第六章 试验数据采集

数据采集是将温度、压力、流量、位移等模拟量采集、转换成数字量后，再由计算机进行存储、处理、显示或打印的过程，相应的系统称为数据采集系统。

数据采集系统性能的好坏，主要取决于它的精度和速度。在保证精度的条件下，应该尽可能采用高的采样速度，以满足实时采集、实时处理和实时控制的要求。

6.1 测试信号的采样

传感器所输出的信号，大多数是模拟量，为了能送到计算机中进行处理，需将其转换成数字量，将连续的模拟信号转换成数字量的过程称为采样。 A/D 转换器是采样的常用工具。为了使经采样后的数字量能反映原模拟信号的全部信息，需对采样的时间间隔或称采样周期做出规定，即香农(Shannon) 采样定律。

一、采样定律

设传感器输出的连续信号为 ，如果对大于某一频率 fc的所有频率，

函数 x(t)的傅立叶变换均为零，那么，当采样时间间隔△ t 满足 时，连续时间函数 x(t)可以由下式唯一确定。

式中： n=0， ±1， ±2， ··· ； 为第 n 点即 t=n t△ 的函数值 xn

采样定律表明， x(t) 只要满足 时有 X(f)=0 ，则以 采得

的离散序列 {xn} 能完全表征连续函数 x(t)。因此，采样定律提供了选

择采样间隔的准则。若以 fs表示采样频率，则 。

cft

2

1

tnt

tntttnx

ttx

n

)(sin)()(

)( tnx

tnt

cff＞cf

t2

1

cs ft

f 21

二、采样方式

基本采样方式可分为两大类：实时采样 (Real-Time sampling) 和等效时间采样 (Equivalent-Time Sampling) 。对于实时采样，当数字化一开始，信号波形的第一个采样点就被采样并数字化。然后，经过一个采样间隔，再采入第二个子样，这样一直将整个信号波形数字化后存入波形存储器。实时采样的优点在于信号波形一到就采入，因此适应于任何形式的信号波形，重复的或不重复的，单次的或连续的。又由于所有采样点是以时间为顺序，因而易于实现波形显示功能。实时采样的主要缺点是时间分辨率较差，每个采样点的采入、量化、存储等必须在小于采样间隔的时间内完成。若对信号的时间分辨率要求很高。那么实现起来就比较困难。

等效时间采样技术可以实现很高的数字化转换速率，但这种采样方式的应用前提是信号波形是可以重复产生的。由于波形可以重复取得，故采样可以用较慢的速度进行。采样的样本可以是时序的（步进、步退、差额），也可以是随机的。这样就可以把许多采集的样本合成一个采样密度较高的波形。一般也常将“等效时间采样”称为“变换采样”。

6.2 计算机数据采集系统

计算机数据采集系统主要由多路模拟开关 (MUX) 、采样保持器（ SHA) 、模数转换器 (A/D) 等组成，如图 6-1 所示。

图 6-1 微型计算机化的数据采集系统

一、多路模拟开关 (MUX)

在工程测试中，经常会遇到多路数据采集的问题，如果每一路都单独采用各自的输入回路，即每一路都采用放大、采样 / 保持和 A/D 等环节，不仅成本会成倍增加，还会导致系统体积庞大以至于从结构上无法实现 , 如 128 路信号的采集。因此，除少数特殊情况外，常采用公共的采样保持及A/D 转换电路，而要实现这种设计，就需采用多路模拟开关。

多路模拟开关的主要作用是把多个模拟量参数分时地接通送到 A/D 转换器，即完成多到一的转换。

随着大规模集成电路的发展，各厂家巳推出各种各样的多路模拟开关。多路模拟开关的通道数有 4 路、 8 路和 36 路等。由于组成多路开关的电路不同，多路模拟开关又分为TTL 、 CMOS 和 HMOS 等多种不同的结构形式。

多路模拟开关的选用应考如下一些因素：

1 ）对于信号电平较低场合，可选用低压型多路模拟开关，但需有严格的抗干扰措施。

2 ）在切换速度要求高、路数多的情况下，应尽可能选用单片即能完成的模拟开关，因为这样可使每路特性参数基本一致；在使用多片组合时，也宜选用同一型号的芯片以尽可能使每个通道的特性一致。

3 ）在选择多路模拟开关的速度时，要考虑到与后级设备速度的匹配，通常多路模拟开关的速度应略高于采样保持放大器和 A/D 的速度。

4 ）在使用高精度采样保持放大器和 A/D 进行精密据采集时，应充分考虑模拟开关的传输精度。多路模拟开关在数据采集系统中，主要用作通道选择。

二、采样保持器 (SHA)

