数据采集解析学习教案.pptx

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1、数据采集数据采集(cij)解析解析第一页，共44页。学习(xux)目标 1 1 信号和信号采集的基本概念信号和信号采集的基本概念2 DAQ VI2 DAQ VI的组织结构的组织结构3 3 使用使用DAQ Assistant,I/ODAQ Assistant,I/O和数字和数字(shz)(shz)I/O I/O的基本内容的基本内容第1页/共44页第二页，共44页。8.1 概述(i sh)LabVIEW LabVIEW的数据采集（的数据采集（Data AcquisitionData Acquisition）程）程序库包括了许多序库包括了许多NINI公司公司(n s)(n s)数据采集数据采集（DA

2、QDAQ）卡的驱动控制程序。通常，一块卡可以）卡的驱动控制程序。通常，一块卡可以完成多种功能完成多种功能-模模/数转换，数数转换，数/模转换，数字量模转换，数字量输入输入/输出，以及计数器输出，以及计数器/定时器操作等。用户在定时器操作等。用户在使用之前必须对使用之前必须对DAQDAQ卡的硬件进行配置。这些控卡的硬件进行配置。这些控制程序用到了许多低层的制程序用到了许多低层的DAQDAQ驱动程序。驱动程序。第2页/共44页第三页，共44页。DAQ DAQ系统的基本任务是物理信号的产生或测系统的基本任务是物理信号的产生或测量。但是要使计算机系统能够测量物理信号，量。但是要使计算机系统能够测量物理

3、信号，必须必须(bx)(bx)要使用传感器把物理信号转换成电信要使用传感器把物理信号转换成电信号（电压或者电流信号）。有时不能把被测信号（电压或者电流信号）。有时不能把被测信号直接连接到号直接连接到DAQDAQ卡，而必须卡，而必须(bx)(bx)使用信号调使用信号调理辅助电路，先将信号进行一定的处理。总之，理辅助电路，先将信号进行一定的处理。总之，数据采集是借助软件来控制整个数据采集是借助软件来控制整个DAQDAQ系统系统 包包括采集原始数据、分析数据、给出结果等。括采集原始数据、分析数据、给出结果等。第3页/共44页第四页，共44页。第4页/共44页第五页，共44页。数据采集(cij)系统的

4、构成第5页/共44页第六页，共44页。缓冲缓冲(hunchng):(hunchng):缓冲缓冲(hunchng)(hunchng)指的是指的是PCPC内存的一个区域（不内存的一个区域（不是数据采集卡上的是数据采集卡上的FIFOFIFO缓冲缓冲(hunchng)(hunchng)），它用来临时存），它用来临时存放数据下列情况需要使用放数据下列情况需要使用Buffer I/OBuffer I/O：需要采集或产生许多样本，其速率超过了实际显示、存储到硬件，需要采集或产生许多样本，其速率超过了实际显示、存储到硬件，或实时分析的速度。或实时分析的速度。需要连续采集或产生需要连续采集或产生ACAC数据（数

5、据（1010样本秒），并且要同时分析或样本秒），并且要同时分析或显示某些数据。显示某些数据。采样周期必须准确、均匀地通过数据样本。采样周期必须准确、均匀地通过数据样本。下列情况可以不使用下列情况可以不使用Buffer I/OBuffer I/O：数据组短小，例如每秒只从两个通道之一采集一个数据点。数据组短小，例如每秒只从两个通道之一采集一个数据点。需要缩减存储器的开支。需要缩减存储器的开支。第6页/共44页第七页，共44页。触发:触发涉及初始化、终止或同步采集事件的任何方法。触发器通常是一个(y)数字或模拟信号，其状态可确定动作的发生,下列情况使用软件触发：用户需要对所有采集操作有明确的控制，

6、并且事件定时不需要非常准确。下列情况使用硬件触发：采集事件定时需要非常准确。用户需要削减软件开支。采集事件需要与外部装置同步。第7页/共44页第八页，共44页。第8页/共44页第九页，共44页。第9页/共44页第十页，共44页。第10页/共44页第十一页，共44页。第11页/共44页第十二页，共44页。模拟信号输入需考虑(kol)的因素:当采用DAQ卡测量模拟信号时，必须考虑(kol)下列因素：输入模式（单端输入或者差分输入）分辨率输入范围采样速率精度噪声第12页/共44页第十三页，共44页。模入信号的连接模入信号的连接(linji)方式方式接地信号接地信号(xnho):如信号如信号(xnho

