南京工程学院汽车与轨道交通学院毕业设计（论文）
第三章 信号采集系统硬件介绍及应用原理
3.1 系统硬件选择
3.1.1 PC机
本机配置：
处理器：Intel(R)Core(TM)i5-4200U CPU @ 1.60GHz 2.30GHz 内存：4GB 硬盘：500GB 显卡：2GB 3.1.2 传感器
传感器所用的型号是801s振动信号传感器。它的内部结构相当于一个金属球固
定在一个特殊的弹簧上作为一极，他的周围是另外一极，振动达到一定的幅度后两极接通，后面的调理电路作用应该是消除干扰信号，整形输出。具体原理如图3.1所示。
图3.1 振动传感器801S原理图
3.1.3 NI PCI-6024E数据采集卡
NI PCI-6024是NI公司的E系列多功能数据采集卡，依靠的是一个A/D转换器，多路采集，实际上是分时采集的，所有在多路同时工作时采样率会成倍降低。该板卡的主要性能如下：
◆ 16路模拟信号输入通道，采样率为200kS/s，输入范围为-10V～+10V； ◆ 2路模拟量输出通道，分辨率为12位； ◆ 8路数字I/O，数字触发； ◆ 2个32位定时计数器；
◆ NI-DAQmx测试软件和硬件配置支持；
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3.2 采集系统的应用原理
3.2.1数据采集概论
现在计算机普遍运用，数据采集的重要性是相当明显的。它是计算机与外部物理世界连接的桥梁。各种类型信号采集的难易程度差别很大。实际采集时，噪声也可能带来一些麻烦。数据采集时，要注意一些计算的准则，来解决一些实际中遇到的问题。
如果此刻对一个模拟信号x(t)每隔△t间隔采样一次。时间间隔△t被叫做采样间隔或者采样周期。它的倒数l/△t被称为采样频率，单位是采样数/每秒。
t＝0，△t，2△t，3△t??等等，x(t)的数值就被称为采样值。所有的x（0），X（△T），X（2 T）的采样值。所以数据信息所表示的离散的点可以用一组分散的采样值来表示：
{x(0)，x(△t)，x(2△t)，x(3△t)，?，x(k△t)，?}
单个模拟信号和它采样后的采样值如图3.2所示。采样间隔是△t，注意，采样所得到的点在时域图上表示的是离散的。
图3.2 模拟信号采样图
假如对数据信息x(t)采集N个点，那么x(t)就可以用下面这个数列表示：
X={x[0]，x[l]，x[2]，x[3]，?，x[N－l]}
信号x(t)的数字化或者采样显示在此显现出来。只是用下标变量在图中显示，而没有表示任何关于时间间隔的信息。以此假如只了解该数据信息的采样值，并不能了解它的采样率，缺少了（△t），也不能够了解数据信息x(t)的频率。
根据采样定理，最小采样频率必须两倍的信号频率。换句话说，假如设定了采样的频率，那么能够表现的最为准确没有发生任何改变的最大频率叫做恩奎斯特频率，它是采样的频率的一半。假如数据信息中有频率比奈奎斯特频率高的成分，数据信息将在直流和恩奎斯特频率之间相互交替。图3.3和图3.4表示了一个数据信息用两种方式显示出来的结果，一种是合适的采样率和另一种是过低的采样率进行采样。
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图3.3 合适采样率采样波形图
图3.4 采样率过低采样波形图
采样率太低是信号频率的降低看起来不同于原始信号。该信号称为混叠失真。为了防止这种情况的再次出现，一般会在数据信息被采集(A/D)之前，利用一个低通滤波器，将信号中高于奈奎斯特频率的数据信息成份删去理论设定采样频率是2倍的最高频率分量的信号被收集到足够的，但事实上，项目选择的5-10倍，有时为了更好地恢复波形，甚至更多。 3.2.2采集系统的一般组成及各部分功能描述
数据采集结构如图3.5所示。在数据采集系统中，程序将初始化该采集卡，卡和内存缓冲区中的数据采集和存储的中间环节。需要注意的两个问题是：
