4第4章虚拟仪器数据采集与信号处理1497.pptx
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1、第第 4 4 章章虚拟仪器数据采集与虚拟仪器数据采集与信号处理信号处理第4章 虚拟仪器数据采集与信号处理n教学重点n数据采集数据采集n信号产生信号产生n信号的时域分析信号的时域分析n信号的频域分析信号的频域分析n数字滤波器数字滤波器n曲线拟合曲线拟合4.1 数据采集n组组建建一一个个基基于于LabVIEW的的虚虚拟拟仪仪器器系系统统,传传感感器器、信信号号调调理理和和数数据据采采集集模模块块是是最最基基本本的的硬硬件件。其其中中,传传感感器器是是将将被被测测试试的的物物理理量量转转换换为为电电量量的的基基本本环环节节,数数据据采采集集则则将将模模拟拟信信号号转转换换成成数数据据信信号号供供计计
2、算算机机进进行行分分析析处处理理,信信号号调调理理是是两两者者之之间间的的桥桥梁梁,负负责责将将传传感感器器的的输输出出信信号号和和数数据据采采集集模模块块可可以以接接受受的的信信号号类型联系起来。类型联系起来。4.1.1 数据采集系统结构n数数据据采采集集(Data Data AcquisitionAcquisition,DAQDAQ),就就是是将将被被测测对对象象的的各各种种参参量量(物物理理量量、化化学学量量、生生物物量量等等)通通过过各各种种传传感感器器作作适适当当转转换换后后,再再经经信信号号调调理理、采采样样、量量化化、编编码码、传传输输等等步步骤骤送送到到控控制制器器进进行行数数
3、据据处处理理或记录的过程。或记录的过程。n一一个个典典型型的的数数据据采采集集卡卡的的功功能能有有模模拟拟输输入入、模模拟拟输输出出、数数字字I/O、计计数数器器/计计时时器器等等,这这些些功功能能分分别别由由相应的电路来实现。相应的电路来实现。数据采集卡模拟输入模拟输入/输出输出数字输入数字输入/输出输出时钟输入时钟输入/输出输出OnOff1-0ADCcntr/timerdigitalDAQ Board选用数据采集卡的基本原则(1)数据分辨率和精度)数据分辨率和精度(2)最高采样速度)最高采样速度(3)通道数)通道数(4)数据总线接口类型)数据总线接口类型(5)是否有隔离)是否有隔离(6)支
4、持的软件驱动程序及其软件平台)支持的软件驱动程序及其软件平台采集卡类型NINI的数据采集卡的数据采集卡PCIPCI总线的通用数据采集卡总线的通用数据采集卡4.1.2 LabVIEW中的数据采集VI及应用n数据采集系统结构数据采集系统结构基于NI的USB-6009数据采集卡的数据采集USB-6009的主要特性:n8 8模拟输入通道(模拟输入通道(14位、位、48KS/s采样速度采样速度)n2 2路路1414位模拟输出通道位模拟输出通道n1212个个I/OI/O通道通道n1 1个个3232位计数器位计数器/定时器定时器USB-6009的外型NI USB-6009的接线端子分配模拟输入:模拟输入:A
5、I0AI7模拟输出:模拟输出:AO0,AO1数字数字I/O:P0.0P0.7,P1.0P1.3定时定时/计数器:计数器:PFI0NI数据采集卡的应用例例4.1 利利用用USB-6009数数据据采采集集卡卡实实现现单单通通道道数据采集数据采集n分分析析:利利用用LabVIEW8.5 LabVIEW8.5 的的DAQmx-Data DAQmx-Data AcquisitionAcquisition子子选选板板中中的的数数据据采采集集函函数数构构建建一一个个单单通通道道的的数数据据采采集系统。集系统。n硬件硬件-选用选用NI USB-6009NI USB-6009采集卡采集卡n软软件件-选选用用DA
6、Qmx-Data DAQmx-Data AcquisitionAcquisition子子选选板板中中的的数数据据采采集集函数实现函数实现单通道数据采集VI设计前面板前面板程序框图程序框图构建多通道数据采集例例4.2 多通道数据采集多通道数据采集分分 析析:利利 用用 LabVIEW8.5 LabVIEW8.5 的的 DAQmx-Data DAQmx-Data AcquisitionAcquisition子子选选板板中中的的数数据据采采集集函函数数构构建建一一个多通道的数据采集系统。个多通道的数据采集系统。n硬件硬件-选用选用NI USB-6009NI USB-6009采集卡采集卡n软软件件-选
