測試技術基礎課件：計算機數(shù)據(jù)采集與處理

計算機數(shù)據(jù)采集與處理7.1概述7.2計算機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)7.3小波分析方法7.4虛擬儀器 7.1概述

7.1.1計算機數(shù)據(jù)采集

計算機的一個重要功能是能用來采集各種數(shù)據(jù)。要對被控或被測對象的位置、速度、壓力、溫度、聲音、圖像、質量、流量、振動、應力、應變等物理量進行準確測量,離開計算機是很難實現(xiàn)的?，F(xiàn)在全世界各公司生產(chǎn)的智能測量系統(tǒng)或高級測量儀器,全部是以計算機為核心組成的。7.1.2計算機數(shù)據(jù)處理方法

1.數(shù)字信號處理

數(shù)字信號處理是把信號用數(shù)字或符號表示的序列,通過計算機或通用(專用)的信號處理設備,用數(shù)字的數(shù)值計算方法處理(濾波、變換、壓縮、增強、估值與識別等),以達到提

取有用信息便于應用的目的。數(shù)字信號處理的效果,或是通過濾波消除噪聲,或是進行頻域分析,或是用以提取特征參數(shù),或是進行編碼壓縮等。完成不同目的所采用的計算方法(統(tǒng)稱算法)也不同,可以說,數(shù)字信號處理的實現(xiàn)就是算法的實現(xiàn)。采用數(shù)字信號處理,相對于模擬信號處理(AnalogSignalProcessing,ASP)有很大的優(yōu)越性,其優(yōu)越性表現(xiàn)在軟件可實現(xiàn)、精度高、靈活性好、可靠性高、易于大規(guī)模集成、設備尺寸小、造價低、速度快等方面。隨著人們對實時信號處理要求的不斷提高和大規(guī)模集成電路技術的迅速發(fā)展,數(shù)字信號處理技術也在發(fā)生著日新月異的變革。數(shù)字信號處理的實現(xiàn)大體上可以分為三大類,即軟件實現(xiàn)法、硬件實現(xiàn)法以及軟硬件結合的實現(xiàn)方法。

(1)軟件實現(xiàn)法。該方法是按照數(shù)字信號處理的原理和算法,編寫程序或利用現(xiàn)有程序在計算機上實現(xiàn)的,其中Mathworks公司的MATLAB軟件(一種交互式和基于矩陣體

系的軟件,主要用于科學工程數(shù)值計算和可視化)可以說是這方面成功的范例。當前,國內外研究機構、公司不斷推出不同用途的數(shù)字信號處理軟件包,如美國NationalInstruments

公司的信號測量與分析軟件LabVIEW、Cadence公司的信號和通信分析設計軟件SPW、以及TI公司的DSP等。軟件實現(xiàn)方法速度較慢,但經(jīng)濟實用(可重復使用),因此多用于

教學和科研方面。在許多非實時的應用場合,可以采用軟件實現(xiàn)法。例如,處理一盤混有噪聲的錄像(音)帶,可以將圖像(聲音)信號轉換成數(shù)字信號并存入計算機,用較長的時間一幀幀地處

理這些數(shù)據(jù)。處理完畢后,再實時地將處理結果還原成一盤清晰的錄像(音)帶。普通計算機即可完成上述任務,而不必花費較大的代價去設計—臺專用數(shù)字計算機。

(2)硬件實現(xiàn)法。該方法是按照具體的要求和算法設計硬件結構圖,用乘法器、加法器、延時器、控制器、存儲器以及I/O接口部件實現(xiàn)的一種方法,其特點是運算速度快,可以達到實時處理的要求,但是不靈活。

(3)軟硬件結合的實現(xiàn)方法。首先可以利用單片機的硬件環(huán)境配以恰當?shù)男盘柼幚碥浖韺崿F(xiàn),可以直接用于工程實際,如數(shù)控機床、醫(yī)療儀器設備等。其次,可以使用專用數(shù)

字信號處理芯片,即數(shù)字信號處理器(DigitalSignalProcessor,DSP),經(jīng)過簡單編程來實現(xiàn)。這種方法目前發(fā)展最為迅速,常用的DSP專用芯片較之單片機有著更為突出的優(yōu)點,例如,DSP內部有專用的乘法器和累加器并采用流水線工作方式及并行處理結構,總線多、速度快,內嵌有信號處理的常用指令。

目前,DSP專用芯片正高速發(fā)展,它速度快、體積小、性能優(yōu)良且價格不斷下降,用DSP專用芯片實現(xiàn)數(shù)字信號處理的技術已成為工程技術領域的主要方法。

2.小波分析

小波分析或稱小波變換,是傅里葉變換的發(fā)展,具有多分辨率分析的特點,在時頻兩域都具有表征信號局部特征的能力,是一種窗口面積不變,但其形狀、時間窗和頻率窗都

可以改變的時頻局部化分析方法。小波變換與短時傅里葉變換的最大不同之處是其分析精度可變,它是一種加可變時頻窗進行分析的方法。在時-頻平面的高頻辨率和低的頻率分辨率,而在低頻段具有低的時間分辨率和高的頻率分辨率,這正符合低頻信號變化緩慢而高頻信號變化迅速的特點。從信號處理的角度,小波變換是一種把信號或函數(shù)分解成不同的頻率成分,然后用與其尺度相匹配的分辨率研究每個成分的工具。小波分析利用一個可以伸縮和平移的可變時

