虚拟仪器课件第八章.ppt

1、第八章 数据采集,虚拟仪器系统构成 虚拟仪器的数据采集卡 虚拟仪器采集相关原理 数据采集卡的配置 Labview中的数据采集控件 数据采集的一些扩展应用,一个完整的虚拟仪器系统,一些实际的虚拟仪器系统,虚拟仪器的硬件平台组成 构成虚拟仪器的硬件平台有两部分： 计算机和I/O接口设备。 计算机 计算机一般为一台PC机或者工作站， 是硬件平台的核心 I/O接口设备 I/O接口设备主要完成被测输入信号的采集、放大及模/数转换。不同的总线有其相应的I/O接口硬件设备， 利用PC机总线的数据采集卡/板（简称DAQ）、 GPIB总线仪器、 VXI总线仪器模块、 串口总线仪器、 PXI总线,虚拟仪器五种主要

2、构成方式以接口方式分类,（1） PC-DAQ系统：是以数据采集板、信号调理电路和计算机为仪器硬件平台组成的插卡式虚拟仪器系统。它采用PCI或ISA计算机本身的总线，故将数据采集卡/板 (DAQ) 插入计算机的空槽中即可。 （2）GPIB系统：以GPIB标准总线仪器与计算机为仪器硬件平台组成的虚拟仪器测试系统。典型的GPIB测试系统由一台计算机、一块GPIB接口板和几台GPIB仪器组成。GPIB接口板插入计算机的插槽中，建立起计算机与具有GPIB接口的仪器设备之间的通信桥梁。,（3） VXI系统：以VXI标准总线仪器模块与计算机为仪器硬件平台组成的虚拟仪器测试系统。VXI总线是一种高速计算机总线

3、在仪器领域的扩展。它具有标准开发、结构紧凑、数据吞吐能力强、定时和同步精确、模块可重复利用、众多仪器商支持等优点，应用越来越广。尤其在组建大中规模自动测量控制系统， 以及对速度、 精度要求非常高的场合，有其他仪器无法比拟的优点。此外，VXI总线的组建方案其功能最为强大、 组建的系统最为稳定，但VXI总线在实现强大功能的同时，价格也是十分昂贵的。 ,（4） PXI系统：以PXI标准总线仪器模块与计算机为仪器硬件平台组成的虚拟仪器测试系统。PXI(PCIbus eXtentions for Instrumentation)总线是基于PCI总线的虚拟仪器系统构架，是NI公司于1997年推出的一种新的

4、开放性、 模块化仪器总线规范。PXI在主流PCI计算技术和控制器的基础上采用流行的奔腾MMX处理器，带有标准GPIB接口、并串口、以太网络接口及显示器接口，为用户组建速度高、 成本低、结构紧凑的测试系统提供了可行性。,（5） 串口系统：以Serial标准总线仪器与计算机为仪器硬件平台组成的虚拟仪器测试系统。 无论上述哪种虚拟仪器系统，都是通过应用软件将仪器硬件与通用计算机相结合。其中，PC-DAQ测量系统是构成虚拟仪器的最基本的方式。,虚拟仪器的数据采集卡,虚拟仪器采集卡的分类,PCI式采集卡 PXI VXI,GPIB 并行接口 USB RS232/RS485 IEEE1394接口,高速内插式

5、 通用外挂式,常用虚拟仪器板卡,PXI产品,VXI产品示例,GPIB产品示例,屏蔽的24芯GPIBcable及定义,虚拟仪器软件驱动模块,为简化硬件板卡编程和控制，NI和Agilent标准化了数百种常用仪器、板卡的驱动，它们已成为虚拟仪器开发平台的一部分，开发时可直接复用这些硬件驱动代码。,基于PCI总线数据采集卡PCI6014实物及功能 （Peripheral Component Interconnect,即外设部件互连）,主要 完成计算机对外部数据的放大、数模转换功能 16路模拟输入 采样率 200 kS/s 2 路模拟输出 16-bit 分辨率 8 个数字通道 (5 V TTL/CMOS

