数字信号采集（精选9篇）
数字信号采集 篇1
在数字电路测试技术中, 基于电压测量的检测技术是多年来研究的重点。该方法通过观察正常电路和故障电路的输出响应来检测故障。它主要是针对固定型故障的, 改进后的电压测试方法也可以用于检测延时故障。该方法的优点是测试速度快, 识别高低电平的精度要求不高[1]。在电压测量技术中, 还有很多基于运算的测量方法[2]。但是, 由于需要对电路做出较多的运算分析或仿真, 随着电路信号数量不断增多, 这种方法的便捷性和易用性往往会受到限制。
本文基于电压测量技术, 设计了一种能够进行数字信号采集和回放的系统电路。本电路以FPGA为核心, 以NAND FLASH芯片为存储载体, 可实现72路数字信号测试, 并且每通道达到100Msps的采集 (回放) 速度。
1 系统电路结构和功能设计
整个系统包含存储板、系统底板、USB2.0接口控制板、回放驱动板、采集转接板等多个组成部分, 能够实现72路数字信号的同步采集和回放。系统结构示意图如下。
所有板卡均插装在系统底板上, 通过数据及控制总线相连。系统中的存储板有9块, 每块可存储8路数字信号, 可实现72路信号的数据存储。每块存储板上有8片8GB FLASH芯片。系统总存储容量为576GB, 按照100M采样率, 可采集或回放10分钟以上, 数据存取速度达900MB/S。
在采集过程中, 被测数字信号通过采集转接板转移到存储板;在回放过程中, 存储板中的数据首先通过回放驱动板输出到被测数字电路。
1.1 FLASH存储板设计
每块存储板上集成了8片NAND FLASH芯片, 分别存储8路数字信号, 并通过FPGA芯片实现接口控制和数据存取。
器件选型方面, 采用了K9HCG08U1M型号的NAND FLASH, 该芯片支持最高40MB/S的瞬间数据存取速率, 容量8GB。
FPGA方面采用了ALTERA公司CYCLONE 3系列芯片, 型号为EP3C25Q240C8N.该芯片有149个可分配IO引脚, 内部RAM资源达608256bits, 含4个锁相环, 完全满足本设计需求[4]。
存储板通过VME32插头与底板数据总线连接, 插头内包含了采集、擦除、回放等控制线和8路数字信号线。
1.2 系统底板设计
系统底板是其它板卡互连的基础, 还提供电源转换、插板接口、开关控制和指示、系统时钟选择等功能。
电源转换芯片组位于底板上侧, 便于散热。提供系统电源。
中间部分是9块FLASH存储卡的VME插座位, 底端是数据总线接口, 用于与USB控制板和回放驱动板等进行连接。
右侧是开关控制电路和晶振电路。开关控制电路主要负责对来自USB控制板的开关信号进行处理, 并通过指示灯加以显示。晶振电路则可提供25MHz和6.25MHz两种时钟, 并在FPGA内部进行4倍频处理。在高速采集回放过程中, 使用25MHz时钟, 可达到100MSPS的采样率和同等回放速率。
1.3 USB接口控制板设计
USB接口控制板主要负责系统设备与上位机之间的数据交换, 包括控制命令和采集回放数据的读写操作。电路板的接口主要有USB2.0接口, 数据及控制总线接口, 回放引脚设置总线接口。本设计中, 采用了CYPRESS公司的USB2.0芯片CY7C68013-128AC作为USB接口芯片。该芯片最高数据速率可达48MB/S。
1.4 采集转接板设计
它的功能是将被测数字电路板转接出来, 使之保持正常工作, 并对其引脚信号加强驱动, 以便本系统设备进行采集。采集时, 将转接口连接到待测设备的数字电路板所在位置, 然后将数字电路板插在采集转接板中间的接口上, 并使用排线与本系统面板的采集接口相连。此时启动待测设备, 在其进入工作状态时启动采集。
1.5 回放驱动板设计
由于FLASH存储卡的驱动能力较弱且没有信号方向选择, 所以在回放时, 必须经过驱动增强和引脚输入输出的方向选择, 才能使被测数字电路板正常工作起来。本设计采用“FPGA+三态门”的方式, 实现回放信号引脚方向选择和驱动。
USB Local Bus通过FPGA进行命令的接收和译码, 并产生三态门控制信号。底板总线接口提供所有72路数字信号, 经过三态门电路选择后, 产生相应的驱动信号给被测数字电路板。
2 上位机软件设计
上位机软件主要负责USB驱动程序的调用、通信协议的实现。系统电路的各种操作均可通过上位机软件完成。其通信协议包括命令设置、数据帧的收发、返回状态判断等等。软件通过协议控制进行采集和回放测试、数据的导入导出操作。“触发采集”用于设置触发采集模式下的参数。
3 系统测试
为了验证本系统设备的各项性能, 针对某型72脚数字电路板进行了现场采集。该型电路板的72路信号除电源和地以外, 均为数字信号, 且最高工作频率为3MHz。
在采集过程中, 观察被测设备和电路板是否仍能正常工作。采集结果表明, 被测设备工作不受影响, 本系统工作正常, 故障灯未亮, 可完成10分钟的采集过程。
在采集结束后, 进行了回放测试, 使用示波器对回放驱动板的信号进行了波形测试。测试结果表明, 回放接口能够完整再现采集到的数字信号。各通道回放信号之间的误差不超过10ns。
4 结论
目前市面上已有的数字信号测量工具, 受限于采集速度、存储深度、可测通道数、现场易用性、信号复现等诸多因素;另一方面, 某些数字电路的维修不只是要做简单的波形测量, 还需要进行信号激励和驱动, 并观察响应, 以确认电路的工作是否正常。本文设计的系统电路以FPGA和FLASH为核心, 可以完成信号记录和回放的功能, 能够对数字信号较多的电路板维修和故障定位发挥极大的辅助作用, 也为数字信号测试技术提供了一种新的方式方法。
参考文献
[1]胡敏明.几种典型的数字电路测试技术[J].管理科学, 2009.
[2]杨士充.数字系统的故障诊断与可靠性设计[M].北京:清华大学出版社, 2000.
