數(shù)據(jù)采集專題LabVIEW入門操作

1、 計算機數(shù)據(jù)采集和分析技術概述計算機數(shù)據(jù)采集和分析技術概述 1 計算機數(shù)據(jù)采集與分析概述計算機數(shù)據(jù)采集與分析概述 基本概念基本概念 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的組成數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的組成 數(shù)據(jù)采集的主要性能指標數(shù)據(jù)采集的主要性能指標 1.1基本概念基本概念SheffieldSheffield1.3 主要性能指標主要性能指標1 系統(tǒng)分辨率系統(tǒng)分辨率 系統(tǒng)分辨率是指數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可以分辨的系統(tǒng)分辨率是指數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可以分辨的輸入信號的最小變化量。通?？梢允褂萌缦螺斎胄盘柕淖钚∽兓?。通?？梢允褂萌缦聨追N方法表示系統(tǒng)分辨率：幾種方法表示系統(tǒng)分辨率：3 采集速率采集速率 采集速率又稱系統(tǒng)通過速率或吞吐率，是指采集速率又稱

2、系統(tǒng)通過速率或吞吐率，是指在滿足系統(tǒng)精度指標的前提下，系統(tǒng)對輸入模擬在滿足系統(tǒng)精度指標的前提下，系統(tǒng)對輸入模擬信號在單位時間內(nèi)所能完成的采集次數(shù)，或者說信號在單位時間內(nèi)所能完成的采集次數(shù)，或者說是系統(tǒng)每個通道、每秒鐘可采集的有效數(shù)據(jù)的數(shù)是系統(tǒng)每個通道、每秒鐘可采集的有效數(shù)據(jù)的數(shù)量。量。2數(shù)據(jù)采集硬件電路數(shù)據(jù)采集硬件電路 傳感器的選用傳感器的選用 運用前置放大器的依據(jù)運用前置放大器的依據(jù) 信號調(diào)理中的常用放大器信號調(diào)理中的常用放大器 A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器 2.1 傳感器的選用傳感器的選用 在都能滿足測量范圍、精度、速度、使用條件在都能滿足測量范圍、精度、速度、使用條件等情況下，應側(cè)重考慮成本低、相

3、配電路是否簡單等情況下，應側(cè)重考慮成本低、相配電路是否簡單等因素進行取舍，盡可能選擇性價比高的傳感器。等因素進行取舍，盡可能選擇性價比高的傳感器。下面介紹幾種傳感器：下面介紹幾種傳感器： 運用前置放大器的依據(jù)運用前置放大器的依據(jù) 把電路輸出端測得的噪聲有效值把電路輸出端測得的噪聲有效值VON折算到該電路折算到該電路的輸入端即除以該電路的增益的輸入端即除以該電路的增益K K，得到的電平值稱為，得到的電平值稱為該電路的等效輸入噪聲該電路的等效輸入噪聲VIN 即：即： 圖（a）所示調(diào)理電路的等效輸入噪聲為：圖（b）所示調(diào)理電路的等效輸入噪聲為：2.3 信號調(diào)理中的常用放大器信號調(diào)理中的常用放大器目前

4、使用較多的放大器有：儀用放大器、隔離放大器和程控增益放大器等。在實際的設計過程中，可根據(jù)模擬信號調(diào)理通在實際的設計過程中，可根據(jù)模擬信號調(diào)理通道的設計要求，結(jié)合儀用放大器的主要性能指道的設計要求，結(jié)合儀用放大器的主要性能指標確定具體的放大電路。性能指標如下：標確定具體的放大電路。性能指標如下： 非線性度，溫漂，建立時間，恢復時間，電非線性度，溫漂，建立時間，恢復時間，電源引起的失調(diào)，源引起的失調(diào)， 共模抑制比等。共模抑制比等。2 2 程控增益放大器程控增益放大器 由程序控制增益的放大器，稱為程控放大由程序控制增益的放大器，稱為程控放大器。它一般由放大器、控制接口和可變反器。它一般由放大器、控制