7、)发生发生器和电源。器和电源。浮动信号浮动信号(xnho):电池、热电偶、变压电池、热电偶、变压器和隔离放大器。器和隔离放大器。第13页/共44页第十四页，共44页。测量系统(xtng)的分类1.1.Differential:2.2.RSE:参考(cnko)地单端 3.3.NRSE:无参考(cnko)地单端第14页/共44页第十五页，共44页。微分测量微分测量(cling)系系统统第15页/共44页第十六页，共44页。参考(cnko)地单端测量系统(RSE)第16页/共44页第十七页，共44页。无参考地单端测量(cling)系统(NRSE)第17页/共44页第十八页，共44页。选择(xunz)

8、合适的测量系统 两种信号源和三种(sn zhn)测量系统一共可以组成六种连接方式：接地信号浮动信号DEF*RSE*NRSE*不带*号的方式不推荐使用。一般说来，浮动信号和差动连接方式可能(knng)较好。但实际测量时还要看情况而定。第18页/共44页第十九页，共44页。第19页/共44页第二十页，共44页。第20页/共44页第二十一页，共44页。微弱信号都要进行放大以提高分辨率和降低噪声，使调理微弱信号都要进行放大以提高分辨率和降低噪声，使调理后信号的电压范围后信号的电压范围(fnwi)(fnwi)和和A/DA/D的电压范围的电压范围(fnwi)(fnwi)相匹配。相匹配。信号调理模块应尽可能

9、靠近信号源或传感器，使得信号在受信号调理模块应尽可能靠近信号源或传感器，使得信号在受到传输信号的环境噪声影响之前已被放大，使信噪比得到改到传输信号的环境噪声影响之前已被放大，使信噪比得到改善。善。1.放大放大(fngd)第21页/共44页第二十二页，共44页。2.隔离隔离(gl)隔离是指使用变压器、光或电容耦合等方法在被测系统和测试系统之间传递信号，避免直接的电连接。使用隔离的原因由两个：一是从安全的角度考虑；另一个原因是隔离可使从数据采集卡读出来的数据不受地电位和输入模式的影响。如果数据采集卡的地与信号地之间有电位差，而又不进行隔离，那么就有可能(knng)形成接地回路，引起误差。第22页/

10、共44页第二十三页，共44页。滤波(lb)的目的是从所测量的信号中除去不需要的成分。大多数信号调理模块有低通滤波(lb)器，用来滤除噪声。通常还需要抗混叠滤波(lb)器，滤除信号中感兴趣的最高频率以上的所有频率的信号。某些高性能的数据采集卡自身带有抗混叠滤波(lb)器。3.滤波滤波(lb)第23页/共44页第二十四页，共44页。4.激励激励(jl)信号调理也能够为某些传感器提供所需的激励信号，比如应变传感器、热敏电阻等需要外界电源(dinyun)或电流激励信号。很多信号调理模块都提供电流源和电压源以便给传感器提供激励。第24页/共44页第二十五页，共44页。许多传感器对被测量的响应是非线性的，

11、因而需要对其输出信号(xnho)进行线性化，以补偿传感器带来的误差。但目前的趋势是，数据采集系统可以利用软件来解决这一问题。5.线性化线性化第25页/共44页第二十六页，共44页。6.数字信号调理数字信号调理(tio l)即使传感器直接输出数字信号，有时也有进行调理的必要。其作用是将传感器输出的数字信号进行必要的整形或电平调整。大多数数字信号调理模块还提供其他一些电路模块，使得用户可以通过数据采集卡的数字I/O直接控制电磁阀、电灯(dindng)、电动机等外部设备。第26页/共44页第二十七页，共44页。数据数据(shj)采集采集(DAQ)卡卡数据采集卡的功能数据采集卡的功能 一个典型的数据采

12、集卡的功能有模拟输入、模拟输一个典型的数据采集卡的功能有模拟输入、模拟输出、数字出、数字I/OI/O、计数器、计数器/计时器等，这些功能分别由相计时器等，这些功能分别由相应的电路来实现。应的电路来实现。模拟输入是采集最基本的功能。它一般由多路开关模拟输入是采集最基本的功能。它一般由多路开关（MUXMUX）、放大器、采样保持电路以及）、放大器、采样保持电路以及A/DA/D来实现，来实现，通过这些部分通过这些部分(b fen)(b fen)，一个模拟信号就可以转化为数，一个模拟信号就可以转化为数字信号。字信号。A/DA/D的性能和参数直接影响着模拟输入的质量，的性能和参数直接影响着模拟输入的质量，

