《虚拟仪器导论》PPT电子教案-第6章 虚拟仪器数据采集与信号处理.ppt

第 6 章,虚拟仪器数据采集与信号处理,第6章 虚拟仪器数据采集与信号处理,教学重点 数据采集 信号产生 信号的时域分析 信号的频域分析 数字滤波器 曲线拟合,6.1 数据采集,组建一个基于labview的虚拟仪器系统，传感器、信号调理和数据采集模块是最基本的硬件。其中，传感器是将被测试的物理量转换为电量的基本环节，数据采集则将模拟信号转换成数据信号供计算机进行分析处理，信号调理是两者之间的桥梁，负责将传感器的输出信号和数据采集模块可以接受的信号类型联系起来。,6.1.1 数据采集系统结构,数据采集（data acquisition，daq），就是将被测对象的各种参量（物理量、化学量、生物量等）通过各种传感器作适当转换后，再经信号调理、采样、量化、编码、传输等步骤送到控制器进行数据处理或记录的过程。,一个典型的数据采集卡的功能有模拟输入、模拟输出、数字i/o、计数器/计时器等，这些功能分别由相应的电路来实现。,数据采集卡,模拟输入/输出,数字输入/输出,时钟输入/输出,adc,cntr/ timer,digital,daq board,选用数据采集卡的基本原则,（1）数据分辨率和精度 （2）最高采样速度 （3）通道数 （4）数据总线接口类型 （5）是否有隔离 （6）支持的软件驱动程序及其软件平台,采集卡类型,ni的数据采集卡,pci总线的通用数据采集卡,6.1.2 labview中的数据采集vi及应用,数据采集系统结构,基于ni的usb-6009数据采集卡的数据采集,usb-6009的主要特性： 8模拟通道（14位、48ks/s采样速度) 2路14位模拟输出通道 12个i/o通道 1个32位计数器/定时器,usb-6009的外型,ni usb-6009的接线端子分配,模拟输入：ai0ai7 模拟输出：ao0,ao1 数字i/o：p0.0p0.7,p1.0p1.3 定时/计数器：pfi0,ni数据采集卡的应用,例6.1 利用usb-6009数据采集卡实现单通道数据采集 分析：利用labview8.2 的daqmx-data acquisition子选板中的数据采集函数构建一个单通道的数据采集系统。 硬件-选用ni usb-6009采集卡 软件- 选用daqmx-data acquisition子选板中的数据采集函数实现,单通道数据采集vi设计,前面板,程序框图,构建多通道数据采集,例6.2 多通道数据采集 分析：利用labview8.2 的daqmx-data acquisition子选板中的数据采集函数构建一个多通道的数据采集系统。 硬件-选用ni usb-6009采集卡 软件-选用daqmx-data acquisition子选板中的数据采集函数实现,多通道数据采集系统的前面板,多通道数据采集系统的程序框图,6.1.3 通用数据采集卡的labview控制实现,1数据采集卡驱动程序的开发方式 直接端口读写方式（i/o方式） 调用c语言源代码的方式（cin方式） 调用动态连接库的方式（clf方式）,（1）直接端口读写方式（i/o方式）,i/o端口子选板,in port.vi,out port.vi,（2）调用c语言源代码的方式,labview8.2函数选板的【互连接口】【库可执行程序】子选板中有一个code interface node节点，用来在labview程序框图中直接调用其他编程语言（如vc）写的代码。这样就可以通过使用cin图标来调用由c语言编写的采集卡驱动程序方法实现虚拟仪器的数据采集。,（3）调用动态连接库的方式,动态链接库通常由数据采集卡生产厂商提供，通过labview的call library function node来调用。,2数据采集卡驱动程序设计举例,例6.3 用端口读/写函数驱动数据采集卡。 要求通过端口读/写函数实现数据采集卡pc-6310的数据采集 pc-6310简介 pc-6310适用于具有isa 总线的pc系列微机 卡上的a/d转换器ads774为12位分辨率 转换速率为10s 模拟输入信号范围为0v10v或-5v+5v 模拟输入通道为32个通道的单端或16个通道的双端,控制端口的地址与功能,a/d转换状态数据格式,ad转换结果数据格式,数据采集vi的前面板,数据采集vi的程序框图,数据采集vi的程序框图,6.2 信号产生,信号产生是仪器系统的重要组成部分，要评价任意一个网络或系统的特性，必须外加一定的测试信号，其性能方能显示出来。