7、选用用DAQmx-Data DAQmx-Data AcquisitionAcquisition子子选选板板中中的的数数据采集函数实现据采集函数实现图74 多参量多通道PCDAQ/PCI虚拟仪器测量系统多通道数据采集系统的前面板多通道数据采集系统的程序框图n1 模拟信号输入部分n 模模拟拟输输入入通通道道数数。该该参参数数表表明明数数据据采采集集卡卡所能够采集的最多的信号路数。所能够采集的最多的信号路数。n 信信号号的的输输入入方方式式。一一般般待待采采集集信信号号的的输输入入方式有:方式有:nl l 单端输入:即信号的其中一个端子接地。单端输入:即信号的其中一个端子接地。nl l 差动输入:即
8、信号两端均浮地。差动输入:即信号两端均浮地。nl l 单单极极性性:信信号号幅幅值值范范围围为为0,A,A为为信信号号最大幅值。最大幅值。nl l 双极性:信号幅值范围为双极性:信号幅值范围为A,A。n 一一般般的的数数据据采采集集卡卡都都设设有有信信号号输输入入方方式式的选择设置,设计者可根据实际需要进行选择。的选择设置,设计者可根据实际需要进行选择。n 模模拟拟信信号号的的输输入入范范围围(量量程程)一一般般根根据据信信号号输输入入特特性性的的不不同同(单单极极性性输输入入还还是是双双极极性性输输入入)有有不不同同的的输输入入范范围围。如如对对单单极极性性输输入入,典典型型值值为为010
9、V,对对双双极极性性输输入入,典典型型值值为为 5 V5 V。n 放大器增益。放大器增益。n 模模拟拟输输入入阻阻抗抗。采采集集卡卡固固有有参参数数,一一般不由用户设置。般不由用户设置。到此4.1.3 NI-DAQmx 数据采集简介数据采集简介nNI-DAQmx是是LabVIEW 7.0以以来来新新增增的的DAQ软软件件。它它包包括括支支持持200多多种种NI数数据据采采集集设设备备的的驱驱动动,并提供相应的并提供相应的VI函数。函数。n此此外外它它还还包包括括Measurement&Automation Explorer(MAX)、数数 据据 采采 集集 助助 理理(DAQ Assistan
10、t)以以及及VI Logger数数据据记记录录软软件件。通通过过这这些些工工具具并并结结合合LabVIEW可可以以节节省省大大量量的的系系统统配配置、开发和记录数据的时间。置、开发和记录数据的时间。NI-DAQmxn1.Measurement&Automation Explorer(MAX)测量与自动化软件n快速检测及配置所有硬件n通过测试面板验证硬件的运作状况n实施简便、交互式的测量n给/通道命名n举例:通过MAX配置串口属性 2.DAQ助 手DAQ Assistant DAQ助手提供了一个对话框式的向导用于测量任务的配置、测试和自动代码生成。配合Express VI,通过DAQ Assis
11、tant可以在数分钟内搭建一个专业的数据获取系统。n数据采集模板数据采集模板DAQmxDAQmx数据采集模板数据采集模板(1)模拟输入通道参数设置1)被测量选取3 数据输入输出设置数据输入输出设置2)测量通道选择(2)模拟输出通道参数设置1)被测量选择2)测量通道选择3)命名4)测量通道设置好的示意图5)自行测试演示n(3)外部信号输入的设置)外部信号输入的设置n自我测试结果自我测试结果外部加入到ai11端子的电压3.45v(4)外部信号输入的子函数调用读出外部信号输入的子函数调用测试结果外部信号输入的子函数调用测试结果(5)外部信号-输入端读出写给输出端读出读出写入模式设置写入模式设置运行运
