第六章 數(shù)據(jù)采集

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1、第六章　數(shù)據(jù)采集 ６．１ 概述 在計(jì)算機(jī)廣泛應(yīng)用的今天，數(shù)據(jù)采集的重要性是十分顯著的。它是計(jì)算機(jī)與外部物理世界連接的橋梁。各種類型信號(hào)采集的難易程度差別很大。實(shí)際采集時(shí)，噪聲也可能帶來(lái)一些麻煩。數(shù)據(jù)采集時(shí)，有一些基本原理要注意，還有更多的實(shí)際的問(wèn)題要解決。 ６．１．１ 采樣頻率、抗混疊濾波器和樣本數(shù)。 假設(shè)現(xiàn)在對(duì)一個(gè)模擬信號(hào)x(t) 每隔Δt時(shí)間采樣一次。時(shí)間間隔Δt被稱為采樣間隔或者采樣周期。它的倒數(shù)1/Δt 被稱為采樣頻率，單位是采樣數(shù)/每秒。t=0, Δt ,2Δt ,3Δt ……等等，x(t)的數(shù)值就被稱為采樣值。所有x(0),x(Δt),x(2Δt )都是采樣值。這樣

2、信號(hào)x(t)可以用一組分散的采樣值來(lái)表示： 下圖顯示了一個(gè)模擬信號(hào)和它采樣后的采樣值。采樣間隔是Δt，注意，采樣點(diǎn)在時(shí)域上是分散的。 圖6-1 模擬信號(hào)和采樣顯示 如果對(duì)信號(hào)x(t)采集N個(gè)采樣點(diǎn)，那么x(t)就可以用下面這個(gè)數(shù)列表示： 這個(gè)數(shù)列被稱為信號(hào)x(t)的數(shù)字化顯示或者采樣顯示。注意這個(gè)數(shù)列中僅僅用下標(biāo)變量編制索引，而不含有任何關(guān)于采樣率（或Δt）的信息。所以如果只知道該信號(hào)的采樣值，并不能知道它的采樣率，缺少了時(shí)間尺度，也不可能知道信號(hào)x(t)的頻率。 根據(jù)采樣定理，最低采樣頻率必須是信號(hào)頻率的兩倍。反過(guò)來(lái)說(shuō)，如果給定了采樣頻率，那么能夠正確顯示信號(hào)而不發(fā)生

3、畸變的最大頻率叫做恩奎斯特頻率，它是采樣頻率的一半。如果信號(hào)中包含頻率高于奈奎斯特頻率的成分，信號(hào)將在直流和恩奎斯特頻率之間畸變。圖６－２顯示了一個(gè)信號(hào)分別用合適的采樣率和過(guò)低的采樣率進(jìn)行采樣的結(jié)果。 采樣率過(guò)低的結(jié)果是還原的信號(hào)的頻率看上去與原始信號(hào)不同。這種信號(hào)畸變叫做混疊（alias）。出現(xiàn)的混頻偏差（alias frequency）是輸入信號(hào)的頻率和最靠近的采樣率整數(shù)倍的差的絕對(duì)值。 b 過(guò)低采樣率下的采樣結(jié)果 　a 足夠的采樣率下的采樣結(jié)果 圖6-2 不同采樣率的采樣結(jié)果 圖６－３給出了一個(gè)例子。假設(shè)采樣頻率 fs 是100HZ,，信號(hào)中含有25 、70、16

4、0、和 510 Hz的成分。 圖６－３ 說(shuō)明混疊的例子 采樣的結(jié)果將會(huì)是低于奈奎斯特頻率（fs/2=50 Hz）的信號(hào)可以被正確采樣。而頻率高于50HZ的信號(hào)成分采樣時(shí)會(huì)發(fā)生畸變。分別產(chǎn)生了30、40和10 Hz的畸變頻率F2、F3和F4。計(jì)算混頻偏差的公式是： 混頻偏差＝ABS（采樣頻率的最近整數(shù)倍－輸入頻率） 其中ABS表示“絕對(duì)值”，例如： 混頻偏差 F2 = |100 – 70| = 30 Hz 混頻偏差F3 = |(2)100 – 160| = 40 Hz 混頻偏差F4 = |(5)100 – 510| = 10 Hz 　　為了避免這種情況的發(fā)生，通常在信號(hào)被

5、采集（A/D）之前，經(jīng)過(guò)一個(gè)低通濾波器，將信號(hào)中高于奈奎斯特頻率的信號(hào)成分濾去。在圖６－３的例子中，這個(gè)濾波器的截止頻率自然是25HZ。這個(gè)濾波器稱為抗混疊濾波器 采樣頻率應(yīng)當(dāng)怎樣設(shè)置呢？也許你可能會(huì)首先考慮用采集卡支持的最大頻率。但是，較長(zhǎng)時(shí)間使用很高的采樣率可能會(huì)導(dǎo)致沒(méi)有足夠的內(nèi)存或者硬盤存儲(chǔ)數(shù)據(jù)太慢。理論上設(shè)置采樣頻率為被采集信號(hào)最高頻率成分的２倍就夠了，實(shí)際上工程中選用５～１０倍，有時(shí)為了較好地還原波形，甚至更高一些。 通常，信號(hào)采集后都要去做適當(dāng)?shù)男盘?hào)處理，例如FFT等。這里對(duì)樣本數(shù)又有一個(gè)要求，一般不能只提供一個(gè)信號(hào)周期的數(shù)據(jù)樣本，希望有５～１０個(gè)周期，甚至更多的樣本。并且希望

6、所提供的樣本總數(shù)是整周期個(gè)數(shù)的。這里又發(fā)生一個(gè)困難，有時(shí)我們并不知道，或不確切知道被采信號(hào)的頻率，因此不但采樣率不一定是信號(hào)頻率的整倍數(shù)，也不能保證提供整周期數(shù)的樣本。我們所有的僅僅是一個(gè)時(shí)間序列的離散的函數(shù)x(n)和采樣頻率。這是我們測(cè)量與分析的唯一依據(jù)。 ６．１．２ 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的構(gòu)成 圖６－４　數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 上圖表示了數(shù)據(jù)采集的結(jié)構(gòu)。在數(shù)據(jù)采集之前，程序?qū)?duì)采集板卡初始化，板卡上和內(nèi)存中的Buffer是數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)的中間環(huán)節(jié)。需要注意的兩個(gè)問(wèn)題是：是否使用Buffer？是否使用外觸發(fā)啟動(dòng)、停止或同步一個(gè)操作。 緩沖（Buffers） 這里的緩沖指的是PC

7、內(nèi)存的一個(gè)區(qū)域（不是數(shù)據(jù)采集卡上的FIFO緩沖），它用來(lái)臨時(shí)存放數(shù)據(jù)。例如，你需要采集每秒采集幾千個(gè)數(shù)據(jù)，在一秒內(nèi)顯示或圖形化所有數(shù)據(jù)是困難的。但是將采集卡的數(shù)據(jù)先送到Buffer，你就可以先將它們快速存儲(chǔ)起來(lái)，稍后再重新找回它們顯示或分析。需要注意的是Buffer與采集操作的速度及容量有關(guān)。如果你的卡有DMA性能，模擬輸入操作就有一個(gè)通向計(jì)算機(jī)內(nèi)存的高速硬件通道，這就意味著所采集的數(shù)據(jù)可以直接送到計(jì)算機(jī)的內(nèi)存。 不使用Buffer意味著對(duì)所采集的每一個(gè)數(shù)據(jù)你都必須及時(shí)處理（圖形化、分析等），因?yàn)檫@里沒(méi)有一個(gè)場(chǎng)合可以保持你著手處理的數(shù)據(jù)之前的若干數(shù)據(jù)點(diǎn)。 下列情況需要使用Buffer

8、I/O： l 需要采集或產(chǎn)生許多樣本，其速率超過(guò)了實(shí)際顯示、存儲(chǔ)到硬件，或?qū)崟r(shí)分析的速度。 l 需要連續(xù)采集或產(chǎn)生AC數(shù)據(jù)（>10樣本／秒），并且要同時(shí)分析或顯示某些數(shù)據(jù)。 l 采樣周期必須準(zhǔn)確、均勻地通過(guò)數(shù)據(jù)樣本。 下列情況可以不使用Buffer I/O： l 數(shù)據(jù)組短小，例如每秒只從兩個(gè)通道之一采集一個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)。 l 需要縮減存儲(chǔ)器的開(kāi)支。 觸發(fā)（Triggering） 觸發(fā)涉及初始化、終止或同步采集事件的任何方法。觸發(fā)器通常是一個(gè)數(shù)字或模擬信號(hào)，其狀態(tài)可確定動(dòng)作的發(fā)生。軟件觸發(fā)最容易，你可以直接用軟件，例如使用布爾面板控制去啟動(dòng)/停止數(shù)據(jù)采集。硬件觸發(fā)讓板卡上的電路