数字信号采集 篇2
4.遥测越限信号 5.告知信号
二、COS信号和SOE信号的区别？
COS信号：遥信变位（不带时间标记）SOE信号：事件顺序记录(sequence of event)（分辨率不大于2ms），把事件（开关或保护动作）发生的时间按先后顺序逐个记录下来，这就是事件顺序记录。
三、为什么保护出口信号和开关位置信号要设置SOE 事件顺序记录主要用来提供时间标记，以利于对电力系统的事故分析。
四、为什么要设置事故总信号，没有可以吗？ 防止开关偷跳
五．某110kV变电站主变高压侧开关发SF6二级告警，运维人员如何处理？ 1．运维人员应立即汇报当班调度员；
2．运维人员按照调度指令加强对该开关的SF6气压监视，防止出现一级告警后闭锁分合闸；
3．通知检修人员到站检查处理； 4．做好相关安全措施，带电补气。
六．某110kV变电站运行主变发过负荷告警，监控人员如何处理？ 1.监控人员应立即汇报调度；
嵌入式数字信号采集系统的设计 篇3
1系统组成
采集系统的组成如图1所示。
本系统分为基于FPGA的数字信号采集模块和嵌入式控制模块。对于数字信号采集部分,主要由FPGA控制完成数据的采集与存储,其基本程序内容包括:系统各时钟、AD采集控制、特殊信号采集控制、数字信号采集控制、SRAM控制、控制系统核心、与嵌入式系统接口等。嵌入式系统控制模块采用基于ARM9的架构。以ARM9为核心,搭建嵌入式系统的硬件平台。在此平台之上,移植了嵌入式Linux操作系统,并使用基于嵌入式Linux操作系统的嵌入式QT作为图形开发工具。最终实现对采集模块的控制和数据基本信号处理及显示任务。
2具体实现
2.1 FPGA固件设计
FPGA固件程序使用Verilog DHL语言编写,用于配置FPGA。配置后的FPGA相当于一个小型的控制系统,接收采集电路的各种信号,并根据从嵌入式控制模块接收的控制指令,给予采集电路相应的控制信号,完成各种采集功能,将采集数据存储于外接的大容量SRAM中。为了实现这些功能,程序包括以下模块:采集电路的数字部分各模块、系统各时钟模块、AD采集控制模块、长周期窄脉冲信号采集控制模块、数字信号采集控制模块、SRAM控制模块、控制系统核心模块、与嵌入式系统接口模块等。各个模块之间的关系如图2所示。
2.2采集系统硬件部分
采集系统的硬件部分可以按照被测信号类型分为模拟信号AD转换部分,长周期窄脉冲的特殊信号相位控制部分和普通数字信号并行采集缓冲部分和FPGA采集控制四个部分。
同时硬件系统也可以按照电路功能进行分类,分为自动量程控制部分,AD信号采集部分,特殊信号采集部分,数字信号缓冲部分,FPGA控制部分和电源部分等六个部分。
自动量程控制:可以在保证输入电阻足够大的情况下,根据输入电压的范围自动调整量程范围,从而适应各种电压范围的输入信号。由于测试接口信号电平的不确定性,要实现对小到几V,大到200V的信号都能检测,由于AD精度一定且跟信号占量程的大小直接相关,且AD输入信号范围为-10~10V,为了在任何情输入信号的情况下都能保证测试信号进入AD时不会超过AD输入范围,并且保证足够的转换精度,需要对输入信号进行预处理,包括信号的衰减或放大。其电路组成分为降压跟随器,电压比较器,过压判定,输入保护、继电器、电阻分压网络,延时开关等六个部分。
AD转换模块:主要完成对模拟信号的模数转换。其采用AD7665芯片,主要参数为:采集速率:570k SPS;分辨率:16bit;输入信号范围:±10V;供电:单+5V电源供电;输出方式:串行(SPI)、并行;数字部分输出电压:5V/3V。
特殊信号处理:基本原理就是设置一个计数器在第一个脉冲上升沿到达时开始计数,并在脉冲下降沿到来的时刻将计数器的数值置入寄存器,等待SPI发送。这样,就可以计算各个脉冲之间的计数差,由于计数所使用高频时钟的频率已知,就可以计算出时间差,在通过标志位判断各个脉冲计数值属于哪个通道就可以计算出各通道的周期,和两个通道之间的相位差。
数字信号存储:采用74LS16244芯片,完成对采集数据的存储。
模块供电:电源电路采用220V50Hz的交流电输入,经过一级变压整流和斩波得到+15V和-15V两种直流电,两路电源分别经过四个电源模块:KA7805,KA7905,KA7812和KA7912来获得+5V、-5V、+12V、-12V四种直流电源供各模块使用。
2.3嵌入式采集系统及应用程序
嵌入式采集系统主要完成采集控制、数据前期处理和回显功能,通过与FPGA的接口,嵌入式系统对采集电路起到控制作用,并能接受采集到的数据进行存储、预处理和回显,界面交互性很好。
嵌入式系统选用了三星公司的ARM920T系列的微处理S3C2440AL-40作为处理核心。ARM920T系列微处理器是ARM9TDMI通用微处理器家族的成员之一,内部带有全性能的MMU,具有高性能、低功耗、接口丰富和体积小能优良特性。
为了减少开发周期,选择使用一款相应的ARM嵌入式系统平台,这样嵌入式系统部分的开发工作就可以集中在应用软件的开发上,而不用再去设计、制作ARM的硬件电路。经过比较,最后选择了扬创科技有限公司的YC2440-SBC嵌入式系统平台。该套装包括一块YC2440-SBC板和一块7寸TFT真彩液晶屏(带触摸)及其驱动电路,如图3所示。
软件开发平台选用嵌入式Linux操作系统,在应用程序开发上分为主程序、开机画面类和主应用窗口类三大部分。主程序主要完成程序的启动、开机画面类对象的执行和主应用窗口类对象的执行功能;开机画面类主要用于在程序启动后显示开机欢迎画面;主应用窗口类用于实现程序的应用功能。其类成员函数又分为构建函数族(主要是界面)、采集函数族、数据处理函数族、数据显示函数族、串行通信函数族。五个函数族中的函数协同完成数据的采集、存储、处理和显示等功能。
3实验结果
本系统针对某装备62路信号接口成功的进行了信号采集。图4为33-40路信号的采集波形。实验验证表明表明采集的信号准确,完全满足设计的指标要求,能做到连续快速的多接口信号采集,对采集的信号可以存储并在显示器上显示出来。
4结论
本系统采集功能完善,已对某型装备的测试接口进行了信号采集。实验表明本系统能够做到大容量高速连续采集,而且稳定可靠,测得的数据准确,为某型装备保障提供了依据。
参考文献
[1]李鑫.浅谈数字信号处理器DSP的发展和应用[J].硅谷,2008.
