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1產(chǎn)品概述

起源

為了滿足IBM-PC機(jī)及其兼容機(jī)用于數(shù)據(jù)采集與控制的需要，國內(nèi)外許多廠商生產(chǎn)了各種各樣的數(shù)據(jù)采集板卡（或I/O板卡）。這類板卡均參照IBM-PC機(jī)的總線技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計和生產(chǎn)，用戶只要把這類板卡插入IBM-PC機(jī)主板上相應(yīng)的I/O擴(kuò)展槽中，就可以迅速方便地構(gòu)成一個數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)，從而大大節(jié)省了硬件的研制時間和投資，又可以充分利用IBM-PC機(jī)的軟硬件資源，還可以使用戶集中精力對數(shù)據(jù)采集與處理中的理論和方法進(jìn)行研究、進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計以及程序的編制等。

分類

基于PC總線的板卡種類很多，其分類方法也有很多種。按照板卡處理信號的不同可以分為模擬量輸入板卡（A/D卡）、模擬量輸出板卡（D/A卡）、開關(guān)量輸入板卡、開關(guān)量輸出板卡、脈沖量輸入板卡、多功能板卡等。其中多功能板卡可以集成多個功能，如數(shù)字量輸入/輸出板卡將模擬量輸入和數(shù)字量輸入/輸出集成在同一張卡上。根據(jù)總線的不同，可分為PXI/CPCI板卡和PCI板卡。

還有其它一些專用I/O板卡，如智能接口卡、虛擬存儲板（電子盤）、信號調(diào)理板、專用（接線）端子板等，這些種類齊全、性能良好的I/O板卡與IPC配合使用，使系統(tǒng)的構(gòu)成十分容易。

2主要類型

在工業(yè)現(xiàn)場，我們會安裝很多的各種類型的傳感器，如壓力的、溫度的、流量的、聲音的、電參數(shù)的等等，受現(xiàn)場環(huán)境的限制傳感器信號如壓力傳感器輸出的電壓或者電流信號不能遠(yuǎn)傳或者因為傳感器太多布線復(fù)雜，我們就會選用分布式或者遠(yuǎn)程的采集卡（模塊）在現(xiàn)場把信號較高精度地轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，然后通過各種遠(yuǎn)傳通信技術(shù)（如485、232、以太網(wǎng)、各種無線網(wǎng)絡(luò)）把數(shù)據(jù)傳到計算機(jī)或者其他控制器中進(jìn)行處理。這種也算作數(shù)據(jù)采集卡的一種，只是它對環(huán)境的適應(yīng)能力更強(qiáng)，可以應(yīng)對各種惡劣的工業(yè)環(huán)境。

如果是在比較好的現(xiàn)場或者實驗室，如學(xué)校的實驗室，就可以使用USB/PCI這種采集卡。和常見的內(nèi)置采集卡不同，外置數(shù)據(jù)采集卡一般采用USB接口和1394接口，因此，外置數(shù)據(jù)采集卡主要指USB采集卡和1394采集卡。

數(shù)據(jù)采集卡，絕大多數(shù)集中在采集模擬量、數(shù)字量、熱電阻、熱電偶，其中熱電阻可以認(rèn)為是非電量（其實本質(zhì)上還是要用電流驅(qū)動來采集）其中模擬量采集卡和數(shù)字量采集卡用得是廣泛的。

市場上新出一種二合一采集卡。二合一，指的是數(shù)字模擬采集卡，AV+DV采集卡，數(shù)字、模擬二合一，數(shù)字輸入輸出，模擬接口輸入（DV/AV/S-video）。

后雖然說是采集卡，但實際應(yīng)用中經(jīng)常需要它輸出控制信號。采集卡廣泛應(yīng)用于安防監(jiān)控、教育課件錄制、大屏拼接、多媒體錄播錄像、會議錄制、虛擬演播室、虛擬現(xiàn)實、安檢X光機(jī)、雷達(dá)圖像信號、VDR紀(jì)錄儀、醫(yī)療X光機(jī)、CT機(jī)、胃腸機(jī)、*、工業(yè)檢測、智能交通、醫(yī)學(xué)影像、工業(yè)監(jiān)控、儀器儀表、機(jī)器視覺等領(lǐng)域。

3技術(shù)參數(shù)

