第4章虛擬儀器數(shù)據(jù)采集與信號處理課件

第4章虛擬儀器數(shù)據(jù)采集與信號處理第4章虛擬儀器數(shù)據(jù)采集與信號處理第4章虛擬儀器數(shù)據(jù)采集與信號處理教學重點數(shù)據(jù)采集信號產(chǎn)生信號的時域分析信號的頻域分析數(shù)字濾波器曲線擬合第4章虛擬儀器數(shù)據(jù)采集與信號處理教學重點4.1數(shù)據(jù)采集組建一個基于LabVIEW的虛擬儀器系統(tǒng)，傳感器、信號調(diào)理和數(shù)據(jù)采集模塊是最基本的硬件。其中，傳感器是將被測試的物理量轉(zhuǎn)換為電量的基本環(huán)節(jié)，數(shù)據(jù)采集則將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)據(jù)信號供計算機進行分析處理，信號調(diào)理是兩者之間的橋梁，負責將傳感器的輸出信號和數(shù)據(jù)采集模塊可以接受的信號類型聯(lián)系起來。

4.1數(shù)據(jù)采集組建一個基于LabVIEW的虛擬儀器系統(tǒng)，傳4.1.1數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)采集（DataAcquisition，DAQ），就是將被測對象的各種參量（物理量、化學量、生物量等）通過各種傳感器作適當轉(zhuǎn)換后，再經(jīng)信號調(diào)理、采樣、量化、編碼、傳輸?shù)炔襟E送到控制器進行數(shù)據(jù)處理或記錄的過程。4.1.1數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)采集（DataAcquis一個典型的數(shù)據(jù)采集卡的功能有模擬輸入、模擬輸出、數(shù)字I/O、計數(shù)器/計時器等，這些功能分別由相應的電路來實現(xiàn)。數(shù)據(jù)采集卡模擬輸入/輸出數(shù)字輸入/輸出時鐘輸入/輸出OnOff1-0ADCcntr/timerdigitalDAQBoard一個典型的數(shù)據(jù)采集卡的功能有模擬輸入、模擬輸出、數(shù)字I/O、選用數(shù)據(jù)采集卡的基本原則（1）數(shù)據(jù)分辨率和精度（2）最高采樣速度（3）通道數(shù)（4）數(shù)據(jù)總線接口類型（5）是否有隔離（6）支持的軟件驅(qū)動程序及其軟件平臺選用數(shù)據(jù)采集卡的基本原則（1）數(shù)據(jù)分辨率和精度采集卡類型NI的數(shù)據(jù)采集卡PCI總線的通用數(shù)據(jù)采集卡采集卡類型NI的數(shù)據(jù)采集卡PCI總線的通用數(shù)據(jù)采集卡4.1.2LabVIEW中的數(shù)據(jù)采集VI及應用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)4.1.2LabVIEW中的數(shù)據(jù)采集VI及應用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)基于NI的USB-6009數(shù)據(jù)采集卡的數(shù)據(jù)采集USB-6009的主要特性：8模擬輸入通道（14位、48KS/s采樣速度)2路14位模擬輸出通道12個I/O通道1個32位計數(shù)器/定時器USB-6009的外型基于NI的USB-6009數(shù)據(jù)采集卡的數(shù)據(jù)采集USB-600NIUSB-6009的接線端子分配模擬輸入：AI0~AI7模擬輸出：AO0,AO1數(shù)字I/O：P0.0~P0.7,P1.0~P1.3定時/計數(shù)器：PFI0NIUSB-6009的接線端子分配模擬輸入：AI0~AI7NI數(shù)據(jù)采集卡的應用例4.1

利用USB-6009數(shù)據(jù)采集卡實現(xiàn)單通道數(shù)據(jù)采集分析：利用LabVIEW8.5的DAQmx-DataAcquisition子選板中的數(shù)據(jù)采集函數(shù)構(gòu)建一個單通道的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。硬件-選用NIUSB-6009采集卡軟件-選用DAQmx-DataAcquisition子選板中的數(shù)據(jù)采集函數(shù)實現(xiàn)NI數(shù)據(jù)采集卡的應用例4.1利用USB-6009數(shù)據(jù)采集卡

單通道數(shù)據(jù)采集VI設計前面板程序框圖

單通道數(shù)據(jù)采集VI設計前面板程序框圖構(gòu)建多通道數(shù)據(jù)采集例4.2

多通道數(shù)據(jù)采集分析：利用LabVIEW8.5的DAQmx-DataAcquisition子選板中的數(shù)據(jù)采集函數(shù)構(gòu)建一個多通道的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。硬件-選用NIUSB-6009采集卡軟件-選用DAQmx-DataAcquisition子選板中的數(shù)據(jù)采集函數(shù)實現(xiàn)構(gòu)建多通道數(shù)據(jù)采集例4.2多通道數(shù)據(jù)采集圖7–4多參量多通道PC–DAQ/PCI虛擬儀器測量系統(tǒng)圖7–4多參量多通道PC–DAQ/PCI虛擬儀器測量系統(tǒng)

多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的前面板

多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的前面板

多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的程序框圖

多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的程序框圖1模擬信號輸入部分

①

模擬輸入通道數(shù)。該參數(shù)表明數(shù)據(jù)采集卡所能夠采集的最多的信號路數(shù)。②

信號的輸入方式。一般待采集信號的輸入方式有：l

單端輸入：即信號的其中一個端子接地。l

差動輸入：即信號兩端均浮地。l

單極性：信號幅值范圍為[0，A]，A為信號最大幅值。l

雙極性：信號幅值范圍為[–A，A]。1模擬信號輸入部分

一般的數(shù)據(jù)采集卡都設有信號輸入方式的選擇設置，設計者可根據(jù)實際需要進行選擇。③

模擬信號的輸入范圍(量程)一般根據(jù)信號輸入特性的不同(單極性輸入還是雙極性輸入)有不同的輸入范圍。如對單極性輸入，典型值為0～10V，對雙極性輸入，典型值為–5V~5V。④