5、接口和可變反饋電阻網(wǎng)絡組成。饋電阻網(wǎng)絡組成。3 3 隔離放大器隔離放大器2.4 A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器A/D轉(zhuǎn)換的常用方法有：逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換、計數(shù)式A/D轉(zhuǎn)換、雙積分型A/D轉(zhuǎn)換、串/并型A/D轉(zhuǎn)換等。A/DA/D轉(zhuǎn)換器常用的以下幾項技術指標來評價其轉(zhuǎn)換器常用的以下幾項技術指標來評價其質(zhì)量水平：質(zhì)量水平：1.1.分辨率：分辨率：ADCADC所能分辨的輸入模擬量最小變化量。所能分辨的輸入模擬量最小變化量。2.2.轉(zhuǎn)換時間：轉(zhuǎn)換時間：A/DA/D轉(zhuǎn)換器完成一次所轉(zhuǎn)換所需要的時間轉(zhuǎn)換器完成一次所轉(zhuǎn)換所需要的時間3.3.精度精度 絕對精度：定義為對應于產(chǎn)生一個給定的輸出絕對精度：定義為對應于產(chǎn)生一個

6、給定的輸出數(shù)字碼，理想模擬輸入電壓與實際模擬輸入電壓的數(shù)字碼，理想模擬輸入電壓與實際模擬輸入電壓的差值。差值。 相對精度：定義為在整個轉(zhuǎn)換范圍內(nèi)，任一數(shù)相對精度：定義為在整個轉(zhuǎn)換范圍內(nèi)，任一數(shù)字輸出碼所對應的模擬輸入實際值與理想值之差與字輸出碼所對應的模擬輸入實際值與理想值之差與模擬滿量程之比。模擬滿量程之比。3數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設計數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設計 系統(tǒng)設計考慮的因素系統(tǒng)設計考慮的因素 A/D轉(zhuǎn)換器的選擇要點轉(zhuǎn)換器的選擇要點 采樣保持器的選擇采樣保持器的選擇 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實例數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實例 3.1 系統(tǒng)設計考慮的因素系統(tǒng)設計考慮的因素 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設計要根據(jù)測試對象及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設計要根據(jù)測

7、試對象及系統(tǒng)的技術指標，主要考慮下列因素：系統(tǒng)的技術指標，主要考慮下列因素：1 1 輸入信號的特性輸入信號的特性2 2 對數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)性能的要求（采集速率，對數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)性能的要求（采集速率，系統(tǒng)的分辨率，系統(tǒng)的精度等）系統(tǒng)的分辨率，系統(tǒng)的精度等）3 3 接口特性接口特性【接口特性包括采樣數(shù)據(jù)的輸出接口特性包括采樣數(shù)據(jù)的輸出形式（是并行還是串行輸出）、數(shù)據(jù)的編形式（是并行還是串行輸出）、數(shù)據(jù)的編碼格式、與什么數(shù)據(jù)總線相接等。碼格式、與什么數(shù)據(jù)總線相接等?！?.2 A/D轉(zhuǎn)換器的選擇要點轉(zhuǎn)換器的選擇要點 A/D轉(zhuǎn)換器是數(shù)據(jù)采集電路的核心部件，正確選用轉(zhuǎn)換器是數(shù)據(jù)采集電路的核心部件，正確選用A/D

8、轉(zhuǎn)換器是提高數(shù)據(jù)采集電路性能價格比的關鍵，轉(zhuǎn)換器是提高數(shù)據(jù)采集電路性能價格比的關鍵，以下幾點應著重考慮。以下幾點應著重考慮。 A/D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)不僅決定采集電路所能轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換器的位數(shù)不僅決定采集電路所能轉(zhuǎn)換的模擬電壓動態(tài)范圍，也在很大程度上影響換的模擬電壓動態(tài)范圍，也在很大程度上影響采集電路的轉(zhuǎn)換精度。因此，應根據(jù)對采集電采集電路的轉(zhuǎn)換精度。因此，應根據(jù)對采集電路轉(zhuǎn)換范圍與轉(zhuǎn)換精度兩方面要求選擇路轉(zhuǎn)換范圍與轉(zhuǎn)換精度兩方面要求選擇A/D轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換器的位數(shù)。換器的位數(shù)。若已知被測模擬電壓動態(tài)范圍為若已知被測模擬電壓動態(tài)范圍為L1，則可以，則可以按下式確定按下式確定A/D位數(shù)位數(shù)m，即，即例如，要構成一個誤

