labview2014數(shù)據(jù)采集(上)第6講

1、第6講數(shù)據(jù)采集 （上）LabVIEW編程及虛擬儀器設(shè)計第4講內(nèi)容回顧圖形顯示波形圖（Graph，新替換舊），波形圖表（Chart，新接續(xù)在舊后）， XY圖，強度圖（用顏色表示第3維數(shù)據(jù)）Express VI（快速VI）通過對話框配置參數(shù)，輸入或輸出DDT類型（近似為波形數(shù)組）局部變量和全局變量局部變量：打破輸入和輸出顯示控件的讀寫限制 全局變量：在VI文件之間共享數(shù)據(jù) 注意并行運行程序段（讀寫同一數(shù)據(jù)）間的競態(tài)條件屬性節(jié)點，通過編程動態(tài)讀取/設(shè)置前面板控件屬性本講內(nèi)容數(shù)據(jù)采集基本概念MAX的使用DAQ助手數(shù)據(jù)采集程序示例（基于DAQ助手）仿真DAQ設(shè)備數(shù)據(jù)采集概念數(shù)據(jù)采集 DAQ Data A

2、cquisition 測量電學(xué)量（電壓、電流）和其他物理量（溫度、壓力）的過程。各種非電物理量通常采用傳感器轉(zhuǎn)化為電信號，之后通過A/D轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)化為計算機能夠處理的數(shù)字量（一次轉(zhuǎn)換生成一個采樣點）。通常以一定的時間間隔對隨時間連續(xù)變化的信號進行等間隔采樣，轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號隨時間連續(xù)變化的信號（已經(jīng)轉(zhuǎn)為電信號，非周期信號）通過采樣得到的數(shù)字信號采樣點采樣周期（倒數(shù)為采樣率Fs）數(shù)據(jù)采集概念基于數(shù)據(jù)采集的測試系統(tǒng)簡介系統(tǒng)組成被測對象傳感器信號調(diào)理數(shù)據(jù)采集信號處理儀器面板確保輸入信號滿足數(shù)據(jù)采集卡的需求；放大/衰減/隔離/濾波/激勵/線性化數(shù)據(jù)采集也包括控制部分，即與以上相反的（控制）信號傳輸路徑：儀

3、器面板信號發(fā)生數(shù)據(jù)采集被控設(shè)備DAQ設(shè)備工作于信號生成模式，將數(shù)字化信號輸出在程序中建立數(shù)字化控制信號虛擬儀器及系統(tǒng)的軟件所需軟件包括（從最底層到最頂層）： 硬件（如數(shù)據(jù)采集卡）的驅(qū)動程序 應(yīng)用程序編程接口（API）和工具 LabVIEW軟件編程環(huán)境 開發(fā)者根據(jù)功能需求所編寫的虛擬儀器程序利用計算機構(gòu)建的基于虛擬儀器技術(shù)的自動測試系統(tǒng)，軟件十分重要，因為軟件決定了系統(tǒng)/儀器功能Software is the Instrument 軟件就是儀器NI-DAQmx信號調(diào)理信號調(diào)理數(shù)據(jù)采集與模塊化儀器數(shù)據(jù)采集與模塊化儀器傳感器和變換器傳感器和變換器軟件軟件硬件硬件硬件實現(xiàn)的有硬件實現(xiàn)的有源低通濾波器源

4、低通濾波器獨立運放獨立運放電位器和開關(guān)電位器和開關(guān)兩路模出兩路模出開關(guān)在左開關(guān)在左 模入模入函數(shù)發(fā)生器函數(shù)發(fā)生器函數(shù)發(fā)生器和直流電壓函數(shù)發(fā)生器和直流電壓源電源總開關(guān)源電源總開關(guān)函數(shù)發(fā)生器函數(shù)發(fā)生器開關(guān)開關(guān)本課程使用的實驗箱本課程使用的實驗箱直流電壓源直流電壓源數(shù)字數(shù)字I/O采集卡定時采集卡定時測量系統(tǒng)信號的輸入方式有關(guān)“參考地單端（RSE）”和“無參考地單端（NRSE）”輸入方式及用途，可參考其他材料輸入信號輸入信號實驗中所構(gòu)建的測量系統(tǒng)，采用差分輸入方式 輸入信號接在“CH0+”與“CH0-”之間，CH0+即實驗箱上的模入端子CH0；CH0-，即模入端子CH8采樣率采樣率每秒（單位時間）采集

