第9章 數(shù)據(jù)采集

1、第第9章章 數(shù)據(jù)采集數(shù)據(jù)采集 數(shù)據(jù)采集是數(shù)據(jù)采集是LabVIEW的一項重要功能。的一項重要功能。NI公司為公司為LabVIEW的用戶提供了豐富的數(shù)的用戶提供了豐富的數(shù)據(jù)采集設備以最大限度地滿足各個領域的據(jù)采集設備以最大限度地滿足各個領域的需要。本章主要介紹了數(shù)據(jù)采集的基礎知需要。本章主要介紹了數(shù)據(jù)采集的基礎知識以及識以及DAQ Assistant的使用方法。的使用方法。9.1 DAQ系統(tǒng)概述系統(tǒng)概述 9.1.1 DAQ系統(tǒng)的構(gòu)成系統(tǒng)的構(gòu)成 在計算機廣泛應用的今天，數(shù)據(jù)采集在計算機廣泛應用的今天，數(shù)據(jù)采集的重要性是十分顯著的。它是計算機與外的重要性是十分顯著的。它是計算機與外部物理世界連接的橋梁

2、。隨著計算機和總部物理世界連接的橋梁。隨著計算機和總線技術的發(fā)展，基于線技術的發(fā)展，基于PC的數(shù)據(jù)采集（的數(shù)據(jù)采集（Data Acquisition，DAQ）板卡產(chǎn)品得到了廣泛）板卡產(chǎn)品得到了廣泛應用。應用。 許多應用通過使用插入式設備采集數(shù)許多應用通過使用插入式設備采集數(shù)據(jù)并把數(shù)據(jù)直接傳送到計算機內(nèi)存中，而據(jù)并把數(shù)據(jù)直接傳送到計算機內(nèi)存中，而在一些其他應用中，數(shù)據(jù)采集硬件通過并在一些其他應用中，數(shù)據(jù)采集硬件通過并行或串行接口和行或串行接口和PC相連。相連。 基于基于PC的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的組成部分可的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的組成部分可分分5個部分：個部分： （1）PC （2）傳感器）傳感器 （3）信號調(diào)理

3、）信號調(diào)理 （4）數(shù)據(jù)采集硬件）數(shù)據(jù)采集硬件 （5）軟件）軟件圖圖9-1 9-1 典型的基于典型的基于PCPC的的DAQDAQ系統(tǒng)系統(tǒng) DAQ的任務就是測量或生成物理信號。的任務就是測量或生成物理信號。 圖圖9-2 9-2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)9.1.2 DAQ系統(tǒng)的功能系統(tǒng)的功能 數(shù)據(jù)采集前，必須對所采集信號的特數(shù)據(jù)采集前，必須對所采集信號的特性有所了解，因為不同信號的測量方式和性有所了解，因為不同信號的測量方式和對采集系統(tǒng)的要求是不同的，只有了解被對采集系統(tǒng)的要求是不同的，只有了解被測信號才能選擇合適的測量方式和采集系測信號才能選擇合適的測量方式和采集系統(tǒng)配置。統(tǒng)配置。 任意一

4、個信號是隨時間而改變的物理任意一個信號是隨時間而改變的物理量。一般情況下，信號所運載信息是很廣量。一般情況下，信號所運載信息是很廣泛的，如：狀態(tài)（泛的，如：狀態(tài)（state）、速率（）、速率（rate）、）、電平（電平（level）、形狀（）、形狀（shape）和頻率成）和頻率成分（分（frequency content）。根據(jù)信號運載）。根據(jù)信號運載信息方式的不同，可以將信號分為模擬或信息方式的不同，可以將信號分為模擬或數(shù)字信號。數(shù)字信號。1數(shù)字信號數(shù)字信號 數(shù)字（二進制）信號分為兩類，第一數(shù)字（二進制）信號分為兩類，第一類數(shù)字信號是開類數(shù)字信號是開/關信號關信號 第二類數(shù)字信號是脈沖信號。