放大器增益。⑤

模擬輸入阻抗。采集卡固有參數(shù)，一般不由用戶設置。一般的數(shù)據(jù)采集卡都設有信號輸入方式的選擇設置到此到此4.1.3NI-DAQmx數(shù)據(jù)采集簡介NI-DAQmx是LabVIEW7.0以來新增的DAQ軟件。它包括支持200多種NI數(shù)據(jù)采集設備的驅(qū)動，并提供相應的VI函數(shù)。此外它還包括Measurement&AutomationExplorer(MAX)、數(shù)據(jù)采集助理(DAQAssistant)以及VILogger數(shù)據(jù)記錄軟件。通過這些工具并結(jié)合LabVIEW可以節(jié)省大量的系統(tǒng)配置、開發(fā)和記錄數(shù)據(jù)的時間。4.1.3NI-DAQmx數(shù)據(jù)采集簡介NI-DAQmx是NI-DAQmx1.Measurement&AutomationExplorer(MAX)測量與自動化軟件快速檢測及配置所有硬件通過測試面板驗證硬件的運作狀況實施簡便、交互式的測量給Ι/Ο通道命名NI-DAQmx1.Measurement&Autom舉例：通過MAX配置串口屬性

舉例：通過MAX配置串口屬性2.DAQ助手DAQAssistant

DAQ助手提供了一個對話框式的向?qū)в糜跍y量任務的配置、測試和自動代碼生成。配合ExpressVI，通過DAQAssistant可以在數(shù)分鐘內(nèi)搭建一個專業(yè)的數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)。2.DAQ助手DAQAssistant數(shù)據(jù)采集模板數(shù)據(jù)采集模板DAQmx—數(shù)據(jù)采集模板DAQmx—數(shù)據(jù)采集模板（1）模擬輸入通道參數(shù)設置1）被測量選取3數(shù)據(jù)輸入輸出設置（1）模擬輸入通道參數(shù)設置3數(shù)據(jù)輸入輸出設置2）測量通道選擇2）測量通道選擇（2）模擬輸出通道參數(shù)設置

1）被測量選擇（2）模擬輸出通道參數(shù)設置

1）被測量選擇2）測量通道選擇2）測量通道選擇3）命名3）命名4）測量通道設置好的示意圖4）測量通道設置好的示意圖5）自行測試演示5）自行測試演示（3）外部信號輸入的設置（3）外部信號輸入的設置自我測試結(jié)果外部加入到ai11端子的電壓3.45v自我測試結(jié)果外部加入到ai11端子的電壓3.45v（4）外部信號輸入的子函數(shù)調(diào)用—讀出（4）外部信號輸入的子函數(shù)調(diào)用—讀出外部信號輸入的子函數(shù)調(diào)用測試結(jié)果外部信號輸入的子函數(shù)調(diào)用測試結(jié)果（5）外部信號--輸入端讀出—寫給輸出端（5）外部信號--輸入端讀出—寫給輸出端讀出—寫入模式設置讀出—寫入模式設置運行運行4.1.4通用數(shù)據(jù)采集卡的LabVIEW控制實現(xiàn)1．數(shù)據(jù)采集卡驅(qū)動程序的開發(fā)方式

直接端口讀寫方式（I/O方式）

調(diào)用C語言源代碼的方式（CIN方式）

調(diào)用動態(tài)連接庫的方式（CLF方式）

4.1.4通用數(shù)據(jù)采集卡的LabVIEW控制實現(xiàn)1．數(shù)據(jù)采（1）直接端口讀寫方式（I/O方式）I/O端口子選板

InPort.vi

OutPort.vi

（1）直接端口讀寫方式（I/O方式）I/O端口子選板I（2）調(diào)用C語言源代碼的方式LabVIEW8.2函數(shù)選板的【互連接口】→【庫可執(zhí)行程序】子選板中有一個CodeInterfaceNode節(jié)點，用來在LabVIEW程序框圖中直接調(diào)用其他編程語言（如VC）寫的代碼。這樣就可以通過使用CIN圖標來調(diào)用由C語言編寫的采集卡驅(qū)動程序方法實現(xiàn)虛擬儀器的數(shù)據(jù)采集。（2）調(diào)用C語言源代碼的方式LabVIEW8.2函數(shù)選板的【（3）調(diào)用動態(tài)連接庫的方式動態(tài)鏈接庫通常由數(shù)據(jù)采集卡生產(chǎn)廠商提供，通過LabVIEW的CallLibraryFunctionNode來調(diào)用。

（3）調(diào)用動態(tài)連接庫的方式動態(tài)鏈接庫通常由數(shù)據(jù)采集卡生產(chǎn)廠商2．數(shù)據(jù)采集卡驅(qū)動程序設計舉例

例4.3

用端口讀/寫函數(shù)驅(qū)動數(shù)據(jù)采集卡。

要求通過端口讀/寫函數(shù)實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集卡PC-6310的數(shù)據(jù)采集PC-6310簡介

PC-6310適用于具有ISA總線的PC系列微機卡上的A/D轉(zhuǎn)換器ADS774為12位分辨率轉(zhuǎn)換速率為10μS

模擬輸入信號范圍為0V～10V或-5V～+5V

模擬輸入通道為32個通道的單端或16個通道的雙端

2．數(shù)據(jù)采集卡驅(qū)動程序設計舉例例4.3用端口讀/寫函數(shù)驅(qū)

控制端口的地址與功能

A/D轉(zhuǎn)換狀態(tài)數(shù)據(jù)格式A／D轉(zhuǎn)換結(jié)果數(shù)據(jù)格式控制端口的地址與功能A/D轉(zhuǎn)換狀態(tài)數(shù)據(jù)格式A／D轉(zhuǎn)換結(jié)數(shù)據(jù)采集VI的前面板數(shù)據(jù)采集VI的前面板數(shù)據(jù)采集VI的程序框圖數(shù)據(jù)采集VI的程序框圖數(shù)據(jù)采集VI的程序框圖數(shù)據(jù)采集VI的程序框圖講到此了—3.11講到此了—3.114.2信號產(chǎn)生信號產(chǎn)生是儀器系統(tǒng)的重要組成部分，要評價任意一個網(wǎng)絡或系統(tǒng)的特性，必須外加一定的測試信號，其性能方能顯示出來。最常用的測試信號有正弦波、三角波、方波、鋸齒波、噪聲波及多頻波（由不同頻率的正弦波疊加而形成的波形）等。

