4第4章虛擬儀器數(shù)據(jù)采集與信號處理

1、第 4 章虛擬儀器數(shù)據(jù)采集與信號處理第4章 虛擬擬儀器數(shù)數(shù)據(jù)采集集與信號號處理教學(xué)重點點數(shù)據(jù)采集集信號產(chǎn)生生信號的時時域分析析信號的頻頻域分析析數(shù)字濾波波器曲線擬合合4.1數(shù)據(jù)采集集組建一個個基于LabVIEW的虛擬儀儀器系統(tǒng)統(tǒng)，傳感感器、信信號調(diào)理理和數(shù)據(jù)據(jù)采集模模塊是最最基本的的硬件。其中，傳感器器是將被被測試的的物理量量轉(zhuǎn)換為為電量的的基本環(huán)環(huán)節(jié)，數(shù)數(shù)據(jù)采集集則將模模擬信號號轉(zhuǎn)換成成數(shù)據(jù)信信號供計計算機進(jìn)進(jìn)行分析析處理，信號調(diào)調(diào)理是兩兩者之間間的橋梁梁，負(fù)責(zé)責(zé)將傳感感器的輸輸出信號號和數(shù)據(jù)據(jù)采集模模塊可以以接受的的信號類類型聯(lián)系系起來。4.1.1數(shù)據(jù)采集集系統(tǒng)結(jié)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)采集集（Data

2、Acquisition，DAQ），就是是將被測測對象的的各種參參量（物物理量、化學(xué)量量、生物物量等）通過各各種傳感感器作適適當(dāng)轉(zhuǎn)換換后，再再經(jīng)信號號調(diào)理、采樣、量化、編碼、傳輸?shù)鹊炔襟E送送到控制制器進(jìn)行行數(shù)據(jù)處處理或記記錄的過過程。一個典型型的數(shù)據(jù)據(jù)采集卡卡的功能能有模擬擬輸入、模擬輸輸出、數(shù)數(shù)字I/O、計數(shù)器器/計時器等等，這些些功能分分別由相相應(yīng)的電電路來實實現(xiàn)。數(shù)據(jù)采集集卡模擬輸入入/輸出數(shù)字輸入入/輸出時鐘輸入入/輸出OnOff1-0ADCcntr/timerdigitalDAQBoard選用數(shù)據(jù)據(jù)采集卡卡的基本本原則（1）數(shù)據(jù)分分辨率和和精度（2）最高采采樣速度度（3）通道數(shù)數(shù)（4）

3、數(shù)據(jù)總總線接口口類型（5）是否有有隔離（6）支持的的軟件驅(qū)驅(qū)動程序序及其軟軟件平臺臺采集卡類類型NI的數(shù)據(jù)采采集卡PCI總線的通通用數(shù)據(jù)據(jù)采集卡卡4.1.2LabVIEW中的數(shù)據(jù)據(jù)采集VI及應(yīng)用數(shù)據(jù)采集集系統(tǒng)結(jié)結(jié)構(gòu)基于NI的USB-6009數(shù)據(jù)采集集卡的數(shù)數(shù)據(jù)采集集USB-6009的主要特特性：8模擬輸入入通道（14位、48KS/s采樣速度度)2路14位模擬輸輸出通道道12個I/O通道1個32位計數(shù)器器/定時器USB-6009的外型NIUSB-6009的接線端端子分配配模擬輸入入：AI0AI7模擬輸出出：AO0,AO1數(shù)字I/O：P0.0P0.7,P1.0P1.3定時/計數(shù)器：PFI0NI數(shù)據(jù)

