第章虚拟仪器数据采集与信号处理

第4章虚拟仪器数据采集与信号处理第4章虚拟仪器数据采集与信号处理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基本的硬件。其中，传感器是将被测试的物理量转换为电量的基本环节，数据采集则将模拟信号转换成数据信号供计算机进行分析处理，信号调理是两者之间的桥梁，负责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系起来。

4.1.1数据采集系统结构数据采集（DataAcquisition，DAQ），就是将被测对象的各种参量（物理量、化学量、生物量等）通过各种传感器作适当转换后，再经信号调理、采样、量化、编码、传输等步骤送到控制器进行数据处理或记录的过程。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/timerdigitalDAQBoard选用数据采集卡的基本原则（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）是否有隔离（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4.1.2LabVIEW中的数据采集VI及应用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：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NIUSB-6009的接线端子分配模拟输入：AI0~AI7模拟输出：AO0,AO1数字I/O：P0.0~P0.7,P1.0~P1.3定时/计数器：PFI0NI数据采集卡的的应用例4.1利用USB-6009数据采集卡实实现单通道数数据采集分析：利用LabVIEW8.5的DAQmx-DataAcquisition子选板中的数数据采集函数数构建一个单单通道的数据据采集系统。。硬件-选用NIUSB-6009采集卡软件-选用DAQmx-DataAcquisition子选板中的数数据采集函数数实现单通道数据采采集VI设计前面板程序框图构建多通道数数据采集例4.2多通道数据采采集分析：利用LabVIEW8.5的DAQmx-DataAcquisition子选板中的数数据采集函数数构建一个多多通道的数据据采集系统。。硬件-选用NIUSB-6009采集卡软件-选用DAQmx-DataAcquisition子选板中的数数据采集函数数实现图7–4多参量多通道道PC–DAQ/PCI虚拟仪器测量量系统多通道数据采采集系统的前前面板多通道数据采采集系统的程程序框图1模拟信号输入入部分①模拟输入通道道数。该参数数表明数据采采集卡所能够够采集的最多多的信号路数数。②信号的输入方方式。一般待待采集信号的的输入方式有有：l单端输入：即即信号的其中中一个端子接接地。l差动输入：即即信号两端均均浮地。l单极性：信号号幅值范围为为[0，A]，A为信号最大幅幅值。l双极性：信号号幅值范围为为[–A，A]。一般的数据采采集卡都设有有信号输入方方式的选择设设置，设计者者可根据实际际需要进行选选择。③模拟信号的输输入范围(量程)一般根据信号号输入特性的的不同(单极性输入还还是双极性输输入)有不同的输入入范围。如对对单极性输入入，典型值为为0～10V，对双极性输输入，典型值值为–5V~5V。④放大器增益。。⑤模拟输入阻抗抗。采集卡固固有参数，一一般不由用户户设置。到此数据采集简介介NI-DAQmx是LabVIEW7.0以来新增的DAQ软件。它包括括支持200多种NI数据采集设备备的驱动，并并提供相应的的VI函数。此外它还包括括Measurement&AutomationExplorer(MAX)、数据采集助理理(DAQAssistant)以及VILogger数据记录软件件。通过这些些工具并结合合LabVIEW可以节省大量量的系统配置置、开发和记记录数据的时时间。NI-DAQmx1.Measurement&AutomationExplorer(MAX)测量与自动化化软件快速检测及配配置所有硬件件通过测试面板板验证硬件的的运作状况实施简便、交交互式的测量量给Ι/Ο通道命名举例：通过MAX配置串口属性性2.DAQ助手DAQAssistantDAQ助手提供了一一个对话框式式的向导用于于测量任务的的配置、测试试和自动代码码生成。配合合ExpressVI，通过DAQAssistant可以在数分钟钟内搭建一个个专业的数据据获取系统。。