第9章數(shù)據(jù)采集

第9章數(shù)據(jù)采集數(shù)據(jù)采集是LabVIEW的一項(xiàng)重要功能。NI公司為LabVIEW的用戶提供了豐富的數(shù)據(jù)采集設(shè)備以最大限度地滿足各個(gè)領(lǐng)域的需要。本章主要介紹了數(shù)據(jù)采集的基礎(chǔ)知識(shí)以及DAQAssistant的使用方法。9.1DAQ系統(tǒng)概述9.1.1DAQ系統(tǒng)的構(gòu)成在計(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。隨著計(jì)算機(jī)和總線技術(shù)的發(fā)展，基于PC的數(shù)據(jù)采集（DataAcquisition，DAQ）板卡產(chǎn)品得到了廣泛應(yīng)用。許多應(yīng)用通過使用插入式設(shè)備采集數(shù)據(jù)并把數(shù)據(jù)直接傳送到計(jì)算機(jī)內(nèi)存中，而在一些其他應(yīng)用中，數(shù)據(jù)采集硬件通過并行或串行接口和PC相連?；赑C的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的組成部分可分5個(gè)部分：（1）PC（2）傳感器（3）信號(hào)調(diào)理（4）數(shù)據(jù)采集硬件（5）軟件圖9-1典型的基于PC的DAQ系統(tǒng)DAQ的任務(wù)就是測量或生成物理信號(hào)。圖9-2數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)9.1.2DAQ系統(tǒng)的功能數(shù)據(jù)采集前，必須對(duì)所采集信號(hào)的特性有所了解，因?yàn)椴煌盘?hào)的測量方式和對(duì)采集系統(tǒng)的要求是不同的，只有了解被測信號(hào)才能選擇合適的測量方式和采集系統(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，如：狀態(tài)（state）、速率（rate）、電平（level）、形狀（shape）和頻率成分（frequencycontent）。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)。1．?dāng)?shù)字信號(hào)數(shù)字（二進(jìn)制）信號(hào)分為兩類，第一類數(shù)字信號(hào)是開/關(guān)信號(hào)第二類數(shù)字信號(hào)是脈沖信號(hào)。2．模擬信號(hào)模擬信號(hào)可分為直流、時(shí)域、頻域信號(hào)，如圖9-3所示。圖9-3模擬信號(hào)分類（1）模擬直流信號(hào)（2）模擬時(shí)域信號(hào)（3）模擬頻域信號(hào)3．信號(hào)調(diào)理從傳感器得到的信號(hào)大多要經(jīng)過處理才能進(jìn)入數(shù)據(jù)采集設(shè)備，信號(hào)處理功能包括放大、隔離、濾波、激勵(lì)和線性化等。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設(shè)計(jì)特殊的信號(hào)調(diào)理功能。（1）放大（2）隔離（3）濾波（4）激勵(lì)（5）線性化（6）數(shù)字信號(hào)調(diào)理4．A/D轉(zhuǎn)換與D/A轉(zhuǎn)換為了提高系統(tǒng)的性能指標(biāo)，數(shù)字計(jì)算機(jī)技術(shù)廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代控制、通信及檢測等領(lǐng)域。系統(tǒng)的實(shí)際對(duì)象往往都是一些模擬量（如溫度、壓力、圖像等），要使計(jì)算機(jī)或數(shù)字儀表能識(shí)別、處理這些信號(hào)，必須首先將這些模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)；而經(jīng)計(jì)算機(jī)分析、處理后輸出的數(shù)字量也往往需要將其轉(zhuǎn)換為相應(yīng)模擬信號(hào)才能為執(zhí)行機(jī)構(gòu)所接受。模數(shù)和數(shù)模轉(zhuǎn)換器就是能在模擬信號(hào)與數(shù)字信號(hào)之間起橋梁的電路。將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)的電路，稱為模數(shù)轉(zhuǎn)換器（簡稱A/D轉(zhuǎn)換器）。A/D轉(zhuǎn)換器按分辨率的不同可分為4位、6位、8位、10位、14位、16位和BCD碼的31/2位、51/2位等；按照轉(zhuǎn)換速度可分為超高速（轉(zhuǎn)換時(shí)間≤330ns）、次超高速（轉(zhuǎn)換時(shí)間330ns～3.3s）、高速（轉(zhuǎn)換時(shí)間3.3～333s）、低速（轉(zhuǎn)換時(shí)間＞330s）等；按轉(zhuǎn)換原理分可分為直接A/D轉(zhuǎn)換器和間接A/D轉(zhuǎn)換器。有些轉(zhuǎn)換器還將多路開關(guān)、基準(zhǔn)電壓源、時(shí)鐘電路、譯碼器和轉(zhuǎn)換電路集成在一個(gè)芯片內(nèi)，已超出了單純A/D轉(zhuǎn)換功能。圖9-4轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)圖與A/D轉(zhuǎn)換器相對(duì)應(yīng)，將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)的電路稱為數(shù)模轉(zhuǎn)換器（簡稱D/A轉(zhuǎn)換器）。5．?dāng)?shù)字I/O（DIO）DAQ設(shè)備中的數(shù)字I/O由生成或接收二進(jìn)制通斷信號(hào)的部分構(gòu)成，他們通常用于過程控制、生成測試樣式及與外圍設(shè)備進(jìn)行通信。數(shù)字連線通常分組為若干個(gè)端口，每個(gè)端口由四條或八條連線構(gòu)成。同一端口中的所有連線必須同時(shí)是輸入連線或輸出連線。由于一個(gè)端口中包含多條數(shù)字連線，可以通過端口寫入或端口讀入同時(shí)設(shè)置或提取多條連線的狀態(tài)。數(shù)字連線的數(shù)量當(dāng)然應(yīng)該與需要被控制的過程數(shù)目相匹配。通過應(yīng)用恰當(dāng)?shù)臄?shù)字信號(hào)調(diào)理配件，用戶可以使用進(jìn)/出數(shù)據(jù)采集硬件的低電流TTL信號(hào)來監(jiān)測/控制工業(yè)硬件產(chǎn)生的高電壓和電流信號(hào)。6．計(jì)數(shù)器/定時(shí)器計(jì)數(shù)器/定時(shí)器在許多應(yīng)用中具有很重要的作用，包括對(duì)數(shù)字事件產(chǎn)生次數(shù)的計(jì)數(shù)、數(shù)字脈沖計(jì)時(shí)，以及產(chǎn)生方波和脈沖。應(yīng)用一個(gè)計(jì)數(shù)器/計(jì)時(shí)器時(shí)最重要的指標(biāo)是分辨率和時(shí)鐘頻率。9.2數(shù)據(jù)采集卡的安裝PCI-6221是一塊高性能的NI-DAQmx設(shè)備，它的引腳定義如圖9-5所示。安裝時(shí)直接將其插入到PC機(jī)主板上的插槽內(nèi)即可，如圖9-6所示。圖9-5PCI-6221引腳圖