9、管理觸發(fā)器，控制了采集事件的時(shí)間分配，有很高的精確度。硬件觸發(fā)可進(jìn)一步分為外部觸發(fā)和內(nèi)部觸發(fā)。當(dāng)某一模入通道發(fā)生一個(gè)指定的電壓電平時(shí)，讓卡輸出一個(gè)數(shù)字脈沖，這是內(nèi)部觸發(fā)。采集卡等待一個(gè)外部?jī)x器發(fā)出的數(shù)字脈沖到來(lái)后初始化采集卡，這是外部觸發(fā)。許多儀器提供數(shù)字輸出（常稱為“trigger out”）用于觸發(fā)特定的裝置或儀器，在這里，就是數(shù)據(jù)采集卡。 下列情況使用軟件觸發(fā)： l 用戶需要對(duì)所有采集操作有明確的控制，并且 l 事件定時(shí)不需要非常準(zhǔn)確。 下列情況使用硬件觸發(fā)： l 采集事件定時(shí)需要非常準(zhǔn)確。 l 用戶需要削減軟件開(kāi)支。 l 采集事件需要與外部裝置同步。 后面可以看到怎樣使

10、用采集的VI程序設(shè)置有Buffer及無(wú)Buffer的I/O操作，以及設(shè)置觸發(fā)的類型。 ６．１．３ 模入信號(hào)類型 數(shù)據(jù)采集前，必須對(duì)所采集的信號(hào)的特性有所了解，因?yàn)椴煌盘?hào)的測(cè)量方式和對(duì)采集系統(tǒng)的要求是不同的，只有了解被測(cè)信號(hào)，才能選擇合適的測(cè)量方式和采集系統(tǒng)配置。 任意一個(gè)信號(hào)是隨時(shí)間而改變的物理量。一般情況下，信號(hào)所運(yùn)載信息是很廣泛的，比如：狀態(tài)（state）、速率(rate)、電平(level)、形狀(shape)、頻率成分(frequency content)。根據(jù)信號(hào)運(yùn)載信息方式的不同，可以將信號(hào)分為模擬或數(shù)字信號(hào)。數(shù)字(二進(jìn)制)信號(hào)分為開(kāi)關(guān)信號(hào)和脈沖信號(hào)。模擬信號(hào)可分為直流

11、、時(shí)域、頻域信號(hào)，如圖6-5所示。 圖6-5 信號(hào)分類 數(shù)字信號(hào) 　　第一類數(shù)字信號(hào)是開(kāi)-關(guān)信號(hào)。一個(gè)開(kāi)-關(guān)信號(hào)運(yùn)載的信息與信號(hào)的瞬間狀態(tài)有關(guān)。TTL信號(hào)就是一個(gè)開(kāi)-關(guān)信號(hào)，一個(gè)TTL信號(hào)如果在2.0到5.0V之間，就定義它為邏輯高電平，如果在0到0.8V之間，就定義為邏輯低電平。 　　第二類數(shù)字信號(hào)是脈沖信號(hào)。這種信號(hào)包括一系列的狀態(tài)轉(zhuǎn)換，信息就包含在狀態(tài)轉(zhuǎn)化發(fā)生的數(shù)目、轉(zhuǎn)換速率、一個(gè)轉(zhuǎn)換間隔或多個(gè)轉(zhuǎn)換間隔的時(shí)間里。安裝在馬達(dá)軸上的光學(xué)編碼器的輸出就是脈沖信號(hào)。有些裝置需要數(shù)字輸入，比如一個(gè)步進(jìn)式馬達(dá)就需要一系列的數(shù)字脈沖作為輸入來(lái)控制位置和速度。 模擬直流信號(hào) 　　模擬直流

12、信號(hào)是靜止的或變化非常緩慢的模擬信號(hào)。直流信號(hào)最重要的信息是它在給定區(qū)間內(nèi)運(yùn)載的信息的幅度。常見(jiàn)的直流信號(hào)有溫度、流速、壓力、應(yīng)變等。采集系統(tǒng)在采集模擬直流信號(hào)時(shí)，需要有足夠的精度以正確測(cè)量信號(hào)電平，由于直流信號(hào)變化緩慢，用軟件計(jì)時(shí)就夠了，不需要使用硬件計(jì)時(shí)。 模擬時(shí)域信號(hào) 　　模擬時(shí)域信號(hào)與其他信號(hào)不同在于，它在運(yùn)載信息時(shí)不僅有信號(hào)的電平，還有電平隨時(shí)間的變化。在測(cè)量一個(gè)時(shí)域信號(hào)時(shí)，也可以說(shuō)是一個(gè)波形，需要關(guān)注一些有關(guān)波形形狀的特性，比如斜度、峰值等。為了測(cè)量一個(gè)時(shí)域信號(hào)，必須有一個(gè)精確的時(shí)間序列，序列的時(shí)間間隔也應(yīng)該合適，以保證信號(hào)的有用部分被采集到。要以一定的速率進(jìn)行測(cè)量，這個(gè)測(cè)

13、量速率要能跟上波形的變化。用于測(cè)量時(shí)域信號(hào)的采集系統(tǒng)包括一個(gè)A／D、一個(gè)采樣時(shí)鐘和一個(gè)觸發(fā)器。A／D的分辨率要足夠高，保證采集數(shù)據(jù)的精度，帶寬要足夠高，用于高速率采樣；精確的采樣時(shí)鐘，用于以精確的時(shí)間間隔采樣；觸發(fā)器使測(cè)量在恰當(dāng)?shù)臅r(shí)間開(kāi)始。存在許多不同的時(shí)域信號(hào)，比如心臟跳動(dòng)信號(hào)、視頻信號(hào)等，測(cè)量它們通常是因?yàn)閷?duì)波形的某些方面特性感興趣。 模擬頻域信號(hào) 　　模擬頻域信號(hào)與時(shí)域信號(hào)類似，然而，從頻域信號(hào)中提取的信息是基于信號(hào)的頻域內(nèi)容，而不是波形的形狀，也不是隨時(shí)間變化的特性。用于測(cè)量一個(gè)頻域信號(hào)的系統(tǒng)必須有一個(gè)A／D、一個(gè)簡(jiǎn)單時(shí)鐘和一個(gè)用于精確捕捉波形的觸發(fā)器。系統(tǒng)必須有必要的分析功能

14、，用于從信號(hào)中提取頻域信息。為了實(shí)現(xiàn)這樣的數(shù)字信號(hào)處理，可以使用應(yīng)用軟件或特殊的DSP硬件來(lái)迅速而有效地分析信號(hào)。模擬頻域信號(hào)也很多，比如聲音信號(hào)、地球物理信號(hào)、傳輸信號(hào)等。 上述信號(hào)分類不是互相排斥的。一個(gè)特定的信號(hào)可能運(yùn)載有不只一種信息，可以用幾種方式來(lái)定義信號(hào)并測(cè)量它，用不同類型的系統(tǒng)來(lái)測(cè)量同一個(gè)信號(hào)，從信號(hào)中取出需要的各種信息。 ６．１．４　模入信號(hào)的連接方式 　　一個(gè)電壓信號(hào)可以分為接地和浮動(dòng)兩種類型。測(cè)量系統(tǒng)可以分為差分（Differential）、參考地單端（RSE）、無(wú)參考地單端（NRSE）三種類型。 １．接地信號(hào)和浮動(dòng)信號(hào) 接地信號(hào) 　　接地信號(hào)，就是將信號(hào)的

15、一端與系統(tǒng)地連接起來(lái)，如大地或建筑物的地。因?yàn)樾盘?hào)用的是系統(tǒng)地，所以與數(shù)據(jù)采集卡是共地的。接地最常見(jiàn)的例子是通過(guò)墻上的接地引出線，如信號(hào)發(fā)生器和電源。 浮動(dòng)信號(hào) 一個(gè)不與任何地（如大地或建筑物的地）連接的電壓信號(hào)稱為浮動(dòng)信號(hào)，浮動(dòng)信號(hào)的每個(gè)端口都與系統(tǒng)地獨(dú)立。一些常見(jiàn)的浮動(dòng)信號(hào)的例子有電池、熱電偶、變壓器和隔離放大器。 ２．測(cè)量系統(tǒng)分類 差分測(cè)量系統(tǒng) 　　差分測(cè)量系統(tǒng)中，信號(hào)輸入端分別與一個(gè)模入通道相連接。具有放大器的數(shù)據(jù)采集卡可配置成差分測(cè)量系統(tǒng)。圖6-6描述了一個(gè)8通道的差分測(cè)量系統(tǒng)，用一個(gè)放大器通過(guò)模擬多路轉(zhuǎn)換器進(jìn)行通道間的轉(zhuǎn)換。標(biāo)有AIGND（模擬輸入地）的管腳就是測(cè)

