PCI-1710U数据采集卡 高速数据采集

凌华数据采集卡实时在线监测，可以轻松实现吗

在气象环境监测、产品质量检测等领域，经常需要测定浊度。浊度表征了无色透明液体中悬浮物和胶体物质对光线透射所产生的阻碍程度。在理想的状况下，浊度可以通过理论计算获得，但在实际工程中，液体中颗粒的大小、形状、表面构造、表面性质等因素都对浊度值有很大影响。所以在工程中为了得到准确的浊度参数，需要进行实际的测量。
为解决此问题，根据透射率与吸光度之间的关系，采用激光透射的方法进行测量，而高速高精度的数据采集卡才能胜任这一过程中的数据采集，才能保证系统的实时在线监测。对该系统而言，除了激光驱动电路的稳定性和信号调理电路的质量，数据采集平台的可靠性和工作速度将是实时在线监测目标的重要挑战。
系统设计的考虑
系统结构框图如图1所示，经调制后的激光通过分光器后，分得两束光，其中一束经过待测浊液后进入接收端1，另一束光直接进入接收端0，分别经过接收端的信号处理后，形成两路输入信号，进入数据采集系统，构成双通道的液体浊度测量装置。


进行硬件设计
（1）光源驱动电路
系统使用635nm半导体激光器作为光源，为了降低噪声信号的干扰，便于检出有用信号，将激光源调制成1KHz的方波脉冲。频率源选择稳定性和精确性更好的1MHz有源晶振。采用分频电路对1MHz信号进行1000分频以输出频率稳定性好的1KHz方波信号。
（2）信号调理电路
系统中采用对射式接收方式，采用光电二极管作为光电探测器。光电二极管将光信号转变为电流信号后，进行I/V转换及前置放大，将电流信号转变为强度更大的电压信号。为了提取出有效信号，采用带通滤波器对信号进行滤波，以获得1kHz的有效信号。为了进一步提高采集信号的强度，采用同相比例放大电路进行放大。
（3）数据采集卡硬件
系统的数据采集模块采用高性能数据采集卡PCI-9846H来设计。PCI-9846H数据采集卡为凌华科技的高性能数据采集卡，为16位4通道型，如图2所示。PCI-9846H数据采集卡可以对高达20MHz的高频高动态范围的输入信号进行采样，采样率40MS/s。如此高的采样率为实时在线测量提供了有效保证。PCI-9846H带有512MB的板载内存作为缓存，不会受限于PCI总线的传输率，能记录下更长时间段内的波形情况，可以实现更广泛的应用。PCI-9846H系列数字化仪配备了4个高度线性化的16位A/D转换仪，能满足具有高度动态范围设备的理想应用需求。PCI-9846H 拥有四个同步模拟输入通道，四条通道可分别以采样率10MS/s、20MS/s和40MS/s进行同步采样，可以有效满足同步多通道数据采集，以保证系统各通道数据的同步性，对于实现高精度的测量系统提供有效的**。


本系统为双通道测量系统，选择使用其中的两个通道CH0和CH1。CHO通道的输入信号为参考信号，CH1通道的输入信号为通过待测溶液之后的测量信号。
软件的实现
软件系统是虚拟仪器的重要组成部分，本测量系统中采用Visual Basic开发系统的应用软件，界面设计非常便捷，编程工作量小，开发*。此外，ADLINK公司也提供了适用于Visual Basic环境下的控件：DAQPilot。通过查阅相关技术手册，可以获得该控件各属性的使用方式。DAQPilot同时也附带了一些程序模板，使软件开发更加方便，非常易于开发软件系统。在VB的开发环境中，本系统的应用程序软件界面如图3所示。