頻窗,能夠聚焦到信號的任意細節(jié)進行時頻域處理,既可看到信號的全貌又可分析信號的細節(jié),并且可以保留數(shù)據(jù)的瞬時特性。時域響應信號經(jīng)小波分析后其突變特征會更加明顯,因此,小波分析非常適合于識別正常信號和反常信號間的細微差別。小波分析從誕生伊始就與實際工程問題緊密聯(lián)系在一起。在工程應用領域,特別是在信號處理、圖像處理、模式識別、語音識別、量子物理、地震勘測、流體力學、電磁場、CT

成像、機械故障識別與監(jiān)控、分形、數(shù)值計算等領域,它被認為是近年來在計算工具及方法上的重大突破。小波理論也是近些年形成和發(fā)展迅速的一種數(shù)學工具?；谛〔ㄗ儞Q的

小波分析技術是泛函分析、傅里葉變換、樣條分析、調和分析、數(shù)值分析等半個世紀以來發(fā)展最完美的結晶,是正在發(fā)展的新的數(shù)學分支?？梢灶A料,在今后數(shù)年內,它將成為科

技工作者經(jīng)常使用的又一銳利的數(shù)學工具,會極大地促進科技及工程應用領域的新發(fā)展。 7.2計算機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)7.2.1數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的組成數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)框圖如圖71所示。顯然,要采集的信號有如下三類:

(1)開關信號:指只有兩個狀態(tài)(0或1)的數(shù)字信號,如開關的合與斷、繼電器的激勵與釋放等。

(2)數(shù)字信號:指用二進制形式表示的數(shù)(如數(shù)字電壓表、鍵盤等)的輸出信息。頻率輸出型數(shù)據(jù)傳感器輸出的信號也為數(shù)字信號。

(3)模擬信號:指在規(guī)定的連續(xù)時間內,對輸入信號的幅值可以在連續(xù)范圍內任意取值的信號。傳感器的作用是把待測的非電量(如溫度、壓力、流量、位移等)轉化為電量(電流、電壓、頻率等)。傳感器(Sensor)常稱為一次儀表,它的輸出可以是模擬量,也可以是開關量或數(shù)字量。因為計算機只能接收規(guī)定形式的數(shù)字信號,所以對傳感器送來的模擬信號,先要經(jīng)過信號調理(SignalConditioning),將信號放大(或衰減)、濾波等,使之滿足A/D轉換器輸入的要求,然后經(jīng)A/D轉換送入計算機。放大器用來放大和緩沖輸入信號。由于傳感器輸出的信號較小,如常用的熱電偶輸出變化往往在幾毫伏到幾十毫伏之間,電阻應變片輸出電壓變化只在幾個毫伏之間,人體生

物電信號僅是微伏量級,因此,需要將這類信號加以放大,以滿足大多數(shù)A/D轉換器的滿量程輸入的要求。此外,某些傳感器內阻比較大,輸出功率較小,這樣放大器還起到了阻

抗變換器的作用,用來緩沖輸入信號。由于各類傳感器輸出信號的情況各不相同,因此,放大器的種類也很繁雜。例如,為了減少輸入信號的共模分量,就產(chǎn)生了各種差分放大器、

儀器放大器和隔離放大器;為了使不同數(shù)量級的輸入電壓都具有最佳變換,就有量程可以變換的程控放大器;為了減少放大器輸出的漂移,則有斬波穩(wěn)零和激光修正的精密放大器。圖7－1數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)框圖傳感器和電路中的器件常會產(chǎn)生噪聲,人為的發(fā)射源也會通過各種耦合渠道使信號通道感染上噪聲,如工頻信號可以成為一種人為的干擾源。這種噪聲可以用濾波器來衰減,

以提高模擬輸入信號的信噪比。

在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中,往往要對多個物理量進行采集,即所謂多路巡回檢測,這可通過多路模擬開關來實現(xiàn)。多路模擬開關可以分時選通來自多個輸入通道的某一信號,因此,在多路模擬開關后的單元電路,如采樣/保持電路、A/D及處理器電路等,只需一套即可。這樣,節(jié)省成本和體積。但這僅僅在物理量變化比較緩慢、變化周期在數(shù)十至數(shù)百毫秒之間的情況下較合適,因為這時可以使用普通的數(shù)十微秒A/D轉換器從容地分時處理這些信號。當分時通道較多時,必須注意泄漏及邏輯安排等問題。當信號頻率較高時,使用多路模擬開關后,對A/D的轉換速率要求也隨之上升。采樣速率超過40~50kHz時,一般不再使用分時的多路模擬開關技術。多路模擬開關有時也可以安排在放大器之前,但當輸入的信號電平較低時,需注意選擇多路模擬開關的類型。若選用集成電路的模擬多路開關,由于它比干簧或繼電器組成的多路開關導通電阻大、泄漏電流大,因而有較大的誤差