16、量系統(tǒng)的地。 圖6-6 差分測(cè)量系統(tǒng) 一個(gè)理想的差分測(cè)量系統(tǒng)僅能測(cè)出（+）和（-）輸入端口之間的電位差，完全不會(huì)測(cè)量到共模電壓。然而，實(shí)際應(yīng)用的板卡卻限制了差分測(cè)量系統(tǒng)抵抗共模電壓的能力，數(shù)據(jù)采集卡的共模電壓的范圍限制了相對(duì)與測(cè)量系統(tǒng)地的輸入電壓的波動(dòng)范圍。共模電壓的范圍關(guān)系到一個(gè)數(shù)據(jù)采集卡的性能，可以用不同的方式來(lái)消除共模電壓的影響。如果系統(tǒng)共模電壓超過(guò)允許范圍，需要限制信號(hào)地與數(shù)據(jù)采集卡的地之間的浮地電壓，以避免測(cè)量數(shù)據(jù)錯(cuò)誤。 參考地單端測(cè)量系統(tǒng)(RSE) 一個(gè)RSE測(cè)量系統(tǒng)，也叫做接地測(cè)量系統(tǒng)，被測(cè)信號(hào)一端接模擬輸入通道，另一端接系統(tǒng)地AIGND。圖6

17、-7描繪了一個(gè)16通道的RSE測(cè)量系統(tǒng)。 無(wú)參考地單端測(cè)量系統(tǒng)(NRSE) 在NRSE測(cè)量系統(tǒng)中，信號(hào)的一端接模擬輸入通道，另一端接一個(gè)公用參考端，但這個(gè)參考端電壓相對(duì)于測(cè)量系統(tǒng)的地來(lái)說(shuō)是不斷變化的。圖6-8說(shuō)明了一個(gè)NRSE測(cè)量系統(tǒng)，其中AISENSE是測(cè)量的公共參考端，AIGND是系統(tǒng)的地。 圖6-7 參考地單端測(cè)量系統(tǒng) 圖6-8 無(wú)參考地單端測(cè)量系統(tǒng) ３．選擇合適的測(cè)量系統(tǒng) 兩種信號(hào)源和三種測(cè)量系統(tǒng)一共可以組成六種連接方式： 接地信號(hào) 浮動(dòng)信號(hào) DEF * * RSE ** NRSE * * 其中，不帶

18、*號(hào)的方式不推薦使用。一般說(shuō)來(lái)，浮動(dòng)信號(hào)和差動(dòng)連接方式可能較好。但實(shí)際測(cè)量時(shí)還要看情況而定。 測(cè)量接地信號(hào) 　　測(cè)量接地信號(hào)最好采用差分或NRSE測(cè)量系統(tǒng)。如果采用RSE測(cè)量系統(tǒng)時(shí)，將會(huì)給測(cè)量結(jié)果帶來(lái)較大的誤差。圖6-9展示了用一個(gè)RSE測(cè)量系統(tǒng)去測(cè)量一個(gè)接地信號(hào)源的弊端。在本例中，測(cè)量電壓Vm是測(cè)量信號(hào)電壓Vs和電位差DVg之和，其中DVg是信號(hào)地和測(cè)量地之間的電位差，這個(gè)電位差來(lái)自于接地回路電阻，可能會(huì)造成數(shù)據(jù)錯(cuò)誤。一個(gè)接地回路通常會(huì)在測(cè)量數(shù)據(jù)中引入頻率為電源頻率的交流和偏置直流干擾。一種避免接地回路形成的辦法就是在測(cè)量信號(hào)前使用隔離方法，測(cè)量隔離之后的信號(hào)。 圖6-9 RSE

19、測(cè)量系統(tǒng)引入接地回路電壓 如果信號(hào)電壓很高并且信號(hào)源和數(shù)據(jù)采集卡之間的連接阻抗很小，也可以采用RSE系統(tǒng)，因?yàn)榇藭r(shí)接地回路電壓相對(duì)于信號(hào)電壓來(lái)說(shuō)很小，信號(hào)源電壓的測(cè)量值受接地回路的影響可以忽略。 測(cè)量浮動(dòng)信號(hào) 　　可以用差分、RSE、NRSE方式測(cè)量浮動(dòng)信號(hào)。在差分測(cè)量系統(tǒng)中，應(yīng)該保證相對(duì)于測(cè)量地的信號(hào)的共模電壓在測(cè)量系統(tǒng)設(shè)備允許的范圍之內(nèi)。如果采用差分或NRSE測(cè)量系統(tǒng)，放大器輸入偏置電流會(huì)導(dǎo)致浮動(dòng)信號(hào)電壓偏離數(shù)據(jù)采集卡的有效范圍。為了穩(wěn)住信號(hào)電壓，需要在每個(gè)測(cè)量端與測(cè)量地之間連接偏置電阻，如圖6-10所示。這樣就為放大器輸入到放大器的地提供了一個(gè)直流通路。這些偏置電阻的阻值應(yīng)

20、該足夠大，這樣使得信號(hào)源可以相對(duì)于測(cè)量地浮動(dòng)。對(duì)低阻抗信號(hào)源來(lái)說(shuō)，10kΩ到100kΩ的電阻比較合適。 圖6-10 增加偏置電阻 如果輸入信號(hào)是直流，就只需要用一個(gè)電阻將（-）端與測(cè)量系統(tǒng)的地連接起來(lái)。然而如果信號(hào)源的阻抗相對(duì)較高，從免除干擾的角度而言，這種連接方式會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)不平衡。在信號(hào)源的阻抗足夠高的時(shí)候，應(yīng)該選取兩個(gè)等值電阻，一個(gè)連接信號(hào)高電平（+）到地，一個(gè)連接信號(hào)低電平（-）到地。如果輸入信號(hào)是交流，就需要兩個(gè)偏置電阻，以達(dá)到放大器的直流偏置通路的要求。 總的來(lái)說(shuō)，不論測(cè)接地還是浮動(dòng)信號(hào)，差分測(cè)量系統(tǒng)是很好的選擇，因?yàn)樗坏苊饬私拥鼗芈犯蓴_，還避免了環(huán)

21、境干擾。相反的，RSE系統(tǒng)卻允許兩種干擾的存在，在所有輸入信號(hào)都滿足以下指標(biāo)時(shí)，可以采用RSE測(cè)量方式：輸入信號(hào)是高電平（一般要超過(guò)1V）；連線比較短（一般小于5米）并且環(huán)境干擾很小或屏蔽良好；所有輸入信號(hào)都與信號(hào)源共地。當(dāng)有一項(xiàng)不滿足要求時(shí)，就要考慮使用差分測(cè)量方式。 另外需要明確信號(hào)源的阻抗。電池、RTD、應(yīng)變片、熱電偶等信號(hào)源的阻抗很小，可以將這些信號(hào)源直接連接到數(shù)據(jù)采集卡上或信號(hào)調(diào)理硬件上。直接將高阻抗的信號(hào)源接到插入式板卡上會(huì)導(dǎo)致出錯(cuò)。為了更好的測(cè)量，輸入信號(hào)源的阻抗與插入式數(shù)據(jù)采集卡的阻抗相匹配。 ６．１．５　信號(hào)調(diào)理 　　從傳感器得到的信號(hào)大多要經(jīng)過(guò)調(diào)理才能進(jìn)入數(shù)據(jù)

22、采集設(shè)備，信號(hào)調(diào)理功能包括放大、隔離、濾波、激勵(lì)、線性化等。由于不同傳感器有不同的特性，因此，除了這些通用功能，還要根據(jù)具體傳感器的特性和要求來(lái)設(shè)計(jì)特殊的信號(hào)調(diào)理功能。下面僅介紹信號(hào)調(diào)理的通用功能。 １． 放大 　　微弱信號(hào)都要進(jìn)行放大以提高分辨率和降低噪聲，使調(diào)理后信號(hào)的電壓范圍和A/D的電壓范圍相匹配。信號(hào)調(diào)理模塊應(yīng)盡可能靠近信號(hào)源或傳感器，使得信號(hào)在受到傳輸信號(hào)的環(huán)境噪聲影響之前已被放大，使信噪比得到改善。 ２． 隔離 　　隔離是指使用變壓器、光或電容耦合等方法在被測(cè)系統(tǒng)和測(cè)試系統(tǒng)之間傳遞信號(hào)，避免直接的電連接。使用隔離的原因由兩個(gè)：一是從安全的角度考慮；另一個(gè)原因是隔離可使從數(shù)