圖9-6PCI-6221的安裝圖9-7NI設(shè)備驅(qū)動(dòng)光盤的安裝界面圖9-8MAX配置與管理對(duì)話框圖9-9創(chuàng)建一個(gè)新的通道配置文件（1）

圖9-10創(chuàng)建一個(gè)新的通道配置文件（2）圖9-11選擇虛擬通道類型圖9-12創(chuàng)建一個(gè)新的本地通道圖9-13配置通道的設(shè)置和測試9.3DAQVI的組織結(jié)構(gòu)LabVIEWDAQVI組織有兩個(gè)選項(xiàng)板：一個(gè)用于傳統(tǒng)NI-DAQ，另一個(gè)用于NI-DAQmx。NI公司的DAQ硬件連線有兩種不同的設(shè)備驅(qū)動(dòng)器。NI-DAQmx是驅(qū)動(dòng)器，無論是在性能還是在使用簡易性方面都優(yōu)于傳統(tǒng)NI-DAQ。借助于DAQ助手會(huì)使編寫VI采集數(shù)據(jù)的工作明顯簡化。NI-DAQmxVI是一種稱為多態(tài)VI的特殊VI，是能夠適應(yīng)不同DAQ功能的一組核心VI，如模擬輸入、模擬輸出和數(shù)字I/O等。選擇“函數(shù)”選板下的“測量I/O→DataAcquisition”子選板即可訪問DAQmx選項(xiàng)板。圖9-14傳統(tǒng)DAQ函數(shù)節(jié)點(diǎn)各個(gè)子選板的主要功能如下。（1）AnalogInput子選板（2）AnalogOutput子選板（3）DigitalI/O子選板（4）Counter子選板（5）CalobrationandConfiguration子選板（6）SignalConditioning子選板數(shù)據(jù)采集VI按功能劃分為不同的等級(jí)。