最常用的测试信号有正弦波、三角波、方波、锯齿波、噪声波及多频波（由不同频率的正弦波叠加而形成的波形）等。,6.2.1数字信号的产生与数字化频率的概念,正弦波信号： u (t) = asin(t+0) t为采样间隔，t为信号周期，设一个周期内的采样点数为 n ，则 t = n t 采样频率： fs = 1/t 信号频率： fx = 1/t = 1/ (n t) = fs / n u(it) = asin(2i/n +0 ) 设 f = fx / fs = 1/n ,将2弧度用360表示，并省略 ，则得 数字化频率f = 模拟频率/采样频率,6.2.2 信号产生函数及应用,信号生成子选板,1. 正弦波生成,sine wave.vi,正弦波函数的等效数学运算式如下： sine wavei=amplitudesin（360fi+ phase0）,sine wave .vi应用举例,例6.5 利用sine wave.vi产生正弦波,前面板,程序框图,数字频率的认识,调节信号频率、采样频率、采样点数，观察这些参数的变化对显示正弦波结果的影响。 若以hz作为频率单位，则 数字频率单位（hz） = fx/fs = 信号频率/采样频率 若以周期作为频率单位，则 数字频率单位 (t) = 周期数/采样点数,均匀白噪声的生成,例6.6 利用unifom white noise.vi产生均匀分布的白噪声。,前面板,程序框图,简单函数发生器,例6.7 创建一个可以产生正弦波、三角波、方波和锯齿波的函数发生器。,6.2.3 波形生成,在波形生成子选板中的所有函数不仅输出包含指定波形图形的数字型数组，而且包含时间参数，这种数据类型在labview中称为波形数据,波形生成函数的应用举例,例6.8 使用基本函数发生器创建函数发生器,前面板,程序框图,多频信号的产生与应用,多频信号是指一个离散频率的正弦波集合，其模拟信号数学表达式为：,式中，ai：第i个正弦波的幅值 i：基频角频率 hi：第i个正弦波的角频倍数 i：第i个正弦波的初相角,例6.9 多频信号发生器,前面板,程序框图,例6.10 信号合成,信号合成的前面板和程序框图,6.3 信号的时域分析,时域分析是指在时间域内研究系统在一定输入信号的作用下，其输出信号随时间的变化情况。由于时域分析是直接在时间域中对系统进行分析的方法，所以时域分析具有直观和准确的优点。,6.3.1 卷积运算,卷积是电路分析的一个重要概念。它可以求线性系统对任何激励信号的零状态响应。 对离散时间信号的卷积称为卷积和，定义为,convolution.vi,例6.11 求卷积运算,卷积运算的前面板和程序框图,6.3.2 相关分析,所谓“相关”是指变量之间的线性关系。 相关分析利用相关系数或相关函数来描述两个信号间的相互关系或其相似程度，还可以用来描述同一信号的现在值与过去值的关系，或者根据过去值、现在值来估计未来值。,相关函数定义为,labview中的相关分析函数,auto correlation.vi,cross correlation.vi,例6.12 互相关运算,前面板,程序框图,6.3.3 微积分运算,在工程应用领域，经常要对整个过程进行测量和控制，往往涉及到信号的采集，而采样获得是离散的数据，若要考虑整个过程的动态情况或者获得多个参数，就要用到数值积分和数值微分运算。 labview提供了积分和微分函数,例6.13 对方波信号进行微积分运算,前面板,程序框图,6.4 信号的频域分析,信号的频谱代表了信号在不同频率分量处信号成分的大小，它能够提供比时域信号波形更直观、更丰富的信息。 labview8.2提供了丰富的频域分析函数，包括傅里叶变换、hilbert变换、功率谱分析、谐波分析等。,6.4.1 快速傅立叶变换（fft）,傅里叶变换是信号处理与数据处理中一个重要分析工具，其意义在于将时域与频域信号联系起来，通过频域分析将复杂的信号分解为各个单一的频率成分。,fft.vi,例6.15 双边傅里叶变换,前面板,程序框图,频率间隔与采样频率和采样点数的关系,例6.16 单边傅里叶变换,前面板,程序框图,6.4.2 频谱分析,频谱分析是指把时间域的各种动态信号通过傅里叶变换转换到频率域进行分析。 