虛擬儀器課件第八章.ppt

1、第八章 數(shù)據(jù)采集,虛擬儀器系統(tǒng)構(gòu)成 虛擬儀器的數(shù)據(jù)采集卡 虛擬儀器采集相關原理 數(shù)據(jù)采集卡的配置 Labview中的數(shù)據(jù)采集控件 數(shù)據(jù)采集的一些擴展應用,一個完整的虛擬儀器系統(tǒng),一些實際的虛擬儀器系統(tǒng),虛擬儀器的硬件平臺組成 構(gòu)成虛擬儀器的硬件平臺有兩部分： 計算機和I/O接口設備。 計算機 計算機一般為一臺PC機或者工作站， 是硬件平臺的核心 I/O接口設備 I/O接口設備主要完成被測輸入信號的采集、放大及模/數(shù)轉(zhuǎn)換。不同的總線有其相應的I/O接口硬件設備， 利用PC機總線的數(shù)據(jù)采集卡/板（簡稱DAQ）、 GPIB總線儀器、 VXI總線儀器模塊、 串口總線儀器、 PXI總線,虛擬儀器五種主要

2、構(gòu)成方式以接口方式分類,（1） PC-DAQ系統(tǒng)：是以數(shù)據(jù)采集板、信號調(diào)理電路和計算機為儀器硬件平臺組成的插卡式虛擬儀器系統(tǒng)。它采用PCI或ISA計算機本身的總線，故將數(shù)據(jù)采集卡/板 (DAQ) 插入計算機的空槽中即可。 （2）GPIB系統(tǒng)：以GPIB標準總線儀器與計算機為儀器硬件平臺組成的虛擬儀器測試系統(tǒng)。典型的GPIB測試系統(tǒng)由一臺計算機、一塊GPIB接口板和幾臺GPIB儀器組成。GPIB接口板插入計算機的插槽中，建立起計算機與具有GPIB接口的儀器設備之間的通信橋梁。,（3） VXI系統(tǒng)：以VXI標準總線儀器模塊與計算機為儀器硬件平臺組成的虛擬儀器測試系統(tǒng)。VXI總線是一種高速計算機總線

3、在儀器領域的擴展。它具有標準開發(fā)、結(jié)構(gòu)緊湊、數(shù)據(jù)吞吐能力強、定時和同步精確、模塊可重復利用、眾多儀器商支持等優(yōu)點，應用越來越廣。尤其在組建大中規(guī)模自動測量控制系統(tǒng)， 以及對速度、 精度要求非常高的場合，有其他儀器無法比擬的優(yōu)點。此外，VXI總線的組建方案其功能最為強大、 組建的系統(tǒng)最為穩(wěn)定，但VXI總線在實現(xiàn)強大功能的同時，價格也是十分昂貴的。 ,（4） PXI系統(tǒng)：以PXI標準總線儀器模塊與計算機為儀器硬件平臺組成的虛擬儀器測試系統(tǒng)。PXI(PCIbus eXtentions for Instrumentation)總線是基于PCI總線的虛擬儀器系統(tǒng)構(gòu)架，是NI公司于1997年推出的一種新的

4、開放性、 模塊化儀器總線規(guī)范。PXI在主流PCI計算技術和控制器的基礎上采用流行的奔騰MMX處理器，帶有標準GPIB接口、并串口、以太網(wǎng)絡接口及顯示器接口，為用戶組建速度高、 成本低、結(jié)構(gòu)緊湊的測試系統(tǒng)提供了可行性。,（5） 串口系統(tǒng)：以Serial標準總線儀器與計算機為儀器硬件平臺組成的虛擬儀器測試系統(tǒng)。 無論上述哪種虛擬儀器系統(tǒng)，都是通過應用軟件將儀器硬件與通用計算機相結(jié)合。其中，PC-DAQ測量系統(tǒng)是構(gòu)成虛擬儀器的最基本的方式。,虛擬儀器的數(shù)據(jù)采集卡,虛擬儀器采集卡的分類,PCI式采集卡 PXI VXI,GPIB 并行接口 USB RS232/RS485 IEEE1394接口,高速內(nèi)插式