4、采集集卡的應(yīng)應(yīng)用例4.1利用USB-6009數(shù)據(jù)采集集卡實現(xiàn)現(xiàn)單通道道數(shù)據(jù)采采集分析：利利用LabVIEW8.5的DAQmx-Data Acquisition子選板中中的數(shù)據(jù)據(jù)采集函函數(shù)構(gòu)建建一個單單通道的的數(shù)據(jù)采采集系統(tǒng)統(tǒng)。硬件-選用NIUSB-6009采集卡軟件-選用DAQmx-Data Acquisition子選板中中的數(shù)據(jù)據(jù)采集函函數(shù)實現(xiàn)現(xiàn)單通道數(shù)數(shù)據(jù)采集集VI設(shè)計前面板程序框圖圖構(gòu)建多通通道數(shù)據(jù)據(jù)采集例4.2多通道數(shù)數(shù)據(jù)采集集分析：利利用LabVIEW8.5的DAQmx-Data Acquisition子選板中中的數(shù)據(jù)據(jù)采集函函數(shù)構(gòu)建建一個多多通道的的數(shù)據(jù)采采集系統(tǒng)統(tǒng)。硬件-選用NI

5、USB-6009采集卡軟件-選用DAQmx-Data Acquisition子選板中中的數(shù)據(jù)據(jù)采集函函數(shù)實現(xiàn)現(xiàn)圖74多參量多多通道PCDAQ/PCI虛擬儀器器測量系系統(tǒng)多通道數(shù)數(shù)據(jù)采集集系統(tǒng)的的前面板板多通道數(shù)數(shù)據(jù)采集集系統(tǒng)的的程序框框圖1模擬信號號輸入部部分模擬輸入入通道數(shù)數(shù)。該參參數(shù)表明明數(shù)據(jù)采采集卡所所能夠采采集的最最多的信信號路數(shù)數(shù)。信號的輸輸入方式式。一般般待采集集信號的的輸入方方式有：l單端輸入入：即信信號的其其中一個個端子接接地。l差動輸入入：即信信號兩端端均浮地地。l單極性：信號幅幅值范圍圍為0，A，A為信號最最大幅值值。l雙極性：信號幅幅值范圍圍為A，A。一般的數(shù)數(shù)據(jù)采集集卡

6、都設(shè)設(shè)有信號號輸入方方式的選選擇設(shè)置置，設(shè)計計者可根根據(jù)實際際需要進(jìn)進(jìn)行選擇擇。模擬信號號的輸入入范圍(量程)一般根據(jù)據(jù)信號輸輸入特性性的不同同(單極性輸輸入還是是雙極性性輸入)有不同的的輸入范范圍。如如對單極極性輸入入，典型型值為010V，對雙極極性輸入入，典型型值為5 V5V。放大器增增益。模擬輸入入阻抗。采集卡卡固有參參數(shù)，一一般不由由用戶設(shè)設(shè)置。到此4.1.3NI-DAQmx數(shù)據(jù)采集集簡介NI-DAQmx是LabVIEW 7.0以來新增增的DAQ軟件。它它包括支支持200多種NI數(shù)據(jù)采集集設(shè)備的的驅(qū)動，并提供供相應(yīng)的的VI函數(shù)。此外它還還包括Measurement& Automatio

7、nExplorer(MAX)、數(shù)據(jù)采集集助理(DAQ Assistant)以及VILogger數(shù)據(jù)記錄錄軟件。通過這這些工具具并結(jié)合合LabVIEW可以節(jié)省省大量的的系統(tǒng)配配置、開開發(fā)和記記錄數(shù)據(jù)據(jù)的時間間。NI-DAQmx1.Measurement& AutomationExplorer(MAX)測量與自自動化軟軟件快速檢測測及配置置所有硬硬件通過測試試面板驗驗證硬件件的運作作狀況實施簡便便、交互互式的測測量給/通道命名名舉例：通通過MAX配置串口口屬性2.DAQ助手DAQAssistantDAQ助手提供供了一個個對話框框式的向向?qū)в糜谟跍y量任任務(wù)的配配置、測測試和自自動代碼碼生成。配合Ex