5、第二類數(shù)字信號是脈沖信號。2模擬信號模擬信號 模擬信號可分為直流、時域、頻域信模擬信號可分為直流、時域、頻域信號，如圖號，如圖9-3所示。所示。圖圖9-3 9-3 模擬信號分類模擬信號分類 （1）模擬直流信號）模擬直流信號 （2）模擬時域信號）模擬時域信號 （3）模擬頻域信號）模擬頻域信號3信號調(diào)理信號調(diào)理 從傳感器得到的信號大多要經(jīng)過處理從傳感器得到的信號大多要經(jīng)過處理才能進入數(shù)據(jù)采集設備，信號處理功能包才能進入數(shù)據(jù)采集設備，信號處理功能包括放大、隔離、濾波、激勵和線性化等。括放大、隔離、濾波、激勵和線性化等。由于不同傳感器有不同的特性，因此，除由于不同傳感器有不同的特性，因此，除了這些通用

6、功能，還要根據(jù)具體傳感器的了這些通用功能，還要根據(jù)具體傳感器的特性和要求來設計特殊的信號調(diào)理功能。特性和要求來設計特殊的信號調(diào)理功能。 （1）放大）放大 （2）隔離）隔離 （3）濾波）濾波 （4）激勵）激勵 （5）線性化）線性化 （6）數(shù)字信號調(diào)理）數(shù)字信號調(diào)理4A/D轉(zhuǎn)換與轉(zhuǎn)換與D/A轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換 為了提高系統(tǒng)的性能指標，數(shù)字計算為了提高系統(tǒng)的性能指標，數(shù)字計算機技術廣泛應用于現(xiàn)代控制、通信及檢測機技術廣泛應用于現(xiàn)代控制、通信及檢測等領域。系統(tǒng)的實際對象往往都是一些模等領域。系統(tǒng)的實際對象往往都是一些模擬量（如溫度、壓力、圖像等），要使計擬量（如溫度、壓力、圖像等），要使計算機或數(shù)字儀表能識別、

7、處理這些信號，算機或數(shù)字儀表能識別、處理這些信號，必須首先將這些模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號；必須首先將這些模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號；而經(jīng)計算機分析、處理后輸出的數(shù)字量也而經(jīng)計算機分析、處理后輸出的數(shù)字量也往往需要將其轉(zhuǎn)換為相應模擬信號才能為往往需要將其轉(zhuǎn)換為相應模擬信號才能為執(zhí)行機構(gòu)所接受。模數(shù)和數(shù)模轉(zhuǎn)換器就是執(zhí)行機構(gòu)所接受。模數(shù)和數(shù)模轉(zhuǎn)換器就是能在模擬信號與數(shù)字信號之間起橋梁的電能在模擬信號與數(shù)字信號之間起橋梁的電路。路。 將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號的電路，將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號的電路，稱為模數(shù)轉(zhuǎn)換器（簡稱稱為模數(shù)轉(zhuǎn)換器（簡稱A/D轉(zhuǎn)換器）。轉(zhuǎn)換器）。A/D轉(zhuǎn)換器按分辨率的不同可分為轉(zhuǎn)換器按分辨率

8、的不同可分為4位、位、6位、位、8位、位、10位、位、14位、位、16位和位和BCD碼的碼的31/2位、位、51/2位等；按照轉(zhuǎn)換速度可分為超高速位等；按照轉(zhuǎn)換速度可分為超高速（轉(zhuǎn)換時間（轉(zhuǎn)換時間330ns）、次超高速（轉(zhuǎn)換時）、次超高速（轉(zhuǎn)換時間間330ns3.3 s）、高速（轉(zhuǎn)換時間）、高速（轉(zhuǎn)換時間3.3333 s）、低速（轉(zhuǎn)換時間）、低速（轉(zhuǎn)換時間330 s）等；）等；按轉(zhuǎn)換原理分可分為直接按轉(zhuǎn)換原理分可分為直接A/D轉(zhuǎn)換器和間接轉(zhuǎn)換器和間接A/D轉(zhuǎn)換器。轉(zhuǎn)換器。 有些轉(zhuǎn)換器還將多路開關、基準電壓有些轉(zhuǎn)換器還將多路開關、基準電壓源、時鐘電路、譯碼器和轉(zhuǎn)換電路集成在源、時鐘電路、譯碼器和