[2]邵淑华,张晓红,李国彬.浅析数字信号处理器发展与应用[J].办公自动化:综合版,2007.
[3]潘群,经亚枝.基于FPGA的交流信号采集与处理系统[J].单片机与嵌入式系统应用,2004.
某型飞机魔球信号采集与分析 篇4
某型飞机魔球信号采集与分析
从阐述魔球操作对目标瞄准的实现机制入手,分析了数据采集系统的总体结构及采集系统的硬件设计和软件设计思想.实现了对飞机魔球信号的.实时采集,并对采集结果进行仿真分析,从而推导出不同相关武器种类、目标与弹轴不同夹角、不同目标距离、不同工作状态下魔球信号的变化规律.
作 者：丁达理 赵辉 黄长强 任波 DING Da-li ZHAO Hui Huang Chang-qiang Ren Bo 作者单位：空军工程大学工程学院,陕西,西安,710038刊 名：火力与指挥控制 ISTIC PKU英文刊名：FIRE CONTROL AND COMMAND CONTROL年，卷(期)：31(5)分类号：V241关键词：魔球信号 数据采集 仿真分析
数字信号采集 篇5
1 系统硬件电路设计①
1.1 DSP处理器系统
完整的处理器系统是以TMS320F2812芯片为核心的最小系统。电源产生模块为系统各部分提供稳定的工作电压,保障系统的安全运行。ADC转换模块和SPI串行通信模块分别实现了数据的采集和传输。考虑到DSP的逻辑电压为3.3V,引脚带负载能力较弱,为了增强PWM/GPIO端口的驱动性能,采用74HC245芯片提高其带负载能力[3]。另外,处理器系统中还需要设计合适的复位电路和JTAG下载接口电路。整个系统的结构框图如图1所示。
1.2 ADC转换模块校正
TMS320F2812DSP的ADC转换模块是12位的,理论采样精度很高,但根据工程经验来看,其采样精度只能达到9位,约为0.2%。而且在实际生产应用中,由于受到温度、环境等因素的影响,ADC模块的精度会出现明显的下降,采样值与实际值之间出现较大的误差,甚至达到20%,ADC转换模块误差主要是由增益误差和偏移误差造成的[4]。如图2所示,理想的转换曲线是一条经过原点的以m为增益的直线,而实际的转换曲线的增益为M,偏移量为b,数字输出量y与模拟输入量x之间的关系为y=M×x+b。根据两个坐标数据即可求出未知参数增益M和偏移量b。
将通过两路基准电源VREFA和VREFB分别提供给ADC转换模块的两路采样通道ADCINA0和ADCINB0进行ADC转换,两路精准电源分别作为模拟量输入x1和x2,转换结果为数字输出量y1和y2,这样就可以计算出转换曲线的实际增益M和偏移量b:
基准电压VREFA和VREFB是将稳压电源TL431的输出电压Vout经电阻分压后得到的。根据电路原理(图3),可以得出:
1.3 DSP开发板和液晶显示模块
在原理图的基础上生成PCB图并完成DSP开发板的制作。
系统选用OCMJ8X15D字符型液晶显示屏,通过DSP的SPI串行接口实现数据通信[5]。液晶显示屏要求数据并行输入,需要通过移位器74HC595芯片完成数据的传送。
2 系统软件程序设计
DSP处理器是在CCS软件中进行基本的配置和编程的,需要在此软件下进行环境配置、源程序编辑、源程序链接、源程序调试及运行结果分析等操作[6]。
2.1 数字滤波软件
在工业生产应用中,所面临的数据采集对象往往是与电网相匹配的正弦交流信号。采用CCS与Matlab联合开发设计数字滤波器[7]。设置通带截止频率为50Hz,阻带截止频率为100Hz;通带纹波和阻带纹波为0.01d B;调整DSP定时器参数,将采样频率设置为1k Hz,利用窗函数法设计FIR滤波器。
Kaiser窗设计如下(设置δ=0.01):
根据计算所得数据参数在Matlab命令窗口中输入指令:b=firl(30,0.15,’low’,Kaiser(31,3.3953)),即可得出各阶滤波器的参数。设计数字滤波器的幅频和相频特性曲线如图4所示。
2.2 系统主程序
系统主程序设计是对各个功能程序模块的整合[8]。完成系统初始化设置之后进入主函数部分,并在主函数中进入循环,等待中断,中断发生后进入中断处理环节,在此阶段需要DSP完成复杂的数据滤波处理、数据传输和中断复位。图5所示为主程序流程。
3 实验验证
在完成系统设计后,笔者以信号发生器作为信号源,产生正弦交流信号输入到DSP采样通道进行数据采样。实验结果如图6所示。
实验表明,所设计的数据采集与显示系统能够精确地采集到被测量并实现动态显示。数据采集精度在1%以内。
4 结束语
设计的以TMS320F2812芯片为核心的DSP处理器,凭借其高速数据处理能力,能够完成数据的快速采集、分析处理、同步通信,驱动液晶显示屏完成数据动态显示。自主设计制作驱动控制模块,提高了系统的集成度,降低了设计成本,避免了处理器模块的资源浪费,具有一定的应用价值。
参考文献
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[2]曹梦婷.基于TMS320F2812的数据采集及数字滤波[D].太原:中北大学,2008.
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[6]王宇飞,张勋,丁雪兴.基于频谱分析的离心泵故障诊断[J].化工机械,2015,42(6):854~856.
[7]肖春华,李秀红,孙忠富,等.嵌入式无线远程环境监测系统的实现[J].微计算机信息,2007,23(11):4~6.
