第9章 数据采集

1、第第9章章 数据采集数据采集 数据采集是数据采集是LabVIEW的一项重要功能。的一项重要功能。NI公司为公司为LabVIEW的用户提供了丰富的数的用户提供了丰富的数据采集设备以最大限度地满足各个领域的据采集设备以最大限度地满足各个领域的需要。本章主要介绍了数据采集的基础知需要。本章主要介绍了数据采集的基础知识以及识以及DAQ Assistant的使用方法。的使用方法。9.1 DAQ系统概述系统概述 9.1.1 DAQ系统的构成系统的构成 在计算机广泛应用的今天，数据采集在计算机广泛应用的今天，数据采集的重要性是十分显著的。它是计算机与外的重要性是十分显著的。它是计算机与外部物理世界连接的桥梁

2、。随着计算机和总部物理世界连接的桥梁。随着计算机和总线技术的发展，基于线技术的发展，基于PC的数据采集（的数据采集（Data Acquisition，DAQ）板卡产品得到了广泛）板卡产品得到了广泛应用。应用。 许多应用通过使用插入式设备采集数许多应用通过使用插入式设备采集数据并把数据直接传送到计算机内存中，而据并把数据直接传送到计算机内存中，而在一些其他应用中，数据采集硬件通过并在一些其他应用中，数据采集硬件通过并行或串行接口和行或串行接口和PC相连。相连。 基于基于PC的数据采集系统的组成部分可的数据采集系统的组成部分可分分5个部分：个部分： （1）PC （2）传感器）传感器 （3）信号调理

3、）信号调理 （4）数据采集硬件）数据采集硬件 （5）软件）软件图图9-1 9-1 典型的基于典型的基于PCPC的的DAQDAQ系统系统 DAQ的任务就是测量或生成物理信号。的任务就是测量或生成物理信号。 图图9-2 9-2 数据采集系统结构数据采集系统结构9.1.2 DAQ系统的功能系统的功能 数据采集前，必须对所采集信号的特数据采集前，必须对所采集信号的特性有所了解，因为不同信号的测量方式和性有所了解，因为不同信号的测量方式和对采集系统的要求是不同的，只有了解被对采集系统的要求是不同的，只有了解被测信号才能选择合适的测量方式和采集系测信号才能选择合适的测量方式和采集系统配置。统配置。 任意一

4、个信号是随时间而改变的物理任意一个信号是随时间而改变的物理量。一般情况下，信号所运载信息是很广量。一般情况下，信号所运载信息是很广泛的，如：状态（泛的，如：状态（state）、速率（）、速率（rate）、）、电平（电平（level）、形状（）、形状（shape）和频率成）和频率成分（分（frequency content）。根据信号运载）。根据信号运载信息方式的不同，可以将信号分为模拟或信息方式的不同，可以将信号分为模拟或数字信号。数字信号。1数字信号数字信号 数字（二进制）信号分为两类，第一数字（二进制）信号分为两类，第一类数字信号是开类数字信号是开/关信号关信号 第二类数字信号是脉冲信号。

5、第二类数字信号是脉冲信号。2模拟信号模拟信号 模拟信号可分为直流、时域、频域信模拟信号可分为直流、时域、频域信号，如图号，如图9-3所示。所示。图图9-3 9-3 模拟信号分类模拟信号分类 （1）模拟直流信号）模拟直流信号 （2）模拟时域信号）模拟时域信号 （3）模拟频域信号）模拟频域信号3信号调理信号调理 从传感器得到的信号大多要经过处理从传感器得到的信号大多要经过处理才能进入数据采集设备，信号处理功能包才能进入数据采集设备，信号处理功能包括放大、隔离、滤波、激励和线性化等。括放大、隔离、滤波、激励和线性化等。由于不同传感器有不同的特性，因此，除由于不同传感器有不同的特性，因此，除了这些通用

6、功能，还要根据具体传感器的了这些通用功能，还要根据具体传感器的特性和要求来设计特殊的信号调理功能。特性和要求来设计特殊的信号调理功能。 （1）放大）放大 （2）隔离）隔离 （3）滤波）滤波 （4）激励）激励 （5）线性化）线性化 （6）数字信号调理）数字信号调理4A/D转换与转换与D/A转换转换 为了提高系统的性能指标，数字计算为了提高系统的性能指标，数字计算机技术广泛应用于现代控制、通信及检测机技术广泛应用于现代控制、通信及检测等领域。系统的实际对象往往都是一些模等领域。系统的实际对象往往都是一些模拟量（如温度、压力、图像等），要使计拟量（如温度、压力、图像等），要使计算机或数字仪表能识别、