9、轉(zhuǎn)換電路集成在一個芯片內(nèi)，已超出了單純一個芯片內(nèi)，已超出了單純A/D轉(zhuǎn)換功能。轉(zhuǎn)換功能。圖圖9-4 9-4 轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)圖轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)圖 與與A/D轉(zhuǎn)換器相對應，將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換器相對應，將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為模擬信號的電路稱為數(shù)模轉(zhuǎn)換器（簡稱為模擬信號的電路稱為數(shù)模轉(zhuǎn)換器（簡稱D/A轉(zhuǎn)換器）。轉(zhuǎn)換器）。5數(shù)字數(shù)字I/O（DIO） DAQ設備中的數(shù)字設備中的數(shù)字I/O由生成或接收二由生成或接收二進制通斷信號的部分構(gòu)成，他們通常用于進制通斷信號的部分構(gòu)成，他們通常用于過程控制、生成測試樣式及與外圍設備進過程控制、生成測試樣式及與外圍設備進行通信。數(shù)字連線通常分組為若干個端口，行通信。數(shù)字連線通常分組為若干個

10、端口，每個端口由四條或八條連線構(gòu)成。每個端口由四條或八條連線構(gòu)成。 同一端口中的所有連線必須同時是輸同一端口中的所有連線必須同時是輸入連線或輸出連線。由于一個端口中包含入連線或輸出連線。由于一個端口中包含多條數(shù)字連線，可以通過端口寫入或端口多條數(shù)字連線，可以通過端口寫入或端口讀入同時設置或提取多條連線的狀態(tài)。讀入同時設置或提取多條連線的狀態(tài)。 數(shù)字連線的數(shù)量當然應該與需要被控數(shù)字連線的數(shù)量當然應該與需要被控制的過程數(shù)目相匹配。通過應用恰當?shù)臄?shù)制的過程數(shù)目相匹配。通過應用恰當?shù)臄?shù)字信號調(diào)理配件，用戶可以使用進字信號調(diào)理配件，用戶可以使用進/出數(shù)據(jù)出數(shù)據(jù)采集硬件的低電流采集硬件的低電流TTL信號來

11、監(jiān)測信號來監(jiān)測/控制工控制工業(yè)硬件產(chǎn)生的高電壓和電流信號。業(yè)硬件產(chǎn)生的高電壓和電流信號。6計數(shù)器計數(shù)器/定時器定時器 計數(shù)器計數(shù)器/定時器在許多應用中具有很重定時器在許多應用中具有很重要的作用，包括對數(shù)字事件產(chǎn)生次數(shù)的計要的作用，包括對數(shù)字事件產(chǎn)生次數(shù)的計數(shù)、數(shù)字脈沖計時，以及產(chǎn)生方波和脈沖。數(shù)、數(shù)字脈沖計時，以及產(chǎn)生方波和脈沖。 應用一個計數(shù)器應用一個計數(shù)器/計時器時最重要的指計時器時最重要的指標是分辨率和時鐘頻率。標是分辨率和時鐘頻率。 9.2 數(shù)據(jù)采集卡的安裝數(shù)據(jù)采集卡的安裝 PCI-6221是一塊高性能的是一塊高性能的NI-DAQmx設備，它的引腳定義如圖設備，它的引腳定義如圖9-5所

