Многие аппаратные устройства сбора данных содержат одну или несколько подсистем, которые преобразуют (оцифровывают) реальные сигналы датчиков в числа, которые может прочитать компьютер. Такие устройства называются подсистемами аналогового ввода (подсистемы AI, аналого-цифровые преобразователи или АЦП). После оцифровки реального сигнала его можно проанализировать, сохранить в системной памяти или сохранить в дисковом файле.
Функция подсистемы аналогового ввода состоит в выборке и квантовании аналогового сигнала с использованием одного или более каналов. Канал можно рассматривать как путь, по которому проходит сигнал датчика. Типичные подсистемы аналогового ввода имеют восемь или 16 доступных входных каналов. После дискретизации и квантования данных они должны быть переданы в системную память.
Аналоговые сигналы непрерывны по времени и амплитуде (в заданных пределах). Дискретизация делает «снимок» сигнала в дискретные моменты времени, в то время как квантование делит значение напряжения (или тока) на дискретные амплитуды.
Выборка снимает сигнал датчика в дискретное время. Для большинства применений интервал времени между выборками поддерживается постоянным (например, выборка каждые миллисекунды), если не синхронизирован извне.
Для большинства цифровых преобразователей выборка выполняется схемой выборки и удержания (S/H). Схема S/H обычно состоит из буфера сигнала, за которым следует электронный переключатель, подключенный к конденсатору. Работа схемы S/H выполняется следующим образом:
В данный момент дискретизации коммутатор подключает буфер и конденсатор к входу.
Конденсатор заряжается до входного напряжения.
Заряд удерживается до тех пор, пока АЦП не оцифровает сигнал.
Для нескольких каналов, соединенных (мультиплексированных) с одним АЦП, предыдущие шаги повторяются для каждого входного канала.
Весь процесс повторяется в течение следующего момента отбора проб.
Мультиплексор, схема S/H и аналого-цифровой преобразователь показаны в следующем разделе.
Аппаратные средства можно разделить на две основные категории, исходя из того, как производится выборка сигналов: сканирующее оборудование, которое последовательно осуществляет выборку входных сигналов, и одновременное аппаратное обеспечение выборки и удержания (SS/H), которое осуществляет выборку всех сигналов одновременно. Эти два типа аппаратных средств рассматриваются ниже.
Сканирующее оборудование выполняет выборку одного входного сигнала, преобразует этот сигнал в цифровое значение и затем повторяет процесс для каждого используемого входного канала. Другими словами, каждый входной канал дискретизируется последовательно. Сканирование происходит, когда каждый вход в группе отбирается один раз.
Как показано ниже, большинство устройств сбора данных имеют один аналого-цифровой преобразователь, который мультиплексирован в множество входных каналов.
Поэтому при использовании нескольких каналов эти каналы не могут быть выбраны одновременно, и существует временной промежуток между последовательными выбранными каналами. Этот временной промежуток называется перекосом канала. Можно считать перекос канала временем, которое требуется подсистеме аналогового ввода для выборки одного канала.
Кроме того, максимальная частота дискретизации, на которую рассчитано оборудование, обычно применяется для одного канала. Поэтому максимальная частота дискретизации на канал задается формулой:
Как правило, достичь этой максимальной ставки можно только при идеальных условиях. На практике частота дискретизации зависит от нескольких характеристик подсистемы аналогового ввода, включая время установки и коэффициент усиления, а также перекос канала. Следующая диаграмма показывает период выборки и перекос канала для многоканальной конфигурации с использованием сканирующего оборудования.
Если вы не можете допустить перекос каналов в вашем приложении, вы должны использовать оборудование, которое позволяет одновременную выборку всех каналов. В следующем разделе рассматривается одновременная выборка и хранение аппаратных средств.
Аппаратные средства одновременной выборки и хранения (SS/H) одновременно осуществляют выборку всех входных сигналов и удерживают значения до тех пор, пока АЦП не оцифровывает все сигналы. Для систем высшего класса для каждого входного канала может быть предусмотрен отдельный аналого-цифровой преобразователь.
