完整版labview數(shù)據(jù)采集

1、LabVIEW,與數(shù)據(jù)采集,肖俊生,2008.04.03,內容與安排,?,虛擬儀器與,LabVIEW,簡介,?,數(shù)據(jù)采集的相關介紹,?,數(shù)據(jù)采集設備的設置與測試,?,LabVIEW,中的數(shù)據(jù)采集,?,LabVIEW,中數(shù)據(jù)采集的擴展應用,?,介紹若干實例,第一部分,虛擬儀器簡介,NI,公司于,20,世紀,70,年代中期提出了虛擬儀器的概念。,虛擬儀器是在以通用計算機為核心的硬件平臺上，由用,戶設計定義，具有虛擬面板，測試功能由測試軟件實現(xiàn),的一種,計算機儀器系統(tǒng),，是計算機技術與儀器技術相結,合的產物，其基礎是計算機系統(tǒng)，核心是軟件技術。簡,而言之，虛擬儀器就是在開放架構的基礎上創(chuàng)建用戶自,定

2、義的測試系統(tǒng)。虛擬儀器大大突破了傳統(tǒng)儀器在數(shù)據(jù),采集、處理、顯示、存儲等方面的限制，是一個測試和,自動化系統(tǒng)的高性能、低成本運載平臺。,虛擬儀器的構成,虛擬儀器與傳統(tǒng)儀器的比較,?,獨立式傳統(tǒng)儀器的基本框架類似于基于,PC,機的虛擬儀,器,?,根本區(qū)別在于兩者不同的,靈活性,，用戶是否能夠根據(jù)各,自不同的需求對其進行修改和擴展,虛擬儀器的特點,?,軟件是虛擬儀器的核心,?,性價比高,?,縮小了儀器廠商與用戶之間的距離,?,具有良好的人機界面,?,具有方便、靈活的互聯(lián),?,可靠性高,?,具有開放性、模塊化、可重復使用及互換性等特點,?,維護、維修方便,什么是,LabVIEW,?,LabVIEW,

3、是美國,NI,（,National Instrument,）公司推出的,一種基于,G,語言（,Graphics Language,，圖形化編程語言）,的虛擬儀器軟件開發(fā)工具。,?,LabVIEW,為虛擬儀器設計者提供了一個便捷、輕松的設,計環(huán)境。利用它，設計者可以像搭積木一樣輕松組建一,個測量系統(tǒng)和構造自己的儀器面板，而無需進行任何繁,瑣的計算機代碼的編寫。,LabVIEW,的特點與優(yōu)點,?,圖形化編程方式,?,提供豐富的數(shù)據(jù)采集、分析及存儲的庫函數(shù),?,即提供傳統(tǒng)的程序調試手段，同時提供獨到的高亮執(zhí)行,工具，程序調試、開發(fā)更方便,?,包括了,DAQ,、,GPIB,、,PXI,、,VXI,、,

4、RS-232/485,、,USB,在,內的各種儀器通信總線標準的功能函數(shù),?,提供大量與外部代碼或軟件進行連接的機制，如,DLL,、,DDE,、,ActiveX,等,?,強大的網(wǎng)絡功能，支持常用網(wǎng)絡協(xié)議,LabVIEW,程序實例（前面板）,輸入,控件,顯示,控件,按鈕,LabVIEW,程序實例（后面板）,生成函數(shù),第二部分,數(shù)據(jù)采集的任務,?,數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的任務，具體地說，就是采集傳感器輸出,的模擬信號并轉換成計算機能識別的數(shù)字信號，然后送,入計算機進行相應的計算和處理，得出所需的數(shù)據(jù)。與,此同時，將計算得到的數(shù)據(jù)進行顯示或打印，以便實現(xiàn),對某些物理量的監(jiān)視，其中一部分數(shù)據(jù)還將被生產過程,中的

