LabView數(shù)據(jù)采集

1、第一節(jié)概述LabVIEW的數(shù)據(jù)采集（Data Acquisition ）程序庫包括了許多NI公司數(shù) 據(jù)采集（DAQ卡的驅(qū)動控制程序。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，以及計數(shù)器/定時器操作等。 用戶在使用之前必須 DAQ#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)動程序。本課程需要一塊安裝好的 DAC卡以及LabVIEW開 發(fā)系統(tǒng)。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的組成:DAC系統(tǒng)的基本任務(wù)是物理信號的產(chǎn)生或測量。但是要使計算機(jī)系統(tǒng)能夠測量物理信號，必須要使用傳感器把物理信號轉(zhuǎn)換成電信號（電壓或者電流信號）。有時不能把被測信號直接連接到DAC卡，而必須使用信號調(diào)

2、理輔助電路，先將信號進(jìn)行一定的處理?？傊?，數(shù)據(jù)采集是借助軟 件來控制整個DAC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。上圖中描述了插入式 DAQ卡。另一種方式是外接式 DAC系統(tǒng)。這樣，就 不需要在計算機(jī)內(nèi)部插槽中插入板卡， 這時，計算機(jī)與DAQ系統(tǒng)之間的 通訊可以采用各種不同的總線，如 USB并行口或者PCMCIA等完成。這種結(jié)構(gòu)適用于遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)。模擬輸入: 當(dāng)采用DAC卡測量模擬信號時，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，精度和噪聲等。單端輸入以一個共同接地點為參考點。 這種方式適用于輸入信號為高電 平（大于一伏），信號源與采

3、集端之間的距離較短（小于 15英尺）， 并且所有輸入信號有一個公共接地端。如果不能滿足上述條件，則需要使用差分輸入。差分輸入方式下，每個輸入可以有不同的接地參考點。并且，由于消除了共模噪聲的誤差，所以差分輸入的精度較高。輸入范圍是指ADC能夠量化處理的最大、最小輸入電壓值。DAQ卡提供了可選擇的輸入范圍，它與分辨率、增益等配合，以獲得最佳的測量精度。分辨率是模/數(shù)轉(zhuǎn)換所使用的數(shù)字位數(shù)。分辯率越高，輸入信號的細(xì)分 程度就越高，能夠識別的信號變化量就越小。 下圖表示的是一個正弦波 信號，以及用三位模/數(shù)轉(zhuǎn)換所獲得的數(shù)字結(jié)果。 三位模/數(shù)轉(zhuǎn)換把輸入 范圍細(xì)分為23或者就8份。二進(jìn)制數(shù)從000到111

4、分別代表每一份。顯然，此時數(shù)字信號不能很好地表示原始信號，因為分辯率不夠高，許 多變化在模/數(shù)轉(zhuǎn)換過程中丟失了。然而，如果把分辯率增加為16位,模/數(shù)轉(zhuǎn)換的細(xì)分?jǐn)?shù)值就可以從 8增加到216即65536,它就可以相當(dāng)準(zhǔn) 確地表示原始信號。增益表示輸入信號被處理前放大或縮小的倍數(shù)。給信號設(shè)置一個增益 值，你就可以實際減小信號的輸入范圍， 使模數(shù)轉(zhuǎn)換能盡量地細(xì)分輸入 信號。例如，當(dāng)使用一個3位模數(shù)轉(zhuǎn)換，輸入信號范圍為 0到10伏， 上面的圖顯示了給信號設(shè)置增益值的效果。當(dāng)增益 =1時，模/數(shù)轉(zhuǎn)換只 能在5伏范圍內(nèi)細(xì)分成4份，而當(dāng)增益=2時，就可以細(xì)分成8份，精度 大大地提咼了。但是必須注意，此時實際

5、允許的輸入信號范圍為0到5伏。一但超過5伏，當(dāng)乘以增益2以后，輸入到模/數(shù)轉(zhuǎn)換的數(shù)值就會 大于允許值10伏?？傊?，輸入范圍，分辯率以及增益決定了輸入信號可識別的最小模擬變化量。此最小模擬變化量對應(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（Code width ）。其算式為：輸入范圍/ （增益*2八分辯率）例如，一個12位的DAQ卡，輸入范圍為0到10伏，增益為1,則可檢測到2.4mV的電壓變化。而當(dāng)輸入范圍為-10到10伏（20伏），可檢 測的電壓變化量則為4.8mV。 采樣率決定了模/數(shù)變換的速率。采樣率高，則在一定時間內(nèi)采樣點就 多，對信號的數(shù)字表達(dá)就越精確。采樣率必須保證一定的

