LabVIEW進(jìn)階培訓(xùn)-數(shù)據(jù)采集部分課件

2013年NI教師暑期教師培訓(xùn)

LabVIEW進(jìn)階培訓(xùn)（數(shù)據(jù)采集部分）數(shù)據(jù)采集的概念及應(yīng)用數(shù)據(jù)采集(DataAcquisition,簡稱DAQ)自動從布置于工廠、實(shí)驗(yàn)室、或現(xiàn)場的傳感器、儀器、設(shè)備等收集獲取數(shù)據(jù)的過程狹義的數(shù)據(jù)采集主要是模擬輸入(AI)，其目的是為了測量某種電信號或物理信號，如電壓、電流、溫度、壓力、加速度、聲強(qiáng)等廣義的數(shù)據(jù)采集還包括模擬輸出、數(shù)字I/O等例如,目前市面上的多功能數(shù)據(jù)采集設(shè)備通常包括模擬輸入、模擬輸出、數(shù)字I/O、計(jì)數(shù)器/定時(shí)器等功能，如NI的M系列多功能DAQ卡現(xiàn)在一些傳感器/變送器已經(jīng)集成了A/D轉(zhuǎn)換功能，直接通過數(shù)字接口讀取數(shù)據(jù)，從而不需要模擬輸入采集數(shù)據(jù)采集的應(yīng)用十分廣泛，幾乎涵蓋所有工程專業(yè)和科學(xué)研究方向電子、電氣、機(jī)械、車輛工程、海洋工程、環(huán)境、化工、生物醫(yī)學(xué)、土木工程、能源電力、高能物理…數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)概述信號調(diào)理傳感器/信號數(shù)據(jù)采集硬件I/O數(shù)據(jù)采集軟件總線部分常用的數(shù)據(jù)采集設(shè)備類型實(shí)驗(yàn)室、工業(yè)環(huán)境使用基于PCI/PXI接口往往需要外接端子和線纜便攜式/遠(yuǎn)距離USB，Ethernet接口教學(xué)實(shí)驗(yàn)與學(xué)生課外練習(xí)如ELVIS、myDAQ除了數(shù)據(jù)采集硬件電路之外還集成了其他一些功能，如數(shù)字萬用表、可編程電源等舉例:基于PXI平臺的數(shù)據(jù)采集PXI控制器及機(jī)箱(可大致理解為PC)接線端（前面凸出部分）信號調(diào)理與數(shù)據(jù)采集（接線端后面）舉例:用于教學(xué)實(shí)驗(yàn)的NIELVIS一種集成了12種儀器的教學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)備安裝NI-ELVIS驅(qū)動后可通過ELVIS軟面板實(shí)現(xiàn)這些功能同時(shí)也可看做是一種基于USB總線的多功能數(shù)據(jù)采集設(shè)備用于學(xué)習(xí)虛擬儀器（尤其是數(shù)據(jù)采集）的相關(guān)編程技術(shù)USB總線（注意:不是前面所說的傳輸電纜）接線端+傳輸線纜+數(shù)據(jù)采集設(shè)備PCELVISII平臺硬件指標(biāo)–1數(shù)字萬用表隔離5?位60VDC，20Vrms,2ADC,2Arms,100MΩ內(nèi)部電路保護(hù)可復(fù)位保險(xiǎn)絲函數(shù)發(fā)生器10-bit±5V范圍0.2Hz到5MHz正弦0.2Hz到1MHz三角波/方波軟件或手動可控BNC或原型板連接USB連接即插即用USB2.0示波器16bit分辨率1.25MS/s單通道500kS/s雙通道共計(jì)1到1.5MHz帶寬1x和10x探針

±10V輸入范圍AC/DC耦合BNC連接新ELVISII+100MS/s采樣率50MHz帶寬(-3dB)8bit分辨率±20Vmax.輸入范圍AC/DC/GND耦合20MHz可選噪聲濾波器1x和

10x探頭BNC連接ELVISII平臺硬件指標(biāo)–2阻抗分析儀0.2Hz到35kHz范圍NPN,PNP,二極管其他分析:波特圖分析儀2-線電流電壓分析3-線電流電壓分析可變電源供電10bit分辨率0到+12V,0到-12V500mA電流范圍集成DAQAI采樣率1.25MS/s單通道,500kS/s雙通道

