第6章虛擬儀器數(shù)據(jù)采集與信號(hào)處理

虛擬儀器數(shù)據(jù)采集與信號(hào)處理2021/5/91第6章虛擬儀器數(shù)據(jù)采集與信號(hào)處理教學(xué)重點(diǎn)數(shù)據(jù)采集信號(hào)產(chǎn)生信號(hào)的時(shí)域分析信號(hào)的頻域分析數(shù)字濾波器曲線擬合2021/5/926.1數(shù)據(jù)采集LabVIEW作為一種圖形化的虛擬儀器開發(fā)平臺(tái)，在數(shù)據(jù)采集，信號(hào)的產(chǎn)生、分析與處理上有明顯的優(yōu)勢。LabVIEW提供了非常豐富的數(shù)據(jù)采集，信號(hào)發(fā)生、分析與處理函數(shù)。虛擬儀器主要用于獲取真實(shí)物理世界的數(shù)據(jù)，也就是說，虛擬儀器必須要有數(shù)據(jù)采集的功能。從這個(gè)角度來說，數(shù)據(jù)采集就是虛擬儀器設(shè)計(jì)的核心，使用虛擬儀器必須要掌握如何進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。2021/5/936.1.1數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的含義

在科研、生產(chǎn)和日常生活中，需要經(jīng)常對(duì)模擬量（如溫度、壓力、流量、速度、位移等）進(jìn)行測量和控制。數(shù)據(jù)采集（DataAcquisition，DAQ），就是將被測對(duì)象的各種參量（物理量、化學(xué)量、生物量等）通過各種傳感器作適當(dāng)轉(zhuǎn)換后，再經(jīng)信號(hào)調(diào)理、采樣、量化、編碼、傳輸?shù)炔襟E送到計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理或記錄的過程。用于數(shù)據(jù)采集的成套設(shè)備稱為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（DataAcquisitionSystem，DAS）。2021/5/94數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的任務(wù)，就是通過傳感器從被測對(duì)象獲取有用信息，并將其輸出信號(hào)轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)能識(shí)別的數(shù)字信號(hào)，然后送入計(jì)算機(jī)進(jìn)行相應(yīng)的處理，得出所需的結(jié)果。同時(shí)，將計(jì)算機(jī)得到的數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行顯示、存儲(chǔ)或打印，以便實(shí)現(xiàn)對(duì)某些物理量的監(jiān)視，其中一部分?jǐn)?shù)據(jù)還將被計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)用來進(jìn)行某些物理量的控制。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的好壞，主要取決于它的精度和速度。在保證精度的前提下，應(yīng)具有盡可能高的采樣速度，以滿足實(shí)時(shí)采集、實(shí)時(shí)處理和實(shí)時(shí)控制對(duì)速度的要求。2021/5/95現(xiàn)代數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)具有以下主要特點(diǎn)：一般都含有計(jì)算機(jī)系統(tǒng)；軟件的作用越來越大；數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)處理結(jié)合日益緊密；采集速度快，一般都具有實(shí)時(shí)特性；數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的體積越來越?。豢偩€的應(yīng)用越來越廣。2021/5/966.1.2數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通常是由傳感器、信號(hào)調(diào)理電路、多功能數(shù)據(jù)采集卡（通常集成有模擬多路開關(guān)、程控放大器、采樣/保持器、定時(shí)器、A/D轉(zhuǎn)換器及D/A轉(zhuǎn)換器）、計(jì)算機(jī)及外設(shè)等部分組成。

2021/5/97傳感器

傳感器是指能感受規(guī)定的被測量信號(hào)并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)的器件或裝置。傳感器不但應(yīng)該對(duì)被測量信號(hào)敏感，而且還應(yīng)具有將被測量信號(hào)的響應(yīng)傳送出去的功能。信號(hào)調(diào)理

（1）放大：電流型變送器、電壓型變送器（2）隔離：“地”電位，共態(tài)電壓差異（3）濾波：低通濾波器、抗混疊濾波器（4）激勵(lì)：外接電流或電壓激勵(lì)信號(hào)（例，熱電阻）（5）線性化：驅(qū)動(dòng)軟件包2021/5/98數(shù)據(jù)采集卡

