虛擬儀器與數(shù)據(jù)采集.ppt

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虛擬儀器與數(shù)據(jù)采集,內(nèi)容與安排,虛擬儀器與LabVIEW簡介數(shù)據(jù)采集的相關(guān)介紹LabVIEW中的數(shù)據(jù)采集LabVIEW中數(shù)據(jù)采集的擴展應(yīng)用介紹若干實例,第一部分,虛擬儀器與LabVIEW簡介,虛擬儀器簡介,NI公司于20世紀(jì)70年代中期提出了虛擬儀器的概念。虛擬儀器是在以通用計算機為核心的硬件平臺上，由用戶設(shè)計定義，具有虛擬面板，測試功能由測試軟件實現(xiàn)的一種計算機儀器系統(tǒng)，是計算機技術(shù)與儀器技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，其基礎(chǔ)是計算機系統(tǒng)，核心是軟件技術(shù)。簡而言之，虛擬儀器就是在開放架構(gòu)的基礎(chǔ)上創(chuàng)建用戶自定義的測試系統(tǒng)。虛擬儀器大大突破了傳統(tǒng)儀器在數(shù)據(jù)采集、處理、顯示、存儲等方面的限制，是一個測試和自動化系統(tǒng)的高性能、低成本運載平臺。,虛擬儀器的構(gòu)成,虛擬儀器與傳統(tǒng)儀器的比較,獨立式傳統(tǒng)儀器的基本框架類似于基于PC機的虛擬儀器根本區(qū)別在于兩者不同的靈活性，用戶是否能夠根據(jù)各自不同的需求對其進行修改和擴展,虛擬儀器的特點,軟件是虛擬儀器的核心性價比高縮小了儀器廠商與用戶之間的距離具有良好的人機界面具有方便、靈活的互聯(lián)可靠性高具有開放性、模塊化、可重復(fù)使用及互換性等特點維護、維修方便,什么是LabVIEW,LabVIEW是美國NI（NationalInstrument）公司推出的一種基于G語言（GraphicsLanguage，圖形化編程語言）的虛擬儀器軟件開發(fā)工具。LabVIEW為虛擬儀器設(shè)計者提供了一個便捷、輕松的設(shè)計環(huán)境。利用它，設(shè)計者可以像搭積木一樣輕松組建一個測量系統(tǒng)和構(gòu)造自己的儀器面板，而無需進行任何繁瑣的計算機代碼的編寫。,LabVIEW的特點與優(yōu)點,圖形化編程方式提供豐富的數(shù)據(jù)采集、分析及存儲的庫函數(shù)即提供傳統(tǒng)的程序調(diào)試手段，同時提供獨到的高亮執(zhí)行工具，程序調(diào)試、開發(fā)更方便包括了DAQ、GPIB、PXI、VXI、RS-232/485、USB在內(nèi)的各種儀器通信總線標(biāo)準(zhǔn)的功能函數(shù)提供大量與外部代碼或軟件進行連接的機制，如DLL、DDE、ActiveX等強大的網(wǎng)絡(luò)功能，支持常用網(wǎng)絡(luò)協(xié)議,LabVIEW程序?qū)嵗ㄇ懊姘澹?輸入控件,顯示控件,按鈕,LabVIEW程序?qū)嵗ê竺姘澹?生成函數(shù),第二部分,數(shù)據(jù)采集的相關(guān)介紹,數(shù)據(jù)采集的任務(wù),數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的任務(wù)，具體地說，就是采集傳感器輸出的模擬信號并轉(zhuǎn)換成計算機能識別的數(shù)字信號，然后送入計算機進行相應(yīng)的計算和處理，得出所需的數(shù)據(jù)。與此同時，將計算得到的數(shù)據(jù)進行顯示或打印，以便實現(xiàn)對某些物理量的監(jiān)視，其中一部分?jǐn)?shù)據(jù)還將被生產(chǎn)過程中的計算機控制系統(tǒng)用來控制某些物理量。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)性能的好壞，主要取決于它的精度和速度。,模擬信號的數(shù)字化處理,數(shù)據(jù)采集的核心過程就是將連續(xù)的模擬信號轉(zhuǎn)換成離散的數(shù)字信號采樣點太多，會占用大量內(nèi)存單元；采樣點太少，會使模擬信號的某些信息被丟失，出現(xiàn)失真現(xiàn)象,混疊干擾,圖中采樣頻率500Hz，5個正弦波的頻率分別為100Hz，200Hz，300Hz，375Hz和400Hz。因為100Hz，200Hz的信號頻率小于fs/2，可以由離散信號還原出原始的正弦波連續(xù)信號。