產(chǎn)生。因此,要根據(jù)具體情況來選擇多路模擬開關的類型。多路模擬開關之后是模擬通道的轉換部分,它包括采樣/保持和A/D轉換電路。采樣/保持電路的作用是快速拾取多路模擬開關輸出的信號,并保持幅值恒定,以提高A/D轉換器的轉換精度。如果把采樣/保持電路放在多路模擬開關之前(每道一個),還可以實現(xiàn)對瞬時信號進行同步采樣。

采樣/保持器輸出的信號送至A/D轉換器,A/D轉換器是模擬輸入通道的關鍵電路。由于輸入信號變化速度不同,系統(tǒng)對分辨力、精度、轉換速率及成本的要求也不同,因此,A/D轉換器的種類也較多。早期的采樣/保持器和A/D轉換器需要數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設計人員自行設計,目前普遍采用單片集成電路,有的單片A/D轉換器內部還包含有采樣/保持電路、基準電源和接口電路,這為系統(tǒng)設計提供了較大方便。如果傳感器輸出的就是數(shù)字量,一般也需經(jīng)過數(shù)字信號調理,將信號整形或調整電平,變?yōu)橛嬎銠C可接受的信號,并經(jīng)緩沖、鎖存再送到計算機相應的I/O口。采集的數(shù)據(jù)

經(jīng)計算機處理后,其結果經(jīng)適當分配輸出給打印、顯示及其他器件,以供人們觀察、分析或實現(xiàn)閉環(huán)控制。整個數(shù)據(jù)的采集過程和數(shù)據(jù)處理及控制均在微機控制下進行,所以微機

系統(tǒng)是DAS的核心部分。7.2.2數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的特點

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)具有如下主要特點:

(1)一般都由計算機控制,使得數(shù)據(jù)采集的質量和效率等大為提高,也節(jié)省了硬件投資。

(2)軟件在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的作用越來越大,這增加了系統(tǒng)設計的靈活性。

(3)數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)處理相互結合得日益緊密,形成數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng),可實現(xiàn)從數(shù)據(jù)采集、處理到控制的全部工作。

(4)數(shù)據(jù)采集過程一般都具有“實時”特性,實時的標準是能滿足實際需要;對于通用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)一般希望有盡可能高的速度,以滿足更多的應用環(huán)境。

(5)隨著微電子技術的發(fā)展,電路集成度的提高,數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的體積越來越小,可靠性越來越高。

(6)總線在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中有著廣泛的應用,總線技術對數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結構的發(fā)展起著重要作用。7.2.3數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的主要性能指標

1.系統(tǒng)分辨率

系統(tǒng)分辨率是指數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可以分辨的輸入信號最小變化量。通常用最低有效位(LSB)占系統(tǒng)滿度信號的百分比表示,或用系統(tǒng)可分辨的實際電壓數(shù)值來表示,有時也用滿

度信號可以分的級數(shù)來表示。表7－1表示出了滿度值為10V時數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的分辨率。

2.系統(tǒng)精度

系統(tǒng)精度是指當系統(tǒng)工作在額定采集速率下,每個離散子樣的轉換精度。模/數(shù)轉換器的精度是系統(tǒng)精度的極限值。實際的情況是,系統(tǒng)精度往往達不到模/數(shù)轉換器的精度,

這是因為系統(tǒng)精度取決于系統(tǒng)的各個環(huán)節(jié)(部件)的精度。例如,前置放大器、濾波器、多路模擬開關等,只有這些部件的精度都明顯優(yōu)于A/D轉換器精度時,系統(tǒng)精度才能達到

A/D的精度。這里還應注意系統(tǒng)精度與系統(tǒng)分辨率的區(qū)別。系統(tǒng)精度是系統(tǒng)的實際輸出值與理論輸出值之差,它是系統(tǒng)各種誤差的總和,通常表示為滿度值的百分數(shù)。

3.采集頻率

采集頻率又稱為系統(tǒng)通過速率、吞吐率等,是指在滿足系統(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所完成的采集次數(shù),或者說是系統(tǒng)每個通道、每秒鐘可采集

的子樣數(shù)目。這里所說的“采集”,包括對被測物理量進行采樣、量化、編碼、傳輸、存儲等的全部過程。在時間域上,與采集頻率對應的指標是采樣周期,它是采樣頻率的倒數(shù),它

表示了系統(tǒng)每采集一個有效數(shù)據(jù)所需的時間。

4.動態(tài)范圍

動態(tài)范圍是指某個物理量的變化范圍。信號的動態(tài)范圍是指信號的最大幅值和最小幅值之比的分貝數(shù),數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的動態(tài)范圍通常定義為所允許輸入的最大幅值Vimax

與最小幅值Vimin之比的分貝數(shù),即(7－1)式中,最大允許幅值Vimax是指使數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的放大器發(fā)生飽和或者是使模/數(shù)轉換器發(fā)生溢出的最小輸入幅值。最小允許輸入值Vimin一般用等效輸入噪聲電平VIN

