4第4章虚拟仪器数据采集与信号处理ppt课件

1、第 4 章虚拟仪器数据采集与信号处置.第4章 虚拟仪器数据采集与信号处置教学重点数据采集信号产生信号的时域分析信号的频域分析数字滤波器曲线拟合.4.1 数据采集组建一个基于LabVIEW的虚拟仪器系统，传感器、信号调理和数据采集模块是最根本的硬件。其中，传感器是将被测试的物理量转换为电量的根本环节，数据采集那么将模拟信号转换成数据信号供计算机进展分析处置，信号调理是两者之间的桥梁，担任将传感器的输出信号和数据采集模块可以接受的信号类型联络起来。 .4.1.1 数据采集系统构造数据采集Data Acquisition，DAQ，就是将被测对象的各种参量物理量、化学量、生物量等经过各种传感器作适当转

2、换后，再经信号调理、采样、量化、编码、传输等步骤送到控制器进展数据处置或记录的过程。.一个典型的数据采集卡的功能有模拟输入、模拟输出、数字I/O、计数器/计时器等，这些功能分别由相应的电路来实现。数据采集卡模拟输入/输出数字输入/输出时钟输入/输出OnOff1-0ADCcntr/timerdigitalDAQ Board.选用数据采集卡的根本原那么1数据分辨率和精度2最高采样速度3通道数4数据总线接口类型5能否有隔离6支持的软件驱动程序及其软件平台.采集卡类型NI的数据采集卡PCI总线的通用数据采集卡.4.1.2 LabVIEW中的数据采集VI及运用数据采集系统构造.基于NI的USB-6009

3、数据采集卡的数据采集USB-6009的主要特性：8模拟输入通道14位、48KS/s采样速度)2路14位模拟输出通道12个I/O通道1个32位计数器/定时器USB-6009的外型.NI USB-6009的接线端子分配模拟输入：AI0AI7模拟输出：AO0,AO1数字I/O：P0.0P0.7,P1.0P1.3定时/计数器：PFI0.NI数据采集卡的运用例4.1 利用USB-6009数据采集卡实现单通道数据采集分析：利用LabVIEW8.5 的DAQmx-Data Acquisition子选板中的数据采集函数构建一个单通道的数据采集系统。硬件-选用NI USB-6009采集卡软件- 选用DAQmx-

4、Data Acquisition子选板中的数据采集函数实现.单通道数据采集VI设计前面板程序框图.构建多通道数据采集例4.2 多通道数据采集分析：利用LabVIEW8.5 的DAQmx-Data Acquisition子选板中的数据采集函数构建一个多通道的数据采集系统。硬件-选用NI USB-6009采集卡软件-选用DAQmx-Data Acquisition子选板中的数据采集函数实现.图74 多参量多通道PCDAQ/PCI虚拟仪器丈量系统.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.1 模拟信号输入部分 模拟输入通道数。该参数阐明数据采集卡所可以采集的最多的信号路数。 信号的输

5、入方式。普通待采集信号的输入方式有：l 单端输入：即信号的其中一个端子接地。l 差动输入：即信号两端均浮地。l 单极性：信号幅值范围为0，A，A为信号最大幅值。l 双极性：信号幅值范围为A，A。. 普通的数据采集卡都设有信号输入方式的选择设置，设计者可根据实践需求进展选择。 模拟信号的输入范围(量程)普通根据信号输入特性的不同(单极性输入还是双极性输入)有不同的输入范围。如对单极性输入，典型值为010 V，对双极性输入，典型值为 5 V5 V。 放大器增益。 模拟输入阻抗。采集卡固有参数，普通不由用户设置。.到此.4.1.3 NI-DAQmx 数据采集简介NI-DAQmx是LabVIEW 7.

6、0以来新增的DAQ软件。它包括支持200多种NI数据采集设备的驱动，并提供相应的VI函数。此外它还包括Measurement & Automation Explorer(MAX)、数据采集助理(DAQ Assistant)以及VI Logger数据记录软件。经过这些工具并结合LabVIEW可以节省大量的系统配置、开发和记录数据的时间。.NI-DAQmx1. Measurement & Automation Explorer (MAX) 丈量与自动化软件快速检测及配置一切硬件经过测试面板验证硬件的运作情况实施简便、交互式的丈量给/通道命名.举例：经过MAX配置串口属性 . 2. DAQ助手DAQ

7、 Assistant DAQ助手提供了一个对话框式的导游用于丈量义务的配置、测试和自动代码生成。配合Express VI，经过DAQ Assistant可以在数分钟内搭建一个专业的数据获取系统。.数据采集模板.DAQmx数据采集模板.1模拟输入通道参数设置1被丈量选取3 数据输入输出设置.2丈量通道选择.2模拟输出通道参数设置1被丈量选择.2丈量通道选择.3命名.4丈量通道设置好的表示图.5 自行测试演示.3外部信号输入的设置.自我测试结果外部参与到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.5外部信号-输入端读出写给输出端.读出写入方式设置