而300Hz，375Hz和400Hz的信號頻率都大于fs/2，故離散信號重構(gòu)原信號時形成了頻率不同于原信號頻率的信號，即混疊（aliasing）干擾。,采樣定理,在進行信號采樣時，需要遵循采樣定理：設(shè)連續(xù)模擬信號X(t)的頻譜為X(f)，以采樣間隔Ts采樣得到的離散模擬信號為X(nTs)，如果X(f)和Ts滿足以下條件，離散信號X(nTs)可以完全確定頻譜X(f),X(f)有截止頻率(即最高頻率)fh，即當(dāng)|f|fh時，X(f)0Ts1/2fh或fs2fh,混疊的消除,由采樣定理可知，如果要求不產(chǎn)生混疊干擾，首先應(yīng)使被采樣信號X(t)成為有限帶寬的信號。為此，對不滿足此要求的信號，在采樣之前，使其先通過模擬低通濾波器濾除高頻成分，使其成為帶限信號。這種處理稱為抗混疊濾波預(yù)處理。其次，應(yīng)使采樣頻率fs大于帶限信號最高頻率fh的2倍，即fs2fh。在實際工作中，考慮到實際的模擬低通濾波器不可能有理想的截止特性，在其截止頻率fh之后總有一定的過渡帶，故采樣頻率常常選為（34）fh，甚至更高。,量化,為了能用計算機處理信號，須將采樣信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，也就是將采樣信號的幅值用二進制碼來表示，由于二進制碼的位數(shù)是有限的，只能代表有限個信號的電平，故在編碼之前，首先要對采樣信號進行“量化”。,量化就是把采樣信號的幅值與某個最小數(shù)量單位的一系列整倍數(shù)比較，以最接近于采樣信號幅值的最小數(shù)量單位倍數(shù)來代替該幅值。這一過程稱為“量化過程”，簡稱“量化”。,最小數(shù)量單位稱為量化單位。量化單位定義為量化器滿量程電壓FSR（FullScaleRange）與2n的比值，用q表示，有：,式中，n為量化器的位數(shù)，也就是采集卡的采樣位數(shù)。,量化誤差,由量化引起的誤差叫做量化誤差（也常叫做量化噪聲，因為它常與噪聲有相同影響）。量化誤差的最大值為q，它是一種原理性誤差，只能減小而不能完全消除。由前面q的定義式可以看出，減小量化誤差可以通過兩個途徑：減小FSR，即根據(jù)輸入信號的大小，設(shè)置合理的采集卡通道的輸入信號范圍；增大n的值，即選擇采樣分辨率高的采集卡。,信號分類,在數(shù)據(jù)采集應(yīng)用領(lǐng)域，常將被測信號分為數(shù)字信號和模擬信號（也稱連續(xù)時間信號）。數(shù)字(二進制)信號分為開關(guān)信號或脈沖信號。模擬信號可分為直流、時域、頻域信號，如下圖所示。,模擬信號的連接方式,接入數(shù)據(jù)采集設(shè)備的信號根據(jù)參考點的不同可以分為接地信號和浮動信號兩種類型。,接地信號：就是以系統(tǒng)地（如建筑物的地）為參考點的信號，也稱參考信號。因為接地信號用的是系統(tǒng)地，所以與數(shù)據(jù)采集設(shè)備是共地的。最常見的接地信號源是通過墻上的接地引出線接入建筑物地的設(shè)備，如信號發(fā)生器和電源。,一個不與任何地（如大地或建筑物的地）連接的電壓信號稱為浮動信號，浮動信號的每個端口都與系統(tǒng)地獨立。一些常見的浮動信號源有電池、熱電偶、變壓器和隔離放大器等。,測量系統(tǒng)分類-差分測量系統(tǒng),信號的正負(fù)極分別與一個模擬輸入通道相連接。具有儀器放大器（InstrumentationAmplifier）的數(shù)據(jù)采集設(shè)備可配置成差分測量系統(tǒng)。一個理想的差分測量系統(tǒng)能夠精確測量（+）和（-）輸入端口之間的電位差，并將共模電壓完全抑制掉。需要注意，若輸入共模電壓超過允許范圍，將會降低測量系統(tǒng)的共模抑制比。為了避免測量誤差，需要限制信號地與數(shù)據(jù)采集卡的地之間的浮地電壓。,測量系統(tǒng)分類-參考地單端測量系統(tǒng),所有信號均使用同一個參考電壓或接地電壓，也稱為接地測量系統(tǒng)。在接地測量系統(tǒng)中，被測信號一端接模擬輸入通道，另一端直接與系統(tǒng)地AIGND相連。,測量系統(tǒng)分類-無參考地單端測量系統(tǒng),所有測量都有一個共同的參考源，但此類參考電壓可根據(jù)測量系統(tǒng)的地面實際情況而有所不同。在無參考地單端測量系統(tǒng)中，信號的一端接模擬輸入通道，另一端接一個公共參考端（AISENSE），但這個參考端電壓相對于測量系統(tǒng)的地來說是不斷變化的。