23、據(jù)采集卡讀出來(lái)的數(shù)據(jù)不受地電位和輸入模式的影響。如果數(shù)據(jù)采集卡的地與信號(hào)地之間有電位差，而又不進(jìn)行隔離，那么就有可能形成接地回路，引起誤差。 ３． 濾波 　　濾波的目的是從所測(cè)量的信號(hào)中除去不需要的成分。大多數(shù)信號(hào)調(diào)理模塊有低通濾波器，用來(lái)濾除噪聲。通常還需要抗混疊濾波器，濾除信號(hào)中感興趣的最高頻率以上的所有頻率的信號(hào)。某些高性能的數(shù)據(jù)采集卡自身帶有抗混疊濾波器。 ４． 激勵(lì) 　　信號(hào)調(diào)理也能夠?yàn)槟承﹤鞲衅魈峁┧璧募?lì)信號(hào)，比如應(yīng)變傳感器、熱敏電阻等需要外界電源或電流激勵(lì)信號(hào)。很多信號(hào)調(diào)理模塊都提供電流源和電壓源以便給傳感器提供激勵(lì)。 ５． 線性化 　　許多傳感器對(duì)被測(cè)量的響應(yīng)是

24、非線性的，因而需要對(duì)其輸出信號(hào)進(jìn)行線性化，以補(bǔ)償傳感器帶來(lái)的誤差。但目前的趨勢(shì)是，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可以利用軟件來(lái)解決這一問(wèn)題。 ６． 數(shù)字信號(hào)調(diào)理 即使傳感器直接輸出數(shù)字信號(hào)，有時(shí)也有進(jìn)行調(diào)理的必要。其作用是將傳感器輸出的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行必要的整形或電平調(diào)整。大多數(shù)數(shù)字信號(hào)調(diào)理模塊還提供其他一些電路模塊，使得用戶可以通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡的數(shù)字I/O直接控制電磁閥、電燈、電動(dòng)機(jī)等外部設(shè)備。 ６．１．６ 數(shù)據(jù)采集(DAQ)卡 １．?dāng)?shù)據(jù)采集卡的功能 　　一個(gè)典型的數(shù)據(jù)采集卡的功能有模擬輸入、模擬輸出、數(shù)字I/O、計(jì)數(shù)器/計(jì)時(shí)器等，這些功能分別由相應(yīng)的電路來(lái)實(shí)現(xiàn)。 　　模擬輸入是采集最基本的功能。它

25、一般由多路開(kāi)關(guān)（MUX）、放大器、采樣保持電路以及A/D來(lái)實(shí)現(xiàn)，通過(guò)這些部分，一個(gè)模擬信號(hào)就可以轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)。A/D的性能和參數(shù)直接影響著模擬輸入的質(zhì)量，要根據(jù)實(shí)際需要的精度來(lái)選擇合適的A/D。 模擬輸出通常是為采集系統(tǒng)提供激勵(lì)。輸出信號(hào)受數(shù)模轉(zhuǎn)換器（D/A）的建立時(shí)間、轉(zhuǎn)換率、分辨率等因素影響。建立時(shí)間和轉(zhuǎn)換率決定了輸出信號(hào)幅值改變的快慢。建立時(shí)間短、轉(zhuǎn)換率高的D/A可以提供一個(gè)較高頻率的信號(hào)。如果用D/A的輸出信號(hào)去驅(qū)動(dòng)一個(gè)加熱器，就不需要使用速度很快的D/A，因?yàn)榧訜崞鞅旧砭筒荒芎芸斓馗欕妷鹤兓?。?yīng)該根據(jù)實(shí)際需要選擇D/A的參數(shù)指標(biāo)。 數(shù)字I/O通常用來(lái)控制過(guò)程、

26、產(chǎn)生測(cè)試信號(hào)、與外設(shè)通信等。它的重要參數(shù)包括：數(shù)字口路數(shù)（line）、接收 (發(fā)送 )率、驅(qū)動(dòng)能力等。如果輸出去驅(qū)動(dòng)電機(jī)、燈、開(kāi)關(guān)型加熱器等用電器，就不必用較高的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換率。路數(shù)要能同控制對(duì)象配合，而且需要的電流要小于采集卡所能提供的驅(qū)動(dòng)電流。但加上合適的數(shù)字信號(hào)調(diào)理設(shè)備，仍可以用采集卡輸出的低電流的TTL電平信號(hào)去監(jiān)控高電壓、大電流的工業(yè)設(shè)備。數(shù)字I/O常見(jiàn)的應(yīng)用是在計(jì)算機(jī)和外設(shè)如打印機(jī)、數(shù)據(jù)記錄儀等之間傳送數(shù)據(jù)。另外一些數(shù)字口為了同步通信的需要還有“握手”線。路數(shù)、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換速率、“握手”能力都是應(yīng)理解的重要參數(shù)，應(yīng)依據(jù)具體的應(yīng)用場(chǎng)合而選擇有合適參數(shù)的數(shù)字I/O。 許多場(chǎng)合都要用到

27、計(jì)數(shù)器，如定時(shí)、產(chǎn)生方波等。計(jì)數(shù)器包括三個(gè)重要信號(hào)：門限信號(hào)、計(jì)數(shù)信號(hào)、輸出。門限信號(hào)實(shí)際上是觸發(fā)信號(hào)——使計(jì)數(shù)器工作或不工作；計(jì)數(shù)信號(hào)也即信號(hào)源，它提供了計(jì)數(shù)器操作的時(shí)間基準(zhǔn)；輸出是在輸出線上產(chǎn)生脈沖或方波。計(jì)數(shù)器最重要的參數(shù)是分辨率和時(shí)鐘頻率，高分辨率意味著計(jì)數(shù)器可以計(jì)更多的數(shù)，時(shí)鐘頻率決定了計(jì)數(shù)的快慢，頻率越高，計(jì)數(shù)速度就越快。 ２．?dāng)?shù)據(jù)采集卡的軟件配置 　　一般說(shuō)來(lái)，數(shù)據(jù)采集卡都有自己的驅(qū)動(dòng)程序，該程序控制采集卡的硬件操作，當(dāng)然這個(gè)驅(qū)動(dòng)程序是由采集卡的供應(yīng)商提供，用戶一般無(wú)須通過(guò)低層才能與采集卡硬件打交道。 　　NI公司還提供了一個(gè)數(shù)據(jù)采集卡的配置工具軟件——Measurem

28、ent & Automation Explorer ,它可以配置NI公司的軟件和硬件，比如執(zhí)行系統(tǒng)測(cè)試和診斷、增加新通道和虛擬通道、設(shè)置測(cè)量系統(tǒng)的方式、察看所連接的設(shè)備等。 ６．１．７ 多通道的采樣方式 　　多數(shù)通用采集卡都有多個(gè)模入通道，但是并非每個(gè)通道配置一個(gè)A/D，而是大家共用一套A/D,在A/D之前的有一個(gè)多路開(kāi)關(guān)（MUX），以及放大器（AMP）、采樣保持器（S/H）等。通過(guò)這個(gè)開(kāi)關(guān)的掃描切換，實(shí)現(xiàn)多通道的采樣。多通道的采樣方式有三種：循環(huán)采樣、同步采樣和間隔采樣。在一次掃描（scan）中，數(shù)據(jù)采集卡將對(duì)所有用到的通道進(jìn)行一次采樣，掃描速率（scan rate）是數(shù)據(jù)采集卡每秒

29、進(jìn)行掃描的次數(shù)。 　　當(dāng)對(duì)多個(gè)通道采樣時(shí)，循環(huán)采樣是指采集卡使用多路開(kāi)關(guān)以某一時(shí)鐘頻率將多個(gè)通道分別接入A/D循環(huán)進(jìn)行采樣。如圖6-11給出兩個(gè)通道循環(huán)采樣的示意圖。此時(shí)，所有的通道共用一個(gè)A/D和S/H等設(shè)備，比每個(gè)通道分別配一個(gè)A/D和S/H的方式要廉價(jià)。循環(huán)采樣的缺點(diǎn)在于不能對(duì)多通道同步采樣，通道的掃描速率是由多路開(kāi)關(guān)切換的速率平均分配給每個(gè)通道的。因?yàn)槎嗦烽_(kāi)關(guān)要在通道間進(jìn)行切換，對(duì)兩個(gè)連續(xù)通道的采樣，采樣信號(hào)波形會(huì)隨著時(shí)間變化，產(chǎn)生通道間的時(shí)間延遲。如果通道間的時(shí)間延遲對(duì)信號(hào)的分析不很重要時(shí)，使用循環(huán)采樣是可以的。 圖6-11 循環(huán)采樣 當(dāng)通道間的時(shí)間關(guān)系很重要時(shí)，就需要