視頻采集卡

● DV+AV+Audio全接口視頻捕獲卡，品質(zhì)與性能的結(jié)合，SMD貼片電容，做工精良

●全接口板卡，集成立體聲輸入端口，無需再轉(zhuǎn)接聲卡

●*音頻協(xié)處理功能,兩路立體聲輸入捕獲，聲音質(zhì)量大幅提高，并杜絕音頻、視頻不同

●低溫優(yōu)化設(shè)計，保證超長時間捕獲的穩(wěn)定性

●雜波屏蔽電路，使捕獲的圖像畫質(zhì)更清晰

●專業(yè)色鍵摳像功能，影片效果更精彩

●全接口配備，可捕獲任何視頻播放設(shè)備中的素材

輸入接口：AV/SVIDEO/DV

視頻：720X576/352X288

音頻：8/16/32/44。1/48

制式：N/P制

驅(qū)動：標(biāo)準(zhǔn)的DSHOW驅(qū)動

數(shù)據(jù)采集卡

數(shù)據(jù)采集卡：

●通道數(shù)：就是板卡可以采集幾路的信號，分為單端和差分。常用的有單端32路/差分16路、單端16路/差分8路

●采樣頻率：單位時間采集的數(shù)據(jù)點數(shù)，與AD芯片的轉(zhuǎn)換一個點所需時間有關(guān)，例如：AD轉(zhuǎn)換一個點需要T = 10uS，則其采樣頻率f = 1 / T為100K，即每秒鐘AD芯片可以轉(zhuǎn)換100K的數(shù)據(jù)點數(shù)。它用赫茲（Hz），常有100K、250K、500K、800K、1M、40M等

●緩存的區(qū)別及它的作用：主要用來存儲AD芯片轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)。有緩存可以設(shè)置采樣頻率，沒有則不可以。緩存有RAM和FIFO兩種:FIFO應(yīng)用在數(shù)據(jù)采集卡上，做數(shù)據(jù)緩沖，存儲量不大，速度快。RAM是隨機(jī)存取內(nèi)存的簡稱。一般用于高速采集卡，存儲量大，速度較慢。

●分辨率：采樣數(shù)據(jù)低位所代表的模擬量的值，常有12位、14位、16位等（12位分辨率，電壓5000mV）12位所能表示的數(shù)據(jù)量為4096（2的12次方），即±5000 mV電壓量程內(nèi)可以表示4096個電壓值，單位增量為（5000 mV）/ 4096=1.22 mV。分辨率與A/D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)有確定的關(guān)系，可以表示成FS/2n。FS表示滿量程輸入值，n為A/D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)。位數(shù)越多，分辨率越高。

●精度：測量值和真實值之間的誤差，標(biāo)稱數(shù)據(jù)采集卡的測量準(zhǔn)確程度，一般用滿量程（FSR，full scale range）的百分比表示，常見的如0.05%FSR、0.1%FSR等，如滿量程范圍為0~10V，其精度為0.1%FSR，則代表測量所得到的數(shù)值和真實值之間的差距在10mv以內(nèi)。

●量程：輸入信號的幅度，常用有±5V、±10V 、0~5V 、0~10V ，要求輸入信號在量程內(nèi)進(jìn)行

●增益：輸入信號的放大倍數(shù)，分為程控增益和硬件增益，通過數(shù)據(jù)采集卡的電壓放大芯片將AD轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)進(jìn)行固定倍數(shù)的放大。由兩種型號PGA202 （1、10、100、1000） 和PGA203 （1、2、4、8）的增益芯片。

●觸發(fā)：可分為內(nèi)觸發(fā)和外觸發(fā)兩種，*啟動AD轉(zhuǎn)換方式。

4系統(tǒng)實例

簡介

在一些工業(yè)現(xiàn)場中，設(shè)備長時間運(yùn)行容易出現(xiàn)故障，為了監(jiān)控這些設(shè)備，通常利用數(shù)據(jù)采集裝置采集他們

數(shù)據(jù)采集

運(yùn)行時的數(shù)據(jù)并送給PC機(jī)，通過運(yùn)行在PC機(jī)上的特定軟件對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，以此判斷當(dāng)前運(yùn)行設(shè)備的狀況，進(jìn)而采取相應(yīng)措施。當(dāng)前常用的數(shù)據(jù)采集裝置，在其系統(tǒng)軟件設(shè)計中，多采用單任務(wù)順序機(jī)制。這樣就存在系統(tǒng)安全性差的問題。這對于穩(wěn)定性、實時性要求很高的數(shù)據(jù)采集裝置來說是不允許的，因此有必要引入嵌入式操作系統(tǒng)。下面以μC/OSII為操作系統(tǒng)平臺，基于ARM7系列處理器，對一種高性能的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)開發(fā)進(jìn)行探索。

