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专业综合训练 虚拟仪器课程设计 目的和任务综合性 设计性的实践环节关于课程设计指导书本课程设计内容温度检测系统数据采集卡的其他应用成绩评定及课程设计报告要求实践部分 50 报告50 报告要求 独立完成内容完整格式规范 第一单元数据采集系统 1 1数据采集系统概述1 2模拟输入1 3模拟输出 数据采集 DataAcquisition DAQ 数据采集的组成 表1 1NI 6014数据采集卡的性能指标 1 1数据采集系统概述 数据采集基本原理数据采集系统的构成模入信号的连接方式测量系统类型信号调理数据采集 DAQ 卡7LabVIEW数据采集模块的分类 1 1 1数据采集基本原理 采样定理 对模拟信号x t 每隔 t时间采样一次 时间间隔 t被称为采样间隔或者采样周期 它的倒数1 t被称为采样频率 单位是采样数 每秒 t 0 t 2 t 3 t 等等 x t 的数值就被称为采样值 所有x 0 x t x 2 t 都是采样值 这样信号x t 可以用一组分散的采样值来表示 模拟信号和采样显示图 下图显示一个模拟信号和它采样后的采样值 采样间隔是 t 注意 采样点在时域上是分散的 采样定理 根据采样定理 最低采样频率必须是信号频率的两倍 反过来说 如果给定了采样频率 那么能够正确显示信号而不发生畸变的最大频率叫做恩奎斯特频率 它是采样频率的一半 如果信号中包含频率高于奈奎斯特频率的成分 信号将在直流和恩奎斯特频率之间畸变 不同采样率的采样结果 a足够的采样率下的采样结果b过低采样率下的采样结果 抗混叠滤波器 为了避免这种情况 混叠 的发生 通常在信号被采集 A D 之前 经过一个低通滤波器 将信号中高于奈奎斯特频率的信号成分滤去 采样频率的设置 你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 1 1 2数据采集系统的构成 1 1 3模入信号的连接方式 信号分类 电压信号可以分为接地和浮动两种类型 模入信号的连接方式 接地信号 就是将信号的一端与系统地连接起来 如大地或建筑物的地 因为信号用的是系统地 所以与数据采集卡是共地的 接地最常见的例子是通过墙上的接地引出线 如信号发生器和电源 一个不与任何地 如大地或建筑物的地 连接的电压信号称为浮动信号 浮动信号的每个端口都与系统独立 常见的浮动信号的例子有电池 热电偶 变压器和隔离放大器 1 1 4测量系统类型 差分 Differential 测量系统参考地单端 RSE 测量系统无参考地单端 NRSE 测量系统 差分 Differential 测量系统 参考地单端 RSE 测量系统 无参考地单端 NRSE 测量系统 1 1 5信号调理 从传感器得到的信号大多要经过调理才能进入数据采集设备 信号调理通用功能包括放大 隔离 滤波 激励 线性化等 放大 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和A D的电压范围相匹配 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 使信噪比得到改善 隔离 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 那么就有可能形成接地回路 引起误差 滤波 滤波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器 用来滤除噪声 通常还需要抗混叠滤波器 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器 激励 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 线性化 许多传感器对被测量的响应是非线性的 因而需要对其输出信号进行线性化 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 1 1 6数据采集 DAQ 卡 数据采集卡的功能 数据采集卡的软件配置 数据采集卡的功能 典型数据采集卡的功能 模拟输入 模拟输出 数字I O 计数器 计时器等 模拟输入 模拟输入是采集最基本的功能 它一般由多路开关 MUX 放大器 采样保持电路以及A D来实现 通过这些部分 一个模拟信号就可以转化为数字信号 A D的性能和参数直接影响着模拟输入的质量 要根据实际需要的精度来选择合适的A D 模拟输出 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 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 如果用D A的输出信号去驱动一个加热器 就不需要使用速度很快的D A 因为加热器本身就不能很快地跟踪电压变化 应该根据实际需要选择D A的参数指标 数字I O 数字I O通常用来控制过程 产生测试信号 