卡介绍PCI-1710HG是一款功能强大的低成本多功能PCI总线数据采集卡，如图所示，其中包含五种最常用的测量和控制功能。PCI1710HG板卡的成套性电缆采用PCL-10168型，是两端针型接口的68芯SCSI-II电缆，用于连接板卡与ADAM-3968接线端子板。PCL-10168电缆接线端子板采用ADAM-3968型，是DIN导轨安装的68芯SCSI-II接线端子板，用于各种输入输出信号线的连接。ADAM-3968接线端子板用PCI-1710HG板卡构成的控制系统框图如图6-6所示。PCI-1710HG板卡设备的安装首先进入研华公司官方网站找到并下载下列程序：PCI1710.exe、DevMgr.exe、PortIO.exe、All_Examples.exe、Utility.exe等；1．安装设备驱动程序在测试板卡和使用研华驱动编程之前必须首先安装研华设备管理程序DeviceManager和32bitDLL驱动程序。首先执行DevMgr.exe程序，根据安装向导完成配置管理软件的安装；接着执行PCI1710.exe程序，按照提示完成驱动程序的安装。2．安装硬件关闭计算机电源，打开机箱，将PCI-1710HG板卡正确地插到一空闲的PCI插槽中，如图6-8所示，检查无误后合上机箱。图6-8PCI-1710HG板卡安装重新开启计算机，进入WindowsXP系统，首先出现“找到新的硬件向导”对话框，选择“自动安装软件”项，点击“下一步”按钮，计算机将自动完成AdvantechPCI-1710HGDevice驱动程序的安装。系统自动地为PCI板卡设备分配中断和基地址，用户无需关心。注意：在用手持板卡之前，请先释放手上的静电（例如：通过触摸电脑机箱的金属外壳释放静电），不要接触易带静电的材料（如塑料材料），手持板卡时只能握它的边沿，以免手上的静电损坏面板上的集成电路或组件。检查板卡是否安装正确：右击“我的电脑”，点击“属性”项，弹出“系统属性”对话框，选中“硬件”项，点击“设备管理器”按钮，进入“设备管理器”画面，若板卡安装成功后会在设备管理器列表中出现PCI-1710HG的设备信息，如图所示。设备管理器中的板卡信息查看板卡属性“资源”选项中，可获得计算机分配给板卡的地址输入输出范围：C000-C0FF，其中首地址为C000，分配的中断号为22（与板卡在扩展槽中的位置有关），如图所示。板卡资源信息3．配置板卡在测试板卡和使用研华驱动