5、被測信號的次數(shù) 以高采樣率采集到的數(shù)字信號，能更真實反映原信號。采樣率過低時，采得數(shù)字信號與原信號差別很大被采正弦信號被采正弦信號自身頻率為自身頻率為f以以f采樣采樣以以2f采樣采樣以以4f/3采樣采樣采樣點采樣定理：采樣頻率至少是被測信號中最高頻率成分的頻率的兩倍采樣率實際中常取510倍 Nyquist frequencyNyquist rate可使用的采樣率（弧度/s）帶限信號的FT分辨率分辨率采集卡能夠檢測到的被測模擬信號的最小的電平變化量，由數(shù)據(jù)采集卡的位數(shù)（bit數(shù)）決定。n-bit的采集卡把輸入范圍劃分為2n份。本課程所使用PCI-MIO-16E-4數(shù)據(jù)采集卡的位數(shù)為12，即12-

6、bit12-bit的數(shù)據(jù)采集卡，將0-10V劃分為2的12次方份 3-bit的數(shù)據(jù)采集卡將0-10V的被測信號劃分為2的3次方份。顯然，如此采得的信號與原被測信號相差較遠輸入范圍輸入范圍由A/D轉(zhuǎn)換器進行數(shù)字化的模擬信號電壓變化范圍，該范圍劃分為2n份。在數(shù)據(jù)采集卡位數(shù)已確定前提下，應(yīng)盡可能使輸入范圍剛好容納被測信號的變化范圍 左圖輸入范圍是010 V，右圖輸入范圍是-1010 V。顯然，前者充分利用了采集卡可采集的電壓范圍，采樣效果更好一些輸入范圍0 10 V；3bit的采集卡將010 V劃分為2的3次方份輸入范圍-10 10 V；3bit的采集卡將-1010 V劃分為2的3次方份數(shù)據(jù)采集卡

7、配置可利用LabVIEW自帶的“測量及自動化瀏覽器” （Measurement & Automation Explorer MAX）配置數(shù)據(jù)采集卡DAQmx設(shè)備列表設(shè)備自檢測試設(shè)備功能數(shù)據(jù)采集卡配置MAX可實現(xiàn)如下功能：瀏覽系統(tǒng)中已安裝的數(shù)據(jù)采集卡，對其進行快速檢測（使用測試面板）和配置；每個采集卡都被分配一個設(shè)備號創(chuàng)建新的采集通道、任務(wù)、接口和比例參數(shù)等在MAX主界面左欄“我的系統(tǒng)”下的子目錄：數(shù)據(jù)鄰居 - 存儲了有關(guān)配置和修改任務(wù)、虛擬通道的信息設(shè)備和接口 - 可配置本地或遠程的數(shù)據(jù)采集卡、串口及并口等硬件設(shè)備換算 - 用于標定運算a)通道和任務(wù)通道物理通道（Physical ch

8、annel）：測量和生成模擬和數(shù)字信號的物理接線端或引腳（對差分輸入方式，每個物理通道對應(yīng)2個單端通道；每個數(shù)字端口包含8根線）虛擬通道（Virtual channel）：物理通道和其他通道相關(guān)屬性的集合，具體包括對應(yīng)的物理通道、虛擬通道名、信號輸入方式（差分/RSE/NRSE等）、輸入范圍、縮放比例等虛擬通道的分類局部（Local） - 存在于某個程序中，僅對該程序可見a)全局（Global） - 保存在MAX中，可被多個任務(wù)所使用通道和任務(wù)NI-DAQmx任務(wù) 代表了所要實施的一次信號測量或信號發(fā)生的操作。任務(wù)是一個或多個虛擬通道的集合，此外還包含了定時、觸發(fā)等屬性任務(wù)的分類 局部（Loc

