第6章虛擬儀器數(shù)據(jù)采集與信號處理PPT學習課件.ppt

1、第 6 章,虛擬儀器數(shù)據(jù)采集與信號處理,1,第6章 虛擬儀器數(shù)據(jù)采集與信號處理,教學重點 數(shù)據(jù)采集 信號產(chǎn)生 信號的時域分析 信號的頻域分析 數(shù)字濾波器 曲線擬合,2,6.1 數(shù)據(jù)采集,LabVIEW作為一種圖形化的虛擬儀器開發(fā)平臺，在數(shù)據(jù)采集，信號的產(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，信號發(fā)生、分析與處理函數(shù)。 虛擬儀器主要用于獲取真實物理世界的數(shù)據(jù)，也就是說，虛擬儀器必須要有數(shù)據(jù)采集的功能。從這個角度來說，數(shù)據(jù)采集就是虛擬儀器設計的核心，使用虛擬儀器必須要掌握如何進行數(shù)據(jù)采集。,3,6.1.1 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)常對模擬

2、量（如溫度、壓力、流量、速度、位移等）進行測量和控制。數(shù)據(jù)采集（Data Acquisition，DAQ），就是將被測對象的各種參量（物理量、化學量、生物量等）通過各種傳感器作適當轉(zhuǎn)換后，再經(jīng)信號調(diào)理、采樣、量化、編碼、傳輸?shù)炔襟E送到計算機進行數(shù)據(jù)處理或記錄的過程。 用于數(shù)據(jù)采集的成套設備稱為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（Data Acquisition System，DAS）。,4,數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的任務，就是通過傳感器從被測對象獲取有用信息，并將其輸出信號轉(zhuǎn)換為計算機能識別的數(shù)字信號，然后送入計算機進行相應的處理，得出所需的結(jié)果。同時，將計算機得到的數(shù)據(jù)結(jié)果進行顯示、存儲或打印，以便實現(xiàn)對某些物理量的監(jiān)視，其

3、中一部分數(shù)據(jù)還將被計算機控制系統(tǒng)用來進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，應具有盡可能高的采樣速度，以滿足實時采集、實時處理和實時控制對速度的要求。,5,現(xiàn)代數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)具有以下主要特點： 一般都含有計算機系統(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，一般都具有實時特性； 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的體積越來越?。?總線的應用越來越廣。,6,6.1.2 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、定時器、A/D轉(zhuǎn)換器及D/A轉(zhuǎn)換器）、計算機及外

4、設等部分組成。,7,傳感器 傳感器是指能感受規(guī)定的被測量信號并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號的器件或裝置。傳感器不但應該對被測量信號敏感，而且還應具有將被測量信號的響應傳送出去的功能。 信號調(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：外接電流或電壓激勵信號（例，熱電阻） （5）線性化：驅(qū)動軟件包,8,數(shù)據(jù)采集卡 一個典型的數(shù)據(jù)采集卡的功能有模擬輸入、模擬輸出、數(shù)字I/O、計數(shù)/定時器等，這些功能分別由相應的單元電路來實現(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)換器來實現(xiàn)。 （

5、2）模擬輸出：為系統(tǒng)提供輸出或控制信號（D/A）。 （3）數(shù)字I/O：通常用來控制過程、產(chǎn)生測試信號、與外設通信等。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)動能力等。 （4）計數(shù)/定時器：計數(shù)器包括3個重要信號：門限信號、計數(shù)信號、輸出。,9,6.1.3 數(shù)據(jù)采集卡的選用與配置,數(shù)據(jù)采集卡：在計算機控制下完成數(shù)據(jù)采集和控制任務的板卡。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，特點是使用方便，但速

6、度相對較慢。,10,USB總線數(shù)據(jù)采集卡,PCI總線接口數(shù)據(jù)采集卡,11,數(shù)據(jù)采集卡的選用,在挑選數(shù)據(jù)采集卡時，用戶主要考慮的是根據(jù)需求選取適當?shù)目偩€形式，適當?shù)牟蓸铀俾剩m當?shù)哪M輸入、模擬輸出，適當?shù)臄?shù)字量輸入、輸出接口等，達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)動程序及其軟件平臺。,12,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，面向廣大用戶設計出一系列高品質(zhì)的通用數(shù)據(jù)采集卡，如B

7、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PCI Express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，以及先進的PCIe通道帶寬。,13,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)采集卡安裝到計算機中并插在相應的總線插槽上，然后安裝相應的驅(qū)動程序。硬件驅(qū)動程序是應用軟件對硬件的編程接口，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)動程序可以大大簡化LabVIEW編程工作，提高開發(fā)效率，降低

8、開發(fā)成本。 NI公司的數(shù)據(jù)采集產(chǎn)品可以和NI LabVIEW以及NI-DAOmx測量驅(qū)動服務軟件無縫地結(jié)合，從而能提供更高的性能、更高的價值和更多的I/O。,14,6.1.4 基于LabVIEW的數(shù)據(jù)采集過程,15,6.1.5 基于LabVIEW的數(shù)據(jù)采集VI設計,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。 LabVIEW 2010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）DAQmx Create Virtual Channel.vi