一個單通道的無參考地單端測量系統(tǒng)和一個單通道的差分測量系統(tǒng)是一樣的。,測量系統(tǒng)的選擇,單端輸入以一個共同點為參考點，這種方式適用于輸入信號為高電平（大于1V）且信號源與采集端之間的距離較短（通常小于5m）的應(yīng)用場合。如果不能滿足上述條件，則需要使用差分輸入。在差分輸入方式下，每個輸入可以有不同的參考點，并且有效地消除了共模噪聲的影響，所以差分輸入方式的采集精度較高。,數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的組成,模擬多路開關(guān),模擬多路開關(guān)可以分時選通來自多個輸入通道的某一路信號，使得在一個特定的時間范圍內(nèi)，只允許一路模擬信號輸入到A/D轉(zhuǎn)換器。因此，在多路開關(guān)后的單元電路，如采樣/保持電路、A/D及處理器電路等，只需一套即可，這樣可以降低成本，減小設(shè)備體積。多路開關(guān)從一個通道切換到另一個通道時會發(fā)生瞬變現(xiàn)象，使輸出產(chǎn)生短暫的尖峰電壓。模擬多路開關(guān)的源負(fù)載效應(yīng)誤差和串?dāng)_等因素對檢測精度有較大的影響，尤其是在信號源內(nèi)阻較大的時候，因此，信號源的內(nèi)阻應(yīng)該盡可能的小。,數(shù)據(jù)采集卡的功能,采集卡基本參數(shù),以NI公司的PCI-6071E多功能采集卡為例，介紹采集卡的一般參數(shù)：模擬輸入：64路單端/32路雙端，輸入范圍：10V分辨率：12位采樣頻率：最高1.25MS/s模擬輸出：2路，12位，1MS/s，輸出范圍：10V數(shù)字I/O：8路計數(shù)器：2路，24位，基準(zhǔn)時鐘20MHz或100KHz,第三部分,LabVIEW中的數(shù)據(jù)采集,為什么選擇LabVIEW做數(shù)據(jù)采集？,LabVIEW是一種面向工程師的編程語言，采用圖形化編程，多線程同步運行，只需要連線就能進行軟件的編制。提供了豐富的函數(shù)庫和控件，搭建軟件的界面非常迅速，一個熟練的工程師可能只需要幾分鐘就能搭建一個數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。NI的數(shù)據(jù)采集卡提供了對LabVIEW豐富且完備的支持，驅(qū)動函數(shù)都是在底層的基礎(chǔ)函數(shù)上進行了高度封裝，用戶不需要對采集卡具體工作有深入的了解，只要掌握這些驅(qū)動函數(shù)輸入/輸出端口的意義，就能進行數(shù)據(jù)采集開發(fā)。,LabVIEW中的模擬輸入,連續(xù)模擬輸入,連續(xù)模擬輸入,需要注意，程序讀取數(shù)據(jù)的速度要不慢于設(shè)備往緩沖區(qū)中存放數(shù)據(jù)的速度，這樣才能保證連續(xù)運行時，緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)不會溢出?？梢酝ㄟ^調(diào)節(jié)以下3個參數(shù)來達(dá)到上述要求：buffersize（緩存的大小）scanrate（采樣速率）numberofscanstoreadatatime（每次讀取的樣本數(shù)）連續(xù)采集的程序模型為：,AIConfig,AIStart,AIRead,DataProcess,AIClear,循環(huán),連續(xù)模擬輸入程序?qū)嵗?模擬輸入的討論,對于一些復(fù)雜的采集任務(wù)，可以采用一些特殊的采集方式，例如采用外部時鐘采集、觸發(fā)采集等；觸發(fā)采集種類很多，根據(jù)觸發(fā)信號類型可以分為數(shù)字信號觸發(fā)和模擬信號觸發(fā)；根據(jù)觸發(fā)形式可以分為邊沿觸發(fā)和窗口觸發(fā)；根據(jù)觸發(fā)功能可以分為啟動觸發(fā)、暫停觸發(fā)和參考觸發(fā)；不是每個數(shù)據(jù)采集卡都具有這些特殊采樣功能的，使用前要查看采集卡的使用手冊；在模擬輸入采集系統(tǒng)中，實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集并不復(fù)雜，數(shù)據(jù)處理與分析才是難點。