工控機(jī)的模擬量I/O卡

在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，我們會(huì)安裝很多的各種類型的傳感器，如壓力的、溫度的、流量的、聲音的、電參數(shù)的等等，受現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的限制傳感器信號(hào)如壓力傳感器輸出的電壓或者電流信號(hào)不能遠(yuǎn)傳或者因?yàn)閭鞲衅魈嗖季€復(fù)雜，我們就會(huì)選用分布式或者遠(yuǎn)程的采集卡（模塊）在現(xiàn)場(chǎng)把信號(hào)較高精度地轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，然后通過各種遠(yuǎn)傳通信技術(shù)（如485、232、以太網(wǎng)、各種無線網(wǎng)絡(luò)）把數(shù)據(jù)傳到計(jì)算機(jī)或者其他控制器中進(jìn)行處理。這種也算作數(shù)據(jù)采集卡的一種，只是它對(duì)環(huán)境的適應(yīng)能力更強(qiáng)，可以應(yīng)對(duì)各種惡劣的工業(yè)環(huán)境。

如果是在比較好的現(xiàn)場(chǎng)或者實(shí)驗(yàn)室，如學(xué)校的實(shí)驗(yàn)室，就可以使用USB/PCI這種采集卡。和常見的內(nèi)置采集卡不同，外置數(shù)據(jù)采集卡一般采用USB接口和1394接口，因此，外置數(shù)據(jù)采集卡主要指USB采集卡和1394采集卡。

數(shù)據(jù)采集卡，絕大多數(shù)集中在采集模擬量、數(shù)字量、熱電阻、熱電偶，其中熱電阻可以認(rèn)為是非電量（其實(shí)本質(zhì)上還是要用電流驅(qū)動(dòng)來采集）其中模擬量采集卡和數(shù)字量采集卡用得是最廣泛的。

數(shù)據(jù)采集卡的技術(shù)參數(shù)：

（1）通道數(shù)：就是板卡可以采集幾路的信號(hào)，分為單端和差分。常用的有單端32路/差分16路、單端16路/差分8路

（2）采樣頻率：?jiǎn)挝粫r(shí)間采集的數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)，與AD芯片的轉(zhuǎn)換一個(gè)點(diǎn)所需時(shí)間有關(guān)，例如：AD轉(zhuǎn)換一個(gè)點(diǎn)需要T = 10uS，則其采樣頻率f = 1 / T為100K，即每秒鐘AD芯片可以轉(zhuǎn)換100K的數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)。它用赫茲（Hz），常有100K、250K、500K、800K、1M、40M等

（3）緩存的區(qū)別及它的作用：主要用來存儲(chǔ)AD芯片轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)。有緩存可以設(shè)置采樣頻率，沒有則不可以。緩存有RAM和FIFO兩種:FIFO應(yīng)用在數(shù)據(jù)采集卡上，做數(shù)據(jù)緩沖，存儲(chǔ)量不大，速度快。RAM是隨機(jī)存取內(nèi)存的簡(jiǎn)稱。一般用于高速采集卡，存儲(chǔ)量大，速度較慢。

（4）分辨率：采樣數(shù)據(jù)最低位所代表的模擬量的值，常有12位、14位、16位等（12位分辨率，電壓5000mV）12位所能表示的數(shù)據(jù)量為4096（2的12次方），即±5000 mV電壓量程內(nèi)可以表示4096個(gè)電壓值，單位增量為（5000 mV）/ 4096=1.22 mV。分辨率與A/D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)有確定的關(guān)系，可以表示成FS/2n。FS表示滿量程輸入值，n為A/D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)。位數(shù)越多，分辨率越高。

（5）精度：測(cè)量值和真實(shí)值之間的誤差，標(biāo)稱數(shù)據(jù)采集卡的測(cè)量準(zhǔn)確程度，一般用滿量程(FSR，full scale range)的百分比表示，常見的如0.05%FSR、0.1%FSR等，如滿量程范圍為0~10V，其精度為0.1%FSR，則代表測(cè)量所得到的數(shù)值和真實(shí)值之間的差距在10mv以內(nèi)。

（6）量程：輸入信號(hào)的幅度，常用有±5V、±10V 、0~5V 、0~10V ，要求輸入信號(hào)在量程內(nèi)進(jìn)行。

（7）增益：輸入信號(hào)的放大倍數(shù)，分為程控增益和硬件增益，通過數(shù)據(jù)采集卡的電壓放大芯片將AD轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)進(jìn)行固定倍數(shù)的放大。由兩種型號(hào)PGA202 (1、10、100、1000) 和PGA203 (1、2、4、8)的增益芯片。