5、計算機控制系統(tǒng)用來控制某些物理量。,?,數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)性能的好壞，主要取決于它的精度和速度。,模擬信號的數(shù)字化處理,?,數(shù)據(jù)采集的核心過程就是,將連續(xù)的模擬信號轉換成,離散的數(shù)字信號,?,采樣點太多，會占用大量,內存單元；采樣點太少，,會使模擬信號的某些信息,被丟失，出現(xiàn)失真現(xiàn)象,混疊干擾,圖中采樣頻率,500Hz,，,5,個正,弦波的頻率分別為,100Hz,，,200Hz,，,300Hz,，,375Hz,和,400,Hz,。因為,100Hz,，,200Hz,的信,號頻率小于,f,s,/2,，可以由離,散信號還原出原始的正弦波,連續(xù)信號。而,300Hz,，,375Hz,和,400Hz,的信號頻率

6、都大于,f,s,/2,，故離散信號重構原信,號時形成了頻率不同于原信,號頻率的信號，即混疊,（,aliasing,）干擾。,采樣定理,在進行信號采樣時，需要遵循,采樣定理,：設連,續(xù)模擬信號,X(t),的頻譜為,X(f),，以采樣間隔,T,s,采樣得到的離散模擬信號為,X(nT,s,),，如果,X(f),和,T,s,滿足以下條件，離散信號,X(nT,s,),可以完全,確定頻譜,X(f),?,X(f),有截止頻率,(,即最高頻率,)f,h,，即當,|f| f,h,時，,X(f),0,?,T,s,1/2f,h,或,f,s,2f,h,混疊的消除,?,由采樣定理可知，如果要求不產生混疊干擾，首先應使,

7、被采樣信號,X(t),成為有限帶寬的信號。為此，對不滿足,此要求的信號，在采樣之前，使其先通過模擬低通濾波,器濾除高頻成分，使其成為帶限信號。這種處理稱為抗,混疊濾波預處理。其次，應使采樣頻率,f,s,大于帶限信號,最高頻率,f,h,的,2,倍，即,f,s,2f,h,。,?,在實際工作中，考慮到實際的模擬低通濾波器不可能有,理想的截止特性，在其截止頻率,f,h,之后總有一定的過渡,帶，故采樣頻率常常選為（,3,4,）,f,h,，,甚至更高。,量化,為了能用計算機處理信號，須將采樣信號轉換成數(shù)字信,號，也就是將采樣信號的幅值用二進制碼來表示，由于,二進制碼的位數(shù)是有限的，只能代表有限個信號的電平

8、，,故在編碼之前，首先要對采樣信號進行“量化”。,量化,就是把采樣信號的幅值與某個最小數(shù)量單位的一系列整倍數(shù),比較，以最接近于采樣信號幅值的最小數(shù)量單位倍數(shù)來代替該幅,值。這一過程稱為“量化過程”，簡稱“量化”。,最小數(shù)量單位稱為量化單位。量化單位定義為量化器滿,量程電壓,FSR,（,Full Scale Range,）與,2,n,的比值，用,q,表,示，有,：,2,n,FSR,q,?,式中，,n,為量化器的位數(shù)，也就是采集卡的采樣位數(shù)。,量化誤差,?,由量化引起的誤差叫做量化誤差（也常叫做量化噪聲，,因為它常與噪聲有相同影響）。,?,量化誤差的最大值為,q,，它是一種原理性誤差，只能減,小而

9、不能完全消除。,?,由前面,q,的定義式可以看出，減小量化誤差可以通過兩,個途徑：,?,減小,FSR,，即根據(jù)輸入信號的大小，設置合理的,采集卡通道的輸入信號范圍；,?,增大,n,的值，即選擇采樣分辨率高的采集卡。,信號分類,?,在數(shù)據(jù)采集應用領域，常將被測信號分為數(shù)字信號和模,擬信號（也稱連續(xù)時間信號）。數(shù)字,(,二進制,),信號分為,開關信號或脈沖信號。模擬信號可分為直流、時域、頻,域信號，如下圖所示。,模擬信號的連接方式,?,接入數(shù)據(jù)采集設備的信號根據(jù)參考點的不同可以分為接地信號和浮,動信號兩種類型。,接地信號,浮動信號,接地信號,：就是以系統(tǒng)地（如建筑物的地）為參考點的信號，也稱,參考

