发布于：2007/3/2 8:51:00 | 3628 次阅读
摘 要 介绍了虚拟仪器的概念和一个实用数据采集系统。通过软、硬件技术组合，实现了对多路各种类型模拟量的信号采集处理。充分发挥虚拟仪器的优势，采用模块化设计软件方法，设计出独立于设备类型，接口类型的应用软件。该系统可以满足仪器测试任务多样化的需求。
关键词 虚拟仪器 数据采集 测量
Development of Data Acquisition System in
Virtual Instrument
Zhou Yongqiang
(Wuhan University of Hydraulic and Electric Engineering, Wuhan 430072)
Yao Zhenghe
(Yangtze River Scientific Research Institute, Wuhan 430010)
Abstract The concept of a virtual instrument and its data acquisition system are represented in this paper. Through the technical composition of hardware-software, the signal acquisition and processing of various kinds of simulation parameters from multiple channels are realized. Making full use of advantages of the virtual instrument and adopting modular programming design method, the applicable softwares which are independent of equipment and interface types are developed. This system can satisfy the multiple requirements of test tasks.
Keywords virtual instrument; data acquisition; measurement
0 前 言
所谓虚拟仪器，也叫计算机个人仪器［1］，它是计算机应用技术发展的产物。在近代电子测量技术中，把微计算机装入智能仪器，以实现对测试系统全面的控制和管理。如将个人仪器做成插卡形式，插入计算机的总线扩展槽中与计算机总线相接，从而利用计算机的软、硬件资源， 使仪器功能更加强大。在传统仪器中，电路功能的改变是将电路硬件结构加以改造而获得。而在虚拟仪器中，则可通过编制软件使仪器功能得以扩展，故又有“软件即仪器”的说法。自1982年美国研制成功台虚拟仪器以来，其发展十分迅速，我国有些科研单位及高等院校也十分重视虚拟仪器的发展。例如，清华大学、北京大学、国防科技大学等［2］。武汉水利电力大学电气工程学院电子信息工程系从1992年开始进行虚拟仪器的研制，近年来与长江科学院合作研究取得成效。本文介绍的是一个典型的16路数据采集系统，它可广泛应用于电站现场各种电量和非电量的检测。图1给出了虚拟仪器的系统框图。
图１ 虚拟仪器系统框图
Fig.1 The virtual instrument system block diagram
1 数据采集系统的构成
1.1 概 述
图2是一个采用8086CPU的数据采集系统。多路开关采用AD7501，测量放大器由3个运算放大器CA3140构成。采样保持电路采用集成LF398芯片，模数转换器采用12位的AD574(A)JD。整个系统通过接口与16位的Intel8086微处理器相接。系统的A/D转换采用定时启动、中断管理的方式工作。
图2 采用8086的数据采集系统
Fig.2 Data acquisition system using the mini-processing
instrument Intel 8086
1.2 模数转换电路
A/D转换器是本系统的之一。AD574转换速度的典型值为25μs，结合图2，将其主要引脚功能简介如下：
(1) 12/为数据输出格式选择。当12/=1时，为双字节输出方式，即12条数据线同时输出有效。
(2) 为片选信号，=0时选中芯片。
(3) CE=1且=0时，AD574才允许进行读写操作。
(4) R/为启动或读数选择。当R/=0且CE=1,=0=0时，AD574启动A/D转换；当R/=1时，AD574转换后的数据被读取，此时=0。