4.2信號產(chǎn)生信號產(chǎn)生是儀器系統(tǒng)的重要組成部分，要評價任4.2.1數(shù)字信號的產(chǎn)生與數(shù)字化頻率的概念

正弦波信號：u(t)=Asin(ωt+θ0)ΔT為采樣間隔，T為信號周期，設一個周期內(nèi)的采樣點數(shù)為n，則T=nΔT

采樣頻率：fs=1/ΔT

信號頻率：fx=1/T=1/(nΔT)=fS/nu(iΔT)=Asin(2πi/n+θ0)

設f=fx/fS=1/n,將2π弧度用360o表示，并省略，則得

數(shù)字化頻率f=模擬頻率/采樣頻率4.2.1數(shù)字信號的產(chǎn)生與數(shù)字化頻率的概念正弦波信號：u4.2.2信號產(chǎn)生函數(shù)及應用信號生成子選板

4.2.2信號產(chǎn)生函數(shù)及應用信號生成子選板1.正弦波生成SineWave.vi

正弦波函數(shù)的等效數(shù)學運算式如下：SineWave[i]=amplitude×sin（360×f×i+phase0）

1.正弦波生成SineWave.vi正弦波函數(shù)的等效數(shù)SineWave.vi應用舉例例4.5利用SineWave.vi產(chǎn)生正弦波前面板程序框圖

SineWave.vi應用舉例例4.5利用Sine數(shù)字頻率的認識

調(diào)節(jié)信號頻率、采樣頻率、采樣點數(shù)，觀察這些參數(shù)的變化對顯示正弦波結(jié)果的影響。若以Hz作為頻率單位，則

數(shù)字頻率單位（Hz）=fx/fs=信號頻率/采樣頻率若以周期作為頻率單位，則

數(shù)字頻率單位

(T)=周期數(shù)/采樣點數(shù)數(shù)字頻率的認識調(diào)節(jié)信號頻率、采樣頻率、采樣點數(shù)，觀察這些參均勻白噪聲的生成例4.6

利用UnifomWhiteNoise.vi產(chǎn)生均勻分布的白噪聲。前面板程序框圖

均勻白噪聲的生成例4.6利用UnifomWhiteNo簡單函數(shù)發(fā)生器例4.7創(chuàng)建一個可以產(chǎn)生正弦波、三角波、方波和鋸齒波的函數(shù)發(fā)生器。簡單函數(shù)發(fā)生器例4.7創(chuàng)建一個可以產(chǎn)生正弦波、三角波、方波4.2.3波形生成在波形生成子選板中的所有函數(shù)不僅輸出包含指定波形圖形的數(shù)字型數(shù)組，而且包含時間參數(shù)，這種數(shù)據(jù)類型在LabVIEW中稱為波形數(shù)據(jù)4.2.3波形生成在波形生成子選板中的所有函數(shù)不僅輸出包含波形生成函數(shù)的應用舉例例4.8

使用基本函數(shù)發(fā)生器創(chuàng)建函數(shù)發(fā)生器前面板

程序框圖

波形生成函數(shù)的應用舉例例4.8使用基本函數(shù)發(fā)生器創(chuàng)建函數(shù)多頻信號的產(chǎn)生與應用多頻信號是指一個離散頻率的正弦波集合，其模擬信號數(shù)學表達式為：式中，Ai：第i個正弦波的幅值

ωi：基頻角頻率

hi：第i個正弦波的角頻倍數(shù)

θi：第i個正弦波的初相角多頻信號的產(chǎn)生與應用多頻信號是指一個離散頻率的正弦波集合，例4.9多頻信號發(fā)生器前面板

程序框圖

例4.9多頻信號發(fā)生器前面板程序框圖例4.10信號合成信號合成的前面板和程序框圖例4.10信號合成信號合成的前面板和程序框圖4.3信號的時域分析時域分析是指在時間域內(nèi)研究系統(tǒng)在一定輸入信號的作用下，其輸出信號隨時間的變化情況。由于時域分析是直接在時間域中對系統(tǒng)進行分析的方法，所以時域分析具有直觀和準確的優(yōu)點。4.3信號的時域分析時域分析是指在時間域內(nèi)研究系統(tǒng)在一定4.3.1卷積運算卷積是電路分析的一個重要概念。它可以求線性系統(tǒng)對任何激勵信號的零狀態(tài)響應。對離散時間信號的卷積稱為卷積和，定義為Convolution.vi4.3.1卷積運算卷積是電路分析的一個重要概念。它可以求線例4.11求卷積運算卷積運算的前面板和程序框圖例4.11求卷積運算卷積運算的前面板和程序框圖4.3.2相關分析所謂“相關”是指變量之間的線性關系。相關分析利用相關系數(shù)或相關函數(shù)來描述兩個信號間的相互關系或其相似程度，還可以用來描述同一信號的現(xiàn)在值與過去值的關系，或者根據(jù)過去值、現(xiàn)在值來估計未來值。相關函數(shù)定義為

4.3.2相關分析所謂“相關”是指變量之間的線性關系。相

LabVIEW中的相關分析函數(shù)AutoCorrelation.viCrossCorrelation.viLabVIEW中的相關分析函數(shù)AutoCorrelati例4.12互相關運算前面板程序框圖

例4.12互相關運算前面板程序框圖4.3.3微積分運算

在工程應用領域，經(jīng)常要對整個過程進行測量和控制，往往涉及到信號的采集，而采樣獲得是離散的數(shù)據(jù)，若要考慮整個過程的動態(tài)情況或者獲得多個參數(shù)，就要用到數(shù)值積分和數(shù)值微分運算。

LabVIEW提供了積分和微分函數(shù)4.3.3微積分運算在工程應用領域，經(jīng)常要對例4.13對方波信號進行微積分運算前面板

程序框圖

例4.13對方波信號進行微積分運算前面板程序框圖4.4信號的頻域分析信號的頻譜代表了信號在不同頻率分量處信號成分的大小，它能夠提供比時域信號波形更直觀、更豐富的信息。LabVIEW8.2提供了豐富的頻域分析函數(shù)，包括傅里葉變換、hilbert變換、功率譜分析、諧波分析等。