如果直接用 A/D 对模拟量进行转换，则应考虑到任何一种A/D 都需要有一定的时间来完成量化及编码的操作。在转换过程中，模拟量的变化，将直接影响转换精度。特别是在同步系统中，几个并联的量均需要取同一瞬时值，若仍直接送入 A/D 进行转换 ( 共用一个 A/D) ，所得到的几个量就不是同一时刻的值，无法进行计算和比较。所以要求输入到A/D 的模拟量在整个转换过程中保持不变，但转换之后，又要求 A/D 的输入信号能够跟随模拟量变化，能够完成上述任

务的器件叫采样保持放大器 (SHA) 。

SHA 主要由模拟开关、存储介质和缓冲放大器 A 组成，它的一般形式如图 6-2 所示。

图 6-2 SHA 的一般形式

采集时间是 SHA 的一个关键动态指标，它主要取决于电容量和输入放大器最大供电电流，采集时间范围是15ns～ 10μs。任何 SHA 所具有的最高采样速率均由采样与保持状态所需要的时间之和来决定；保持方式的时间( 此时瞬态已建立 ) 主要由采用 SHA 的系统来决定；用于采样方式的最小时间则由满足给定精度的采集时间来确定。

SHA 的典型应用是多通道数据采集系统，一个有代表性的系统如图 6-3 所示。该系统包括一个 8 输入模拟开关、一个 SHA 和一个 A/D 转换器及其它控制电路。

 

 

 

图 6-3 一个典型的多通道数据采集系统框图

三、模数转换器 (A/D)

A/D 的作用是对每一个由采样保持电路在时间上离散的模拟电压值输出一个 n位二进制数字量。 A/D 转换技术不下几十种，但只有少数几种能以单片集成的形式来实现。这里介绍最常用的两种，即：

计数器式 逐次逼近式

1 、计数器式

最简单最廉价的 A/D 转换器是计数器式。一个计数器控制着一个 D/A 转换器，随着计数器由 0 开始计数， D/A

转换器输出一个逐步升高的阶梯形电压。输入的模拟电压和 D/A 转换器生成的电压被送至比较器进行比较，当二者一致或基本一致 ( 在允许的量化误差范围内 ) 时，比较器辅以一个指示信号，立即停止计数器计数。此时， D/A 转换器的输出值就是采样信号的模拟近似值，其相应的数字值由计数器给出。

2 、逐次逼近式

逐次逼近式采用的是从最高位逐位试探方法，转换前寄存器各位清 0 ，转换时，是把最高位置 1 ，并将 D/A 转换器的输出值与该测得的模拟值进行比较，如果“低于”，该位的 1

被保留；如果“高于”，该位的 1 被清除。然后，次高位置 1 ，再比较．决定去留，…，直至最低位完成同一过程。寄存器从最高位到最低位都试探过一遍的最终值就是 A/D 转换的结果。

计数器式和逐次逼近式 A/D 转换器都属于负反馈式比较型 A ／ D 转换器。但 n 位 A/D,逐次逼近式只要 n 次比较就可以

完成 , 而计数式的比较次数不固定 ,最多可能需 次。逐次逼近式 A/D 是中速 ( 转换时间 1ms ～ 1μs) 8 ～ 16 位 A/D 的主流产品。

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6.3 DSP 技术

数字信号处理器 (DSP) 是一种采用精巧而复杂技术提供丰富而优良的软件和硬件资源以数字方式处理大量信息的器件。自 从德州仪器 (TI)1982 年推出通用 可编程 DSP 芯片以来， DSP技术带来了决定数字技术未来的突破性进展。 DSP

处理器无论是在结构上、速度上、精度上还是指令集上都具有通用单片机无法比拟的优势，特别是数据处理量较大时，优势更突出。 DSP芯片的使用使数据采集系统的实时处理能力进一步提高。目前 DSP 处理器主要有 16位定点和 32 位 ( 或 24 位 )

浮点 DSP 。 DSP 功能很适合汽车试验中数据采集与控制。

一、 DSP 的系统结构

图 6-4 是一典型的 DSP 系统，它可以由一个 DSP 芯片及外围与总线组成，也可以由多个 DSP 芯片及外围与总线组成，这完全取决于 DSP 处理的要求。 DSP 芯片系统的主要任务是将前向通道输出的信号按照一定的算法进行处理，然后将处理的结果以数据流的形式输出给后向通道。后向通道主要由D/A 、平滑滤波器及功率放大等部分组成。

