虚拟仪器第9章测试系统设计

第9章测试系统设计数据采集根底知识采集模拟信号输出模拟信号信号调理数字信号输入输出计数器输入输出9-1数据采集根底知识9-1-1数据采集过程 数据采集是测试系统最主要的根底环节，数据采集过程如右图。在这个过程中来自传感器的模拟量被转换为数字量。模拟信号x〔t〕经脉冲序列采样后，成为时间离散信号x(n)，再量化以后得到取值也离散化的数字信号。9-1-1数据采集过程根据信号的特征和测试目的，模拟信号可以分为3类：1.对于随时间缓慢变化的信号，如容器的液位、对象的温度等，通常叫做直流信号。对直流信号普通只需求比较慢的采样频率。2.对于随时间变化较快的信号，假设需求了解它的波形，那么把它作为一个时域信号来处置。这时候需求比较高的采样频率。例如要检测一个快速的脉冲，采样周期必需小于脉冲周期；要关怀这个脉冲的上升时间，就应该用更高的采样率。3.对于随时间变化较快的信号，假设需求了解它的频率成分，那么把它作为一个频域信号来处置。根据赖奎斯特实际，要得到准确的频率信息，采样率必需大于信号最高频率成分的两倍。采样率的一半叫赖奎斯特频率。这实践上意味着对于最高频率的信号成分每一个周期只采样两个数据点，这对于描画信号的波形是远远不够的。工程实践中普通运用信号最高频率成分4-10倍的采样率。9-1-2数据采集设备1.数据采集设备类型虚拟仪器是软硬件的结合，而虚拟仪器硬件又是在传统仪表和计算机技术的根底上得以开展，从20世纪80年代开场计算机技术引起测试领域一场新的革命，传统仪器逐渐以不同的方式与计算机严密结合在一同，构成了各种方式的虚拟仪器硬件，满足了工程、科研、教育各个领域让人眼花缭乱的实践需求。本书第1章简单引见了几种常见的虚拟仪器硬件构造，本章主要以最典型的插卡式虚拟仪器硬件构造为背景引见测试系统设计方法与编程技术，这里包含了许多各种不同方式的虚拟仪器硬件构造的根底和共性的问题。9-1-2数据采集设备2.数据采集设备主要目的〔1〕采样率(2)分辨率(3)其它主要目的模拟输入设备分辨率对于表达原始信号的影响9-1-2数据采集设备2.数据采集设备主要目的

模拟输入设备量程范围设置对于分辨率的影响9-1-3被测试信号的衔接方式1.信号的参考点〔1〕接地信号〔2〕浮动信号9-1-3被测试信号的衔接方式2.信号的衔接方式差分测试系统9-1-3被测试信号的衔接方式2.信号的衔接方式单端测试系统9-1-3被测试信号的衔接方式2.信号的衔接方式非参考单端测试系统9-1-4基于LabVIEW的数据采集系统总体构造基于DAQmx的数据采集系统总体构造9-1-5数据采集设备的设置与测试1.测试与自动化资源管理器测试与自动化资源管理器MAX是Measurement&AutomationExplorer的缩写，是访问计算机当中NI的各种软硬件资源的一个接口。9-1-5数据采集设备的设置与测试1.测试与自动化资源管理器在本机系统MySystem项下可以完成以下义务创建新的通道、义务等。查看衔接到系统的设备和仪器。对NI硬件进展安装与设置。执行硬件测试。在远程系统RemoteSystem项下可以完成以下义务查看衔接到局域网上的系统和设备；创建新的远程系统；设置远程系统IP地址；下载软件到远程系统；设置远程系统属性。9-1-5数据采集设备的设置与测试1.测试与自动化资源管理器—添加设备对话框在DeviceandInterface项上击右键弹出“CreatNew…〞，可以添加非即插即用设备。在添加设备对话框中还可以添加仿真设备NI-DAQmxSimulatedDevice，以方便暂时还没有购买某款NI设备的用户了解或调试设备。从软件层看仿真设备与实践设备一样任务，它前往一些随机信号。9-1-5数据采集设备的设置与测试2.设备设置与测试设备设置与测试快捷菜单ResetDevice：设备复位。重新获得设备访问权限。Self-Test：设备自测试，弹出一个对话框，报告设备能否经过测试。程序中采集数据VI出错时应首先思索运用上一项和该项。