來代替。對大動態(tài)范圍信號的高精度采集時,還要用到“瞬時動態(tài)范圍”這樣一個概念。所謂瞬時動態(tài)范圍,是指某一時刻系統(tǒng)所能采集到的信號的不同頻率分量幅值之比的最大值,即幅度最大頻率分量的幅值Afmax與幅度最小頻率分量的幅值Afmin之比的分貝數(shù)。若用I

表示瞬時動態(tài)范圍,則有(7－2)

5.非線性失真

非線性失真也稱諧波失真。當給系統(tǒng)輸入一個頻率為f的正弦波時,其輸出中出現(xiàn)很多頻率kf(k為正整數(shù))的新的頻率分量的現(xiàn)象,稱為非線性失真。諧波失真系數(shù)用來衡量系統(tǒng)產(chǎn)生非線性失真的程度。它通?？杀硎緸?7－3)7.2.4采樣過程與采樣定理

計算機是一臺數(shù)字化設備,它只能處理數(shù)字信息,故使用計算機處理信號時必須將模擬信號轉換為數(shù)字信號,完成模擬信號到數(shù)字信號的轉換,稱為模/數(shù)(A/D)轉換,或稱為數(shù)據(jù)采集。將連續(xù)的模擬信號轉換成計算機可接受的離散數(shù)字信號需要兩個環(huán)節(jié):首先是采樣,由連續(xù)模擬信號得到離散信號;然后再通過A/D轉換,變?yōu)閿?shù)字信號。模擬信號的數(shù)字化過程如圖7-2所示。圖7-2模擬信號的數(shù)字化過程圖7-3采樣過程示意圖設采樣開關閉合時間為τ,則采樣后得到的寬度為τ,幅值隨x(t)變化的脈沖序列如圖7－4(a)所示,采樣信號xs(t)可以看作是原信號x(t)與一個幅值為1的開關函數(shù)s(t)的乘積,即式(7－4)中,s(t)是周期為Ts

、脈沖寬度為τ

、幅值為1的脈沖序列(見圖7－4(b))。因此,采樣過程實質上是一種調制過程,可以用一乘法器來模擬,如圖7－4(c)所示。圖7－4由于脈沖寬度τ

遠小于采樣周期Ts

。因此,可近似認為τ

趨近于零,用單位脈沖序列δTs(t)來代替s(t),如圖7-5所示,δTs(t)可表示為(7－5)(7－6)圖7-5采樣定理為使用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)時選擇采樣頻率奠定了理論基礎,采樣定理所規(guī)定的最低的采樣頻率是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)必須遵守的規(guī)則。在實際使用時,由于:

(1)信號x(t)的最高頻率難以確定,特別是當x(t)中有噪聲時,則更為困難。

(2)采樣理論要求在取得全部采樣值后才能求得被采樣函數(shù),而實際上在某一采樣時刻,計算機只取得本次采樣值和以前各次采樣值,而必須在以后的采樣值尚未取得的情況下進行計算分析。

因此,實際的采樣頻率取值高于理論值,一般為信號最高頻率的5~10倍。

2.量化

量化就是將模擬量轉化為數(shù)字量的過程。它是模/數(shù)轉換器所要完成的主要功能。量化電平(QuantizedLevel)定義為滿量程電壓(或稱滿度信號值)VFSR與2的N

次冪的比值,

其中,N

為數(shù)字信號Xd

的二進制位數(shù)。量化電平(也稱量化單位)一般用q

來表示,故(7－7)圖7－6為模擬信號Xa

的量化過程。圖7－6(a)中,量化電平為q,量化誤差(Quantization

Error)e

為數(shù)字信號Xd對應的理論電壓值與模擬信號X

a

之差,其值在0與-q

之間,即-q≤e≤0。圖7－6(b)中,量化電平仍為q,但模擬信號Xa偏置q/2。當-q/2≤Xa<q/2時,Xd為000;當q/2≤Xa<3q/2時,Xd

為001;……顯然量化誤差可表示為-q/2≤e<q/2,誤差交替取正、負值。圖7－6模擬信號Xa

的量化過程即使模擬信號X

a為無噪聲信號,經(jīng)過ADC量化后,數(shù)字信號Xd

也將包含噪聲。也就是說,量化誤差是一種原理性誤差,它只能減小而不可能徹底消除。

對量化與量化噪聲可以進一步討論如下:用一基本量(現(xiàn)為量化電平q)對與基本量具有同一量綱的一個模擬量進行比較的過程稱為量化。顯然比較的結果可分為兩部分:

(1)整數(shù)部分———量化電平q

的整數(shù)倍。

(2)余下部分———不足一個基本單位q,即為量化誤差(量化噪聲)。上述概念用數(shù)學表達式說明為(7－8)由于受二進制字長的限制(碼位限制),設變換到第n

位停止,因此有(7－9)忽略的bn+1

、bn+2

、…表示了變換誤差,即量化噪聲。模/數(shù)轉換器的位數(shù)(也就是二進制代碼的個數(shù))是ADC的分辨率,也表征了ADC的動態(tài)范圍。通常將模/數(shù)轉換器的動態(tài)范圍定義為轉換器最高有效位與最低有效位的比值。一定的位數(shù)也相當于一定的量化精度。

