PCI-1713U数据采集卡 研华/阿尔泰/泓格/NI

数据采集卡在系统的工作原理。
在一些工业现场中，设备长时间运行*出现故障，为了监控这些设备，通常利用数据采集装置采集他们
数据采集
运行时的数据并送给PC机，通过运行在PC机上的特定软件对这些数据进行分析，以此判断当前运行设备的状况，进而采取相应措施。当前常用的数据采集装置，在其系统软件设计中，多采用单任务顺序机制。这样就存在系统安全性差的问题。这对于稳定性、实时性要求很高的数据采集装置来说是不允许的，因此有必要引入嵌入式操作系统。下面以μC/OSII为操作系统平台，基于ARM7系列处理器，对一种高性能的数据采集系统开发进行探索。
操作系统简介
嵌入式操作系统μC/OSII（Microcontroller Operating System）是专为微控制器系统和软件开发而设计的公开源代码的抢占式实时多任务操作系统内核，是一段微控制器启动后首先执行的背景程序，作为整个系统的框架贯穿系统运行的始终。对于对实时性和稳定性要求很高的数据采集系统来说，引入μC/OSII无疑将大大改善其性能。
μC/OSII的特点可以概括为以下几个方面：公开源代码，代码结构清晰、明了，注释详尽，组织有条理，可移植性好，可裁剪，可固化。内核属于抢占式，多可以管理60个任务。μC/OSII自1992年的版（μC/OS）以来已经有好几百个应用，是一个经实践证明好用且稳定可靠的内核。对μC/OSII的研究和应用都很多。
系统基本工作原理
应用时，数据采集系统置于被监控的设备处，通过传感器对设备的电压或者电流信号进行采样、保持，并送入A/D转换器变成数字信号，然后将该信号送到FIFO中。当FIFO中存放的数据到了一定数目时，由ARM7从FIFO中读出，然后通过ARM7的以太网接口或者RS232送给上位机。考虑到要监控的设备可能会很多，所以设计了多路采集通道，他们经过模拟开关后再进入A/D转换器。CPLD是整个系统的控制核心，他控制采集通道的切换、A/D转换器的启/停、转换后的数据在FIFO中的存放地址发生器、产生中断请求以通知ARM7读取存放在FIFO中的数据等。
系统硬件结构
该系统采用了Samsung公司的S3C4510B作为系统与上位机沟通的桥梁，S3C4510B是基于以太网应用系统的高性价比16/32位RISC微控制器，他有如下几个主要特点：
硬件方面内含一个由ARM公司设计的16/32位ARM7TDMIRISC处理器核，ARM7TDMI为低功耗、高性能的16/32核，适合用于对价格及功耗敏感的应用场合。S3C4510B通过在ARM7TDMI核内容基础上扩展一系列完整地通用器件。
片上资源包括2个带缓冲描述符（bufferdeor）的HDLC通道；2个UART通道；2个GDMA通道；2个32位定时器；18个可编程的I/O口。还有中断控制器；DRAM/SDRAM控制器；ROM/SRAM和FLASH控制器；系统管理器；1个内部32位系统总线仲裁器；1个外部存储器控制器等片内的逻辑控制电路。
这些为μC/OSII的移植提供了优良的物理资源。
软件支持方面他有配套的代码编辑调试环境ADS12和JTAG在线调试功能，使S3C4510B芯片软件可以直接用C编写，这就使μC/OSII的植入成为可能。
12位高速A/D转换电路采用ogDevices的AD574，该电路输出具有三态锁存功能。预处理电路包括了电流电压互感器、隔离电路和同步采样电路，他可以将信号转换成与AD574相匹配的量值，供后续处理。通讯电路采用常用的以太网接口与上位机相连，而232接口可作为备用，这样该装置既可作为便携式系统使用，也可通过网络来对设备实施实时监控。
软件设计
软件部分要分别编写S3C4510B部分的程序和CPLD控制程序。前者可分为μC/OSII的移植和各个应用程序的编写，后者用VHDL语言实现。
对于S3C4510B部分，根据整个装置实现的功能和对他的要求进行系统任务分割，并根据实际需要为各个任务分配**级。系统大致可分为如下几个任务：初始化CPLD控制参数；对FIFO的读取；与上位机的TCP/IP通讯；与上位机的串口通讯。对应每个任务，需要编写相应的应用程序，软件设计部分的关键技术有：
（1）μC/OSII内核向S3C4510B中的移植，要根据处理器的特点合理地修改μC/OSII的3个与处理器相关的文件：OS_CPUH，OS_CPU_AASM，OS_CPU_C.C。主要是将文件中的汇编指令，改为ARM7的汇编指令，并根据CPU的特点对文件中寄存器的初值进行改写。
（2）内存配置问题。对于存储器容量的设计，要综合考虑μC/OSII内核代码和应用程序代码的大小。每个任务是运行的，必须给每个任务提供单独的栈空间（RAM），RAM总量的计算公式为：
RAM总量=应用程序的RAM需求+内核数据区的RAM需求+各任务栈需求之总和+多中断嵌套所需堆栈。
（3）TCP/IP协议在μC/OSII中的实现。为了满足嵌入式设备与Internet网络直接交换信息的要求，在μC/OSII中又移植了LwIP协议栈。
LwIP是瑞士计算机科学院（SwedishInstituteofComputerScience）的AdamDunkels等开发的一套用于嵌入式系统的开放源代码TCP/IP协议栈。LwIP的含义是LightWeight(轻型)IP协议。LwIP可以移植到操作系统上，也可以在无操作系统的情况下运行。LwIPTCP/IP实现的重点是在保持TCP协议主要功能的基础上减少对RAM的占用，一般他只需要几十k的RAM和40k左右的ROM就可以运行，这使LwIP协议栈适合在低端嵌入式系统中使用。
LwIP的特性有：支持多网络接口下的IP转发；支持ICMP协议；包括实验性扩展的的UDP（用户数据报协议）；包括阻塞控制、RTT估算、快速恢复和快速转发的TCP（传输控制协议）；提供专门的内部回调接口（rawAPI）用于提高应用程序性能。
LwIP可以很*地在μC/OSII的调度下，为系统增加网络通信和网络管理功能。LwIP协议栈在设计时就考虑到了将来的移植问题，他把所有与硬件，OS，编译器相关的部份出来，放在/src/arch目录下。因此LwIP在μC/OSII上的实现就是修改这个目录下的文件，其他的文件一般不应该修改。在驱动中主要是根据S3C4510B内的以太网控制特殊功能寄存器，编写网络接口的处发送包、接收包函数，初始化以及用于以太网控制器的外部中断服务程序。