Rename：设备改名。设备名即图9-9中引号内的部分，程序中经过这个称号访问设备。Delete：删除设备。Properties：属性设置。DevicePinouts：弹出端口阐明文档TestPanels…：翻开测试面板。9-1-5数据采集设备的设置与测试2.设备设置与测试设备属性设置RTSIConfiguration(实时系统集成总线设置)：此项对PCI-6229不需求设置；Accessory(附件)：选择CB-68LP接线端子板；Power-upStates(上电形状)：设置数字线上电后是高电平、低电平或三态。9-1-5数据采集设备的设置与测试2.设备设置与测试设备I/O定义9-1-5数据采集设备的设置与测试2.设备设置与测试DAQmx模拟输出和输入测试面板9-1-5数据采集设备的设置与测试9-2采集模拟信号采集模拟信号是测试系统中最普遍、最典型的义务。在引见如何完成模拟输入义务之前必需引见一些关于创建数据采集运用程序的普通方法，这些也是各种数据采集义务共同的根底。9-2-1模拟输入根本概念1.数据采集的通道 LabVIEW的数据采集系统中有物理通道PhysicalChannel和虚拟通道VirtualChannel。物理通道是被测试的信号或生成的信号实践进出计算机的途径，典型的情况是:接线端子—>电缆[—>信号调理器—>电缆]—>数据采集卡。每个信号各自走一个独立的通道，每个通道有一个编号。在接线端子上每个通道对应哪个端子号可以经过DevicePinouts查询。虚拟通道是一系列设置的集合，包括通道名、对应的物理通道、信号衔接方式、测试类型和比例等。9-2-1模拟输入根本概念2.常用的根本术语采样率samplerate——每秒从各通道采集数据的次数。它等于单个通道的采样率。采样数numberofsamples——数据采集函数被调用一次，从一个通道采集的数据点数。扫描scan——对数据采集函数通道参数中一切通道的一次采集或读数。9-2-1模拟输入根本概念3.数据组织波形采样数据二维标量数组9-2-1模拟输入根本概念4.数据的比例比例是DAQ软件对某一个虚拟通道的数据进展预处置，以便于程序中运用这些数据，例如线性比例公式y=mx+b，对输入数据x进展线性处置后，将数据y传送给LabVIEW程序。在MAX中有一个“比例〞项——Scale，在Scale项上击右键弹出菜单项选择CreateNew，弹出创建比例导游，可以选择建立DAQmx比例。在创建比例导游的引导下，创建一个比例。创建比例包括编辑比例名，对比例加以简短阐明，选择比例类型，设置比例系数。假设选择了线性比例，还要设置斜率和截距两个参数。在比例设置面板中还可以预览比例的效果。在曾经创建的比例名上单击鼠标可以弹出比例设置面板对比例的设置进展修正。新建虚拟通道时，新建导游会提示，新建比例还是将曾经建立的比例参与到通道中。当然也可以不要比例。9-2-2创建数据采集程序1.数据采集助手的运用数据采集助手DAQAssistant是LabVIEW中一个重要工具，它是一个设置测试义务、通道与比例的图形接口。在MAX和LabVIEW中都可以经过多种途径启动数据采集助手。数据采集助手的根本义务是进展数据采集的硬件设置，所以一旦涉及到相关义务，数据采集助手就会自动翻开。在DAQmx数据采集系统中，测试义务Task是NI-DAQ的一个重要概念，它是一系列信息的集合，包括一个或多个通道以及定时、触发等属性。它也是数据采集助手与数据采集程序之间联络的纽带。