10、信號。因為接地信號用的是系統(tǒng)地，所以與數(shù)據(jù)采集設備是共,地的。最常見的接地信號源是通過墻上的接地引出線接入建筑物地,的設備，如信號發(fā)生器和電源。,一個不與任何地（如大地或建,筑物的地）連接的電壓信號稱,為,浮動信號,，浮動信號的每個,端口都與系統(tǒng)地獨立。一些常,見的浮動信號源有電池、熱電,偶、變壓器和隔離放大器等。,測量系統(tǒng)分類,-,差分測量系統(tǒng),信號的正負極分別與一個模擬輸入,通道相連接。具有儀器放大器,（,Instrumentation Amplifier,）的數(shù),據(jù)采集設備可配置成差分測量系統(tǒng)。,一個理想的差分測量系統(tǒng)能夠精確,測量（,+,）和（,-,）輸入端口之間的,電位差，并將共模電

11、壓完全抑制掉。,需要注意,，若輸入共模電壓超過允,許范圍，將會降低測量系統(tǒng)的共模,抑制比。為了避免測量誤差，需要,限制信號地與數(shù)據(jù)采集卡的地之間,的浮地電壓。,測量系統(tǒng)分類,-,參考地單端,測量系統(tǒng),所有信號均使用同一個參考,電壓或接地電壓，也稱為接,地測量系統(tǒng)。在接地測量系,統(tǒng)中，被測信號一端接模擬,輸入通道，另一端直接與系,統(tǒng)地,AIGND,相連。,測量系統(tǒng)分類,-,無,參考地單端,測量系統(tǒng),所有測量都有一個共同的參考,源，但此類參考電壓可根據(jù)測,量系統(tǒng)的地面實際情況而有所,不同。在無參考地單端測量系,統(tǒng)中，信號的一端接模擬輸入,通道，另一端接一個公共參考,端（,AISENSE,），但這個

12、參,考端電壓相對于測量系統(tǒng)的地,來說是不斷變化的。一個單通,道的,無參考地單端測量系統(tǒng),和一,個單通道的差分測量系統(tǒng)是一,樣的。,測量系統(tǒng)的選擇,單端輸入以一個共同點為參考點，這種方式適用于輸入信號為高電,平（大于,1V,）且信號源與采集端之間的距離較短（通常小于,5m,）的,應用場合。如果不能滿足上述條件，則需要使用差分輸入。在差分,輸入方式下，每個輸入可以有不同的參考點，并且有效地消除了共,模噪聲的影響，所以,差分輸入,方式的采集精度較高。,連接方式,接地信號,浮動信號,差分,參考地單端,無參考地單端,數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的組成,模擬多路開關,?,模擬多路開關可以分時選通來自多個輸入通道的某一路,

13、信號，使得在一個特定的時間范圍內，只允許一路模擬,信號輸入到,A/D,轉換器。因此，在多路開關后的單元電,路，如采樣,/,保持電路、,A/D,及處理器電路等，只需一套,即可，這樣可以降低成本，減小設備體積。,?,多路開關從一個通道切換到另一個通道時會發(fā)生瞬變現(xiàn),象，使輸出產生短暫的尖峰電壓。,?,模擬多路開關的,源負載效應誤差,和,串擾,等因素對檢測精,度有較大的影響，尤其是在信號源內阻較大的時候，因,此，,信號源的內阻應該盡可能的小,。,數(shù)據(jù)采集卡的功能,功,能,描,述,模擬輸入,數(shù)據(jù)采集卡,最基本、最常用,的功能，將模擬電壓,信號通過,A/D,轉換成數(shù)字信號。常用于檢測溫度、,壓力,、流量

14、等傳感器的輸出電壓信號。,模擬輸出,通過,D/A,轉換將自定義的數(shù)字信號轉化成模擬信號,輸出。常用作信號發(fā)生器為其他系統(tǒng)提供激勵。,數(shù)字,I/O,處理二值信號，多數(shù)采用,TTL,電平標準。通常用于,獲取,/,設置數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)外圍設備的狀態(tài)，可以利,用其與外圍設備進行通信，還能驅動步進電機等。,計數(shù)器,實現(xiàn)定時功能，或生成數(shù)字脈沖信號，以驅動步進,電機一類的執(zhí)行元器件。也能對脈沖信號計數(shù)，如,測量數(shù)字脈沖信號的頻率等。,采集卡基本參數(shù),?,以,NI,公司的,PCI-6221,多功能采集卡為例，介紹采集卡的,一般參數(shù)：,?,模擬輸入：,16,路單端,/8,路雙端，輸入范圍：,10V,?,分辨率：,