(5) STS为A/D转换结束标志。它平时为低电平“0”，A/D转换过程中为高电平“1”， 一旦转换结束又变为“0”，所以STS的负跳变信号可作为A/D转换结束标志。
(6) A0引脚的作用是在A/D转换结束后的读取数据期间，A0=0表示CPU读取12位数据的高8位， A0=1则表示读取数据的低4位。
1.3 采样保持电路
在进行A/D转换时，需要先对模拟量输入信号采样，并在A/D转换过程中保持信号不变，完成这一功能的元件就是采样/保持器(S/H)。本设计选用集成S/H芯片LF398，其控制逻辑电压输入端(8脚)为高电平“1”时，电路处于采样；控制端为低电平“0”时，电路处于锁存状态，稳定的被锁信号供A/D转换。LF398的输入电阻Ri=1010Ω，输出电阻R0=0.5Ω，S/H电阻Ron=400Ω，保持电容Ch是按0.1%来选择的，本设计选Ch=1 000pf。捕获时间为
t=7RonCh=7×400×1000×10-12=2.8μs＜4μs
由于AD574转换时间为25μs，故假设保持时间th=50μs已足够供其转换。输出衰减仅为
Δu=Idth/Ch=100×50/1000=5μV
式中：Id为Ch的漏电流，数值为100pA；Idth为50μs内泄放的电荷量。输出衰减与输入的5V电压之比为
可见，足以满足测试要求。
1.4 工作时序
数据采集时，首先应进行通道选择工作。在t0时刻，微处理器执行写操作将所要选择的通道地址写入通道地址寄存器，写入的4位地址中的前3位A0～A2作为每一片AD7501的通道地址，A3与3用作两片AD7501的片选允许信号。例如A0～A2为0则选中0号通道，A3=0选中片AD7501， 此时，该通道的输入模拟电压信号经测量放大器输入LF398。平时AD574的R/为高电平，STS为低电平，LF398的第8脚控制端为高电平，使采样保持器处于采样方式，输出电压跟随输入电压而变化。t0～t1为4μs以上。
t1～t2阶段，在t1时刻，采样保持器已采集到了99.9%以上的被测信号。定时器8253定时开始，R/变低，LF398第8脚控制信号SHA变低为“0”，进入保持状态，8086微处理器发出启动A/D转换命令，25μs后，在t2时刻A/D转换结束。STS产生负跳脉冲。
t2～t3阶段，SHA信号恢复高电位，又处于采样状态。
t4时刻，8253定时器定时到，向CPU发出中断请求。定时时间的长短由计数时间常数τ决定，τ的选择要保证t4时刻A/D转换已完成。CPU响应中断后便执行中断服务程序。整个时序如图3所示。
图3 工作时序图
Fig.3 working time-sequence diagram
1.5 中断管理
IBM-PC/XT微机给每一个中断源都安排了一个中断类型号n，每一个中断都有相应的中断服务程序来处理它。中断向量表就是各中断类型的处理程序地址表。中断服务程序的寻址过程如下：
(1) 中断类型号n×4即是中断服务程序首地址所在存贮单元的地址。例如本系统中断类型号为62H，则62H×4=0188H，于是中断服务程序的首地址就存放在0188H～018AH这4个字节单元中，低两字节存放的是中断服务程序首地址SIV的偏移地址IP，高两字节存放SIV的段地址CS，CS∶IP构成中断矢量SIV。
(2) CPU响应中断后即按中断服务程序首地址SIV执行中断服务程序，在中断服务程序中， CPU读取A/D转换的数据结果，在读周期内，8086CPU的引脚R=0。
(3) 中断服务程序结束，返回主程序，CPU处于等待状态，进入第二循环。
2 软件的设计
本设计采用了8086汇编语言进行编程，汇编语言的优点在于执行速度较快，程序占用的内存空间较少。使用汇编语言，可以充分发挥计算机硬件功能并提高编程质量，特别适用于实时控制系统，智能化仪器及高性能软件等方面［3］。在使用汇编语言设计程序时，要特别注意它的硬件环境。本系统的程序在结构上由主程序和中断服务程序两大部份构成，流程图如图4所示。
图4 程序流程图
Fig.4 program flow chart
2.1 程序中采样频率、速度的计算
采样频率fs必须满足采样定理［4］。
fs≥2fmax
式中fmax为被采样信号的频率。本系统采用Intel8253定时器，时钟频率为5MHz，延时常数C=4×0.2×τμs，τ为送入8253的计数值，它被存放在程序中的0102H单元中，这个计数值受到8253的时间频率、AD574的转换时间及延时时间的制约， 系统的采样速度由下式估算。
2.2 数据采集系统与8086CPU的配接