9、差為0.1%的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，所用的A/D、S/H和MUX組件的線性誤差應小于0.01%。A/D的量化誤差也應小于0.01%，A/D量化誤差為1/2LSB，即滿度值的1/2m+1，因此可根據(jù)系統(tǒng)精度指 標 ， 按 下 式 估 算 所 需 A / D 的 位 數(shù) m ， 即 ： 若若A/D轉(zhuǎn)換器在一個采樣周期轉(zhuǎn)換器在一個采樣周期TS內(nèi)依次完成內(nèi)依次完成N路模擬信號采樣值的路模擬信號采樣值的A/D轉(zhuǎn)換，則轉(zhuǎn)換，則TS=NTA/D，采，采樣頻率樣頻率fs=1Ts 。 根據(jù)計算機接口特征，考慮如何選擇根據(jù)計算機接口特征，考慮如何選擇A/D轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換器的輸出狀態(tài)。（并行器的輸出狀態(tài)。（并行OR串行輸出，二進

10、制碼串行輸出，二進制碼OR BCD碼，以及與碼，以及與TTL、CMOS及及ECL電路的電路的兼容性等）兼容性等）3.3 S/H采樣保持器的選擇采樣保持器的選擇當發(fā)出采樣指令即控制信號由當發(fā)出采樣指令即控制信號由“保持保持”電平跳變?yōu)殡娖教優(yōu)椤安蓸硬蓸印彪娖街螅蓸与娖街?，采?保保持的輸出電壓持的輸出電壓V0從原來的保持值過渡到跟蹤輸入從原來的保持值過渡到跟蹤輸入信號信號Vi值（在確定的精度范圍內(nèi)）所需的時間稱值（在確定的精度范圍內(nèi)）所需的時間稱捕捉時間捕捉時間tAC。 從發(fā)出保持指令即控制信號從從發(fā)出保持指令即控制信號從“采樣采樣”電平跳變?yōu)殡娖教優(yōu)椤氨３直３帧彪娖介_始到模擬開關電平

11、開始到模擬開關完全斷開所經(jīng)歷的時間稱為孔徑時間完全斷開所經(jīng)歷的時間稱為孔徑時間tAP，3.4 設計實例設計實例4 基于基于LabVIEW實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集 LabVIEW概述概述 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) 采樣定理采樣定理 實例實例 LabVIEW入門操作入門操作 4.1 LabVIEW概述概述LabVIEW具有如下特點：具有如下特點：1 1 圖形化編程圖形化編程2 2 模塊化設計模塊化設計3 3 高效率高效率4 4 開放性開放性4.3 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的硬件部分，主要由傳感器、信號數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的硬件部分，主要由傳感器、信號調(diào)理設備、數(shù)據(jù)采集設備和計算機四部分組成。調(diào)

12、理設備、數(shù)據(jù)采集設備和計算機四部分組成?？偩€方式?jīng)Q定了計算機的數(shù)據(jù)傳送能力和連總線方式?jīng)Q定了計算機的數(shù)據(jù)傳送能力和連續(xù)采集數(shù)據(jù)的最大速度，最常見的是續(xù)采集數(shù)據(jù)的最大速度，最常見的是PCI總線、總線、PXI/CompactPCI總線、總線、USB總線、串口或并口、總線、串口或并口、IEEE1394(火線火線)總線以及總線以及ISA總線。總線。采集大量甚至海量數(shù)據(jù)時需要考慮計算機的硬盤容量采集大量甚至海量數(shù)據(jù)時需要考慮計算機的硬盤容量和讀寫速度。需要實時處理高頻信號或需要承擔大型計算和讀寫速度。需要實時處理高頻信號或需要承擔大型計算任務時，就需要使用任務時，就需要使用32位的高速處理器及協(xié)處理器，

