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1產(chǎn)品概述

起源

為了滿足IBM-PC機及其兼容機用于數(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機主板上相應(yīng)的I/O擴展槽中，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行研究、進行系統(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)傳到計算機或者其他控制器中進行處理。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，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、雷達圖像信號、VDR紀(jì)錄儀、醫(yī)療X光機、CT機、胃腸機、*、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

運行時的數(shù)據(jù)并送給PC機，通過運行在PC機上的特定軟件對這些數(shù)據(jù)進行分析，以此判斷當(dāng)前運行設(shè)備的狀況，進而采取相應(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?？紤]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??；與上位機的TCP/IP通訊；與上位機的串口通訊。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。