,LabVIEW中的模擬輸出,連續(xù)模擬輸出,有兩種形式的連續(xù)模擬輸出，第一種就是在模擬輸出之前，將數(shù)字信號寫入緩沖區(qū)中，然后設(shè)備連續(xù)不斷地將緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)通過DAC重復(fù)輸出。這種連續(xù)模出執(zhí)行效率很高，但是需要寫入的數(shù)字信號必須是整周期的，不然輸出模擬信號將會不連續(xù)，在使用上不夠靈活。,AOConfig,AOStart,AOWrite,AOClear,循環(huán),AOWrite,DigitalSignal,Nothing,連續(xù)模擬輸出,第二種方式就是在設(shè)備將緩沖區(qū)中數(shù)據(jù)輸出的同時，不斷地將數(shù)字信號寫入緩沖區(qū)中，這種方式在編程上比較復(fù)雜，但是靈活性比較高，只要保證這一次寫入緩沖區(qū)的數(shù)字信號和上次是連續(xù)的就行，不需要每次寫入的信號是整周期的。,AOConfig,AOStart,AOWrite,AOClear,循環(huán),AOWrite,DigitalSignal,DigitalSignal,長度為其1/2,LabVIEW中的數(shù)字I/O,一般情況下，數(shù)字I/O按照TTL邏輯電平設(shè)計，其邏輯低電平在0到0.7V之間，高電平在3.4到5.0V之間；在硬件設(shè)備上，多路（Line）數(shù)字I/O組成一組后被稱為端口（Port）。一個端口由多少個數(shù)字通路組成是依據(jù)其設(shè)備而定的，在多數(shù)情況下8個數(shù)字通路組成一個端口；在LabVIEW中對數(shù)字I/O的操作非常簡單，可以對整個端口進行操作，也可以對端口中的一路或多路同時進行操作。,LabVIEW中的計數(shù)器,可以設(shè)置對SOURCE輸入端口由高到低或由低到高的信號狀態(tài)進行計數(shù)；可以設(shè)置內(nèi)部計數(shù)寄存器的計數(shù)方式為遞增或遞減；GATE端口的輸入控制計數(shù)器的計數(shù)操作，可以設(shè)置為以下幾種門限工作方式：高電位計數(shù)、低電位計數(shù)、上升沿觸發(fā)計數(shù)、下降沿觸發(fā)計數(shù)，以及無門限方式；可以使用OUT口發(fā)生多種類型的波形，或者用于計數(shù)器的串級使用中，從而增大計數(shù)器的量程。,如左圖為計數(shù)器的簡化模型：一個SOURCE輸入口、一個GATE輸入口、一個OUT輸出口，以及一個計數(shù)寄存器,計數(shù)器的頻率測量,并行安排,多功能DAQ設(shè)備上的模擬輸入、模擬輸出、數(shù)字I/O和計數(shù)器等功能是能夠同時運行的，可以在程序中并行安排這些功能，還能實現(xiàn)它們的同步。如下圖，是一個連續(xù)采集和連續(xù)模擬輸出并行安排的程序，利用傳遞error信息的數(shù)據(jù)線安排并行的執(zhí)行順序。,第四部分,LabVIEW中數(shù)據(jù)采集的擴展應(yīng)用,對外接口與調(diào)用,NI采集卡,非NI采集卡,LabVIEW,其它環(huán)境，如VC、VB,傳統(tǒng)DAQ或DAQmx驅(qū)動,創(chuàng)建DLL,調(diào)用DAQmxCAPI,調(diào)用DLL,二次封裝DLL,基于網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集,要實現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集，可以通過網(wǎng)絡(luò)使多臺計算機（客戶機）共享一臺計算機（服務(wù)器）上的DAQ設(shè)備，這樣就不必在每臺客戶機上都安裝DAQ設(shè)備，只需要在服務(wù)器上配置DAQ設(shè)備即可，整個遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的組成如下圖所示。,遠(yuǎn)程采集的實現(xiàn)方法,遠(yuǎn)程設(shè)備訪問（RDA）技術(shù)NI公司專為遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集而提供的一項技術(shù)，它可將DAQ設(shè)備在網(wǎng)絡(luò)上共享，通過一定的設(shè)置后，在客戶機上可以控制該遠(yuǎn)程設(shè)備，并且使用起來和本地的DAQ設(shè)備并無差別。