图 6-4 典型的 DSP 系统

输入信号

前向通道

输出信号

后向通道

存储器

通讯及人机

接口

数字I/O

DSP系统译码与时序控制

DSP芯片

总线

大多数 DSP 系统还有通信 ( 串行通信、并行通信 ) 、人 机 接 口 等 部 分 。 系 统 还 可 通 过 COMPACT

PCI ， PCI ， ISA ， VXI 等总线插在计算机上工作，或通过3xbus总线等组成紧凑型的控制系统，甚至还可以通过现场总线将整个系统作为整个现场系统中的一个节点。

必须指出，上面给出的 DSP 系统是一个相对完备的 DSP

系统，但并不是所有的 DSP 系统都必须具有上述系统上的所有部件。如频谱分析中输出的不是连续的波形而是离散的谱线等。而在很多场合输入信号本身可能已经是数字信号，因此根本不必有前向通道环节。

二、 DSP 系统的特点

1 、高精度 模拟网络中元件 (R 、 L、 C 等 ) 精度很难达到 的水

平 , 而数字系统 17位字长就可以达到此精度。因此 , 如果使用 DSP 、 D/A 来代替系统中的模拟网络 , 并有效地提高A/D 和 D/A 部分的精度便可大大地提高系统的整体精度。

2 、高可靠性 由于数字系统只有两种状态即：“ 1” ，“ 0” ，在器件正常工作的条件下，噪声及环境（如温度等）不容易构成对其的影响。此外，由于 DSP 系统采用了大规模集成电路，因此其故障率远比采用分立元件构成的模拟系统低。

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3 、集成度高 由于数字部件便于大规模集成、大规模生产，且数字电路

主要工作在截止饱和状态，对电路参数要求不严格，因此产品的成品率高，价格日趋下降。而模拟部件的集成化虽然在近几年取得了很大的进展，但尚未达到广泛应用的水平。

4 、接口方便 随着科学技术的发展，所需进行自动控制的系统变得越来越复杂，要想实现方便的系统集成，接口设计是关键问题。由于 DSP 系统与其它以现代数字技术为基础的系统或设备都是相互兼容的，与这样的系统接口将比与模拟系统接口方便得多。

5 、保密性好 由于 DSP 系统中 DSP ， FPGA ， CPLD 等器件在保密性

上的优越性能，使其与模拟系统或简单的数字系统相比，具有高度保密性。

6 、时分复用 用一套 DSP 系统分时处理多通道信号。它适用于两种场合： 1 ）信号的采样频率比 DSP 系统的运算速度低的场合。按

多路信号的先后次序 , 分别将各路值输入到 DSP 。 DSP利用两路采样的间隔 , 处理第 n路的数值 , 并在同步系统控制下输出处理结果 ,接下来处理第 n+2 路、第 n+3 路 , 以此类推。

2 ）实时性要求不高的场合。其原理是在第 n时段内对多路信号一并采样并存储 , 然后在第 n+1 时段内处理第 n时段的采样值 , 并输出处理结果。如在一个 16 路信号的谐波检测仪中 , 由于在主频 50MHz 的 TMS320 的 DSP处理器中运行 , 时间序列 FFT 大概需要 0.6ms, 这显然无法对 16 路信号同时进行实时处理。但我们可以用一个基波周期 20ms 进行采样 ,另一个 20ms 进行处理做到准确实时的要求。这与每一路都必须花费一套硬件的模拟系统比起来 , 可以大大地降低成本。

三、 DSP 测试系统设计与开发 1 、总体设计利用 DSP 开发 测试系统产品的过程如 图 6-5 所示。

图 6-5 DSP总体设计框图

系统测试 样机完成 中试 产品测试与生产

软件编程与调试

硬件设计说明书

硬件 (.sch/.pcb)

根据需求写出任务说明书

根据任务说明书确定技术指标

确定 DSP芯片及外围芯片

总体设计确定软硬件分工

软件设计说明书

硬件调试系统集成

四、 DSP 测试系统的主要技术指标

在进行 DSP 系统设计之前，首先要明确设计任务，给出设计任务书。在设计任务书中，应该将系统要达到的功能描述准确、清楚。描述的方式可以是人工语言，也可以是流程图或算法描述。在此之后应该把设计任务书转化为量化的技术指标。结合 DSP 系统的设计，这些技术指标主要包括：