（1）頂層（2）第三層（3）第二層（4）底層圖9-15連續(xù)數(shù)據(jù)采集程序框圖9.4數(shù)據(jù)采集助手?jǐn)?shù)據(jù)采集助手DAQAssistant是LabVIEW7以后版本新增的一個(gè)重要工具。它是一個(gè)圖形化的界面，主要用于交互式地創(chuàng)建、編輯和運(yùn)行NI-DAQmx虛擬通道和任務(wù)。這個(gè)工具通過一個(gè)圖形化接口來配置簡單和復(fù)雜的數(shù)據(jù)采集任務(wù)，從而幫助用戶無需編程即可創(chuàng)建應(yīng)用程序。DAQAssistant是一個(gè)基于步驟的向?qū)В梢允褂脩魺o需編程即可配置數(shù)據(jù)采集任務(wù)、虛擬通道以及實(shí)現(xiàn)縮放操作。用戶可以從NI應(yīng)用軟件中啟動(dòng)DAQAssistant，如LabVIEW、LabWindows/CVI、MeasurementStudio或MAX。利用DAQAssistant，用戶可以執(zhí)行以下任務(wù)：（1）創(chuàng)建和編輯任務(wù)和虛擬通道；（2）添加虛擬通道至任務(wù)；（3）創(chuàng)建并編輯量程；（4）測試用戶的配置；（5）保存用戶的配置；（6）在用戶的NI應(yīng)用軟件中生成代碼以在用戶的應(yīng)用程序中使用；（7）觀察用戶的傳感器的連接圖。圖9-16DAQAssistant選板圖9-17放置DAQ助手將自動(dòng)進(jìn)入MAX界面使用DAQAssistantExpressVI構(gòu)建數(shù)據(jù)采集VI的通用過程如下：（1）打開一個(gè)新的VI；（2）在框圖中置DAQAssistantExpressVI；（3）出現(xiàn)DAQAssistant以配置測量任務(wù)；（4）配置、命名及測試NI-DAQmx任務(wù)；（5）單擊OK按鈕已返回框圖；（6）編輯前面板和框圖完成VI；（7）如果需要的話，生成NI-DAQmxTaskName控件以便在其他應(yīng)用中使用該任務(wù)。圖9-18配置完成后的DAQ助手界面在DAQAssistant中可以選擇測量類型，包括模擬輸入、模擬輸出、數(shù)字輸入/輸出、計(jì)數(shù)器輸入和計(jì)數(shù)器輸出。1．模擬輸入模擬輸入用于實(shí)施模數(shù)轉(zhuǎn)換。在DAQAssistant中單擊AnalogInput進(jìn)入下一級(jí)子選板，該選板中列舉了模擬輸入可能的測量類型窗口：電壓、溫度、壓力、電流、阻抗、頻率以及自定義的激勵(lì)電壓。一旦將所選的虛擬通道添加到用戶任務(wù)中就會(huì)打開DAQAssistant設(shè)置及測試屏。DAQAssistant的較低部分有兩個(gè)標(biāo)簽：TaskTiming（任務(wù)定時(shí)）和TaskTriggering（任務(wù)觸發(fā)）。配置定時(shí)和觸發(fā)是配置DAQmx任務(wù)的一個(gè)重要步驟。（1）任務(wù)定時(shí)（2）任務(wù)觸發(fā)2．模擬輸出

模擬輸出用于實(shí)現(xiàn)數(shù)模轉(zhuǎn)換。實(shí)現(xiàn)模擬輸出DAQmx任務(wù)配置的基本步驟與模擬輸入相同。在DAQAssistant中單擊AnalogOutput打開顯示模擬輸出可用類型的屏幕：