SFPCI6011多功能数据采集卡使用说明书.docx
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SFPCI6011多功能数据采集卡使用说明书
1.综述
SFPCI-6011卡是PCI总线的多功能模入模出接口卡，可方便地应用于装有PCI总线插槽的微机，具有即插即用（PnP）功能。
PC操作系统可选用目前流行的Windows系列、Unix等多种操作系统以及专业数据采集分析软件LabVIEW、LabWindows/CVI等环境。
SFPCI-6011多功能模入模出接口卡安装使用方便，程序编制简单。
使用时只需将接口卡插入微机任一PCI总线插槽中。
其模拟模入模出信号均由卡上的37芯D型插座与外部信号源及设备连接。
模入部分：
用户可根据实际需要选择单端或双端输入方式。
输入通道切换可设置成任意连续通道间自动切换或由用户程序切换。
卡上装有1K字的先进先出存储器（以下简称FIFO），可根据用户需要安装成1～8K字，便于采集系统在Windows等实时多任务操作系统下工作。
本卡的AD触发方式可以选用程序触发、定时器触发、间歇定时触发、外时钟同步触发、外门控触发等触发方式。
系统通过查询板上FIFO存储状态、AD转换完成状态,或响应FIFO中断或AD转换完成中断的方式实现与板卡的通讯和数据交换。
模出部分：
2路模出有多种输出范围选择，可根据用户需要将加电输出初始态，设置成加电自动输出范围下限电平或输出范围中点电平。
数字量输入输出部分：
有16路数字量输入和16路数字量输出接口，采用40P扁平带缆与外部设备连接。
也可经转换电缆从37芯D型插座输出。
其中数字量输出具有锁存功能。
16路数字量输出还具有加电自动清零功能。
定时/计数器部分：
装有三路16位字长的定时/计数通道，以及2MHz的基准时钟。
三路定时/计数器通道主要是为本卡的AD转换提供几种定时触发AD方式，用户仅能使用定时/计数器通道2为实现定时中断．
2. 技术参数
2.1模入部分（以下简称AD）
AD通道数：
单端16路、双端8路；
AD信号范围：
0V～10V；-5V～+5V；－10V～＋10V；
（可选范围：
0V～5V；－2.5V～＋2.5V；手动设置2倍放大）
输入阻抗：
≥10MΩ
AD转换分辨率：
12位
AD转换速度：
10us
放大器建立时间：
7uS（0.01%）
AD转换系统通过率：
100KHz
AD数据先进先出缓冲存储器（FIFO）存储深度：
1K字
AD触发方式：
程序触发；定时触发；间歇定时触发；外时钟触发；外门控定时触发；
AD通讯方式：
AD转换结束中断、FIFO半满中断、程序查询；
AD转换非线性误差：
±1LSB
AD转换输出码制：
单极性原码 双极性偏移码；
系统综合误差：
≤±0.05％F.S
2.2模出部分（以下简称DA）
DA通道数：
2路
DA范围：
0～2.5V；0～5V；0～10V；-2.5V～+2.5V；-5V～+5V；－10V～＋10V；
DA转换分辨率：
12位
DA转换输入码制：
二进制原码（单极性输出）
二进制偏移码（双极性电压输出）
DA转换建立时间：
≤5μS（0～2.5V；-2.5V～+2.5V）
（无RC滤波时的满幅阶跃）≤50μS（0～5V；-5V～+5V；0～10V）
≤100μS（-10V～+10V）
2路DA加电输出状态：
加电同时自动输出下限电平或加电同时自动输出中位电平
DA转换综合误差：
电压方式：
≤0.1％F.S
2.3数字量输入输出部分（以下简称DI/DO）
DI：
16路；
DO：
16路；
输入输出电平：
TTL／CMOS电平兼容；
2.4定时/计数器部分（以下简称T／C）
准时钟：
2MHz，占空比50％
定时/计数通道：
3个16位定时/计数通道（仅定时/计数2对用户部分开放）
2.5电源功耗
+5V≤600mA
+12V≤100mA
-12V≤70mA
2.6使用环境要求
工作温度：
10℃～40℃
相对湿度：
40％～80％
存贮温度：
-55℃～+85℃
2.7外型尺寸：
（不含档板）
外型尺寸（不含档板）：
长×高＝165mm×115mm（6.5英寸×4.5英寸）
3.工作原理