12、示。安裝時所示。安裝時直接將其插入到直接將其插入到PC機主板上的插槽內(nèi)即可，機主板上的插槽內(nèi)即可，如圖如圖9-6所示。所示。 圖圖9-5 PCI-62219-5 PCI-6221引腳圖引腳圖 圖圖9-6 PCI-62219-6 PCI-6221的安裝的安裝圖圖9-7 NI9-7 NI設備驅(qū)動光盤的安裝界面設備驅(qū)動光盤的安裝界面圖圖9-8 MAX9-8 MAX配置與管理對話框配置與管理對話框圖圖9-9 9-9 創(chuàng)建一個新的通道配置文件（創(chuàng)建一個新的通道配置文件（1 1） 圖圖9-10 9-10 創(chuàng)建一個新的通道配置文件（創(chuàng)建一個新的通道配置文件（2 2）圖圖9-11 9-11 選擇虛擬通道類型選

13、擇虛擬通道類型圖圖9-12 9-12 創(chuàng)建一個新的本地通道創(chuàng)建一個新的本地通道圖圖9-13 9-13 配置通道的設置和測試配置通道的設置和測試9.3 DAQ VI的組織結(jié)構(gòu)的組織結(jié)構(gòu) LabVIEW DAQ VI組織有兩個選項板：組織有兩個選項板：一個用于傳統(tǒng)一個用于傳統(tǒng)NI-DAQ，另一個用于，另一個用于NI-DAQmx。NI公司的公司的DAQ硬件連線有兩種不硬件連線有兩種不同的設備驅(qū)動器。同的設備驅(qū)動器。NI-DAQmx是驅(qū)動器，是驅(qū)動器，無論是在性能還是在使用簡易性方面都優(yōu)無論是在性能還是在使用簡易性方面都優(yōu)于傳統(tǒng)于傳統(tǒng)NI-DAQ。借助于。借助于DAQ助手會使編寫助手會使編寫VI采集數(shù)

14、據(jù)的工作明顯簡化。采集數(shù)據(jù)的工作明顯簡化。 NI-DAQmx VI是一種稱為多態(tài)是一種稱為多態(tài)VI的特的特殊殊VI，是能夠適應不同，是能夠適應不同DAQ功能的一組核功能的一組核心心VI，如模擬輸入、模擬輸出和數(shù)字，如模擬輸入、模擬輸出和數(shù)字I/O等。等。 選擇選擇“函數(shù)函數(shù)”選板下的選板下的“測量測量I/OData Acquisition”子選板即可訪問子選板即可訪問DAQmx選項選項板。板。圖圖9-14 9-14 傳統(tǒng)傳統(tǒng)DAQDAQ函數(shù)節(jié)點函數(shù)節(jié)點 各個子選板的主要功能如下。各個子選板的主要功能如下。 （1）Analog Input子選板子選板 （2）Analog Output子選板子選板

15、 （3）Digital I/O子選板子選板 （4）Counter子選板子選板 （5）Calobration and Configuration子選板子選板 （6）Signal Conditioning子選板子選板 數(shù)據(jù)采集數(shù)據(jù)采集VI按功能劃分為不同的等級。按功能劃分為不同的等級。 （1）頂層）頂層 （2）第三層）第三層 （3）第二層）第二層 （4）底層）底層圖圖9-15 9-15 連續(xù)數(shù)據(jù)采集程序框圖連續(xù)數(shù)據(jù)采集程序框圖9.4 數(shù)據(jù)采集助手數(shù)據(jù)采集助手 數(shù)據(jù)采集助手數(shù)據(jù)采集助手DAQ Assistant是是LabVIEW 7以后版本新增的一個重要工具。以后版本新增的一個重要工具。它是一個圖形