数字信号采集 篇6
关键词：整系数数字滤波器,信号采集,软件滤波,MSP430F449
0 引言
在进行高冲击信号采集试验时,虽然在采集板中设计了硬件滤波单元,但依然存在着采集信号毛刺较多的现象,这为后续信号的识别和分析带来了不便,因此需要采用软件滤波的方法对信号进行再次处理。
常用的数字滤波器有IIR滤波器和FIR滤波器。从性能上看,IIR滤波器所用的系数少,可以提高运算速度,但其相位响应,特别是带沿为非线形,稳定性不能一直得到保证。FIR数字滤波器可以得到严格的线性相位,但对同一幅频特性要求,实现阶数高,运算量大。因此一般的IIR和FIR数字滤波器难以做到严格的线性相位与小运算量兼顾[1],再加上采用浮点运算,影响了对信号的实时处理速度[2]。
在对采集的冲击信号进行软件滤波处理时,为了加快计算速度,对滤波器的性能要求并不是很高,滤波器设计应简单易行,因此整系数滤波器是很好的选择。这里详细说明了建立在极零点抵消基础上的简单整系数滤波器的递归实现方法,并在硬件自带开发环境IAREmbedded Workbench中编写滤波算法,将其应用在所设计的信号采集系统中,取得了较好的试验效果。
1 建立在极零点抵消基础上的简单整系数滤波器
建立在极零点抵消基础上的整系数滤波器以“梳状滤波器”为基础,通过设置不同的极点位置及抵消相应位置处的零点,分别设计出具有低通、高通、带通和带阻特性的整系数滤波器[3,4,5]。
若一系统的传递函数为:
可以看出,H(z)有M个零点均匀分布在单位圆上,它的频率响应为:
这构成了一个最简单的“梳妆滤波器”,它由其在2π内有M个等分零点,并且幅度为梳妆而得名。
若z=1处设置一个极点,用以抵消H(z)处的零点,则系统的传递函数为:
频率特性为:
当M=10时,其极-零分布以及幅频特性分别如图1和图2所示。可以看出,该滤波器具有低通特性,系数为整数。
由图2可以看出,滤波器的阻带性能不好,这是因sin函数的较大边瓣引起的。为了压缩这些边瓣,取得更好的性能,需将滤波器的传递函数HLP(z)取k次方,得到:
为了进行归一化处理,需将式(5)除以N,滤波器的系数就是非整数,无法体现进行滤波器整系数的优势。因此可以先将信号数据进行滤波,滤波后的数据再除以N,这样既利用了整系数滤波器的良好性能,又达到了归一化的目的。通过这种方法设计出的滤波器,性能基本可满足要求,在设计带通和带阻滤波器时,频率的选择会受到一定限制。
2 低通数字滤波器的软件实现
2.1 整系数低通滤波器的实现
分析所要应用的硬件电路和采集信号的参数[6]时,结合上一节所介绍的滤波器设计方法,进行简单整系数低通滤波器的设计。要求截止频率fp=1 kHz,采样频率fs=60 kHz,通带衰减ap=3 dB,阻带衰减as=40 dB。由式(4)及式(5),有:
由已知条件可知,相应数字滤波器3 dB的通带边界频率为:
又由于|HLP(ejω)|在0～2π内M个过零的点中,峰值出现在3π/M处,因此阻带中对应as=40 dB的频率ωs=3π/M。
由式(6)可得:
所以,k=as/13.46=40/13.46=2.971,在此取k为整数,四舍五入得到k=3。
又有:
设Mωp/2=t,有:
在ωp处,恒为正,因此有:
将展开成泰勒级数,并取前两项近似,得到:
代入ap=π/30,k=3,求出t=±0.807 8,这里t应取正值。又有Mωp/2=t,因此可以求得:
这里取M为偶数,因此M=16。
由此可以得到所设计的低通滤波器的传递函数为:
对应的差分方程为:
可以得到:
为了得到所设计的低通滤波器的幅频特性曲线,应将传递函数进行归一化处理,即:
得到幅频特性曲线如图3所示。
2.2 巴特沃斯低通滤波器的实现
Matlab软件提供了丰富的数字滤波函数,可模拟出数字滤波器的幅频、相频特性。为了对比滤波效果,在Matlab软件中利用现有的巴特沃斯低通滤波器设计函数[7]:
仿真出合适的巴特沃斯低通数字滤波器。式中:b,a分别代表所设计的滤波器传递函数中分子系数和分母系数;n为滤波器阶数;wn为归一化采样频率,取值范围为0～1。
根据已知条件:滤波器的截止频率为1 kHz,采样频率为60 kHz,确定滤波器的阶数为4。设计的数字滤波器频率响应如图4所示。
3 简单整系数数字滤波在信号采集系统中的应用
设计的信号采集系统中中央处理器为MSP430F449超低功耗系列单片机[8],选用MEMS高g值加速度传感器作为系统的信号输入环节。采集系统硬件电路的采样频率为60 kHz,硬件滤波器的截止频率为10 kHz左右,结合所需采集的冲击信号,分析并确定软件滤波截止频率为1 kHz。结合前面所设计滤波器的传递函数,在硬件的开发环境IAR Embedded Workbench中编写滤波算法[9,10,11],调试成功后,应用在信号采集系统的硬件电路中,进行测试试验。
应用四阶巴特沃斯低通滤波器和整系数数字滤波器对采集的原始冲击信号进行滤波。滤波结果如图5、图6所示。从图中可以看出,两种滤波方法有效地对原始信号进行了平滑处理,且滤波后的曲线基本相似,保证了原有数据的真实性但所设计的整系数滤波器系数为整数,设计简单,运算速度块,同时考虑到单片机内运行定点数的计算速度要远远大于浮点数,且MSP430系列单片机对16位数据类型的操作效率最高,因此选用简单整系数数字滤波器作为采集系统的软件滤波方法,在保持原有信号性能的情况下,更能有效地提高信号采集系统的实时处理能力。
4 结语
常用的数字滤波器在运算中采用浮点运算,由高级语言实现,运算速度慢,特别对于小型仪器,无疑提高了成本。本文在所设计的高冲击信号采集系统中选用简单整系数数字滤波器作为采集系统的软件滤波方法,进行了模拟试验,输出数据稳定,准确可靠,实时性好,满足了系统信号采集的滤波要求,具有一定的应用价值。
参考文献
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[5]魏阳,索忠伟,李文容.数字滤波器在实时滤除心电干扰中的设计与应用[J].微计算机信息,2006,22(4):40-41.