是否使用缓冲，是否使用外触发启动、停止或同步一个操作。
内存BufferDAQ板卡A/D信号Buffer(FIFO)驱动程序Labview程序硬件外触发图 3.5 数据采集结构图
显示 1．缓冲(Buffers)
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这里的缓冲指的是PC内存的一个区域(不是数据采集卡上的FIFO缓冲)，它用来临时存放数据。例如，你需要收集第二收集数以千计的数据，在第二显示或图形数据是困难的。但采集卡的数据缓冲区，你可以下载他们的快速存储，稍后再取回它显示和分析。请注意，缓冲和收集的运行速度和容量。
不要使用缓冲装置的每个数据必须及时处理（图形分析等）。 下列情况需要使用Buffer I/O：
① 需要收集或产生许多样品，率超过实际的显示，存储硬件，速度和实时性分析。
② 需要不断收集或产生交流数据（> 10样本/秒），并在同一时间或表现出一定的数据分析。
③ 采样周期必须准确，一致通过样本数据。 下列情况可以不使用Buffer I/O：
① 数据组短小，例如每秒只从两个通道之一采集一个数据点。 ② 需要缩减存储器的开支。 2．触发(Triggering)
触发有关于初始化、终止或同步采集事件的方式得到了有关应用。触发器一般都是由数字或模拟信号组成的，它的显示可以来表明状态的触发。软件触发最容易，你可以使用该软件，如布尔控制面板的使用启动/停止数据采集。硬件触发让板卡上的电路管理触发器，控制了采集事件的时间分配，有很高的精确度。硬件触发可进一步分为外部触发和在内部触发。当模拟信号输出一个指定的输出电压时，该电压让采集卡输出一个固定脉冲，这就是内部的触发。采集卡等外部设备，数字脉冲到达初始化数据采集卡，这是一个外部触发。很多仪器表示数字输出用于触发特定的仪器，在这里，便是数据采集卡。
下列情况使用软件触发：
用户需要的所有集合操作的显式控制，和事件的时间不需要很精确的。 下列情况使用硬件触发： ① 采集事件定时需要非常准确。 ② 用户需要削减软件开支。 ③ 采集事件需要与外部装置同步。 3.2.3输入信号的类型
在进行数据采集前，必须对要采集的信号有所了解，因为不同信号的测量方式和对采集系统的要求是不同的，只有了解被测信号，才能选择合适的测量方式和采集系统。
一个任意的信号在时间上是一个物理量的变化。在正常情况下，携带信息的
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信号是非常广泛的，比如：状态(State)、速率(Rate)、电平(Level)、形状(Shape)、频率成分(Frequency Content)。通过对数据信息的传播方式的不同，信号可以被分成模拟信号和数字信号两种。数字信号还包含两种不同的类别，它们是开关信号和脉冲信号。模拟信号就可以表现为为直流、时域、频域信号。
1．数字信号(Digital)
第一类数字信号是开关信号(On-Off)，开关信号如图3.6所示。一个开关信号携带的信息和信号的瞬时状态。TTL信号是一个开关信号，TTL信号如果2.0V至5.0V的，我们把它定义为逻辑高，如果是0到0.8V之间，被定义为逻辑低。
OnOffStatet图 3.6 开关信号图
第二类数字信号是脉冲信号（脉冲），脉冲信号，如图3.7所示。很大一部分的状态分析都包含在这些数据信号里面，信息就包含在状态转化发生的数目、转换速率、一个转换间隔或多个转换间隔的时间里。
Ratet图 3.7 脉冲信号图
2．模拟信号(Analog)
模拟直流信号（直流）是一个模拟信号在休息或变化很慢，模拟直流信号如图3.8所示。
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