与外设通信等 数字I O常见的应用是在计算机和外设如打印机 数据记录仪等之间传送数据 路数 数据转换速率 握手 能力都是应理解的重要参数 应依据具体的应用场合而选择有合适参数的数字I O 计数器 许多场合都要用到计数器 如定时 产生方波等 计数器包括三个重要信号 门限信号 计数信号 输出 门限信号实际上是触发信号 使计数器工作或不工作 计数信号也即信号源 它提供了计数器操作的时间基准 输出是在输出线上产生脉冲或方波 数据采集卡的软件配置 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 这个驱动程序是由采集卡的供应商提供 NI公司提供了一个数据采集卡的配置工具软件 Measurement AutomationExplorer 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 设置测量系统的方式 察看所连接的设备等 NI的数据采集卡的设置与测试 实际过程 Functions AllFunctions NIMeasurements DataAcquisition数据采集函数的分类 初级数据采集VI中级数据采集VI应用级数据采集VI高级数据采集VI 1 1 7LabVIEW数据采集模块的分类 数据采集模块难易程度 简易模入VIs EaseAnalogVIs 执行简单的模入操作 可以作为单独的VI 也可以作为subVI来使用 可以自动发出错误警告信息 在对话框中你可以选择中断运行或忽略 但比较复杂的应用需要使用下面的类型 中级模入VIs IntermediateAnalogInputVIs 与简易模入不同的是在那里的一个操作AIInput 这里分为AIConfig AIStart AIRead AISingleScan以及AIClear 可以描述细致 复杂的操作 通用模入VIs AnalogInputUtilityVIs 三个常用的Vis AIReadOneScan AIWaveformScan 及AIContinuousScan 使用一个VI就可以解决一个普通的模入问题 方便但缺乏灵活性 高级模入VIs AdvancedAnalogInputVIs 这些Vis是NI DAQ数据采集软件的界面 是上面三种类型Vis的基础 一般情况下 用户不需要直接使用这个功能 1 2LabVIEW模拟输入 模入参数说明简易模拟输入 EaseAnalogVIs 中级模拟输入AnalogInput高级模拟输入 1 2 1模入参数说明 分辨率 Resolution 电压范围 Range 增益 Gain 对于NI公司的采集卡选择增益是在LabVIEW中通过设置信号输入限制 inputlimits 来实现的 LabVIEW会根据选择的输入限制和输入电压范围的大小来自动选择增益的大小 采集卡可分辨的最小电压 一个采集卡的分辨率 范围和增益决定了可分辨的最小电压 它表示为1LSB 例如 某采集卡的分辨率为12位 范围取0 10V 增益取100 则有1LSB 10V 100 4096 24 V 这样 在数字化过程中 最小能分辨的电压就为24 s 它反映了数字量在最低位变化1时输出模拟量的最小变化量 采集VI的几个定义 1 多通道模入波形采集AIAcquireWaveform videvice 设备号 在NIMAX中设定 该参数告诉LabVIEW你使用什么卡 它可以使采集VI自身独立于卡的类型 即如果你稍后使用了另一种卡 并且赋予它同样设备号 你的VI程序可正常工作而无须修改 channels 指定数据样本的物理源 例 一个卡有 个模拟输入通道 你就可以同时采集 组数据点 在LabVIEWVI中 一个通道或一组通道都用一个字符串来指定 通道的指定 采集VI的几个定义 2 scanrate 1000scans sec 在多通道采样时 分配给一个通道得到的样本速率 缺省值是1000 秒 numberofsamples ch 每通道要采集的样本数 缺省值是1000 highlimit 被测信号的最高电平 其缺省值是 设为缺省值时系统将按照采集卡设置程序MAX中的设定处理 lowlimit 被测信号的最低电平 其缺省值是 设为缺省值时系统将按照采集卡设置程序MAX中的设定处理 采集VI的几个定义 3 highlimit和lowlimit的值将决定采集系统的增益 对大多数卡输入信号变化的缺省值是10V到 10V 如果你将其设为5到 5V 则增益为2 如果你将其设为1到 1V 则增益为10 如果你设置一个理论上的增益是得不到支持的 LabVIEW会自动将其调整到最近的预置值 典型的采集卡所支持的增益值有0 5 1 2 5 10 20 50 100 waveforms A D转换后的输出 是一个二维的waveform数组 其每一列对应于一个输入通道 同时包含有反映时间信息的t0和 t 1 2 2初级数据采集VI AISampleChannelVI 单通道单点采样 从指定通道获得一个样本 AISampleChannelsVI 多通道单点采样 