16bit分辨率AO2.8MS/s更新率24DIO,15PFI,2CTR原型板可替換自定義Banana,BNC,D-Sub連接ELVIS平臺原型板數(shù)字I/OAI、示波器、PFI計(jì)數(shù)器、LED電源、波形發(fā)生器、自定義I/O、AO、DMMLab1熟悉實(shí)驗(yàn)環(huán)境選擇數(shù)據(jù)采集設(shè)備時(shí)的考慮因素通道數(shù)總線帶寬是否足夠數(shù)據(jù)傳輸速度的需求最高采樣率根據(jù)乃奎斯特定律，采樣率應(yīng)為最高頻率分量的兩倍以上，實(shí)際上最好能做到5-10倍分辨率夠用就好，不一定越高越好輸入范圍對于動態(tài)信號，還應(yīng)關(guān)注動態(tài)范圍如麥克風(fēng)/加速度計(jì)等信號的采集分辨率并不完全反映精度影響精度的因素ADC和放大器件的偏移和增益誤差等噪聲等因素舉例某16位ADC的采集卡，選擇±2V輸入范圍理論上，最低位所反映的電壓量為板卡手冊查得的精度為±410μV2–(-2)216=61μV軟件準(zhǔn)備驅(qū)動程序NI的數(shù)據(jù)采集設(shè)備采用統(tǒng)一的驅(qū)動NI-DAQmx

(NI-ELVISmx驅(qū)動已包含NI-DAQmx，因此可只安裝NI-ELVISmx)更換設(shè)備時(shí)相同的程序幾乎無需修改開發(fā)環(huán)境本課程采用NILabVIEW安裝順序:先安裝開發(fā)環(huán)境再安裝設(shè)備驅(qū)動程序(即先LabVIEW再NI-DAQmx)NI數(shù)據(jù)采集軟件方面的一些術(shù)語NI-DAQmx驅(qū)動層軟件可以檢測到數(shù)據(jù)采集硬件在LabVIEW中安裝NI-DAQmx函數(shù)Measurement&AutomationExplorer簡稱MAX，隨NI-DAQmx或任何其他NI驅(qū)動軟件安裝配置或檢測數(shù)據(jù)采集硬件DAQAssistant(DAQ助手)用于開發(fā)數(shù)據(jù)采集應(yīng)用的ExpressVI，基于配置DAQmxAPI一系列用于數(shù)據(jù)采集應(yīng)用開發(fā)的API函數(shù)數(shù)據(jù)采集助手（LabVIEW基礎(chǔ)培訓(xùn)內(nèi)容）兩種調(diào)用方式在MAX中的“數(shù)據(jù)鄰居”中創(chuàng)建任務(wù)通過LabVIEW中的ExpressVI基于配置，無需編程在LabVIEW中可自動轉(zhuǎn)化為調(diào)用NI-DAQmx底層APIVI的程序，可自定義修改模擬輸入(AnalogInput)數(shù)據(jù)采集一詞狹義即指模擬輸入即通過A/D轉(zhuǎn)換將模擬信號采樣為數(shù)字信號，從而可被計(jì)算機(jī)設(shè)備進(jìn)一步處理常用于實(shí)現(xiàn)傳感器信號的采集以及電信號的采集一個(gè)最簡單的模擬輸入電壓采集程序單點(diǎn)電壓采集分別用DAQ助手和DAQmx底層VI實(shí)現(xiàn)軟件定時(shí)DAQmx數(shù)據(jù)采集程序的基本架構(gòu)配置任務(wù)采集數(shù)據(jù)清除任務(wù)創(chuàng)建任務(wù)開始任務(wù)Lab3.1軟件定時(shí)的單點(diǎn)模擬采集采樣術(shù)語(針對硬件定時(shí))采樣率單一通道每秒采樣