8、press VI，通過DAQAssistant可以在數(shù)數(shù)分鐘內(nèi)內(nèi)搭建一一個專業(yè)業(yè)的數(shù)據(jù)據(jù)獲取系系統(tǒng)。數(shù)據(jù)采集集模板DAQmx數(shù)據(jù)采集集模板（1）模擬輸輸入通道道參數(shù)設(shè)設(shè)置1）被測量量選取3數(shù)據(jù)輸入入輸出設(shè)設(shè)置2）測量通通道選擇擇（2）模擬輸輸出通道道參數(shù)設(shè)設(shè)置1）被測量量選擇2）測量通通道選擇擇3）命名4）測量通通道設(shè)置置好的示示意圖5） 自行行測試演演示（3）外部信信號輸入入的設(shè)置置自我測試試結(jié)果外部加入入到ai11端子的電電壓3.45v（4）外部信信號輸入入的子函函數(shù)調(diào)用用讀出外部信號號輸入的的子函數(shù)數(shù)調(diào)用測測試結(jié)果果（5）外部信信號-輸入端讀讀出寫給輸出出端讀出寫入模式式設(shè)置運行4.1.

9、4通用數(shù)據(jù)據(jù)采集卡卡的LabVIEW控制實現(xiàn)現(xiàn)1數(shù)據(jù)采采集卡驅(qū)驅(qū)動程序序的開發(fā)發(fā)方式 直接端口口讀寫方方式（I/O方式）調(diào)用C語言源代代碼的方方式（CIN方式）調(diào)用動態(tài)態(tài)連接庫庫的方式式（CLF方式）（1）直接端端口讀寫寫方式（I/O方式）I/O端口子選選板InPort.viOutPort.vi（2）調(diào)用C語言源代代碼的方方式LabVIEW8.2函數(shù)選板板的【互連接口口】【庫可執(zhí)行行程序】子選板中中有一個個Code InterfaceNode節(jié)點，用用來在LabVIEW程序框圖圖中直接接調(diào)用其其他編程程語言（如VC）寫的代代碼。這這樣就可可以通過過使用CIN圖標(biāo)來調(diào)調(diào)用由C語言編寫寫的采集集卡

10、驅(qū)動動程序方方法實現(xiàn)現(xiàn)虛擬儀儀器的數(shù)數(shù)據(jù)采集集。（3）調(diào)用動動態(tài)連接接庫的方方式動態(tài)鏈接接庫通常常由數(shù)據(jù)據(jù)采集卡卡生產(chǎn)廠廠商提供供，通過過LabVIEW的Call LibraryFunctionNode來調(diào)用。2數(shù)據(jù)采采集卡驅(qū)驅(qū)動程序序設(shè)計舉舉例例4.3用端口讀讀/寫函數(shù)驅(qū)驅(qū)動數(shù)據(jù)據(jù)采集卡卡。要求通過過端口讀讀/寫函數(shù)實實現(xiàn)數(shù)據(jù)據(jù)采集卡卡PC-6310的數(shù)據(jù)采采集PC-6310簡介PC-6310適用于具具有ISA總線的PC系列微機機卡上的A/D轉(zhuǎn)換器ADS774為12位分辨率轉(zhuǎn)換速率率為10S模擬輸入入信號范范圍為0V10V或-5V+5V模擬輸入入通道為為32個通道的的單端或或16個通道的的雙

11、端控制端口口的地址址與功能能A/D轉(zhuǎn)換狀態(tài)態(tài)數(shù)據(jù)格格式AD轉(zhuǎn)換結(jié)果果數(shù)據(jù)格格式數(shù)據(jù)采集集VI的前面板板數(shù)據(jù)采集集VI的程序框框圖數(shù)據(jù)采集集VI的程序框框圖講到此了了3.114.2信號產(chǎn)生生信號產(chǎn)生生是儀器器系統(tǒng)的的重要組組成部分分，要評評價任意意一個網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)或系系統(tǒng)的特特性，必必須外加加一定的的測試信信號，其其性能方方能顯示示出來。最常用用的測試試信號有有正弦波波、三角角波、方方波、鋸鋸齒波、噪聲波波及多頻頻波（由由不同頻頻率的正正弦波疊疊加而形形成的波波形）等等。4.2.1數(shù)字信號號的產(chǎn)生生與數(shù)字字化頻率率的概念念正弦波信信號：u (t)= Asin(t+0)T為采樣間間隔，T為信號周周期，設(shè)

