4第4章虚拟仪器数据采集与信号处理

1、第 4 章虚拟仪器数据采集与信号处理第4章 虚拟拟仪器数数据采集集与信号号处理教学重点点数据采集集信号产生生信号的时时域分析析信号的频频域分析析数字滤波波器曲线拟合合4.1数据采集集组建一个个基于LabVIEW的虚拟仪仪器系统统，传感感器、信信号调理理和数据据采集模模块是最最基本的的硬件。其中，传感器器是将被被测试的的物理量量转换为为电量的的基本环环节，数数据采集集则将模模拟信号号转换成成数据信信号供计计算机进进行分析析处理，信号调调理是两两者之间间的桥梁梁，负责责将传感感器的输输出信号号和数据据采集模模块可以以接受的的信号类类型联系系起来。4.1.1数据采集集系统结结构数据采集集（Data

2、Acquisition，DAQ），就是是将被测测对象的的各种参参量（物物理量、化学量量、生物物量等）通过各各种传感感器作适适当转换换后，再再经信号号调理、采样、量化、编码、传输等等步骤送送到控制制器进行行数据处处理或记记录的过过程。一个典型型的数据据采集卡卡的功能能有模拟拟输入、模拟输输出、数数字I/O、计数器器/计时器等等，这些些功能分分别由相相应的电电路来实实现。数据采集集卡模拟输入入/输出数字输入入/输出时钟输入入/输出OnOff1-0ADCcntr/timerdigitalDAQBoard选用数据据采集卡卡的基本本原则（1）数据分分辨率和和精度（2）最高采采样速度度（3）通道数数（4）

3、数据总总线接口口类型（5）是否有有隔离（6）支持的的软件驱驱动程序序及其软软件平台台采集卡类类型NI的数据采采集卡PCI总线的通通用数据据采集卡卡4.1.2LabVIEW中的数据据采集VI及应用数据采集集系统结结构基于NI的USB-6009数据采集集卡的数数据采集集USB-6009的主要特特性：8模拟输入入通道（14位、48KS/s采样速度度)2路14位模拟输输出通道道12个I/O通道1个32位计数器器/定时器USB-6009的外型NIUSB-6009的接线端端子分配配模拟输入入：AI0AI7模拟输出出：AO0,AO1数字I/O：P0.0P0.7,P1.0P1.3定时/计数器：PFI0NI数据

4、采集集卡的应应用例4.1利用USB-6009数据采集集卡实现现单通道道数据采采集分析：利利用LabVIEW8.5的DAQmx-Data Acquisition子选板中中的数据据采集函函数构建建一个单单通道的的数据采采集系统统。硬件-选用NIUSB-6009采集卡软件-选用DAQmx-Data Acquisition子选板中中的数据据采集函函数实现现单通道数数据采集集VI设计前面板程序框图图构建多通通道数据据采集例4.2多通道数数据采集集分析：利利用LabVIEW8.5的DAQmx-Data Acquisition子选板中中的数据据采集函函数构建建一个多多通道的的数据采采集系统统。硬件-选用NI

5、USB-6009采集卡软件-选用DAQmx-Data Acquisition子选板中中的数据据采集函函数实现现图74多参量多多通道PCDAQ/PCI虚拟仪器器测量系系统多通道数数据采集集系统的的前面板板多通道数数据采集集系统的的程序框框图1模拟信号号输入部部分模拟输入入通道数数。该参参数表明明数据采采集卡所所能够采采集的最最多的信信号路数数。信号的输输入方式式。一般般待采集集信号的的输入方方式有：l单端输入入：即信信号的其其中一个个端子接接地。l差动输入入：即信信号两端端均浮地地。l单极性：信号幅幅值范围围为0，A，A为信号最最大幅值值。l双极性：信号幅幅值范围围为A，A。一般的数数据采集集卡

6、都设设有信号号输入方方式的选选择设置置，设计计者可根根据实际际需要进进行选择择。模拟信号号的输入入范围(量程)一般根据据信号输输入特性性的不同同(单极性输输入还是是双极性性输入)有不同的的输入范范围。如如对单极极性输入入，典型型值为010V，对双极极性输入入，典型型值为5 V5V。放大器增增益。模拟输入入阻抗。采集卡卡固有参参数，一一般不由由用户设设置。到此4.1.3NI-DAQmx数据采集集简介NI-DAQmx是LabVIEW 7.0以来新增增的DAQ软件。它它包括支支持200多种NI数据采集集设备的的驱动，并提供供相应的的VI函数。此外它还还包括Measurement& Automatio