6、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精度的影響。根據(jù)耐奎斯特采樣理論，你的采樣頻率必須是信號最高頻率的兩倍。例 如，音頻信號的頻率一般達(dá)到20KHz因此其采樣頻率一般需要 40KHz。平均化。噪聲將會引起輸入信號畸變。 噪聲可以是計算機(jī)外部的或者內(nèi) 部的。要抑制外部噪聲誤差，可以使用適當(dāng)?shù)男盘栒{(diào)理電路，也可以增 加采樣信號點數(shù)，再取這些信號的平均值以抑制噪聲誤差，這樣誤差可以減小到乘以下面的系數(shù)：力采樣點數(shù)例如，如果以100個點來平均，則噪聲誤差將減小 1/10。第二節(jié) 數(shù)據(jù)采集VI程序的調(diào)用方法LabVIEW的DAQS序包括模擬輸入、模擬輸出、計數(shù)器操作、或者數(shù)字輸入、輸

7、出等。你可以在框圖程序窗口下選擇Data Acquisitio n 。再在此子模板下，可以看到 6個子模板：An alog In put, An alog Output,Digital I/O, Counter, Calibration and Configuration禾口 SignalCon diti oning 。在上述6個子模板下，每個子模板又分成 Easy I/O Vis, In termediate Vis, Utility Vis 和 Adva need Vis。下面我們以 An alog In put 子模板 為例進(jìn)行解釋。如圖所示，在其頂層是簡單模擬量輸入VI程序(EasyA

8、I)，中間層是中級模擬量輸入 VI程序(In termediate AI)，然后下 面是兩個圖標(biāo)，一個用于調(diào)用模擬輸入應(yīng)用程序( Utility AI ), 一個 調(diào)用高級模擬量輸入程序(Advaneed AI )。在本教材中，我們主要講 述簡單和中級程序。高級程序涉及到與 DACSE動程序的低層接口，而通 用應(yīng)用程序是中級程序的組合。簡單I/O程序僅僅只是表面層接口程序，它能執(zhí)行基本的模擬量輸入、模擬量輸出、數(shù)字I/O，以及計數(shù)器/定時器操作。它簡單易用，并且包含一個簡單的出錯處理方法。當(dāng)出錯時，將彈出一個對話框，顯示出錯 信息，而用戶可以選擇中止程序執(zhí)行或者忽略錯誤。相對于簡單程序而言，中

9、級程序具備更多的硬件設(shè)置功能，靈活性，并 且可以更有效地開發(fā)實用程序。它具有許多簡單程序所缺乏的功能，如 外部時鐘等。它對出錯的處理也更加靈活，可以把出錯狀態(tài)信息傳遞給 其它的程序，編程處理出錯情況。第三節(jié)模擬輸入與輸出在Data Acquisiti on子模板下的An alog In put 子模板程序執(zhí)行模/數(shù)轉(zhuǎn)換操作。而Analog Output程序庫則執(zhí)行數(shù)/模轉(zhuǎn)換或多重轉(zhuǎn)換。channel (0)Al7sampleAl Sample Chaxinel. viAI Sample Channel程序測量指定通道上信號的一個采樣點，并返回測量值。Device是DAQ卡的設(shè)備編號，Chann

10、el是描述模擬輸入通道號的字符串，High Limit和Low Limit指明輸入信號的范圍，缺省值為 +10V和-10V。AOUpdate Channel程序把一個給定電壓值在一個模擬輸出通道上輸出。Device是DAQ卡的設(shè)備編號，Channel是輸出通道號字符串 Voltage是輸出的電壓值。ONE FT|A0 Update Chaimel. vi在上述程序執(zhí)行時，如果發(fā)生錯誤，則彈出一個對話框，顯示錯誤代碼, 你可以選擇中止程序或者繼續(xù)程序執(zhí)行。練習(xí)2-1目的：輸出一個模擬電壓信號，并且用DAQ卡再次采集該信號。首先編制一個VI程序，以0.5伏的間隔從0伏到9.5伏輸出電壓，再 編制V