操作系統(tǒng)簡介

嵌入式操作系統(tǒng)μC/OSII（Microcontroller Operating System）是專為微控制器系統(tǒng)和軟件開發(fā)而設(shè)計的公開源代碼的搶占式實時多任務(wù)操作系統(tǒng)內(nèi)核，是一段微控制器啟動后首先執(zhí)行的背景程序，作為整個系統(tǒng)的框架貫穿系統(tǒng)運(yùn)行的始終。對于對實時性和穩(wěn)定性要求很高的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)來說，引入μC/OSII無疑將大大改善其性能。

μC/OSII的特點可以概括為以下幾個方面：公開源代碼，代碼結(jié)構(gòu)清晰、明了，注釋詳盡，組織有條理，可移植性好，可裁剪，可固化。內(nèi)核屬于搶占式，多可以管理60個任務(wù)。μC/OSII自1992年的版（μC/OS）以來已經(jīng)有好幾百個應(yīng)用，是一個經(jīng)實踐證明好用且穩(wěn)定可靠的內(nèi)核。對μC/OSII的研究和應(yīng)用都很多。

系統(tǒng)基本工作原理

應(yīng)用時，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)置于被監(jiān)控的設(shè)備處，通過傳感器對設(shè)備的電壓或者電流信號進(jìn)行采樣、保持，并送入A/D轉(zhuǎn)換器變成數(shù)字信號，然后將該信號送到FIFO中。當(dāng)FIFO中存放的數(shù)據(jù)到了一定數(shù)目時，由ARM7從FIFO中讀出，然后通過ARM7的以太網(wǎng)接口或者RS232送給上位機(jī)。考慮到要監(jiān)控的設(shè)備可能會很多，所以設(shè)計了多路采集通道，他們經(jīng)過模擬開關(guān)后再進(jìn)入A/D轉(zhuǎn)換器。CPLD是整個系統(tǒng)的控制核心，他控制采集通道的切換、A/D轉(zhuǎn)換器的啟/停、轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)在FIFO中的存放地址發(fā)生器、產(chǎn)生中斷請求以通知ARM7讀取存放在FIFO中的數(shù)據(jù)等。

系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

該系統(tǒng)采用了Samsung公司的S3C4510B作為系統(tǒng)與上位機(jī)溝通的橋梁，S3C4510B是基于以太網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)的高性價比16/32位RISC微控制器，他有如下幾個主要特點：

硬件方面內(nèi)含一個由ARM公司設(shè)計的16/32位ARM7TDMIRISC處理器核，ARM7TDMI為低功耗、高性能的16/32核，適合用于對價格及功耗敏感的應(yīng)用場合。S3C4510B通過在ARM7TDMI核內(nèi)容基礎(chǔ)上擴(kuò)展一系列完整地通用外圍器件。

片上資源包括2個帶緩沖描述符（bufferdescriptor）的HDLC通道；2個UART通道；2個GDMA通道；2個32位定時器；18個可編程的I/O口。還有中斷控制器；DRAM/SDRAM控制器；ROM/SRAM和FLASH控制器；系統(tǒng)管理器；1個內(nèi)部32位系統(tǒng)總線仲裁器；1個外部存儲器控制器等片內(nèi)的邏輯控制電路。

這些為μC/OSII的移植提供了優(yōu)良的物理資源。

軟件支持方面他有配套的代碼編輯調(diào)試環(huán)境ADS12和JTAG在線調(diào)試功能，使S3C4510B芯片軟件可以直接用C編寫，這就使μC/OSII的植入成為可能。

12位高速A/D轉(zhuǎn)換電路采用AnalogDevices的AD574，該電路輸出具有三態(tài)鎖存功能。預(yù)處理電路包括了電流電壓互感器、隔離電路和同步采樣電路，他可以將信號轉(zhuǎn)換成與AD574相匹配的量值，供后續(xù)處理。通訊電路采用常用的以太網(wǎng)接口與上位機(jī)相連，而232接口可作為備用，這樣該裝置既可作為便攜式系統(tǒng)使用，也可通過網(wǎng)絡(luò)來對設(shè)備實施實時監(jiān)控。

