计算机监控技术第7章数据采集卡控制系统与实训Word格式文档下载.docx
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7-1阐述USB总线的结构。
答:
USB的总线结构是采用阶梯式星形的拓扑结构,如图1和图2所示。
每一个星形的中心是集线器,而每一个设备可以通过集线器上的接口来加以连接。
从图1中可以看到USB的设备包含了两种类型:
USB集线器与USB设备。
位于最顶端的就是Host(主机端)。
从Host的联机往下连接至Hub(集线器),再由集线器按阶梯式以一层或一阶的方式往下扩展出去,连接在下一层的设备或另一个集线器上。
事实上,集线器也可视为一种设备。
而其中最大层数为6层(包括计算机内部的根集线器)。
每一个星形的外接点的数目可加以变化,一般集线器具有2、4或7个接口。
在此的主机端通常是指PC主机。
当然,主机端因具有根集线器,因此也含有集线器的功能。
而集线器是在USB规范中特别定义出来的外围设备,除了扩增系统的连接点外,还负责中继上端/下端的信号以及控制各个下端端口的电源管理。
至于另一个设备,即是用户常见的外围设备。
但在USB规范书中,称这种设备为“功能”,意味着此系统提供了某些“能力”,例如具有键盘或鼠标等功能。
当然不同的外围设备可以具有不同的功能。
但基于使用上的习惯,用户在本书中都以设备称之。
通过这种阶梯式星形的连接方式,最多可同时连接到127个设备。
当USB2.0与1.1规范的设备混合使用时,整个总线上交杂着高速/全速的设备与集线器。
唯有在USB2.0集线器与USB2.0设备的连接下,才具备高速总线带宽的特性。
当PC主机开机前,已有一些外围设备连接上USB总线,那么PC是如何对所有连接至主机端的外围设备加以区分并寻址呢?
首先,PC一接上电源时,所有连接上USB的设备与集线器都会预设为地址0。
此时,所有的下端端口的连接器都处于禁用且为失效的状态。
然后,PC主机就会向整个USB总线查询。
若发现第1个设备,比方说是鼠标,就将地址1分配给鼠标。
然后再往下寻找第2个地址,且目前仍为0的设备或集线器。
若发现是集线器,就将地址2分配给此集线器,并激活其所扩充的第1个下端端口的连接器。
而后再沿此连接器一直往下寻找第3个地址,且仍为0的设备或集线器。
这样重复地寻找与分配地址,直到所有的外围设备都赋予了新的地址,或已达到127个外围设备的极限为止。
这种过程类似于将各个设备分别加以列举的程序,称之为设备列举。
当然,主机在配置新地址的同时,PC主机还要为每个新设备或集线器加载其所使用的驱动程序。
若在此时一个新的设备被接上,PC主机就会预设此设备为地址0,且PC就会确认并加载其相对应的驱动程序,并分配一个尚未使用到的新地址给它。
而一旦某个设备突然被拔离后,PC可经过D+或D-差动信号线的电压变化来检测此设备被移除掉,然后就将其地址收回,并列入可使用的地址数值中。
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。
模拟量输入板卡的作用是将传感器得到的工业对象的生产过程参数变换成二进制代码传送给计算机。
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、差分输入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。
模拟量输入板卡的主要性能指标有:
1)输入信号量程、范围。
输入量程:
是指所能转换的电压(电流)的范围。
模拟量输入板卡的常见输入量程有:
0∽5V,0∽10V,±
2.5V,±
5V,±
10V和4∽20mA等。
有的模拟量板卡还能直接输入毫伏级电压信号或热阻信号。
输入范围:
是指数据采集卡能够量化处理的最大、最小输入电压值。
数据采集卡提供了可选择的输入范围,它与分辨率、增益等配合,以获得最佳的测量精度。
2)增益。
表示输入信号被处理前放大或缩小的倍数。
给信号设置一个增益值,就可以实际减小信号的输入范围,使模数转换能尽量地细分输入信号。
有的A-D卡的放大倍数是可以程控的,即板卡上的放大器为程控放大器,放大器的增益可以使用引脚编程或软件编程。
可编程增益系数一般为1∽1000。
3)分辨率。
分辨率是模/数转换所使用的数字位数。
分辨率越高,输入信号的细分程度越高,能够识别的信号变化量就越小。
分辨率一般由板卡所使用的A-D转换器决定。
常用的分辨率有8位、10位、12位和16位等。
分辨率越高,转换时对输入模拟信号变化的反应就越灵敏。
工业过程控制中一般使用12位分辨率。
4)精度。
有绝对精度和相对精度两种表示法。
常用数字量的位数作为度量绝对精度的单位,如精度为最低位LSB的1/2,即为1/2LSB。
相对精度是指转换后所得结果相对于实际值的准确度,一般情况是分辨率越高,精度越高。
但这又是两个不同的指标概念,例如分辨率即使很高,但由于温度漂移、线性不良等原因使得精度并不一定很高。
常用百分比来表示满量程时的相对误差,如10位的相对精度为0.1%。
“±
0.04%FSR25℃”表示在25℃环境温度下,相对满量程时的相对误差为0.04%,对应于12位分辨率。