鸿研电子提供的产品如下：
工控机、嵌入式无风扇计算机、加固工控机、工业平板电脑、工业显示器、一体机、工业服务器
HMI人机界面、触摸屏、可编程控制器(PLC、PAC)、变频器
多功能数据采集卡（DAQ） 、运动控制卡、工业多串口卡、数字量 IO 卡、远程 IO模块
工业以太网交换机、串口联网服务器、现在总线
接口转换器（RS232 转 RS422/485、光电转换、串口转光纤、USB 转串口、中继器、集线器、USB HUB）
工业无线产品(无线串口服务器、无线 AP、无线接入控制、IP、工业 GSM/GPRS 路由器）
视频采集卡和数据采集卡区别？
视频采集卡
● DV+AV+Audio全接口视频捕获卡，品质与性能的**结合，SMD贴片电容，做工精良
●全接口板卡，集成立体声输入端口，*再转接声卡
●*有音频协处理功能,两路立体声输入捕获，声音质量大幅提高，并杜绝音频、视频不同
●低温优化设计，保证**长时间捕获的稳定性
●杂波屏蔽电路，使捕获的图像画质更清晰
●专业色键抠像功能，影片效果更精彩
●全接口配备，可捕获任何视频播放设备中的素材
输入接口：AV/SVIDEO/DV
视频：720X576/352X288
音频：8/16/32/44。1/48
制式：N/P制
驱动：标准的DSHOW驱动