點(diǎn)數(shù)采樣時(shí)鐘速率等于采樣率AI轉(zhuǎn)換時(shí)鐘直接產(chǎn)生A/D轉(zhuǎn)換的時(shí)鐘通道之間會有延時(shí)同步采樣架構(gòu)相對多路復(fù)用采樣架構(gòu)來說，可認(rèn)為通道之間的轉(zhuǎn)換時(shí)鐘是同步的AIConvertClock012301230123SampleClock連續(xù)數(shù)據(jù)采集的LabVIEW程序驅(qū)動會根據(jù)采樣率設(shè)置自動選擇合適的RAMBuffer大小程序每次從PCRAM讀取的采樣數(shù)采樣率設(shè)置采樣率緩存0-100S/s1kS100-10,000S/s10kS10,000–1,000,000S/s100kS>1,000,000S/s1MS理解連續(xù)數(shù)據(jù)采集時(shí)PCBuffer通過總線來自于采集設(shè)備的數(shù)據(jù)1PCBufferLabVIEW程序從PCBuffer讀取數(shù)據(jù)進(jìn)入LabVIEWBuffer2PCBufferLabVIEWBuffer3PCBufferLabVIEWBufferPCBufferLabVIEWBuffer4連續(xù)采集時(shí)可能的數(shù)據(jù)傳輸異常RAMPCBufferADE(Application)Memory輸入速率DATA板載FIFO總線傳輸速率ASIC板載內(nèi)存Overflow解決辦法:提高總線帶寬選擇板載FIFO較大的板卡降低采樣速率(如果允許)PC內(nèi)存Overwrite解決辦法:增加程序循環(huán)讀取速度(不要在采集循環(huán)里放太多處理工作)選用更快的CPU增大PCRAM，并通過編程指定更大的Buffer降低采樣速率(如果允許)Lab3.2連續(xù)信號采集觸發(fā)(Trigger)觸發(fā)的概念每個(gè)動作需要一個(gè)“激勵(lì)”或“原因”動作:比如開始采集信號后產(chǎn)生波形輸出觸發(fā)的分類開始觸發(fā)、參考觸發(fā)、停止觸發(fā)（按動作結(jié)果來分）模擬觸發(fā)、數(shù)字觸發(fā)（依照觸發(fā)“激勵(lì)”信號來分）不同的設(shè)備不一定支持所有觸發(fā)方式，可參閱相關(guān)手冊開始觸發(fā)時(shí)鐘開始采集停止采集12345LabVIEW中對觸發(fā)的編程在任務(wù)種增加DAQmxTrigger.vi并作相應(yīng)配置Lab3.3帶觸發(fā)的連續(xù)信號采集**僅支持ELVIS平臺數(shù)據(jù)采集中的接地問題測量系統(tǒng)信號源+VS-VM接地信號源+_Vs+_Vs浮地信號源接線方式1：差分(Differential)可以抑制共模電壓和共模噪聲我們此次培訓(xùn)中用到的主要是差分接線方式VMACH+ACH-+_儀器放大器+_+_AISENSEAIGND測量系統(tǒng)VS接線方式2：參考單端（RSE）測量基于對地參考不能抑制共模噪聲VMACH+ACH-+_儀器放大器+_VS+AISENSEAIGND_測量系統(tǒng)接線方式3：非參考單端(NRSE)測量基于對AISENSE端的參考但是多個(gè)通道測量時(shí)，AISENSE是共用的不能抑制共模電壓VSVMACH+ACH