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第一章系统开发平台

1.1硬件平台

硬件平台是虚拟仪器的物理基础，所以为了完成虚拟仪器的设计，首先必须要选择合适的硬件平台。本文设计的系统，硬件平台主要由两部分组成：数据采集卡（DAQ）、PC机。硬件平台的结构如图1-1所示。

图1-1 硬件结构平台

1.1.1数据采集卡的选取

由于计算机所能识别的信号是数字信号，振动、温度、湿度等信号经过传感器和放大器可以输出为模拟电信号，必须经过离散化和数字化才能被计算机所识别，数据采集卡就是实现这一转换功能，为整个后续对信号处理中起到了乘前启后的关键作用。一般常用的数据采集卡（DAQ）的结构如图1-2 所示。

图1-2（a）共用一个A/D

图1-2（b）多个A/D

一般数据采集设备的两个主要指标：

1.采样率

对数据采集设备来说，采样率是A/D芯片转换的速率，不同的设备具有不同

的采样率，进行测试系统设计时应该根据测试信号的类型选择适当的采样率，盲

目提高采样率，会增加测试系统的成本。

2.分辨率

分辨率是数据采集设备的精度指标，用A/D转换的数字位数表示。如果把数

据采集设备的分辨率看作尺子上的刻度，同样长度的尺子上刻度线越多，测量就

越精确。同样的，数据采集设备A/D转换的位数越多，把模拟信号划分得就越细，

可以检测到的信号变化量也就越小。在图1-3所示中用一3位的A/D转换芯片去转换振幅为5V的正弦信号，它将峰—峰为10V的电压分成32=8段，则每次采样的模拟信号转换为其中的一个数字段，用000~111之间的码来表示。而用它得到

正弦波的数字图象是非常粗糙的。若改用16位的A/D转换芯片，则将10V电压2=65536段，经过A/D转换之后的数字图象是相当精细，完全能反映出原分成16

始的模拟信号。

图1-3 A/D芯片的位数对反映原始信号的影响

目前工程上常用的数据采集卡分辨率为12位，可以满足一般应用的要求。对于有较高要求的场合，可以使用16位或24位的数据采集卡。可是，选择高分辨率的数据采集卡无疑是增加了测试成本，但可以通过对A/D 芯片位数的充分利用可以在不增加投资的情况下达到预期的要求。合理使用数据采集卡的途径有两个：

1. 合理设置设备的量程范围

设备的量程范围是A/D 芯片可以数字量化的最大和最小模拟信号的电压值。数据采集卡的性能指标给出的分辨率是满量程状态时的参数。如果实际上被测信号的电压幅值达不到满量程的范围，可以通过设置使设备的实际量程范围与模拟信号的电压范围相匹配，这样就充分利用了设备现有的分辨率。

2. 合理进行信号极限设置

并不是永远能够通过设备的范围的设置来充分利用A/D 芯片的分辨率。有些设备的范围不允许用户设置，还有时同时监测几个信号，它们的电压范围差别非常大。在设备无能为力的时候，通过信号的极限设置能很好地解决问题。信号的极限设置实际上就是单独确定每一个通道被检测的模拟信号的最大值和最小值，而且合理的极限设置可以让A/D 转换时更多地划分信号，使数字图象能完好地反映出原始信号。但是设置过低的极限是没有意义的。下面给出一个公式用于计算数据采集设备可检测到的输入模拟信号最小变化量。

2

分辨率设置被测信号极限值代码宽度= 在实际测量中，我们经常需要同时对多个信号进行采集，这时可以采用多通道的数据采集卡来实现。多通道的数据采集卡通常有两种方案：（1）共用一个A/D 转换器的模拟多路开关，如图1-2（a ）所示；（2）多个独立A/D 转换器的数字多路开关，如图1-2（b ）所示。

这两种方式各有其优缺点：（1）共用一个A/D 转换器的模拟多路开关的优点是成本低、结构简单，但各通道间有时间差，采样频率低一些；（2）多个独立A/D 转换器的数字多路开关的优点是采样频率高，各通道可以同时采集与转换，各通道间没有时间差，但是成本比较高。本论文是采用了第一种方案，即模拟通道共用一个A/D 。

数据采集卡的主要任务是把模拟信号转换成数字信号，形成计算机能够处理的数组。数据采集卡与计算机的接口方式直接影响着数据传输的速度，所以在选取数据采集卡的时候要充分考虑接口方式对整个虚拟仪器的影响。目前，PC 机与数据采集部分的连接，除了利用PC 机内各种总线的插卡外，多采用并口及串口方式。但是，串口方式速度太慢；并口方式较快，但不足之处是在中断方式时，优先级较低，将影响系统的实时和在线采集性能，且采集卡和打印机不能同时使用。而最近几年迅速发展起来的USB 接口方式克服了串、并口采集方式的上述缺点，并且目前的计算机已将USB 作为标准配置，且大部分计算机有不止一个USB 接口，不会影响计算机其他USB 接口部件的使用。

正是因为USB 接口具有其他接口形式无法比拟的优势，所以选择DAQ 时，本论文采用了北京迪阳公司的U18型数据采集卡，硬件结构如图1-3所示，它采用了ADS774模数转换芯片，优点是解决了采样频率低的缺点。

U18型数据采集卡的性能和技术指标如下：

(1) 模拟信号输入部分

● 模拟输入电压范围：51010V V V ±±+ 、

、0； ● 模拟通道输入数：16路单端/8路双端；

● 模拟输入阻抗：100M Ω；

● 模拟输入共模电压范围：2V >±；

(2) A/D 转换电路部分

● A/D 分辨率：12Bit （4096）；

● 非线性误差：1LSB ±（最大）；

● 转换时间：10s μ；

● 系统测试精度：0.1%；

(3) D/A 转换电路部分

● 输出通道数：4路；

● 模拟输出电压范围：05010510V V V V ±± 、

、、； ● D/A 分辨率：12Bit （4096）；

● 非线性误差：1LSB ±（最大）；

● D/A 输出精度（满量程）：1LSB ±；

● 建立时间：10s μ（0.01%精度）；

● 输出阻抗：0.2Ω

(4) 开关量输入输出部分

● 16路数字量输入；

● 16路数字量输出；

● 数字端口满足标准TTL 电气特性；

● 数字量输入最低的高电平/最高的低电平：2V/0.8V

● 数字量输出最低的高电平/最高的低电平：3.4V/0.5V