工控機數據采集卡及其應用

數據采集卡是指以通用的目標為前提，按一定的總線標準設計，并大量生產的工業標準的板卡。當系統中需要有模擬量輸入時，就需要數據采集卡。如電壓、電流，或一些物理量如壓力、溫度、流量、速度等等。下面簡要介紹一種數據采集卡的原理，及其在發電機組振動檢側中的應用。PCL-818模板是IBM PC/XT系列微型機的通用I/O模塊。它與國內外市場上PC總線標準的模塊在電氣性能與機械性能上完全兼容，只要擂人標準PC/XT總線柑即可投人使用。

PCL-818模板的模擬量輸入信號由板上20芯扁平電纜插頭輸入，允許16路單端輸入或8路雙端輸入，A/D轉換器為12位，轉換速率40kHz。此外，此模板還包括一個12位的D/A模擬量輸出，16位數字量輸入、16位數字量輸出，以及一片8254高速計數器?？梢奝CL-818的功能已經很強，可以完成大部分的基本輸入/輸出功能。下面就詳細介紹此模板的技術性能。

一、PCL-818模塊主要技術性能

（一）模擬量輸入A/D轉換

（1）通道   單端16路雙端8路

（2）分辨率  12位

（3）量程  ±0.625，±1.25，±2.5，±5或±1.25，±2.5，±5，±10全部可軟件設定

（4）轉換非線性誤差  ±1LSB

（5）A/D轉換時間  25μs

（6）最大允許翰人電壓   ±30V

（7）共模抑制比   最大允許共模電壓輸入時，輸出端變化不大于1LSB

（二）模擬盤輸出D/A轉換

(1）通道   1路

(2）分辨率  12位

(3）范圍  0~＋5V(+10V)，使用板上-5V（-10V）參考電壓±10V，使用外部參考電壓

(4）非線性誤差  ±1/2LSB

（三）數字盤輸入/輸出

（1）通道  16路入，16路出

（2）TTL電平兼容

（四）可編程定時器雌十數器

（1）INTEL8254 , 3通道，16位

（2）2通道可編程用于A/D轉換節拍控制，1通道用戶使用

（3）TTL/COMS兼容

（4）最高計數頻率10MHz

（五）總線接口

（1）符合IBM Pc和Pc慶T總線的電氣和機械特性，占用一個總線插棺

（2）IRQ2-IRQ7，軟件可選，用于A/D完成（EOC)

（3）DMAI、DMA3，跳線選擇，用于A/D采集數據傳送

（4）需要16個地址，跳線設定首地址

（5）數字t輸入/輸出為20芯扁平電纜，模擬量輸入/輸出為37芯D型插座

（六）電源及功耗

(1）電源  +5伏 ±5%，典型210mA，最大500mA

               +12伏 ±5%，典型20mA，最大100mA

              -15伏 ±5%，典型20mA，最大40mA

(2）使用溫度0~＋50℃

二、電路組成

如圖1.1是PCL-818模板的原理框圖。

                                                 圖1.1PCL-818模板原理圖

由于采用了大規模專用芯片AD1801，集成了大部分的邏輯控制電路，所以外圍芯片很少，模板結構也相對簡單。其中數字量的輸入/輸軸出、D/A輸出都是基本的I/O端口邏輯，可參考前面有關章節，在此不再贊述。A/D轉摸部分由于可以以三種方式進行，邏輯結構較為復雜，是此模板的關鍵部分。

（一）模擬量輸人通道的組成

①多路開關，用于選擇16路輸入信號，因為只用一個采樣保持器和A/D轉換器，所以必須有多路開關選擇輸入通道。

②可編程的模擬放大器，通過軟件可設置其放大倍數，這樣適用的模擬電壓范圍廣，且各個通道可以使用不同的放大倍數，簡化前置電路。

③此外還包括12位的A/D芯片和采樣保持器。

（二）控制邏輯電路

①地址譯碼，與其它部分共用，用于選擇寄存器。

②通道掃描及觸發邏輯。此模板允許多個連續的模擬通道以巡回掃描的方式進行轉換，此部分電路產生通道信號給多路開關，選擇相應的通道。A/D轉換的啟動可以由軟件控制，也可以由硬件或外部觸發信號控制。板上有一片8254定時器/計數器（原理同8253)，其通道1、通道2申聯起來構成一個32位的分頻器，用于產生控制A/D轉換巡回速率的脈沖。通過修改計數常數，可調整巡回速率的快慢。

③IRQ、DMA邏輯。當A/D轉換完成后，可以通過查詢狀態寄存器，判斷轉換是否完成，來讀取轉換結果；也可以使用完成后自動產生IRQ中斷信號，通知CPU讀取轉換結果；當進行高速巡回轉換時，若CPU同時還要進行其它操作，就有可能發生某些轉換結果還沒有被CPU讀走時，下一個結果又來了，造成數據丟失，這時就要用到DMA傳送。將轉換結果自動送到主機的某一部分內存中，不占用CPU時間。

三、編程

由于DMA方式要用到主機的8237DMA控制器，中斷方式用到主機的8259中斷控制器，感興趣的讀者可以參閱有關資料。下面是使用查詢方式進行采樣時的程序流程：

①設置每一通道的t程。

②設置播要的輸人通道。

③啟動A/D轉換。

④檢查狀態寄存器，轉換是否完成，若未完成，持續進行檢測。

⑤讀取轉換結果。

四、PCL-818應用舉例

圖1.2是一個發電機組模型，采集它的振動信號可以進行實時的故障診斷。在本例中，共需要采集軸瓦1、2的X、Y方向位移，電機的溫度，電機的嗓音等6路模擬信號。其中，位移信號用非接觸式位移傳感器，溫度用溫度傳感器，嗓音用嗓聲傳感器，各信號經過前置放大以后，調理到-10V~＋10V電平，接入A/D采集卡。

①X1、Y1、X2、Y2接到通道1-4。由于發電機組以50r/s的轉速旋轉，需要同時采集四個通道，多個周期的波形，進行高速FFT變換。所以，這四個通道使用巡回掃描方式，DMA數據傳送。

②T信號和N信號，由于是慢變信號，可以間隔10s以上采樣一次。在每次采樣時，采樣多次的數據再取平均值，可排除噪音信號的干擾。