ADC的分辨率與其動態(tài)范圍是兩個相關的參數(shù),但有不同的含義。

這里還要指出,輸入信號較大時,相對量化誤差較小,輸入信號較小時,相對量化誤差較大。例如,輸入值為滿量程的1/10時,量化誤差相對擴大10倍。以8位模/數(shù)轉換器

為例,這時峰值信號與均方根誤差比從883倍變成88.3倍,相應分貝數(shù)從59dB變成39dB。一般使用時要求的輸入信號動態(tài)范圍必須與模/數(shù)轉換器相適應。

3.編碼

模/數(shù)轉換過程的最后階段是編碼。編碼是指把量化信號的電平用數(shù)字代碼表示。編碼有多種形式,最常用的是二進制編碼。在數(shù)據(jù)采集中,被采集的模擬信號是有極性的,

因此,編碼也分單極性編碼與雙極性編碼兩大類。在應用時,可根據(jù)被采集信號的極性來選擇編碼形式。

1)單極性編碼

常用的單極性的編碼有二進制碼和十進制碼兩種。

(1)二進制碼。這是單極性碼中使用最普遍的一種碼制。在數(shù)據(jù)轉換中經(jīng)常使用的是二進制分數(shù)碼。在這種碼制中,一個(十進制)數(shù)D

的量化電平可表示為

(2)十進制(BCD)編碼。盡管上面介紹的二進制編碼是普遍使用的一種碼制,但在系統(tǒng)的接口中,經(jīng)常使用另一些碼制,以滿足特殊的需要。例如,在數(shù)字電壓表、光柵數(shù)顯表

中,數(shù)字總是以十進制形式顯示的,以便于人們讀數(shù)。在這種情況下,二-十進制碼有它的優(yōu)越性。

BCD編碼中,用一組4位二進制碼來表示一位0~9的十進制數(shù)。例如,一個電壓按8421(即23222120)進行BCD編碼,則有(7－12)

2)雙極性編碼

在很多情況下,模擬信號是雙極性的,即有時是正值,有時是負值,這種情況下,就需要用雙極性編碼來表示。雙極性編碼也有多種形式,常見的有符號-數(shù)值碼、偏移二進制碼、補碼。表7－2給出這三種編碼的示例。

(1)符號-數(shù)值碼。在這種碼制中,最高位為符號位(通常“0”表示正,“1”表示負),其他各位是數(shù)值。這種碼制與其他碼制比較,其優(yōu)點是依賴在零的附近變動1LSB時,數(shù)值

碼只有最低位改變,這意味著不會產(chǎn)生嚴重的瞬態(tài)效應,參見表7－2。從表7－2中可以看出,其他雙極性碼在零點附近都會產(chǎn)生主碼躍遷,即數(shù)值碼的所有位全都發(fā)生變化,因而可能產(chǎn)生嚴重的瞬態(tài)效應和誤差。符號-數(shù)值編碼的缺點是,有兩個碼表示零,0+為0000,0-為1000。因此從數(shù)據(jù)轉換的角度看,符號-數(shù)值編碼的轉換器電路要比其他雙極性碼復雜。

(2)偏移二進制碼。這是轉換器最容易實現(xiàn)的雙極性碼制。從表7－2可以看出,一個模擬輸出量Uo,當用偏移二進制碼表示時,其代碼完全按照二進制碼的方式變化,不同之

處只是前者的代碼簡單地用滿量程值加以偏移。

以4位二進制碼為例,代碼的偏移情況如下:

·代碼為0000時,表示模擬負滿量程值;

·代碼為1000時,表示模擬零;

·代碼為1111時,表示模擬正滿量程值減1LSB。(7－13)(3)補碼。表示雙極性信號時,用補碼是比較方便的,由于這樣可以用加法運算代替減法運算,因此,它是一種很適合算術運算的編碼。將偏移二進制碼的符號位取反即可得到補碼。另一種構成補碼的方法是:正數(shù)n

位補碼N,其數(shù)值與原碼完全相同;負數(shù)n

位補碼-N

的構成方法是,先將其正數(shù)n

位原碼N逐位取反,然后在最低位加1即可得到相應的補碼。7.2.5數(shù)據(jù)采集通道的設計原則和芯片的選擇

一個好的系統(tǒng)設計不僅體現(xiàn)在電路性能指標達到要求,同時需要考慮經(jīng)濟性。在電路設計和芯片的選擇時要綜合考慮轉換速度、轉換精度、使用條件、經(jīng)濟性能等因素。另外

對系統(tǒng)的軟硬件要統(tǒng)一權衡考慮。設計中,在CPU處理數(shù)據(jù)的速度允許且存儲容量又有足夠余量的情況下,應充分利用微機的軟件資源,由軟件代替硬件以節(jié)約硬件開支、減小