Например, предположим, что необходимо одновременно измерить ускорение нескольких акселерометров, чтобы определить вибрацию какого-либо тестируемого устройства. Для этого необходимо использовать аппаратные средства SS/H, поскольку они не имеют перекоса каналов. Как правило, может потребоваться аппаратное обеспечение SS/H, если сигнал датчика значительно изменяется за время, меньшее перекоса канала, или если требуется использовать передаточную функцию или выполнить корреляцию частотной области.
На следующей диаграмме показан период выборки для многоканальной конфигурации с использованием аппаратных средств SS/H. Обратите внимание, что перекос канала отсутствует.
Как обсуждалось в предыдущем разделе, выборка делает снимок входного сигнала в момент времени. При создании снимка дискретизированный аналоговый сигнал должен быть преобразован из значения напряжения в двоичное число, которое может быть считано компьютером. Преобразование из бесконечно точной амплитуды в двоичное число называется квантованием.
Во время квантования аналого-цифровой преобразователь использует конечное число равномерно разнесенных значений для представления аналогового сигнала. Количество различных значений определяется количеством битов, используемых для преобразования. Большинство современных преобразователей используют 12 или 16 бит. Обычно преобразователь выбирает цифровое значение, наиболее близкое к фактическому дискретизированному значению.
На рисунке ниже показана синусоидальная волна 1 Гц, квантованная 3-битовым аналого-цифровым преобразователем.
Количество квантованных значений задается на 23 = 8, наибольшее представляемое значение задается на 111 = 22 + 21 + 20 = 7,0, а наименьшее представляемое значение задается на 000 = 0,0.
Всегда существует некоторая ошибка, связанная с квантованием непрерывного сигнала. В идеале, максимальная ошибка квантования равна ± 0,5 младших значащих битов (LSB), и в полном входном диапазоне средняя ошибка квантования равна нулю.
Как показано ниже, ошибка квантования для предыдущей синусоидальной волны вычисляется путем вычитания фактического сигнала из квантованного сигнала.
Диапазон ввода подсистемы аналогового ввода - это диапазон входных значений, для которых допустимо преобразование. Диапазон ввода можно изменить, выбрав другое значение коэффициента усиления. Например, AT-MIO-16E-1 плата National Instruments ® имеет восемь значений усиления в диапазоне от 0,5 до 100. Многие платы включают программируемый усилитель усиления, который позволяет изменять коэффициент усиления устройства с помощью программного обеспечения.
Когда входной сигнал превышает допустимый входной диапазон преобразователя, возникает условие превышения диапазона. В этом случае большинство устройств насыщается до наибольшего представимого значения, и преобразованные данные почти определенно неверны. Настройка коэффициента усиления влияет на точность измерения - чем выше (ниже) значение коэффициента усиления, тем ниже (выше) точность. См. раздел Как связаны диапазон, коэффициент усиления и точность измерения? для получения дополнительной информации о том, как диапазон ввода, коэффициент усиления и точность связаны друг с другом.
Аналоговая входная подсистема обычно может преобразовывать как однополярные, так и биполярные сигналы. Однополярный сигнал содержит только положительные значения и нуль, в то время как биполярный сигнал содержит положительные значения, отрицательные значения и ноль.
Униполярные и биполярные сигналы изображены ниже. Пример однополярного сигнала см. на рисунке квантования.
Во многих случаях полярность сигнала является фиксированной характеристикой датчика, и необходимо настроить диапазон ввода в соответствии с этой полярностью.
Как вы видите, очень важно понять диапазон сигналов, ожидаемых от датчика, чтобы можно было настроить диапазон ввода подсистемы аналогового ввода для максимизации разрешения и минимизации вероятности превышения диапазона.
Выборки получаются из подсистемы аналогового ввода с определенной скоростью тактовым сигналом. Как и любая система синхронизации, часы сбора данных характеризуются их разрешающей способностью и точностью. Разрешение по времени определяется как наименьший интервал времени, который можно точно измерить. На точность синхронизации влияет дрожание тактового сигнала. Дрожание возникает, когда часы выдают несколько другие значения для данного временного интервала.
