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(lèi)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€(xiàn)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(guò)各種遠(yuǎn)傳通信技術(shù)(如485、232、以太網(wǎng)、各種無(wú)線(xiàn)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(jiàn)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(lái)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(lái)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(méi)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(chēng)。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(mǎn)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(chēng)數(shù)據(jù)采集卡的測(cè)量準(zhǔn)確程度,一般用滿(mǎn)量程(FSR,full scale range)的百分比表示,常見(jiàn)的如0.05%FSR、0.1%FSR等,如滿(mǎn)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?xún)?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(guò)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??梢园捶直媛屎退俣葍蓚€(gè)參數(shù)分類(lèi)。
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(chēng)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(lèi)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(chēng)差分)兩種。單端輸入指輸入以地線(xiàn)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(wú)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(wú)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(guān)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(guò)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(wú)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(kāi)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(guò)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(xiàn), I/O地址可從100H-3F0H間選擇。
(11)工作模式:軟件查詢(xún)。
(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(lèi)。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(guò)程中D/A輸出電壓過(guò)高而引起的用戶(hù)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(xiàn)、選通譯碼總線(xiàn)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)