9、al） - 存在于某個程序中，且只供該程序使用的任務(wù)（采用DAQ助手Express VI，或DAQmx函數(shù)在框圖上創(chuàng)建） 全局（Global） - 獨立于某個程序而存在、可被多個程序所使用的任務(wù)（采用MAX創(chuàng)建，且保存在MAX中）通道和任務(wù)物理通道、虛擬通道和任務(wù)物理通道ai0(差分接法對應(yīng)兩個端子CH0和CH8)輸入范圍-5 V5 V端子連接方式差分接法虛擬通道名“電壓_0”虛擬通道 電壓_0物理通道ai1(差分接法對應(yīng)兩個端子CH1和CH9)輸入范圍0 V10 V端子連接方式差分接法虛擬通道名“電壓_1”虛擬通道 電壓_1定時設(shè)置采樣模式/待讀取采樣/采樣率觸發(fā)開始觸發(fā)/參考觸發(fā)任務(wù)的測量

10、類型模擬輸入-電壓NI-DAQmx任務(wù)：我的電壓任務(wù)（包含兩個虛擬通道）DAQ助手Express VI的使用路徑：函數(shù)選板，測量I/O-DAQmx 數(shù)據(jù)采集-DAQ 助手DAQ助手是一個Express VI，在添加到框圖窗口時，自動打開 “新建Express任務(wù)”對話框，在其中進行功能和參數(shù)配置采集信號：輸入生成信號：輸出 選擇NI-DAQmx任務(wù)類型（這里，選擇“采集信號”-“模擬輸入”-“電壓” ），進入下一步DAQ助手Express VI的使用 選擇建立虛擬通道所需的物理通道，按住Ctrl或Shift多選；選中物理通道數(shù)=新建任務(wù)中的虛擬通道數(shù)本例中選擇物理通道ai0和ai2（差分接線方

11、式下，每個物理通道對應(yīng)兩個單端通道）Dev1表示系統(tǒng)中的第1個DAQ設(shè)備；ai1表示編號（或索引，從0開始）為1的模擬輸入物理通道DAQ助手Express VI的使用 按照需求修改參數(shù)設(shè)置，之后按下確定按鈕，關(guān)閉DAQ助手參數(shù)設(shè)置區(qū)，可根據(jù)需要進行修改DAQ助手Express VI的使用2個虛擬通道，分別對應(yīng)2個物理通道：電壓_0 - ai0電壓_1 - ai2接線方式輸入范圍“定時設(shè)置”選項組的采集模式采集模式參數(shù)1 采樣（按要求），即采集單點數(shù)據(jù)（調(diào)用DAQmx讀取函數(shù)或DAQ助手時立即執(zhí)行）1 采樣（硬件定時），表示在硬件時鐘的邊沿進行單點數(shù)據(jù)的采集N 采樣，表示采集一段數(shù)據(jù)，采樣點數(shù)在

12、“定時設(shè)置”下的“待讀取采樣”（=簡單緩沖區(qū)大小）中指定；采樣頻率在“采樣率(Hz)” 中指定a)連續(xù)采樣，表示進行連續(xù)采集，此時“待讀取采樣”參數(shù)參與決定循環(huán)緩沖區(qū)大小DAQ助手Express VI的使用DAQ助手Express VI的使用可直接輸出采集數(shù)據(jù)（DDT類型可理解為波形的1維數(shù)組）配置完畢的DAQ助手Express VI函數(shù)選板，測量I/O-DAQmx - 數(shù)據(jù)采集 子選板 通?？梢允褂肈AQ助手或者DAQmx VI（API）編寫數(shù)據(jù)采集程序DAQ助手與DAQmx VIDAQmx VIDAQmx屬性節(jié)點（供設(shè)置任務(wù)參數(shù)，與前面板控件無關(guān)）DAQ助手Express VI 在LabV