Для любой системы сбора данных обычно можно использовать три источника тактовых импульсов: встроенный, компьютерный или внешний. Программное обеспечение Data Acquisition Toolbox™ поддерживает все эти источники синхросигналов в зависимости от требований оборудования.
Бортовые часы. Встроенный тактовый сигнал обычно представляет собой микросхему таймера на плате аппаратных средств, которая запрограммирована для генерирования потока импульсов с требуемой скоростью. Бортовые часы обычно имеют высокую точность и низкое дрожание по сравнению с компьютерными часами. Всегда следует использовать встроенный синхросигнал, когда частота дискретизации высока, и когда требуется фиксированный интервал времени между выборками. Встроенный синхросигнал в данном руководстве называется внутренним синхросигналом.
Компьютерные часы. Компьютерный (PC) синхросигнал используется для плат, не имеющих встроенного синхросигнала. Тактовый сигнал компьютера менее точен и имеет больше дрожания, чем встроенный тактовый сигнал, и обычно ограничен частотой дискретизации ниже 500 Гц. В данном руководстве часы компьютера называются программными часами.
Внешний синхросигнал. Внешний синхросигнал часто используется, когда частота дискретизации низкая и не постоянная. Например, внешний источник синхросигналов часто используется в автомобильной промышленности, где образцы получают как функцию угла поворота коленчатого вала.
Каналы ввода можно сконфигурировать одним из двух способов:
Дифференциал
Односторонний
Выбор конфигурации входного канала может зависеть от того, является ли входной сигнал плавающим или заземленным.
Плавающий сигнал использует изолированную привязку земли и не соединен с землей здания. В результате входной сигнал и аппаратное устройство не подключены к общей опорной точке, что может привести к тому, что входной сигнал превысит допустимый диапазон аппаратного устройства. Чтобы обойти эту проблему, необходимо подключить сигнал к бортовому заземлению устройства. Примеры плавающих источников сигналов включают в себя незаземленные термопары и батарейные устройства.
Заземленный сигнал подключается к заземлению здания. В результате входной сигнал и аппаратное устройство подключаются к общей опорной точке. Примеры заземленных источников сигналов включают неизолированные выходы приборов и устройства, которые подключены к энергосистеме здания.
Примечание
Дополнительные сведения о конфигурировании канала см. в документации по оборудованию.
При конфигурировании оборудования для дифференциального ввода с каждым входным сигналом связаны два сигнальных провода - один для входного сигнала и один для опорного (обратного) сигнала. Измерение представляет собой разницу в напряжении между двумя проводами, которая помогает уменьшить шум и любое напряжение, общее для обоих проводов.
Как показано ниже, входной сигнал подключается к гнезду положительного усилителя (обозначено +), а обратный сигнал подключается к гнезду отрицательного усилителя (обозначено -). Усилитель имеет третий соединитель, который обеспечивает связь этих сигналов с землей.
Компания National Instruments рекомендует использовать дифференциальные входные данные при любом из следующих условий:
Входной сигнал низкого уровня (менее 1 В).
Выводы, соединяющие сигнал, превышают 10 футов.
Входной сигнал требует отдельной наземной опорной точки или обратного сигнала.
Сигналы проходят через шумную среду.
При конфигурировании аппаратных средств для одиночного ввода имеется один сигнальный провод, связанный с каждым входным сигналом, и каждый входной сигнал подключается к одному и тому же заземлению. Одиночные измерения более чувствительны к шуму, чем дифференциальные измерения, из-за различий в трактах сигналов.
Как показано ниже, входной сигнал подключается к гнезду положительного усилителя (с меткой +), а заземление подключается к гнезду отрицательного усилителя (с меткой -).
National Instruments предлагает использовать односторонние входные данные при любом из следующих условий:
Входной сигнал имеет высокий уровень (более 1 В).
Выводы, соединяющие сигнал, составляют менее 10 футов.
Входной сигнал может совместно использовать общую опорную точку с другими сигналами.