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[10]PRESS W H.C语言数值算法程序大全[M].北京:电子工业出版社,1995.
数字信号采集 篇7
1 测量方法介绍
1.1 多路转换开关扩展定时/计数器测量数字传感器信号方法
采用定时/计数器测量数字传感器信号是最常规的方法。可以实现一个定时/计数器测量多个数字传感器的一对多式测量。该方法共用到:数字输出通道、多路转换开关CD405l BE、定时/计数器。具体方法在此不作详述。
1.2 模拟通道测量数字传感器信号方法
采用模拟通道测量数字传感器信号的方法, 就是把传输出的脉冲信号通过模拟通道采集进计算机, 通过设置采样数和采样频率, 使采样时间内包含若干个脉冲周期, 通过数据采集卡模拟信号输入通道将脉冲信号完整采集进来后, 利用Lab VIEW里面的提取单频信号子vi可以获得信号频率。
1.3 数字通道测量数字传感器信号方法
数字通道常用于开关量的测量, 不适宜做脉冲信号采集。以PCI-6024E为例, 该卡使用DAQ-STC芯片包括3个定时器组, 它们分别控制着模拟输入、模拟输出和通用定时/计数功能。显然, 数字通道没有硬件时钟, 称之为静态DIO。静态DIO依赖于系统, 若用静态DIO测量脉冲信号, 只能在软件中采用while循环, 通过读取信号的下降沿变化循环监测I/O口状态。但其速度会根据主机的处理能力发生变化, 无法保证采样精度。借用模拟输入、输出或者定时/计数器时钟作为数字任务的定时源。利用Lab VIEW里面的提取单频信号子VI可以获得信号频率。
实验用Nl公司PCI-6221数据采集卡数字关联I/O的最采样频率1 MHz, 远远高于流量计的最高信号频率为1400Hz。采用模拟通道采集符合香农定理, 能达到所需要的精度。同时, 在软件中设定获得多个值后求均值, 可以有效地解决压力脉动问题。
2 测量方法的实验研究
2.1 实验系统介绍
为简化实验, 我们在JSP-04E自组装液压试验台上, 构建了如图1所示的试验系统, 将两个流量传感器的输出信号分别分成三路, 接到多路转换开关、模拟通道1和2、数字通道1和2上, 利用Lab VIEW的多线程功能, 采用一个采集卡进行试验, 以确保3种方法采集的数据是相同的。
2.2 数字流量传感器
该测量系统选用LWGY-6型数字流量传感器, 输出信号为方波信号, 由采集卡和计算机对一定时间内方波的个数计数, 即可完成流量的测量。其流量测量公式为:其中q流量, f为测得的频率, k为传感器标定系数。
2.3 实验结果和数据分析
图2为模拟通道采集的脉冲信号效果图, 右端Devl/ai0表示采用设备一。即:PCI-6221的第一条模拟通道。
表1是使用PCI-6221分别采用三种方法在测得的三处流量数据表, 在液压试验台上对LWGY-6型数字流量传感器进行测量的结果。
表1数据可以看出, 采用三种方法测量流量的数据基本一致, 精度很高。实验证明采用本文方法获得精确的流量测量结果, 是一条解决采集卡定时/计数器个数有限行之有效的方法。
结束语
通过以上实验分析, 我们可以得出以下结论:a.可以充分利用数据采集卡中模拟通道资源。采集卡中模拟通道的数量较多 (一般为16路) , 采用该方法可以减少采集卡的数量, 简化数据采集系统。采用该方法, 可以解决测频法中“+1误差”问题, 精度高。b.可以充分利-用数据采集卡中模拟通道资源。数字I/O通道一般有16路, 采用本方法后, 不用增加定时器/计数器采集卡。其缺点是需要外部提供时钟, 程序稍微复杂。优点是, 其采样频率高。c.被测信号频率低的情况下, 推荐使用模拟信号扩展方法;在被测信号频率高的情况下, 推荐使用数字关联I/O, 并且最好用模拟输出时钟或者定时/计数器时钟。d.本方法是对硬件的应用创新, 无需增加硬件设备, 结构简单, 可以降低成本。同样适合于其它虚拟仪器软件如:Visual C++、Visual Basic、Labwindows/CVI、HPVEE等。
参考文献
[1]姜万, 牛慧峰, 赵春艳, 等.基于虚拟仪器的电液比例方向阀静动态特性综合CAT系统[J].传感器技术学报, 2005:13-22.
[2]李光提.虚拟仪器在0CS003液压实验台上的开发及应用[D].泰安:山东农业大学, 2004:44-68.
[3]冯雪.数据采集卡性能指标与应用[J].工业控制计算机, 2008, 21 (5) :10-11.