从由通道字符串规定的一组通道每通道获得一个样本 这些样本返回到一个样本数组 顺序由通道号决定 AIAcquireWaveform vi 单通道波形采集 按指定的采样率由一个通道得到一个波形AIAcquireWaveforms vi 多通道波形采集 从由通道字符串规定的每个通道获得一个波形 这些样本返回到一个波形的数组 模拟输入 1 2 3中级模拟输入AnalogInput 简单模入的局限是执行采集任务的重复 例如 你每一次调用AISampleChannel 都必须为特定类型的测量设置硬件 告诉它采样率等 显然 如果你要反复采集大量的样本 你未必需要在每一次重复时都去设置测量 一个典型的情况是连续采集 需要在程序中采用循环结构 按照简单模入 每次采集前都在设置参数 不仅多余 而且造成了采集过程的不连续 中级模入有更好的功能与灵活性 可以更有效地开发你的应用 它的特点包括控制内部采样率 使用外部触发 执行连续外部触发等 下面我们将仔细描述它的各种VI 应该注意其大量输入 输出端子中的部分内容一般是不必理会的 有效地使用这些VI只需要关注你需要的端子 中级模入VIs 中级模入Vis AIConfig AIConfig对指定的通道设置模入操作 包括硬件 计算机内buffer的分配 常用的端子有 Device 采集卡的设备号Channel 指定模入通道号的串数组Intputlimit 指定输入信号的范围达到调节硬件增益的目的Buffersize 单位是scan 控制用于采集数据的AIConfig占用计算机内存的大小Interchanneldelay 扫描间隔设置 缺省值为 1 当选用缺省值时 系统按照采集卡的最高扫描速率 一般为几微秒 再加上系统消耗10微秒 来设置扫描间隔 中级模入Vis AIStart AIStart启动带缓冲的模入操作 它控制数据采集速率 采集点的数目 及使用任何硬件触发的选择 它的两个重要输入是 Scanrate scan sec 对每个通道采集的每秒扫描次数Numberofscanstoacquire 对通道列表的扫描次数 中级模入Vis AIRead AIRead 从被AIConfig分配的缓冲读取数据 它能够控制由缓冲读取的点数 读取数据在缓冲中的位置 以及是否返回二进制数或标度的电压数 它的输出是一个 维数组 其中每一列数据对应于通道列表中的一个通道 中级模入Vis AISingleScan AISingleScan 返回一个扫描数据 它的电压数据输出是由通道列表中的每个通道读出的电压数据 使用这个VI仅与AIConfig有关联 不需要AIStart和AIRead 中级模入Vis AIClear AIClear 清除模入操作 计算机中分配的缓冲 释放所有数据采集卡的资源 例如计数器 当你设置一个模入应用时 首先使用的VI总是AIConfig AIConfig会产生一个taskID和Errorcluster 出错信息簇 所有别的模入VI接受这个taskID以识别操作的设备和通道 并且在操作完成后输出一个taskID 因为taskID是一个输入并向另一个模入VI输出 所以该参数形成了采集VI之间的一个关联数据 中级模拟输入1AIConfigVI 通道配置模拟输入信息 2AIStartVI 启动模拟输入操作 3AIReadVI 读取缓冲区中数据 4AIClearVI 清除操作 释放资源 一 中级模入波形采集AIConfig AIStart AIRead AIClear二 中级模入连续波形采集AIConfig AIStart AIRead AIClear 1 3LabVIEW模拟输出 基本参数与术语简易模出 EasyAnalogOutput 中级模出 AnalogOutput 高级模拟输出 1 3 1基本参数与术语 多功能的DAQ卡用数模转换器 D A 将数字信号转换成模拟信号 D A的有关参数有 范围 Range 分辨率 Resolution 单调性 Monotonicity 线性误差 LinearityError 建立时间 SettlingTime 转换速率 SlewRate 精度 Accuracy 等 1 3 2简易模出 EasyAnalogOutput 与简易模入类似 也提供了 个模块 分别对应于单 多 通道输出波形或电压数据 AOUpdateChannelVI 单通道单点模出 AOGenerateWaveformVI 单通道波形模出 AOGenerateWaveformsVI 多通道波形模出 产生一个模出电平 产生一个模出波形 1 3 3中级模出 AnalogOutput 中级模出 AnalogOutput AOConfig AOConfig对指定的通道设置模出操作 包括硬件 计算机内buffer的分配 常用的端子有 Device 采集卡的设备号Channel 指定模出通道号的串数组Limitsettings 指定输出信号的范围taskID 用于所有后来的模出VI以规定操作的设备和通道 中级模出 AnalogOutput AOWrite AOWrite以电压数据的方式写数据到模出数据缓