在窗口程序设计界面，在DAQPilot向导中可以进行板卡的设置，选择通道0和1为输入模拟信号的两个端口。在采样率方面，每个通道的采样率设置为200000。由于输入的有效信号频率为1KHz，所以在每个信号周期中，能够有效采集200个数据点，完**够满足精度要求，能够非常准确地描述信号波形数据。除了上述的各项设置，还可以对DGraph控件的X轴进行属性页的设置，以改变在显示窗口中的显示状态。
测试与性能分析
（1）系统测试
在系统的实际测试中，采用标准量具测量液体的体积，采用滴定一定量的浓度均匀的牛奶来改变待测溶液的浊度。实验步骤如下：
a)将烧杯中加入定量体积的纯净水。
b)校准好光学装置，定量向纯净水中加入牛奶，使用胶头滴管进行定量滴定，每加入一滴牛奶，搅拌均匀并等浊液稳定下来后，按下系统软件上的计算按钮，得到两路输入信号强度之比，该数据即为透射率。每滴定一次，测量一组数据。
将测量数据用MATLAB进行处理，以加入牛奶的体积为横轴，以每次测量透射率的平均值为纵轴，描点后如图4所示。


从图中可以看出，这些点的走势是符合指数特征的，采用一个适当的指数曲线可与之拟合，曲线SSE完全满足了系统的设计要求。
（2）系统性能分析
以加入牛奶的量为自变量，透射率的值为应变量，应变量和自变量满足一定的函数关系。通过实际拟合曲线与理论推导函数的比对，可以得到如下系统性能测试结论：
a)拟合曲线的**项指数系数为0.9928，小于但非常接近于理论推导公式中的指数系数1。0.9928与1之间的误差，是由于吸收和反射等因素造成的，透射率的实测值必然比理论值偏小。但是从实际拟合曲线来看，系统可靠性是比较高的。
b)函数关系的*二项指数项前的系数远远小于1，该项表示了实际值与理论值的一个偏差，经查阅相关技术资料，发现在颗粒浓度较高的情况下，由于存在重叠散射效应，会有更多的光线透射出去，也就是透射光更强，这也正符合了该项的变化趋势。
c)根据对数学模型和实际测得的拟合曲线函数形式的比对，可以推断得出，在牛奶中影响透射光强弱的微粒应该以一种为主。为了验证这一实验结果，参考相关资料，可以发现：均匀的牛奶中主要由脂肪颗粒形成，脂肪表面被蛋白质所包裹，所以能在水中稳定存在，牛奶所显现的乳白色主要就是光线在这些包裹着蛋白质的脂肪颗粒上发生散射所造成的。这也反过来验证了拟合曲线是比较符合实际情况的。
总体而言，系统使用了凌华科技公司的PCI-9846H高性能多通道数据采集卡，大大提升了系统整体性能，所测量数据的可靠性和精度较高，达到了预期的开发目的。因此，基于高速数据采集卡的光电式双通道浑浊度测量系统，可以实现实时在线监测。系统设计方案可以很*移植到其它的应用系统中，在环境质量监测、水质监测、气象参数监测、食品质量监测等领域应用前景广泛。

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）

采用维护性能优异的盒式工控机和硅材料电子硬盘，构建远程无人测控系统

利用个人计算机构建的远程测控系统。 可以定期地获得数据分析的信息。 另外，即使是远隔地段，必要时同样可以获得现地的信息。
特点：
设置在水库测量地点的计算机测量系统。 在用计算机的数字量输出信号来控制测量器的数据采集开始、以及通道和量程等参数的同时，收集雨量计的数字量输入、水位计4-20mA电流信号的模拟量输入、以及流量计的计数信号等数据。在水库的测量地点采集到的各种信号，作为记录数据及时进行加工、累积。并用调试解调器经过公用电话线传送到管理中心。

效果：
为了保证在水库的无人测量地点设置的设备能够连续正常运转，采用了维护性能优异、附带扩展插槽的盒式工控机和硅材料电子硬盘。 实现了完全无人化的连续测量控制系统。 由于使用了计算机和测控接口板，使软件的开发达到了标准化。

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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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什么是采集卡？