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)/定時(shí)器等，這些功能分別由相應(yīng)的單元電路來實(shí)現(xiàn)。（1）模擬輸入：一般由多路開關(guān)、放大器、采樣保持電路以及A/D轉(zhuǎn)換器來實(shí)現(xiàn)。（2）模擬輸出：為系統(tǒng)提供輸出或控制信號(hào)（D/A）。（3）數(shù)字I/O：通常用來控制過程、產(chǎn)生測試信號(hào)、與外設(shè)通信等。它的基本參數(shù)包括數(shù)字接口路數(shù)、收/發(fā)數(shù)據(jù)速率、驅(qū)動(dòng)能力等。（4）計(jì)數(shù)/定時(shí)器：計(jì)數(shù)器包括3個(gè)重要信號(hào)：門限信號(hào)、計(jì)數(shù)信號(hào)、輸出。2021/5/996.1.3數(shù)據(jù)采集卡的選用與配置數(shù)據(jù)采集卡：在計(jì)算機(jī)控制下完成數(shù)據(jù)采集和控制任務(wù)的板卡。數(shù)據(jù)采集卡分為內(nèi)插式采集卡和外掛式采集卡。內(nèi)插式采集卡包括基于ISA,PCI,PXI/CPCI,PCMCIA等總線卡，特點(diǎn)是速度快，但是插拔不方便。外掛式采集卡包括USB,IEEE1394,RS-232/RS-485和并口卡，特點(diǎn)是使用方便，但速度相對(duì)較慢。

2021/5/910USB總線數(shù)據(jù)采集卡

PCI總線接口數(shù)據(jù)采集卡

2021/5/911數(shù)據(jù)采集卡的選用在挑選數(shù)據(jù)采集卡時(shí)，用戶主要考慮的是根據(jù)需求選取適當(dāng)?shù)目偩€形式，適當(dāng)?shù)牟蓸铀俾剩m當(dāng)?shù)哪M輸入、模擬輸出，適當(dāng)?shù)臄?shù)字量輸入、輸出接口等，達(dá)到既能滿足工作需求，又能節(jié)省投資的目的。需用數(shù)據(jù)采集卡的基本原則：數(shù)據(jù)分辨率和精度；可達(dá)到的采樣速率（=最高采樣頻率/通道數(shù)）；通道數(shù)；數(shù)據(jù)總線接口類型（PCI，PCMCIA,PXI,VXI）；是否有隔離；支持的軟件驅(qū)動(dòng)程序及其軟件平臺(tái)。2021/5/912數(shù)據(jù)采集卡產(chǎn)品介紹NI公司作為虛擬儀器技術(shù)的開創(chuàng)者，面向廣大用戶設(shè)計(jì)出一系列高品質(zhì)的通用數(shù)據(jù)采集卡，如B系列基本多功能DAQ卡、S系列同步采樣多功能DAQ卡、M系列新一代多功能DAQ卡等。PCI-6251是首款基于PC的PCIExpress多功能高速數(shù)據(jù)采集卡，它將PCIe總線技術(shù)和NI的M系列數(shù)據(jù)采集技術(shù)完美地結(jié)合在一起，提供了快速模擬和數(shù)字I/O，以及先進(jìn)的PCIe通道帶寬。2021/5/913數(shù)據(jù)采集卡的安裝配置

在選購了NI公司的數(shù)據(jù)采集卡后，首先要將數(shù)據(jù)采集卡安裝到計(jì)算機(jī)中并插在相應(yīng)的總線插槽上，然后安裝相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)程序。硬件驅(qū)動(dòng)程序是應(yīng)用軟件對(duì)硬件的編程接口，它包含著特定硬件可以接受的操作命令，用于完成與硬件之間的數(shù)據(jù)傳遞。依靠硬件驅(qū)動(dòng)程序可以大大簡化LabVIEW編程工作，提高開發(fā)效率，降低開發(fā)成本。NI公司的數(shù)據(jù)采集產(chǎn)品可以和NILabVIEW以及NI-DAOmx測量驅(qū)動(dòng)服務(wù)軟件無縫地結(jié)合，從而能提供更高的性能、更高的價(jià)值和更多的I/O。