6、) 2个 24-bit 计数器 数字触发 函数发生器功能,基于PCI总线数据采集盒BNC2120功能,是数据采集卡与外部信号的接口 8模拟输入通道 2 通道模拟输出 8 个数字通道 (5 V TTL/CMOS); 2个 24-bit 计数器 数字触发 函数发生器功能,示例：电话拨号声音的DAQ系统,虚拟仪器采集相关原理,主要内容,信号与系统概述 信号采集的基本定理 信号采集的基本功能 A/D D/A DIO Timer/Counter,信号与系统概述,一个典型的数据采集系统：,信号与系统概述,信号的分类：,信号与系统概述,数字信号,信号与系统初步,模拟信号,信号采集前置预处理,传感器 信号调理

7、 放大 滤波 信号转换 将外部信号采入计算机，并加以处理，最后输出,常见传感器,物理现象传感器 温度热电偶 RTD IC传感器 热敏电阻 光光电传感器 声麦克风 力和压力应变仪 压电传感器,模拟信号调理,低电压信号,电流输入/输出,RTDs 和热敏电阻,热电偶,应变仪,隔离 放大 噪声滤波,电流与电压的转换; 隔离，放大，噪声滤波,隔离，放大，噪声滤波 冷端补偿,激励电源 隔离，放大，噪声滤波,激励电压 全桥和半桥设置 隔离，放大，噪声滤波,多功能I/O,数据采集系统功能,A/D转换（模拟量/数字量转换） D/A转换（数字量/模拟量转换） DIO（数字量输入/输出） Timer/Counter

8、（定时器/计数器）,基本定义及参数,A/D：模拟量数字量转换 把外部电压信号转成计算机能够识别的数字信号 采样频率 Max Sampling Rate (S/s), Sampling Frequency (Hz) 精度(Resolution)：8bit 12bit 14bit 16bit 输入范围(Input Range)(增益)： 同步采样(Simultaneous analog input) 轮询采样(Multiplex analog input) 突发模式采样(Burst mode) 触发模式(Trigger mode) 隔离(Isolation) FIFO,采样方式,A/D转换的物理过

9、程,模拟 信号,A/D触发信号,数据 缓冲区,PCI总线,内存(Buffer),CPU,模拟 信号,模拟 信号,模拟信号的数字化处理,数据采集的核心过程就是将连续的模拟信号转换成离散的数字信号 采样点太多，会占用大量内存单元；采样点太少，会使模拟信号的某些信息被丢失，出现失真现象,A/D基本定义,信号的频率 代表信号变化快慢的物理量 任何一种信号都可以转换成一组正弦波的迭加 不同的信号频率不同： 语音：4kHz 音乐：20kHz 超声：20kHzxxMHz FM收音机：MHz 雷达：xGHz ,A/D基本定义,采样频率 采样周期的倒数 表示采样快慢的物理量 多少时间采一个点/每秒采样多少个点

10、Nyquist采样定律：fs=2*fmax fs ：采样频率 fmax ：信号最高频率 一般最小为fs=2.5*fmax 工程上一般取为fs=68*fmax 采样定律的特例 等效时间采样,A/D基本定义采样与混叠,足够的采样率下的采样结果,过低采样率下的采样结果,A/D基本定义,能够正确显示信号而不发生畸变的最大频率叫做Nyquist频率，它是采样频率的一半 信号中所包含的频率高于Nyquist频率的成分，将在直流和Nyquist频率之间发生畸变，称为混叠（alias） 混频偏差（alias frequency） ABS（采样频率的最近整数倍输入频率） 解决方案 在A/D前加入低通滤波器，将信

11、号中高于Nyquist频率的信号成分滤去 称为抗混叠滤波器,A/D基本定义多通道采样,多通道采样 同步采样 采用多个A/D芯片，不同通道采用同一时钟 保证不同通道的采样时间相同（信号同步） 轮询采样 只采用一个A/D芯片，通过多路转换开关实现不同通道的切换 通道转换时间 可以通过外加采样/保持电路保证采样的同步 突发模式采样 用通道时钟控制通道间的时间间隔 用另一个扫描时钟控制两次扫描过程之间的间隔 BSSH,D/A基本定义,D/A：数字量模拟量转换 将计算机内部数字量信号转成外部电压 建立时间(Setting Time)：指变化量为满刻度时，达到终值1/2LSB时所需的时间 更新频率/采样频