5、 通用外掛式,常用虛擬儀器板卡,PXI產(chǎn)品,VXI產(chǎn)品示例,GPIB產(chǎn)品示例,屏蔽的24芯GPIBcable及定義,虛擬儀器軟件驅(qū)動模塊,為簡化硬件板卡編程和控制，NI和Agilent標準化了數(shù)百種常用儀器、板卡的驅(qū)動，它們已成為虛擬儀器開發(fā)平臺的一部分，開發(fā)時可直接復用這些硬件驅(qū)動代碼。,基于PCI總線數(shù)據(jù)采集卡PCI6014實物及功能 （Peripheral Component Interconnect,即外設部件互連）,主要 完成計算機對外部數(shù)據(jù)的放大、數(shù)模轉(zhuǎn)換功能 16路模擬輸入 采樣率 200 kS/s 2 路模擬輸出 16-bit 分辨率 8 個數(shù)字通道 (5 V TTL/CMOS

6、) 2個 24-bit 計數(shù)器 數(shù)字觸發(fā) 函數(shù)發(fā)生器功能,基于PCI總線數(shù)據(jù)采集盒BNC2120功能,是數(shù)據(jù)采集卡與外部信號的接口 8模擬輸入通道 2 通道模擬輸出 8 個數(shù)字通道 (5 V TTL/CMOS); 2個 24-bit 計數(shù)器 數(shù)字觸發(fā) 函數(shù)發(fā)生器功能,示例：電話撥號聲音的DAQ系統(tǒng),虛擬儀器采集相關原理,主要內(nèi)容,信號與系統(tǒng)概述 信號采集的基本定理 信號采集的基本功能 A/D D/A DIO Timer/Counter,信號與系統(tǒng)概述,一個典型的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)：,信號與系統(tǒng)概述,信號的分類：,信號與系統(tǒng)概述,數(shù)字信號,信號與系統(tǒng)初步,模擬信號,信號采集前置預處理,傳感器 信號調(diào)理

7、 放大 濾波 信號轉(zhuǎn)換 將外部信號采入計算機，并加以處理，最后輸出,常見傳感器,物理現(xiàn)象傳感器 溫度熱電偶 RTD IC傳感器 熱敏電阻 光光電傳感器 聲麥克風 力和壓力應變儀 壓電傳感器,模擬信號調(diào)理,低電壓信號,電流輸入/輸出,RTDs 和熱敏電阻,熱電偶,應變儀,隔離 放大 噪聲濾波,電流與電壓的轉(zhuǎn)換; 隔離，放大，噪聲濾波,隔離，放大，噪聲濾波 冷端補償,激勵電源 隔離，放大，噪聲濾波,激勵電壓 全橋和半橋設置 隔離，放大，噪聲濾波,多功能I/O,數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)功能,A/D轉(zhuǎn)換（模擬量/數(shù)字量轉(zhuǎn)換） D/A轉(zhuǎn)換（數(shù)字量/模擬量轉(zhuǎn)換） DIO（數(shù)字量輸入/輸出） Timer/Counter

8、（定時器/計數(shù)器）,基本定義及參數(shù),A/D：模擬量數(shù)字量轉(zhuǎn)換 把外部電壓信號轉(zhuǎn)成計算機能夠識別的數(shù)字信號 采樣頻率 Max Sampling Rate (S/s), Sampling Frequency (Hz) 精度(Resolution)：8bit 12bit 14bit 16bit 輸入范圍(Input Range)(增益)： 同步采樣(Simultaneous analog input) 輪詢采樣(Multiplex analog input) 突發(fā)模式采樣(Burst mode) 觸發(fā)模式(Trigger mode) 隔離(Isolation) FIFO,采樣方式,A/D轉(zhuǎn)換的物理過

9、程,模擬 信號,A/D觸發(fā)信號,數(shù)據(jù) 緩沖區(qū),PCI總線,內(nèi)存(Buffer),CPU,模擬 信號,模擬 信號,模擬信號的數(shù)字化處理,數(shù)據(jù)采集的核心過程就是將連續(xù)的模擬信號轉(zhuǎn)換成離散的數(shù)字信號 采樣點太多，會占用大量內(nèi)存單元；采樣點太少，會使模擬信號的某些信息被丟失，出現(xiàn)失真現(xiàn)象,A/D基本定義,信號的頻率 代表信號變化快慢的物理量 任何一種信號都可以轉(zhuǎn)換成一組正弦波的迭加 不同的信號頻率不同： 語音：4kHz 音樂：20kHz 超聲：20kHzxxMHz FM收音機：MHz 雷達：xGHz ,A/D基本定義,采樣頻率 采樣周期的倒數(shù) 表示采樣快慢的物理量 多少時間采一個點/每秒采樣多少個點