13、IEW中編寫數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)發(fā)生程序的2種方式 使用DAQ助手Express VI建立任務(wù)，采集和發(fā)生數(shù)據(jù)（DAQ助手內(nèi)含采集和發(fā)生代碼） 完全使用DAQmx函數(shù)建立任務(wù)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和發(fā)生DAQ助手與DAQmx VIDAQ助手的優(yōu)點：DAQ助手不需要編程，采用交互的方式設(shè)置通道，定時，觸發(fā)，等等使用DAQ助手可以縮短開發(fā)時間，如在幾分鐘內(nèi)建立一個完整程序DAQmx VI（API）的優(yōu)點：DAQmx VI包含DAQ助手所沒有的高級功能提供更大的靈活性，允許開發(fā)者定制程序以滿足所需功能 使用DAQmx VI可以更好地控制程序性能DAQ助手與DAQmx VI數(shù)據(jù)采集示例（基于DAQ助手）單點采集軟件

14、定時的多點采集采集一段數(shù)據(jù)（硬件定時）連續(xù)采集數(shù)據(jù)（硬件定時）單點發(fā)生軟件定時的多點發(fā)生發(fā)生一段數(shù)據(jù)（硬件定時）連續(xù)發(fā)生數(shù)據(jù)（硬件定時，重復(fù)生成）連續(xù)發(fā)生數(shù)據(jù)（硬件定時，非重復(fù)生成）采集（Acquisition）發(fā)生（Generation）數(shù)據(jù)采集示例1單點采集調(diào)節(jié)為調(diào)節(jié)為1.510 V中的一個值中的一個值打開開關(guān)數(shù)據(jù)采集示例1單點采集函數(shù)選板，測量I/O-DAQmx-數(shù)據(jù)采集子選板，添加 “DAQ 助手” Express VI，在對話框里，選擇“采集信號”-“模擬輸入”-“電壓”；選擇模入物理通道ai0，“信號輸入范圍”設(shè)置為010V， “采集模式” 選擇“1 采樣 (按要求)”（表示立即采

15、集數(shù)據(jù)）a)關(guān)閉“DAQ 助手”對話框，在該Express VI圖標下方出現(xiàn)“數(shù)據(jù)”輸出接線端，連接至“儀表”控件注意事項實驗用導(dǎo)線在抽屜里先關(guān)閉實驗箱所有開關(guān)（總開關(guān)和函數(shù)發(fā)生器開關(guān)），之后再進行連線第一次連線后，請助教或老師檢查，確認連線正確，之后開始實驗不使用函數(shù)發(fā)生器時不要打開開關(guān)，采集卡只需要計算機的PCI插槽供電數(shù)據(jù)采集示例2軟件定時的多點采集選擇正弦波打開開關(guān)打開開關(guān)頻率調(diào)為最低頻率調(diào)為最低數(shù)據(jù)采集示例2軟件定時的多點采集本例為連續(xù)采集，采集一段數(shù)據(jù)與此相似（For循環(huán)？） 將前例DAQ助手放入While循環(huán)中（“信號輸入范圍”為-55 V ），輸出的單點數(shù)據(jù)由DDT轉(zhuǎn)化為標量，