2021/5/9146.1.4基于LabVIEW的數(shù)據(jù)采集過程2021/5/9156.1.5基于LabVIEW的數(shù)據(jù)采集VI設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)采集是虛擬儀器獲取信息的必不可少的基本功能，DAQmx軟件是LabVIEW的核心，使用LabVIEW必須要掌握如何使用DAQmx。LabVIEW2010中，DAQmx函數(shù)位于函數(shù)選板的【測量I/O】→【DAQmx-數(shù)據(jù)采集】子選板中。常用的DAQmx函數(shù)有：（1）DAQmxCreateVirtualChannel.vi：創(chuàng)建虛擬數(shù)據(jù)采集通道。（2）DAQmxTiming.vi：為數(shù)據(jù)采集配置采集速率和創(chuàng)建緩沖器。（3）DAQmxTrigger.vi：為數(shù)據(jù)采集任務(wù)配置觸發(fā)源，觸發(fā)數(shù)據(jù)采集。（4）DAQmxStartTask.vi：開始數(shù)據(jù)采集或者產(chǎn)生即將輸出的數(shù)據(jù)。（5）DAQmxWrite.vi：向指定的虛擬通道或者任務(wù)寫入數(shù)據(jù)。（6）DAQmxRead.vi：從指定的虛擬通道或者任務(wù)讀取數(shù)據(jù)。（7）DAQmxWaitUntilDone.vi：等待數(shù)據(jù)采集完成。（8）DAQmxStopTask.vi：停止數(shù)據(jù)采集或者停止產(chǎn)生數(shù)據(jù)的輸出。（9）DAQmxClearTask.vi：清除數(shù)據(jù)采集任務(wù)。（10）DAQ助手：是用于配置通道、任務(wù)和換算的圖形化界面。2021/5/9161.基于DAQ助手的數(shù)據(jù)采集例6.1

利用DAQ助手和PCI-6251數(shù)據(jù)采集卡實(shí)現(xiàn)單通道模擬電壓的數(shù)據(jù)采集。在LabVIEW2010中，完成任務(wù)配置并創(chuàng)建圖形顯示控件后的DAQ助手如圖所示，它在執(zhí)行數(shù)據(jù)采集任務(wù)即可返回采集數(shù)據(jù)，并顯示測試結(jié)果。2021/5/9172.基于DAQmx函數(shù)的數(shù)據(jù)采集（1）模擬信號(hào)的采集例6.2

利用DAQmx函數(shù)和PCI-6251數(shù)據(jù)采集卡實(shí)現(xiàn)單通道有限數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)據(jù)采集。2021/5/918連續(xù)數(shù)據(jù)采集例6.3

利用DAQmx函數(shù)和PCI-6251數(shù)據(jù)采集卡實(shí)現(xiàn)單通道連續(xù)數(shù)據(jù)采集。單通道連續(xù)數(shù)據(jù)采集VI的程序框圖

2021/5/919多通道循環(huán)數(shù)據(jù)采集例6.4

利用DAQmx函數(shù)和PCI-6251數(shù)據(jù)采集卡實(shí)現(xiàn)多通道循環(huán)數(shù)據(jù)采集。前面板

2021/5/920多通道循環(huán)數(shù)據(jù)采集多通道循環(huán)數(shù)據(jù)采集VI程序框圖

2021/5/921（2）離散信號(hào)的采集例6.5

利用DAQmx函數(shù)和PCI-6251數(shù)據(jù)采集卡實(shí)現(xiàn)事件計(jì)數(shù)。事件計(jì)數(shù)VI的前面板和程序框圖