Следует использовать дифференциальные входные соединители для любого входного сигнала, который не соответствует предыдущим условиям. Можно сконфигурировать несколько плат National Instruments для двух различных типов одноконцевых соединений:
Ссылочное одностороннее соединение (RSE)
Конфигурация RSE используется для плавающих источников сигналов. В этом случае аппаратное устройство само обеспечивает опорную землю для входного сигнала.
Неадресуемое одностороннее соединение (NRSE)
Входная конфигурация NRSE используется для заземленных источников сигнала. В этом случае входной сигнал обеспечивает собственное опорное заземление, и аппаратное устройство не должно его подавать.
Дополнительную информацию о соединениях RSE и NRSE см. в документации по оборудованию National Instruments.
Передача полученных данных из аппаратного обеспечения в системную память выполняется следующим образом:
Полученные данные сохраняются в буфере FIFO.
Данные передаются из буфера FIFO в системную память с использованием прерываний или DMA.
Эти шаги выполняются автоматически. Как правило, все, что требуется от вас, - это некоторая начальная конфигурация аппаратного устройства при его установке.
Буфер FIFO используется для временного хранения полученных данных. Данные временно сохраняются до тех пор, пока не будут переданы в системную память. Процесс передачи данных в буфер FIFO и из него приведен ниже:
Буфер FIFO хранит вновь полученные выборки с постоянной частотой дискретизации.
Перед заполнением буфера FIFO программа начинает удаление выборок. Например, прерывание генерируется, когда FIFO наполовину заполнен, и сигнализирует программному обеспечению извлечь выборки как можно быстрее.
Поскольку обслуживание прерываний или программирование контроллера DMA может занять до нескольких миллисекунд, дополнительные данные сохраняются в FIFO для последующего поиска. Для большего буфера FIFO могут допускаться более длительные задержки.
Образцы передаются в системную память по системной шине (например, шина PCI или шина AT). После передачи выборок программное обеспечение может свободно выполнять другие задачи до тех пор, пока не произойдет следующее прерывание. Например, данные могут быть обработаны или сохранены на диске. До тех пор, пока средние скорости хранения и извлечения данных равны, полученные данные не будут пропущены, и ваше приложение должно работать плавно.
Самый медленный, но наиболее распространенный способ перемещения полученных данных в системную память заключается в генерации платой сигнала запроса прерывания (IRQ). Этот сигнал может генерироваться при получении одной выборки или при получении нескольких выборок. Процесс передачи данных в системную память через прерывания приведен ниже:
Когда данные готовы для передачи, CPU останавливает все, что он делает, и запускает специальную процедуру обработки прерываний, которая сохраняет текущие регистры машины, а затем устанавливает их для доступа к плате.
Данные извлекаются из платы и помещаются в системную память.
Сохраненные регистры машины восстанавливаются, и ЦП возвращается к исходному прерванному процессу.
Фактическое перемещение данных происходит довольно быстро, но существует много накладных расходов, затраченных на сохранение, настройку и восстановление регистрационной информации. Поэтому, в зависимости от конкретной системы, передача данных посредством прерываний может быть не лучшим выбором, когда частота дискретизации превышает около 5 кГц.
Прямой доступ к памяти (DMA) - это система, в которой выборки автоматически сохраняются в системной памяти, в то время как процессор делает что-то другое. Процесс передачи данных через DMA приведен ниже:
Когда данные готовы к передаче, плата предписывает контроллеру DMA системы как можно скорее поместить их в системную память.
Как только CPU становится в состоянии (что обычно происходит очень быстро), он перестает взаимодействовать с аппаратными средствами сбора данных, и контроллер DMA перемещает данные непосредственно в память.
Контроллер DMA готовится к следующей выборке, указывая на следующую открытую ячейку памяти.
Предыдущие этапы повторяются бесконечно, причем данные поступают в каждую открытую ячейку памяти в непрерывно циркулирующем буфере. Взаимодействие между CPU и платой не требуется.
Компьютер поддерживает несколько различных каналов DMA. В зависимости от приложения можно использовать один или несколько из этих каналов. Например, для одновременного ввода и вывода со звуковой платой требуется один канал DMA для входа и другой канал DMA для выхода.