13、或者位的高速處理器及協(xié)處理器，或者專用的數(shù)子信號處理器（專用的數(shù)子信號處理器（DSP）。）。 根據(jù)應用層次的不同，基于虛擬儀器的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的根據(jù)應用層次的不同，基于虛擬儀器的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的軟件部分一般可由驅(qū)動程序、應用程序編程接口和虛擬儀器軟件部分一般可由驅(qū)動程序、應用程序編程接口和虛擬儀器開發(fā)工具三部分組成。開發(fā)工具三部分組成。 虛擬儀器開發(fā)工具如虛擬儀器開發(fā)工具如LabVIEW，LabWindows/CVI 等，作為頂層軟件開發(fā)平臺，可提供強大而靈活的等，作為頂層軟件開發(fā)平臺，可提供強大而靈活的開發(fā)功能，方便用戶快速搭建數(shù)據(jù)采集和測量應用開發(fā)功能，方便用戶快速搭建數(shù)據(jù)采集和測量應用程序。

14、程序。4.4 采樣定理采樣定理 在一般的數(shù)據(jù)采集應用中，常見的信號按照可分在一般的數(shù)據(jù)采集應用中，常見的信號按照可分為模擬信號和數(shù)字信號兩大類，模擬信號是指幅值為模擬信號和數(shù)字信號兩大類，模擬信號是指幅值可取連續(xù)值的信號，而數(shù)字信號的幅值只能取離散可取連續(xù)值的信號，而數(shù)字信號的幅值只能取離散值，即規(guī)定的某些值，一般僅為高電平或低電平。值，即規(guī)定的某些值，一般僅為高電平或低電平。可將數(shù)字信號和模擬信號繼續(xù)劃分為：可將數(shù)字信號和模擬信號繼續(xù)劃分為：數(shù)字信號：開關信號（數(shù)字信號：開關信號（On-Off），連續(xù)脈沖信號），連續(xù)脈沖信號（Pulse Train）模擬信號：直流信號（模擬信號：直流信號（D

15、C），時域信號（），時域信號（Time Domain）頻域信號（）頻域信號（Frequency Domain） 數(shù)據(jù)采集的主要功能之一是將外部模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)采集的主要功能之一是將外部模擬信號轉(zhuǎn)換為離散信號傳遞到計算機中去，這一過程被稱為采樣。離散信號傳遞到計算機中去，這一過程被稱為采樣。采樣過程中，確定合適的采樣頻率（每秒采集所得到采樣過程中，確定合適的采樣頻率（每秒采集所得到的數(shù)據(jù)個數(shù)）至關重要。的數(shù)據(jù)個數(shù)）至關重要。指出： 采樣頻率必須至少是原始信號中所包含最高頻率的采樣頻率必須至少是原始信號中所包含最高頻率的兩倍時，所得到的采樣信號才能包含原始信號所有頻兩倍時，所得到的采樣信號才能包

16、含原始信號所有頻率分量的全部信息，否則從采樣信號恢復原始信號時率分量的全部信息，否則從采樣信號恢復原始信號時將發(fā)生畸變。將發(fā)生畸變。 理論上只要采樣頻率到達信號所包含最高頻率的理論上只要采樣頻率到達信號所包含最高頻率的2倍以上就倍以上就可以避免混疊，但是工程應用上往往要留出一些裕量，一般可以避免混疊，但是工程應用上往往要留出一些裕量，一般取取510倍，如果對信號處理效果有更高的要求，甚至還需要倍，如果對信號處理效果有更高的要求，甚至還需要取得更高。取得更高。4.5 實例實例4.5.1 數(shù)據(jù)采集卡數(shù)據(jù)采集卡USB2812數(shù)據(jù)采集卡數(shù)據(jù)采集卡USB2812是一種基于是一種基于USB總線的，總線的，

