虛擬儀器技術(shù)(數(shù)據(jù)采集).ppt

第8章數(shù)據(jù)采集 學(xué)習(xí)目標(biāo) 1信號(hào)和信號(hào)采集的基本概念2DAQVI的組織結(jié)構(gòu)3使用DAQAssistant I O和數(shù)字I O的基本內(nèi)容 8 1概述 LabVIEW的數(shù)據(jù)采集 DataAcquisition 程序庫(kù)包括了許多NI公司數(shù)據(jù)采集 DAQ 卡的驅(qū)動(dòng)控制程序 通常 一塊卡可以完成多種功能 模 數(shù)轉(zhuǎn)換 數(shù) 模轉(zhuǎn)換 數(shù)字量輸入 輸出 以及計(jì)數(shù)器 定時(shí)器操作等 用戶(hù)在使用之前必須對(duì)DAQ卡的硬件進(jìn)行配置 這些控制程序用到了許多低層的DAQ驅(qū)動(dòng)程序 DAQ系統(tǒng)的基本任務(wù)是物理信號(hào)的產(chǎn)生或測(cè)量 但是要使計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能夠測(cè)量物理信號(hào) 必須要使用傳感器把物理信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào) 電壓或者電流信號(hào) 有時(shí)不能把被測(cè)信號(hào)直接連接到DAQ卡 而必須使用信號(hào)調(diào)理輔助電路 先將信號(hào)進(jìn)行一定的處理 總之 數(shù)據(jù)采集是借助軟件來(lái)控制整個(gè)DAQ系統(tǒng) 包括采集原始數(shù)據(jù) 分析數(shù)據(jù) 給出結(jié)果等 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的構(gòu)成 緩沖 緩沖指的是PC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)下列情況需要使用BufferI O 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 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) 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BufferI O 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) 需要縮減存儲(chǔ)器的開(kāi)支 觸發(fā) 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 下列情況使用軟件觸發(fā) 用戶(hù)需要對(duì)所有采集操作有明確的控制 并且事件定時(shí)不需要非常準(zhǔn)確 下列情況使用硬件觸發(fā) 采集事件定時(shí)需要非常準(zhǔn)確 用戶(hù)需要削減軟件開(kāi)支 采集事件需要與外部裝置同步 模擬信號(hào)輸入需考慮的因素 當(dāng)采用DAQ卡測(cè)量模擬信號(hào)時(shí) 必須考慮下列因素 輸入模式 單端輸入或者差分輸入 分辨率輸入范圍采樣速率精度噪聲 模入信號(hào)的連接方式 接地信號(hào) 如信號(hào)發(fā)生器和電源 浮動(dòng)信號(hào) 電池 熱電偶 變壓器和隔離放大器 測(cè)量系統(tǒng)的分類(lèi) Differential RSE 參考地單端NRSE 無(wú)參考地單端 微分測(cè)量系統(tǒng) 參考地單端測(cè)量系統(tǒng) RSE 無(wú)參考地單端測(cè)量系統(tǒng) NRSE 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 不帶 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 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 1 放大 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)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 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 3 濾波 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) 許多傳感器對(duì)被測(cè)量的響應(yīng)是非線性的 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 5 線性化 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(hù)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 數(shù)據(jù)采集 DAQ 卡 數(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) 數(shù)字I O通常用來(lái)控制過(guò)程 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 計(jì)數(shù)器包括三個(gè)重要信號(hào) 門(mén)限信號(hào) 計(jì)數(shù)信號(hào) 輸出 2 分辨率 輸入范圍 增益 采樣速率 精度和噪聲 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 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 輸入范圍 Range 區(qū)間 輸入范圍由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(mǎn)量程 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(mǎn)量程時(shí) 量化誤差會(huì)相對(duì)加大 如 輸入只為滿(mǎn)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) 輸入范圍 分辯率以及增益決定了輸入信號(hào)可識(shí)別的最小模擬變化量 此最小模擬變化量對(duì)應(yīng)于數(shù)字量的最小位上的0 1變化 通常叫做轉(zhuǎn)換寬度 Codewidth 其算式為 輸入范圍 增益 2 分辯率 P240 采樣率采樣率決定了模 數(shù)變換的速率 采樣率高 則在一定時(shí)間內(nèi)采樣點(diǎn)就多 對(duì)信號(hào)的數(shù)字表達(dá)就越精確 采樣率必須保證一定的數(shù)值 如果太低 則精確度就很差 下面的圖表示了采樣率對(duì)精度的影響 采樣頻率足夠 采樣頻率不夠引起波形畸變 根據(jù)耐奎斯特采樣理論 采樣頻率必須是信號(hào)最高頻率的兩倍 例如 音頻信號(hào)的頻率一般達(dá)到20KHz 因此其采樣頻率一般需要40KHz 混疊混疊的例子 假設(shè)采樣頻率fs是100HZ 信號(hào)中含有25 70 160 和510Hz的成分 采樣的結(jié)果將會(huì)是低于奈奎斯特頻率 fs 2 50Hz 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10Hz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 30Hz混頻偏差F3 2 100 160 40Hz混頻偏差F4 5 100 510 10Hz 為了避免這種情況的發(fā)生 通常在信號(hào)被采集 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 在例上中 這個(gè)濾波器的截止頻率自然是25HZ 這個(gè)濾波器稱(chēng)為抗混疊濾波器 采樣頻率應(yīng)當(dāng)怎樣設(shè)置呢 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(pán)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 倍就夠了 實(shí)際上工程中選用 倍 有時(shí)為了較好地還原波形 甚至更高一些 數(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(hù)一般無(wú)須通過(guò)低層就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 Measurement AutomationExplorer 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 DAQVI的組織結(jié)構(gòu) LabVIEW的DAQ程序包括模擬輸入 模擬輸出 計(jì)數(shù)器操作 數(shù)字輸入 輸出等 可以在框圖程序窗口下選擇DataAcquisition 再在此子模板下 可以看到6個(gè)子模板 AnalogInput AnalogOutput DigitalI O Counter CalibrationandConfiguration和SignalConditioning 在上述6個(gè)子模板下 每個(gè)子模板又分成EasyI OVis IntermediateVis UtilityVis和AdvancedVis 舉例 AISampleChannel VI AISampleChannel程序測(cè)量指定通道上信號(hào)的一個(gè)采樣點(diǎn) 并返回測(cè)量值 Devic