2021/5/9226.2信號(hào)產(chǎn)生信號(hào)產(chǎn)生是儀器系統(tǒng)的重要組成部分，要評(píng)價(jià)任意一個(gè)網(wǎng)絡(luò)或系統(tǒng)的特性，必須外加一定的測試信號(hào)，其性能方能顯示出來。最常用的測試信號(hào)有正弦波、三角波、方波、鋸齒波、噪聲波及多頻波（由不同頻率的正弦波疊加而形成的波形）等。

在LabVIEW中用信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生了一個(gè)信號(hào)實(shí)際上相當(dāng)于通過軟件實(shí)現(xiàn)了一個(gè)信號(hào)發(fā)生器的功能。在LabVIEW中利用信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的信號(hào)可以進(jìn)行測試系統(tǒng)模型的分析或進(jìn)行信號(hào)處理方法的研究，也可以將仿真信號(hào)通過D/A轉(zhuǎn)換硬件輸出，驅(qū)動(dòng)實(shí)際執(zhí)行單元?jiǎng)幼鳌?021/5/9236.2.1數(shù)字信號(hào)的產(chǎn)生與數(shù)字化頻率的概念

正弦波信號(hào)：

為采樣間隔，

為信號(hào)周期，設(shè)一個(gè)周期內(nèi)的采樣點(diǎn)數(shù)為n

，則采樣頻率：信號(hào)頻率：

設(shè),將2π弧度用360o表示，并省略，則得

數(shù)字化頻率f=模擬頻率/采樣頻率2021/5/9246.2.2信號(hào)生成信號(hào)生成子選板

2021/5/9251.正弦波生成SineWave.vi

正弦波函數(shù)的等效數(shù)學(xué)運(yùn)算式如下：SineWave[i]=amplitude×sin（360×f×i+phase0）

2021/5/926SineWave.vi應(yīng)用舉例例6.6利用SineWave.vi產(chǎn)生正弦波前面板程序框圖

2021/5/9272.均勻白噪聲的生成例6.7

利用UnifomWhiteNoise.vi產(chǎn)生均勻分布的白噪聲。前面板程序框圖

2021/5/9283.函數(shù)發(fā)生器例6.8創(chuàng)建一個(gè)可以產(chǎn)生正弦波、三角波、方波和鋸齒波的函數(shù)發(fā)生器。2021/5/9296.2.3波形生成在波形生成子選板中的所有函數(shù)不僅輸出包含指定波形圖形的數(shù)字型數(shù)組，而且包含時(shí)間參數(shù)，這種數(shù)據(jù)類型在LabVIEW中稱為波形數(shù)據(jù)2021/5/930波形生成函數(shù)的應(yīng)用舉例例6.9

使用基本函數(shù)發(fā)生器創(chuàng)建函數(shù)發(fā)生器前面板

程序框圖

2021/5/931多頻信號(hào)的產(chǎn)生與應(yīng)用多頻信號(hào)是指一個(gè)離散頻率的正弦波集合，其模擬信號(hào)數(shù)學(xué)表達(dá)式為：式中，Ai：第i個(gè)正弦波的幅值

ωi：基頻角頻率

hi：第i個(gè)正弦波的角頻倍數(shù)