12、設(shè)一個周周期內(nèi)的的采樣點點數(shù)為n，則T =nT采樣頻率率：fs=1/T信號頻率率：fx= 1/T= 1/ (n T)= fS/ nu(iT)=Asin(2i/n +0)設(shè)f =fx/fS= 1/n,將2弧度用360表示，并并省略，則得得數(shù)字化頻頻率f =模擬頻率率/采樣頻率率4.2.2信號產(chǎn)生生函數(shù)及及應(yīng)用信號生成成子選板板1.正弦波生生成Sine Wave.vi正弦波函函數(shù)的等等效數(shù)學(xué)學(xué)運算式式如下：Sine Wavei=amplitudesin（360fi+phase0）Sine Wave.vi應(yīng)用舉例例例4.5利用Sine Wave.vi產(chǎn)生正弦弦波前面板程序框圖圖數(shù)字頻率率的認(rèn)識識調(diào)節(jié)

13、信號號頻率、采樣頻頻率、采采樣點數(shù)數(shù)，觀察察這些參參數(shù)的變變化對顯顯示正弦弦波結(jié)果果的影響響。若以Hz作為頻率率單位，則數(shù)字頻率率單位（Hz）= fx/fs=信號頻率率/采樣頻率率若以周期期作為頻頻率單位位，則數(shù)字頻率率單位(T)=周期數(shù)/采樣點數(shù)數(shù)均勻白噪噪聲的生生成例4.6利用UnifomWhiteNoise.vi產(chǎn)生均勻勻分布的的白噪聲聲。前面板程序框圖圖簡單函數(shù)數(shù)發(fā)生器器例4.7創(chuàng)建一個個可以產(chǎn)產(chǎn)生正弦弦波、三三角波、方波和和鋸齒波波的函數(shù)數(shù)發(fā)生器器。4.2.3波形生成成在波形生生成子選選板中的的所有函函數(shù)不僅僅輸出包包含指定定波形圖圖形的數(shù)數(shù)字型數(shù)數(shù)組，而而且包含含時間參參數(shù)，這這種

14、數(shù)據(jù)據(jù)類型在在LabVIEW中稱為波形數(shù)據(jù)據(jù)波形生成成函數(shù)的的應(yīng)用舉舉例例4.8使用基本本函數(shù)發(fā)發(fā)生器創(chuàng)創(chuàng)建函數(shù)數(shù)發(fā)生器器前面板程序框圖圖多頻信號號的產(chǎn)生生與應(yīng)用用多頻信號號是指一一個離散散頻率的的正弦波波集合，其模擬擬信號數(shù)數(shù)學(xué)表達(dá)達(dá)式為：式中，Ai：第i個正弦波波的幅值值i：基頻角角頻率hi：第i個正弦波波的角頻頻倍數(shù)i：第i個正弦波波的初相相角例4.9多頻信號號發(fā)生器器前面板程序框圖圖例4.10信號合成成信號合成成的前面面板和程程序框圖圖4.3信號的時時域分析析時域分析析是指在在時間域域內(nèi)研究究系統(tǒng)在在一定輸輸入信號號的作用用下，其其輸出信信號隨時時間的變變化情況況。由于于時域分分析是直