體積。

A/D、S/H、多路開關等電路的集成芯片種類繁多,為系統(tǒng)設計者在芯片功能、特性等方面進行選擇提供了較大的自由度。在設計系統(tǒng)時應對如下幾個方面提出明確要求:

(1)模擬量輸入范圍、信號源與負載阻抗是多少,輸入電壓的極性;

(2)對數(shù)字量碼制的要求,是二進制還是二進制補碼的形式;

(3)系統(tǒng)邏輯電平是多大,TTL、DTL、CMOS還是低壓CMOS;

(4)系統(tǒng)允許的漏碼;

(5)輸入信號的特性及信號的有限帶寬頻率;

(6)系統(tǒng)環(huán)境條件,溫度范圍、供電電源的可靠性、期望的轉換精度是多少、有無特殊的環(huán)境限制需要設計時考慮,如高濕度、高功率、振動及空間的限制。除以上一般考慮外,對每一部件還有專門的考慮。對A/D通道需考慮:

(1)模擬輸入范圍,被測量信號的分辨率是多少;

(2)線性誤差是多少,相對精度及刻度的穩(wěn)定性是多少;

(3)在周圍環(huán)境溫度變化下,各種誤差限制在什么范圍內;

(4)完成一次轉換所需的時間;

(5)系統(tǒng)電源穩(wěn)定性的要求是多少,由于電源的變化,引起的允許誤差是多少等。對于采樣/保持器應從如下幾個方面加以考慮:

(1)輸入信號范圍是多少;

(2)多路通道切換率是多少,期望的采樣/保持器的采集時間是多少;

(3)所需精度(包括增益、線性度及偏置誤差)是多少;

(4)在保持期間允許的電壓下降是多少;

(5)通過多路開關及信號源的串聯(lián)電阻的保持器旁路電流引起偏差是多少。

7.3小波分析方法7.3.1小波變換

1.小波變換的定義設函數(shù)ψ(t)的傅里葉變換為Ψ(jΩ),若它滿足(7－14)則稱ψ(t)為基本小波函數(shù)。式(7－14)中,R*表示(-∞,0)∪(0,+∞)。該式常稱為小波函數(shù)的容許性條件。實際上,式(7－14)等價于(7－15)引入尺度因子a和平移因子b,設a,b∈R,a≠0,ψ(t)在a

、b

作用下得到連續(xù)小波函數(shù)(7-16)于是可以定義信號f(t)∈L2(R)的連續(xù)小波變換(CWT)為利用Fourier變換的Parseval恒等式,易證得連續(xù)小波變換的逆變換(ICWT)為(7-18)(7-21)(7-22)7.3.2離散小波變換的快速算法———Mallat算法圖7－7函數(shù)空間分解示意圖該式正是兩相鄰分辨率的離散逼近信號之間的遞推關系式。式中的h(·)是由式(7－38)定義的一個數(shù)字濾波器,有時稱之為尺度濾波器,它在Mallat算法中起核心作用。式(7－39)反映了多分辨率分析中兩相鄰分辨率之間的關系。還可以看到,數(shù)字濾波器h(n)和尺度函數(shù)φ(t)是緊密相連的。圖7－8Mallat信號分解算法(7－52)圖7－9Mallat信號重構算法 7.4虛擬儀器7.4.1概述傳統(tǒng)的測試系統(tǒng)或儀器主要由三個功能塊組成:信號的采集與控制、信號的分析與處理、結果的表達與輸出。由于這些功能塊基本上是以硬件或固化的軟件形式存在,儀器只能由生產(chǎn)廠家來定義和制造,因此傳統(tǒng)儀器設計復雜、靈活性差,整個測試過程幾乎僅限于簡單地模仿人工測試的步驟,在一些較為復雜和測試參數(shù)較多的場合下,使用起來很不方便。計算機科學和微電子技術的迅速發(fā)展和普及,有力地促進了多年來發(fā)展相對緩慢的儀器技術。目前正在研究的第三代自動測試系統(tǒng)中,計算機處于核心地位,計算機軟件技術

和測試系統(tǒng)緊密地結合組成了一個有機整體,使儀器的結構概念和設計觀點等發(fā)生了突破性的變化,由此產(chǎn)生了一種新的儀器概念———虛擬儀器。由于虛擬儀器是用軟件來集成儀器所有的采集、控制、數(shù)據(jù)分析、結果輸出和用戶界面等功能,使傳統(tǒng)儀器的某些硬件乃至整個儀器都能被計算機軟件所代替。因此,從某種意義上可以說,在虛擬儀器中,軟件

就是儀器。虛擬儀器是計算機技術在儀器儀表領域的應用所形成的一種新型的、富有生命力的儀器種類,它是計算機硬件資源、儀器測/控硬件和用于數(shù)據(jù)分析、過程通信及圖形用戶界面

的軟件之間的有效結合。虛擬儀器通過提供給用戶組建自己儀器的可重用源代碼庫、處理模塊間通信、定時、觸發(fā)等功能,強調在通用計算機平臺的基礎上,通過軟件和軟面板,把