9、：創(chuàng)建虛擬數(shù)據(jù)采集通道。 （2）DAQmx Timing.vi：為數(shù)據(jù)采集配置采集速率和創(chuàng)建緩沖器。 （3）DAQmx Trigger.vi：為數(shù)據(jù)采集任務配置觸發(fā)源，觸發(fā)數(shù)據(jù)采集。 （4）DAQmx Start Task.vi：開始數(shù)據(jù)采集或者產(chǎn)生即將輸出的數(shù)據(jù)。 （5）DAQmx Write.vi：向指定的虛擬通道或者任務寫入數(shù)據(jù)。 （6）DAQmx Read.vi：從指定的虛擬通道或者任務讀取數(shù)據(jù)。 （7）DAQmx Wait Until Done.vi：等待數(shù)據(jù)采集完成。 （8）DAQmx Stop Task.vi：停止數(shù)據(jù)采集或者停止產(chǎn)生數(shù)據(jù)的輸出。 （9）DAQmx Clear T

10、ask.vi：清除數(shù)據(jù)采集任務。 （10）DAQ助手：是用于配置通道、任務和換算的圖形化界面。,16,1. 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)采集卡實現(xiàn)單通道模擬電壓的數(shù)據(jù)采集。 在LabVIEW 2010中，完成任務配置并創(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)采集任務即可返回采集數(shù)據(jù)，并顯示測試結(jié)果。,17,2. 基于DAQmx函數(shù)的數(shù)據(jù)采集,（1）模擬信號的采集 例6.2 利用DAQmx函數(shù)和PCI-6251數(shù)據(jù)采集卡實現(xiàn)單通道有限數(shù)據(jù)點數(shù)據(jù)采集。,18,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)采集卡實現(xiàn)單通道連續(xù)

11、數(shù)據(jù)采集。,單通道連續(xù)數(shù)據(jù)采集VI的程序框圖,19,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)采集卡實現(xiàn)多通道循環(huán)數(shù)據(jù)采集。,前面板,20,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,21,（2）離散信號的采集,例6.5 利用DAQmx函數(shù)和PCI-6251數(shù)據(jù)采集卡實現(xiàn)事件計數(shù)。,事件計數(shù)VI的前面板和程序框圖,22,6.2 信號產(chǎn)生,信號產(chǎn)生是儀器系統(tǒng)的重要組成部分，要評價任意一個網(wǎng)絡或系統(tǒng)的特性，必須外加一定的測試信號，其性能方能顯示出來。最常用的測試信號有正弦波、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Lab

12、VIEW中用信號發(fā)生器產(chǎn)生了一個信號實際上相當于通過軟件實現(xiàn)了一個信號發(fā)生器的功能。在LabVIEW中利用信號發(fā)生器產(chǎn)生的信號可以進行測試系統(tǒng)模型的分析或進行信號處理方法的研究，也可以將仿真信號通過D/A轉(zhuǎn)換硬件輸出，驅(qū)動實際執(zhí)行單元動作。,23,6.2.1數(shù)字信號的產(chǎn)生與數(shù)字化頻率的概念,正弦波信號： 為采樣間隔， 為信號周期，設一個周期內(nèi)的采樣點數(shù)為 n ，則 采樣頻率： 信號頻率： 設 ,將2 弧度用360表示，并省略 ，則得 數(shù)字化頻率 f = 模擬頻率/采樣頻率,24,6.2.2 信號生成,信號生成子選板,25,1. 正弦波生成,Sine Wave.vi,正弦波函數(shù)的等效數(shù)學運算式如

13、下： Sine Wavei=amplitudesin（360fi+ phase0）,26,Sine Wave .vi應用舉例,例6.6 利用Sine Wave.vi產(chǎn)生正弦波,前面板,程序框圖,27,2. 均勻白噪聲的生成,例6.7 利用Unifom White Noise.vi產(chǎn)生均勻分布的白噪聲。,前面板,程序框圖,28,3. 函數(shù)發(fā)生器,例6.8 創(chuàng)建一個可以產(chǎn)生正弦波、三角波、方波和鋸齒波的函數(shù)發(fā)生器。,29,6.2.3 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，而且包含時間參數(shù)，這種數(shù)據(jù)類型在LabVIEW中稱為波形數(shù)據(jù),30,波形生成函數(shù)的應用舉例

14、,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,31,多頻信號的產(chǎn)生與應用,多頻信號是指一個離散頻率的正弦波集合，其模擬信號數(shù)學表達式為：,式中，Ai：第i個正弦波的幅值 i：基頻角頻率 hi：第i個正弦波的角頻倍數(shù) i：第i個正弦波的初相角,32,例6.10 多頻信號發(fā)生器,前面板,程序框圖,33,例6.11 信號合成,信號合成的前面板和程序框圖,34,6.3 信號的時域分析,時域分析是指在時間域內(nèi)研究系統(tǒng)在一定輸入信號的作用下，其輸出信號隨時間的變化情況。 由于時域分析是直接在時間域中對系統(tǒng)進行分析的方法，所以時域分析具有直觀和準確的優(yōu)點。,35,6.3.1 卷積運算,卷積