7、nExplorer(MAX)、数据采集集助理(DAQ Assistant)以及VILogger数据记录录软件。通过这这些工具具并结合合LabVIEW可以节省省大量的的系统配配置、开开发和记记录数据据的时间间。NI-DAQmx1.Measurement& AutomationExplorer(MAX)测量与自自动化软软件快速检测测及配置置所有硬硬件通过测试试面板验验证硬件件的运作作状况实施简便便、交互互式的测测量给/通道命名名举例：通通过MAX配置串口口属性2.DAQ助手DAQAssistantDAQ助手提供供了一个个对话框框式的向向导用于于测量任任务的配配置、测测试和自自动代码码生成。配合Ex

8、press VI，通过DAQAssistant可以在数数分钟内内搭建一一个专业业的数据据获取系系统。数据采集集模板DAQmx数据采集集模板（1）模拟输输入通道道参数设设置1）被测量量选取3数据输入入输出设设置2）测量通通道选择择（2）模拟输输出通道道参数设设置1）被测量量选择2）测量通通道选择择3）命名4）测量通通道设置置好的示示意图5） 自行行测试演演示（3）外部信信号输入入的设置置自我测试试结果外部加入入到ai11端子的电电压3.45v（4）外部信信号输入入的子函函数调用用读出外部信号号输入的的子函数数调用测测试结果果（5）外部信信号-输入端读读出写给输出出端读出写入模式式设置运行4.1.

9、4通用数据据采集卡卡的LabVIEW控制实现现1数据采采集卡驱驱动程序序的开发发方式 直接端口口读写方方式（I/O方式）调用C语言源代代码的方方式（CIN方式）调用动态态连接库库的方式式（CLF方式）（1）直接端端口读写写方式（I/O方式）I/O端口子选选板InPort.viOutPort.vi（2）调用C语言源代代码的方方式LabVIEW8.2函数选板板的【互连接口口】【库可执行行程序】子选板中中有一个个Code InterfaceNode节点，用用来在LabVIEW程序框图图中直接接调用其其他编程程语言（如VC）写的代代码。这这样就可可以通过过使用CIN图标来调调用由C语言编写写的采集集卡

10、驱动动程序方方法实现现虚拟仪仪器的数数据采集集。（3）调用动动态连接接库的方方式动态链接接库通常常由数据据采集卡卡生产厂厂商提供供，通过过LabVIEW的Call LibraryFunctionNode来调用。2数据采采集卡驱驱动程序序设计举举例例4.3用端口读读/写函数驱驱动数据据采集卡卡。要求通过过端口读读/写函数实实现数据据采集卡卡PC-6310的数据采采集PC-6310简介PC-6310适用于具具有ISA总线的PC系列微机机卡上的A/D转换器ADS774为12位分辨率转换速率率为10S模拟输入入信号范范围为0V10V或-5V+5V模拟输入入通道为为32个通道的的单端或或16个通道的的双

11、端控制端口口的地址址与功能能A/D转换状态态数据格格式AD转换结果果数据格格式数据采集集VI的前面板板数据采集集VI的程序框框图数据采集集VI的程序框框图讲到此了了3.114.2信号产生生信号产生生是仪器器系统的的重要组组成部分分，要评评价任意意一个网网络或系系统的特特性，必必须外加加一定的的测试信信号，其其性能方方能显示示出来。最常用用的测试试信号有有正弦波波、三角角波、方方波、锯锯齿波、噪声波波及多频频波（由由不同频频率的正正弦波叠叠加而形形成的波波形）等等。4.2.1数字信号号的产生生与数字字化频率率的概念念正弦波信信号：u (t)= Asin(t+0)T为采样间间隔，T为信号周周期，设