13、要根据实际需要的精度来选择合适的要根据实际需要的精度来选择合适的A/DA/D。第27页/共44页第二十八页，共44页。模拟输出通常是为采集系统提供激励。输出信号受数模转换器（D/A）的建立时间、转换率、分辨率等因素影响(yngxing)。建立时间和转换率决定了输出信号幅值改变的快慢。建立时间短、转换率高的D/A可以提供一个较高频率的信号。数字I/O通常用来控制过程、产生测试信号、与外设通信等。它的重要参数包括：数字口路数（line）、接收(发送)率、驱动能力等。计数器包括三个重要信号：门限信号、计数信号、输出。第28页/共44页第二十九页，共44页。2.分辨率、输入范围、增益、采样(ci yn

14、)速率、精度和噪声分辨率（分辨率（Resolution）分辨率就是用来进行模数转分辨率就是用来进行模数转换的位数，换的位数，A/D的位数越多，分辨的位数越多，分辨率就越高，可区分率就越高，可区分(qfn)的最小电的最小电压就越小。分辨率要足够高，数字压就越小。分辨率要足够高，数字化信号才能有足够的电压分辨能力，化信号才能有足够的电压分辨能力，才能比较好的恢复原始信号。目前才能比较好的恢复原始信号。目前分辨率为分辨率为8的采集卡属于较低的，的采集卡属于较低的，12位属中档，位的卡就比较高位属中档，位的卡就比较高了。他们可以分别将模入电压量化了。他们可以分别将模入电压量化为为256、4096、65

15、536份。份。第29页/共44页第三十页，共44页。输入范围输入范围(Range)(区间区间):输入范围由输入范围由A/D能数字化的能数字化的模拟信号的最高和最低的电压决定。模拟信号的最高和最低的电压决定。一般情况下，采集卡的电压范围是一般情况下，采集卡的电压范围是可调的，所以可选择和信号电压变可调的，所以可选择和信号电压变化范围相匹配的电压范围以充分利化范围相匹配的电压范围以充分利用分辨率范围，得到更高的精度。用分辨率范围，得到更高的精度。比如，对于一个比如，对于一个3位的位的A/D，在选择，在选择0-10V范围时，它将范围时，它将10V八等分；如八等分；如果选择范围为果选择范围为-10V到

16、到+10V，同一个，同一个A/D就得将就得将20V分为分为8等分，能分辨等分，能分辨的最小电压就从的最小电压就从1.25V上升到上升到2.50V，这样，这样(zhyng)信号复原的效果信号复原的效果就更差了。就更差了。第30页/共44页第三十一页，共44页。增益（增益（Gain）增益主要用于在信号数字化增益主要用于在信号数字化之前对衰减的信号进行放大。使用之前对衰减的信号进行放大。使用增益，可以等效地降低增益，可以等效地降低A/D的输入的输入范围，使它能尽量将信号分为更多范围，使它能尽量将信号分为更多的等份，基本达到满量程，这样可的等份，基本达到满量程，这样可以更好地复原信号。因为对同样的以更

17、好地复原信号。因为对同样的电压输入范围，大信号的量化误差电压输入范围，大信号的量化误差小，而小信号时量化误差大。当输小，而小信号时量化误差大。当输入信号不接近入信号不接近(jijn)满量程时，满量程时，量化误差会相对加大。如：输入只量化误差会相对加大。如：输入只为满量程的为满量程的110时，量化误差相时，量化误差相应扩大应扩大10倍。一般使用时，要通过倍。一般使用时，要通过选择合适的增益，使得输入信号动选择合适的增益，使得输入信号动态范围与态范围与A/D的电压范围相适应。的电压范围相适应。当信号的最大电压加上增益后超过当信号的最大电压加上增益后超过了板卡的最大电压，超出部分将被了板卡的最大电压

18、，超出部分将被截断而读出错误的数据。截断而读出错误的数据。第31页/共44页第三十二页，共44页。输入范围，分辩率以及增益决定了输入信号可识别的最小模拟变化量。此最小模拟变化量对应(duyng)于数字量的最小位上的0，1变化，通常叫做转换宽度（Code width）。其算式为：输入范围/（增益*2分辩率）。P240 第32页/共44页第三十三页，共44页。采样率采样率 采样率决定了模采样率决定了模/数变换数变换的速率。采样率高，则在一定时的速率。采样率高，则在一定时间内采样点就多，对信号的数字间内采样点就多，对信号的数字表达就越精确表达就越精确(jngqu)。采样。采样率必须保证一定的数值，如

19、果太率必须保证一定的数值，如果太低，则精确低，则精确(jngqu)度就很差。度就很差。下面的图表示了采样率对精度的下面的图表示了采样率对精度的影响。影响。第33页/共44页第三十四页，共44页。采样频率(pnl)足够 采样(ci yn)频率不够引起波形畸变 根据耐奎斯特采样理论，采样频率必须是信号最高频率的两倍。例如(lr)，音频信号的频率一般达到20KHz，因此其采样频率一般需要40KHz。第34页/共44页第三十五页，共44页。混叠混叠 混叠的例子混叠的例子:假设采样频率假设采样频率(pnl)fs 是是100HZ,，信号中含有，信号中含有25、70、160、和、和 510 Hz的成分。的成