15、是電路分析的一個重要概念。它可以求線性系統(tǒng)對任何激勵信號的零狀態(tài)響應。卷積的物理概念及運算在測試信號處理中占有重要地位。（反卷積） 對離散時間信號的卷積稱為卷積和，定義為,Convolution.vi,(1) Direct (2) Frequency domain,36,例6.12 求卷積運算,卷積運算的前面板和程序框圖,37,6.3.2 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)來描述兩個信號間的相互關(guān)系或其相似程度，還可以用來描述同一信號的現(xiàn)在值與過去值的關(guān)系，或者根據(jù)過去值、現(xiàn)在值來估計未來值。 相關(guān)函數(shù)的性質(zhì)使它在工程應用中具有重要價值，尤其是互相關(guān)

16、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)的應用舉例：地下輸油管漏損位置的探測,38,LabVIEW中的相關(guān)分析函數(shù),Auto Correlation.vi,Cross Correlation.vi,相關(guān)函數(shù)定義為,Direct Frequency domain,39,例6.13 互相關(guān)運算,前面板,程序框圖,同頻相關(guān),40,不同頻不相關(guān),41,6.3.3 微積分運算,在工程應用領域，經(jīng)常要對整個過程進行測量和控制，往往涉及到信號的采集，而采樣獲得是離散的數(shù)據(jù)，若要考慮整個過程的動態(tài)情況或者獲得多個參數(shù)，就要用到數(shù)值積分和數(shù)值微分運算。 應用舉例：,

17、車速傳感器,制動踏板力傳感器,信號 調(diào)理 電路,信號 采集 模塊,計 算 機,42,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)點的 的 Lagrange插值多項式 為 其中， 為插值基函數(shù)，即 則 ，且 只依賴于求積節(jié)點和積分區(qū)間，而與求積函數(shù) 無關(guān)。,43,數(shù)值微分，即求函數(shù) 的導數(shù)逼近，主要采用基于Taylor 級數(shù)、Lagrange多項式插值和三次樣條差值的求導公式。 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、Simpson 3/8法則、Bode法則。如采用Simps

18、on法則，求解公式為： 求導函數(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，,44,例6.14 對方波信號進行微積分運算,前面板,45,對方波信號進行微積分運算,程序框圖,46,6.4 信號的頻域分析,信號的頻譜代表了信號在不同頻率分量處信號成分的大小，它能夠提供比時域信號波形更直觀、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。,47,6.4.1 快速傅立葉變換（FFT）,傅里葉變換是信號處理與數(shù)據(jù)處理中一個重要分析工具，其意義在于將時域與頻域信號聯(lián)系起來，通過頻域分析將復雜的信號分解為各個單一的頻

19、率成分。 討論問題： （1）FFT點數(shù) （2）頻域分辨率： （3）單邊FFT和雙邊FFT（頻率減半，幅度加倍）,FFT.vi,48,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數(shù)的關(guān)系,49,例6.16 單邊傅里葉變換,前面板,程序框圖,50,6.4.2 頻譜分析,頻譜分析是指把時間域的各種動態(tài)信號通過傅里葉變換轉(zhuǎn)換到頻率域進行分析。 頻譜分析中應注意的問題 （產(chǎn)生的原因和避免的方法） （1）頻譜混疊 （2）泄漏效應和柵欄效應,51,頻譜分析,前面板,程序框圖,例6.17 使用Amplitude and Phase Spectrum.vi進行頻譜分析,52,功率譜,

20、例6.18 使用Auto Power Spectrum.vi進行自功率譜分析,前面板,程序框圖,53,6.4.3 頻率響應分析,頻率響應表述了一個測試系統(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。,54,例6.19 求頻率響應的幅頻特性與相頻特性,前面板,程序框圖,55,6.4.4 諧波分析,諧波和基波是一個相對的概念，它是一個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數(shù),畸變波形因諧波引起的

21、偏離正弦波形的程度用總諧波畸變量THD（Total Harmonic Distortion）表示,56,例6.20 諧波分析,前面板,程序框圖,57,6.5 數(shù)字濾波器,數(shù)字濾波器即是以數(shù)值計算的方法來實現(xiàn)對離散化信號的處理，以減少干擾信號在有用信號中所占的比例，從而改變信號的質(zhì)量，達到濾波或加工信號的目的。 數(shù)字濾波器分為 無限沖激響應濾波器IIR 有限沖激響應濾波器FIR 特點：精度高、穩(wěn)定性好、靈活性強、處理功 能強,58,調(diào)用數(shù)字濾波器子程序應注意的問題,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類型。 截止頻率確定:對低通 只需確定上截止頻率，高通濾波器只需確定下截止頻率，對帶通及帶阻濾波器應確定上、下限截止頻率。 采樣頻率設定 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,59,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,60,數(shù)字濾波器應用舉例,例6.21 使用巴特沃斯濾波器提