数据采集卡：

●通道数：就是板卡可以采集几路的信号，分为单端和差分。常用的有单端32路/差分16路、单端16路/差分8路
●采样频率：单位时间采集的数据点数，与AD芯片的转换一个点所需时间有关，例如：AD转换一个点需要T = 10uS，则其采样频率f = 1 / T为100K，即每秒钟AD芯片可以转换100K的数据点数。它用赫兹（Hz），常有100K、250K、500K、800K、1M、40M等
●缓存的区别及它的作用：主要用来存储AD芯片转换后的数据。有缓存可以设置采样频率，没有则不可以。缓存有RAM和FIFO两种:FIFO应用在数据采集卡上，做数据缓冲，存储量不大，速度快。RAM是随机存取内存的简称。一般用于高速采集卡，存储量大，速度较慢。
●分辨率：采样数据位所代表的模拟量的值，常有12位、14位、16位等（12位分辨率，电压5000mV）12位所能表示的数据量为4096（2的12次方），即±5000 mV电压量程内可以表示4096个电压值，单位增量为（5000 mV）/ 4096=1.22 mV。分辨率与A/D转换器的位数有确定的关系，可以表示成FS/2n。FS表示满量程输入值，n为A/D转换器的位数。位数越多，分辨率越高。
●精度：测量值和真实值之间的误差，标称数据采集卡的测量准确程度，一般用满量程(FSR，full scale range)的百分比表示，常见的如0.05%FSR、0.1%FSR等，如满量程范围为0~10V，其精度为0.1%FSR，则代表测量所得到的数值和真实值之间的差距在10mv以内。
●量程：输入信号的幅度，常用有±5V、±10V 、0~5V 、0~10V ，要求输入信号在量程内进行
●增益：输入信号的放大倍数，分为程控增益和硬件增益，通过数据采集卡的电压放大芯片将AD转换后的数据进行固定倍数的放大。由两种型号PGA202 (1、10、100、1000) 和PGA203 (1、2、4、8)的增益芯片。
●触发：可分为内触发和外触发两种，*启动AD转换方式。

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阿尔泰PCI9640在汽车检测中的应用
关键词： pci数据采集卡 汽车检测
摘要：硬件的核心是一台PC，I／O接口设备采用阿尔泰的PCI9640数据采集卡。该卡具有14位分辨率的A／D转换器，提供了16(双较)／32(单较)模拟输入通道，输入信号幅度可以经程控增益放大至合适的范围，保证转换精度；32位PCI总线，支持PCI2．2协议，即插即用；通道400 kHz采样频率，伪同步采样减少通道间的采样时差，16 KB深度FIFO存储器保证数据的完整性；软件部分支持Windows XP系统下的I／O接口仪器驱动程序，包括对VB、C++、Delphi以及LabVEIW的驱动程序，编程使用的VB语言运用其相应的驱动程序对该卡进行数据采集的编程。
汽车产业已成为国民经济增长的一个亮点，随着科学技术的发展，汽车检测经历了人工检验、简单仪器仪表测量、电脑控制的自诊断系统和**的故障诊断仪等阶段。这些检测手段不同程度地存在着操作复杂、稳定性差、检测效率低、检测误差大等缺点。电子技术和计算机技术在汽车上的普及运用，对汽车售后维修服务提出了更高要求，促使在汽车的故障诊断中采用更多的快速、简便和智能化仪器，要求检测仪器实时采集和反映汽车工况的技术数据或曲线，以此来进行汽车故障的诊断。近年来，国内外很多公司和高校把虚拟仪器技术运用到生产和科研中，取得了一定的经济和社会效益。虚拟仪器相对于传统仪器具有以下优势：(1)仪器功能由用户自行定义；(2)丰富并增强了传统仪器的功能；(3)测量稳定性与重复性好；(4)经济性好；(5)系统构建*，易于进行功能扩展。将虚拟仪器引入到汽车行业，为汽车检测技术带来了新的活力.


1 虚拟式汽车检测仪的结构
开发的汽车检测仪系统的结构如图1所示，由硬件和软件两大部分构成。



硬件的核心是一台PC，I／O接口设备采用阿尔泰的PCI9640数据采集卡。该卡具有14位分辨率的A／D转换器，提供了16(双较)／32(单较)模拟输入通道，输入信号幅度可以经程控增益放大至合适的范围，保证转换精度；32位PCI总线，支持PCI2．2协议，即插即用；通道400 kHz采样频率，伪同步采样减少通道间的采样时差，16 KB深度FIFO存储器保证数据的完整性；软件部分支持Windows XP系统下的I／O接口仪器驱动程序，包括对VB、C 、Delphi以及LabVEIW的驱动程序，编程使用的VB语言运用其相应的驱动程序对该卡进行数据采集的编程。
该卡主要分为4大块：
(1)模拟前端的信号输入、调理电路；
(2)对模拟输入信号进行AD转换的模数转换部分；
(3)基于FPGA的控制部分
(4)和上位机进行通信的接口电路。
2 PCI9640数据采集的编程实现
　　该卡能用3种不同方式即非空查询方式、半满方式和中断方式进行数据采集。
2．1 PCI9640的设备管理
　　由于驱动程序采用面向对象编程，所以要使用设备的一切功能，用CreateDevice函数创建一个设备对象句柄hDevice，有了这个句柄，就拥有了对该设备的控制权。然后将此句柄作为参数传递给其他函数，如Init-DeviceProAD可以使用hDevice句柄以程序查询方式初始化设备的 A／D部件，ReadDeviceProAD函数可以用hDe-vice句柄实现对A／D数据的采样读取，SetDeviceDO函数可用实现开关量的输出等。后可以通过ReleaseDevice将hDevice释放掉。
2．2 用非空查询方式采集数据
　　有了hDevice设备对象句柄后，便可用InitDeviceProAD函数初始化A／D部件，关于采样通道、频率等参数的设置是由这个函数的 pPara参数结构体决定的。只需要对这个pPara参数结构体的各个成员简单赋值即可实现所有硬件参数和设备状态的初始化。然后用 StartDeviceProAD启动A／D部件，开始A／D采样，然后用ReadDeviceProAD_No-tEmpty反复读取A／D数据以实现连续不间断采样。当需要暂停设备时，执行StopDeviceProAD，当需要关闭AD设备时，ReleaseDeviceProAD便可实现，但设备对象hDevice依然存在。ReadDeviceProAD_NotEmpty虽然主要面对批量读取，高速连续采集而设计，但亦可用它以单点或几点的方式读取A／D数据，以满足慢速采集需要。具体执行程序框图如图2所示。