8、.运转.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 直接端口读写方式I/O方式 调用C言语源代码的方式CIN方式 调用动态衔接库的方式CLF方式 .1直接端口读写方式I/O方式 I/O端口子选板 In Port.vi Out Port.vi .2调用C言语源代码的方式LabVIEW8.2函数选板的【互衔接口】【库可执行程序】子选板中有一个Code Interface Node节点，用来在LabVIEW程序框图中直接调用其他编程言语如VC写的代码。这样就可以经过运用CIN图标来调用由C言语编写的采集卡驱动程序方法实现虚拟仪器的数据采集。.3调用动态衔接库的方

9、式动态链接库通常由数据采集卡消费厂商提供，经过LabVIEW的Call Library Function Node来调用。 .2数据采集卡驱动程序设计举例 例4.3 用端口读/写函数驱动数据采集卡。 要求经过端口读/写函数实现数据采集卡PC-6310的数据采集PC-6310简介 PC-6310适用于具有ISA 总线的PC系列微机 卡上的A/D转换器ADS774为12位分辨率 转换速率为10S 模拟输入信号范围为0V10V或-5V+5V 模拟输入通道为32个通道的单端或16个通道的双端 . 控制端口的地址与功能 A/D转换形状数据格式 AD转换结果数据格式.数据采集VI的前面板.数据采集VI的程

10、序框图.数据采集VI的程序框图.讲到此了3.11.4.2 信号产生信号产生是仪器系统的重要组成部分，要评价恣意一个网络或系统的特性，必需外加一定的测试信号，其性能方能显示出来。最常用的测试信号有正弦波、三角波、方波、锯齿波、噪声涉及多频波由不同频率的正弦波叠加而构成的波形等。 .4.2.1数字信号的产生与数字化频率的概念 正弦波信号： u (t) = Asin(t+0) T为采样间隔，T为信号周期，设一个周期内的采样点数为 n ，那么 T = n T 采样频率： fs = 1/T 信号频率： fx = 1/T = 1/ (n T) = fS / n u(iT) = Asin(2i/n +0 )

11、 设 f = fx / fS = 1/n ,将2弧度用360表示，并省略 ，那么得 数字化频率f = 模拟频率/采样频率 .4.2.2 信号产生函数及运用信号生成子选板 .1. 正弦波生成Sine Wave.vi 正弦波函数的等效数学运算式如下：Sine Wavei=amplitudesin360fi+ phase0 .Sine Wave .vi运用举例例4.5 利用Sine Wave.vi产生正弦波 前面板程序框图 .数字频率的认识 调理信号频率、采样频率、采样点数，察看这些参数的变化对显示正弦波结果的影响。 假设以Hz作为频率单位，那么 数字频率单位Hz = fx/fs = 信号频率/采样

12、频率 假设以周期作为频率单位，那么 数字频率单位 (T) = 周期数/采样点数.均匀白噪声的生成例4.6 利用Unifom White Noise.vi产生均匀分布的白噪声。前面板程序框图 .简单函数发生器例4.7 创建一个可以产生正弦波、三角波、方波和锯齿波的函数发生器。.4.2.3 波形生成在波形生成子选板中的一切函数不仅输出包含指定波形图形的数字型数组，而且包含时间参数，这种数据类型在LabVIEW中称为波形数据 .波形生成函数的运用举例例4.8 运用根本函数发生器创建函数发生器前面板 程序框图 .多频信号的产生与运用 多频信号是指一个离散频率的正弦波集合，其模拟信号数学表达式为：式中，

13、Ai：第i个正弦波的幅值 i：基频角频率 hi：第i个正弦波的角频倍数 i：第i个正弦波的初相角.例4.9 多频信号发生器前面板 程序框图 .例4.10 信号合成信号合成的前面板和程序框图.4.3 信号的时域分析时域分析是指在时间域内研讨系统在一定输入信号的作用下，其输出信号随时间的变化情况。由于时域分析是直接在时间域中对系统进展分析的方法，所以时域分析具有直观和准确的优点。.4.3.1 卷积运算卷积是电路分析的一个重要概念。它可以求线性系统对任何鼓励信号的零形状呼应。对离散时间信号的卷积称为卷积和，定义为Convolution.vi.例4.11 求卷积运算卷积运算的前面板和程序框图.4.3.