4.4信號的頻域分析信號的頻譜代表了信號在不同頻率分量處信4.4.1快速傅立葉變換（FFT）傅里葉變換是信號處理與數(shù)據(jù)處理中一個重要分析工具，其意義在于將時域與頻域信號聯(lián)系起來，通過頻域分析將復雜的信號分解為各個單一的頻率成分。FFT.vi4.4.1快速傅立葉變換（FFT）傅里葉變換是信號處理與數(shù)例4.15雙邊傅里葉變換前面板程序框圖頻率間隔與采樣頻率和采樣點數(shù)的關系例4.15雙邊傅里葉變換前面板程序框圖頻率間隔與采樣頻率例4.16單邊傅里葉變換前面板程序框圖例4.16單邊傅里葉變換前面板程序框圖4.4.2頻譜分析頻譜分析是指把時間域的各種動態(tài)信號通過傅里葉變換轉(zhuǎn)換到頻率域進行分析。頻譜分析中應注意的問題（1）頻譜混疊（2）泄漏效應和柵欄效應4.4.2頻譜分析頻譜分析是指把時間域的各種動態(tài)信號通過頻譜分析前面板程序框圖

例4.17使用AmplitudeandPhaseSpectrum.vi進行頻譜分析頻譜分析前面板程序框圖例4.17使用Amplitude功率譜例4.16使用AutoPowerSpectrum.vi進行自功率譜分析前面板程序框圖功率譜例4.16使用AutoPowerSpectru4.4.3頻率響應分析頻率響應表述了一個測試系統(tǒng)輸入和輸出的頻域關系，它是描述測試系統(tǒng)頻域動態(tài)特性的重要關系。

常常用其模和相位角來表示，稱為測試系統(tǒng)的幅頻特性和相頻特性。

4.4.3頻率響應分析頻率響應表述了一個測試系統(tǒng)輸入和輸例4.19求頻率響應的幅頻特性與相頻特性前面板程序框圖例4.19求頻率響應的幅頻特性與相頻特性前面板程序框圖頻率響應例4.20使用FrequenceResponseFunction(Real-Im).vi求頻率響應的實部和虛部前面板程序框圖頻率響應例4.20使用FrequenceResponse4.4.4諧波分析諧波和基波是一個相對的概念，它是一個周期電氣量中的正弦波分量，其頻率為基波頻率的整數(shù)倍，由于諧波的頻率是基波頻率的整數(shù)倍，也常稱為高次諧波。在頻域分析中以電壓為例，將畸變的周期性電壓分解成傅里葉級數(shù)畸變波形因諧波引起的偏離正弦波形的程度用總諧波畸變量THD表示

4.4.4諧波分析諧波和基波是一個相對的概念，它是一個周例4.21諧波分析前面板程序框圖

例4.21諧波分析前面板程序框圖4.5數(shù)字濾波器數(shù)字濾波器即是以數(shù)值計算的方法來實現(xiàn)對離散化信號的處理，以減少干擾信號在有用信號中所占的比例，從而改變信號的質(zhì)量，達到濾波或加工信號的目的。

數(shù)字濾波器分為無限沖激響應濾波器IIR

有限沖激響應濾波器FIR

特點：精度高、穩(wěn)定性好、靈活性強、處理功能強

4.5數(shù)字濾波器數(shù)字濾波器即是以數(shù)值計算的方法來實現(xiàn)對調(diào)用數(shù)字濾波器子程序應注意的問題濾波器類型選擇:在低通、高通、帶通或帶阻濾波器中選擇一個類型。截止頻率確定:對低通只需確定上截止頻率，高通濾波器只需確定下截止頻率，對帶通及帶阻濾波器應確定上、下限截止頻率。采樣頻率設定濾波器的階數(shù):濾波器階數(shù)越高，其幅頻特性曲線過渡帶衰減越快紋波幅度

調(diào)用數(shù)字濾波器子程序應注意的問題濾波器類型選擇:在低通、高通

窗函數(shù)LabVIEW8.2在【窗】子選板中提供了20種窗函數(shù)，包括矩形窗、漢寧窗、海明窗等窗函數(shù)LabVIEW8.2在【窗】子選板中提供了20種窗函數(shù)字濾波器應用舉例例4.22

使用巴特沃斯濾波器提出正弦信號前面板程序框圖

數(shù)字濾波器應用舉例例4.22使用巴特沃斯濾波器提出正弦信例4.23信號分離(多頻率)前面板程序框圖

例4.23信號分離(多頻率)前面板程序框圖4.6曲線擬合概述相關物理量近似函數(shù)表達式描述y=f(x，a，b，…)

曲線擬合的目的：是找出一系列參數(shù)的最佳估值，通過這些最佳參數(shù)，可使擬合曲線與實際數(shù)據(jù)之間的誤差為最小。曲線擬合的算法稱為最小平方法。誤差被定義為：

e(a)=[f(x,a)-y(x)]2令a={a0,a1}y(x)是實測數(shù)據(jù)，f(x，a)是由一組實驗數(shù)據(jù)估計出來的回歸方程式，a是使誤差平方和為最小的最佳系數(shù)或參數(shù)。離散系統(tǒng)：

f表示擬合數(shù)據(jù)，y表示實測數(shù)據(jù)，n表示采樣點數(shù)。4.6曲線擬合概述1.LabVIEW中曲線擬合類型LabVIEW的分析軟件庫提供了多種線性和非線性的曲線擬合算法，如：線性擬合－把實驗數(shù)據(jù)擬合為y=mx+c直線形式：

y[i]=a0+a1*x[i]指數(shù)擬合－把數(shù)據(jù)擬合為y=aexp(bx)指數(shù)曲線:y[i]=a0*exp(a1*X[i])多項式擬合－把數(shù)據(jù)擬合為y=a+bx+cx^2+…多項式曲線：

