《電子技術(shù)應(yīng)用》
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數(shù)據(jù)采集控制技術(shù)與研華數(shù)據(jù)采集控制卡

2007-10-17
作者:寶暄,李嘉,劉濤,鄧敏

摘 要: 數(shù)據(jù)采集" title="數(shù)據(jù)采集">數(shù)據(jù)采集與控制技術(shù)" title="控制技術(shù)">控制技術(shù)廣泛應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域。本文介紹了數(shù)據(jù)采集與控制技術(shù)的現(xiàn)狀,分析了數(shù)據(jù)采集控制卡" title="控制卡">控制卡常用總線形式的特點(diǎn),闡述了研華" title="研華">研華數(shù)據(jù)采集控制卡產(chǎn)品的特點(diǎn),展望了數(shù)據(jù)采集與控制技術(shù)的發(fā)展方向。

關(guān)鍵詞: 數(shù)據(jù)采集與控制技術(shù) 研華? 數(shù)據(jù)采集控制卡

數(shù)據(jù)采集與控制技術(shù)的現(xiàn)狀
數(shù)據(jù)采集與控制技術(shù)是信息科學(xué)的一個(gè)重要分支,它研究數(shù)據(jù)的采集、存儲(chǔ)、處理以及控制等作業(yè)。在智能儀器、信號(hào)處理以及工業(yè)自動(dòng)控制等領(lǐng)域都存在著數(shù)據(jù)的采集與控制問題。將被測(cè)對(duì)象的各種參量檢測(cè)采集后,轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào),送到計(jì)算機(jī)進(jìn)行存儲(chǔ)、分析和處理,這一過程稱為“數(shù)據(jù)采集”,相應(yīng)的系統(tǒng)稱為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)??刂葡到y(tǒng)通過給定信號(hào)與采集信號(hào)的關(guān)系,根據(jù)控制算法輸出控制信號(hào)控制系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu),構(gòu)成系統(tǒng)控制回路,這一過程稱為系統(tǒng)的控制。
根據(jù)輸入輸出信號(hào)種類的不同,數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)可分為模擬量輸入輸出系統(tǒng)與數(shù)字量輸入輸出系統(tǒng)。對(duì)于前者,在工程中比較關(guān)注輸入模式(單端或差分)、分辨率、輸入范圍、采集速率、精度與噪聲等指標(biāo);而對(duì)于后者,通常比較關(guān)注數(shù)字量的類型(TTL電平或隔離量)、輸入輸出速度、并行操作位數(shù)與驅(qū)動(dòng)能力等指標(biāo)。
根據(jù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的不同,數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)可分為集中式數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)與分布式數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)。前者的特點(diǎn)是現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集、處理與控制,上位機(jī)與被測(cè)對(duì)象的位置較近,實(shí)時(shí)性強(qiáng),適用于上位機(jī)與被測(cè)對(duì)象距離較短且對(duì)采集速度要求較高的場(chǎng)合。后者對(duì)被測(cè)設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)采集并轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào),經(jīng)由現(xiàn)場(chǎng)總線上傳至上位機(jī),經(jīng)上位機(jī)進(jìn)行處理后,對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備進(jìn)行控制,適用于對(duì)多個(gè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控與維護(hù)的場(chǎng)合。