（8）觸發(fā)：可分為內(nèi)觸發(fā)和外觸發(fā)兩種，指定啟動(dòng)AD轉(zhuǎn)換方式。

模/數(shù)（A/D）轉(zhuǎn)換板卡

A/D卡通常可以按分辨率和速度兩個(gè)參數(shù)分類。

按分辨率可將A/D卡分為：8位、12位、16位和超高分辨率（大于16位）幾種。另外還有一部分不常用的10位分辨率的板卡。8位A/D卡稱為低分辨率卡，用在一些簡(jiǎn)單采集和高速采集上。12/16位A/D卡為最常用的板卡。大于16位的板卡（通常這類板卡轉(zhuǎn)換速度很低，一般在1Hz~1kHz之間，但分辨率可以達(dá)到20~24位）通常只用在一些慢速測(cè)量的場(chǎng)合，如壓力、流量、地質(zhì)共振力等。

按采集速度可將A/D卡分文低速、中速和高速板卡，目前對(duì)其定義如下：

低速板卡：采樣速度在100kHz以下；

中速板卡：采樣速度在200kHz~500kHz；

高速板卡：采樣速度在1MHz以上。

在選擇板卡時(shí)，除了速度和分辨率，還要確定以下幾個(gè)參數(shù)。

（1）通道數(shù)量：指A/D卡的輸入信號(hào)輸入通道數(shù)量。

（2）輸入范圍：指A/D卡的輸入電壓的范圍，如0~10V，0~5V，—10V~+10V或更低如0~100mV、—25~+25mV。單極性輸入指輸入為正電壓，雙極性輸入指支持正、負(fù)輸入電壓。

（3）輸入通道的形式：有單端和雙端（或稱差分）兩種。單端輸入指輸入以地線為參考；雙端（或差分）輸入指輸入有正（+）、負(fù)（-）和地（GND），輸入電壓為正輸入和負(fù)輸入的差值。

如下圖所示，是研華公司的亞當(dāng)系列遠(yuǎn)程I/O板卡ADAM4520。

ADAM-4520隔離A/D轉(zhuǎn)換卡

ADAM-4520/4522是有源的RS-232到RS-422/485的轉(zhuǎn)換器，無須任何軟件驅(qū)動(dòng)，硬件配置正確即可實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換功能。RS-485端帶有硬件自動(dòng)數(shù)據(jù)流控制（自動(dòng)流控，Automatic data flow），使用時(shí)無須額外進(jìn)行軟件自動(dòng)流控；信號(hào)端具有3000VDC隔離保護(hù)，這樣就有效的防止模塊在收到高壓沖擊時(shí)而損壞。 ADAM-4520/4522外觀與ADAM-4000系列數(shù)據(jù)采集模塊完全相同，安裝方式有導(dǎo)軌安裝、壁掛安裝等，也可以與ADAM-4000數(shù)據(jù)采集模塊疊加在一起。波特率最高可以達(dá)到115.2kbps，使用10V-30V直流電源供電。大多數(shù)工業(yè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)都帶有標(biāo)準(zhǔn)的RS-232的端口。雖然RS-232得到了普遍的使用，但它的傳輸速率、傳輸距離及網(wǎng)絡(luò)容量還是有一定的限制。RS-422和RS-485標(biāo)準(zhǔn)通過將數(shù)據(jù)及控制信號(hào)使用差分信號(hào)進(jìn)行傳送，克服了RS-232的不足。ADAM-4520/4522隔離轉(zhuǎn)換器能夠讓您在早期的RS-232系統(tǒng)上充分利用RS-422和RS-485的優(yōu)點(diǎn)。它能夠?qū)S-232信號(hào)透明轉(zhuǎn)換為RS-422和RS-485信號(hào)。無須改動(dòng)PC上的任何硬件及軟件。ADAM-4520能夠輕松地建立起一套基于PC硬件的、工業(yè)級(jí)遠(yuǎn)程通訊系統(tǒng)。它能夠?qū)⑼ㄓ嵕嚯x再延長(zhǎng)1200米（4000英尺），或再增加32個(gè)連接節(jié)點(diǎn)。