y[i]=a0+a1*X[i]+a2*x[i]^2…通用線性擬合－將數(shù)據(jù)擬合為下述形式：

y[i]=a0+a1*f1(X[i])+a2*f2(X[i])…

非線性Lev–Mar擬合—

將數(shù)據(jù)擬合為

y[i]=f(X[i],a0,a1,a2…)1.LabVIEW中曲線擬合類型LabVIEW的分析軟件庫2.曲線擬合應用

曲線擬合的實際應用很廣泛，例如：消除測量噪聲填充丟失的采樣點（例如，如果一個或者多個采樣點丟失或者記錄不正確）插值（對采樣點之間的數(shù)據(jù)的估計；例如在采樣點之間的時間差距不夠大時）外推（對采樣范圍之外的數(shù)據(jù)進行估計，例如在需要在試驗以后或者以后的數(shù)值時）數(shù)據(jù)的合成（例如在需要找出曲線下面的區(qū)域，同時又只知道這個曲線的若干個離散采樣點的時候）求解某個基于離散數(shù)據(jù)的對象的速度軌跡（一階導數(shù)）和加速度軌跡（二階導數(shù)）2.曲線擬合應用曲線擬合的實際應用很廣泛，例如：3.曲線擬合VILabVIEW8.2曲線擬合子選板位于函數(shù)選板的【數(shù)學】子選板中

3.曲線擬合VILabVIEW8.2曲線擬合子選板位于函數(shù)選4.曲線擬合應用實例例4.24線性擬合

線性擬合算法公式a0是截距，a1是斜率

4.曲線擬合應用實例例4.24線性擬合線性擬合算法公例4.25多項式擬合要求使用GeneralPolynomialFit.vi對熱電偶測溫系統(tǒng)測得的一組實驗數(shù)據(jù)進行多項式擬合，計算出多項式擬合曲線的系數(shù)和對應于輸入溫度值的擬合值。熱電偶測溫系統(tǒng)的實驗數(shù)據(jù)如下：輸入溫度（oC）：0，50，100，150，200，250，300，350，400，450，500，550，600，650，700，750，800。熱電勢（mV）：0.00，3.35，4.96，10.69，14.66，18.76，22.90，27.15，31.48，35.81，40.15，44.05，49.01，53.39，57.74，62.06，66.36。

例4.25多項式擬合要求使用GeneralPolynom多項式擬合VI的前面板和程序框圖選擇擬合階數(shù)為2，多項式關系為多項式擬合VI的前面板和程序框圖選擇擬合階數(shù)為2，多項式關系

本章結(jié)束ThankYou!

本章結(jié)束ThankYou!第4章虛擬儀器數(shù)據(jù)采集與信號處理第4章虛擬儀器數(shù)據(jù)采集與信號處理第4章虛擬儀器數(shù)據(jù)采集與信號處理教學重點數(shù)據(jù)采集信號產(chǎn)生信號的時域分析信號的頻域分析數(shù)字濾波器曲線擬合第4章虛擬儀器數(shù)據(jù)采集與信號處理教學重點4.1數(shù)據(jù)采集組建一個基于LabVIEW的虛擬儀器系統(tǒng)，傳感器、信號調(diào)理和數(shù)據(jù)采集模塊是最基本的硬件。其中，傳感器是將被測試的物理量轉(zhuǎn)換為電量的基本環(huán)節(jié)，數(shù)據(jù)采集則將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)據(jù)信號供計算機進行分析處理，信號調(diào)理是兩者之間的橋梁，負責將傳感器的輸出信號和數(shù)據(jù)采集模塊可以接受的信號類型聯(lián)系起來。

4.1數(shù)據(jù)采集組建一個基于LabVIEW的虛擬儀器系統(tǒng)，傳4.1.1數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)采集（DataAcquisition，DAQ），就是將被測對象的各種參量（物理量、化學量、生物量等）通過各種傳感器作適當轉(zhuǎn)換后，再經(jīng)信號調(diào)理、采樣、量化、編碼、傳輸?shù)炔襟E送到控制器進行數(shù)據(jù)處理或記錄的過程。4.1.1數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)采集（DataAcquis一個典型的數(shù)據(jù)采集卡的功能有模擬輸入、模擬輸出、數(shù)字I/O、計數(shù)器/計時器等，這些功能分別由相應的電路來實現(xiàn)。數(shù)據(jù)采集卡模擬輸入/輸出數(shù)字輸入/輸出時鐘輸入/輸出OnOff1-0ADCcntr/timerdigitalDAQBoard一個典型的數(shù)據(jù)采集卡的功能有模擬輸入、模擬輸出、數(shù)字I/O、選用數(shù)據(jù)采集卡的基本原則（1）數(shù)據(jù)分辨率和精度（2）最高采樣速度（3）通道數(shù)（4）數(shù)據(jù)總線接口類型（5）是否有隔離（6）支持的軟件驅(qū)動程序及其軟件平臺選用數(shù)據(jù)采集卡的基本原則（1）數(shù)據(jù)分辨率和精度采集卡類型NI的數(shù)據(jù)采集卡PCI總線的通用數(shù)據(jù)采集卡采集卡類型NI的數(shù)據(jù)采集卡PCI總線的通用數(shù)據(jù)采集卡4.1.2LabVIEW中的數(shù)據(jù)采集VI及應用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)4.1.2LabVIEW中的數(shù)據(jù)采集VI及應用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)基于NI的USB-6009數(shù)據(jù)采集卡的數(shù)據(jù)采集USB-6009的主要特性：8模擬輸入通道（14位、48KS/s采樣速度)2路14位模擬輸出通道12個I/O通道1個32位計數(shù)器/定時器USB-6009的外型基于NI的USB-6009數(shù)據(jù)采集卡的數(shù)據(jù)采集USB-600NIUSB-6009的接線端子分配模擬輸入：AI0~AI7模擬輸出：AO0,AO1數(shù)字I/O：P0.0~P0.7,P1.0~P1.3定時/計數(shù)器：PFI0NIUSB-6009的接線端子分配模擬輸入：AI0~AI7NI數(shù)據(jù)采集卡的應用例4.1