视频信号的采集与存储 篇8
数字技术的蓬勃发展和广泛应用使人类社会迈入了“数字时代”。今天, 数字技术产品已走进普通百姓的日常生活之中。
数字技术就是用数字编码来描述和表达图像、声音等各种媒体信息。其信息处理的流程是:模拟信息→数字化→压缩编码→存储或传输→解码再现。其中, 压缩编码是一个关键环节。数字化的图像和声音信号数据是非常庞大的, 例如一幅640×480像素中等分辨率的彩色图像 (24 bit/像素) 的数据量约为7.37 Mbit/帧, 如果是运动图像, 以每秒30帧或者25帧的速度播放时, 则视频信号传输速率为220 Mbit/s;如果把这种信号存放在650MB的光盘中, 一张光盘只能播放20多秒钟。所以, 必须对数字化信息进行压缩, 用尽可能少的数据来表达信息, 节省传输和存储的开销。
1视频模型
数字视频就是先用摄像机之类的视频捕捉设备, 将外界影像的颜色和亮度信息转变为电信号, 再记录到储存介质 (如录像带) 。播放时, 视频信号被转变为帧信息, 并以每秒约30帧的速度投影到显示器上, 使人类的眼睛认为它是连续不间断地运动着的。电影播放的帧率大约是每秒24帧。如果用示波器 (一种测试工具) 来观看, 未投影的模拟电信号看起来就像脑电波的扫描图像, 由一些连续锯齿状的山峰和山谷组成。
中国和欧洲采用的是PAL制 (逐行倒相制) , 美国和日本采用的NTSC制, PAL信号有25 fb/s的帧率, NTSC制信号有30 fb/s的帧率。视频信号在质量上可区分为复合视频 (Composite) , S-Vide, YUV和数字 (Digital) 4个级别。复合视频, VHS, VHS-C和VideO8都是把亮度、色差和同步信号复合到一个信号中, 当把复合信号分离时, 滤波器会降低图像的清晰度, 亮度滤波时的带宽是有限的, 否则就会无法分离亮度和色差, 这样亮度的分离受到限制, 对色差来讲也是如此。因此复合信号的质量比较一般, 但他的硬件成本较低, 目前普遍用于家用录像机。S-Vide, S-VHS, S-VHS-C和Hi8都是利用2个信号表现视频信号, 即利用Y表现亮度同步, C信号是编码后的色差信号, 现在很多家用电器 (电视机, VCD, SHVCD, DVD) 上的S端子, 是在信号的传输中, 采用了Y/C独立传输的技术, 避免滤波带来的信号损失, 因此图像质量较好。YUV视频信号是3个信号Y, U, V组成的, Y是亮度和同步信号, U, V是色差信号, 由于无需滤波、编码和解码, 因而图像质量极好, 主要应用于专业视频领域。数字及同步信号利用4个信号:红、绿、蓝及同步信号加于电视机的显像管, 因此图像质量很高。还有一种信号叫射频信号, 他取自复合视频信号, 经过调制到VHF或UHF, 这种信号可长距离发送。现在电视台就采用这种方式, 通过使用不同的发射频率同时发送多套电视节目。
2数字化视频采集
NTSC和PAL视频信号是模拟信号, 但计算机是以数字方式显示信息的, 因此NTSC和PAL信号在能被计算机使用之前, 必须被数字化 (或采样) 。
模拟视频信号携带了由电磁信号变化而建立的图像信息, 可用电压值的不同来表示, 比如黑白信号, 0 V表示黑, 0.7 V表示白, 其他灰度介于两者之间。
数字视频信号是通过把视频帧的每个象素表现为不连续的颜色值来传送图像资料, 并且由计算机使用二进制数据格式来传送和储存象素值, 也就是对模拟信号进行A/D转换后得到的数字化视频信号。
数字视频信号的优点很多:
(1) 数字视频信号没有噪声, 用0和1表示, 不会产生混淆, 而模拟信号要求屏蔽以减少噪声。
(2) 数字视频信号可利用大规模集成电路或微处理器进行各类运算处理, 而模拟信号只能简单地对亮度、对比度和颜色等进行调整。
(3) 数字视频信号可以长距离传输而不产生损失, 可以通过网络线、光纤等介质传输, 很方便地实现资源共享, 而模拟信号在传输过程中会产生信号损失。
一个视频图形适配器 (通常叫做抓帧器或视频采集卡) 经常被用来数字化视频模拟信号, 并将之转换为计算机图形信号。视频信号的数字记录需要大量的磁盘空间, 例如, 一幅640×480中分辨率的彩色图像 (24 b/pixel) , 其数据量约为0.92 Mb/s, 如果存放在650 MB的光盘中, 在不考虑音频信号的情况下, 每张光盘也只能播放24 s, 使用如此巨大的磁盘空间存储数字视频, 是大多数计算机用户所无法接受的。在这种情况下, 将视频带到计算机上, 以有效的帧率播放存储信息, 是使用计算机处理视频能力的最大障碍, 鉴于此种情况, 我们采用数据压缩系统和帧尺寸、色彩深度和图像精度折衷的办法, 对视频数据进行压缩, 以节省磁盘存储空间, 数字化视频采集技术也就变成了现实。
数字化视频的过程, 通常被叫做数字化视频采集。模拟信号到数字信号的转换中通常用8 bit来表示, 对于专业或广播级的信号转换等级会更高。对于彩色信号, 无论是RGB还是YUV方式, 只需用24 bit来表示。因此采样频率的高低是决定数字化视频图像质量的重要指标。
视频采集中计算机的处理设备通常有3种类型, 即帧采集卡、动态图像连续采集卡、电视节目接受卡。帧采集卡的工作原理是把偶合视频信号解码成RGB或YUV, RGB或YUV信号经过A/D转换后进入帧存体, 帧存体内的数据根据同步信号不断被刷新。帧存体内的数据需要保存时, 计算机给出控制信号, 帧存体数据不再被刷新, 这时计算机可以读出帧存体数据传送到计算机内存或存放到硬盘中。由于视频信号是隔行扫描, 在数字化过程中每帧图像分成两场, 每场的分辨率是228行, 因此高速运动的图像采集后有抖动的感觉, 要解决这一问题可以只采集一场或缩短快门时间。采集连续图像到计算机中是比较困难的, 因为单一帧静止图像的数据量已经很大, 而动态图像是25帧/s～30帧/s, 模拟的视频图像数字化后所得到的数据量巨大, 使传输、存储和处理很困难。解决这一问题的办法一般有3种:
(1) 利用局部数据总线, 提高数据传输速度;
(2) 大大降低分辨率;
(3) 采用压缩编码。
3视频压缩
对视频图像进行压缩编码, 是目前最流行的方法。1980年以来, 国际标准化组织 (ISO) 、国际电工委员会 (IEC) 和国际电信联盟 (ITU) 等陆续完成了各种数据压缩标准和建议, 如面向静止图像压缩的JPEG标准, 在运动图像方面用于视频会议的H.261标准、用于可视电话的H.263标准、用于VCD的MPEG1标准、用于广播电视和DVD的MPEG2标准以及最新的采用基于对象的编码理念的MPEG4标准等。MPEG是运动图像专家组的英文首字母缩写。该专家组成立于1988年, 致力于运动图像及其伴音的压缩编码标准化工作。