SFPCI-6011多功能模入模出接口卡主要由模数转换电路、数模转换电路、AD数据存储电路、数字量输入输出电路，定时/计数电路和接口控制逻辑电路构成。
FIFO
图1SFPCI-6011工作原理框图
3.1模入部分
外部模拟信号输入首先经多路通道开关的选择后，进入放大器。
经过放大器调理送AD转换器进行数字化。
转换结果和通道结束标志一块经16位板内总线写入FIFO和AD数据锁存器中。
FIFO或AD数据锁存器可分别申请中断通知主机读取转换结果，也可由主机主动查询到FIFO或AD数据锁存器的标志后读取转换结果。
卡上设有通道自动切换电路，程序写入需要循环采集的通道范围（首末通道号），每触发AD转换一次，通道开关自动在首末通道之间做加一切换，循环到末通道时通道结束标志由高变低，通道结束标志和AD转换数据一块经16位板内总线写入FIFO和AD数据锁存器中。
模拟量输入方式有单端输入方式和双端输入方式。
用户在使用时可根据应用现场的实际需要选择。
单端／双端输入方式需要硬件跳线设置。
R22-R37
在每个模拟通道输入端都装有RC滤波电路，但在出厂时只
安装了电阻（1KΩ）。
未装电容，这样做的目的是由于按装固定
时间常数的RC滤波电路，不可能适应各种实际应用场合。
所以
电容的位置空着并打孔，用户可根据现场实际情况和RC时间常
数计算公式加装表贴或直插滤波电容。
同时，电阻还能起到模
拟通道开关输入限流保护的作用。
通过跳线XF4，可选择是否使用2倍的固定放大器增益，也就是选择是否使用0V～5V；或－2.5V～＋2.5V摸入量程。
模拟量输入模出信号可通过37线屏蔽电缆，经SF-610端子扳与外部信号可靠连接.端子扳的白字标注与SFPCI-6011卡摸入通道对应关系见附录C。
AD触发方式可以使用程序触发、外部时钟触发和定时器定时触发。
控制定时器门控的方式在SFPCI-6011卡上有以下几种方法：
程序控制定时器通道0和1门控端．由通道1输出AD触发脉冲．
级联起来的通道0和1输出方波控制通道2门控，由通道2以间歇方式输出AD触发脉冲．
外部门控信号控制82c54通道0和1门控端，由通道1输出AD触发脉冲．
3.2模出部分
DA输出部分由DA转换器件和有关的运放、阻容件和跳线器组成。
通过改变跳线器的连接方式，可分别选择不同的电压输出范围。
两路DA电路具有加电置位输出电压的功能。
通过手动选择跨接器XF9，可使两路单极性或双极性输出范围的DA通道，在加电后自动同时输出范围最低电压或中位电压。
用户可按需要使用两路DA同步输出或单独输出。
DA输出电压的建立时间因输出量程不同或是否加RC滤波而差异。
（详见2.2节）
3.3数字量输入输出部分
数字量输入输出电路为用户提供16路DI及16路DO接口，DO部分具备加电自动清零功能。
3.4定时/计数器部分
定时/计数器电路由一片可编程定时/计数器82c54芯片和基准时钟电路组成。
提供3路16位字长的定时/计数通道和2MHz占空比为50％的基准时钟。
三路定时/计数通道主要是为本卡的AD转换提供几种定时触发AD方式，用户能够使用的仅有定时/计数通道2，它对2MHz时钟分频后向主机申请定时中断．
3.58254可编程定时/计数器应用简介
3.5.18254芯片管脚图
图28254芯片管脚图
3.5.28254功能及框图
8254是INTEL公司微型计算机系统中的一个部件，可以将8254作为一个具有四个输入/输出接口的器件处理，其中三个是计数器，一个是可编程序工作方式的控制寄存器。
其内部结构图如图2所示
图38254内部结构图
3.5.38254可编程定时/计数器编程要点
8254的全部功能是由主机编程设定的。
主机通过输出指令给8254装入控制字，从而设定其功能。
8254控制字格式如下：
D7D6D5D4D3D2D1D0
SC1
SC0
RL1
RL0
M2
M1
M0
BCD
各位的功能见表1～表4：
表1SC1、SC0－计数器选择
SC1SC0
选择计数器
00
选择0#
01
选择1#
10
选择2#
11
非法
表2RL1、RL0－CPU读/写操作
RL1RL0
操作类型
00
计数器封锁操作
01
读/写计数器低8位
10
读/写计数器高8位
11
