基于LabVIEW和PCI-6221板卡的多路数据采集系统毕业论文.doc

内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）基于LabVIEW和PCI-6221板卡的多路数据采集系统毕业论文目录摘要IAbstractII第一章 绪论11.1数据采集系统研究背景及意义11.2虚拟仪器技术简介21.2.1虚拟仪器的概念和特点21.2.2 虚拟仪器的分类及结构21.2.3虚拟仪器技术的现状及前景展望31.3本文主要内容4第二章 数据采集的基本理论52.1输入信号的类型52.2输入信号的连接方式72.2.1 测量系统分类72.2.2选择合适的测量系统92.3信号调理112.4采样定理122.5数据采集及处理的过程122.6数据采集系统的一般组成及各部分功能描述14第三章 基于LabVIEW和PCI-6221板卡的多路数据采集系统173.1虚拟仪器最基本的三种组建方案173.2系统总体硬件框图183.3系统实现的功能特点193.4系统前面板设计193.4.1登录系统193.4.2通道参数配置203.4.3实时数据显示223.4.4历史数据查询223.4.5报警记录243.5本章小结24第四章 系统硬件描述254.1信号调理模块254.1.1信号调理模块的选用254.1.2 NI SCC信号调理模块简介254.1.3测量放大电路264.1.4滤波电路264.2数据采集卡简介274.2.1概述274.2.2数据采集卡的组成274.2.3数据采集卡的参数设置284.2.4 I/O接口设备PCI-6221数据采集卡294.3硬件抗干扰措施294.3.1测控系统中常见的干扰294.3.2常用的抗干扰措施304.4本章小结30第五章 系统软件设计及其相关技术315.1软件平台选择315.1.1概述315.1.2虚拟仪器的软件基础315.1.3 图形化编程软件平台LabVIEW325.1.4用LabVIEW设计虚拟仪器的方法345.1.5 测试系统应用软件结构355.2 LabVIEW中的数据库访问技术355.2.1 Microsoft ADO简介355.2.2结构化查询语言SQL365.2.3 LabSQL工具包365.3系统的应用软件编制375.3.1启动系统375.3.2系统登录模块375.3.3用户管理模块385.3.4数据采集模块395.3.5数据存储模块395.3.6数据回放模块405.3.7报警及记录模块415.4 其它相关技术425.4.1 Web上发布程序425.4.2多线程技术455.4.3 LabVIEW与多线程455.4.4多线程技术在本设计中的应用455.5本章小结46第六章 总结47参考文献48致谢5052第一章 绪论1.1数据采集系统研究背景及意义数据采集系统是对传感器或所需测量或处理的信号进行采集、数字化、存储、分析和显示的一个完整信号处理链路。数据采集的任务就是采集传感器输出的模拟信号并转换成计算机能识别的数字信号，然后送入计算机或相应的信号处理系统，根据不同需要进行相应的计算和处理，得出所需的数据。与此同时，将计算机得到的数据进行显示或打印，以便实现对某些物理量的监视，其中一部分数据还将反馈回生产过程中的计算机控制系统用来控制某些物理量。数据采集几乎无孔不入，它已渗透到了地质、医学器械、雷达、通讯、遥感遥测等各个领域，为我们更好的获取信息提供了良好的基础。另外，我们在评估一个信号源的质量时，也可以通过数据采集的手段将信号采集存入计算机，再通过各种处理方式来评价信号源的好坏。这时，该数据采集系统就类似一台测试仪器。数据采集系统性能的好坏，主要取决于它的精度和速度。在保证精度的条件下，应有尽可能高的采样速度，以满足实时采集、实时处理和实时控制对速度的要求。精度是通过有效位数来反映的，有效位数越高，要求系统的噪声就越低，这在实际工作中实现起来不太容易很好的克服系统噪声，目前从采集精度上看，有效位数能做到12位就很不错了。速度是通过采样速率来反映的，速度太高，传统的TTL逻辑常常不能满足需求，一般高速采集芯片的输出逻辑都为ECL逻辑。这样相应地增加了功耗。