DataSocket技術(shù)NI公司提供的一種新的實時數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，可用于一個計算機內(nèi)或網(wǎng)絡(luò)中多個應(yīng)用程序之間的數(shù)據(jù)交換。它克服了傳統(tǒng)TCP/IP傳輸協(xié)議需要較為復(fù)雜的底層編程、傳輸速率較慢（特別是對動態(tài)數(shù)據(jù)）等缺點，大大簡化了實時數(shù)據(jù)的傳輸問題。其它技術(shù)可以通過TCP/UDP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、遠(yuǎn)程面板（RemotePanels）等實現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集，各種方法各有優(yōu)缺點。,基于聲卡的數(shù)據(jù)采集,聲卡作為語音信號與計算機的通用接口，其主要功能就是經(jīng)過DSP（數(shù)字信號處理）音效芯片的處理，進行模擬音頻信號與數(shù)字信號的轉(zhuǎn)換，因此，從其功能上來看，聲卡也可以作為一塊數(shù)據(jù)采集卡來使用。聲卡價格低廉，現(xiàn)在一般的電腦上都已經(jīng)集成了聲卡，用其取代常規(guī)的DAQ設(shè)備是一種很好的選擇，而且LabVIEW中提供了專門用于聲卡操作的函數(shù)節(jié)點，所以用聲卡搭建數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)也是非常方便的。,聲卡的技術(shù)參數(shù),聲卡的技術(shù)參數(shù)主要有兩個：采樣位數(shù)和采樣頻率。聲卡采樣位數(shù)的概念和數(shù)據(jù)采集卡的位數(shù)概念是一樣的，是指將模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號的二進制位數(shù)，反映了對信號描述的準(zhǔn)確程度。位數(shù)顯然是越高越好，目前市面上幾乎所有聲卡的主流產(chǎn)品都是16位，而一般數(shù)據(jù)采集卡大多只是12位，所以從這方面來講，聲卡的精度是比較高的。聲卡的采樣頻率一般不是很高，因為它只是處理音頻信號，目前最高采樣率為44.1KHz，少數(shù)能達(dá)48KHz。對于普通聲卡，采樣頻率一般設(shè)為4擋：44.1KHz、22.05KHz、11.025KHz和8KHz。另外，還要考慮聲卡的頻率響應(yīng)，一般聲卡只是對20Hz20KHz的音頻信號有比較好的響應(yīng)，對這范圍之外的信號有很強的衰減作用。對于測試，信號頻率在50Hz10KHz范圍內(nèi)比較好。,聲卡的硬件接口,對于不同的聲卡，其硬件接口有所不同，對于最普通的集成聲卡，一般有3個接口，從外觀上區(qū)分，粉紅色的為MicIn，草綠色的為WaveOut，淺藍(lán)色的為LineIn。MicIn接口只能接受較弱的信號，易受干擾，對于數(shù)據(jù)采集，一般常用LineIn接口，它可接受幅值約不超過1.5V的信號，這兩個輸入接口內(nèi)部都有隔直電容，直流或頻率較低的信號不能被聲卡接受。用集成聲卡做數(shù)據(jù)采集時，被測信號應(yīng)從淺藍(lán)色的LineIn口引入，輸出信號應(yīng)從草綠色WaveOut口輸出。,LineIn,MicIn,WaveOut,聲卡采集的實例,聲卡采集注意事項,聲卡具有兩個聲道，關(guān)于采集通道，應(yīng)該盡量選擇立體聲雙聲道采樣，因為單聲道采樣，左右聲道都相同，而且每個聲道的幅值只有原信號幅值的1/2，而用立體聲采樣時，左右聲道互不干擾，穩(wěn)定性好，可以采兩路不同的信號，而且采樣信號的幅值與原幅值相同。聲卡不提供基準(zhǔn)電壓，不論A/D還是D/A，都需要用戶對信號進行標(biāo)定。聲卡測量頻率范圍較窄，不能測直流信號，只能測量音頻范圍內(nèi)的信號，而且其增益較大，不能直接測量強度較強的信號。,第五部分,若干實例介紹,虛擬信號發(fā)生器,虛擬信號發(fā)生器程序框圖,虛擬示波器,虛擬示波器部分程序框圖,光纖定位單元的驅(qū)動電路檢測系統(tǒng),光纖定位單元的驅(qū)動電路檢測系統(tǒng),謝謝,