研華數(shù)據(jù)采集板卡
在過去的23年中,研華公司推出了大量工業(yè)自動(dòng)化" title="工業(yè)自動(dòng)化">工業(yè)自動(dòng)化產(chǎn)品,積累了豐富的設(shè)計(jì)制造經(jīng)驗(yàn),已經(jīng)成為全球領(lǐng)先的工業(yè)自動(dòng)化產(chǎn)品供應(yīng)商,能夠提供各種工業(yè)數(shù)據(jù)采集控制產(chǎn)品。在集中式數(shù)據(jù)采集控制方面,研華提供了種類豐富的數(shù)據(jù)采集控制卡,涵蓋了各種常用的總線形式,功能搭配形式多樣,可以滿足不同用戶的需求。在分布式數(shù)據(jù)采集控制方面,研華公司也提供各種功能的采集模塊,包括基于串行通信的ADAM-4000系列模塊與基于以太網(wǎng)的ADAM-6000系列模塊。本文主要介紹研華公司的數(shù)據(jù)采集控制卡。
從總線形式方面來看,數(shù)據(jù)采集卡可分為ISA總線、PCI總線、CompactPCI(CPCI)總線、PC-104總線等形式。
對(duì)于工業(yè)控制與采集系統(tǒng)來說,ISA總線是一個(gè)非常經(jīng)濟(jì)實(shí)用的實(shí)現(xiàn)方案,其8MHz主頻能滿足大部分機(jī)電控制的要求,允許多個(gè)CPU共享系統(tǒng)資源,在上世紀(jì)80年代被廣泛應(yīng)用。研華公司的PCL系列板卡就是基于ISA總線的。但由于它存在著接口速度較慢、需要用戶手動(dòng)配置系統(tǒng)資源、不能實(shí)現(xiàn)板卡的即插即用等不足,已經(jīng)逐漸被淘汰。
ISA總線的繼任者PCI總線早在上世紀(jì)90年代就已經(jīng)出現(xiàn)。PCI總線是Intel公司開發(fā)的一套局部總線系統(tǒng),它支持32位或64位總線寬度,頻率通常是33MHz。目前最快的PCI 2.0總線速度是66MHz。PCI總線還支持即插即用,系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)為PCI板卡分配中斷和基地址,無需用戶費(fèi)心。它代表了一種更先進(jìn)的總線技術(shù),也是目前主流的總線形式。研華公司的PCI系列板卡使用的就是PCI總線。
隨著任務(wù)關(guān)鍵工業(yè)過程的不斷發(fā)展和完善,工業(yè)自動(dòng)化客戶越來越注重系統(tǒng)的可靠性,CompactPCI總線應(yīng)運(yùn)而生。它是由PICMG制定的一種開放式技術(shù)規(guī)范,融合PCI總線的電氣規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)針孔連接器和歐式卡規(guī)范,將PCI標(biāo)準(zhǔn)特性與堅(jiān)固的機(jī)械外型完美地結(jié)合在一起,既具有常規(guī)IPC中PCI總線的高性能,又具有歐式卡結(jié)構(gòu)的高可靠性,適合于對(duì)可靠性要求較高場(chǎng)合。研華基于CPCI總線的種類豐富的MIC系列采集板卡及工業(yè)級(jí)CPCI總線機(jī)箱為惡劣工業(yè)環(huán)境下的應(yīng)用(如交通、軍工、航空電子、工業(yè)自動(dòng)化和自動(dòng)測(cè)試領(lǐng)域的應(yīng)用)提供了最佳的解決方案。
隨著嵌入式系統(tǒng)在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域的不斷推廣,用戶對(duì)嵌入式總線采集板卡的需求也越來越多。PC-104總線是目前最常用的一種嵌入式總線規(guī)范。研華基于PC-104總線的PCM系列數(shù)據(jù)采集卡為嵌入式系統(tǒng)中的應(yīng)用提供了可靠的產(chǎn)品。