17、可直接和計算機的可直接和計算機的USB接口相連，構成實驗室、產(chǎn)接口相連，構成實驗室、產(chǎn)品質(zhì)量檢測中心等領域的數(shù)據(jù)采集、波形分析和處品質(zhì)量檢測中心等領域的數(shù)據(jù)采集、波形分析和處理系統(tǒng)，也可應用于工業(yè)生產(chǎn)過程監(jiān)控系統(tǒng)。理系統(tǒng)，也可應用于工業(yè)生產(chǎn)過程監(jiān)控系統(tǒng)。 1. AD模擬量輸出功能模擬量輸出功能 2. DA模擬量輸出功能模擬量輸出功能 3. DI數(shù)字量輸入功能數(shù)字量輸入功能 4. DO數(shù)字量輸出功能數(shù)字量輸出功能 5. CNT定時定時/計算器功能計算器功能4.5.2 信號輸入連接方式信號輸入連接方式 單端輸入是指單端輸入是指使用單個通路實現(xiàn)使用單個通路實現(xiàn)某個信號的輸入，某個信號的輸入，同時多個

18、信號的參同時多個信號的參考地共用一個接地考地共用一個接地點。此方式主要應點。此方式主要應用于干擾不大，通用于干擾不大，通道數(shù)相對較多的場道數(shù)相對較多的場合。合。2.雙端輸入雙端輸入 雙端輸入是指雙端輸入是指使用正負兩個通路實現(xiàn)使用正負兩個通路實現(xiàn)某個信號的輸入，該輸某個信號的輸入，該輸入方式也叫差分輸入。入方式也叫差分輸入。此方式主要應用于干擾此方式主要應用于干擾較大，通道數(shù)相對較少較大，通道數(shù)相對較少的場合。的場合。 USB2812USB2812可根據(jù)右圖可根據(jù)右圖連接成模擬電壓雙端輸連接成模擬電壓雙端輸入方式，可以有效抑制入方式，可以有效抑制共模干擾信號，提高采共模干擾信號，提高采集精度。

19、集精度。4.5.3 軟件編程知識軟件編程知識 5V量程：量程：Volt(mV)=(10000.00/8192)*(ADBuffer0&0 x1FFF)-5000.00 05V量程：量程：Volt(mV)=(10000.00/8192)*(ADBuffer0&0 x1FFF) AD AD在采樣過程中，組內(nèi)各通道以內(nèi)時鐘的采在采樣過程中，組內(nèi)各通道以內(nèi)時鐘的采樣頻率進行轉(zhuǎn)換，每兩組之間有一定的等待時樣頻率進行轉(zhuǎn)換，每兩組之間有一定的等待時間，這段時間就叫組間間隔間，這段時間就叫組間間隔(GroupInterval)(GroupInterval)。組內(nèi)采樣頻率越高，組間間隔越長，信號

20、的相組內(nèi)采樣頻率越高，組間間隔越長，信號的相對同步性就越好。對同步性就越好。ADAD分為內(nèi)外觸發(fā)。分為內(nèi)外觸發(fā)。內(nèi)觸發(fā)內(nèi)觸發(fā)軟件觸發(fā)軟件觸發(fā)外觸發(fā)外觸發(fā)硬件觸發(fā)硬件觸發(fā)連續(xù)采集和分組采集連續(xù)采集和分組采集功能是指功能是指ADAD在采樣在采樣過程中兩個通道間的采樣時間相等，采集過程中過程中兩個通道間的采樣時間相等，采集過程中不停頓，連續(xù)不間斷的采集數(shù)據(jù)。不停頓，連續(xù)不間斷的采集數(shù)據(jù)。 組內(nèi)各通道轉(zhuǎn)換完成后暫停一段時間（即組間組內(nèi)各通道轉(zhuǎn)換完成后暫停一段時間（即組間間隔），再接著轉(zhuǎn)換下一組，依次重復下去，所以間隔），再接著轉(zhuǎn)換下一組，依次重復下去，所以稱為稱為是在相對較慢是在相對較慢的采集頻率下，盡可能多保證各個通道間的時間差的采集頻率下，盡可能多保證各個通道間的時間差越小來實現(xiàn)更小的相位差，從而保證通