所以，在高速数据采集芯片的设计上是用大功耗来换取高速度，同时也减小了逻辑摆幅。根据目前芯片市场来看，速度最高的A/D转换芯片己经达到了1.5GHz。数据采集系统对模拟器件提出的挑战众所周知，近20年来，与数据采集系统相关的PC技术及数字信号处理技术得到了飞速的发展，处理速度提高了。数据采集领域正在发生着重要的变化。首先，分布式控制应用场合中的智能数据采集系统正在发展；其次，总线兼容型数据采集插件的数量正在增大，与个人计算机兼容的数据采集系统的数量也在增加。数据采集与控制数据采集已长时间地被认为与数据记录及其它数据收集系统相等同。因此，对数据采集系统的研究具有重要且深远的意义。1.2虚拟仪器技术简介1.2.1虚拟仪器的概念和特点虚拟仪器是仪器技术、计算机技术、总线技术、软件技术及其他技术相结合的产物，它利用计算机强大的数字处理能力实现仪器的大部分功能，打破了传统仪器的框架，形成了一种新的仪器模式。美国NI公司于20世纪70年代中期提出了虚拟仪器的概念。虚拟仪器是在以通用计算机为核心的硬件平台上，利用计算机强大的软件功能实现信号数据的运算、分析和处理，利用I/O接口设备完成信号的采集、测量与调理，从而完成各种测试功能的一种计算机仪器系统。是计算机技术与仪器技术相结合的产物，其基础是计算机系统，核心是软件技术。是一个测试自动化系统的高性能、低成本运载平台。同时，NI公司在虚拟仪器概念出现以后，推出了图形化虚拟仪器专用开发平台LabVIEW。为了兼顾其它高级语言软件开发者的习惯，NI还推出了Lab Windows/CVI、Component works等交互式开发平台。虚拟仪器具有以下特点：l 软件是虚拟仪器的核心；l 性价比高；l 缩小了仪器厂商与用户之间的距离； l 具有良好的人机界面； l 具有方便、灵活的互联；l 开发周期短；l 可靠性高；l 具有开放性、模块化、可重复使用及互换性等特点； l 维护、维修方便。 1.2.2 虚拟仪器的分类及结构虚拟仪器随着微机的发展和采用总线方式的不同，可分为五种类型：第一类：PCI总线-插卡型虚拟仪器 这种方式借助于插入计算机内的数据采集卡与专用的测试软件(如LabVIEW、HPVEE等)相结合，完成测试任务。它充分利用了计算机的总线、机箱、电源及软件的便利，但它的关键取决于A/D转换技术。这类仪器受PC机机箱和总线限制，并存在电源功率不足、机箱内部噪声电平较高、插槽数目不多，插槽尺寸较小，机箱内无屏蔽等缺点。插卡式仪器最便宜，因个人计算机数量非常庞大，用途广泛，特别适合于教学部门和各种实验室使用。第二类：并行口式虚拟仪器 最新发展的一系列可连接到计算机并行口的测试装置，它们把硬件集成在一个采集盒里或一个探头上，软件安装在计算机上。典型产品有LWK公司的DSO-ZIXX系列数字示波器。它们最大的好处是可以与笔记本电脑相连，方便野外作业，又可与台式电脑相连，实现台式与便携式两用。第三类：GPIB总线方式的虚拟仪器 GPIB技术是EIEE488标准的虚拟仪器早期的发展阶段。它的出现使电子测量由独立的单台手工操作向大规模自动测试系统发展，典型的GPIB系统由一台PC机、一块GPIB接口卡和若干台GPIB式的仪器通过GPIB电缆连接而成。在标准情况下，一块GPIB接口卡可带多达14台仪器，电缆长度可达20米。GPIB技术可用计算机实现对仪器的操作和控制，替代传统的人工操作方式，形成大型自动测量系统。GPIB测量系统的结构和操作命令简单，造价较低，适合在要求高精度，但不要求对计算机高速传输的情况下应用。第四类：VXI总线方式的虚拟仪器 VXI总线是一种高速计算机总线VME总线在VI领域中的扩展。由于它具有标准开放、结构紧凑，数据吞吐能力强，定时和同步精确，模块可重复利用，众多仪器厂家支持等优点，很快得到了广泛的应用。经过十多年的发展，VXI系统的组建和使用越来越方便，尤其是组建大、中规模自动化测量系统，以及对速度、精度要求较高的场合，有其他仪器无法比拟的优势。但组建成VXI总线要求有机箱、零槽管理器及嵌入式控制器，造价比较高。第五类：PXI总线方式的虚拟仪器 PXI总线方式是在PCI总线内核技术上增加了成熟的技术规范和要求而形成的。