工控機的模擬量I/O卡

在工業現場，我們會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、電參數的等等，受現場環境的限制傳感器信號如壓力傳感器輸出的電壓或者電流信號不能遠傳或者因為傳感器太多布線復雜，我們就會選用分布式或者遠程的采集卡（模塊）在現場把信號較高精度地轉換成數字量，然后通過各種遠傳通信技術（如485、232、以太網、各種無線網絡）把數據傳到計算機或者其他控制器中進行處理。這種也算作數據采集卡的一種，只是它對環境的適應能力更強，可以應對各種惡劣的工業環境。

如果是在比較好的現場或者實驗室，如學校的實驗室，就可以使用USB/PCI這種采集卡。和常見的內置采集卡不同，外置數據采集卡一般采用USB接口和1394接口，因此，外置數據采集卡主要指USB采集卡和1394采集卡。

數據采集卡，絕大多數集中在采集模擬量、數字量、熱電阻、熱電偶，其中熱電阻可以認為是非電量（其實本質上還是要用電流驅動來采集）其中模擬量采集卡和數字量采集卡用得是最廣泛的。

數據采集卡的技術參數：

（1）通道數：就是板卡可以采集幾路的信號，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：單位時間采集的數據點數，與AD芯片的轉換一個點所需時間有關，例如：AD轉換一個點需要T = 10uS，則其采樣頻率f = 1 / T為100K，即每秒鐘AD芯片可以轉換100K的數據點數。它用赫茲（Hz），常有100K、250K、500K、800K、1M、40M等

（3）緩存的區別及它的作用：主要用來存儲AD芯片轉換后的數據。有緩存可以設置采樣頻率，沒有則不可以。緩存有RAM和FIFO兩種:FIFO應用在數據采集卡上，做數據緩沖，存儲量不大，速度快。RAM是隨機存取內存的簡稱。一般用于高速采集卡，存儲量大，速度較慢。

（4）分辨率：采樣數據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位所能表示的數據量為4096（2的12次方），即±5000 mV電壓量程內可以表示4096個電壓值，單位增量為（5000 mV）/ 4096=1.22 mV。分辨率與A/D轉換器的位數有確定的關系，可以表示成FS/2n。FS表示滿量程輸入值，n為A/D轉換器的位數。位數越多，分辨率越高。

（5）精度：測量值和真實值之間的誤差，標稱數據采集卡的測量準確程度，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，則代表測量所得到的數值和真實值之間的差距在10mv以內。

（6）量程：輸入信號的幅度，常用有±5V、±10V 、0~5V 、0~10V ，要求輸入信號在量程內進行。

（7）增益：輸入信號的放大倍數，分為程控增益和硬件增益，通過數據采集卡的電壓放大芯片將AD轉換后的數據進行固定倍數的放大。由兩種型號PGA202 (1、10、100、1000) 和PGA203 (1、2、4、8)的增益芯片。

（8）觸發：可分為內觸發和外觸發兩種，指定啟動AD轉換方式。

模/數（A/D）轉換板卡

A/D卡通常可以按分辨率和速度兩個參數分類。

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（通常這類板卡轉換速度很低，一般在1Hz~1kHz之間，但分辨率可以達到20~24位）通常只用在一些慢速測量的場合，如壓力、流量、地質共振力等。

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，除了速度和分辨率，還要確定以下幾個參數。

（1）通道數量：指A/D卡的輸入信號輸入通道數量。

（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（-）和地（GND），輸入電壓為正輸入和負輸入的差值。

如下圖所示，是研華公司的亞當系列遠程I/O板卡ADAM4520。

ADAM-4520隔離A/D轉換卡

ADAM-4520/4522是有源的RS-232到RS-422/485的轉換器，無須任何軟件驅動，硬件配置正確即可實現轉換功能。RS-485端帶有硬件自動數據流控制（自動流控，Automatic data flow），使用時無須額外進行軟件自動流控；信號端具有3000VDC隔離保護，這樣就有效的防止模塊在收到高壓沖擊時而損壞。 ADAM-4520/4522外觀與ADAM-4000系列數據采集模塊完全相同，安裝方式有導軌安裝、壁掛安裝等，也可以與ADAM-4000數據采集模塊疊加在一起。波特率最高可以達到115.2kbps，使用10V-30V直流電源供電。大多數工業計算機系統都帶有標準的RS-232的端口。雖然RS-232得到了普遍的使用，但它的傳輸速率、傳輸距離及網絡容量還是有一定的限制。RS-422和RS-485標準通過將數據及控制信號使用差分信號進行傳送，克服了RS-232的不足。ADAM-4520/4522隔離轉換器能夠讓您在早期的RS-232系統上充分利用RS-422和RS-485的優點。它能夠將RS-232信號透明轉換為RS-422和RS-485信號。無須改動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、工業級遠程通訊系統。它能夠將通訊距離再延長1200米（4000英尺），或再增加32個連接節點。

如下圖所示是北京雙諾測控公司出品的A/D轉換板卡，其技術參數如下：

AC1056板卡

（1）100kHz 12位AD， A/D內置1微秒采樣保持器；

（2）16單端、8差分（雙端）輸入，輸入開關選擇輸入模式， 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位計數器，TTL電平輸入（1056A)。

（9）二路12位D/A轉換器，輸出0－10V或0±10V，輸出精度0.2%，分辨率12位，輸出建立時間小于50uS，輸出驅動電流<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PC插卡，工作溫度0－50度。

數/模（D/A）轉換板卡

D/A卡通常可以按速度和輸出方式兩個方面分類。按速度可以分為高速（支持數據的連續轉換，速度大于500kHz）和通用（輸出準靜態信號）的，在實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，用于遠距離輸出或控制現場中標準電流環設備。電流輸出通常指4~20mA輸出（0~10mA已經基本淘汰）。

如下圖所示，是北京雙諾測控的一款D/A轉換板卡。AC1331－4路12位高速光電隔離數模轉換板，具有多功能的特點。

雙諾測控 AC1331板卡

其技術指標如下：

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

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

（3）AC1331采用數據總線、選通譯碼總線隔離的方式。

（4）板上自帶DC－DC，在電壓輸出時不需要外接電源。

（5）AC1331支持電壓與電流的同時輸出，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轉換器－DAC7625 x 4 x 2光電隔離，隔離電壓大于500V。高速光耦、實時操作，不需要軟件延時。

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

（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）電壓輸出負載電流 <5mA/通道

電壓輸出建立時間<50uS

（12）輸出最大電容負載能力：100PF

（13）工作溫度：0－70℃

（14）占用PC I/O地址16個，撥碼器選擇地址范圍100H－3F0H

半長8位PC插卡（19.5cm ? 11.3cm）