10、Nyquist采樣定律：fs=2*fmax fs ：采樣頻率 fmax ：信號最高頻率 一般最小為fs=2.5*fmax 工程上一般取為fs=68*fmax 采樣定律的特例 等效時間采樣,A/D基本定義采樣與混疊,足夠的采樣率下的采樣結(jié)果,過低采樣率下的采樣結(jié)果,A/D基本定義,能夠正確顯示信號而不發(fā)生畸變的最大頻率叫做Nyquist頻率，它是采樣頻率的一半 信號中所包含的頻率高于Nyquist頻率的成分，將在直流和Nyquist頻率之間發(fā)生畸變，稱為混疊（alias） 混頻偏差（alias frequency） ABS（采樣頻率的最近整數(shù)倍輸入頻率） 解決方案 在A/D前加入低通濾波器，將信

11、號中高于Nyquist頻率的信號成分濾去 稱為抗混疊濾波器,A/D基本定義多通道采樣,多通道采樣 同步采樣 采用多個A/D芯片，不同通道采用同一時鐘 保證不同通道的采樣時間相同（信號同步） 輪詢采樣 只采用一個A/D芯片，通過多路轉(zhuǎn)換開關實現(xiàn)不同通道的切換 通道轉(zhuǎn)換時間 可以通過外加采樣/保持電路保證采樣的同步 突發(fā)模式采樣 用通道時鐘控制通道間的時間間隔 用另一個掃描時鐘控制兩次掃描過程之間的間隔 BSSH,D/A基本定義,D/A：數(shù)字量模擬量轉(zhuǎn)換 將計算機內(nèi)部數(shù)字量信號轉(zhuǎn)成外部電壓 建立時間(Setting Time)：指變化量為滿刻度時，達到終值1/2LSB時所需的時間 更新頻率/采樣頻

12、率 (Max Data Update Rate) 精度(Resolution)：8bit 12bit 14bit 16bit 輸出范圍 輸出信號類型 電壓輸出 電流輸出(Source、Sink) ,數(shù)據(jù)采集卡的配置,通常情況下， LabVIEW安裝和配置DAQ板卡的主要步驟如圖8-12所示。,安裝和配置DAQ板卡的主要步驟,DAQ設備的安裝與配置,1) 安裝DAQ設備硬件 將PCI 數(shù)據(jù)采集卡插到計算機主板上一個空閑的PCI插槽中，接好各種附件，其驅(qū)動程序就是NI-DAQ。附件包括一條數(shù)據(jù)線和一個采集盒，采集盒直接與外部信號連接。 2) 安裝DAQ設備驅(qū)動及檢驗 安裝Measurement &

13、 Automation Explorer的軟件，簡稱MAX，該軟件用于管理和配置硬件設備。 若DAQ設備安裝成功，可在Measurement & Automation 瀏覽窗口看到DAQ設備硬件的型號， 如圖8-14所示。 ,圖8-14 Measurement & Automation瀏覽窗口,3) 配置DAQ設備 下面介紹如何用MAX配置PCI-6014數(shù)據(jù)采集卡。 （1） 運行MAX，在MAX窗口左側(cè)的設備管理樹的Devices and Interfaces選項中，選擇PCI-6014數(shù)據(jù)采集卡，如圖8-15所示。,圖8-15 選擇PCI-6014窗口,（2） 在PCI-6014數(shù)據(jù)采集卡

14、窗口選擇Properties.， 彈出PCI-6014數(shù)據(jù)采集卡的配置對話框，如圖8-16所示。 對話框主要有五部分： System， AI， AO， Accessory和OPC(Remote Access是遠程控制對話框， 這里不介紹)。 在這個對話框中可以完成對DAQ設備的配置。,圖8-16 Configuring Device對話框,（3） 設置DAQ設備在系統(tǒng)中的設備(Device)編號。 在Configuring Device對話框的System頁面中將Device屬性值設為1，如圖8-16所示。另外，該頁面會將DAQ設備在Windows中所占用的資源列出， 例如中斷號、 內(nèi)存范圍等