7、处理这些信号，算机或数字仪表能识别、处理这些信号，必须首先将这些模拟信号转换成数字信号；必须首先将这些模拟信号转换成数字信号；而经计算机分析、处理后输出的数字量也而经计算机分析、处理后输出的数字量也往往需要将其转换为相应模拟信号才能为往往需要将其转换为相应模拟信号才能为执行机构所接受。模数和数模转换器就是执行机构所接受。模数和数模转换器就是能在模拟信号与数字信号之间起桥梁的电能在模拟信号与数字信号之间起桥梁的电路。路。 将模拟信号转换成数字信号的电路，将模拟信号转换成数字信号的电路，称为模数转换器（简称称为模数转换器（简称A/D转换器）。转换器）。A/D转换器按分辨率的不同可分为转换器按分辨率

8、的不同可分为4位、位、6位、位、8位、位、10位、位、14位、位、16位和位和BCD码的码的31/2位、位、51/2位等；按照转换速度可分为超高速位等；按照转换速度可分为超高速（转换时间（转换时间330ns）、次超高速（转换时）、次超高速（转换时间间330ns3.3 s）、高速（转换时间）、高速（转换时间3.3333 s）、低速（转换时间）、低速（转换时间330 s）等；）等；按转换原理分可分为直接按转换原理分可分为直接A/D转换器和间接转换器和间接A/D转换器。转换器。 有些转换器还将多路开关、基准电压有些转换器还将多路开关、基准电压源、时钟电路、译码器和转换电路集成在源、时钟电路、译码器和

9、转换电路集成在一个芯片内，已超出了单纯一个芯片内，已超出了单纯A/D转换功能。转换功能。图图9-4 9-4 转换结构图转换结构图 与与A/D转换器相对应，将数字信号转换转换器相对应，将数字信号转换为模拟信号的电路称为数模转换器（简称为模拟信号的电路称为数模转换器（简称D/A转换器）。转换器）。5数字数字I/O（DIO） DAQ设备中的数字设备中的数字I/O由生成或接收二由生成或接收二进制通断信号的部分构成，他们通常用于进制通断信号的部分构成，他们通常用于过程控制、生成测试样式及与外围设备进过程控制、生成测试样式及与外围设备进行通信。数字连线通常分组为若干个端口，行通信。数字连线通常分组为若干个

10、端口，每个端口由四条或八条连线构成。每个端口由四条或八条连线构成。 同一端口中的所有连线必须同时是输同一端口中的所有连线必须同时是输入连线或输出连线。由于一个端口中包含入连线或输出连线。由于一个端口中包含多条数字连线，可以通过端口写入或端口多条数字连线，可以通过端口写入或端口读入同时设置或提取多条连线的状态。读入同时设置或提取多条连线的状态。 数字连线的数量当然应该与需要被控数字连线的数量当然应该与需要被控制的过程数目相匹配。通过应用恰当的数制的过程数目相匹配。通过应用恰当的数字信号调理配件，用户可以使用进字信号调理配件，用户可以使用进/出数据出数据采集硬件的低电流采集硬件的低电流TTL信号来

11、监测信号来监测/控制工控制工业硬件产生的高电压和电流信号。业硬件产生的高电压和电流信号。6计数器计数器/定时器定时器 计数器计数器/定时器在许多应用中具有很重定时器在许多应用中具有很重要的作用，包括对数字事件产生次数的计要的作用，包括对数字事件产生次数的计数、数字脉冲计时，以及产生方波和脉冲。数、数字脉冲计时，以及产生方波和脉冲。 应用一个计数器应用一个计数器/计时器时最重要的指计时器时最重要的指标是分辨率和时钟频率。标是分辨率和时钟频率。 9.2 数据采集卡的安装数据采集卡的安装 PCI-6221是一块高性能的是一块高性能的NI-DAQmx设备，它的引脚定义如图设备，它的引脚定义如图9-5所

12、示。安装时所示。安装时直接将其插入到直接将其插入到PC机主板上的插槽内即可，机主板上的插槽内即可，如图如图9-6所示。所示。 图图9-5 PCI-62219-5 PCI-6221引脚图引脚图 图图9-6 PCI-62219-6 PCI-6221的安装的安装图图9-7 NI9-7 NI设备驱动光盘的安装界面设备驱动光盘的安装界面图图9-8 MAX9-8 MAX配置与管理对话框配置与管理对话框图图9-9 9-9 创建一个新的通道配置文件（创建一个新的通道配置文件（1 1） 图图9-10 9-10 创建一个新的通道配置文件（创建一个新的通道配置文件（2 2）图图9-11 9-11 选择虚拟通道类型选

13、择虚拟通道类型图图9-12 9-12 创建一个新的本地通道创建一个新的本地通道图图9-13 9-13 配置通道的设置和测试配置通道的设置和测试9.3 DAQ VI的组织结构的组织结构 LabVIEW DAQ VI组织有两个选项板：组织有两个选项板：一个用于传统一个用于传统NI-DAQ，另一个用于，另一个用于NI-DAQmx。NI公司的公司的DAQ硬件连线有两种不硬件连线有两种不同的设备驱动器。同的设备驱动器。NI-DAQmx是驱动器，是驱动器，无论是在性能还是在使用简易性方面都优无论是在性能还是在使用简易性方面都优于传统于传统NI-DAQ。借助于。借助于DAQ助手会使编写助手会使编写VI采集数