9-2-2创建数据采集程序1.数据采集助手的运用——新建DAQmx测试义务导游9-2-2创建数据采集程序1.数据采集助手的运用——为义务选择测试类型9-2-2创建数据采集程序1.数据采集助手的运用——模拟输入义务细分9-2-2创建数据采集程序1.数据采集助手的运用——选择物理通道9-2-2创建数据采集程序1.数据采集助手的运用——命名数据采集义务9-2-2创建数据采集程序1.数据采集助手的运用——数据采集助手对话框9-2-2创建数据采集程序1.数据采集助手的运用——数据采集助手ExpressVI数据采集助手ExpressVI产生的义务只能在调用它的程序中运用，假设把它转换为一个义务常数，就可以存储在MAX中，供其它程序运用。转换步骤：1〕在数据采集助手ExpressVI图标上弹出快捷菜单，选择ConverttoNIDAQmxTask；2〕数据采集助手启动，这时可以对义务进展必要的修正；3〕点击OK按钮，ExpressVI转换为义务常数。9-2-2创建数据采集程序2.图形代码的生成1〕经过义务生成程序代码——DAQmx义务名9-2-2创建数据采集程序2.图形代码的生成1〕经过义务生成程序代码——生成例如程序图形代码演示9-2-2创建数据采集程序2.图形代码的生成1〕经过义务生成程序代码——生成配置程序图形代码

演示9-2-2创建数据采集程序2.图形代码的生成2〕将数据采集助手ExpressVI转换为程序图形代码经过义务常数转换 按照前面引见的方法将数据采集助手ExpressVI转换为任务常数；然后按这一节前面引见的方法生成程序代码。经过翻开VI前面板转换 在数据采集助手弹出快捷菜单上选择“翻开前面板〞，将ExpressVI转换为规范VI，也就得到了程序代码。这是包括配置义务与执行义务的全部图形代码。9-2-3数据采集VI1.DAQmxCreateTask创建一个DAQmx数据采集义务。这个VI在“丈量I/O—>DAQmxDataAcquisition—>DAQmxAdvancedTaskOptions〞函数子选板中。2.DAQmxCreateVirtualChannel新建虚拟通道VI。这是DAQmx数据采集系统中运用非常普遍的一个VI，在“丈量I/O—>DAQmxDataAcquisition〞函数子选板顶层。这是一个多态VI，它有许多子VI，每个子VI可以创建一种类型的虚拟通道，并将其参与到一个数据采集义务中。3.DAQmxTimingDAQmx定时VI。这个VI在“丈量I/O—>DAQmxDataAcquisition〞函数子选板顶层，也是一个多态VI，它可以设置采样数、采样率，并在必要时设置缓冲区。9-2-3数据采集VI4.DAQmxStartTask启动DAQmx义务VI。在“丈量I/O—>DAQmxDataAcquisition〞函数子选板顶层。假设不运用此VI，当DAQmxReadVI执行时，数据采集义务自动启动。5.DAQmxReadDAQmx读数据VI。在“丈量I/O—>DAQmxDataAcquisition〞函数子选板顶层，它由指定的义务或通道读取采集的数据。这是一个多态VI，根据数据采集的类型、读取数据的数量和要求前往数据的类型，有许多子VI可以选择。6.DAQmxStopTask停顿义务VI。这个VI在“丈量I/O—>DAQmxDataAcquisition〞VI子选板顶层，它停顿一个义务，并把它恢复到执行前的形状。它的参数与DAQmxStartTaskVI一样。9-2-4丈量直流电压信号直流电压信号是变化缓慢的信号，普通丈量直流电压信号每次只需求采集一点数据，也可以采集多点数据再取其平均值，以减小丈量误差。根据被监测对象的数量又可以采用单通道采样或多通道采样。演示9-2-5波形采集1.采集有限数量的数据演示9-2-5波形采集2.延续采集数据演示9-2-6频率丈量频率混叠采样率的1/2被称为赖奎斯特频率，高于赖奎斯特频率的信号会在直流和赖奎斯特频率之间产生混叠。混叠频率是与信号频率最接近的整数倍采样率减去信号频率，再取绝对值。工程上为了防止混叠常在信号采集前用硬件进展滤波，去除赖奎斯特频率以上的信号成分，称为抗混滤波。NI有些数据采集产品也有这种功能。9-2-6频率丈量频率混叠例如9-2-6频率丈量频率丈量程序演示9-3输出模拟信号9-3-1模拟输出概述1.输出直流信号当输出信号的电平高低比输出值的变化率更重要时，需求产生的是一个稳定的直流信号。2.