16、化的界面，主要用于交互式地它是一個圖形化的界面，主要用于交互式地創(chuàng)建、編輯和運行創(chuàng)建、編輯和運行NI-DAQmx虛擬通道和任虛擬通道和任務。務。 這個工具通過一個圖形化接口來配置這個工具通過一個圖形化接口來配置簡單和復雜的數(shù)據(jù)采集任務，從而幫助用簡單和復雜的數(shù)據(jù)采集任務，從而幫助用戶無需編程即可創(chuàng)建應用程序。戶無需編程即可創(chuàng)建應用程序。 DAQ Assistant是一個基于步驟的向?qū)В且粋€基于步驟的向?qū)?，它可以使用戶無需編程即可配置數(shù)據(jù)采集任它可以使用戶無需編程即可配置數(shù)據(jù)采集任務、虛擬通道以及實現(xiàn)縮放操作。務、虛擬通道以及實現(xiàn)縮放操作。 用戶可以從用戶可以從NI應用軟件中啟動應用軟件中啟動

17、DAQ Assistant，如，如LabVIEW、LabWindows/CVI、Measurement Studio或或MAX。 利用利用DAQ Assistant，用戶可以執(zhí)行以，用戶可以執(zhí)行以下任務：下任務： （1）創(chuàng)建和編輯任務和虛擬通道；）創(chuàng)建和編輯任務和虛擬通道； （2）添加虛擬通道至任務；）添加虛擬通道至任務； （3）創(chuàng)建并編輯量程；）創(chuàng)建并編輯量程； （4）測試用戶的配置；）測試用戶的配置； （5）保存用戶的配置；）保存用戶的配置； （6）在用戶的）在用戶的NI應用軟件中生成代碼以在應用軟件中生成代碼以在用戶的應用程序中使用；用戶的應用程序中使用； （7）觀察用戶的傳感器的連接圖

18、。）觀察用戶的傳感器的連接圖。圖圖9-16 DAQ Assistant9-16 DAQ Assistant選板選板圖圖9-17 9-17 放置放置DAQDAQ助手將自動進入助手將自動進入MAXMAX界面界面 使用使用DAQ Assistant Express VI構(gòu)建構(gòu)建數(shù)據(jù)采集數(shù)據(jù)采集VI的通用過程如下：的通用過程如下： （1）打開一個新的）打開一個新的VI； （2）在框圖中置）在框圖中置DAQ Assistant Express VI； （3）出現(xiàn)）出現(xiàn)DAQ Assistant以配置測量任務；以配置測量任務； （4）配置、命名及測試）配置、命名及測試NI-DAQmx任務；任務； （5）單

19、擊）單擊OK按鈕已返回框圖；按鈕已返回框圖； （6）編輯前面板和框圖完成）編輯前面板和框圖完成VI； （7）如果需要的話，生成）如果需要的話，生成NI-DAQmx Task Name控件以便在其他應用中使用該任務。控件以便在其他應用中使用該任務。圖圖9-18 9-18 配置完成后的配置完成后的DAQDAQ助手界面助手界面 在在DAQ Assistant中可以選擇測量類型，中可以選擇測量類型，包括模擬輸入、模擬輸出、數(shù)字輸入包括模擬輸入、模擬輸出、數(shù)字輸入/輸出、輸出、計數(shù)器輸入和計數(shù)器輸出。計數(shù)器輸入和計數(shù)器輸出。1模擬輸入模擬輸入 模擬輸入用于實施模數(shù)轉(zhuǎn)換。在模擬輸入用于實施模數(shù)轉(zhuǎn)換。在DAQ Assistant中單擊中單擊Analog Input進入下一級進入下一級子選板，該選板中列舉了模擬輸入可能的子選板，該選板中列舉了模擬輸入可能的測量類型窗口：電壓、溫度、壓力、電流、測量類型窗口：電壓、溫度、壓力、電流、阻抗、頻率以及自定義的激勵電壓。阻抗、頻率以及自定義的激勵電壓。 一旦將所選的虛擬通道添加到用戶任一旦將所選的虛擬通道添加到用戶任務中就會打開務中就會打開DAQ Assistant設置及測試設置及測試屏。屏。DAQ Assistant的較低部分有兩個標的較低部分有兩個標簽：簽：Task T