14、据的工作明显简化。采集数据的工作明显简化。 NI-DAQmx VI是一种称为多态是一种称为多态VI的特的特殊殊VI，是能够适应不同，是能够适应不同DAQ功能的一组核功能的一组核心心VI，如模拟输入、模拟输出和数字，如模拟输入、模拟输出和数字I/O等。等。 选择选择“函数函数”选板下的选板下的“测量测量I/OData Acquisition”子选板即可访问子选板即可访问DAQmx选项选项板。板。图图9-14 9-14 传统传统DAQDAQ函数节点函数节点 各个子选板的主要功能如下。各个子选板的主要功能如下。 （1）Analog Input子选板子选板 （2）Analog Output子选板子选板

15、 （3）Digital I/O子选板子选板 （4）Counter子选板子选板 （5）Calobration and Configuration子选板子选板 （6）Signal Conditioning子选板子选板 数据采集数据采集VI按功能划分为不同的等级。按功能划分为不同的等级。 （1）顶层）顶层 （2）第三层）第三层 （3）第二层）第二层 （4）底层）底层图图9-15 9-15 连续数据采集程序框图连续数据采集程序框图9.4 数据采集助手数据采集助手 数据采集助手数据采集助手DAQ Assistant是是LabVIEW 7以后版本新增的一个重要工具。以后版本新增的一个重要工具。它是一个图形

16、化的界面，主要用于交互式地它是一个图形化的界面，主要用于交互式地创建、编辑和运行创建、编辑和运行NI-DAQmx虚拟通道和任虚拟通道和任务。务。 这个工具通过一个图形化接口来配置这个工具通过一个图形化接口来配置简单和复杂的数据采集任务，从而帮助用简单和复杂的数据采集任务，从而帮助用户无需编程即可创建应用程序。户无需编程即可创建应用程序。 DAQ Assistant是一个基于步骤的向导，是一个基于步骤的向导，它可以使用户无需编程即可配置数据采集任它可以使用户无需编程即可配置数据采集任务、虚拟通道以及实现缩放操作。务、虚拟通道以及实现缩放操作。 用户可以从用户可以从NI应用软件中启动应用软件中启动

17、DAQ Assistant，如，如LabVIEW、LabWindows/CVI、Measurement Studio或或MAX。 利用利用DAQ Assistant，用户可以执行以，用户可以执行以下任务：下任务： （1）创建和编辑任务和虚拟通道；）创建和编辑任务和虚拟通道； （2）添加虚拟通道至任务；）添加虚拟通道至任务； （3）创建并编辑量程；）创建并编辑量程； （4）测试用户的配置；）测试用户的配置； （5）保存用户的配置；）保存用户的配置； （6）在用户的）在用户的NI应用软件中生成代码以在应用软件中生成代码以在用户的应用程序中使用；用户的应用程序中使用； （7）观察用户的传感器的连接图

18、。）观察用户的传感器的连接图。图图9-16 DAQ Assistant9-16 DAQ Assistant选板选板图图9-17 9-17 放置放置DAQDAQ助手将自动进入助手将自动进入MAXMAX界面界面 使用使用DAQ Assistant Express VI构建构建数据采集数据采集VI的通用过程如下：的通用过程如下： （1）打开一个新的）打开一个新的VI； （2）在框图中置）在框图中置DAQ Assistant Express VI； （3）出现）出现DAQ Assistant以配置测量任务；以配置测量任务； （4）配置、命名及测试）配置、命名及测试NI-DAQmx任务；任务； （5）单

19、击）单击OK按钮已返回框图；按钮已返回框图； （6）编辑前面板和框图完成）编辑前面板和框图完成VI； （7）如果需要的话，生成）如果需要的话，生成NI-DAQmx Task Name控件以便在其他应用中使用该任务。控件以便在其他应用中使用该任务。图图9-18 9-18 配置完成后的配置完成后的DAQDAQ助手界面助手界面 在在DAQ Assistant中可以选择测量类型，中可以选择测量类型，包括模拟输入、模拟输出、数字输入包括模拟输入、模拟输出、数字输入/输出、输出、计数器输入和计数器输出。计数器输入和计数器输出。1模拟输入模拟输入 模拟输入用于实施模数转换。在模拟输入用于实施模数转换。在DAQ Assistant中单击中单击Analog Input进入下一级进入下一级子选板，该选板中列举了模拟输入可能的子选板，该选板中列举了模拟输入可能的测量类型窗口：电压、温度、压力、电流、测量类型窗口：电压、温度、压力、电流、阻抗、频率以及自定义的激励电压。阻抗、频率以及自定义的激励电压。 一旦将所选的虚拟通道添加到用户任一旦将所选的虚拟通道添加到用户任务中就会打开务中就会打开DAQ Assistant设置及测试设置及测试屏。屏。DAQ Assistant的较低部分有两个标的较低部分有两个标签：签：Task T