以上四種總線形式的板卡在使用時(shí)都需要關(guān)閉工控機(jī),插入板卡,再重新開機(jī)。而USB總線數(shù)據(jù)采集卡的出現(xiàn)打破了這種局面。USB總線并不是一種新的總線標(biāo)準(zhǔn),而是電腦系統(tǒng)連接外圍設(shè)備的輸入/輸出接口標(biāo)準(zhǔn)。研華公司的USB總線數(shù)據(jù)采集控制卡具有采集速度高、使用方便等優(yōu)點(diǎn)。
從功能上分,研華公司的數(shù)據(jù)采集控制卡包括模擬量采集控制卡、數(shù)字量采集控制卡和集多種功能于一身的多功能采集控制卡,同時(shí)某些型號(hào)的數(shù)據(jù)采集控制卡還擁有高速、高增益、多通道采集等特性。不同的功能與不同的總線形式相結(jié)合構(gòu)成種類豐富的組合,可以滿足不同工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的需求。下面介紹幾款深受客戶歡迎的研華公司的數(shù)據(jù)采集控制卡。
PCL-818系列板卡是ISA總線多功能數(shù)據(jù)采集控制卡,分為PCL-818L/H/HD/HG四種型號(hào)。它們共有的特點(diǎn)是可以進(jìn)行16路單端或8路差分模擬量采集,分辨率為12位,帶DMA的自動(dòng)通道/增益掃描功能,帶有16路數(shù)字量輸入通道與16路數(shù)字量輸出通道及1個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器,可通過軟件選擇模擬量輸入范圍,具有軟件觸發(fā)、Pacer觸發(fā)與外部觸發(fā)三種A/D轉(zhuǎn)換觸發(fā)方式,A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移方式可采用查詢方式、中斷方式或DMA方式。其中,PCL-818L是一款低成本板卡,采樣速率為40kHz,只支持雙極性輸入,可滿足用戶的低成本需求。PCL-818HG帶有一個(gè)可編程的信號(hào)放大器,最大增益可以達(dá)到1000,可用來采集微弱的模擬信號(hào)。PCL-818HD可以確保在所有增益及輸入范圍內(nèi)達(dá)到100kHz的采樣率。
如前文所述,ISA總線由于自身的局限已逐漸被PCI總線所替代,研華公司的PCI總線數(shù)據(jù)采集控制卡種類更為豐富,功能更為強(qiáng)大。
PCI-1710系列數(shù)據(jù)采集控制卡是PCI總線多功能數(shù)據(jù)采集控制卡,分為PCI-1710/L/HG/HGL四種型號(hào),先進(jìn)的電路設(shè)計(jì)使得它具有更高的質(zhì)量和更多的功能。PCI-1710系列板卡可以進(jìn)行16路單端或8路差分模擬量采集,與PCL-818系列板卡不同,PCI-1710系列板卡可以自由組合單端或差分輸入方式。它的分辨率為12位,最高采樣速率可達(dá)100SPS。板載的4KB FIFO緩沖器提供了連續(xù)高速的數(shù)據(jù)輸入及Windows下更可靠的性能。此外,該系列產(chǎn)品還帶有16路數(shù)字量輸入通道與16路數(shù)字量輸出通道及1個(gè)可編程定時(shí)/計(jì)數(shù)器。PCI-1710及PCI-1710HG還帶有兩路模擬量輸出,并可對(duì)每個(gè)模擬量輸入通道的增益進(jìn)行編程,還在+12V(DC)與+5V(DC)輸出管腳處提供了短路保護(hù)器件,當(dāng)短路發(fā)生時(shí),短路保護(hù)器件可以自動(dòng)斷開,停止輸出電流,直到短路被清除兩分鐘后,管腳才開始輸出電流。此外,專門為PCI-1710/HG設(shè)計(jì)的PCL-10186電纜可以最大限度地降低信號(hào)的噪聲。該電纜采用雙絞線,并且模擬信號(hào)與數(shù)字信號(hào)是分開屏蔽的,使信號(hào)間的交叉干擾降到了最小,并使EMI/EMC問題得到了最終的解決。
在一些工業(yè)場(chǎng)合需要對(duì)信號(hào)進(jìn)行高速采集,PCI-1714即可滿足這種需求。它的采樣速率最高可達(dá)30MSPS,32KB的板載FIFO可以實(shí)現(xiàn)更快速的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。它支持DMA數(shù)據(jù)傳輸,可將連續(xù)的高速數(shù)據(jù)直接導(dǎo)入主存儲(chǔ)口而不需CPU的參與,支持高速和無空隙數(shù)據(jù)采集。它使用4組同樣的電路和A/D轉(zhuǎn)換芯片實(shí)現(xiàn)各通道的同步采集,當(dāng)輸入信號(hào)的時(shí)間關(guān)系非常重要的時(shí)候,可實(shí)現(xiàn)多通道的同步采集。