-+_儀器放大器+_+_AISENSEAIGND測量系統(tǒng)對于接地信號源的測量RSENRSEDifferential最好+抑制共模電壓–可用通道數(shù)減少一半不推薦–兩個(gè)地之間的電壓Vg會產(chǎn)生接地回路,所產(chǎn)生的電流有可能損壞設(shè)備可以+所有的通道都可以使用–不能抑制共模電壓+_Vs對于浮地信號源的測量+_VsRSENRSEDifferential最好+抑制共模電壓–可用通道數(shù)減少一半–需要偏置電阻好+所有的通道都可以使用+不需要偏置電阻–不能抑制共模電壓可以+所有的通道都可以使用–需要偏置電阻–不能抑制共模電壓AISENSE偏置電阻浮地信號源采用差分或NRSE方式時(shí)需要通過偏置電阻為偏置電流提供入地通道推薦值10kand100k信號源測量系統(tǒng)+-R1R2儀器放大器會產(chǎn)生偏置電流+-AIGND信號調(diào)理為了正確（或更精確地）測量某些傳感器的輸出或信號，有時(shí)需要信號調(diào)理不同的傳感器需要不同的信號調(diào)理信號調(diào)理傳感器/信號數(shù)據(jù)采集硬件I/O數(shù)據(jù)采集軟件總線信號調(diào)理設(shè)備外置式如NISCXI需要再連接數(shù)據(jù)采集設(shè)備與數(shù)據(jù)采集設(shè)備相結(jié)合如NICompactDAQ平臺以及基于PXIExpress的SCExpress等模塊中已經(jīng)集成了數(shù)據(jù)采集（A/D轉(zhuǎn)換）功能在軟件方面，使用同樣的DAQmx驅(qū)動正確配置系統(tǒng)和參數(shù)之后，用戶編程時(shí)只需關(guān)心數(shù)據(jù)采集部分針對電壓信號測量的信號調(diào)理放大針對小信號，為了盡可能用滿ADC位數(shù)，提高信噪比（SNR）衰減針對大信號，為了使測量信號范圍在模擬輸入通道范圍之內(nèi)隔離通過電磁、光耦等方式使測量信號源與測量儀器沒有直接電路相連可以抑制共模信號、解決接地回路問題、并保護(hù)儀器濾波減小噪聲、濾除干擾頻率這里指的是前端硬件濾波，不同于后端數(shù)字濾波或軟件濾波LabVIEW中的電壓信號調(diào)理設(shè)置與普通的數(shù)據(jù)采集程序基本無異只需配置并選擇相應(yīng)的信號調(diào)理設(shè)備通道，并正確設(shè)置電壓范圍以便驅(qū)動自動設(shè)定合適的增益熱電偶測量熱電偶信號調(diào)理模塊自動冷端補(bǔ)償功能:許多熱電偶信號調(diào)理模塊帶有直接讀取傳感器，可以自動讀取冷端補(bǔ)償溫度，并自動對熱電偶測量結(jié)果進(jìn)行補(bǔ)償計(jì)算熱點(diǎn)偶模塊通常還集成了濾波、放大、隔離等信號調(diào)理功能LabVIEW程序程序中只需在創(chuàng)建通道時(shí)做相應(yīng)設(shè)置RTD與熱敏電阻被動式的溫度測量傳感器需要來自外部源的電流或電壓激勵(lì)利用金屬或金屬氧化物的電阻與溫度有關(guān)的原理測量時(shí)有不同的接線方式:2-線、3-線、4-線除了激勵(lì)之外對RTD與熱敏電阻的信號調(diào)理還包括濾波和放大應(yīng)變測量電路應(yīng)變片接入惠斯通電橋的接法有1/4橋、半橋、全橋等不同方法具體參見