本数据采集系统做成插卡形式插入PC机总线扩展槽内，在与8086CPU的配接中，地址及内存的分配如下：
F800H AD574数据端口地址。
F802H 通道地址寄存器地址。
FFEBH 定时器8253计数通道地址。
FFA0H 中断控制器8259命令口地址。
FFEFH 定时器8253控制寄存器地址。
0102H 计数值存放地址。
0103H ADC跳转通道号存放地址。
0188H 中断服务程序首地址SIV存放单元的地址。
2000H 存放A/D转换数据缓冲区首地址。
本系统程序如下：
MOV DX，0FFA0H；中断控制器8259命令口
MOVAL，13H；置8259A为单片工作方式
OUTDX，AL；边沿触发
MOVDX，0FFA2H
MOVAL，60H；选定中断类型为60H
OUTDX，AL
MOVAL，03H
OUTDX，AL
MOVAL，62H；置中断跳转地址
MOVBL，04H
MULBL
MOVBX，AX
MOV AX，SIV；SIV为中断服务程序首址
NOP
MOV［BX］，AX
PUSHCS
POPAX
INCBX
INCBX
MOV［BX］，AX
MOV SI，2000H； 数据缓冲区首址
MOV CX，200；ADC转换点数，CX为次数计数器
MOV DX，0F802H；F802H为通道地址寄存器地址
MOV BX，0103H；ADC转换通道号存放地址
MOV AL，［BX］
OUT DX，AL
MOV DX，0FFEFH； FFEFH为定时器8253控制寄存器地址
MOV AL，054H； 选定1号通道，16位二进制计数码；工作方式2，只读、写低字节
OUT DX，AL
MOV DX，0FFEBH FFEBH为8253计数通道地址
MOV BX，0102H；0102H为计数值存放地址
MOV AL，［BX］
OUT DX，AL
STI；允许中断
AL：HLT；暂停
JMPA1
NOP
SIV：MOV DX，0F800H； 中断服务程序
IN AX，DX；从ADC转换器读出数据
MOV ［SI］，AX
INC SI；数据缓冲区增址操作
INC SI
DEC CX；采样次数计数器减1
JCXZ M
IRET；中断返回
M：JMP FFFF：0000H；返回监控
3 抗干扰的硬件措施
3.1 电源干扰
本系统采用IBM-PC/XT机内电源，种类有±12V，±5V。由于直流电源供电电压随着交流电压、负载电流、环境温度、元器件的老化等因素变化而变化，产生干扰。因此，在本系统的扩展插卡接口的电源入口处设置了低频和高频滤波电路，以消除电源干扰。另外，在AD574芯片的所有电源引脚上都设置了去耦电路，去耦电容采用4.7μf钽电容，使A/D转换更为稳定。
3.2 采样保持电容的选择
S/H LF398的采样保持电容Ch对系统的稳定性影响较大，要选用高质量的1000pf电容以减小损耗，降低漏电流Id，提高测试。
3.3 地线干扰
当一根导线的两端在不同的接点接地时，由于导线内阻导致这两点电位差并不为零。若将此电位差看作一信号源，便会影响电路的输入和输出。为克服这一影响，本系统采取了以下2条措施：
(1) 数字地和模拟地分开接，在一点接地，以免互相串扰。(2) 地线尽量短而粗。印制板上地线设计接成闭合环路，并设计成网格状，以减小接地电位差。
4 结 语
本虚拟仪器数据采集系统可完成对16路单端输入模拟量的采集，也可工作于双端8路输入方式。输入电压信号由SW2开关控制在10V或20V， 每采集并转换1次数据的时间＜130μs，其中包括A/D转换时间和程序本身执行时间，系统误差＜0.5%。
由于具备计算机的强大资源，虚拟仪器极有利于产品的开发和研制。文中介绍的数据采集系统，只要配置测量所需的传感器，设计相应的信号调理电路，就可以对各种模拟量进行采集， 所采集到的数据可以在计算机上实现存盘、绘图、计算、打印、控制，从而具有广泛的使用价值。
作者简介: 周永强 男 武汉水利电力大学电气工程学院电子信息系 副教授 硕士导师 主要从事电子测量技术、信息采集及微机处理教学与研究
参考文献
［1］蒋焕文.电子测量.北京： 国计量出版社，1988.429～432
［2］宋光爱，姚博文.虚拟仪器及水工试验场测试设备的结构.武汉水利电力大学学报，1997(10)：44～46
［3］刘镜年.IBM-PC汇编语言及接口电路技术.武汉：武汉测绘科技大学出版社，1992.20～22
［4］姚天任.数字信号处理.武汉：华中理工大学出版社，1988.32～34
作者单位：周永强：武汉水利电力大学， 武汉430072
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