16、送入波形圖表控件，添加 “等待（ms）”函數(shù)，控制每次循環(huán)執(zhí)行時間大致在0.02 s軟件定時的多點采集適用情況（滿足以下三個條件）： 所要求的采樣率較低 VI運行時，操作系統(tǒng)中無其他占用CPU的事件發(fā)生a) 采樣間隔的微小變化可以接受硬件定時與緩沖區(qū) 軟件定時無法精確控制采樣間隔，在進行采樣間隔要求精確的多點采集時，應(yīng)考慮使用硬件定時的采集方法（依賴數(shù)據(jù)采集卡的能力） 硬件定時的多點采集將在計算機內(nèi)存中開辟緩沖區(qū)：采集時，數(shù)據(jù)采集卡采集的數(shù)據(jù)先寫入緩沖區(qū)，之后讀入到虛擬儀器程序中數(shù)據(jù)采集卡內(nèi)存緩沖區(qū)虛擬儀器程序計算機硬件定時與緩沖區(qū)采集一段數(shù)據(jù)，使用簡單緩沖（Simple buffer）連續(xù)采

17、集數(shù)據(jù)，使用循環(huán)緩沖（Circular buffer）DAQ助手，采集模式，“連續(xù)采樣”DAQ助手，采集模式，“N采樣”讀緩沖指針寫緩沖指針來自采集卡的數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)采集示例3采集一段數(shù)據(jù)（硬件定時）選擇正弦波打開開關(guān)打開開關(guān)數(shù)據(jù)采集示例3采集一段數(shù)據(jù)（硬件定時）函數(shù)選板，測量I/O -DAQmx-數(shù)據(jù)采集子選板，添加 “DAQ助手”，在對話框中選擇“采集信號”-“模擬輸入”-“電壓”；選擇模入物理通道ai0和ai1；輸入范圍采用默認的-5至5V； “采集模式” 選擇“N采樣”；“待讀取采樣”采用默認值100（=簡單緩沖大?。弧安蓸勇?Hz)”采用默認值1000a)關(guān)閉對話框，該Express V

18、I圖標下方出現(xiàn) “數(shù)據(jù)”輸出接線端，將其連到“波形圖”顯示控件，即完成一段波形數(shù)據(jù)（正弦+方波）的采集和顯示數(shù)據(jù)采集示例4連續(xù)采集數(shù)據(jù)（硬件定時）選擇正弦波打開開關(guān)打開開關(guān)數(shù)據(jù)采集示例4連續(xù)采集數(shù)據(jù)（硬件定時）函數(shù)選板，測量I/O-DAQmx-數(shù)據(jù)采集子選板，添加“ DAQ 助手”，在對話框里，選擇“采集信號”-“模擬輸入”-“電壓”，選擇模入物理通道ai0和ai1，輸入范圍設(shè)置為-55V， “采集模式” 選擇“連續(xù)采樣”?！按x取采樣”設(shè)置為50（ 每次從循環(huán)緩沖讀取50點； 參與決定循環(huán)緩沖大小），“采樣率 (Hz)”設(shè)置為10kHza)關(guān)閉對話框，自動添加循環(huán)，將“DAQ助手”圖標下方出

19、現(xiàn)的“數(shù)據(jù)”輸出采用“從動態(tài)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換（二維標量數(shù)組行是通道）”函數(shù)轉(zhuǎn)化為數(shù)組，輸入“波形圖”和“波形圖表”（歷史紀錄長度設(shè)置為150，取消“轉(zhuǎn)置數(shù)組”選項，修改X坐標范圍為0149）顯示控件。循環(huán)是否結(jié)束，由“停止”按鈕控制數(shù)據(jù)采集示例4連續(xù)采集數(shù)據(jù)（硬件定時）為何同時使用波形圖和波形圖表控件？ 波形圖以新數(shù)據(jù)替換舊數(shù)據(jù)，只顯示當前循環(huán)讀到的數(shù)據(jù)（50點）；波形圖表新數(shù)據(jù)接續(xù)在舊數(shù)據(jù)的后面，顯示當前和之前幾次循環(huán)的數(shù)據(jù)（共150點，3次循環(huán)的數(shù)據(jù)）；兩個控件對比，可以看出是否真正實現(xiàn)了連續(xù)的數(shù)據(jù)采集而未丟失數(shù)據(jù)50點150點數(shù)據(jù)采集示例4連續(xù)采集數(shù)據(jù)（硬件定時）DAQ助手的輸入?yún)?shù)“停止” 的