及相關(guān)資料應(yīng)變測量中的信號調(diào)理橋接電路及激勵(lì)負(fù)載端電壓采樣失調(diào)清零分流校準(zhǔn)放大/濾波例:半橋I型接法應(yīng)變測量LabVIEW程序舉例配置電橋信息和應(yīng)變計(jì)信息可選進(jìn)行失調(diào)清零和分流校準(zhǔn)負(fù)載、壓力和扭矩測量負(fù)載（稱重）使用一組應(yīng)變計(jì)測量結(jié)構(gòu)的形變，該形變與力成比例壓力傳感器使用固定在隔板的應(yīng)變計(jì)測量隔板的形變，該形變與壓力成比例扭矩傳感器使用附加在扭桿的應(yīng)變計(jì)測量扭桿的剪應(yīng)力，該剪應(yīng)力與扭矩成比例聲音與振動測量典型應(yīng)用噪聲、振動與舒適度檢測（NVH）例:用麥克風(fēng)陣列進(jìn)行噪聲源定位聲學(xué)測試?yán)?音箱聲音品質(zhì)測試機(jī)器故障監(jiān)測與診斷例:旋轉(zhuǎn)機(jī)械的故障診斷傳感器聲壓傳感器（麥克風(fēng)）：測量升壓加速度傳感器：根據(jù)壓電理論測量加速度聲音與振動測量中的信號調(diào)理及程序信號調(diào)理電流激勵(lì)（IEPE激勵(lì)）AC耦合可消除DC偏置針對不同信號范圍的靈活增益設(shè)置聲音與振動信號的動態(tài)范圍較大低通濾波器消除噪聲和防止混疊采集程序與普通輸入采集程序幾乎無差別只需對信號調(diào)理選項(xiàng)做相應(yīng)配置（如AC/DC耦合、IEPE電流激勵(lì)設(shè)置等）模擬輸出大多數(shù)多功能DAQ設(shè)備的每個(gè)模擬輸出通道有一個(gè)DAC(同步更新)與模擬輸入的同步采集類似DAC通道0通道1DAC通道0通道1輸出操作的數(shù)據(jù)傳輸輸出頻率ASICPCI總線RAMPC緩沖區(qū)應(yīng)用程序內(nèi)存板載FIFO傳輸速率LabVIEW數(shù)據(jù)軟件定時(shí)的模擬輸出軟件定時(shí)速率決定于操作系統(tǒng)或程序（在生成循環(huán)中添加延時(shí)）硬件定時(shí)設(shè)備上的時(shí)鐘控制定時(shí)，比軟件定時(shí)更快更精確Lab4.1單點(diǎn)模擬輸出帶緩沖的波形生成生成波形頻率取決于下列三個(gè)因素更新率(每秒多少個(gè)更新點(diǎn))緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)點(diǎn)緩沖區(qū)中的周期數(shù)信號頻率＝更新率緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)點(diǎn)緩沖區(qū)中的周期數(shù)×緩沖區(qū)大小＝1000點(diǎn)緩沖區(qū)中的周期數(shù)＝2更新率＝1000點(diǎn)/秒則,信號頻率＝2Hz使用采樣時(shí)鐘的連續(xù)波形生成硬件定時(shí)基于時(shí)鐘的硬件定時(shí)寫入生成數(shù)據(jù)開始生成任務(wù)與模擬采集不同,循環(huán)在這里起的作用僅僅是不斷檢查任務(wù)狀態(tài),而非不斷寫入數(shù)據(jù)Lab4.2硬件定時(shí)的連續(xù)模擬信號輸出數(shù)字I/O按照電平標(biāo)準(zhǔn)和電流驅(qū)動能力分類TTLLVTTL(低電壓)LVDS(利用差分技術(shù))工業(yè)數(shù)字I/O(如12V,24V,48V等)