15、16,位,?,采樣頻率：最高,250kS/s,?,模擬輸出：,2,路，,12,位，,833kS/s,，輸出范圍：,10V,?,數(shù)字,I/O,：,8,路,?,計數(shù)器：,2,路，,24,位，基準時鐘,20MHz,第三部分,數(shù)據(jù)采集設備的設置與測試,測試與自動化資源管理器（,MAX),第四部分,為什么選擇,LabVIEW,做數(shù)據(jù)采集？,?,LabVIEW,是一種面向工程師的編程語言，采用圖形化編,程，多線程同步運行，只需要連線就能進行軟件的編制。,提供了豐富的函數(shù)庫和控件，搭建軟件的界面非常迅速，,一個熟練的工程師可能只需要幾分鐘就能搭建一個數(shù)據(jù),采集系統(tǒng)。,?,NI,的數(shù)據(jù)采集卡提供了對,LabV

16、IEW,豐富且完備的支持，,驅動函數(shù)都是在底層的基礎函數(shù)上進行了高度封裝，用,戶不需要對采集卡具體工作有深入的了解，只要掌握這,些驅動函數(shù)輸入,/,輸出端口的意義，就能進行數(shù)據(jù)采集,開發(fā)。,LabVIEW,中的模擬輸入,形,式,描,述,單點采集,采集設備從一個或多個輸入通道分別獲取一個信號值，,然后,LabVIEW,立即返回這個值，這是一個即時、無緩,沖的操作。效率和靈活性低。,波形采集,在計算機內存中開辟一段緩沖區(qū)，設備將采集的數(shù)據(jù),存入其中，當指定的數(shù)據(jù)采集完成后，,LabVIEW,再將,緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)一次讀出，此時輸出的是一段有限長,度的信號波形。,連續(xù)采集,開辟一段循環(huán)緩沖區(qū)，設備連續(xù)

17、采集數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)向,緩沖區(qū)中存放的同時，,LabVIEW,依據(jù)設置，將緩存中,的數(shù)據(jù)一段一段地讀取出來。最常用的采集方式。,連續(xù)模擬輸入,采到緩沖區(qū),中的數(shù)據(jù),（,AI Start,）,數(shù)據(jù)結束端,當前讀取標志,LabVIEW,從緩沖,區(qū)中讀取的數(shù)據(jù),（,AI Read,）,數(shù)據(jù)結束端,數(shù)據(jù)結束端,數(shù)據(jù)結束端,當前讀取標志,當前讀取標志,連續(xù)模擬輸入,?,需要,注意,，程序讀取數(shù)據(jù)的速度要不慢于設備往緩沖區(qū),中存放數(shù)據(jù)的速度，這樣才能保證連續(xù)運行時，緩沖區(qū),中的數(shù)據(jù)不會溢出?？梢酝ㄟ^調節(jié)以下,3,個參數(shù)來達到,上述要求：,?,buffer size,（緩存的大?。??,scan rate,（采

18、樣速率）,?,number of scans to read at a time,（每次讀取的樣本數(shù)）,?,連續(xù)采集的程序模型為：,AI,Config,AI,Start,AI,Read,Data,Process,AI,Clear,循,環(huán),連續(xù)模擬輸入程序實例,模擬輸入的討論,?,對于一些復雜的采集任務，可以采用一些特殊的采集方,式，例如采用外部時鐘采集、觸發(fā)采集等；,?,觸發(fā)采集種類很多，根據(jù)觸發(fā)信號類型可以分為數(shù)字信,號觸發(fā)和模擬信號觸發(fā)；根據(jù)觸發(fā)形式可以分為邊沿觸,發(fā)和窗口觸發(fā)；根據(jù)觸發(fā)功能可以分為啟動觸發(fā)、暫停,觸發(fā)和參考觸發(fā)；,?,不是每個數(shù)據(jù)采集卡都具有這些特殊采樣功能的，使用,前要