频谱分析中应注意的问题 （1）频谱混叠 （2）泄漏效应和栅栏效应,频谱分析,前面板,程序框图,例6.17 使用amplitude and phase spectrum.vi进行频谱分析,功率谱,例6.16 使用auto power spectrum.vi进行自功率谱分析,前面板,程序框图,6.4.3 频率响应分析,频率响应表述了一个测试系统输入和输出的频域关系，它是描述测试系统频域动态特性的重要关系。,常常用其模 和相位角 来表示，称为测试系统的幅频特性和相频特性。,例6.19 求频率响应的幅频特性与相频特性,前面板,程序框图,频率响应,例6.20使用frequence response function(real-im).vi求频率响应的实部和虚部,前面板,程序框图,6.4.4 谐波分析,谐波和基波是一个相对的概念，它是一个周期电气量中的正弦波分量，其频率为基波频率的整数倍，由于谐波的频率是基波频率的整数倍，也常称为高次谐波。在频域分析中以电压为例，将畸变的周期性电压分解成傅里叶级数,畸变波形因谐波引起的偏离正弦波形的程度用总谐波畸变量thd表示,例6.21 谐波分析,前面板,程序框图,6.5 数字滤波器,数字滤波器即是以数值计算的方法来实现对离散化信号的处理，以减少干扰信号在有用信号中所占的比例，从而改变信号的质量，达到滤波或加工信号的目的。 数字滤波器分为 无限冲激响应滤波器iir 有限冲激响应滤波器fir 特点：精度高、稳定性好、灵活性强、处理功 能强,调用数字滤波器子程序应注意的问题,滤波器类型选择:在低通、高通、带通或带阻滤波器中选择一个类型。 截止频率确定:对低通 只需确定上截止频率，高通滤波器只需确定下截止频率，对带通及带阻滤波器应确定上、下限截止频率。 采样频率设定 滤波器的阶数:滤波器阶数越高，其幅频特性曲线过渡带衰减越快 纹波幅度,窗函数,labview8.2在【窗】子选板中提供了20种窗函数，包括矩形窗、汉宁窗、海明窗等,数字滤波器应用举例,例6.22 使用巴特沃斯滤波器提出正弦信号,前面板,程序框图,例6.23 信号分离,前面板,程序框图,6.6 曲线拟合,概述 相关物理量近似函数表达式描述 y = f(x，a，b，) 曲线拟合的目的：是找出一系列参数的最佳估值，通过这 些最佳参数，可使拟合曲线与实际数据之间的误差为最小。 曲线拟合的算法称为最小平方法。误差被定义为： e(a)=f(x,a)-y(x)2 令 a=a0 ,a1 y(x)是实测数据，f(x，a)是由一组实验数据估计出来的回 归方程式，a 是使误差平方和为最小的最佳系数或参数。 离散系统 ： f表示拟合数据，y表示实测数据，n表示采样点数。,1. labview中曲线拟合类型,labview的分析软件库提供了多种线性和非线性的曲线拟合算法，如： 线性拟合 把实验数据拟合为y=mx+c直线形式： yi=a0+a1*xi 指数拟合 把数据拟合为y = a exp(bx)指数曲线: yi= a0*exp(a1*xi) 多项式拟合把数据拟合为y=a+bx+cx2+多项式曲线： yi= a0 + a1*xi+a2*xi2 通用线性拟合 将数据拟合为下述形式： yi= a0+ a1*f1(xi)+ a2*f2(xi) 非线性 levmar 拟合 将数据拟合为 yi=f(xi, a0, a1, a2),2.曲线拟合应用,曲线拟合的实际应用很广泛，例如 ： 消除测量噪声 填充丢失的采样点（例如，如果一个或者多个采样点丢失或者记录不正确） 插值（对采样点之间的数据的估计；例如在采样点之间的时间差距不够大时） 外推（对采样范围之外的数据进行估计，例如在需要在试验以后或者以后的数值时） 数据的合成（例如在需要找出曲线下面的区域，同时又只知道这个曲线的若干个离散采样点的时候） 求解某个基于离散数据的对象的速度轨迹（一阶导数）和加速度轨迹（二阶导数）,3.曲线拟合vi,labview8.2曲线拟合子选板位于函数选板的【数学】子选板中,4. 曲线拟合应用实例,例6.24 线性拟合,线性拟合算法公式,a0是截距，a1是斜率,例6.25 多项式拟合,要求使用general polynomial fit.vi对热电偶测温系统测得的一组实验数