2．3 用半满方式采集数据
　　用StartDeviceProAD启动A／D部件，开始A／D采样，接着调用GetDevStatusAD_Half函数以查询A／D的存储器FIFO 的半满状态，如果达到半满状态，即可用ReadDeviceProAD_Half函数一批半满长度(或半满以下)的A／D数据，然后再接着查询FIFO的半满状态，若有效再读取，就这样反复查询状态反复渎取A／D数据即可实现连续不间断采样。
　　当需要暂停设备时，执行StopDeviceProAD，当需要关闭 A／D设备时，ReleaseDeviceProAD便可实现，但设备对象hDevice依然存在。ReadDeviceProAD_Half函数在半满状态有效时也可以单点或几点的方式读取A／D数据，只是到下一次半满信号到来时的时间间隔会变得非常短，而不再是半满间隔。
2．4 用中断方式采集数据
　　用CreateDevice函数创建设备对象，同时调用CreateSystemEvent函数创建一个内核事件对象句柄hEvent赋给 InitDeviceIntAD的相应参数，它将作为接收A／D半满中断事件的变量。启动A／D部件，开始A／D采样，接着调用Win32 API函数WaitForSingleObject等待hEvent中断事件的发生，在中断未到时，自动使所在线程进入睡眠状态(不消耗CPU时间)，反之，则立即唤醒所在线程，执行它下面的代码，此时您便可用ReadDeviceIntAD函数读取一批半满长度(或半满以下)的A／D数据，然后再接着等待FIFO的半满中断事件，若有效再读取，就这样反复读取A／D数据即可实现连续不间断采样。用同样函数可暂停和关闭A／D设备。
3．系统界面
　　虚拟式汽车检测仪的软件界面如图4所示。
软件启动画面有两个大内容，分别是示波器模式和电压表模式。示波器项可以显示汽车各种电子部件产生的在线实时信号；电压表项可以显示信号的数据大小，要求输入通道数(为32个)和采集频率，左下框显示各通道电压波形的峰峰值和频率。

4 实验验证
4．1 传感器电压数据显示
　　为了验证此虚拟汽车检测仪可靠性和效果，在汽车电控电路试验台进行该车有关传感器的实测。把虚拟汽车检测仪数据采集卡的0、1、2、3通道分别与汽车的空气流量传感器信号线、节气门位置传感器信号线、节气门位置传感器电源信号线和水温传感器信号线相连。图5为汽车在怠速运转时试验台上显示的传感器电压值。

图6是汽车检测仪在电压表模式下测出的传感器电压值(mV)。试验台传感器电压显示值与实测值误差分析如表1所示。
　
由表1说明误差甚小。
4．2 传感器电压信号波形显示
　　图7所示为霍尔传感器信号的脉冲波形，由图7可以看出，霍尔电压峰峰值为7．93 V，汽车怠速时的标准电压为6．00～8．50 V。表明该传感器显示波形正常，无故障。