15、。 （4） 設置模擬輸入(AI)屬性。在Configuring Device對話框的AI頁面中，將Polarity屬性值設為10.0V+10.0V， 將Mode屬性值設為Differential(差分輸入)， 如圖8-17所示。,圖8-17 Configuring Device對話框的AI頁面,（5） 設置模擬輸出(AO)屬性。 在Configuring Device對話框的AO頁面中， 將Polarity屬性值設為Bipolar(雙極性)， 如圖8-18所示。,圖8-18 Configuring Device對話框的AO頁面,（6） 設置附件(Accessory)。 在Configuring

16、 Device對話框的Accessory頁面中，將Polarity屬性值設為所選用的采集盒型號， 如BNC-2120， 如圖8-19所示。,圖8-19 Configuring Device對話框的Accessory頁面,（7） 設置過程控制(OPC)。在Configuring Device對話框的OPC頁面中， 將Polarity屬性值設為Disabled，如圖8-20所示。,圖8-20 Configuring Device對話框的OPC頁面,在完成了上述屬性的設置之后， 單擊“確定”按鈕。 若屬性配制成功，數(shù)據(jù)采集卡正常工作，單擊Configuring Device對話框System頁面中的

17、“Test Resources”按鈕，系統(tǒng)就會彈出一個對話框，告知用戶DAQ設備通過了測試，如圖8-21所示。,圖8-21 Configuring Device對話框System頁面中的Test Resources頁面,圖8-22 Test Panel窗口,2. DAQ編程 DAQ的軟硬件安裝及配置之后，就可以進行DAQ編程。 LabVIEW是通過DAQ節(jié)點來控制DAQ設備完成數(shù)據(jù)采集的，所有的DAQ節(jié)點都包含在Functions模板All Functions子模板NI Measurements子模板Data Acquisition子模板中，如圖8-23所示。,圖8-23 Data Acqui

18、sition子模板,Labview軟件中的數(shù)據(jù)采集控件,PCI6014數(shù)據(jù)采集卡的功能,Labview中有關數(shù)據(jù)采集的控件,LabVIEW中的模擬輸入,模擬輸入控件,簡易數(shù)據(jù)采集控件,中層數(shù)據(jù)采集控件,高級控件,簡易AI控件,可設置的跟采集相關參數(shù)有：樣本個數(shù)、采樣率,中層AI控件,可設置的采集相關的 參數(shù)： 緩沖區(qū)大小、 掃描率、 樣本數(shù)、 讀取樣本數(shù) 可配置硬件相關的參數(shù),例：簡易控件完成的波形數(shù)據(jù)采集,連續(xù)模擬輸入,需要注意，程序讀取數(shù)據(jù)的速度要不慢于設備往緩沖區(qū)中存放數(shù)據(jù)的速度，這樣才能保證連續(xù)運行時，緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)不會溢出?？梢酝ㄟ^調(diào)節(jié)以下3個參數(shù)來達到上述要求： buffer si

19、ze（緩存的大小） scan rate（采樣速率） number of scans to read at a time（每次讀取的樣本數(shù)） 連續(xù)采集的程序模型為：,AI Config,AI Start,AI Read,Data Process,AI Clear,循 環(huán),連續(xù)模擬輸入程序?qū)嵗?模擬輸入的討論,對于一些復雜的采集任務，可以采用一些特殊的采集方式，例如采用外部時鐘采集、觸發(fā)采集等； 觸發(fā)采集種類很多，根據(jù)觸發(fā)信號類型可以分為數(shù)字信號觸發(fā)和模擬信號觸發(fā)；根據(jù)觸發(fā)形式可以分為邊沿觸發(fā)和窗口觸發(fā)；根據(jù)觸發(fā)功能可以分為啟動觸發(fā)、暫停觸發(fā)和參考觸發(fā)； 不是每個數(shù)據(jù)采集卡都具有這些特殊采樣功能的

20、，使用前要查看采集卡的使用手冊； 在模擬輸入采集系統(tǒng)中，實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集并不復雜，數(shù)據(jù)處理與分析才是難點。,LabVIEW中的模擬輸出,連續(xù)模擬輸出,有兩種形式的連續(xù)模擬輸出，第一種就是在模擬輸出之前，將數(shù)字信號寫入緩沖區(qū)中，然后設備連續(xù)不斷地將緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)通過DAC重復輸出。這種連續(xù)模出執(zhí)行效率很高，但是需要寫入的數(shù)字信號必須是整周期的，不然輸出模擬信號將會不連續(xù)，在使用上不夠靈活。,AO Config,AO Start,AO Write,AO Clear,循 環(huán),AO Write,Digital Signal,Nothing,連續(xù)模擬輸出,第二種方式就是在設備將緩沖區(qū)中數(shù)據(jù)輸出的同時，不斷地