20、作用： 指定在DAQ助手調(diào)用之后是否停止和清除任務(wù)（同時釋放資源）一段數(shù)據(jù)采集（ “停止”參數(shù)默認為T ）連續(xù)采集（“停止”輸入?yún)?shù)默認為F，“已停止”輸出參數(shù)表明是否已經(jīng)停止）按下“stop”，數(shù)據(jù)采集停止，循環(huán)結(jié)構(gòu)也退出數(shù)據(jù)采集示例5單點發(fā)生AO直接送到直接送到AI；本講所有數(shù)據(jù)發(fā)；本講所有數(shù)據(jù)發(fā)生的例子，都采用生的例子，都采用MAX的測試面的測試面板觀察數(shù)據(jù)發(fā)生情況板觀察數(shù)據(jù)發(fā)生情況數(shù)據(jù)采集示例5單點發(fā)生函數(shù)選板，測量I/O-DAQmx-數(shù)據(jù)采集子選板，添加 “DAQ 助手”，在對話框中選擇生成信號-模擬輸出-電壓，選擇模出物理通道ao0；“生成模式” 選擇“1 采樣 (按要求）”（立即

21、發(fā)生數(shù)據(jù))，“信號輸出范圍”采用默認值 -1010V，接線端配置為默認的“RSE”a)關(guān)閉對話框后，該Express VI圖標下方出現(xiàn)“數(shù)據(jù)” 輸入接線端。直接向該接線端輸入一個數(shù)值，即可完成單點數(shù)據(jù)的模擬輸出使用測試面板觀察發(fā)現(xiàn)，輸出的單點會保持住，直到輸出新的數(shù)據(jù)點DAQ助手設(shè)置參數(shù)與前例相同。DAQ助手置于While循環(huán)之內(nèi)，循環(huán)中加入“停止”按鈕和“等待（ms）”函數(shù)，每次循環(huán)執(zhí)行時間大致為0.02 sa)使用“Sine Waveform.vi”生成1000點、2個周期且幅值為5的正弦波波形數(shù)據(jù)，僅取其Y分量送入循環(huán)內(nèi)，循環(huán)計數(shù)與波形點數(shù)（1000）相除取余數(shù)的結(jié)果作為Y數(shù)組的索引，取

22、出對應(yīng)的數(shù)組元素向DAQ助手輸出數(shù)據(jù)采集示例6軟件定時的多點發(fā)生0,1,(#s-1)=999不斷重復(fù)重復(fù)提取正弦波數(shù)據(jù)點數(shù)據(jù)采集示例7發(fā)生一段數(shù)據(jù)（硬件定時）函數(shù)選板，測量I/O-DAQmx-數(shù)據(jù)采集子選板，添加 “DAQ 助手”，在對話框中選擇生成信號-模擬輸出-電壓，選擇模出物理通道ao0，“生成模式”選擇“N 采樣”，取消其后的“使用波形定時”復(fù)選框的選中狀態(tài)，并將“待寫入采樣”和“采樣率 (Hz)”都設(shè)為1000a)關(guān)閉“DAQ助手”設(shè)置窗口，將仿真波形（1秒時長，1000點，2個周期）輸入至“DAQ 助手”的“數(shù)據(jù)”輸入接線端，完成鋸齒波的模擬輸出數(shù)據(jù)采集示例7發(fā)生一段數(shù)據(jù)（硬件定時）1秒的波形數(shù)據(jù)采集示例8連續(xù)發(fā)生數(shù)據(jù)（硬件定時，重復(fù)生成）數(shù)據(jù)采集示例8連續(xù)發(fā)生數(shù)據(jù)（硬件定時，重復(fù)生成）只要一次性輸出波形的一個周期即可，LabVIEW會自動重復(fù)發(fā)生數(shù)據(jù)采用循環(huán)結(jié)構(gòu)是為了等待數(shù)據(jù)真正發(fā)生第0幀第1幀1