19、查看采集卡的使用手冊；,?,在模擬輸入采集系統(tǒng)中，實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集并不復雜，數(shù)據(jù),處理與分析才是難點。,LabVIEW,中的模擬輸出,形,式,描,述,單點模出,將一個數(shù)據(jù)直接寫到模擬輸出通道，產生一個模擬直,流信號，是一個即時、無緩沖的操作,波形模出,在計算機內存中開辟一段緩沖區(qū)，,LabVIEW,將一段數(shù),字波形寫入緩沖區(qū)中，然后設備將緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)通,過,DAC,輸出，就得到一段模擬波形,連續(xù)模出,開辟一段循環(huán)緩沖區(qū)，,LabVIEW,將數(shù)字波形寫入緩沖,區(qū)中，設備連續(xù)將緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)通過,DAC,輸出。最,常用的采集方式。,連續(xù)模擬輸出,?,有兩種形式的連續(xù)模擬輸出，第一種就是在模擬輸出之,

20、前，將數(shù)字信號寫入緩沖區(qū)中，然后設備連續(xù)不斷地將,緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)通過,DAC,重復輸出。這種連續(xù)模出執(zhí)行,效率很高，但是需要寫入的數(shù)字信號必須是整周期的，,不然輸出模擬信號將會不連續(xù)，在使用上不夠靈活。,AO,Config,AO,Start,AO,Write,AO,Clear,循,環(huán),AO,Write,Digital,Signal,Nothing,連續(xù)模擬輸出,?,第二種方式就是在設備將緩沖區(qū)中數(shù)據(jù)輸出的同時，不,斷地將數(shù)字信號寫入緩沖區(qū)中，這種方式在編程上比較,復雜，但是靈活性比較高，只要保證這一次寫入緩沖區(qū),的數(shù)字信號和上次是連續(xù)的就行，不需要每次寫入的信,號是整周期的。,AO,Confi

21、g,AO,Start,AO,Write,AO,Clear,循,環(huán),AO,Write,Digital,Signal,Digital,Signal,長度為其,1/2,LabVIEW,中的數(shù)字,I/O,?,一般情況下，數(shù)字,I/O,按照,TTL,邏輯電平設計，其邏輯低,電平在,0,到,0.7V,之間，高電平在,3.4,到,5.0V,之間；,?,在硬件設備上，多,路,（,Line,）數(shù)字,I/O,組成一組后被稱為,端口,（,Port,）。一個端口由多少個數(shù)字通路組成是依據(jù),其設備而定的，在多數(shù)情況下,8,個數(shù)字通路組成一個端,口；,?,在,LabVIEW,中對數(shù)字,I/O,的操作非常簡單，可以對整個,

22、端口進行操作，也可以對端口中的一路或多路同時進行,操作。,LabVIEW,中的計數(shù)器,GATE,OUT,SOURCE,（,CLK,）,Count Register,?,可以設置對,SOURCE,輸入端口由高到低或由低到高的信號狀態(tài)進行計數(shù)；,可以設置內部計數(shù)寄存器的計數(shù)方式為遞增或遞減；,?,GATE,端口的輸入控制計數(shù)器的計數(shù)操作，可以設置為以下幾種門限工作,方式：高電位計數(shù)、低電位計數(shù)、上升沿觸發(fā)計數(shù)、下降沿觸發(fā)計數(shù)，以,及無門限方式；,?,可以使用,OUT,口發(fā)生多種類型的波形，或者用于計數(shù)器的串級使用中，從,而增大計數(shù)器的量程。,如左圖為計數(shù)器的簡化,模型：一個,SOURCE,輸,入口

23、、一個,GATE,輸入口、,一個,OUT,輸出口，以及,一個計數(shù)寄存器,計數(shù)器的頻率測量,方,法,描,述,Low Frequency,with 1 Counter,將待測信號輸入計數(shù)器的,Gate,端，,Source,端引入內部的,恒定時基，這樣在信號的一段周期內對時基進行計數(shù)，從,而可得到信號的周期，然后求周期的倒數(shù)后就得到了頻率,值。此方法只用一個計數(shù)器，適用于低頻信號的測量。,Large Range,with 2 Counters,先將待測信號輸入第一個計數(shù)器的,source,端，進行降頻處,理，然后再輸入到第二個計數(shù)器的,Gate,端，進行周期測量，,求其倒數(shù)后得到頻率值。此方法適用于