12、设一个周周期内的的采样点点数为n，则T =nT采样频率率：fs=1/T信号频率率：fx= 1/T= 1/ (n T)= fS/ nu(iT)=Asin(2i/n +0)设f =fx/fS= 1/n,将2弧度用360表示，并并省略，则得得数字化频频率f =模拟频率率/采样频率率4.2.2信号产生生函数及及应用信号生成成子选板板1.正弦波生生成Sine Wave.vi正弦波函函数的等等效数学学运算式式如下：Sine Wavei=amplitudesin（360fi+phase0）Sine Wave.vi应用举例例例4.5利用Sine Wave.vi产生正弦弦波前面板程序框图图数字频率率的认识识调节

13、信号号频率、采样频频率、采采样点数数，观察察这些参参数的变变化对显显示正弦弦波结果果的影响响。若以Hz作为频率率单位，则数字频率率单位（Hz）= fx/fs=信号频率率/采样频率率若以周期期作为频频率单位位，则数字频率率单位(T)=周期数/采样点数数均匀白噪噪声的生生成例4.6利用UnifomWhiteNoise.vi产生均匀匀分布的的白噪声声。前面板程序框图图简单函数数发生器器例4.7创建一个个可以产产生正弦弦波、三三角波、方波和和锯齿波波的函数数发生器器。4.2.3波形生成成在波形生生成子选选板中的的所有函函数不仅仅输出包包含指定定波形图图形的数数字型数数组，而而且包含含时间参参数，这这种

14、数据据类型在在LabVIEW中称为波形数据据波形生成成函数的的应用举举例例4.8使用基本本函数发发生器创创建函数数发生器器前面板程序框图图多频信号号的产生生与应用用多频信号号是指一一个离散散频率的的正弦波波集合，其模拟拟信号数数学表达达式为：式中，Ai：第i个正弦波波的幅值值i：基频角角频率hi：第i个正弦波波的角频频倍数i：第i个正弦波波的初相相角例4.9多频信号号发生器器前面板程序框图图例4.10信号合成成信号合成成的前面面板和程程序框图图4.3信号的时时域分析析时域分析析是指在在时间域域内研究究系统在在一定输输入信号号的作用用下，其其输出信信号随时时间的变变化情况况。由于于时域分分析是直

15、直接在时时间域中中对系统统进行分分析的方方法，所所以时域域分析具具有直观观和准确确的优点点。4.3.1卷积运算算卷积是电电路分析析的一个个重要概概念。它它可以求求线性系系统对任任何激励励信号的的零状态态响应。对离散时时间信号号的卷积积称为卷卷积和，定义为为Convolution.vi例4.11求卷积运运算卷积运算算的前面面板和程程序框图图4.3.2相关分析析所谓“相关”是指变量量之间的的线性关关系。相关分析析利用相相关系数数或相关关函数来来描述两两个信号号间的相相互关系系或其相相似程度度，还可可以用来来描述同同一信号号的现在在值与过过去值的的关系，或者根根据过去去值、现现在值来来估计未未来值。

16、相关函数数定义为为LabVIEW中的相关关分析函函数Auto Correlation.viCrossCorrelation.vi例4.12互相关运运算前面板程序框图图4.3.3微积分运运算在工程应应用领域域，经常常要对整整个过程程进行测测量和控控制，往往往涉及及到信号号的采集集，而采采样获得得是离散散的数据据，若要要考虑整整个过程程的动态态情况或或者获得得多个参参数，就就要用到到数值积积分和数数值微分分运算。LabVIEW提供了积积分和微微分函数数例4.13对方波信信号进行行微积分分运算前面板程序框图图4.4信号的频频域分析析信号的频频谱代表表了信号号在不同同频率分分量处信信号成分分的大小小，

17、它能能够提供供比时域域信号波波形更直直观、更更丰富的的信息。LabVIEW8.2提供了丰丰富的频频域分析析函数，包括傅傅里叶变变换、hilbert变换、功功率谱分分析、谐波分析等等。4.4.1快速傅立立叶变换换（FFT）傅里叶变变换是信信号处理理与数据据处理中中一个重重要分析析工具，其意义义在于将将时域与与频域信信号联系系起来，通过频频域分析析将复杂杂的信号号分解为为各个单单一的频频率成分分。FFT.vi例4.15双边傅里里叶变换换前面板程序框图图频率间隔隔与采样样频率和和采样点点数的关关系例4.16单边傅里里叶变换换前面板程序框图图4.4.2频谱分析析频谱分析析是指把时时间域的的各种动动态信