如下圖所示是北京雙諾測(cè)控公司出品的A/D轉(zhuǎn)換板卡，其技術(shù)參數(shù)如下：

AC1056板卡

（1）100kHz 12位AD， A/D內(nèi)置1微秒采樣保持器；

（2）16單端、8差分（雙端）輸入，輸入開關(guān)選擇輸入模式， 輸入阻抗 >100MΩ， 最大輸入電壓： < +15V / －15V，DB25孔式輸入連接器。

（3）輸入為雙極性輸入幅度：0~5V（可以選擇0~ 10V），單極性輸入幅度0~10V，

（4）輸入程控放大器，放大倍率：1，2，4，8倍。

（5）最大通過率: 50kHz，輸入通道建立時(shí)間<10uS，精度0.1％，分辨率12位。

（6）自帶DC－DC供給采樣部分的電源。

（7）數(shù)字IO，TTL電平兼容。40腳扁平電纜插座輸出:高電壓 > 3.5V，低電壓 < 0.4V，輸出下拉電流 > 5ｍＡ/路，輸入電流：<0.1mA。

（8）二路16位計(jì)數(shù)器，TTL電平輸入（1056A)。

（9）二路12位D/A轉(zhuǎn)換器，輸出0－10V或0±10V，輸出精度0.2%，分辨率12位，輸出建立時(shí)間小于50uS，輸出驅(qū)動(dòng)電流<6mA 。

（10）AC1056占用4條PC I/O地址線, I/O地址可從100H-3F0H間選擇。

（11）工作模式：軟件查詢。

（12）半長(zhǎng)PC插卡，工作溫度0－50度。

數(shù)/模（D/A）轉(zhuǎn)換板卡

D/A卡通?？梢园此俣群洼敵龇绞絻蓚€(gè)方面分類。按速度可以分為高速（支持?jǐn)?shù)據(jù)的連續(xù)轉(zhuǎn)換，速度大于500kHz）和通用（輸出準(zhǔn)靜態(tài)信號(hào)）的，在實(shí)際中我們所接觸的多為D/A卡。按D/A卡的輸出可以劃分為電壓和電流。電流輸出通常為4~20mA或0~10mA，用于遠(yuǎn)距離輸出或控制現(xiàn)場(chǎng)中標(biāo)準(zhǔn)電流環(huán)設(shè)備。電流輸出通常指4~20mA輸出（0~10mA已經(jīng)基本淘汰）。

如下圖所示，是北京雙諾測(cè)控的一款D/A轉(zhuǎn)換板卡。AC1331－4路12位高速光電隔離數(shù)模轉(zhuǎn)換板，具有多功能的特點(diǎn)。

雙諾測(cè)控 AC1331板卡

其技術(shù)指標(biāo)如下：

（1）AC1331還特別設(shè)計(jì)了上電輸出清零的功能－防止PC機(jī)上電過程中D/A輸出電壓過高而引起的用戶設(shè)備的損壞。

（2）AC1331支持4路同時(shí)鎖存功能，應(yīng)用高速光電隔離器件，使操作可以達(dá)到非隔離D/A板的速度。

（3）AC1331采用數(shù)據(jù)總線、選通譯碼總線隔離的方式。

（4）板上自帶DC－DC，在電壓輸出時(shí)不需要外接電源。

（5）AC1331支持電壓與電流的同時(shí)輸出，電流輸出（4－20毫安）為下拉吸入方式。

（6）輸出DB25芯(孔)插座。

（7）4路12位D/A轉(zhuǎn)換器－DAC7625 x 4 x 2光電隔離，隔離電壓大于500V。高速光耦、實(shí)時(shí)操作，不需要軟件延時(shí)。

（8）每路輸出可分別選擇輸出為：0-5V、-5V－+5V、0-10V、-10V－+10V同時(shí)支持4－20mA電流輸出（吸入式），同時(shí)上電清零。

（9）電壓輸出精度0.1％(5V)、0.3%(其它檔電壓輸出)，電流輸出精度0.3％。

（10）輸出分辨率12位，誤差±1LSB(FSR)

（11）電壓輸出負(fù)載電流 <5mA/通道

電壓輸出建立時(shí)間<50uS

（12）輸出最大電容負(fù)載能力：100PF

（13）工作溫度：0－70℃

（14）占用PC I/O地址16個(gè)，撥碼器選擇地址范圍100H－3F0H

半長(zhǎng)8位PC插卡（19.5cm ? 11.3cm）