上述幾款采集控制卡的分辨率都是12位的。研華還擁有高分辨率數(shù)據(jù)采集控制卡如PCI-1716,其分辨率為16位。
以上介紹了幾款研華公司的ISA與PCI數(shù)據(jù)采集卡,在研華的數(shù)據(jù)采集控制產(chǎn)品中還包括功能強(qiáng)大的CPCI總線、PC-104總線與USB總線形式的數(shù)據(jù)采集控制卡。由于篇幅所限,下面僅介紹一款USB多功能數(shù)據(jù)采集控制模塊USB-4711。USB-4711可進(jìn)行模擬量與數(shù)字量的輸入、輸出,擁有一般數(shù)據(jù)采集控制卡的全部功能。它支持USB2.0接口,使用時(shí)不需要任何外接電源,用戶可以像使用其他USB設(shè)備一樣方便快捷地進(jìn)行信號(hào)的采集與系統(tǒng)的控制。
研華的數(shù)據(jù)采集控制產(chǎn)品不僅有穩(wěn)定可靠的硬件設(shè)計(jì),而且配有種類齊全的驅(qū)動(dòng)軟件及應(yīng)用例程,可以使用戶方便地將研華的產(chǎn)品應(yīng)用到自己的系統(tǒng)中,極大地縮減了系統(tǒng)的開發(fā)周期。研華的數(shù)據(jù)采集控制產(chǎn)品配有Windows操作系統(tǒng)與Linux系統(tǒng)下的驅(qū)動(dòng)軟件,方便了用戶在不同操作系統(tǒng)下的應(yīng)用。講解詳細(xì)的設(shè)備驅(qū)動(dòng)手冊(cè)和豐富的VC、BC、BCB及LabVIEW等不同編程語言下的例程,使用戶可以隨意選擇自己熟悉的編程語言,快速地編寫出應(yīng)用程序。
數(shù)據(jù)采集技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)
隨著工業(yè)技術(shù)的不斷發(fā)展,工業(yè)領(lǐng)域?qū)?shù)據(jù)采集控制產(chǎn)品的要求將不斷提高。下面介紹數(shù)據(jù)采集控制產(chǎn)品的發(fā)展趨勢(shì)。
首先,在數(shù)據(jù)采集控制卡方面,ISA總線板卡將逐漸被采集速度更高、使用更方便的PCI總線板卡所取代。為了應(yīng)對(duì)這一趨勢(shì),研華公司
針對(duì)自己的每一款I(lǐng)SA總線數(shù)據(jù)采集控制卡都推出了對(duì)應(yīng)的PCI總線板卡,產(chǎn)品價(jià)格的漲幅大多在10%以內(nèi),且原產(chǎn)品的端子板等配件都無需更換,用戶也不必重新開發(fā)應(yīng)用程序,可以實(shí)現(xiàn)從ISA到PCI的無縫升級(jí)。
其次,數(shù)據(jù)采集與控制技術(shù)越來越多地被應(yīng)用到野外、深海等環(huán)境惡劣的工業(yè)控制場(chǎng)合,這些場(chǎng)合往往不能提供穩(wěn)定的外接電源,只能靠電池供電,這就對(duì)系統(tǒng)的功耗提出了嚴(yán)格的要求,低功耗數(shù)據(jù)采集控制設(shè)備的需求會(huì)不斷提高。研華公司開發(fā)了很多低功耗數(shù)據(jù)采集控制產(chǎn)品來滿足用戶在這方面的需求。
最后,在分布式數(shù)據(jù)采集應(yīng)用方面,采集設(shè)備與控制器間的通訊方式將從傳統(tǒng)的串行通訊向網(wǎng)絡(luò)通訊甚至無線通訊方式轉(zhuǎn)變。為了應(yīng)對(duì)這種變化,研華公司推出了基于以太網(wǎng)的ADAM-6000數(shù)據(jù)采集控制模塊與基于無線局域網(wǎng)的ADAM-6000W系列模塊,走在了數(shù)據(jù)采集技術(shù)網(wǎng)絡(luò)化、無線化的前沿。
總之,無論數(shù)據(jù)采集技術(shù)今后走向何方,研華公司將秉承“開放式eAutomation無縫整和”的理念,提供優(yōu)質(zhì)的產(chǎn)品與滿意的服務(wù),樹立華人工業(yè)自動(dòng)化第一品牌。
參考文獻(xiàn)
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