1 、由信号的频率决定的系统采样频率。 2 、由采样频率决定任务书中最复杂的算法所需最大时间

及系统对实时程度的要求判断系统能否完成工作。 3 、由数据量及程序的长短决定片内 RAM 的容量，是否需

要扩展片内 RAM 及片外 RAM容量。

4 、由系统所要求的精度决定是 16 位还是 32 位，是定点还是浮点运算。

5 、根据系统是计算用还是控制用来决定对输入输出端口的要求。

根据上述技术指标。大致确定应该选用的 DSP芯片的型号及 A/D ， D/A ， RAM 的性能指标。当然在产品选型时，还须考虑：成本、供货能力、技术支持 (资料、第三方部门 ) 、开发系统 ( 开发系统可能很贵，这时还要考虑成本 ) 、体积、功耗、工作环境温度 ( 这在一些场合是非常重要的 ) 。

在确定 DSP 芯片选型之后，应当先进行系统的总体设计。采用高级语言或 Matlab 等对算法进行仿真，确定最佳算法并初步确定参数，对系统中的哪些功能用软件来实现，哪些功能用硬件实现进行初步的分工，如 FFT ， FIR等是否需要用专用芯片来实现等。

软件设计

系统软件设计流程如图 6-6 所示。

图 6-6 软件设计系统框图

编写 C语言程序 宏汇编源程序

编写TMS320

汇编语言程序

优化 ANSI C编译器 文档管理器

生成 TMS320汇编文件 宏汇编库

汇编语言汇编器

PC 机生成目标文件

链接器

输出执行文件

软件仿真

软件开发系统

评测模块 EVM

系统仿真 XDS

调试器

TMS320目标系统

格式转换

写 EEPROM

其编程过程如下： 1 ） 用汇编语言、 C 语言或汇编语言和 C 语言的混编来编写程序 ,然后把它们分别转化成 TMS320 的汇编语言并送到汇编语言编译器进行编译 ,生成目标文件。

2 ）将目标文件送入链接器进行连接 ,得到可执行文件。

3 ）将可执行文件调入到调试器 ( 包括软件仿真、软件开发系统、评测模块、系统仿真器——一般在系统调试中，系统仿真器是最常用的 ) 进行调试，检查运行结果是否正确。如果正确进入第四步；如果不正确，则返回第一步。

4 ）进行代码转换，将代码写入 EPROM ，并脱离仿真器运行程序。检查结果是否正确如果不正确，返回第三步；如果正确，进入下一步。

5 ）软件测试。如果测试结果合格，软件调试完毕；如果不合格，返回第一步。

硬件设计

1 ）确定硬件设计方案 硬件设计是指根据性能指标、工期、成本等确定最优硬件实现方案，绘制系统框图（见图 6-7 ）。 2 ）进行器件选型 指选用系统中常用 A/D 、D/A 、内存、电源、逻辑控制、通信、人机接口、总线等部件。 图 6-7 硬件系统设计框图

确定硬件方案

器件选型

原来图设计

PCB 图设计

硬件测试

系统分析

系统综合

3 ）进行原理图设计 原理图设计是硬件设计的关键。在原理图的设计时必须清楚了解器件的使用和系统的性能，对于一些关键的环节还应进行必要的仿真。但它依然是 DSP 系统集成中关键的一步。原理图设计的成功与否是 DSP 系统能否正常工作的最重要的一个因素。

4 ） PCB图设计 PCB 图的设计要求 DSP 系统的设计人员既要熟悉系统工作原理，还要清楚布线工艺和系统结构。

5 ）硬件调试

系统集成

在完成系统的软硬件设计之后，进行系统集成。所谓系统集成是将软、硬件结合起来，并组装成一台样机，并在实际系统中运行，进行系统测试。如果系统调试结果符合指标，则样机的设计完毕。但由于在软硬件调试阶段调试的环境是模拟的，因此在系统测试中往往可能会出现一些问题，如精度不够、稳定性不好等。出现问题时，一般采用修改软件的方法。如果软件修改无法解决问题，则必须调整硬件。

五、应用实例

点火线圈性能好坏直接影响到汽车的动力性、燃油经济性及排气净化质量等各项指标。点火线圈次级电压上升时间约为 20 ～ 40μs 、幅值在 25ｋＶ左右、为了能较准确地采集次级电压信号的波形其采样频率至少应 50MHz ，如此采用高速的 DSP 系统可较好地满足测试要求。 DSP 系统组成如图 6-8 所示。 CAN总线

图 6-8 汽车点火线圈测试系统框图

被测线圈及负载系统

DSP 程控电压源

DSP 程控信号源

测量及控制

命令键

DSP 的采样系统

I/O接口板

主 机

CAN接口适配卡