18、号号通过傅傅里叶变变换转换换到频率率域进行行分析。频谱分析析中应注注意的问问题（1）频谱混混叠（2）泄漏效效应和栅栅栏效应应频谱分析析前面板程序框图图例4.17使用Amplitudeand Phase Spectrum.vi进行频谱谱分析功率谱例4.16使用Auto Power Spectrum.vi进行自功功率谱分分析前面板程序框图图4.4.3频率响应应分析频率响应应表述了了一个测测试系统统输入和和输出的的频域关关系，它它是描述述测试系系统频域域动态特特性的重重要关系系。常常用其其模和和相位角角来来表表示，称称为测试试系统的的幅频特特性和相相频特性性。例4.19求频率响响应的幅幅频特性性与相

19、频频特性前面板程序框图图频率响应应例4.20使用FrequenceResponseFunction(Real-Im).vi求频率响响应的实实部和虚虚部前面板程序框图图4.4.4谐波分析析谐波和基基波是一一个相对对的概念念，它是是一个周周期电气气量中的的正弦波波分量，其频率率为基波波频率的的整数倍倍，由于于谐波的的频率是是基波频频率的整整数倍，也常称称为高次次谐波。在频域域分析中中以电压压为例，将畸变变的周期期性电压压分解成成傅里叶叶级数畸变波形形因谐波波引起的的偏离正正弦波形形的程度度用总谐波畸畸变量THD表示例4.21谐波分析析前面板程序框图图4.5数字滤波波器数字滤波波器即是以数数值计算算

20、的方法法来实现现对离散散化信号号的处理理，以减减少干扰扰信号在在有用信信号中所所占的比比例，从从而改变变信号的的质量，达到滤滤波或加加工信号号的目的的。数字滤波波器分为为无限冲激激响应滤滤波器IIR有限冲激激响应滤滤波器FIR特点：精精度高、稳定性性好、灵灵活性强强、处理理功能强调用数字字滤波器器子程序序应注意意的问题题滤波器类类型选择择:在低通、高通、带通或或带阻滤滤波器中中选择一一个类型型。截止频率率确定:对低通只只需确确定上截截止频率率，高通通滤波器器只需确确定下截截止频率率，对带带通及带带阻滤波波器应确确定上、下限截截止频率率。采样频率率设定滤波器的的阶数:滤波器阶阶数越高高，其幅幅频

21、特性性曲线过过渡带衰衰减越快快纹波幅度度窗函数LabVIEW8.2在【窗】子选板中中提供了了20种窗函数数，包括括矩形窗窗、汉宁宁窗、海海明窗等等数字滤波波器应用用举例例4.22使用巴特特沃斯滤滤波器提提出正弦弦信号前面板程序框图图例4.23信号分离离(多频率)前面板程序框图图4.6曲线拟合合概述相关物理理量近似似函数表表达式描描述y =f(x，a，b，)曲线拟合合的目的的：是找找出一系系列参数数的最佳佳估值，通过这这些最佳参参数，可可使拟合合曲线与与实际数数据之间间的误差差为最小小。曲线拟合合的算法法称为最最小平方方法。误误差被定定义为：e(a)=f(x,a)-y(x)2令a=a0,a1y(

22、x)是实测数数据，f(x，a)是由一组组实验数数据估计计出来的的回归方程式式，a是使误差差平方和和为最小小的最佳佳系数或或参数。离散系统统 ：f表示拟合合数据，y表示实测测数据，n表示采样样点数。1.LabVIEW中曲线拟拟合类型型LabVIEW的分析软软件库提提供了多多种线性性和非线线性的曲曲线拟合合算法，如：线性拟合合 把把实验验数据拟拟合为y=mx+c直线形式式：yi=a0+a1*xi指数拟合合 把把数据据拟合为为y =aexp(bx)指数曲线线:yi=a0*exp(a1*Xi)多项式拟拟合把把数据拟拟合为y=a+bx+cx2+多项式曲曲线：yi=a0+ a1*Xi+a2*xi2通用线性性拟合将将数据拟拟合为下下述形式式：yi=a0+a1*f1(Xi)+ a2*f2(Xi)非线性LevMar拟合将数据拟拟合