利用USB-6009數(shù)據(jù)采集卡實現(xiàn)單通道數(shù)據(jù)采集分析：利用LabVIEW8.5的DAQmx-DataAcquisition子選板中的數(shù)據(jù)采集函數(shù)構(gòu)建一個單通道的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。硬件-選用NIUSB-6009采集卡軟件-選用DAQmx-DataAcquisition子選板中的數(shù)據(jù)采集函數(shù)實現(xiàn)NI數(shù)據(jù)采集卡的應用例4.1利用USB-6009數(shù)據(jù)采集卡

單通道數(shù)據(jù)采集VI設計前面板程序框圖

單通道數(shù)據(jù)采集VI設計前面板程序框圖構(gòu)建多通道數(shù)據(jù)采集例4.2

多通道數(shù)據(jù)采集分析：利用LabVIEW8.5的DAQmx-DataAcquisition子選板中的數(shù)據(jù)采集函數(shù)構(gòu)建一個多通道的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。硬件-選用NIUSB-6009采集卡軟件-選用DAQmx-DataAcquisition子選板中的數(shù)據(jù)采集函數(shù)實現(xiàn)構(gòu)建多通道數(shù)據(jù)采集例4.2多通道數(shù)據(jù)采集圖7–4多參量多通道PC–DAQ/PCI虛擬儀器測量系統(tǒng)圖7–4多參量多通道PC–DAQ/PCI虛擬儀器測量系統(tǒng)

多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的前面板

多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的前面板

多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的程序框圖

多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的程序框圖1模擬信號輸入部分

①

模擬輸入通道數(shù)。該參數(shù)表明數(shù)據(jù)采集卡所能夠采集的最多的信號路數(shù)。②

信號的輸入方式。一般待采集信號的輸入方式有：l

單端輸入：即信號的其中一個端子接地。l

差動輸入：即信號兩端均浮地。l

單極性：信號幅值范圍為[0，A]，A為信號最大幅值。l

雙極性：信號幅值范圍為[–A，A]。1模擬信號輸入部分

一般的數(shù)據(jù)采集卡都設有信號輸入方式的選擇設置，設計者可根據(jù)實際需要進行選擇。③

模擬信號的輸入范圍(量程)一般根據(jù)信號輸入特性的不同(單極性輸入還是雙極性輸入)有不同的輸入范圍。如對單極性輸入，典型值為0～10V，對雙極性輸入，典型值為–5V~5V。④

放大器增益。⑤

模擬輸入阻抗。采集卡固有參數(shù)，一般不由用戶設置。一般的數(shù)據(jù)采集卡都設有信號輸入方式的選擇設置到此到此4.1.3NI-DAQmx數(shù)據(jù)采集簡介NI-DAQmx是LabVIEW7.0以來新增的DAQ軟件。它包括支持200多種NI數(shù)據(jù)采集設備的驅(qū)動，并提供相應的VI函數(shù)。此外它還包括Measurement&AutomationExplorer(MAX)、數(shù)據(jù)采集助理(DAQAssistant)以及VILogger數(shù)據(jù)記錄軟件。通過這些工具并結(jié)合LabVIEW可以節(jié)省大量的系統(tǒng)配置、開發(fā)和記錄數(shù)據(jù)的時間。4.1.3NI-DAQmx數(shù)據(jù)采集簡介NI-DAQmx是NI-DAQmx1.Measurement&AutomationExplorer(MAX)測量與自動化軟件快速檢測及配置所有硬件通過測試面板驗證硬件的運作狀況實施簡便、交互式的測量給Ι/Ο通道命名NI-DAQmx1.Measurement&Autom舉例：通過MAX配置串口屬性

舉例：通過MAX配置串口屬性2.DAQ助手DAQAssistant

DAQ助手提供了一個對話框式的向?qū)в糜跍y量任務的配置、測試和自動代碼生成。配合ExpressVI，通過DAQAssistant可以在數(shù)分鐘內(nèi)搭建一個專業(yè)的數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)。2.DAQ助手DAQAssistant數(shù)據(jù)采集模板數(shù)據(jù)采集模板DAQmx—數(shù)據(jù)采集模板DAQmx—數(shù)據(jù)采集模板（1）模擬輸入通道參數(shù)設置1）被測量選取3數(shù)據(jù)輸入輸出設置（1）模擬輸入通道參數(shù)設置3數(shù)據(jù)輸入輸出設置2）測量通道選擇2）測量通道選擇（2）模擬輸出通道參數(shù)設置

1）被測量選擇（2）模擬輸出通道參數(shù)設置

1）被測量選擇2）測量通道選擇2）測量通道選擇3）命名3）命名4）測量通道設置好的示意圖4）測量通道設置好的示意圖5）自行測試演示5）自行測試演示（3）外部信號輸入的設置（3）外部信號輸入的設置自我測試結(jié)果外部加入到ai11端子的電壓3.45v自我測試結(jié)果外部加入到ai11端子的電壓3.45v（4）外部信號輸入的子函數(shù)調(diào)用—讀出（4）外部信號輸入的子函數(shù)調(diào)用—讀出外部信號輸入的子函數(shù)調(diào)用測試結(jié)果外部信號輸入的子函數(shù)調(diào)用測試結(jié)果（5）外部信號--輸入端讀出—寫給輸出端（5）外部信號--輸入端讀出—寫給輸出端讀出—寫入模式設置讀出—寫入模式設置運行運行4.1.4通用數(shù)據(jù)采集卡的LabVIEW控制實現(xiàn)1．數(shù)據(jù)采集卡驅(qū)動程序的開發(fā)方式