由廠家定義的傳統(tǒng)儀器轉變?yōu)橛捎脩舳x的、由計算機軟件和幾種模塊組成的專用儀器。

虛擬儀器的出現(xiàn),徹底打破了傳統(tǒng)儀器僅由廠家定義、用戶無法改變的模式,而給了用戶一個充分發(fā)揮自己能力和想象力的空間。虛擬儀器的基本構成包括計算機、虛擬儀器軟件、硬件接口模塊。其中,硬件接口模塊包括插入式數(shù)據(jù)采集卡(DataAQuisition,DAQ)、串/并口、GPIB(GeneralPurpose

InterfaceBus,GPIB)卡、VXI控制器以及其他接口卡。目前較為常用的虛擬儀器系統(tǒng)是數(shù)據(jù)采集卡系統(tǒng)、GPIB儀器控制系統(tǒng)、VXI儀器系統(tǒng)以及這三者之間的任意組合。在這里,硬件僅僅是為了解決信號的輸入、輸出,軟件才是整個系統(tǒng)的關鍵。與傳統(tǒng)儀器相比,虛擬儀器有如下特點:

(1)打破了傳統(tǒng)儀器的“萬能”功能概念,將信號的分析、顯示、存儲、打印和其他管理功能集中起來交由計算機來處理。由于充分利用計算機技術,完善了數(shù)據(jù)的傳輸、交換等

性能,使得組建的系統(tǒng)變得更加靈活、簡單。

(2)強調“軟件就是儀器”的概念,軟件在儀器中充當了以往由硬件實現(xiàn)的角色。由于減少了許多隨時間可能漂移、需要定期校準的分立式模擬硬件,加上標準化總線的使用,使系統(tǒng)的測量精度、測量速度和可重復性都大大提高。

(3)儀器由用戶自己定義,系統(tǒng)的功能、規(guī)模等均可通過軟件修改、增減,并可方便地同外設、網(wǎng)絡及其他應用連接。

(4)鑒于虛擬儀器的開放性和功能軟件的模塊化,用戶可以將儀器的設計、使用和管理統(tǒng)一到虛擬儀器標準,使資源的可重復利用率提高,系統(tǒng)組建時間縮短,功能易于擴展,管理規(guī)范,使用簡便,軟/硬件生產(chǎn)、維護和開發(fā)的費用降低。

(5)由于虛擬儀器技術是建立在當今最新的計算機技術和數(shù)據(jù)采集技術基礎上的,技術更新快。7.4.2虛擬儀器的構成

一個虛擬儀器的基本構成框圖如圖7－10所示。由圖可知,儀器的構成主要有兩大部分:硬件和軟件。硬件部分主要包括數(shù)據(jù)采集卡(DAQ)、GPIB接口儀器、VXI儀器,另外將PLC、現(xiàn)場總線設備也放入了硬件部分,因為按構成儀器的三大功能部件來看,過程控制系統(tǒng)和工業(yè)自動化系統(tǒng)也可歸納到虛擬儀器中來。虛擬儀器的軟件部分主要包括集成的

開發(fā)環(huán)境與儀器硬件的接口以及虛擬儀器的用戶界面。其中尤以美國國家儀器公司(NI)的LabVIEW軟件開發(fā)平臺組成軟件部分主體。以下分別加以介紹。圖7－10虛擬儀器的基本構成框圖

1.虛擬儀器的硬件模塊

在虛擬儀器中,插入式數(shù)據(jù)采集卡(DAQ)是最常用的接口形式之一,其功能是將現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集到計算機中。目前插入式數(shù)據(jù)采集卡已具有兆赫級的采樣速度,精度高達24位,

具有可靠性高、功能靈活、性/價比高等特點。用數(shù)據(jù)采集卡配以計算機平臺和虛擬儀器軟件,便可構成各種數(shù)據(jù)采集與控制儀器/系統(tǒng),如信號發(fā)生器、電路和器件測試儀等。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的性能除了精度、采樣頻率、通道數(shù)等指標以外,還應有各種軟件平臺下的驅動程序,用戶構建數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)時,能方便地得到測量結果。目前很多數(shù)據(jù)采集板卡都附帶了非常友好的驅動程序。用戶對它的工作模式和采樣參數(shù)設定很方便,數(shù)據(jù)的讀/寫也很容易。不像原來的數(shù)據(jù)采集板,要用戶來寫底層設備驅動程序。目前,美國NI公司設計的虛擬儀器配有專門的數(shù)據(jù)采集卡。對數(shù)據(jù)采集卡的編程很簡單,數(shù)據(jù)讀/寫和結果顯示只要對圖標作一連線即完成。比如要將數(shù)據(jù)采集卡采集的數(shù)據(jù)送至虛擬示波器顯示,只要在數(shù)據(jù)采集卡的圖標和虛擬示波器圖標之間連一根線,就完成了全部的編程工作。虛擬儀器以可視化、形象化和簡單化的方式,完成計算機設備層的驅動、訪問和數(shù)據(jù)讀/寫。當然,在這看似簡單的虛擬操作背后,實際是由系統(tǒng)軟件來自動完成眾多功能子程序的組建和集合。但應注意,不是任何數(shù)據(jù)采集板卡都能被虛擬儀器所使用。只有在虛擬儀器設備驅動庫中有的板卡,才能直接往上掛接;否則,用戶就要為自己的板卡寫DLL驅動程序。