先读/写低8位，后读/写高8位
表3M2、M1、M0－工作方式选择
M3M2M1
计数工作方式
000
方式0
001
方式1
010
方式2
011
方式3
100
方式4
101
方式5
表4BCD－计数方式选择
BCD
数码形式
0
十六位二进制计数
1
四位十进制（BCD）码计数
8254的三个计数器是独立的16位减法计数器。
计数器的工作方式由工作方式寄存器确定。
计数器在编程写入初始值后，在某些方式下计数到0后自动预置，计数器连续工作。
CPU访问计数器时，必须先设定工作方式控制字中的RL1、RL0位。
计数器对CLK计数输入端的输入信号进行递减计数。
选通信号GATE控制计数工作的进行，其功能如表5所示。
表5选通信号GATE的功能
低电平或进入低电平
上升边沿
高电平
方式0
禁止计数
----
允许计数
方式1
----
1.初始化和计数
2.下一个时钟后清除输出
----
方式2
1.禁止计数2.使输出立即变为高电平
1.重新装入计数器
2.启动计数
允许计数
方式3
1.禁止计数2.使输出立即变为高电平
初始化和计数
允许计数
方式4
禁止计数
计数未结束时初始化和计数
允许计数
方式5
----
初始化和计数
----
8254的三个计数器按照各工作方式寄存器中控制字的设置进行工作。
可以选择的工作方式有六种。
这六种方式是：
方式0：
计数结束时中断。
编程后自动启动，计数器减1计数，计数到终点（减至0）后输出高电平，可用于中断请求信号，GATE为低电平时停止计数，回到高电平后继续往下计数。
再次启动要重新装入计数值或重新编程。
方式1：
可编程单脉冲输出。
GATE上升沿进行初始化并开始计数。
输出低电平的宽度等于计数时间。
单脉冲输出可用GATE上升沿多次触发。
方式2：
比率发生器。
编程后重复地循环计数。
计数到终点时输出一个时钟周期宽度的低电平脉冲，自动初始化后继续计数。
用GATE的上升沿初始化，并开始计数。
GATE为低电平时停止计数。
方式3：
方波发生器。
这种方式是在编程后重复地循环计数，输出波形为方波。
如果初始计数值为偶数，每个时钟输入脉冲使计数器减2，达到计数终点时输出电平改变。
如果初始计数值为奇数，则输出高电平时第一个时钟输入脉冲使计数器减1，随后每个输入脉冲使计数器减2；输出为低电平时第一个时钟输入脉冲使计数器减3，随后每个输入脉冲使计数器减2，到达计数终点时输出电平改变，计数器自动初始化后继续计数。
用GATE的上升沿初始化并开始计数，GATE为低电平时停止计数。
方式4：
软件启动选通脉冲输出。
编程后自动启动，计数到终点后输出一个时钟周期的低电平脉冲。
用GATE的上升沿初始化并开始计数，GATE为低电平时停止计数。
方式5：
硬件启动选通脉冲输出。
编程后，等待GATE上升沿进行初始化并开始计数，计数到终点后输出一个时钟周期的低电平脉冲，计数器开始计数后不受GATE信号电平的影响，这种选通脉冲的输出可用GATE的上升沿多次触发。
在工作方式控制字中，如果设置计数器锁存操作，则该控制字中工作方式选择位M1、M0和计数方式选择位BCD无效。
即设置锁存操作时不影响计数器的工作方式，计数器锁存操作，是在计数器计数过程中，在不影响正在进行的计数操作的条件下，把当前的计数值锁存到寄存器，供CPU读取，这时在工作方式控制字中，SC1、SC0指定要锁存的计数器，RL1、RL0＝00表示锁存操作，其余4位无效，计数器按原来设定的方式工作。
当本卡AD转换选择定时器定时触发工作方式时，一般将8254的工作方式设置为方式2（即比率发生器），以保证符合AD转换触发信号的要求。
4.安装及使用注意：
本卡的安装十分简便，只要将主机机壳打开，在关电情况下，将本卡插入主机的任何一个空余扩展槽中，再将档板固定螺丝压紧即可。
37芯D型插座可从主机后面引出并与外设连接。
4.2本卡采用的模拟开关是COMS电路，容易因静电击穿或过流造成损坏，所以在安装或用手触摸本卡时，应事先将人体所带静电荷对地放掉，同时应避免直接用手接触器件管脚，以免损坏器件。
4.3当模入通道不全部使用时，应将不使用的通道就近对地短接，不要使其悬空，以避免造成通道间串扰、损坏通道开关。