直接端口讀寫方式（I/O方式）

調(diào)用C語言源代碼的方式（CIN方式）

調(diào)用動態(tài)連接庫的方式（CLF方式）

4.1.4通用數(shù)據(jù)采集卡的LabVIEW控制實現(xiàn)1．數(shù)據(jù)采（1）直接端口讀寫方式（I/O方式）I/O端口子選板

InPort.vi

OutPort.vi

（1）直接端口讀寫方式（I/O方式）I/O端口子選板I（2）調(diào)用C語言源代碼的方式LabVIEW8.2函數(shù)選板的【互連接口】→【庫可執(zhí)行程序】子選板中有一個CodeInterfaceNode節(jié)點，用來在LabVIEW程序框圖中直接調(diào)用其他編程語言（如VC）寫的代碼。這樣就可以通過使用CIN圖標來調(diào)用由C語言編寫的采集卡驅(qū)動程序方法實現(xiàn)虛擬儀器的數(shù)據(jù)采集。（2）調(diào)用C語言源代碼的方式LabVIEW8.2函數(shù)選板的【（3）調(diào)用動態(tài)連接庫的方式動態(tài)鏈接庫通常由數(shù)據(jù)采集卡生產(chǎn)廠商提供，通過LabVIEW的CallLibraryFunctionNode來調(diào)用。

（3）調(diào)用動態(tài)連接庫的方式動態(tài)鏈接庫通常由數(shù)據(jù)采集卡生產(chǎn)廠商2．數(shù)據(jù)采集卡驅(qū)動程序設計舉例

例4.3

用端口讀/寫函數(shù)驅(qū)動數(shù)據(jù)采集卡。

要求通過端口讀/寫函數(shù)實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集卡PC-6310的數(shù)據(jù)采集PC-6310簡介

PC-6310適用于具有ISA總線的PC系列微機卡上的A/D轉(zhuǎn)換器ADS774為12位分辨率轉(zhuǎn)換速率為10μS

模擬輸入信號范圍為0V～10V或-5V～+5V

模擬輸入通道為32個通道的單端或16個通道的雙端

2．數(shù)據(jù)采集卡驅(qū)動程序設計舉例例4.3用端口讀/寫函數(shù)驅(qū)

控制端口的地址與功能

A/D轉(zhuǎn)換狀態(tài)數(shù)據(jù)格式A／D轉(zhuǎn)換結(jié)果數(shù)據(jù)格式控制端口的地址與功能A/D轉(zhuǎn)換狀態(tài)數(shù)據(jù)格式A／D轉(zhuǎn)換結(jié)數(shù)據(jù)采集VI的前面板數(shù)據(jù)采集VI的前面板數(shù)據(jù)采集VI的程序框圖數(shù)據(jù)采集VI的程序框圖數(shù)據(jù)采集VI的程序框圖數(shù)據(jù)采集VI的程序框圖講到此了—3.11講到此了—3.114.2信號產(chǎn)生信號產(chǎn)生是儀器系統(tǒng)的重要組成部分，要評價任意一個網(wǎng)絡或系統(tǒng)的特性，必須外加一定的測試信號，其性能方能顯示出來。最常用的測試信號有正弦波、三角波、方波、鋸齒波、噪聲波及多頻波（由不同頻率的正弦波疊加而形成的波形）等。

4.2信號產(chǎn)生信號產(chǎn)生是儀器系統(tǒng)的重要組成部分，要評價任4.2.1數(shù)字信號的產(chǎn)生與數(shù)字化頻率的概念

正弦波信號：u(t)=Asin(ωt+θ0)ΔT為采樣間隔，T為信號周期，設一個周期內(nèi)的采樣點數(shù)為n，則T=nΔT

采樣頻率：fs=1/ΔT

信號頻率：fx=1/T=1/(nΔT)=fS/nu(iΔT)=Asin(2πi/n+θ0)

設f=fx/fS=1/n,將2π弧度用360o表示，并省略，則得

數(shù)字化頻率f=模擬頻率/采樣頻率4.2.1數(shù)字信號的產(chǎn)生與數(shù)字化頻率的概念正弦波信號：u4.2.2信號產(chǎn)生函數(shù)及應用信號生成子選板

4.2.2信號產(chǎn)生函數(shù)及應用信號生成子選板1.正弦波生成SineWave.vi

正弦波函數(shù)的等效數(shù)學運算式如下：SineWave[i]=amplitude×sin（360×f×i+phase0）

1.正弦波生成SineWave.vi正弦波函數(shù)的等效數(shù)SineWave.vi應用舉例例4.5利用SineWave.vi產(chǎn)生正弦波前面板程序框圖

SineWave.vi應用舉例例4.5利用Sine數(shù)字頻率的認識

調(diào)節(jié)信號頻率、采樣頻率、采樣點數(shù)，觀察這些參數(shù)的變化對顯示正弦波結(jié)果的影響。若以Hz作為頻率單位，則

數(shù)字頻率單位（Hz）=fx/fs=信號頻率/采樣頻率若以周期作為頻率單位，則

數(shù)字頻率單位

(T)=周期數(shù)/采樣點數(shù)數(shù)字頻率的認識調(diào)節(jié)信號頻率、采樣頻率、采樣點數(shù)，觀察這些參均勻白噪聲的生成例4.6

利用UnifomWhiteNoise.vi產(chǎn)生均勻分布的白噪聲。前面板程序框圖

均勻白噪聲的生成例4.6利用UnifomWhiteNo簡單函數(shù)發(fā)生器例4.7創(chuàng)建一個可以產(chǎn)生正弦波、三角波、方波和鋸齒波的函數(shù)發(fā)生器。簡單函數(shù)發(fā)生器例4.7創(chuàng)建一個可以產(chǎn)生正弦波、三角波、方波4.2.3波形生成在波形生成子選板中的所有函數(shù)不僅輸出包含指定波形圖形的數(shù)字型數(shù)組，而且包含時間參數(shù)，這種數(shù)據(jù)類型在LabVIEW中稱為波形數(shù)據(jù)4.2.3波形生成在波形生成子選板中的所有函數(shù)不僅輸出包含波形生成函數(shù)的應用舉例例4.8

使用基本函數(shù)發(fā)生器創(chuàng)建函數(shù)發(fā)生器前面板

程序框圖

波形生成函數(shù)的應用舉例例4.8使用基本函數(shù)發(fā)生器創(chuàng)建函數(shù)多頻信號的產(chǎn)生與應用多頻信號是指一個離散頻率的正弦波集合，其模擬信號數(shù)學表達式為：式中，Ai：第i個正弦波的幅值

ωi：基頻角頻率

hi：第i個正弦波的角頻倍數(shù)