30、用到同步采樣方式。支持這種方式的數(shù)據(jù)采集卡每個(gè)通道使用獨(dú)立的放大器和S/H電路，經(jīng)過(guò)一個(gè)多路開(kāi)關(guān)分別將不同的通道接入A/D進(jìn)行轉(zhuǎn)換。圖6-12給出兩個(gè)通道同步采樣的示意圖。還有一種數(shù)據(jù)采集卡，每個(gè)通道各有一個(gè)獨(dú)立的A/D，這種數(shù)據(jù)采集卡的同步性能更好。但是成本顯然更高。 圖６－１２　同步采樣 假定用四個(gè)通道來(lái)采集均為50kHz的周期信號(hào)（其周期是20μs），數(shù)據(jù)采集卡的采樣速率設(shè)為200kHz。則采樣間隔為5μs（1/200kHz）。如果用循環(huán)采樣則每相鄰兩個(gè)通道之間的采樣信號(hào)的時(shí)間延遲為5μs（1/200kHz），這樣通道1和通道２之間就產(chǎn)生了1/4周期的相位延遲，而通道1和

31、通道４之間的信號(hào)延遲就達(dá)15μs，折合相位差是2700。一般說(shuō)來(lái)這是不行的。 為了改善這種情況。而又不必付出像同步采用采樣那樣大的代價(jià)。就有了如下的間隔掃描（interval scanning）方式。 在這種方式下，用通道時(shí)鐘控制通道間的時(shí)間間隔，而用另一個(gè)掃描時(shí)鐘控制兩次掃描過(guò)程之間的間隔。通道間的間隔由實(shí)際上由采集卡的最高采樣速率決定，可能是微秒、甚至納秒級(jí)的，效果接近于同步掃描。間隔掃描適合緩慢變化的信號(hào)，比如溫度和壓力。假定一個(gè)10通道溫度信號(hào)的采集系統(tǒng)，用間隔采樣，設(shè)置相鄰?fù)ǖ篱g的掃描間隔為5μs，每?jī)纱螔呙柽^(guò)程的間隔是1s，這種方法提供了一個(gè)以1Hz同步掃描10通道的方法，如圖

32、６-1３所示。1通道和10通道掃描間隔是45μs，相對(duì)于1Hz的采樣頻率是可被忽略的。對(duì)一般采集系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，間隔采樣是性價(jià)比較高的一種采樣方式。 圖６－１３ 間隔采樣 NI公司的數(shù)據(jù)采集卡可以使用內(nèi)部時(shí)鐘來(lái)設(shè)置掃描速率和通道間的時(shí)間間隔。多數(shù)數(shù)據(jù)采集卡根據(jù)通道時(shí)鐘（channel clock ）按順序掃描不同的通道，控制一次掃描過(guò)程中相鄰?fù)ǖ篱g的時(shí)間間隔，而用掃描時(shí)鐘（scan clock）來(lái)控制兩次掃描過(guò)程的間隔。通道時(shí)鐘要比掃描時(shí)鐘快，通道時(shí)鐘速率越快，在每次掃描過(guò)程中相鄰?fù)ǖ篱g的時(shí)間間隔就越小?！　　? 對(duì)于具有掃描時(shí)鐘和通道時(shí)鐘的數(shù)據(jù)采集卡，可以通過(guò)把掃描速率（scan ra

33、te）設(shè)為0，使用AI Config VI的interchannel delay端口來(lái)設(shè)置循環(huán)采樣速率。LabVIEW默認(rèn)的是scan clock，換句話來(lái)說(shuō)，當(dāng)選擇好掃描速率時(shí)，LabVIEW自動(dòng)選擇盡可能快的通道時(shí)鐘速率，大多數(shù)情況下，這是一種比較好的選擇。圖6-14說(shuō)明循環(huán)采樣和間隔采樣的不同。 圖6-14 間隔采樣與循環(huán)采樣比較 ６．１．８ LabVIEW 數(shù)據(jù)采集模塊的分類 LabVIEW 中對(duì)于數(shù)據(jù)采集模塊按照難易程度做了分類，圖6-15以模入為例表明了工具欄中各種類型的模入模塊。 簡(jiǎn)易模入VIs 中級(jí)模入VIs 高級(jí)模入VIs 通用模入VIs

34、 圖6-15 模入的各種模塊 簡(jiǎn)易模入VIs (Ease Analog VIs) 該行的四個(gè)模塊執(zhí)行簡(jiǎn)單的模入操作。它們可以作為單獨(dú)的VI，也可以作為subVI來(lái)使用。這些模塊可以自動(dòng)發(fā)出錯(cuò)誤警告信息，在對(duì)話框中你可以選擇中斷運(yùn)行或忽略。但是比較復(fù)雜的應(yīng)用需要使用下面的類型?！　? 中級(jí)模入VIs (Intermediate Analog Input VIs) 中級(jí)模入在兩個(gè)地方可以找到，一個(gè)如圖6-15的位置，另一個(gè)是包含在下面討論的通用模入VIs中。與簡(jiǎn)易模入不同的是在那里的一個(gè)操作AI Input ，這里細(xì)分為AI Config, AI S

35、tart, AI Read, AI Single Scan以及AI Clear。它可以描述更加細(xì)致、復(fù)雜的操作。 通用模入VIs ( Analog Input Utility VIs) 這里提供了三個(gè)常用的Vis，AI Read One Scan，AI Waveform Scan，及AI Continuous Scan。使用一個(gè)VI就可以解決一個(gè)普通的模入問(wèn)題，方便但缺乏靈活性。這三個(gè)Vis是由中級(jí)模入構(gòu)成的。 高級(jí)模入VIs ( Advanced Analog Input VIs) 這些Vis是NI-DAQ數(shù)據(jù)采集軟件的界面，是上面三種類型Vis的基礎(chǔ)。一般情況下，用戶不需要

36、直接使用這個(gè)功能。 在下面的介紹中我們主要涉及前兩項(xiàng)。 ６． ２　模擬輸入（Analog Input） ６．２．１　模入?yún)?shù)說(shuō)明 為了更好地理解模入，需要了解信號(hào)數(shù)字化過(guò)程中分辨率、范圍、增益等參數(shù)對(duì)采集信號(hào)質(zhì)量的影響。 分辨率（Resolution） 分辨率就是用來(lái)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換的位數(shù)，A/D的位數(shù)越多，分辨率就越高，可區(qū)分的最小電壓就越小。分辨率要足夠高，數(shù)字化信號(hào)才能有足夠的電壓分辨能力，才能比較好的恢復(fù)原始信號(hào)。目前分辨率為8的采集卡屬于較低的，12位屬中檔，１６位的卡就比較高了。他們可以分別將模入電壓量化為256、4096、65536份。 電壓

37、范圍(Range) 電壓范圍由A/D能數(shù)字化的模擬信號(hào)的最高和最低的電壓決定。一般情況下，采集卡的電壓范圍是可調(diào)的，所以可選擇和信號(hào)電壓變化范圍相匹配的電壓范圍以充分利用分辨率范圍，得到更高的精度。比如，對(duì)于一個(gè)3位的A/D，在選擇0-10V范圍時(shí)，它將10V八等分；如果選擇范圍為-10V到+10V，同一個(gè)A/D就得將20V分為8等分，能分辨的最小電壓就從1.25V上升到2.50V，這樣信號(hào)復(fù)原的效果就更差了。 增益（Gain） 增益主要用于在信號(hào)數(shù)字化之前對(duì)衰減的信號(hào)進(jìn)行放大。使用增益，可以等效地降低A/D的輸入范圍，使它能盡量將信號(hào)分為更多的等份，基本達(dá)到滿量程，

38、這樣可以更好地復(fù)原信號(hào)。因?yàn)閷?duì)同樣的電壓輸入范圍，大信號(hào)的量化誤差小，而小信號(hào)時(shí)量化誤差大。當(dāng)輸入信號(hào)不接近滿量程時(shí)，量化誤差會(huì)相對(duì)加大。如：輸入只為滿量程的1／10時(shí)，量化誤差相應(yīng)擴(kuò)大10倍。一般使用時(shí)，要通過(guò)選擇合適的增益，使得輸入信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍與A/D的電壓范圍相適應(yīng)。當(dāng)信號(hào)的最大電壓加上增益后超過(guò)了板卡的最大電壓，超出部分將被截?cái)喽x出錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)。 對(duì)于NI公司的采集卡選擇增益是在LabVIEW中通過(guò)設(shè)置信號(hào)輸入限制（input limits）來(lái)實(shí)現(xiàn)的，LabVIEW會(huì)根據(jù)選擇的輸入限制和輸入電壓范圍的大小來(lái)自動(dòng)選擇增益的大小。 一個(gè)采集卡的分辨率、范圍和增益決定了可