MPEG1于1993年成为国际标准, 它是对1.5 Mbit/s以下数据传输率的数字存储媒体运动图像及其伴音的压缩编码标准, 适用于CD-ROM、VCD、CD-I (交互式CD) 等。它可对SIF (标准交换格式) 分辨率 (NTSC制式为352×240;PAL制式为352×288) 的图像进行压缩, 传输速率为1.5 Mbit/s, 每秒播放30帧, 具有CD音质, 图像质量基本与VHS家用录像机相当。MPEG1也被用于数字通信网络上的视频传输, 如基于ADSL (非对称数字用户线路) 的视频点播 (VOD) 、远程教育等。
MPEG2于1995年成为国际标准, 其目标是达到高级工业标准的图像质量以及更高的传输率。MPEG2所能提供的传输率在3 Mbit/s～10 Mbit/s之间, 在NTSC制式下的分辨率可达720×486, 可提供广播级的图像质量和CD级的音质, 适用于数字电视广播 (DVB) 、HDTV和DVD的运动图像及其伴音的压缩编码。目前, MPEG2已得到广泛应用, 如美国、欧洲在DVD和数字电视广播方面都采用MPEG2压缩技术。
MPEG3最初是为HDTV开发的编码和压缩标准, 但由于MPEG2的出色性能表现, 已能适用于HDTV, 使得MPEG3还没出世就被抛弃了。
MPEG4于1999年初正式成为国际标准。MPEG4是一个适用于低传输速率应用的方案。与MPEG1和MPEG2相比, MPEG4更加注重多媒体系统的交互性和灵活性。
在视频编码方面, MPEG4支持对自然和合成的视觉对象的编码。合成的视觉对象包括2D、3D动画和人面部表情动画等。在音频编码, MPEG4是在一组编码工具支持下, 对语音、音乐等自然声音对象和具有回响、空间方位感的合成声音对象进行音频编码的。MPEG4音频编码不仅支持自然声音, 而且支持合成声音。
MPEG4的重要特点包括: (1) 基于内容的普遍性。MPEG4能够直接选取音频、视频内容进行编码, 并对其灵活地进行控制和显示, 用户可以自行选择场景中的物体的解码质量, 进行家庭影视节目制作和编辑。 (2) 以AV为对象, 增强了交互性和扩展性, 从而提高了交互应用的灵活性。 (3) 将各种功能应用在自然的和合成的AV对象上, 增强了节目编辑制作能力。 (4) MPEG4在误码环境中, 尤其是在恶劣误码条件下的低比特率应用中的抗误码性, 有利于节目制作、分配和显示。
4结束语
视频信号被采集到计算机后, 就可进入编辑制作阶段, 由于硬盘录像机、数字摄像机、非线性编辑系统等数字产品的快速发展, 将视频制作带入全面数字化时代, 视频的网络化传输和直接播出技术已成为现实。
摘要：介绍了视频信号采集存储的背景和意义, 从几个方面说明了视频处理的过程和技巧。第三部分主要研究了MPEG系列视频编码标准, 对MPEG的数据结构、编解码算法等作了详细介绍。
关键词：视频编码,图像处理,MPEG
参考文献
[1]黎洪松.数字视频技术[M].北京:清华大学出版社, 1997.
[2]赵荣椿.数字图象处理导论[M].西安:西北工业大学出版社, 1995.
无线视频信号采集系统设计 篇9
现在对无线信号的采集和处理主要通过视频采集卡进行采集,有一些公司生产的采集卡提供第三方的软件开发包(SDK)这样便于用户进行第二次开发。在监视计算机方面主要使用VC++,VB等开发软件进行监视界面的开发,但是总体比起来VC++在视频处理上比VB较为成熟,利用VC++中的VFW视频开发包对视频采集卡采集回来的视频信号进行处理。
1 视频信号采集系统组成
该系统的组成大致分为硬件和软件部分,该文对软件部分的设计和开发做着重的介绍,软件部分则利用VC++6.0为软件开发平台。
1.1 硬件部分
硬件部分由无线摄像头、摄像头信号接收器和USB视频采集卡三部分组成。硬件连接如图1所示。
USB视频采集卡工作原理。
该次视频采集系统采用的是EASY CAP的USB视频采集卡,视频采集卡是我们进行视频处理必不可少的硬件设备,无线摄像头发送的和无线信号接收器接收的信号是连续的模拟信号,但是计算机却不会识别模拟信号,计算机只识别0或1这样的二进制码,这样就需要一个像本系统中的USB视频采集卡把无线视频接收器采集到的模拟信号进行模/数转换,把连续的模拟信号转换成离散的数字信号,这样经过转换后的数字信号就可以被计算机编辑、处理和保存了。
在该系统中视频采集软件通过驱动识别USB视频采集卡并对采集回来的信息进行处理,因为视频采集卡采集到的都是一幅幅静态图片,所以要在软件中设置与USB视频采集卡相匹配的采集速率,这样就能对视频信号进行静态图片的抓取和保存,对视频流信号进行保存。具体数/模转换流程如图2。
1.2 软件部分
软件部分主要采用了VC++6.0来编写采集程序。
VC++6.0由微软公司开发,它是一个基于Windows操作系统的可视化集成开发环境,同时也具备C++语言编译器的功能。Visual C++6.0由编辑器、调试器以及程序信息技术向导AppWizard、类向导Class Wizard等开发工具组成。
VFW(Video for windows)是视频开发应用的一种早期技术。Microsoft的Visual C++从4.0版开始就支持Video for Windows(简称VFW)了,这给视频捕获编程带来了很大的方便。VFW(Video for Windows)是微软公司开发的针对于Windows自带的一个数字视频编辑软件开发包。用户不用自己安装VFW,而是Windows系统中自带了这个视频开发包,方便了用户的使用。VFW的中心就是一个A VI文件标准,A VI(Audio Video Interleave)就是一种声音和视频同步组合在一起的一种文件,它是一种有损的压缩形式。
在VFW中为用户提供了一套完整的应用程序接口(API),API可以为用户提供一种与应用程序访问一组例程的能力,而且用户不需要访问源码和了解内部工作的细节。编写程序时可以利用API函数来编写应用程序,这样就可以避免编写无用程序,减小工作量。
VFW的视频捕获主要由AVICap窗口类来完成。AVICap窗口类为应用程序提供了一个基于消息的接口。在该系统中视频的捕获和单帧捕获都是靠AviCap所提供的强大全面的函数和宏实现的,这是微软公司开发的VFW开发包为我们编辑视频采集软件提供的一条捷径,可以使用简单易读的函数和宏就可以达到我们编程需要达到的目的。