输出随时间快速变化的信号把数据采集设备当一个信号发生器运用时，就需求输出随时间快速变化的信号，我们把这种情况叫做波形输出。3.模拟输出的信号衔接运用不同的数据采集卡和接线端子，输出信号有不同的衔接方法。9-3-2输出直流信号演示9-3-3输出波形信号1.有限数量波形数据输出演示9-3-3输出波形信号2.延续波形数据输出9-3-3输出波形信号3.输出频率可调的波形信号演示9-4信号调理来自传感器的电信号普通还不能用数据采集设备来丈量，最主要的问题是它们大多数输出电压非常小，且极易受噪声影响，而有些信号又有能够存在很高的尖峰值。因此在将它们转换为数字量之前需求先进展放大、滤波或隔离等预处置，这项任务叫做信号调理。9-4-1信号调理概述1.信号调理的类型传感器把温度、压力、位移、声、光等物理景象转变为电信号，不同的传感器和不同的信号决议了信号调理安装的方式。传感器或信号信号调理类型热电偶放大和冷端补偿热电阻电流激励应变片电压激励、组桥位移电位计电压激励压电晶体传感器电荷放大共模电压或高电压隔离带高频噪声的信号低通滤波9-4-1信号调理概述1.信号调理的类型——放大放大是一种最常用的信号调理。对电信号进展放大的益处是它可以改良信号模数转换的精度并可以减少噪声。为了得到尽能够高的精度，应该将信号放大到它的幅值等于模数转换器的最大输入范围。9-4-1信号调理概述1.信号调理的类型——隔离当被检测的信号含有高电压峰值时，它能够损坏计算机或损伤操作者。在这种情况下出于平安思索就需求将计算机与传感器隔离。进展隔离的另一个缘由是确保数据采集设备的丈量不受地势差的影响。当数据采集设备与信号不是参考同一点地势点的话，就能够发生对地环流，影响丈量的准确性；假设信号地和数据采集设备地的势差很大的话，甚至能够损坏测试系统。运用信号调理器的隔离模块可以减小对地环流，确保信号测试准确。9-4-1信号调理概述1.信号调理的类型——滤波信号调理系统可以从被测试信号中滤除掉不需求的成分或噪声。对类似于温度这样缓慢变化的信号经常需求运用低通滤波器，减少信号的高频成分，提高模数转换的精度。运用低通滤波器可以滤除截止频率以上的一切信号频率成分。许多信号调理安装都有4Hz的低通滤波器，它很适于从低频采样的信号中滤除50Hz交流噪声。9-4-1信号调理概述1.信号调理的类型——传感器鼓励应变片、热电阻等许多传感器都需求外部电压或电流的鼓励来进展物理景象测试。许多信号调理设备都可以对传感器提供必要的鼓励。9-4-1信号调理概述2.常用的信号调理设备方式信号调理器(SCXI—SignalConditioningeXtensionsforInstrumentation)9-4-1信号调理概述2.常用的信号调理设备方式信号调理附件9-4-1信号调理概述2.常用的信号调理设备方式便携式信号调理模块〔SCC〕9-4-1信号调理概述2.常用的信号调理设备方式信号调理模块〔5B系列〕9-4-1信号调理概述2.常用的信号调理设备方式分布式信号采集系统9-4-1信号调理概述3.信号调理器与数据采集卡的通讯信号调理器做前端信号调理系统时，它向数据采集设备传送数据有两种根本的操作方式：多路复用方式和并行方式。采用多路复用方式时信号调理设备的一切输入通道都被复合到一个通道输出。在缺省情况下，以差分方式输出到数据采集设备的0通道。当模拟输入模块运转在并行方式下时，模块直接把它每个通道的信号传送到与它相连的数据采集设备的一个单独的模拟输入通道。9-4-2信号调理设备安装与设置1.信号调理器设置1)添加信号调理器9-4-2信号调理设备安装与设置1.信号调理器设置2)DAQmx新建信号调理器机箱9-4-2信号调理设备安装与设置1.信号调理器设置3)DAQmx信号调理模块设置