采集卡主要是捕获外界光电、视频、音频等模拟信号并将其数字化导入计算机进行数字处理的捕获设备，主要用图像采集卡、视频采集卡、音频采集卡（比如声卡）、数据采集卡等。由于数据采集卡等工业采集卡并不常用，因此，一般采集卡默认为静态图像采集卡、动态视频采集卡。所以采集卡又称视频捕捉卡，用它可以获取数字化视频信息，并将其存储和播放出来。很多视频采集卡能在捕捉视频信息的同时获得伴音，使音频部分和视频部分在数字化时同步保存、同步播放。 视频采集卡，英文全称为：“Video Capture Card”，其功能是将视频信号和音频信号采集到电脑中，以数据文件的形式保存在硬盘上。

一类是模拟采集卡
模拟采集卡通过AV或S端子将模拟视频信号采集到 PC中，使模拟信号转化为数字信号，其视频信号源可来自模拟摄像机、电视信号、模拟录像机等。 [1]
数字采集卡
数字采集卡通过IEEE1394数字接口，以数字对数字的形式，将数字视频信号无损地采集到了PC中，其视频信号源主要来自DV（数码摄像机）及其它一些数字化设备。
模拟采集卡与数字采集卡的一个重要区别就是：使用数字采集卡，在采集过程中视频信号没有损失，可以保证得到与原始视频源一模一样的效果，而使用模拟采集卡则视频信号会有一定程度的损失。有人曾形象地作了一个类比：模拟采集类似于利用录像机翻录影带，翻录的子带总是不如母带清晰，如果再利用子带翻录，效果会更差;而数字采集就像用电脑拷贝数据文件一样，无论多少次，的文件与原文件都完全一样的，没有任何区别。 二合一采集卡，指的是数字模拟采集卡，AV+DV采集卡。数字输入输出，模拟接口输入（DV/AV/S-video），全接口板卡。
2、采集卡按照其用途可以分为广播级视频采集卡，专业级视频采集卡，民用级视频采集卡。
区别主要是采集的图像指标不同：
广播级视频采集卡的采集分辨率一般为768X576（均方根值）PAL制，或720X576(CCIR-601值)PAL制25帧每秒，或640X480/720X480 NTSC制30帧每秒小压缩比一般在4:1以内。这一类产品的特点是采集的图像分辨率高，视频信噪比高，缺点是视频文件庞大，每分钟数据量至少为200MB。广播级模拟信号采集卡都带分量输入输出接口，用来连接BetaCam摄/录像机，此类设备是视频采集卡中档的，用于电视台制作节目。
专业级视频采集卡的级别比广播级视频采集卡的性能稍微低一些，分辨率两者是相同的，但压缩比稍微大一些，其小压缩比一般在6:1以内，输入输出接口为AV复合端子与S端子，此类产品适用于广告公司、多媒体公司制作节目及多媒体软件。
民用级视频采集卡的动态分辨率一般为384X288，PAL制25帧每秒。另外，有一类视频捕捉卡是比较特殊的，这就是VCD制作卡，从用途上来说它是应该算在专业级，而从图像指标上来说他只能算做民用级产品。
原理编辑
在视频信号的传输处理时，就需要视频采集卡来帮忙，因为一般摄像机的视频信号都是模拟的、连续信号，而计算机只认识数字信号(离散信号)，因为计算机是采用二进制编码的，因此，就需要一个能将模拟视频信号采集到计算机中，而且在采集的时候还有考虑视频信号采集速度、模拟信号与数字信号之间的转换、视频信号的质量等问题。这个就需要视频采集卡来帮忙了。
从视频源得到的信号，经过视频接口送到视频采集卡，信号首先进过模数转换。
采集卡 数模转换
采集卡 数模转换