θi：第i個(gè)正弦波的初相角2021/5/932例6.10多頻信號(hào)發(fā)生器前面板

程序框圖

2021/5/933例6.11信號(hào)合成信號(hào)合成的前面板和程序框圖2021/5/9346.3信號(hào)的時(shí)域分析時(shí)域分析是指在時(shí)間域內(nèi)研究系統(tǒng)在一定輸入信號(hào)的作用下，其輸出信號(hào)隨時(shí)間的變化情況。由于時(shí)域分析是直接在時(shí)間域中對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行分析的方法，所以時(shí)域分析具有直觀和準(zhǔn)確的優(yōu)點(diǎn)。2021/5/9356.3.1卷積運(yùn)算卷積是電路分析的一個(gè)重要概念。它可以求線性系統(tǒng)對(duì)任何激勵(lì)信號(hào)的零狀態(tài)響應(yīng)。卷積的物理概念及運(yùn)算在測試信號(hào)處理中占有重要地位。（反卷積）對(duì)離散時(shí)間信號(hào)的卷積稱為卷積和，定義為Convolution.vi(1)Direct(2)Frequencydomain2021/5/936例6.12求卷積運(yùn)算卷積運(yùn)算的前面板和程序框圖2021/5/9376.3.2相關(guān)分析所謂“相關(guān)”是指變量之間的線性關(guān)系。相關(guān)分析利用相關(guān)系數(shù)或相關(guān)函數(shù)來描述兩個(gè)信號(hào)間的相互關(guān)系或其相似程度，還可以用來描述同一信號(hào)的現(xiàn)在值與過去值的關(guān)系，或者根據(jù)過去值、現(xiàn)在值來估計(jì)未來值。相關(guān)函數(shù)的性質(zhì)使它在工程應(yīng)用中具有重要價(jià)值，尤其是互相關(guān)函數(shù)的同頻相關(guān)、不同頻不相關(guān)的性質(zhì)在噪聲背景下提取有用信息提供了可靠的途徑。相關(guān)函數(shù)的應(yīng)用舉例：地下輸油管漏損位置的探測2021/5/938

LabVIEW中的相關(guān)分析函數(shù)AutoCorrelation.viCrossCorrelation.vi相關(guān)函數(shù)定義為

DirectFrequencydomain2021/5/939例6.13互相關(guān)運(yùn)算前面板程序框圖

同頻相關(guān)2021/5/940不同頻不相關(guān)2021/5/9416.3.3微積分運(yùn)算

在工程應(yīng)用領(lǐng)域，經(jīng)常要對(duì)整個(gè)過程進(jìn)行測量和控制，往往涉及到信號(hào)的采集，而采樣獲得是離散的數(shù)據(jù)，若要考慮整個(gè)過程的動(dòng)態(tài)情況或者獲得多個(gè)參數(shù)，就要用到數(shù)值積分和數(shù)值微分運(yùn)算。應(yīng)用舉例：

車速傳感器制動(dòng)踏板力傳感器信號(hào)調(diào)理電路信號(hào)采集模塊計(jì)算機(jī)2021/5/942

數(shù)值積分是用線性泛函來逼近函數(shù)的，一般常用插值型求積公式，以為插值節(jié)點(diǎn)的的Lagrange插值多項(xiàng)式為其中，為插值基函數(shù)，即則，且只依賴于求積節(jié)點(diǎn)和積分區(qū)間，而與求積函數(shù)無關(guān)。

2021/5/943數(shù)值微分，即求函數(shù)的導(dǎo)數(shù)逼近，主要采用基于Taylor級(jí)數(shù)、Lagrange多項(xiàng)式插值和三次樣條差值的求導(dǎo)公式。LabVIEW中提供了求解積分和微分的函數(shù)。積分函數(shù)中可以指定采用數(shù)值積分的方法，有四種方法可供選擇：梯形法則、Simpson法則、Simpson3/8法則、Bode法則。如采用Simpson法則，求解公式為：

求導(dǎo)函數(shù)中可以指定4種方法，二階中心，四階中心、前向、后向。如采用二階中心，2021/5/944例6.14對(duì)方波信號(hào)進(jìn)行微積分運(yùn)算前面板

2021/5/945對(duì)方波信號(hào)進(jìn)行微積分運(yùn)算程序框圖

2021/5/9466.4信號(hào)的頻域分析信號(hào)的頻譜代表了信號(hào)在不同頻率分量處信號(hào)成分的大小，它能夠提供比時(shí)域信號(hào)波形更直觀、更豐富的信息。LabVIEW提供了豐富的頻域分析函數(shù)，包括傅里葉變換、hilbert變換、功率譜分析、諧波分析等。