軟件設(shè)計

軟件部分要分別編寫S3C4510B部分的程序和CPLD控制程序。前者可分為μC/OSII的移植和各個應(yīng)用程序的編寫，后者用VHDL語言實現(xiàn)。

對于S3C4510B部分，根據(jù)整個裝置實現(xiàn)的功能和對他的要求進(jìn)行系統(tǒng)任務(wù)分割，并根據(jù)實際需要為各個任務(wù)分配優(yōu)先級。系統(tǒng)大致可分為如下幾個任務(wù)：初始化CPLD控制參數(shù)；對FIFO的讀取；與上位機(jī)的TCP/IP通訊；與上位機(jī)的串口通訊。對應(yīng)每個任務(wù)，需要編寫相應(yīng)的應(yīng)用程序，軟件設(shè)計部分的關(guān)鍵技術(shù)有：

（1）μC/OSII內(nèi)核向S3C4510B中的移植，要根據(jù)處理器的特點合理地修改μC/OSII的3個與處理器相關(guān)的文件：OS_CPUH，OS_CPU_AASM，OS_CPU_C.C。主要是將文件中的匯編指令，改為ARM7的匯編指令，并根據(jù)CPU的特點對文件中寄存器的初值進(jìn)行改寫。

（2）內(nèi)存配置問題。對于存儲器容量的設(shè)計，要綜合考慮μC/OSII內(nèi)核代碼和應(yīng)用程序代碼的大小。每個任務(wù)是獨立運(yùn)行的，必須給每個任務(wù)提供單獨的棧空間（RAM），RAM總量的計算公式為：

RAM總量=應(yīng)用程序的RAM需求+內(nèi)核數(shù)據(jù)區(qū)的RAM需求+各任務(wù)棧需求之總和+多中斷嵌套所需堆棧。

（3）TCP/IP協(xié)議在μC/OSII中的實現(xiàn)。為了滿足嵌入式設(shè)備與Internet網(wǎng)絡(luò)直接交換信息的要求，在μC/OSII中又移植了LwIP協(xié)議棧。

LwIP是瑞士計算機(jī)科學(xué)院（SwedishInstituteofComputerScience）的AdamDunkels等開發(fā)的一套用于嵌入式系統(tǒng)的開放源代碼TCP/IP協(xié)議棧。LwIP的含義是LightWeight（輕型）IP協(xié)議。LwIP可以移植到操作系統(tǒng)上，也可以在無操作系統(tǒng)的情況下獨立運(yùn)行。LwIPTCP/IP實現(xiàn)的重點是在保持TCP協(xié)議主要功能的基礎(chǔ)上減少對RAM的占用，一般他只需要幾十k的RAM和40k左右的ROM就可以運(yùn)行，這使LwIP協(xié)議棧適合在低端嵌入式系統(tǒng)中使用。

LwIP的特性有：支持多網(wǎng)絡(luò)接口下的IP轉(zhuǎn)發(fā)；支持ICMP協(xié)議；包括實驗性擴(kuò)展的的UDP（用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議）；包括阻塞控制、RTT估算、快速恢復(fù)和快速轉(zhuǎn)發(fā)的TCP（傳輸控制協(xié)議）；提供專門的內(nèi)部回調(diào)接口（rawAPI）用于提高應(yīng)用程序性能。

LwIP可以很容易地在μC/OSII的調(diào)度下，為系統(tǒng)增加網(wǎng)絡(luò)通信和網(wǎng)絡(luò)管理功能。LwIP協(xié)議棧在設(shè)計時就考慮到了將來的移植問題，他把所有與硬件，OS，編譯器相關(guān)的部份獨立出來，放在/src/arch目錄下。因此LwIP在μC/OSII上的實現(xiàn)就是修改這個目錄下的文件，其他的文件一般不應(yīng)該修改。在驅(qū)動中主要是根據(jù)S3C4510B內(nèi)的以太網(wǎng)控制特殊功能寄存器，編寫網(wǎng)絡(luò)接口的處發(fā)送包、接收包函數(shù)，初始化以及用于以太網(wǎng)控制器的外部中斷服務(wù)程序。