θi：第i個正弦波的初相角多頻信號的產(chǎn)生與應用多頻信號是指一個離散頻率的正弦波集合，例4.9多頻信號發(fā)生器前面板

程序框圖

例4.9多頻信號發(fā)生器前面板程序框圖例4.10信號合成信號合成的前面板和程序框圖例4.10信號合成信號合成的前面板和程序框圖4.3信號的時域分析時域分析是指在時間域內(nèi)研究系統(tǒng)在一定輸入信號的作用下，其輸出信號隨時間的變化情況。由于時域分析是直接在時間域中對系統(tǒng)進行分析的方法，所以時域分析具有直觀和準確的優(yōu)點。4.3信號的時域分析時域分析是指在時間域內(nèi)研究系統(tǒng)在一定4.3.1卷積運算卷積是電路分析的一個重要概念。它可以求線性系統(tǒng)對任何激勵信號的零狀態(tài)響應。對離散時間信號的卷積稱為卷積和，定義為Convolution.vi4.3.1卷積運算卷積是電路分析的一個重要概念。它可以求線例4.11求卷積運算卷積運算的前面板和程序框圖例4.11求卷積運算卷積運算的前面板和程序框圖4.3.2相關分析所謂“相關”是指變量之間的線性關系。相關分析利用相關系數(shù)或相關函數(shù)來描述兩個信號間的相互關系或其相似程度，還可以用來描述同一信號的現(xiàn)在值與過去值的關系，或者根據(jù)過去值、現(xiàn)在值來估計未來值。相關函數(shù)定義為

4.3.2相關分析所謂“相關”是指變量之間的線性關系。相

LabVIEW中的相關分析函數(shù)AutoCorrelation.viCrossCorrelation.viLabVIEW中的相關分析函數(shù)AutoCorrelati例4.12互相關運算前面板程序框圖

例4.12互相關運算前面板程序框圖4.3.3微積分運算

在工程應用領域，經(jīng)常要對整個過程進行測量和控制，往往涉及到信號的采集，而采樣獲得是離散的數(shù)據(jù)，若要考慮整個過程的動態(tài)情況或者獲得多個參數(shù)，就要用到數(shù)值積分和數(shù)值微分運算。

LabVIEW提供了積分和微分函數(shù)4.3.3微積分運算在工程應用領域，經(jīng)常要對例4.13對方波信號進行微積分運算前面板

程序框圖

例4.13對方波信號進行微積分運算前面板程序框圖4.4信號的頻域分析信號的頻譜代表了信號在不同頻率分量處信號成分的大小，它能夠提供比時域信號波形更直觀、更豐富的信息。LabVIEW8.2提供了豐富的頻域分析函數(shù)，包括傅里葉變換、hilbert變換、功率譜分析、諧波分析等。

4.4信號的頻域分析信號的頻譜代表了信號在不同頻率分量處信4.4.1快速傅立葉變換（FFT）傅里葉變換是信號處理與數(shù)據(jù)處理中一個重要分析工具，其意義在于將時域與頻域信號聯(lián)系起來，通過頻域分析將復雜的信號分解為各個單一的頻率成分。FFT.vi4.4.1快速傅立葉變換（FFT）傅里葉變換是信號處理與數(shù)例4.15雙邊傅里葉變換前面板程序框圖頻率間隔與采樣頻率和采樣點數(shù)的關系例4.15雙邊傅里葉變換前面板程序框圖頻率間隔與采樣頻率例4.16單邊傅里葉變換前面板程序框圖例4.16單邊傅里葉變換前面板程序框圖4.4.2頻譜分析頻譜分析是指把時間域的各種動態(tài)信號通過傅里葉變換轉(zhuǎn)換到頻率域進行分析。頻譜分析中應注意的問題（1）頻譜混疊（2）泄漏效應和柵欄效應4.4.2頻譜分析頻譜分析是指把時間域的各種動態(tài)信號通過頻譜分析前面板程序框圖

例4.17使用AmplitudeandPhaseSpectrum.vi進行頻譜分析頻譜分析前面板程序框圖例4.17使用Amplitude功率譜例4.16使用AutoPowerSpectrum.vi進行自功率譜分析前面板程序框圖功率譜例4.16使用AutoPowerSpectru4.4.3頻率響應分析頻率響應表述了一個測試系統(tǒng)輸入和輸出的頻域關系，它是描述測試系統(tǒng)頻域動態(tài)特性的重要關系。

常常用其模和相位角來表示，稱為測試系統(tǒng)的幅頻特性和相頻特性。

4.4.3頻率響應分析頻率響應表述了一個測試系統(tǒng)輸入和輸例4.19求頻率響應的幅頻特性與相頻特性前面板程序框圖例4.19求頻率響應的幅頻特性與相頻特性前面板程序框圖頻率響應例4.20使用FrequenceResponseFunction(Real-Im).vi求頻率響應的實部和虛部前面板程序框圖頻率響應例4.20使用FrequenceResponse4.4.4諧波分析諧波和基波是一個相對的概念，它是一個周期電氣量中的正弦波分量，其頻率為基波頻率的整數(shù)倍，由于諧波的頻率是基波頻率的整數(shù)倍，也常稱為高次諧波。在頻域分析中以電壓為例，將畸變的周期性電壓分解成傅里葉級數(shù)畸變波形因諧波引起的偏離正弦波形的程度用總諧波畸變量THD表示

4.4.4諧波分析諧波和基波是一個相對的概念，它是一個周例4.21諧波分析前面板程序框圖

例4.21諧波分析前面板程序框圖4.5數(shù)字濾波器數(shù)字濾波器即是以數(shù)值計算的方法來實現(xiàn)對離散化信號的處理，以減少干擾信號在有用信號中所占的比例，從而改變信號的質(zhì)量，達到濾波或加工信號的目的。

數(shù)字濾波器分為無限沖激響應濾波器IIR

有限沖激響應濾波器FIR

特點：精度高、穩(wěn)定性好、靈活性強、處理功能強

4.5數(shù)字濾波器數(shù)字濾波器即是以數(shù)值計算的方法來實現(xiàn)對調(diào)用數(shù)字濾波器子程序應注意的問題濾波器類型選擇:在