14、2 相关分析所谓“相关是指变量之间的线性关系。相关分析利用相关系数或相关函数来描画两个信号间的相互关系或其类似程度，还可以用来描画同一信号的如今值与过去值的关系，或者根据过去值、如今值来估计未来值。相关函数定义为 . LabVIEW中的相关分析函数Auto Correlation.viCross Correlation.vi.例4.12 相互关运算前面板程序框图 .4.3.3 微积分运算 在工程运用领域，经常要对整个过程进展丈量和控制，往往涉及到信号的采集，而采样获得是离散的数据，假设要思索整个过程的动态情况或者获得多个参数，就要用到数值积分和数值微分运算。 LabVIEW提供了积分和微分函数

15、.例4.13 对方波信号进展微积分运算前面板 程序框图 .4.4 信号的频域分析信号的频谱代表了信号在不同频率分量处信号成分的大小，它可以提供比时域信号波形更直观、更丰富的信息。LabVIEW8.2提供了丰富的频域分析函数，包括傅里叶变换、hilbert变换、功率谱分析、谐波分析等。 .4.4.1 快速傅立叶变换FFT傅里叶变换是信号处置与数据处置中一个重要分析工具，其意义在于将时域与频域信号联络起来，经过频域分析将复杂的信号分解为各个单一的频率成分。FFT.vi.例4.15 双边傅里叶变换前面板程序框图频率间隔与采样频率和采样点数的关系.例4.16 单边傅里叶变换前面板程序框图.4.4.2

16、频谱分析频谱分析是指把时间域的各种动态信号经过傅里叶变换转换到频率域进展分析。频谱分析中应留意的问题 1频谱混叠 2走漏效应和栅栏效应.频谱分析前面板程序框图 例4.17 运用Amplitude and Phase Spectrum.vi进展频谱分析.功率谱例4.16 运用Auto Power Spectrum.vi进展自功率谱分析前面板程序框图.4.4.3 频率呼应分析频率呼应表述了一个测试系统输入和输出的频域关系，它是描画测试系统频域动态特性的重要关系。 经常用其模 和相位角 来表示，称为测试系统的幅频特性和相频特性。 .例4.19 求频率呼应的幅频特性与相频特性前面板程序框图.频率呼应例

17、4.20运用Frequence Response Function(Real-Im).vi求频率呼应的实部和虚部前面板程序框图.4.4.4 谐波分析谐波和基波是一个相对的概念，它是一个周期电气量中的正弦波分量，其频率为基波频率的整数倍，由于谐波的频率是基波频率的整数倍，也常称为高次谐波。在频域分析中以电压为例，将畸变的周期性电压分解成傅里叶级数畸变波形因谐波引起的偏离正弦波形的程度用总谐波畸变量THD表示 .例4.21 谐波分析前面板程序框图 .4.5 数字滤波器数字滤波器即是以数值计算的方法来实现对离散化信号的处置，以减少干扰信号在有用信号中所占的比例，从而改动信号的质量，到达滤波或加工信号

18、的目的。 数字滤波器分为 无限冲激呼应滤波器IIR 有限冲激呼应滤波器FIR 特点：精度高、稳定性好、灵敏性强、处置功 能强 .调用数字滤波器子程序应留意的问题滤波器类型选择:在低通、高通、带通或带阻滤波器中选择一个类型。 截止频率确定:对低通 只需确定上截止频率，高通滤波器只需确定下截止频率，对带通及带阻滤波器应确定上、下限截止频率。 采样频率设定滤波器的阶数:滤波器阶数越高，其幅频特性曲线过渡带衰减越快 纹波幅度 . 窗函数LabVIEW8.2在【窗】子选板中提供了20种窗函数，包括矩形窗、汉宁窗、海明窗等.数字滤波器运用举例例4.22 运用巴特沃斯滤波器提出正弦信号前面板程序框图 .例4

19、.23 信号分别(多频率)前面板程序框图 .4.6 曲线拟合概述 相关物理量近似函数表达式描画 y = f(x，a，b，) 曲线拟合的目的：是找出一系列参数的最正确估值，经过这些最正确参数，可使拟合曲线与实践数据之间的误差为最小。 曲线拟合的算法称为最小平方法。误差被定义为： e(a)=f(x,a)-y(x)2 令 a=a0 ,a1 y(x)是实测数据，f(x，a)是由一组实验数据估计出来的回归方程式，a 是使误差平方和为最小的最正确系数或参数。 离散系统 ： f表示拟合数据，y表示实测数据，n表示采样点数。.1. LabVIEW中曲线拟合类型LabVIEW的分析软件库提供了多种线性和非线性的曲线拟合算法，如：线性拟合 把实验数据拟合为y=mx+c直线方式： yi=a0+a1*xi指数拟合 把数据拟合为y = a exp(bx)指数曲线: yi= a0*exp(a1*Xi)多项式拟合把数据拟合为y=a+bx+cx2+多项式曲线： yi= a0 + a1*Xi+a2*xi2通用线性拟合 将数据拟合为下述方式： yi= a0+ a1*f1(Xi)+ a2*f2(Xi) 非线性 LevMar 拟