11、I程序進(jìn)行單點模擬輸入電壓測量，驗證上述輸出電壓。最后，再修改程序，使之控制 Demo Box上的LED指示燈。在演示盒 Demo Box上，把模擬輸出CH0與模擬輸入CH1相連。前面板：devicechannelVolt ace Output Hfl1J001. 打開電壓輸出 Voltage Output程序窗口，用 Device指定DAQ卡設(shè)備 編號，Channel字符串指定模擬輸出通道，用 Voltage Output輸出顯示 來顯示當(dāng)前輸出電壓值。2. 切換到框圖程序?？驁D程序1. 按照下圖建立框圖程序。對于循環(huán)For Loop要求每500毫秒執(zhí)行一次，控制輸出電壓以0.5伏的間隔從0

12、伏到9.5伏變化。當(dāng)循環(huán)For Loop結(jié)束后，輸出電壓又復(fù) 位為0伏。2. 關(guān)閉上述框圖程序窗口，再打開前面板窗口，創(chuàng)建輸入電壓測量Voltmeter程序，以顯示輸入電壓值。前面板:devi cehigh li«it (JOV):1W.j取 limit (-10V)Pow erP 00框圖程序:1. 按照下圖編寫程序。2. 在前面板的電壓測量儀表盤中，將其刻度定義為0.0至10.0。3. 在通道控制Channel輸入值1, 上限控制High Limit輸入值10.0 , 下限控制Low Limit輸入值0.00，打開Power開關(guān)，運行該程序。4. 如果運行過程中出現(xiàn)錯誤， 將會彈

13、出一個對話框，顯示錯誤代碼和解 釋。要模擬出錯情況，在 Device控制欄中輸入0并運行程序，則將會 顯示出錯情況。5. 確認(rèn)已在演示盒DemcBox中將模擬輸出CH0接到模擬輸入CH1,運行 電壓輸出Voltage Output VI 程序，則在電壓測量 Voltmeter程序中將 采集并顯示電壓值。6. 停止程序運行，并按上圖虛線框住的部分修改程序， 當(dāng)輸入電壓大于 5伏時點亮LED燈。演示盒DemcBox上的LED燈是負(fù)邏輯，高電平時關(guān) 閉LED低電平時打開LED|AI Safliplg Charm電L 譏channelEQleviesONt FTVoltage meterSQLhigh

14、 limit (10V):SGI.Lx limit (70¥)|DIG LIN£Pert numberrow er7. 再同時運行前面的電壓輸出程序和本電壓輸入程序，以驗證運行效 果。（練習(xí)2-1結(jié)束）。第四節(jié) 波形的采集與產(chǎn)生在許多應(yīng)用場合，一次只采樣一個數(shù)據(jù)點是不夠的。另外，采樣點之間 的間隔很難保持恒定，因為它取決于很多因素，如循環(huán)的執(zhí)行速度，子 程序的調(diào)用時間等等。而使用 Al Acquire Waveform 和AO Gen erate Waveform程序，就可以以大于單點操作的速度進(jìn)行多點的數(shù)據(jù)采集和波 形產(chǎn)生，并且用戶可以自定義采樣速率。波形采集:Al Ac

15、quire Waveform 程序從一個指定的輸入通道按用戶定義的采樣率 和采樣點數(shù)采集數(shù)據(jù)并返回計算機(jī)。actual sample per1 cd (sec)機(jī)nab«rtMipltsirrmLsuiplt ritt (1000sunplti/x«c)khMimi(£>) iz*< 譏-dr m(iCli<h(D OAl Acquire Ttwfom. vi上圖中Number of Samples是采樣點數(shù)，Sample rate 是采樣率，以 Hz 為單位。Waveform是模擬輸入信號的一維采樣數(shù)組，以伏特為單位。Actual sample

16、 period是實際采樣率的倒數(shù)，它可能與指定采樣率有一些小偏差，偏差取決于計算機(jī)硬件速度。波形產(chǎn)生:AOGe nerate Waveform程序在一個模擬輸出通道上以用戶定義的更新速 率產(chǎn)生一個電壓波形。Update rate是每秒鐘產(chǎn)生的電壓數(shù)值更新點數(shù)。 Waveform是一個一維數(shù)組，它包含寫到輸出通道上的模擬電壓值，以伏為單位。&的i詞|詞channel (0)|jlTbcTkHO IMT Ptupdate rate (1000 updates/ec:1AJO Generate Waveform, viwaveform ；y練習(xí)2-2 目的：采集并顯示一個模擬信號波形。學(xué)員將