24、頻率范圍比較大的,信號的測量。,High Frequency,with 2 Counters,使用兩個計數(shù)器，首先通過第一個計數(shù)器來生成一個由,measurement time,指定周期的信號，輸入第二個計數(shù)器的,Gate,端，然后將待測信號輸入第二個計數(shù)器的,Source,端，,即在一個已知周期內數(shù)待測信號的周期數(shù)，這樣再除一下,即可得到頻率值。此方法適用于高頻信號的測量。,并行安排,?,多功能,DAQ,設備上的模擬輸入、模擬輸出、數(shù)字,I/O,和計數(shù)器等功,能是能夠同時運行的，可以在程序中并行安排這些功能，還能實現(xiàn),它們的同步。,?,如下圖，是一個連續(xù)采集和連續(xù)模擬輸出并行安排的程序，利用

25、傳,遞,error,信息的數(shù)據(jù)線安排并行的執(zhí)行順序。,第五部分,對外接口與調用,NI,采集卡,非,NI,采集卡,LabVIEW,其它環(huán)境，,如,VC,、,VB,傳統(tǒng),DAQ,或,DAQmx,驅動,創(chuàng)建,DLL,調用,DLL,基于網(wǎng)絡的遠程數(shù)據(jù)采集,?,要實現(xiàn)遠程數(shù)據(jù)采集，可以通過網(wǎng)絡使多臺計算機（客戶機）共享,一臺計算機（服務器）上的,DAQ,設備，這樣就不必在每臺客戶機,上都安裝,DAQ,設備，只需要在服務器上配置,DAQ,設備即可，整個,遠程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的組成如下圖所示。,遠程采集的實現(xiàn)方法,?,遠程設備訪問（,RDA,）技術,NI,公司專為遠程數(shù)據(jù)采集而提供的一項技術，它可將,DAQ,設

26、備,在網(wǎng)絡上共享，通過一定的設置后，在客戶機上可以控制該遠,程設備，并且使用起來和本地的,DAQ,設備并無差別。,?,DataSocket,技術,NI,公司提供的一種新的實時數(shù)據(jù)傳輸技術，可用于一個計算機,內或網(wǎng)絡中多個應用程序之間的數(shù)據(jù)交換。它克服了傳統(tǒng),TCP/IP,傳輸協(xié)議需要較為復雜的底層編程、傳輸速率較慢（特,別是對動態(tài)數(shù)據(jù)）等缺點，大大簡化了實時數(shù)據(jù)的傳輸問題。,?,其它技術,可以通過,TCP/UDP,網(wǎng)絡協(xié)議、遠程面板（,Remote Panels,）等,實現(xiàn)遠程數(shù)據(jù)采集，各種方法各有優(yōu)缺點。,基于聲卡的數(shù)據(jù)采集,?,聲卡作為語音信號與計算機的通用接口，其主要功能就,是經(jīng)過,DSP,（數(shù)字信號處理）音效芯片的處理，進行模,擬音頻信號與數(shù)字信號的轉換，因此，從其功能上來看，,聲卡也可以作為一塊數(shù)據(jù)采集卡來使用。聲卡價格低廉，,現(xiàn)在一般的電腦上都已經(jīng)集成了聲卡，用其取代常規(guī)的,DAQ,設備是一種很好的選擇，而且,LabVIEW,中提供了,專門用于聲卡操作的函數(shù)節(jié)點，所以用聲卡搭建數(shù)據(jù)采,集系統(tǒng)也是非常方便的。,聲卡的技術參數(shù),?,聲卡的技術參數(shù)主要有兩個：,采樣位數(shù),和,采樣頻率,。,?,聲卡采樣位數(shù)的概念和數(shù)據(jù)采集卡的位數(shù)概念是一樣的，是指將模,擬信號轉化為數(shù)字信號的二進制位數(shù)，反映了對信號描述的準確程,度。位數(shù)顯然是越高越好，目前市