15、直接在時時間域中中對系統(tǒng)統(tǒng)進(jìn)行分分析的方方法，所所以時域域分析具具有直觀觀和準(zhǔn)確確的優(yōu)點點。4.3.1卷積運算算卷積是電電路分析析的一個個重要概概念。它它可以求求線性系系統(tǒng)對任任何激勵勵信號的的零狀態(tài)態(tài)響應(yīng)。對離散時時間信號號的卷積積稱為卷卷積和，定義為為Convolution.vi例4.11求卷積運運算卷積運算算的前面面板和程程序框圖圖4.3.2相關(guān)分析析所謂“相關(guān)”是指變量量之間的的線性關(guān)關(guān)系。相關(guān)分析析利用相相關(guān)系數(shù)數(shù)或相關(guān)關(guān)函數(shù)來來描述兩兩個信號號間的相相互關(guān)系系或其相相似程度度，還可可以用來來描述同同一信號號的現(xiàn)在在值與過過去值的的關(guān)系，或者根根據(jù)過去去值、現(xiàn)現(xiàn)在值來來估計未未來值。

16、相關(guān)函數(shù)數(shù)定義為為LabVIEW中的相關(guān)關(guān)分析函函數(shù)Auto Correlation.viCrossCorrelation.vi例4.12互相關(guān)運運算前面板程序框圖圖4.3.3微積分運運算在工程應(yīng)應(yīng)用領(lǐng)域域，經(jīng)常常要對整整個過程程進(jìn)行測測量和控控制，往往往涉及及到信號號的采集集，而采采樣獲得得是離散散的數(shù)據(jù)據(jù)，若要要考慮整整個過程程的動態(tài)態(tài)情況或或者獲得得多個參參數(shù)，就就要用到到數(shù)值積積分和數(shù)數(shù)值微分分運算。LabVIEW提供了積積分和微微分函數(shù)數(shù)例4.13對方波信信號進(jìn)行行微積分分運算前面板程序框圖圖4.4信號的頻頻域分析析信號的頻頻譜代表表了信號號在不同同頻率分分量處信信號成分分的大小小，

17、它能能夠提供供比時域域信號波波形更直直觀、更更豐富的的信息。LabVIEW8.2提供了豐豐富的頻頻域分析析函數(shù)，包括傅傅里葉變變換、hilbert變換、功功率譜分分析、諧波分析等等。4.4.1快速傅立立葉變換換（FFT）傅里葉變變換是信信號處理理與數(shù)據(jù)據(jù)處理中中一個重重要分析析工具，其意義義在于將將時域與與頻域信信號聯(lián)系系起來，通過頻頻域分析析將復(fù)雜雜的信號號分解為為各個單單一的頻頻率成分分。FFT.vi例4.15雙邊傅里里葉變換換前面板程序框圖圖頻率間隔隔與采樣樣頻率和和采樣點點數(shù)的關(guān)關(guān)系例4.16單邊傅里里葉變換換前面板程序框圖圖4.4.2頻譜分析析頻譜分析析是指把時時間域的的各種動動態(tài)信

18、號號通過傅傅里葉變變換轉(zhuǎn)換換到頻率率域進(jìn)行行分析。頻譜分析析中應(yīng)注注意的問問題（1）頻譜混混疊（2）泄漏效效應(yīng)和柵柵欄效應(yīng)應(yīng)頻譜分析析前面板程序框圖圖例4.17使用Amplitudeand Phase Spectrum.vi進(jìn)行頻譜譜分析功率譜例4.16使用Auto Power Spectrum.vi進(jìn)行自功功率譜分分析前面板程序框圖圖4.4.3頻率響應(yīng)應(yīng)分析頻率響應(yīng)應(yīng)表述了了一個測測試系統(tǒng)統(tǒng)輸入和和輸出的的頻域關(guān)關(guān)系，它它是描述述測試系系統(tǒng)頻域域動態(tài)特特性的重重要關(guān)系系。常常用其其模和和相位角角來來表表示，稱稱為測試試系統(tǒng)的的幅頻特特性和相相頻特性性。例4.19求頻率響響應(yīng)的幅幅頻特性性與相