9-4-2信号调理设备安装与设置1.信号调理器设置4)DAQmx信号调理机箱设置9-4-2信号调理设备安装与设置2.FieldPoint设置1)新建FieldPoint通用资源9-4-2信号调理设备安装与设置2.FieldPoint设置2)MAX中的FieldPoint内容9-4-2信号调理设备安装与设置2.FieldPoint设置3)MAX中FP-TC-120设置9-4-2信号调理设备安装与设置2.FieldPoint设置4)设置FieldPoint数据项9-4-2信号调理设备安装与设置2.FieldPoint设置5)FieldPoint数据项测试9-4-3应变丈量应变片是粘贴在受力物体上很薄的导体，它将被测对象的变形转换为电阻值变化。用应变片丈量金属资料的应变时，它的电阻变化率普通只需千分之几，电压往往是微伏级的，因此应变丈量常采用惠斯登电桥电路。a〕半桥单臂丈量电路〔b〕半桥双臂丈量电路〔c〕全桥丈量电路9-4-3应变丈量1.创建应变测试义务——应变丈量数据采集助手设置9-4-3应变丈量1.创建应变测试义务——应变丈量校准导游9-4-3应变丈量1.创建应变测试义务——应变丈量校准窗口9-4-3应变丈量2.生成应变丈量程序代码演示9-4-3应变丈量2.生成应变丈量程序代码——应变丈量义务设置演示9-4-4温度丈量1.热电阻〔1〕用热电阻丈量温度的原理热电阻的原理是利用资料的电阻值随温度变化来测试温度。对热电阻施加恒定电流，根据欧姆定律，其输出电压将随电阻变化。因此丈量电压即可得到温度变化。9-4-4温度丈量1.热电阻〔2〕创建温度测试义务9-4-4温度丈量1.热电阻〔3〕生成温度丈量程序代码演示9-4-4温度丈量2.热电偶〔1〕热电偶简介热电偶是由两种不同的导体A和B两端相连组成的闭合回路。假设两端温度T和T0不相等,将产生温差电动势，推进回路内有电流流过。组成该回路的A、B两导体称为热电极,由A,B导体组成的回路称为热电偶。9-4-4温度丈量2.热电偶〔2〕FielPointExpressVI设置面板9-4-4温度丈量2.热电偶〔3〕FieldPointExpressVI程序框图演示9-4-4温度丈量2.热电偶〔4〕运用FieldPoint丈量温度程序框图演示9-5数字信号输入输出数字信号输入输出和计数器都是对二进制数据进展的操作，也是工程实际中经常遇到的数据采集内容。9-5-1数字信号输入输出概述1.数字信号的概念数字输入输出接口通常用于与外围设备的通讯和产生某些测试信号。例如在过程控制中与受控对象传送形状信息，进展测试系统报警等。数字信号只需开〔ON〕关〔OFF〕两种形状。数字信号有开关量和脉冲序列两种。2.数字端口与数字线数字输入输出系统的重要组成部分是数字端口“port〞与数字线“line〞。数字线是数据采集卡中单独衔接一个数字信号的物理端子。一个数字线承载的数据叫做位“bit〞，它的二进制值是“0〞或“1〞。9-5-1数字信号输入输出概述2.数字端口与数字线9-5-1数字信号输入输出概述3.数字信号输入输出设备NI公司有专门的数字输入输出板卡和信号调理设备，但是许多多功能数据采集卡也具备不同的数字输入输出功能。4.数字信号输入输出方式数字通讯有立刻方式和握手方式两种方式。立刻方式数字输入输出就是调用一个数字输入输出VI马上读写数据；握手方式数字输入输出在传送每个数据时都要进展恳求和应对。9-5-2立刻方式数字输入输出DAQmx数字线输出数据采集助手9-5-2立刻方式数字输入输出DAQmx数字线立刻输出程序框图演示演示9-5-3握手方式数字输入输出DAQmx握手方式数字输入例如程序框图9-6计数器输入输出9-6-1计数器输入输出概述计数器为数据采集系统提供了高精度的计数与定时功能，数据采集卡上的计数/定时电路有些用于数据采集的定时控制，有些那么用于通用的计数/定时功能，例如产生脉冲序列、测试脉冲宽度和频率、进展事件计数与定时、进展准确的频率细分等。9-6-2输出脉冲信号方脉冲的一些主要术语时段1phase1：脉冲的第一个时段或延时。时段2phase2：脉冲的第二个时段或幅宽。周期Period：延时与幅宽之和。Period=phase1+phase2。频率frequency：周期的倒数。Frequenc