5)采样率。
是指每秒能转换多少个点(通道)或对一个通道重复采样多少次,又称为转换速率。
采样率决定了模/数变换的速率。
采样率高,则在一定时间内采样点就多,对信号的数字表达就越精确。
采样率必须保证一定的数值,如果太低,则精确度就很差。
根据耐奎斯特采样理论,采样频率必须是信号最高频率的两倍以上,采集到的数据才可以有效地复现出原始的采集信号。
例如,信号的最高频率为lkHz,那么为了采集到的数据能够准确地反映原始信号的频率特性,要求数据采集频率(SampleRate)至少应该为2KHz。
一般的过程通道板卡的采样速率可以达到30000∽100000Hz。
快速A-D卡可到100万Hz或更高的采样速率。
6)输入信号类型及方式。
输入信号类型有电压和电流之分及信号的大小之分。
如小信号输入A-D卡则表示该A-D卡能直接输入毫伏信号。
输入方式有单端输入和差分输入两种,不过,一般的A-D能用做单端输入,也能用做差分输入。
7)输入通道数。
A-D卡的输入通道数一般有8路/16路/32路,有的A-D卡可以通过采样扩展板,将模拟量输入通道扩展成128路、256路等。
一般情况下,采用单端输入时的通道数是差分输入时通道数的2倍。
8)数据传输模式。
是指完成A-D转换后向计算机“传送”数据的方式。
主要有三种:
软件方式,中断方式,DMA方式。
软件方式:
是采用系统提供的时钟,通过对寄存器的查询来实现数据采集,速度比较慢,因此多用于低速数据采集场合。
中断传输方式:
是将板卡上的数据传输到预先定义好的内存变量中,然后由中断服务程序(ISR)完成数据传输,可以较快地实现数据传输。
DMA数据传输方式:
是将板卡上的数据不通过CPU数据就传输到内存中,实现较快的数据传送。
9)驱动程序及支持软件。
性能良好的板卡还应支持多种应用软件和带有多种语言的接口及驱动程序。
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。
模拟量输出板卡的作用就是将计算机输出的数字控制量变换为控制操作执行机构的模拟信号,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。
模拟量输出卡的主要性能指标有:
1)分辨率。
它是产生模拟输出的数字码的位数。
较大的位数可以缩小输出电压增量的量值,因此可以产生更平滑的变化信号。
对于要求动态范围宽、增量小的模拟输出应用,需要有高分辨率的电压输出。
分辨率越高,模拟量输出的精度越高。
2)转换率。
是指数模转换器所产生的输出信号的最大变化速率。
3)输出范围。
D-A转换后,其输出电压/电流的范围。
4)线性度。
反映了实际输出值与按线性关系计算出的理论值之间的误差。
线性度越好,线性误差越小。
5)精度。
反映了实际输出的电压/电流值与计算出的理论电压/电流值的误差,与分辨率、线性度、放大器各项参数有关。
6)输出通道数。
模拟量输出通道的数目。
7)建立时间。
计算机送出数字量到输出电压/电流变化到相应值所需的时间,建立时间越短越好。
8)驱动能力。
电流输出时允许带的负载。
与V/I转换电路的电源电压及V/I转换器件等因素有关。
因为数据采集卡是从计算机总线上取电压电流输出,故驱动能力有限,带大功率负载的时候用户需要自己外加电源驱动设备。
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。
数字量输入板卡的作用是将各种继电器、限位开关等状态通过输入接口传送给计算机;
数字量输出板卡的作用是将计算机发出的开关动作逻辑信号经由输出接口传送给生产机械中的各个电子开关或电磁开关。
数字量输入/输出接口相对简单,一般都需要缓冲电路和光电隔离部分,输入通道需要输入缓冲器和输入调理电路,输出通道需要有输出锁存器和输出驱动器。
数字量输入/输出卡的主要性能指标有:
1)数字量的类型。
分为TTL电平和隔离电压。
这两种类型决定了数据采集板卡可以接收/侦测的电压范围,例如:
TTL电平0~0.8V为逻辑0,2.4~5V为逻辑1,隔离电压逻辑0/1依板卡指标来确定。
2)最大开关频率。
开关量输入/输出信号的允许频率值;
触点输入输出的开关频率较低。
开关频率实际上取决于板卡的总体设计,例如是否支持BusMaster工作方式等。
3)并行操作的位数。
即同时可以输出/输入的通道的个数,与板卡设计和系统的总线宽度有关。
如研华公司PCI-1755支持8/16/32位并行操作。
4)驱动能力。
因为数据采集卡是从计算机总线上取电压电流输出,故驱动能力有限,带大功率负载的时候需要自己外加电源驱动设备。
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。
脉冲量输入/输出板卡的主要性能指标有:
1)时钟输入。
输入是一个数字输入,它的每次翻转都导致计数器的递增,因而提供计数器工作的时间基准。
2)门输入。
门是指用来使计数器开始或停止工作的一个数字输入信号。
3)计数器输出。
在输出线上输出数字方波
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