4.4本卡跳线器较多，使用中应严格按照说明书进行设置操作。
电压方式模拟输出时，应避免输出端对地短路。
4.5为保证安全及采集精度，应确保系统地线（计算机及外接仪器机壳）接地良好。
特别是使用双端输入方式时，为防止外界较大的共模干扰，应注意对信号线进行屏蔽处理。
4.6禁止带电插拔本接口卡。
设置接口卡开关、跨接套和安装接口带缆均应在关电状态下进行。
4.7对外供电端应注意加以保护，严禁短路，否则将造成主机电源损坏，使用中应特别小心。
5.使用与操作
5.1.1主要可调整元件位置图
RP1RP2RP3
XF3
RP8~9
XF2
XF1
RP4~7
XF4
XF8
XF5
XF6
XF9
XS2
40P
插座
XF10
XS1
37P
D型座
XF16
1
图4主要可调整元件位置图
5.1.2出厂状态设置（见图4）
AD输入范围：
单端-5V～+5V；
DA输出范围：
0～10V；
DA加电输出状态：
0V；（输出范围最低电压.有RC滤波）
开关量输入输出插座XS2不输出+5V
5.2输入输出插座接口定义：
5.2.1模拟量输入输出部分：
本卡前端37芯D型插座（XS1）的信号定义见表6。
进行AD数据采集时，用户可根据需要选择连接信号线（单端）或信号线组（双端）。
为减少信号杂波串扰和保护通道开关，凡不使用的信号端应就近与模拟地短接。
表6模拟输入输出插座XS1接口定义表
插座引脚号
对应40P带缆引线号
信号定义
插座引脚号
对应40P带缆引线号
信号定义
1
1
CH0（CH0+）
20
2
AD模拟地
2
3
CH1（CH1+）
21
4
AD模拟地
3
5
CH2（CH2+）
22
6
AD模拟地
4
7
CH3（CH3+）
23
8
AD模拟地
5
9
CH4（CH4+）
24
10
AD模拟地
6
11
CH5（CH5+）
25
12
AD模拟地
7
13
CH6（CH6+）
26
14
AD模拟地
8
15
CH7（CH7+）
27
16
AD模拟地
9
17
CH8（CH0－）
28
18
AD模拟地
10
19
CH9（CH1－）
29
20
AD模拟地
11
21
CH10（CH2－）
30
22
AD模拟地
12
23
CH11（CH3－）
31
24
AD模拟地
13
25
CH12（CH4－）
32
26
AD模拟地
14
27
CH13（CH5－）
33
28
AD模拟地
15
29
CH14（CH6－）
34
30
NC
16
31
CH15（CH7－）
35
32
AD模拟地
17
33
DA1
36
34
DA模拟地
18
35
DA2
37
36
数字地
19
37
外时钟／外门控
为保证输入输出模拟信号的精度，AD部分、DA部分的模拟参考地以及外时钟／外门控的数字地应分别连接使用。
5.2.2数字量输入输出部分：
本卡后端40芯扁平线插座XS2的信号定义见表7。
表7开关量输入输出信号插座XS2端口定义
插座引脚号
信号定义
插座引脚号
信号定义
1
DO0
2
DO1
3
DO2
4
DO3
5
DO4
6
DO5
7
DO6
8
DO7
9
DO8
10
DO9
11
DO10
12
DO11
13
DO12
14
DO13
15
DO14
16
DO15
17
数字地
18
数字地
19
+5V电源
20
+5V电源
21
DI0
22
DI1
23
DI2
24
DI3
25
DI4
26
DI5
27
DI6
28
DI7
29
DI8
30
DI9
31
DI10
32
DI11
33
DI12
34
DI13
35
DI14
36
DI15
37
数字地
38
数字地
39
数字地
40
数字地
5.2.340芯扁平电缆转换为37芯D型插头后的信号定义见表8。
表8转换为37芯D型插头时开关量输入输出信号端口定义
插座引脚号
信号定义
插座引脚号
信号定义
1
DO0
20
DO1
2
DO2
21
DO3
3
DO4
22
DO5
4
DO6
23
DO7
5
DO8
24
DO9
6
DO10
25
DO11
7
DO12
26
DO13
8
DO14
27
DO15
9
数字地
28
数字地
10
+5V电源
29
+5V电源
11
DI0
30
DI1
12