19、頻頻特性前面板程序框圖圖頻率響應(yīng)應(yīng)例4.20使用FrequenceResponseFunction(Real-Im).vi求頻率響響應(yīng)的實實部和虛虛部前面板程序框圖圖4.4.4諧波分析析諧波和基基波是一一個相對對的概念念，它是是一個周周期電氣氣量中的的正弦波波分量，其頻率率為基波波頻率的的整數(shù)倍倍，由于于諧波的的頻率是是基波頻頻率的整整數(shù)倍，也常稱稱為高次次諧波。在頻域域分析中中以電壓壓為例，將畸變變的周期期性電壓壓分解成成傅里葉葉級數(shù)畸變波形形因諧波波引起的的偏離正正弦波形形的程度度用總諧波畸畸變量THD表示例4.21諧波分析析前面板程序框圖圖4.5數(shù)字濾波波器數(shù)字濾波波器即是以數(shù)數(shù)值計算算

20、的方法法來實現(xiàn)現(xiàn)對離散散化信號號的處理理，以減減少干擾擾信號在在有用信信號中所所占的比比例，從從而改變變信號的的質(zhì)量，達(dá)到濾濾波或加加工信號號的目的的。數(shù)字濾波波器分為為無限沖激激響應(yīng)濾濾波器IIR有限沖激激響應(yīng)濾濾波器FIR特點：精精度高、穩(wěn)定性性好、靈靈活性強強、處理理功能強調(diào)用數(shù)字字濾波器器子程序序應(yīng)注意意的問題題濾波器類類型選擇擇:在低通、高通、帶通或或帶阻濾濾波器中中選擇一一個類型型。截止頻率率確定:對低通只只需確確定上截截止頻率率，高通通濾波器器只需確確定下截截止頻率率，對帶帶通及帶帶阻濾波波器應(yīng)確確定上、下限截截止頻率率。采樣頻率率設(shè)定濾波器的的階數(shù):濾波器階階數(shù)越高高，其幅幅頻

21、特性性曲線過過渡帶衰衰減越快快紋波幅度度窗函數(shù)LabVIEW8.2在【窗】子選板中中提供了了20種窗函數(shù)數(shù)，包括括矩形窗窗、漢寧寧窗、海海明窗等等數(shù)字濾波波器應(yīng)用用舉例例4.22使用巴特特沃斯濾濾波器提提出正弦弦信號前面板程序框圖圖例4.23信號分離離(多頻率)前面板程序框圖圖4.6曲線擬合合概述相關(guān)物理理量近似似函數(shù)表表達(dá)式描描述y =f(x，a，b，)曲線擬合合的目的的：是找找出一系系列參數(shù)數(shù)的最佳佳估值，通過這這些最佳參參數(shù)，可可使擬合合曲線與與實際數(shù)數(shù)據(jù)之間間的誤差差為最小小。曲線擬合合的算法法稱為最最小平方方法。誤誤差被定定義為：e(a)=f(x,a)-y(x)2令a=a0,a1y(

22、x)是實測數(shù)數(shù)據(jù)，f(x，a)是由一組組實驗數(shù)數(shù)據(jù)估計計出來的的回歸方程式式，a是使誤差差平方和和為最小小的最佳佳系數(shù)或或參數(shù)。離散系統(tǒng)統(tǒng) ：f表示擬合合數(shù)據(jù)，y表示實測測數(shù)據(jù)，n表示采樣樣點數(shù)。1.LabVIEW中曲線擬擬合類型型LabVIEW的分析軟軟件庫提提供了多多種線性性和非線線性的曲曲線擬合合算法，如：線性擬合合 把把實驗驗數(shù)據(jù)擬擬合為y=mx+c直線形式式：yi=a0+a1*xi指數(shù)擬合合 把把數(shù)據(jù)據(jù)擬合為為y =aexp(bx)指數(shù)曲線線:yi=a0*exp(a1*Xi)多項式擬擬合把把數(shù)據(jù)擬擬合為y=a+bx+cx2+多項式曲曲線：yi=a0+ a1*Xi+a2*xi2通用線性性擬合將將數(shù)據(jù)擬擬合為下下述形式式：yi=a0+a1*f1(Xi)+ a2*f2(Xi)非線性LevMar擬合將數(shù)據(jù)擬擬合