12、行4.1.4 通用数据采集卡的LabVIEW控制实现1数据采集卡驱动程序的开发方式数据采集卡驱动程序的开发方式 直接端口读写方式(直接端口读写方式(I/O方式)方式)调用调用C语言源代码的方式(语言源代码的方式(CIN方式)方式)调用动态连接库的方式(调用动态连接库的方式(CLF方式)方式)(1)直接端口读写方式(I/O方式)I/O I/O端口子选板端口子选板 In Port.vi Out Port.vi(2)调用C语言源代码的方式nLabVIEW8.2LabVIEW8.2函函数数选选板板的的【互互连连接接口口】【库库可可 执执 行行 程程 序序】子子 选选 板板 中中 有有 一一 个个 Co
13、de Code Interface Interface NodeNode节节点点,用用来来在在LabVIEWLabVIEW程程序序框框图图中中直直接接调调用用其其他他编编程程语语言言(如如VCVC)写写的的代代码码。这这样样就就可可以以通通过过使使用用CINCIN图图标标来来调调用用由由C C语语言言编编写写的的采采集集卡卡驱驱动动程程序序方方法法实实现现虚虚拟拟仪仪器的数据采集。器的数据采集。(3)调用动态连接库的方式n动动态态链链接接库库通通常常由由数数据据采采集集卡卡生生产产厂厂商商提提供供,通通过过LabVIEW的的Call Library Function Node来调用。来调用。2
14、数据采集卡驱动程序设计举例数据采集卡驱动程序设计举例 例例4.3 用端口读用端口读/写函数驱动数据采集卡。写函数驱动数据采集卡。要要求求通通过过端端口口读读/写写函函数数实实现现数数据据采采集集卡卡PC-6310的数据采集的数据采集PC-6310简介简介 PC-6310适用于具有适用于具有ISA 总线的总线的PC系列微机系列微机 卡上的卡上的A/D转换器转换器ADS774为为12位位分辨率分辨率 转换速率为转换速率为10S 模拟输入信号范围为模拟输入信号范围为0V10V或或-5V+5V 模拟输入通道为模拟输入通道为32个通道的单端或个通道的单端或16个通道的双端个通道的双端 控制端口的地址与功
15、能 A/DA/D转换状态数据格式转换状态数据格式 A AD D转换结果数据格式转换结果数据格式数据采集VI的前面板数据采集VI的程序框图数据采集VI的程序框图讲到此了3.114.2 信号产生n信信号号产产生生是是仪仪器器系系统统的的重重要要组组成成部部分分,要要评评价价任任意意一一个个网网络络或或系系统统的的特特性性,必必须须外外加加一一定定的的测测试试信信号号,其其性性能能方方能能显显示示出出来来。最最常常用用的的测测试试信信号号有有正正弦弦波波、三三角角波波、方方波波、锯锯齿齿波波、噪噪声声波波及及多多频频波波(由由不不同同频频率率的的正正弦弦波叠加而形成的波形)等。波叠加而形成的波形)等
16、。4.2.1数字信号的产生与数字化频率的概念 正弦波信号:正弦波信号:u(t)=Asin(t+0)T为为采采样样间间隔隔,T为为信信号号周周期期,设设一一个个周周期期内内的的采采样样点点数数为为 n,则,则 T=n T 采样频率采样频率:fs =1/T 信号频率信号频率:fx=1/T=1/(n T)=fS/n u(iT)=Asin(2i/n+0)设设 f=fx/fS=1/n,将将2弧弧度度用用360表表示示,并并省省略略 ,则得,则得 数字化频率数字化频率f=模拟频率模拟频率/采样频率采样频率 4.2.2 信号产生函数及应用信号生成子选板信号生成子选板 1.正弦波生成Sine Wave.vi
17、正弦波函数的等效数学运算式如下正弦波函数的等效数学运算式如下:Sine Wavei=amplitudesin(360fi+phase0)Sine Wave.vi应用举例例例4.5 利用利用Sine Wave.vi产生正弦波产生正弦波 前面板前面板程序框图程序框图 数字频率的认识 n调调节节信信号号频频率率、采采样样频频率率、采采样样点点数数,观观察察这些参数的变化对显示正弦波结果的影响。这些参数的变化对显示正弦波结果的影响。n 若以若以Hz作为频率单位,则作为频率单位,则 数字频率单位数字频率单位(Hz)=fx/fs =信号频率信号频率/采样频率采样频率n 若以周期作为频率单位,则若以周期作为
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