20、分。第35页/共44页第三十六页，共44页。采样的结果将会是低于奈奎斯特频率（fs/2=50 Hz）的信号可以被正确采样。而频率高于50HZ的信号成分(chng fn)采样时会发生畸变。分别产生了30、40和10 Hz的畸变频率F2、F3和F4。计算混频偏差的公式是：混频偏差ABS（采样频率的最近整数倍输入频率）其中ABS表示“绝对值”，例如：混频偏差 F2=|100 70|=30 Hz 混频偏差 F3=|(2)100 160|=40 Hz 混频偏差 F4=|(5)100 510|=10 Hz第36页/共44页第三十七页，共44页。为了避免这种情况的发生，通常在信号被采集（A/D）之前，经过一

21、个低通滤波器，将信号中高于奈奎斯特频率的信号成分滤去。在例上中，这个滤波器的截止频率自然是25HZ。这个滤波器称为抗混叠滤波器.采样(ci yn)频率应当怎样设置呢？可能会首先考虑用采集卡支持的最大频率。但是，较长时间使用很高的采样(ci yn)率可能会导致没有足够的内存或者硬盘存储数据太慢。理论上设置采样(ci yn)频率为被采集信号最高频率成分的倍就够了，实际上工程中选用倍，有时为了较好地还原波形，甚至更高一些。第37页/共44页第三十八页，共44页。.数据采集卡的软件配置 一般说来，数据采集卡都有自己的驱动程序，该程序控制采集卡的硬件操作，当然这个驱动程序是由采集卡的供应商提供，用户一般

22、无须通过低层就能与采集卡硬件打交道。NI公司还提供了一个数据采集卡的配置工具软件Measurement&Automation Explorer,它可以配置NI公司的软件和硬件，比如执行系统测试和诊断、增加新通道和虚拟通道、设置(shzh)测量系统的方式、察看所连接的设备等。第38页/共44页第三十九页，共44页。DAQ VI的组织(zzh)结构 LabVIEW LabVIEW的的DAQDAQ程序包括模拟输入、模拟输出、计数器操作、数字输入、输出等。可以在框程序包括模拟输入、模拟输出、计数器操作、数字输入、输出等。可以在框图程序窗口下选择图程序窗口下选择(xunz)Data Acquisitio

23、n(xunz)Data Acquisition。再在此子模板下，可以看到。再在此子模板下，可以看到6 6个子模板：个子模板：Analog Analog Input,Analog Output,Digital I/O,Counter,Calibration and ConfigurationInput,Analog Output,Digital I/O,Counter,Calibration and Configuration和和Signal ConditioningSignal Conditioning。在上述在上述6 6个子模板下，每个子模板又分成个子模板下，每个子模板又分成Easy I/O

24、 Vis,Intermediate Vis,Utility VisEasy I/O Vis,Intermediate Vis,Utility Vis和和Advanced Advanced VisVis。举例举例:AI Sample Channel.VI:AI Sample Channel.VI第39页/共44页第四十页，共44页。简易模入VIs中级模入VIs高级模入VIs通用模入VIs第40页/共44页第四十一页，共44页。AI Sample Channel AI Sample Channel程序测量指定程序测量指定(zhdng)(zhdng)通道上信通道上信号的一个采样点，并返回测量值。号的

25、一个采样点，并返回测量值。DeviceDevice是是DAQDAQ卡的设卡的设备编号，备编号，ChannelChannel是描述模拟输入通道号的字符串，是描述模拟输入通道号的字符串，High High LimitLimit和和Low LimitLow Limit指明输入信号的范围，缺省值为指明输入信号的范围，缺省值为+10V+10V和和-10V10V。第41页/共44页第四十二页，共44页。AO Update Channel AO Update Channel程序把一个给定程序把一个给定(i(i dn)dn)电压值在一个模拟输出通道上输出。电压值在一个模拟输出通道上输出。DeviceDevice是是DAQDAQ卡的设备编号，卡的设备编号，ChannelChannel是输出通道号字符是输出通道号字符串串valuevalue是输出的电压值。是输出的电压值。第42页/共44页第四十三页，共44页。实验实验(shyn)练习练习数据采集数据采集VIVI程序的调用方法程序的调用方法 模拟输入与输出模拟输入与输出 波形的采集与产生波形的采集与产生扫描多个扫描多个(du)(du)模拟输入通道模拟输入通道 连续数据采集连续数据采集 第43页/共44页第四十四页，共44页。