其实，视频采集卡处理视频信号的主要处理还在与数模转换阶段，为什么要进行数模转换大家都清楚了，在转换的过程中肯定有信号损失，对于终视频质量肯定不是很好，因此，在视频采集卡的设计方面，就要注意信号转换的质量，视频采集卡是将模拟摄像机、录像机、LD视盘机、电视机输出的视频信号等输出的视频数据或者视频音频的混合数据输入电脑，并转换成电脑可辨别的数字数据，存储在电脑中，成为可编辑处理的视频数据文件。很多人都知道，如果做一件事，在追求速度的时候，质量就不可能很好，那么采集卡视频采集和信号处理的速度和质量怎么控制呢? 　为了提高速度，需要将视频信号压缩，采用具体哪一种视频压缩算法对视频的根式、质量又有不同的影响，压缩时用软压缩还是硬压缩也会带来不同的效果。
采集是图象经过采样、量化以后转换为数字图象并输入、存储到帧存储器的过程。由于图像信号的传输需要很高的传输速度，通用的传输接口不能满足要求，因此需要采集卡。
采集编辑
视频(Video)是多幅静止图像(图像帧)与连续的音频信息在时间轴上同步运动的混合媒体,多帧图像随时间变化而产生运动感,因此视频也被称为运动图像。
视频采集就是将视频源的模拟信号通过处理转变成数字信号(即0和1)，并将这些数字信息存储在电脑硬盘上的过程。这种模拟/数字转变是通过视频采集卡上的采集芯片进行的。
模拟视频
1)建立模拟视频采集环境
将模拟视频源(如摄像机、摄像头、录像机、VCD机、DVD机等)与装有视频采集卡的MPC(或者苹果电脑PowerMac)相连接，构成模拟视频采集的硬件环境。
2)安装视频采集软件
3)视频采集
①设置要用的视频源
②从视频源设备播放视频
③由视频采集软件完成视频采集.
数字视频
采集数字视频是指利用可连接DV视频信号的IEEE1394接口,完成将数码摄像机拍摄的DV信号采集到多媒体计算机系统的功能.首先建立一个硬件环境，包括无线传输系统。
安装 IEEEl394(FireWire或i.Link)接口卡，并用连接电缆连接DV摄像机。注意，DV连接电缆的两端接口不同,一端为4 针端口，用于连接数字摄像机，另一端为6针端口,用于连接IEEE1394卡。
选装调节DV摄像机的声音
输出的音频混频器.
安装外部扬声器.
安装视频处理软件.还需要安装或选配其他软硬件:
在电脑上通过视频采集卡可以接收来自视频输入端的模拟视频信号，对该信号进行采集、量化成数字信号，然后压缩编码成数字视频。大多数视频卡都具备硬件压缩的功能，在采集视频信号时首先在卡上对视频信号进行压缩，然后再通过PCI接口把压缩的视频数据传送到主机上。一般的PC视频采集卡采用帧内压缩的算法把数字化的视频存储成AVI文件，一些的视频采集卡还能直接把采集到的数字视频数据实时压缩成MPEG-1格式的文件。
由于模拟视频输入端可以提供不间断的信息源，视频采集卡要采集模拟视频序列中的每帧图像，并在采集下一帧图像之前把这些数据传入PC系统。因此，实现实时采集的关键是每一帧所需的处理时间。如果每帧视频图像的处理时间**过相邻两帧之间的相隔时间，则要出现数据的丢失，也即丢帧现象。采集卡都是把获取的视频序列先进行压缩处理，然后再存入硬盘，也就是说视频序列的获取和压缩是在一起完成的，免除了再次进行压缩处理的不便。不同档次的采集卡具有不同质量的采集压缩性能。
数据采集(DAQ)，是指从传感器和其它待测设备等模拟和数字被测单元中自动采非电量或者电量信号,送到上位机中进行分析，处理。数据采集系统是结合基于计算机或者其他**测试平台的测量软硬件产品来实现灵活的、用户自定义的测量系统。
工控行业比较好的采集卡如研华科技、凌华科技、NI、北京阿尔泰、日本康泰克、泓格等国内外**品牌商。
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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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