12、率 (Max Data Update Rate) 精度(Resolution)：8bit 12bit 14bit 16bit 输出范围 输出信号类型 电压输出 电流输出(Source、Sink) ,数据采集卡的配置,通常情况下， LabVIEW安装和配置DAQ板卡的主要步骤如图8-12所示。,安装和配置DAQ板卡的主要步骤,DAQ设备的安装与配置,1) 安装DAQ设备硬件 将PCI 数据采集卡插到计算机主板上一个空闲的PCI插槽中，接好各种附件，其驱动程序就是NI-DAQ。附件包括一条数据线和一个采集盒，采集盒直接与外部信号连接。 2) 安装DAQ设备驱动及检验 安装Measurement &

13、 Automation Explorer的软件，简称MAX，该软件用于管理和配置硬件设备。 若DAQ设备安装成功，可在Measurement & Automation 浏览窗口看到DAQ设备硬件的型号， 如图8-14所示。 ,图8-14 Measurement & Automation浏览窗口,3) 配置DAQ设备 下面介绍如何用MAX配置PCI-6014数据采集卡。 （1） 运行MAX，在MAX窗口左侧的设备管理树的Devices and Interfaces选项中，选择PCI-6014数据采集卡，如图8-15所示。,图8-15 选择PCI-6014窗口,（2） 在PCI-6014数据采集卡

14、窗口选择Properties.， 弹出PCI-6014数据采集卡的配置对话框，如图8-16所示。 对话框主要有五部分： System， AI， AO， Accessory和OPC(Remote Access是远程控制对话框， 这里不介绍)。 在这个对话框中可以完成对DAQ设备的配置。,图8-16 Configuring Device对话框,（3） 设置DAQ设备在系统中的设备(Device)编号。 在Configuring Device对话框的System页面中将Device属性值设为1，如图8-16所示。另外，该页面会将DAQ设备在Windows中所占用的资源列出， 例如中断号、 内存范围等

15、。 （4） 设置模拟输入(AI)属性。在Configuring Device对话框的AI页面中，将Polarity属性值设为10.0V+10.0V， 将Mode属性值设为Differential(差分输入)， 如图8-17所示。,图8-17 Configuring Device对话框的AI页面,（5） 设置模拟输出(AO)属性。 在Configuring Device对话框的AO页面中， 将Polarity属性值设为Bipolar(双极性)， 如图8-18所示。,图8-18 Configuring Device对话框的AO页面,（6） 设置附件(Accessory)。 在Configuring

16、 Device对话框的Accessory页面中，将Polarity属性值设为所选用的采集盒型号， 如BNC-2120， 如图8-19所示。,图8-19 Configuring Device对话框的Accessory页面,（7） 设置过程控制(OPC)。在Configuring Device对话框的OPC页面中， 将Polarity属性值设为Disabled，如图8-20所示。,图8-20 Configuring Device对话框的OPC页面,在完成了上述属性的设置之后， 单击“确定”按钮。 若属性配制成功，数据采集卡正常工作，单击Configuring Device对话框System页面中的

17、“Test Resources”按钮，系统就会弹出一个对话框，告知用户DAQ设备通过了测试，如图8-21所示。,图8-21 Configuring Device对话框System页面中的Test Resources页面,图8-22 Test Panel窗口,2. DAQ编程 DAQ的软硬件安装及配置之后，就可以进行DAQ编程。 LabVIEW是通过DAQ节点来控制DAQ设备完成数据采集的，所有的DAQ节点都包含在Functions模板All Functions子模板NI Measurements子模板Data Acquisition子模板中，如图8-23所示。,图8-23 Data Acqui

18、sition子模板,Labview软件中的数据采集控件,PCI6014数据采集卡的功能,Labview中有关数据采集的控件,LabVIEW中的模拟输入,模拟输入控件,简易数据采集控件,中层数据采集控件,高级控件,简易AI控件,可设置的跟采集相关参数有：样本个数、采样率,中层AI控件,可设置的采集相关的 参数： 缓冲区大小、 扫描率、 样本数、 读取样本数 可配置硬件相关的参数,例：简易控件完成的波形数据采集,连续模拟输入,需要注意，程序读取数据的速度要不慢于设备往缓冲区中存放数据的速度，这样才能保证连续运行时，缓冲区中的数据不会溢出。可以通过调节以下3个参数来达到上述要求： buffer si