需根據(jù)電平標(biāo)準(zhǔn)、驅(qū)動能力、所需速率等因素選用不同的數(shù)字I/O板卡大多數(shù)多功能數(shù)據(jù)采集卡上的數(shù)字I/O通道電平與TTL兼容課程中所用到的NIELVIS及NImyDAQ上集成的數(shù)字I/O通道也是與TTL兼容數(shù)字術(shù)語位

數(shù)據(jù)的最小單位，每一位為1或0字節(jié)

包含8位數(shù)據(jù)的二進(jìn)制數(shù)線

端口中的一路獨(dú)立信號，位表示傳輸?shù)臄?shù)

據(jù)，線是“位”在硬件上的表示端口

數(shù)字線的集合（通常4或8路）端口寬度

端口的數(shù)字線數(shù)目（通常4或8）通過DAQmxAPI創(chuàng)建數(shù)字虛擬通道創(chuàng)建一個(gè)端口、線或線集合的數(shù)字通道選擇如何將數(shù)字線編組為一個(gè)或多個(gè)虛擬通道影響DAQmx讀取VI的配置線格式每個(gè)通道多條線數(shù)字輸出軟件定時(shí)(StaticDigitalI/O)Lab5.1數(shù)字輸出Lab5.2數(shù)字輸入硬件定時(shí)的數(shù)字I/O某些DAQ設(shè)備支持硬件定時(shí)的數(shù)字I/O與帶緩沖的模擬輸入輸出原理相同采樣時(shí)鐘用于硬件定時(shí)的數(shù)字I/O(CorrelatedDigitalI/O)NIELVIS的數(shù)字I/O端口Port1/Port2支持硬件定時(shí)，Port0只支持軟件定時(shí)計(jì)數(shù)器兩個(gè)基本功能基于輸入信號（門和源）的比較，進(jìn)行計(jì)數(shù)基于輸入和寄存器值，生成脈沖許多應(yīng)用由基本計(jì)數(shù)演變而來邊沿計(jì)數(shù)，例如簡單邊沿計(jì)數(shù)和時(shí)間測量脈沖寬度、半周期和周期測量頻率測量單脈沖和脈沖序列生成位置和速度測量輸出門源計(jì)數(shù)寄存器注:由于課時(shí)限制，本課程中主要介紹脈沖邊沿計(jì)數(shù)、脈沖寬度測量、固定頻率連續(xù)脈沖串生成這三種應(yīng)用，更多計(jì)數(shù)器的應(yīng)用可以參考DAQmx幫助及LabVIEW中的范例程序自學(xué)計(jì)數(shù)器的硬件組成計(jì)數(shù)寄存器保存當(dāng)前計(jì)數(shù)值ELVISII有兩個(gè)32位的寄存器歸零前最終計(jì)數(shù)＝232–1可設(shè)置每次計(jì)數(shù)寄存器加1或減1（向上計(jì)數(shù)或向下計(jì)數(shù)）源(Source)相當(dāng)于計(jì)數(shù)時(shí)鐘可設(shè)置上升沿或下降沿有效門(Gate)相當(dāng)于使能控制信號輸出(Output)用于生成脈沖GateSourceOutput計(jì)數(shù)寄存器計(jì)數(shù)器引腳與接線所有計(jì)數(shù)器相關(guān)應(yīng)用的接線都是通過PFI引腳一個(gè)PFI引腳可有多種用途（例如既可以作為計(jì)數(shù)器的源信號又可以作為模擬采集的觸發(fā)信號）NIELVIS的板子上畫出了默認(rèn)的計(jì)數(shù)器引腳分配可以通過DAQmx幫助中Counter的部分查看針對不同計(jì)數(shù)器應(yīng)用的信號連線方式（更方便的方式是在MAX中建立一個(gè)任務(wù)，DAQ助手會自動顯示默認(rèn)的正確引腳連線方式）利用NIELVIS上的計(jì)數(shù)器集成2個(gè)32位計(jì)數(shù)器可實(shí)現(xiàn)各種基于計(jì)數(shù)器的測量和生成功能利用NImyDAQ上的計(jì)數(shù)器集成1個(gè)計(jì)數(shù)器與DIO部分共享硬件接線端最簡單的邊沿計(jì)數(shù)01230TC-1TC計(jì)數(shù)器就緒源計(jì)數(shù)利用DAQ助手實(shí)現(xiàn)最簡單的邊沿計(jì)數(shù)利用DAQ助手可以更直觀地看到各種基于計(jì)數(shù)器應(yīng)用的原理，同時(shí)方便地進(jìn)行相關(guān)配置適合作為參考，鼓勵(lì)仍然基于DAQmxAPI實(shí)現(xiàn)自動選擇PFI線選擇計(jì)數(shù)方向：升值計(jì)數(shù)減值計(jì)數(shù)選擇上升沿或下降沿Lab6.1底層API實(shí)現(xiàn)簡單邊沿計(jì)數(shù)脈沖測量使用已知頻率的時(shí)基測量未知信號的特性ELVIS中計(jì)數(shù)器自帶的時(shí)基可選80MHz,20MHz及100kHz脈沖周期周期測量寬度脈沖寬度測量源門源輸出計(jì)數(shù)寄存器測量信號時(shí)基信號例：單脈沖寬度測量理解測量的原理很重要實(shí)際的程序中，DAQmx驅(qū)動已經(jīng)幫我們進(jìn)行了底層的計(jì)算，所以只要選擇相應(yīng)的功能并配置相關(guān)參數(shù)即可Lab6.2脈沖寬度測量脈沖生成在計(jì)數(shù)器的輸出引腳上生成TTL脈沖或脈沖序列單個(gè)脈沖脈沖序列單一脈沖或脈沖序列時(shí)基門源輸出計(jì)數(shù)寄存器Lab6.3連續(xù)脈沖序列生成計(jì)數(shù)器的更多功能頻率測量根據(jù)頻率范圍有3種不同測量方式周期測量正交