AVICap有两种显示视频的格式:(1)预览模式(preview),这是一个使用CPU资源的模式。视频流首先从采集硬件保存到系统内存,之后通过GDI函数将视频信息显示在捕获窗口中。从硬件角度讲,该模式需要使用VGA卡,通过VGA卡显示在监视器上。(2)叠加模式(Overlay)该模式显示视频是通过硬件的叠加,叠加的视频是不需要通过VGA卡的,叠加视频的硬件把自身的输出信号与VGA输出信号合并,最后显示到监视器上的信号是二者的组合信号。
2 VFW视频采集的开发
2.1 开发应用程序的步骤
V C++应用程序开发的一般步骤为:(1)创建一个项目;(2)采用workspace窗口和它的class view,file view,resource view去建立项目中的C++类、文件和资源;(3)将文件从项目中添加或删除;(4)编辑项目的源代码和资源;(5)为项目指定配置(Debug或Release);(6)连遍项目文件;(7)纠正连遍错误;(8)执行并测试生成的可执行文件;(9)测试项目文件;(10)剖视以及代码优化。
2.2 VFW采集开发流程
使用VFW进行视频采集大致分为如下几个部分基本流程。
(1)使用函数capCreatureWindows(…)创建应用程序的视频捕获窗口。(2)使用函数capsetcallbackonstatus(...)函数处理回调函数状态,并用capsCalLbackonerror(…)函数来设置错误信息的回调处理。但是该次系统设计没有使用回调函数。(3)查找USB视频采集卡的驱动并连接。(4)得到USB视频采集卡的驱动信息。(5)判断是否连接正确,并设置采集速率。
2.3 监控系统的建立
使用VFW的宏函数实现视频捕获和预览,应用程序简单、控制灵活。在本系统中,是基于VC++6.0的对话框应用程序框架实现编程开发,很多的应用程序都是基于这种开发方式的。另一部分应用就是基于文档的编程开发,单文档是主流。文档应用程序的最大特点是有标准菜单、客户区域任意调整;缺点是相对比对话框类,开发难度较大。
2.3.1 建立单文档应用程序
该系统是基于VC++6.0的项目建立向导创建一个单文档、无工具栏和状态栏的应用程序,下面是建立单文档应用程序的详细步骤:首先启动VC++6.0,选择“文件”一“新建”一“工程”命令。在工程选择卡中,选择MFC AppWizard(exe)。
工程名称栏中输入工程的名称,位置栏中输入的是工程所保存的文件位置。
下一步需要选择创建应用程序的类型有三类分别为:单文档、多重文档和基本对话框,由于本系统是视频采集界面,所以选择的应用程序为基本对话框应用程序,点击完成就成功的建立了一个基本对话框的应用程序工程。
2.3.2 建立对话框
对话框是监控软件和用户的交互平台,使用者可以在对话框中直接预览由USB视频采集卡采集到VC++中的视频信息,并对其进行抓取截图、录像、暂停和退出等功能,这些功能会以按钮的形势提供给使用者,方便对视频信号进行想要的处理。对话框建立的详细步骤如下:在工作空间下选择“resource view”选项卡打开dialog下拉文件并在dialog文件夹上右键单击选择插入dialog,创建一个新的对话框,此时新建的对话框就出现在右侧工作区中,我们可以对其进行大小的任意改变。
2.3.3 添加图像和按钮控件
对于本次系统的设计,需要对对话框添加“图像”和“按钮”控件,在工具箱中就可以找到并选择加入到对话框中的任意位置,“图像”的作用是显示由USB视频采集卡转换成的数字视频信号,起到一个监视屏的作用,因为代码中已经把窗口的大小作为一个指针,送到窗口创建函数capCreatureWindows()中了,当程序初始化时可以自动识别到窗口的大小并返回一个宽度和高度值,所以图像控件可以随意更改大小,函数中设置窗口X轴坐标和Y轴坐标的数据已经被指针所取代了。“按钮”则为使用者提供对采集回来的视频信息进行处理的功能,按钮有五个各自的功能分别为:播放、截图、录像、暂停和退出。在添加按钮时可以改变其名称,这个名称就是显示在按钮上的名称,起到提示其功能的作用。当添加好按钮时双击按钮就可以进入到按钮代码的编辑,用来响应函数的功能,在修改控件ID后,比如一个按钮控件,假设使ID为BUTTON 1则建立按钮后在窗口类中的对话框类中自动添加了一个名为ONBUTTON1的按钮控件类。这个类则包含了这个按钮所包含的一些属性和信息。
关于窗口类,我们在运行程序的时候可以直接看到窗口对话框,在窗口建立之前系统要知道怎样建立一个窗口,和窗口返回的一些信息要交给谁处理。这样就需要我们创建一个窗口类来定义我们设计的窗口的各种信息,比如窗口的消息、函数的处理、窗口的风格、图标、鼠标、菜单等等。可以使按钮实现各种功能。下图为设计好的对话框。
具体程序代码不再详述。
3 运行调试
代码编辑完成后就要把工程保存,之后就可以编译了,在编译菜单下选择编译选项(也可以直接按F7键,同样可以对源文件进行编译),对源文件进行编译、执行及编译配置等操作,该菜单位于编译器的顶层菜单中。按F5可以调试应用程序,查看程序的运行情况。如果在调试程序时遇到问题,可以使用编译器中的“帮助”菜单调用MSDN帮助文件来解决问题。编译后在工程的文件夹下有个一DEBUG的文件夹中就会生成应用程序图标,双击就会运行应用程序。查看应用程序的运行情况,以及各个功能的实现情况是否正常。
在运行程序后,因为视频信号进入到USB视频采集卡后,采集卡又对信号进行一次硬件压缩,性质类似于对信号进行了编码,而本系统采用的是CapAvi来采集的信号,把压缩过的信号直接显示到了预览窗口中,所以会有信号的不稳定与数据的丢失。
其他的功能正常,程序运行正常。
4 结语
该系统基于VC++6.0利用VFW开发包,对无线视频信号进行采集和处理系统进行了设计。搭建了一个无线视频信号采集的平台。该系统主要的开发部分为软件部分,硬件只需进行驱动的安装和硬件连接即可。通过运行调试,取得了比较好的效果。
参考文献
[1]刘锐宁,梁水,李伟明.Visual C++项目开发案例全程实录[M].北京.清华大学出版社,2011:1-62
[2]任观就,张永林.实时视频图像捕获的实现方法[J].计算机工程,2002,28(8):268-270.
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