39、分辨的最小電壓，它表示為1LSB。例如，某采集卡的分辨率為 12位，范圍取0-10V，增益取100，則有1LSB=10V/ (100×4096)24μV。這樣，在數(shù)字化過(guò)程中，最小能分辨的電壓就為24μs。 選擇合適的增益和輸入范圍要與實(shí)際被測(cè)信號(hào)匹配。如果輸入信號(hào)的改變量比采集卡的精度低，就可以將信號(hào)放大，提高增益。選擇一個(gè)大的輸入范圍或降低增益可以測(cè)量大范圍的信號(hào)，但這是以精度的降低為代價(jià)的。選擇一個(gè)小的輸入范圍或提高增益可以提高精度，但這可能會(huì)使信號(hào)超出A/D允許的電壓范圍。 在研究采集 VI之前需要了解如下的幾個(gè)定義。我們以下圖的多通道模入波形采集AI Acquire Wa

40、veform.vi為例說(shuō)明。 device——設(shè)備號(hào)。在NI 采集設(shè)置工具中設(shè)定。該參數(shù)告訴LabVIEW你使用什么卡，它可以使采集 VI自身獨(dú)立于卡的類型，也就是說(shuō)，如果你稍后使用了另一種卡，并且賦予它同樣的設(shè)備號(hào)，你的VI程序可正常工作而無(wú)須修改。 channels——指定數(shù)據(jù)樣本的物理源。例如，一個(gè)卡有１６個(gè)模擬輸入通道，你就可以同時(shí)采集１６組數(shù)據(jù)點(diǎn)。在LabVIEW VI中，一個(gè)通道或一組通道都用一個(gè)字符串來(lái)指定。例如： 通道 通道串 通道5 5 通道0到4 0:4 通道1，8，以及10到13 1,8,10:13 scan rate(1000 sc

41、ans/sec)——是在多通道采樣時(shí)，分配給一個(gè)通道得到的樣本速率，缺省值是1000/秒。 number of samples/ch——每通道要采集的樣本數(shù)，缺省值是1000。 high limit——被測(cè)信號(hào)的最高電平，其缺省值是０。設(shè)為缺省值時(shí)系統(tǒng)將按照采集卡設(shè)置程序MAX中的設(shè)定處理。 low limit——被測(cè)信號(hào)的最低電平，其缺省值是０。設(shè)為缺省值時(shí)系統(tǒng)將按照采集卡設(shè)置程序MAX中的設(shè)定處理。 high limit 和 low limit的值將決定采集系統(tǒng)的增益。對(duì)大多數(shù)卡輸入信號(hào)變化的缺省值是10V到-10V，如果你將其設(shè)為5到-5V，則增益為2。如果你將其設(shè)為1到-1V，

42、則增益為10。如果你設(shè)置一個(gè)理論上的增益是得不到支持的，LabVIEW會(huì)自動(dòng)將其調(diào)整到最近的預(yù)置值。典型的采集卡所支持的增益值有0.5,1,2,5,10,20,50,100。 waveforms——A/D轉(zhuǎn)換后的輸出，是一個(gè)二維的waveform數(shù)組，其每一列對(duì)應(yīng)于一個(gè)輸入通道，同時(shí)包含有反映時(shí)間信息的t0和Δt。 LabVIEW 數(shù)據(jù)采集模塊的分類 下面我們將由簡(jiǎn)到難地介紹有關(guān)內(nèi)容。 ６． ２．２　簡(jiǎn)易模入（Ease Analog VIs） 這是LabVIEW提供的一組標(biāo)準(zhǔn)的、簡(jiǎn)單易用的采集 VI。 從左到右，４個(gè)VI的功能為： l 從指定通道獲得一個(gè)樣本。 l 從由通道

43、字符串規(guī)定的一組通道每通道獲得一個(gè)樣本。這些樣本返回到一個(gè)樣本數(shù)組，順序由通道號(hào)決定。 l 按指定的采樣率由一個(gè)通道得到一個(gè)波形（一組覆蓋一個(gè)周期的樣本），這些樣本返回到一個(gè)wareform 數(shù)組。 l 從由通道字符串規(guī)定的每個(gè)通道獲得一個(gè)波形。這些樣本返回到一個(gè)波形的２維數(shù)組，順序由通道號(hào)和采樣周期決定。通道數(shù)據(jù)的每個(gè)點(diǎn)占１列，時(shí)間增量由行決定。 練習(xí)?。叮薄? 目的：采集一個(gè)直流電壓信號(hào) １． 準(zhǔn)備一個(gè)直流電源（例如0.5V）作為信號(hào)源連接到數(shù)據(jù)采集卡的0通道模入端。 ２． 構(gòu)造前面板和框圖如上面所示。 ３． 運(yùn)行程序。可得到Mete

44、r指示0.5V。 練習(xí)?。叮?結(jié)束 練習(xí)　６－２　 目的：多通道數(shù)據(jù)采集 １． 準(zhǔn)備一個(gè)方波信號(hào)源和一個(gè)正弦波信號(hào)源。分別連接到模入通道０和１。 ２． 設(shè)置前面板與框圖如上。 ３． 設(shè)置scan速率、通道號(hào)、每通道樣本數(shù)如前面板所示。 ４． 運(yùn)行該程序。 ５． 保存為Acquire Multiple Channels.vi。 ６． 該程序是無(wú)緩沖、軟件觸發(fā)的。 注意：這里使用的AI Acquire Waveform.vi具有多態(tài)性，它的輸出可以是Waveform，也可以是Array，前者可直接與Gra

45、ph連接，后者如果直接要與Graph連接麻煩一些。在LabVIEW　6I以前的版本中只有后者。用后者編寫這個(gè)程序的框圖如下： 增加的步驟包括： ７．在框圖上調(diào)出AI Acquire Waveform.vi的快速菜單，選擇Select Type >Scaled Array。 ８．在前面板上的graph上用快捷菜單選擇Transpose Array。因?yàn)锳I Sample Channel功能返回的2D數(shù)組是每列反映一個(gè)通道的電壓，而在一般情況下graph圖形是行對(duì)列，所以需要對(duì)數(shù)組做一次轉(zhuǎn)置，以使Y軸表示電壓值。 ９． 在框圖上將起始時(shí)刻、實(shí)際采樣周期的倒數(shù)和采樣

46、數(shù)據(jù)使用Bundle功能捆綁成一個(gè)數(shù)組，送給graph。注意捆綁的順序是I32、SGL和數(shù)組，如果變?yōu)镮32、數(shù)組和SGL，可能出錯(cuò)。 練習(xí)?。叮病〗Y(jié)束 ６． ２．３　中級(jí)模入Analog Input 上面介紹的簡(jiǎn)單模入的基本局限是執(zhí)行采集任務(wù)的庸余。例如，你每一次調(diào)用AI Sample Channel，都必須為特定類型的測(cè)量設(shè)置硬件，告訴它采樣率等。顯然，如果你要反復(fù)采集大量的樣本，你未必需要在每一次重復(fù)時(shí)都去設(shè)置測(cè)量。一個(gè)典型的情況是連續(xù)采集，需要在程序中采用循環(huán)結(jié)構(gòu)，按照簡(jiǎn)單模入，每次采集前都在設(shè)置參數(shù)，不僅多余，而且造成了采集過(guò)程的不連續(xù)。 中級(jí)模入有更好的功能與

47、靈活性，可以更有效地開(kāi)發(fā)你的應(yīng)用。它的特點(diǎn)包括控制內(nèi)部采樣率，使用外部觸發(fā)，執(zhí)行連續(xù)外部觸發(fā)等。下面我們將仔細(xì)描述它的各種VI，應(yīng)該注意其大量輸入、輸出端子中的部分內(nèi)容一般是不必理會(huì)的。有效地使用這些VI只需要關(guān)注你需要的端子。在大多數(shù)情況下，你不需要為在help中解釋的端子的設(shè)置煩惱。 　 u Analog Input AI Config對(duì)指定的通道設(shè)置模入操作，包括硬件、計(jì)算機(jī)內(nèi)buffer的分配。常用的端子有： l Device——采集卡的設(shè)備號(hào)。 l Channel——指定模入通道號(hào)的串?dāng)?shù)組。 l l Intput limit——指定輸入信號(hào)的范圍達(dá)到調(diào)節(jié)硬件增益