根据以上数据及其波形图分析可知，此虚拟汽车检测仪能满足汽车传感器测量要求。另外，软件界面清晰明了，操作简单方便。
5.使用PCI9640的优势
利用虚拟仪器技术构建的汽车检测仪，能连续检测、记录、显示和存储汽车各种汽车电子部件所产生的信号波形和数据，从而能*准确地确定故障原因。通过存储正常波形，用户可以很*地建立自己的波形数据库，以备积累经验。本文是针对国内汽车检测的现实情况，尝试研究开发集信号采集、处理、分析与管理等较多功能于一体的虚拟式汽车检测仪。这样一方面可以将维修人员从繁杂的传统仪器设备中解放出来，发挥虚拟仪器的强大功能；另一方面，开发这样的虚拟仪器软件是针对性地对汽车电子部件检测而量身打造，不但可以降低成本，而且将来对软件还可以拓展增加一些功能。并且软件的界面友好，*操作。

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采集卡的接口有哪些？
视频采集卡的接口包括视频与PC机的接口和与模拟视频设备的接口。PC视频采集卡通常采用32位的PCI总线接口，它插到PC机主板的扩展槽中，以实现采集卡与PC机的通讯与数据传输。采集卡至少要具有一个复合视频接口（VideoIn）以便与模拟视频设备相连。高性能的采集卡一般具有一个复合视频接口和一个S－Video接口。一般的采集卡都支持PAL和NTSC两种电视制式。
在采集卡接口标准方面，有PCI、PCI-E、IEEE 1394、USB2.0/USB3.0等，因此视频采集卡基本上可以分为pci 接口数据采集卡、DV（IEEE 1394）采集卡、USB高速数据采集卡和PCI-E数据采集卡，当然还有采用其他视频输入输出接口的视频采集卡，比如常见的VGA视频采集卡、高清HDMI采集卡等等。 　在视频采集卡芯片方面，视频采集卡芯片，国内的硬压卡主要采用板载的DSP芯片，市场上存在的视频采集卡芯片主要有6800、7130、7134、7113、6820、等几种，其中6800、7130芯片先后停产，对以前在安防市场随处可见7130芯片的DVR卡，在选购的时候就要注意了。
需要注意的是视频采集卡一般不具备电视天线接口和音频输入接口，不能用视频采集卡直接采集电视射频信号，同时也不能直接采集到模拟视频中的伴音信号。要采集伴音，PC机上必需要装有声卡，视频采集卡通过PC机上的声卡获取数字化的伴音并把伴音与采集到的数字视频同步到一起。

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研华数据采集卡用于硬盘制造质量监控系统
摘要：许多电子设备制造商使用PLC作为控制器，通过与服务器通信实现程序自动控制。美国一家主要的硬盘制造厂商面临着原有PLC设备与新进服务器之间的通信问题。因此，他们希望借助一套自动化系统处理与服务器之间的通信，并且能够提供给工程师一个易于使用的友好界面来监测其HDD的制造。
　
产线自动化
地点: 马来西亚

系统介绍:
　　许多电子设备制造商使用PLC作为控制器，通过与服务器通信实现程序自动控制。美国一家主要的硬盘制造厂商面临着原有PLC设备与新进服务器之间的通信问题。因此，他们希望借助一套自动化系统处理与服务器之间的通信，并且能够提供给工程师一个易于使用的友好界面来监测其HDD的制造。

系统需求:
　　对于众多主流的HDD制作厂商而言，装料设备是研磨板过程的重要组成部分。在此之前，该客户一直在使用手动研磨板质量监控系统，此系统取决于每块板子被送入抛光机之前工程师的检验状况，由此造成许多硬盘存在缺陷。此外，客户新引进的服务器与原有的PLC设备之间存在通信的问题。他们迫切需要一套可靠的系统实现质量监控过程自动化，以保证与新服务器的通信和HDD制造的质量监控。

研华解决方案:
　　PCI-1761 8通道继电器与8通道隔离数字量输入卡
　　FPM-3120G-RAE 12.1" SVGA 工业显示器，带电阻式触摸屏

系统架构图:

系统描述:
　　新系统具备自动选择、追踪、记录等功能。研华提供了FPM-3120G-RAE作为人机界面（HMI），通过PCI-1761连接EMO、安全门开关、开/关按钮、指示灯、警铃和信号控制装置。每个研磨板具有的条形码，经扫描发送到服务器，以验证进程的准确性。整个过程通过验证后系统会继续运行，如果研磨板尚未到达装料设备则会生成错误代码。

结论:
　　新系统成功实现了质量监控过程的自动化，大大提高了整个产线的可靠性和高效性。同时，研华人机界面（HMI）为工程师提供了简单易用的友好界面，监测和管理生产过程。总之，基于PC的新系统提供了更大的内存和开放的架构，易于编程和扩展。
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