数据采集模板板DAQmx—数据采集模板板（1）模拟拟输入入通道道参数数设置置1）被测测量选选取3数据输输入输输出设设置2）测量量通道道选择择（2）模拟拟输出出通道道参数数设置置1）被测测量选选择2）测量量通道道选择择3）命名名4）测量量通道道设置置好的的示意意图5）自自行测测试演演示（3）外部部信号号输入入的设设置自我测测试结结果外部加加入到到ai11端子的的电压压3.45v（4）外部部信号号输入入的子子函数数调用用—读出外部信信号输输入的的子函函数调调用测测试结结果（5）外部部信号号--输入端端读出出—写给输输出端端读出—写入模模式设设置运行通用数数据采采集卡卡的LabVIEW控制实实现1．数据据采集集卡驱驱动程程序的的开发发方式式直接端端口读读写方方式（（I/O方式））调用C语言源源代码码的方方式（（CIN方式））调用动动态连连接库库的方方式（（CLF方式））（1）直接接端口口读写写方式式（I/O方式））I/O端口子子选板板InPort.viOutPort.vi（2）调用用C语言源源代码码的方方式LabVIEW8.2函数选选板的的【互连接接口】→【【库可执执行程程序】子选板板中有有一个个CodeInterfaceNode节点，，用来来在LabVIEW程序框框图中中直接接调用用其他他编程程语言言（如如VC）写的的代码码。这这样就就可以以通过过使用用CIN图标来来调用用由C语言编编写的的采集集卡驱驱动程程序方方法实实现虚虚拟仪仪器的的数据据采集集。（3）调用用动态态连接接库的的方式式动态链链接库库通常常由数数据采2．数据据采集集卡驱驱动程程序设设计举举例例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10μS模拟输入入信号范范围为0V～10V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A／D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。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(ωt+θ0)ΔT为采样间间隔，T为信号周周期，设设一个周周期内的的采样点点数为n，则T=nΔΔT采样频率率：fs=1/ΔT信号频率率：fx=1/T=1/(nΔT)=fS/nu(iΔΔT)=Asin(2ππi/n+θθ0)设f=fx/fS=1/n,将2π弧度用360º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SineWave.vi正弦波函函数的等等效数学学运算式式如下：SineWave[i]=amplitude×sin（360×f×i+phase0）SineWave.vi应用举例例例4.5利用SineWave.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=信号号频频率率/采样样频频率率若以以周周期期作作为为频频率率单单位位，，则则数字字频频率率单单位位(T)=周期期数数/采样样点点数数均匀匀白白噪噪声声的的生生成成例4.6利用用UnifomWhiteNoise.vi产生生均均匀匀分分布布的的白白噪噪声声。。前面面板板程序序框框图图简单单函函数数发发生生器器例4.7创建建一一个个可可以以产产生生正正弦弦波波、、三三角角波波、、方方波波和和锯锯齿齿波波的的函函数数发发生生器器。。波形形生生成成在波波形形生生成成子子选选板板中中的的所所有有函函数数不不仅仅输输出出包包含含指指定定波波形形图图形形的的数数字字型型数数组组，，而而且且包包含含时时间间参参数数，，这这种种数数据据类类型型在在LabVIEW中称称为为波形形数数据据波形形生生成成函函数数的的应应用用举举例例例4.8使用用基基本本函函数数发发生生器器创创建建函函数数发发生生器器前面面板板程序序框框图图多频频信信号号的的产产生生与与应应用用多频频信信号号是是指指一一个个离离散散频频率率的的正正弦弦波波集集合合，，其其模模拟拟信信号号数数学学表表达达式式为为：：式中中，，Ai：第第i个正正弦弦波波的的幅幅值值ωi：基基频频角角频频率率hi：第第i个正正弦弦波波的的角角频频倍倍数数θi：第第i个正正弦弦波波的的初初相相角角例4.9多频信号发生生器前面板程序框图例4.10信号合成信号合成的前前面板和程序序框图4.3信号的时域分分析时域分析是指指在时间域内内研究系统在在一定输入信信号的作用下下，其输出信信号随时间的的变化情况。。由于时域分分析是直接在在时间域中对对系统进行分分析的方法，，所以时域分分析具有直观观和准确的优优点。卷积运算卷积是电路分分析的一个重重要概念。它它可以求线性性系统对任何何激励信号的的零状态响应应。对离散时间信信号的卷积称称为卷积和，，定义为Convolution.vi例4.11求卷积运算卷积运算的前前面板和程序序框图相关分析所谓“相关”是指变量之间间的线性关系系。相关分析利用用相关系数或或相关函数来来描述两个信信号间的相互互关系或其相相似程度，还还可以用来描描述同一信号号的现在值与与过去值的关关系，或者根根据过去值、、现在值来估估计未来值。。