48、的目的。 l Buffer size——單位是scan，控制用于采集數(shù)據(jù)的AI Config占用計(jì)算機(jī)內(nèi)存的大小。 l Interchannel delay——掃描間隔設(shè)置。缺省值為-1，當(dāng)選用缺省值時(shí)，系統(tǒng)按照采集卡的最高掃描速率（一般為幾微秒），再加上系統(tǒng)消耗10微秒，來(lái)設(shè)置掃描間隔，對(duì)MIO-16-E-4卡來(lái)說(shuō)，約為14微秒。用戶也可以自行設(shè)置這個(gè)值，實(shí)驗(yàn)表明，對(duì)MIO-16-E-4卡最小可設(shè)到2~3微秒。 AI Start啟動(dòng)帶緩沖的模入操作。它控制數(shù)據(jù)采集速率，采集點(diǎn)的數(shù)目，及使用任何硬件觸發(fā)的選擇。它的兩個(gè)重要輸入是： l Scan rate(scan/sec)——對(duì)每個(gè)通

49、道采集的每秒掃描次數(shù)。 l Number of scans to acquire——對(duì)通道列表的掃描次數(shù)。？？ AI Read——從被AI Config分配的緩沖讀取數(shù)據(jù)。它能夠控制由緩沖讀取的點(diǎn)數(shù)，讀取數(shù)據(jù)在緩沖中的位置，以及是否返回二進(jìn)制數(shù)或標(biāo)度的電壓數(shù)。它的輸出是一個(gè)２維數(shù)組，其中每一列數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)于通道列表中的一個(gè)通道。 AI Single Scan——返回一個(gè)掃描數(shù)據(jù)。它的電壓數(shù)據(jù)輸出是由通道列表中的每個(gè)通道讀出的電壓數(shù)據(jù)。使用這個(gè)VI僅與AI Config有關(guān)聯(lián)，不需要AI Start和AI Read。 AI Clear——清除模入操作、計(jì)算機(jī)中分配的緩沖、釋放所有數(shù)據(jù)采集卡的

50、資源，例如計(jì)數(shù)器。 當(dāng)你設(shè)置一個(gè)模入應(yīng)用時(shí)，首先使用的VI總是AI Config。AI Config會(huì)產(chǎn)生一個(gè)taskID和Error cluster（出錯(cuò)信息簇）。所有別的模入VI接受這個(gè)taskID以識(shí)別操作的設(shè)備和通道，并且在操作完成后輸出一個(gè)taskID。因?yàn)閠askID是一個(gè)輸入并向另一個(gè)模入VI輸出，所以該參數(shù)形成了采集 VI之間的一個(gè)關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)。 練習(xí)?。叮场? 目的：多通道波形的連續(xù)采集 現(xiàn)在我們使用LabVIEW提供的DAQ向?qū)?lái)搭建這個(gè)程序，操作步驟如下： １． 選LabVIEW進(jìn)入畫面選擇 DAQ Solutions

51、 ２． 進(jìn)入Welcome to the Solution Wizard　選 l Program the input scaling and conversion myself ３．進(jìn)入Solution Wizard –Step 2 to 3 選 l Custom DAQ Applications ４．進(jìn)入Solution Wizard –Step 3 to 3 選 l Analog Input ５． 進(jìn)入Analog Input Functionality 選 在Step 1中選擇０、１兩個(gè)通道 在Step 2中選擇Scan multiple sample from

52、 each channel continuously 點(diǎn)擊OK按鈕 ６． 又回到Solution Wizard –Step 3 to 3 ，顯示選中的各種配置，點(diǎn)擊［Open Solution］按 鈕，可以看到形成的程序。 上面的面板和框圖略做了簡(jiǎn)化，刪去了有關(guān)錯(cuò)誤信息處理的一個(gè)模塊。在這個(gè)程序中有幾個(gè)問(wèn)題值得注意 １． 在AI Config 中設(shè)置interchannel delay 為 –1, 使用間隔掃描方式，避免了通道延遲。 ２． 在這個(gè)簡(jiǎn)化了的框

53、圖上我們可以更加清晰地看出中級(jí)模入的處理框圖，大致如下： 圖6-16 連續(xù)采集程序模型 無(wú)疑，這個(gè)流程更加合理，它把采集的初始化與結(jié)束處理放在了循環(huán)之外。 ３． Buffer的設(shè)置和使用：連續(xù)采集時(shí)通常需要Buffer。面板上有３個(gè)與Buffer有關(guān)的對(duì)象。其一是Buffer Size(單位：scan的個(gè)數(shù))，這是它的大小，其二是Scans to Read at a time，即每一次從Buffer中讀走的scan的個(gè)數(shù)，其三是scan backlog，這里顯示在Buffer中積壓的scan個(gè)數(shù)。這個(gè)數(shù)的大小取決于系統(tǒng)的運(yùn)行速度。只要這里顯示一個(gè)大于Buffer Size的數(shù)

54、，系統(tǒng)將出錯(cuò)，中斷運(yùn)行。 　　　　這里使用的是一種稱為循環(huán)Buffer機(jī)制。其原理如下：在往緩沖區(qū)中放數(shù)據(jù)的　 同時(shí)可以讀取緩沖區(qū)中已放的數(shù)據(jù)，當(dāng)緩沖區(qū)滿時(shí)，從緩沖區(qū)開(kāi)始處重新存放新的數(shù)　 據(jù)，只要放數(shù)據(jù)和取數(shù)據(jù)的速度配合好，就可以實(shí)現(xiàn)用一塊有限的存儲(chǔ)區(qū)，來(lái)進(jìn)行連 續(xù)的數(shù)據(jù)傳送。使用循環(huán)緩沖區(qū)，可以在采集設(shè)備在后臺(tái)連續(xù)進(jìn)行采集的同時(shí)， LabVIEW在兩次讀取緩沖區(qū)數(shù)據(jù)的時(shí)間間隔里對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。循環(huán)緩沖區(qū)存取數(shù)據(jù) 說(shuō)明如圖6-17所示。 圖6-17 循環(huán)緩沖區(qū)存取數(shù)據(jù)說(shuō)明 程序讀取數(shù)據(jù)的速度要不慢于采集設(shè)備往緩沖區(qū)中放數(shù)據(jù)的速度，才能保證連續(xù)運(yùn)行時(shí)，緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)

55、不會(huì)溢出，不會(huì)丟數(shù)據(jù)。如果程序取數(shù)據(jù)的速度快于放數(shù)據(jù)的速度，LabVIEW會(huì)等待數(shù)據(jù)放好后再讀取。如果程序讀取數(shù)據(jù)的速度慢于放數(shù)據(jù)的速度，LabVIEW發(fā)送一個(gè)錯(cuò)誤信息，告訴用戶有一些數(shù)據(jù)可能被覆蓋并丟失?？梢酝ㄟ^(guò)調(diào)整三個(gè)參數(shù)來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題：input buffer size, scan rate和number of scans to read at a time。增大input buffer size可以延長(zhǎng)填滿緩沖區(qū)的時(shí)間，但是這不能根本上解決連續(xù)采集過(guò)程中數(shù)據(jù)被覆蓋的問(wèn)題，要根本解決這個(gè)問(wèn)題，需要減小scan rate或者增大number of scans to read at a ti

56、me。number of scans to read at a time一般設(shè)置為一個(gè)小于緩沖區(qū)大小的值，緩沖區(qū)大小一般設(shè)置為scan rate的兩倍。具體的設(shè)置需要通過(guò)測(cè)試整個(gè)采集程序運(yùn)行的情況來(lái)確定?？梢酝ㄟ^(guò)查看輸出端的scan backlog的大小判斷緩沖中數(shù)據(jù)會(huì)不會(huì)被覆蓋，scan backlog被定義為從采集緩存中采集到而不是讀到的掃描個(gè)數(shù)，是一個(gè)衡量系統(tǒng)是否跟得上連續(xù)采集數(shù)據(jù)的一個(gè)量度，如果scan backlog的數(shù)值一直在上升則表明從緩存中讀數(shù)據(jù)的速度不夠快并且最終會(huì)丟失數(shù)據(jù)，如果丟失數(shù)據(jù)，AI Read VI將會(huì)給出錯(cuò)誤提示。 練習(xí)　６－３　結(jié)束 ６．３　模出（A