17、編寫一個VI程序，它使用DAQ卡采集一個信號波形，并在圖表上顯示。在本例中，把演示盒上的模擬輸入CH1接到函數(shù)發(fā)生器的正弦波輸出端口上。前面板:1.打開一個新建前面板窗口，并照下圖創(chuàng)建一個前面板程序。設(shè)備號通這采樣數(shù)采祥/秒扌 t2:阪|iooo(5-co波形“采樣數(shù)”控制欄定義采樣點數(shù)，而“采樣 /秒”控制欄定義采樣率2.切換到框圖程序。框圖程序:采拝/秒flVDT PTKI Acquire Waveform, vi1.按照上圖創(chuàng)建框圖程序。2.返回前面板窗口，輸入各控制欄數(shù)值，并運行程序。圖表窗口將繪出 模擬信號波形。試用不同的采樣率和采樣點數(shù)，觀察波形的差別。（練習(xí)2-2結(jié)束）第五節(jié)掃描

18、多個模擬輸入通道AI Acquire Waveforms程序從多個輸入通道以指定的采樣率采集指定的 采樣點數(shù)，并將采樣結(jié)果數(shù)據(jù)送回到計算機(jī)。Channels控制欄指定要采 樣的多個通道的編號，各個通道號間以逗號隔開，例如1, 2, 4。控制欄Number of samples/ch 是每個通道要采集的采樣點數(shù)。Scan rate是每個通道每秒鐘的采樣點數(shù)即采樣率。Waveform是一個二維數(shù)組，包含模擬輸入信號電壓數(shù)值，以伏為單位。Actual scan period是實際采樣率的倒數(shù)，由于計算機(jī)硬件的不同，實際采樣率與指定的采樣率可能 有微小差異。練習(xí)2-3目的：使用簡單I/O程序來執(zhí)行掃描

19、多個通道的數(shù)據(jù)采集工作。學(xué)員將創(chuàng)建一個VI程序，它掃描兩個不同通道的模擬信號波形，并將它們分別在圖表上繪出。在本例中，把Demo Box的模擬輸入通道CH1接到正弦波/三角波輸出口，而模擬輸入通道 CH2接到方波輸出口。前面板:1.按照下圖創(chuàng)建前面板程序,它有兩個輸入通道，可同時顯示兩個波形。2.切換到框圖程序?？驁D程序:kl Acquire Waveforms- vi第一邇道1.創(chuàng)建如上圖所示框圖程序，它調(diào)用了如下的功能模塊：Al Acquire Waveforms 子程序（在 Data Acquisiti on>An alog In put子模板）。在本例中，它在通道1和通道2以采樣

20、率10000Hz采樣1000 個點。Index Array 子程序（在Array子模板），在本例中，把二維數(shù)組的第0列定義為通道1的采集數(shù)據(jù)，第1列定義為通道2的采集數(shù)據(jù)。Write to Spreadsheet File子程序（在File I/O子模板）。在本例中，把通道1和通道2的數(shù)據(jù)寫入數(shù)據(jù)文件（spreadsheet file ）。2將演示盒上的模擬輸入通道1與方波發(fā)生器連接；模擬通道2與正弦 波發(fā)生器相連接。運行該程序，在圖表上將顯示輸入的兩個數(shù)據(jù)波形。（練習(xí)2-3結(jié)束）。第六節(jié)連續(xù)數(shù)據(jù)采集連續(xù)數(shù)據(jù)采集，或者說實時數(shù)據(jù)采集，是在不中斷數(shù)據(jù)采集過程的情況下不斷地向計算機(jī)返回采集數(shù)據(jù)。開始數(shù)據(jù)采集后，DAQ卡不斷地采集數(shù)據(jù)并將它們存貯在指定的緩沖區(qū)中(circular buffer )，然后LabVIEW每隔一段時間將一批數(shù)據(jù)送入計算機(jī)進(jìn)行處理。如果緩沖區(qū)放滿了，DA