2021/5/9476.4.1快速傅立葉變換（FFT）傅里葉變換是信號(hào)處理與數(shù)據(jù)處理中一個(gè)重要分析工具，其意義在于將時(shí)域與頻域信號(hào)聯(lián)系起來，通過頻域分析將復(fù)雜的信號(hào)分解為各個(gè)單一的頻率成分。討論問題：（1）FFT點(diǎn)數(shù)（2）頻域分辨率：（3）單邊FFT和雙邊FFT（頻率減半，幅度加倍）FFT.vi2021/5/948例6.15雙邊傅里葉變換前面板程序框圖頻率間隔與采樣頻率和采樣點(diǎn)數(shù)的關(guān)系2021/5/949例6.16單邊傅里葉變換前面板程序框圖2021/5/9506.4.2頻譜分析頻譜分析是指把時(shí)間域的各種動(dòng)態(tài)信號(hào)通過傅里葉變換轉(zhuǎn)換到頻率域進(jìn)行分析。頻譜分析中應(yīng)注意的問題（產(chǎn)生的原因和避免的方法）（1）頻譜混疊（2）泄漏效應(yīng)和柵欄效應(yīng)2021/5/951頻譜分析前面板程序框圖

例6.17使用AmplitudeandPhaseSpectrum.vi進(jìn)行頻譜分析2021/5/952功率譜例6.18使用AutoPowerSpectrum.vi進(jìn)行自功率譜分析前面板程序框圖2021/5/9536.4.3頻率響應(yīng)分析頻率響應(yīng)表述了一個(gè)測試系統(tǒng)輸入和輸出的頻域關(guān)系，它是描述測試系統(tǒng)頻域動(dòng)態(tài)特性的重要關(guān)系。

常常用其模和相位角來表示，稱為測試系統(tǒng)的幅頻特性和相頻特性。

2021/5/954例6.19求頻率響應(yīng)的幅頻特性與相頻特性前面板程序框圖2021/5/9556.4.4諧波分析諧波和基波是一個(gè)相對(duì)的概念，它是一個(gè)周期電氣量中的正弦波分量，其頻率為基波頻率的整數(shù)倍，由于諧波的頻率是基波頻率的整數(shù)倍，也常稱為高次諧波。在頻域分析中以電壓為例，將畸變的周期性電壓分解成傅里葉級(jí)數(shù)畸變波形因諧波引起的偏離正弦波形的程度用總諧波畸變量THD（TotalHarmonicDistortion）表示

2021/5/956例6.20諧波分析前面板程序框圖

2021/5/9576.5數(shù)字濾波器數(shù)字濾波器即是以數(shù)值計(jì)算的方法來實(shí)現(xiàn)對(duì)離散化信號(hào)的處理，以減少干擾信號(hào)在有用信號(hào)中所占的比例，從而改變信號(hào)的質(zhì)量，達(dá)到濾波或加工信號(hào)的目的。

數(shù)字濾波器分為無限沖激響應(yīng)濾波器IIR

有限沖激響應(yīng)濾波器FIR

特點(diǎn)：精度高、穩(wěn)定性好、靈活性強(qiáng)、處理功能強(qiáng)

2021/5/958調(diào)用數(shù)字濾波器子程序應(yīng)注意的問題濾波器類型選擇:在低通、高通、帶通或帶阻濾波器中選擇一個(gè)類型。截止頻率確定:對(duì)低通只需確定上截止頻率，高通濾波器只需確定下截止頻率，對(duì)帶通及帶阻濾波器應(yīng)確定上、下限截止頻率。采樣頻率設(shè)定濾波器的階數(shù):濾波器階數(shù)越高，其幅頻特性曲線過渡帶衰減越快紋波幅度

2021/5/959

窗函數(shù)LabVIEW8.2在【窗】子選板中提供了20種窗函數(shù)，包括矩形窗、漢寧窗、海明窗等2021/5/960數(shù)字濾波器應(yīng)用舉例例6.21

使用巴特沃斯濾波器提出正弦信號(hào)前面板2021/5/961數(shù)字濾波器應(yīng)用舉例程序框圖

2021/5/962例6.22信號(hào)分離前面板程序框圖

2021/5/9636.6曲線擬合概述