57、nalog Output） ６．３．１ 基本參數(shù)與術(shù)語(yǔ) 多功能的DAQ卡用數(shù)模轉(zhuǎn)換器（D/A）將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)，D/A的有關(guān)參數(shù)有范圍（Range）、分辨率（Resolution）、單調(diào)性（Monotonicity）、線性誤差 (Linearity Error)、建立時(shí)間(Settling Time)、轉(zhuǎn)換速率（Slew Rate）、精度（Accuracy）等。下面對(duì)部分參數(shù)做一些解釋。 建立時(shí)間(Settling Time)：是指變化量為滿刻度時(shí)，達(dá)到終值1/2LSB時(shí)所需的時(shí)間。這個(gè)參數(shù)反映D/A的D/A轉(zhuǎn)換從一個(gè)穩(wěn)態(tài)值到另一個(gè)穩(wěn)態(tài)值的過(guò)渡過(guò)程的長(zhǎng)短。建立時(shí)間一般為幾十納秒至

58、幾微秒。 轉(zhuǎn)換速率(Slew Rate）：是指D/A輸出能達(dá)到的最大變化速率，即電平變化除以轉(zhuǎn)換所用時(shí)間，通常指電壓滿范圍內(nèi)的轉(zhuǎn)換速率。 精度（Accuracy）：分為絕對(duì)精度和相對(duì)精度。絕對(duì)精度是指輸入某已知數(shù)字量時(shí)其理論輸出模擬值和實(shí)際所測(cè)得的輸出值之差，該誤差一般應(yīng)低于1/2LSB。相對(duì)精度是絕對(duì)精度相對(duì)于額定滿度輸出值的比值，可用偏差多少LSB或者相對(duì)滿度的百分比表示。D/A的分辨率越高，數(shù)字電平的個(gè)數(shù)就越多，精度越高。D/A范圍增大，精度就會(huì)下降。 由建立時(shí)間和轉(zhuǎn)換速度可以得到D/A轉(zhuǎn)換輸出信號(hào)電平的快慢。一個(gè)有著更小的建立時(shí)間和更高的轉(zhuǎn)換速率的D/A可以產(chǎn)生更高的輸出信號(hào)頻率

59、，因?yàn)樗_(dá)到新的電平所需的時(shí)間更少。 圖6-18 Settling Time 和Slew Rate ６．３．２ 簡(jiǎn)易模出 (Easy Analog Output) 與簡(jiǎn)易模入類似，這里也提供了４個(gè)模塊，分別對(duì)應(yīng)于單（多）通道輸出波形或電壓數(shù)據(jù)。下面我們通過(guò)練習(xí)來(lái)討論 練習(xí)?。叮? 目的：產(chǎn)生一個(gè)模出電平 　　做面板及框圖如上。運(yùn)行該程序，可以看到表的輸出將指示３。這個(gè)指示并非模出，為了看到模出，可以使用一塊數(shù)字萬(wàn)用表直接測(cè)量DAC0 OUT。你會(huì)發(fā)現(xiàn)萬(wàn)用表的指示一直維持在３V，盡管程序早已執(zhí)行完了。 練習(xí)?。叮础〗Y(jié)束 練習(xí)?。叮? 目的：產(chǎn)生一個(gè)模出

60、波形 做面板及框圖如上?？驁D中我們首先產(chǎn)生一個(gè)正弦波形（其初相位可控），然后將它送給模出，同時(shí)連接到一個(gè)Graph顯示。運(yùn)行該程序，可以使用一塊數(shù)字萬(wàn)用表的直流電壓檔直接測(cè)量DAC0 OUT。你會(huì)發(fā)現(xiàn)當(dāng)初相位為０時(shí)，萬(wàn)用表的指示是０，當(dāng)初相位為90度時(shí)，萬(wàn)用表的指示是1。這表明該程序輸出的不是一個(gè)連續(xù)不斷的波形，僅僅是一個(gè)或若干個(gè)整周期的波形。模出模塊在結(jié)束操作后并沒(méi)有清０復(fù)位，一直維持在最后一刻的電平上。如果希望產(chǎn)生一個(gè)連續(xù)不斷的波形，需要使用下面的較復(fù)雜的中級(jí)函數(shù)模塊。 練習(xí)?。叮怠〗Y(jié)束 ?。叮常场≈屑?jí)模出（Analog Output） AO Co

61、nfig對(duì)指定的通道設(shè)置模出操作，包括硬件、計(jì)算機(jī)內(nèi)buffer的分配。常用的端子有： l Device——采集卡的設(shè)備號(hào)。 l Channel——指定模出通道號(hào)的串?dāng)?shù)組。 l Limit settings——指定輸出信號(hào)的范圍。 l taskID——用于所有后來(lái)的模出VI以規(guī)定操作的設(shè)備和通道。 AO Write以電壓數(shù)據(jù)的方式寫數(shù)據(jù)到模出數(shù)據(jù)緩沖區(qū)。它是一個(gè)２維數(shù)組，其中每一列數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)于通道列表中的一個(gè)通道。注意：通常其他函數(shù)為其準(zhǔn)備的波形數(shù)據(jù)是一個(gè)１維數(shù)組，且數(shù)據(jù)分布在一行中，這里需要將其“虛擴(kuò)”為二維數(shù)組，并做一次轉(zhuǎn)置。當(dāng)使用Waveform格式時(shí)，注意它是一個(gè)Wavefor

62、m Data，Waveform轉(zhuǎn)化為Waveform Data中間需要一個(gè)build array，見(jiàn)下文的練習(xí)6-6。 AO Start 啟動(dòng)帶緩沖的模出操作。Update rate(scan/sec)是每秒發(fā)生的更新數(shù)的個(gè)數(shù)。如果你將０寫入Number of buffer iteerations端子，則卡將連續(xù)輸出給緩沖，直到運(yùn)行AO Clear功能。 AO Wait 在返回之前一直等待直到波形發(fā)生任務(wù)完成。它的電壓數(shù)據(jù)輸出是由通道列表中的每個(gè)通道讀出的電壓數(shù)據(jù)。使用這個(gè)VI僅與AO Config有關(guān)聯(lián)，不需要AO Start和AO Read。 AO Clear——清除模出操作、計(jì)算機(jī)

63、中分配的緩沖、釋放所有數(shù)據(jù)采集卡的資源，例如計(jì)數(shù)器。 當(dāng)你設(shè)置一個(gè)模出應(yīng)用時(shí)，首先使用的VI總是AO Config。AO Config會(huì)產(chǎn)生一個(gè)taskID和Error cluster（出錯(cuò)信息簇）。所有別的模出VI接受這個(gè)taskID以識(shí)別操作的設(shè)備和通道，并且在操作完成后輸出一個(gè)taskID。該參數(shù)形成了采集 VI之間的一個(gè)關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)。 練習(xí)?。叮? 目的：產(chǎn)生一個(gè)連續(xù)的正弦信號(hào)（１） 　　做面板及框圖如下。 上面的框圖中需要說(shuō)明以下幾點(diǎn)： 由于AO Write要求輸入數(shù)據(jù)的要求（見(jiàn)上文），這里正弦波發(fā)生器的輸出是

64、一個(gè)waveform，通過(guò)Build Array轉(zhuǎn)換為數(shù)組才可連接到AO Write 。 循環(huán)中的AO Write僅為提供出錯(cuò)信息設(shè)置。 　　在AO Config中主要是設(shè)置了Buffer，這對(duì)于連續(xù)輸出是必須的，其它都選默認(rèn)值。 Buffer的大小有時(shí)需要經(jīng)過(guò)調(diào)試，過(guò)大或過(guò)小都可能導(dǎo)致不能正常工作。 如果將Allocate mode改選為6, use FIFO memory模式，則將使用采集卡上的Buffers,同時(shí)數(shù)據(jù)由該Buffers,傳輸?shù)接?jì)算機(jī)內(nèi)存，將采用DMA方式，較少占用CPU等計(jì)算機(jī)資源。 不過(guò)這時(shí)要注意，Baffer size的設(shè)置不能超過(guò)采集卡硬件限制，對(duì)MIO-16E-1卡，這個(gè)值是512。 練習(xí)?。叮丁〗Y(jié)束 練習(xí)?。叮? 目的：產(chǎn)生一個(gè)連續(xù)的正弦信號(hào)（２） 　　下面我們使用Analog Output Utilities下提供的連續(xù)模出的現(xiàn)成模塊再做一個(gè)連續(xù)的正弦信號(hào)發(fā)生器。面板與框圖如下所示： 　 該例子中開(kāi)關(guān)是控制AO C-GEN內(nèi)部的AO Clear模塊。當(dāng)其狀態(tài)為T時(shí)，運(yùn)行程序?qū)⑨尫庞?jì)算機(jī)及采集卡資源，無(wú)信號(hào)輸出。 在程序框圖上點(diǎn)擊AO C-GEN圖標(biāo)，可以看到其內(nèi)部結(jié)構(gòu)。 練習(xí)　６－７　結(jié)束 26