21、將數(shù)字信號寫入緩沖區(qū)中，這種方式在編程上比較復雜，但是靈活性比較高，只要保證這一次寫入緩沖區(qū)的數(shù)字信號和上次是連續(xù)的就行，不需要每次寫入的信號是整周期的。,AO Config,AO Start,AO Write,AO Clear,循 環(huán),AO Write,Digital Signal,Digital Signal,長度為其1/2,LabVIEW中的數(shù)字I/O,一般情況下，數(shù)字I/O按照TTL邏輯電平設計，其邏輯低電平在0到0.7V之間，高電平在3.4到5.0V之間； 在硬件設備上，多路（Line）數(shù)字I/O組成一組后被稱為端口（Port）。一個端口由多少個數(shù)字通路組成是依據(jù)其設備而定的，在多數(shù)

22、情況下8個數(shù)字通路組成一個端口； 在LabVIEW中對數(shù)字I/O的操作非常簡單，可以對整個端口進行操作，也可以對端口中的一路或多路同時進行操作。,8.4.5 虛擬儀器設計舉例 例1 基于LabVIEW信號發(fā)生器的設計。 設計的信號發(fā)生器應具有系統(tǒng)控制，產(chǎn)生標準正弦波、 方波、三角波波形，數(shù)據(jù)存儲顯示以及輸出模擬信號等功能。 1） 計算機產(chǎn)生波形的流程框圖 在LabVIEW 7.0下， 計算機產(chǎn)生波形的流程框圖如圖8-27所示。,圖8-27 計算機產(chǎn)生波形流程框圖,2） 軟件設計 （1） 前面板的設計。 根據(jù)傳統(tǒng)信號發(fā)生器面板控鍵的功能，利用LabVIEW中的控制模板，分別在設計面板上放入模擬實

23、際信號發(fā)生器控鍵的數(shù)據(jù)輸入控鍵、顯示器、數(shù)據(jù)輸出控件、開關和選擇器。顯示器用于顯示輸出的信號波形；數(shù)據(jù)輸入控鍵用于輸出信號的信號頻率、采樣頻率、采樣數(shù)、振幅和相位；數(shù)據(jù)輸出控鍵則用于選擇信號類型。 設計的前面板如圖8-28所示。,圖8-28 虛擬信號發(fā)生器的前面板,（2） 流程圖的設計。 對于虛擬信號發(fā)生器而言，它的主要功能就是為我們提供激勵信號，所以在流程圖設計中，我們首先要選擇一個產(chǎn)生信號的圖標以及用于循環(huán)控制的While循環(huán)。 在流程圖設計窗口中打開Functions模塊，執(zhí)行All FunctionsAnalyzeSignal GenerationBasic Function Gene

24、rator.VI操作， 通過開關選擇信號類型。 執(zhí)行All FunctionsStructuresWhile Loop操作， 調(diào)入While循環(huán)。,圖8-29 虛擬信號發(fā)生器的程序框圖, 運行檢驗。 當完成了設計后，若流程圖設計窗口工具條中的箭頭圖標顯示為，就說明我們的流程圖設計是正確的， 接下來可以運行檢驗該程序了。 在前面板中，輸入所使用的板卡設備號和輸出信號所接的輸出通道號，把頻率和幅度調(diào)節(jié)到需要的刻度值，點擊窗口工具條中的箭頭圖標或在Operate選項中選擇Run運行程序。若將控件調(diào)至產(chǎn)生方波，則將在示波器中看到生成的波形。,Labview數(shù)據(jù)采集的擴展應用,對外接口與調(diào)用,NI采集卡,非NI采集卡,LabVIEW,其它環(huán)境， 如VC、VB,傳統(tǒng)DAQ或DAQmx驅(qū)動,創(chuàng)建DLL,調(diào)用DAQmx C API,調(diào)用DLL,二次封裝DLL,基于網(wǎng)絡的遠程數(shù)據(jù)采集,要實現(xiàn)遠程數(shù)據(jù)采集，可以通過網(wǎng)絡使多臺計算機（客戶機）共享一臺計算機（服務器）上的DAQ設備，這樣就不必在每