DI2
31
DI3
13
DI4
32
DI5
14
DI6
33
DI7
15
DI8
34
DI9
16
DI10
35
DI11
17
DI12
36
DI13
18
DI14
37
DI15
19
数字地
5.3跨接套设置
5.3.1模拟信号输入方式选择
1单端输入方式：
XF5XF10
2双端输入方式：
XF5XF10
5.3.2模拟信号输入量程选择图
①模拟量输入量程：
0V～10V
XF3XF6XF4
②模拟量输入量程：
-5V～+5V
XF3XF6 XF4
③模拟量输入量程：
0V～5V
XF3XF6 XF4
④模拟量输入范围为±2.5V
XF3XF6XF4
⑤模拟量输入范围为±10V
XF3XF6 XF4
5.3.3模拟信号输出量程选择图
①模拟量输出量程：
0V～10V（输出经RC滤波）；模拟量输出量程：
0V～10V（输出不经RC滤波）
XF1,2XF8XF1,2XF8
②模拟量输出量程：
±10V（输出经RC滤波）模拟量输出量程：
±10V（输出不经RC滤波）
XF1,2XF8XF1,2XF8
3模拟量输出量程：
0V～５V（输出经RC滤波）模拟量输出量程：
0V～５V（输出不经RC滤波）
XF1,2XF8XF1,2XF8
4模拟量输出量程：
±5V （输出经RC滤波）模拟量输出量程：
±5V（输出不经RC滤波）
XF1,2XF8XF1,2XF8
⑤模拟量输出量程：
0V～2.5V（输出经RC滤波）模拟量输出量程：
0V～2.5V（输出不经RC滤波）
XF1,2XF8XF1,2XF8
⑥模拟量输出量程：
±2.5V（输出经RC滤波）模拟量输出量程：
±2.5V（输出不经RC滤波）
XF1,2XF8XF1,2XF8
5.3.4模拟信号加电输出初始状态选择
XF9初始状态为量程中间值； XF9初始状态为量程下限值
5.3.5数字量输入输出插座XS2上+5V输出选择
XF16有+5V输出XF16无+5V输出
5.4地址寻址
5.5模拟信号输入连接方法及注意事项
模拟信号输入有两种输入连接方式：
1.单端输入方式
16路模拟电压输入，可按图5连成单端输入方式，模拟输入信号连接到CH0～CH15输入端，
其公共地线连接到AGND端。
应用在噪声干扰不高的场合可.
图5单端输入方式接线图
2.双端输入方式
8路模拟电压输入，可按图6连成双端输入方式，模拟输入信号连接到CH0～CH7输入端，和CH8～CH15输入端。
并在距XS1插座近处，在CH08～CH15端对AGND端分别接一只几十KΩ至几百KΩ的电阻，为仪表放大器输入电路提供偏置。
主要应用在共模干扰较高的场合。
图6双端输入方式接线图
6.软件编程
6.1 定时/计数器82c54在SFPCI-6011中的应用
SFPCI-6011卡上安装了一片定时/计数器82c54，它有三个定时/计数器通道。
其中通道0和1已在硬件上级连起来，构成一个32位定时/计数器，用于定时触发AD采样。
通道2有两种工作方式，一种用82c54的定时/计数器0和1级联后的输出控制定时/计数器2的门控端，使其构成一个间歇触发AD采样的脉冲发生器。
另一种是定时/计数器2单独工作，去定时申请系统中断。
通道0和通道2使用2MHz的时钟输入。
通道0和1级连后的输出频率计算方法如下：
F1＝2MHz/[（HD1×256+LD1）×（HD0×256+LD0）]
其中：
F1为AD采样频率，单位：
HZ
HD1为8254定时/计数器1初值的高字节，范围：
0～255
LD1为8254定时/计数器1初值的低字节，范围：
2～255
HD0为8254定时/计数器0初值的高字节，范围：
0～255
LD0为8254定时/计数器0初值的低字节，范围：
2～255
通道2的输出频率F2计算方法如下：
F2＝2MHz/（HD2×256+LD2）
HD2为8254定时/计数器2初值的高字节，范围：
0～255
LD2为8254定时/计数器2初值的低字节，范围：
2～255
板上82c54的数据线宽度是8位。
82c54定时/数据计数器的数据长度是16位。
16位数据分两次写入。
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