19、ze（缓存的大小） scan rate（采样速率） number of scans to read at a time（每次读取的样本数） 连续采集的程序模型为：,AI Config,AI Start,AI Read,Data Process,AI Clear,循 环,连续模拟输入程序实例,模拟输入的讨论,对于一些复杂的采集任务，可以采用一些特殊的采集方式，例如采用外部时钟采集、触发采集等； 触发采集种类很多，根据触发信号类型可以分为数字信号触发和模拟信号触发；根据触发形式可以分为边沿触发和窗口触发；根据触发功能可以分为启动触发、暂停触发和参考触发； 不是每个数据采集卡都具有这些特殊采样功能的

20、，使用前要查看采集卡的使用手册； 在模拟输入采集系统中，实现数据采集并不复杂，数据处理与分析才是难点。,LabVIEW中的模拟输出,连续模拟输出,有两种形式的连续模拟输出，第一种就是在模拟输出之前，将数字信号写入缓冲区中，然后设备连续不断地将缓冲区中的数据通过DAC重复输出。这种连续模出执行效率很高，但是需要写入的数字信号必须是整周期的，不然输出模拟信号将会不连续，在使用上不够灵活。,AO Config,AO Start,AO Write,AO Clear,循 环,AO Write,Digital Signal,Nothing,连续模拟输出,第二种方式就是在设备将缓冲区中数据输出的同时，不断地

21、将数字信号写入缓冲区中，这种方式在编程上比较复杂，但是灵活性比较高，只要保证这一次写入缓冲区的数字信号和上次是连续的就行，不需要每次写入的信号是整周期的。,AO Config,AO Start,AO Write,AO Clear,循 环,AO Write,Digital Signal,Digital Signal,长度为其1/2,LabVIEW中的数字I/O,一般情况下，数字I/O按照TTL逻辑电平设计，其逻辑低电平在0到0.7V之间，高电平在3.4到5.0V之间； 在硬件设备上，多路（Line）数字I/O组成一组后被称为端口（Port）。一个端口由多少个数字通路组成是依据其设备而定的，在多数

22、情况下8个数字通路组成一个端口； 在LabVIEW中对数字I/O的操作非常简单，可以对整个端口进行操作，也可以对端口中的一路或多路同时进行操作。,8.4.5 虚拟仪器设计举例 例1 基于LabVIEW信号发生器的设计。 设计的信号发生器应具有系统控制，产生标准正弦波、 方波、三角波波形，数据存储显示以及输出模拟信号等功能。 1） 计算机产生波形的流程框图 在LabVIEW 7.0下， 计算机产生波形的流程框图如图8-27所示。,图8-27 计算机产生波形流程框图,2） 软件设计 （1） 前面板的设计。 根据传统信号发生器面板控键的功能，利用LabVIEW中的控制模板，分别在设计面板上放入模拟实

23、际信号发生器控键的数据输入控键、显示器、数据输出控件、开关和选择器。显示器用于显示输出的信号波形；数据输入控键用于输出信号的信号频率、采样频率、采样数、振幅和相位；数据输出控键则用于选择信号类型。 设计的前面板如图8-28所示。,图8-28 虚拟信号发生器的前面板,（2） 流程图的设计。 对于虚拟信号发生器而言，它的主要功能就是为我们提供激励信号，所以在流程图设计中，我们首先要选择一个产生信号的图标以及用于循环控制的While循环。 在流程图设计窗口中打开Functions模块，执行All FunctionsAnalyzeSignal GenerationBasic Function Gene

24、rator.VI操作， 通过开关选择信号类型。 执行All FunctionsStructuresWhile Loop操作， 调入While循环。,图8-29 虚拟信号发生器的程序框图, 运行检验。 当完成了设计后，若流程图设计窗口工具条中的箭头图标显示为，就说明我们的流程图设计是正确的， 接下来可以运行检验该程序了。 在前面板中，输入所使用的板卡设备号和输出信号所接的输出通道号，把频率和幅度调节到需要的刻度值，点击窗口工具条中的箭头图标或在Operate选项中选择Run运行程序。若将控件调至产生方波，则将在示波器中看到生成的波形。,Labview数据采集的扩展应用,对外接口与调用,NI采集卡,非NI采集卡,LabVIEW,其它环境， 如VC、VB,传统DAQ或DAQmx驱动,创建DLL,调用DAQmx C API,调用DLL,二次封装DLL,基于网络的远程数据采集,要实现远程数据采集，可以通过网络使多台计算机（客户机）共享一台计算机（服务器）上的DAQ设备，这样就不必在每