相关函数定义义为LabVIEW中的相关分析析函数AutoCorrelation.viCrossCorrelation.vi例4.12互相关运算前面板程序框图微积分运算在工程应用领领域，经常要要对整个过程程进行测量和和控制，往往往涉及到信号号的采集，而而采样获得是是离散的数据据，若要考虑虑整个过程的的动态情况或或者获得多个个参数，就要要用到数值积积分和数值微微分运算。LabVIEW提供了积分和和微分函数例4.13对方波信号进进行微积分运运算前面板程序框图4.4信号的频域分分析信号的频谱代代表了信号在在不同频率分分量处信号成成分的大小，，它能够提供供比时域信号号波形更直观观、更丰富的的信息。LabVIEW8.2提供了丰富的的频域分析函函数，包括傅傅里叶变换、、hilbert变换、功率谱谱分析、谐波分析等。快速傅立叶变变换（FFT）傅里叶变换是是信号处理与与数据处理中中一个重要分分析工具，其其意义在于将将时域与频域域信号联系起起来，通过频频域分析将复复杂的信号分分解为各个单单一的频率成成分。FFT.vi例4.15双边傅里叶变变换前面板程序框图频率间隔与采采样频率和采采样点数的关关系例4.16单边傅里叶变变换前面板程序框图频谱分析频谱分析是指把时间域域的各种动态态信号通过傅傅里叶变换转转换到频率域域进行分析。。频谱分析中应应注意的问题题（1）频谱混叠（2）泄漏效应和和栅栏效应频谱分析前面板程序框图例4.17使用AmplitudeandPhaseSpectrum.vi进行频谱分析析功率谱例4.16使用AutoPowerSpectrum.vi进行自功率谱谱分析前面板程序框图频率响应分析析频率响应表述述了一个测试试系统输入和和输出的频域域关系，它是是描述测试系系统频域动态态特性的重要要关系。常常用其模和和相相位角来来表示，，称为测试系系统的幅频特特性和相频特特性。例4.19求频率响应的的幅频特性与与相频特性前面板程序框图频率响应例4.20使用FrequenceResponseFunction(Real-Im).vi求频率响应的的实部和虚部部前面板程序框图谐波分析谐波和基波是是一个相对的的概念，它是是一个周期电电气量中的正正弦波分量，，其频率为基基波频率的整整数倍，由于于谐波的频率率是基波频率率的整数倍，，也常称为高高次谐波。在在频域分析中中以电压为例例，将畸变的的周期性电压压分解成傅里里叶级数畸变波形因谐谐波引起的偏偏离正弦波形形的程度用总谐波畸变变量THD表示例4.21谐波分析前面板程序框图4.5数字滤波器器数字滤波器器即是以数值值计算的方方法来实现现对离散化化信号的处处理，以减减少干扰信信号在有用用信号中所所占的比例例，从而改改变信号的的质量，达达到滤波或或加工信号号的目的。。数字滤波器器分为无限冲激响响应滤波器器IIR有限冲激响响应滤波器器FIR特点：精度度高、稳定定性好、灵灵活性强、、处理功能强调用数字滤滤波器子程程序应注意意的问题滤波器类型型选择:在低通、高高通、带通通或带阻滤滤波器中选选择一个类类型。截止频率确确定:对低通只只需确定上上截止频率率，高通滤滤波器只需需确定下截截止频率，，对带通及及带阻滤波波器应确定定上、下限限截止频率率。采样频率设设定滤波器的阶阶数:滤波器阶数数越高，其其幅频特性性曲线过渡渡带衰减越越快纹波幅度窗函数LabVIEW8.2在【窗】子选板中提提供了20种窗函数，，包括矩形形窗、汉宁宁窗、海明明窗等数字滤波器器应用举例例例4.22使用巴特沃沃斯滤波器器提出正弦弦信号前面板程序框图例4.23信号分离(多频率)前面板程序框图4.6曲线拟合概述相关物理量量近似函数数表达式描描述y=f(x，a，b，…)曲线拟合的的目的：是是找出一系系列参数的的最佳估值值，通过这这些最佳参数数，可使拟拟合曲线与与实际数据据之间的误误差为最小小。曲线拟合的的算法称为为最小平方方法。误差差被定义为为：e(a)=[f(x,a)-y(x)]2令a={a0,a1}y(x)是实测数据据，f(x，a)是由一组实实验数据估估计出来的的回归方程式，，a是使误差平平方和为最最小的最佳佳系数或参参数。离散系统：：f表示拟合数数据，y表示实测数数据，n表示采样点点数。1.LabVIEW中曲线拟合合类型LabVIEW的分析软件件库提供了了多种线性性和非线性性的曲线拟拟合算法，，如：线性拟合－－把实实验数据拟拟合为y=mx+c直线形式：：y[i]=a0+a1*x[i]指数拟合－－把数数据拟合为为y=aexp(bx)指数曲线:y[i]=a0*exp(a1*X[i])多项式拟合合－把数据据拟合为y=a+bx+cx^2+…多项式曲线线：y[i]=a0+a1*X[i]+a2*x[i]^2…通用线性拟拟合－将将数据拟拟合为下述述形式：y[i]=a0+a1*f1(X[i])+a2*f2(X[i])…非线性Lev–Mar拟合—将数据拟合合