2.虛擬儀器的軟件模塊

在確定的硬件基礎條件下,虛擬儀器構造和使用的關鍵就是應用不同的軟件來實現(xiàn)不同的功能。如前所述,虛擬儀器的應用軟件主要包括集成的開發(fā)環(huán)境、儀器硬件的高級接

口和虛擬儀器的用戶界面。虛擬儀器的應用軟件由用戶編制,可以采用各種編程軟件。提高計算機軟件編程效率是一個非?，F(xiàn)實的問題,而提高軟件編程效率的關鍵是采用面向對象的編程方式。

LabVIEW作為一種完全圖形化的編程環(huán)境,其主要優(yōu)點有:

(1)使用“所見即所得”的可視化技術建立人-機界面。針對測量的過程控制領域,NI公司在LabVIEW中建了大量的儀器面板的控制對象,如表頭、旋鈕、圖表、示波器等,用

戶還可以通過控制編輯器將現(xiàn)有的控制對象修改成適合自己工作領域的控制對象。

(2)使用圖標表示功能模塊,使用圖標間的連線表示在各功能模塊間傳遞的數(shù)據(jù),使用為大多數(shù)工程師和科學家所熟悉的數(shù)據(jù)流程圖式的語言書寫程序源代碼。這樣使得編程過程與思維過程非常近似。

(3)提供程序調試功能,用戶可以在源代碼中設置斷點、單步執(zhí)行源代碼,在源代碼中的數(shù)據(jù)流連線上設置探針,在程序運行過程中觀察數(shù)據(jù)流的變化。在數(shù)據(jù)流程圖中以較慢的速度運行程序,根據(jù)連線上顯示的數(shù)據(jù)值檢查程序運行的邏輯狀態(tài)。

(4)繼承了傳統(tǒng)的編程語言中的結構化和模塊化編程的優(yōu)點,這對于建立復雜應用的代碼的可重復性來說是至關重要的。

(5)采用編譯方式運行32位應用程序,解決了用解釋方式運行程序的圖形化編程平臺時運行程序速度慢的問題。

(6)支持多種系統(tǒng)平臺。如Macintosh、PowerMacintosh、HPUX、SunSPARC、Windows3.x、Windows95和WindowsNT。NI公司在這些系統(tǒng)平臺上都提供了相應版本的LabVIEW。并且,在任何一個平臺上開發(fā)的LabVIEW應用程序,均可直接移植到其他平臺上。

(7)提供了大量的函數(shù)庫供用戶直接調用。從基本的數(shù)學函數(shù)、字符串處理函數(shù)、數(shù)組運算函數(shù)和文件I/O函數(shù)到高級的數(shù)字信號處理函數(shù)和數(shù)值分析函數(shù),從底層的VXI儀器、數(shù)據(jù)采集和總線接口硬件的驅動程序,到世界各大儀器廠商的GPIB儀器的驅動程序,LabVIEW都有現(xiàn)成的模塊幫助用戶方便、迅速地組建自己的應用系統(tǒng)。

(8)提供DLL庫接口和CIN節(jié)點來使用戶有能力在LabVIEW平臺上使用其他軟件平臺編譯的模塊。因此,LabVIEW是一個開放式的開發(fā)平臺,用戶能夠在該平臺上使用其他軟件開發(fā)平臺生成的模塊。

LabVIEW的基本程序單位是一個VI(VirtualInstrument)。對于簡單的測試任務,可以由一個VI之間的層次調用結構構成,高層功能的VI調用一個或多個低層的特殊功能的VI,如圖711所示?？梢?LabVIEW中的VI相當于常規(guī)語言中的程序模塊,通過它實現(xiàn)了軟件的重用。每一個LabVIEW中的VI均由兩部分組成,即前面板(FrontPanel)和方塊圖(BlockPanel)。前面板是用戶進行測試時的主要輸入/輸出界面,用戶通過Controls菜單在面板上選擇控制及顯示功能,從而完成測試的設置及結果顯示。其中控制包括各種類型的輸入,如

數(shù)字輸入、布爾輸入、字符串輸入等;顯示包括各種類型的輸出,如圖形、表格等。各個VI的建立、存取、關閉及管理操作也均由面板上的命令菜單完成。作為一種圖形程序設計語言,LabVIEW內部集成了大量的生成圖形界面的模板,如各種開關、旋鈕、表頭、刻度桿、指示燈等,包含了組成一個儀器所需的主要部件,而且用戶也可方便地設計庫中沒有

的儀器。圖7－11虛擬儀器的軟件結構

LabVIEW的最大特點就是:采用全圖形化編程,在計算機屏幕上利用其內含的