PXI具有8个扩展槽，而台式PCI系统只有3-4个扩展槽，通过使用PCI-PCI桥接技术，可扩展到256个扩展槽，台式PC的性价比和PCI总线向仪器领域的扩展优势结合起来，将形成未来主要的虚拟仪器平台。1.2.3虚拟仪器技术的现状及前景展望虚拟仪器技术在我国的研究刚起步，还有许多问题需要去探索，如智能化软件开发平台的研究，采用人工智能技术降低VI的设计难度，使用户简洁地构成VI系统，帮助用户对测试结果进行分析和判断，完成复杂的测试任务等。国内虚拟仪器行业至今还没有形成具有自主知识产权的虚拟仪器核心开发技术，也没有相关的行业标准。虚拟仪器产业无论在规模还是在质量上都难以与国外同行匹敌，国外虚拟仪器产品几乎垄断了国内的市场。总之，随着计算机、网络、通信、微电子等相关技术的不断发展，VI技术也会不断向前发展，微型化、智能化和网络化将成为今后VI研究开发的主导方向。伴随网络技术的高速发展，出现了以网络为基础、虚拟仪器为核心的“虚拟实验室”的概念。目前，虚拟实验室已成功地应用于许多大型实验室的实验研究和高等学校的实验教学。在人工智能研究的影响下，人们开始关注如何提高虚拟仪器的智能化水平。虚拟仪器的发展主要取决于三个重要因素。计算机是动力，软件是主宰，高质量的A/D采集卡及调理放大器与传感器是关键。无沦哪种VI系统，都是将硬件仪器(传感器、调理放大器、A/D)搭载到各种计算机平台上，加上应用软件面板构成，实现使用计算机的全数字采集测试分析。VI的发展完全跟计算机的发展同步，所以显示出VI的灵活性和强大的生命力。虚拟仪器的兴起是测试仪器技术的一次“革命”，是仪器领域的一个新的里程碑，未来的VI完全可以覆盖计算机辅助测试的全部领域。标准化、通用化、系列比、模块化以及开放式的体系结构等，VXI系统的观念将成为电子测量仪器仪表变革的重要方向。数据采集、测试、过程控制、信息传输与通信等现代信息技术汇聚在一起，将最终导致标准化、规范化卡式仪器和软件化仪器的更广泛流行。虚拟仪器的发展将本着跟随通用计算机走、跟着通用软件走、跟着网络走的指导思想。继“软件就是仪器”的概念之后，很可能出现“网络就是仪器”的新观念。1.3本文主要内容本文的主要内容就是在综合了虚拟仪器技术的特点之上提出了一种基于LabVIEW和PCI-6221 板卡的数据采集系统的实现，即利用NI公司的数据采集卡PCI-6221板卡搭建出数据采集系统的硬件平台。并介绍了数据采集系统的软件结构，在此基础上以LabVIEW8.5为平台，阐述了利用虚拟仪器技术实现多通道数据实时采集，数据动态曲线显示的方法，在对数据的管理方面，利用LabSQL工具包使得采集的数据能够利用数据库进行管理，方便用户进行数据的查询，很好的提高了数据的管理功效。第二章 数据采集的基本理论2.1输入信号的类型在进行数据采集前，必须要对采集的信号有所了解，因为不同信号的测量方式和对采集系统的要求是不同的，只有了解被测信号，才能选择合适的测量方式和采集系统。任意一个信号都是随时间而改变的物理量。一般情况下，信号所运载信息是很广泛的，比如：状态、速率、电平、形状、频率成分。根据信号运载信息方式的不同，可以将信号分为模拟信号和数字信号。数字信号又可分为开关信号和脉冲信号。模拟信号则可分为直流、时域、频域信号。1) 数字信号第一类数字信号是开关信号，如图2.1所示。一个开关信号运载的信息与信号的瞬间状态有关。TTL信号就是一个开关信号，一个TTL信号如果在2.0V到5.0V之间，就定义它为逻辑高电平，如果在0到0.8V之间，就定义为逻辑低电平。图 2.1 开关信号第二类数字信号是脉冲信号，如图2.2所示。这种信号包括一系列的状态转换，信息就包含在状态转化发生的数目、转换速率、一个转换间隔或多个转换间隔的时间里。图 2.2 脉冲信号2) 模拟信号模拟直流信号(DC)是静止或变化非常缓慢的模拟信号，如图2.3所示。直流信号最重要的信息是它在给定区间内运载的信息的幅度。常见的直流信号有温度、流速、压力、应变等。采集系统在采集模拟直流信号时，需要有足够的精度来正确测量信号电平。图 2.3模拟直流信号模拟时域信号(Time Domain)运载的信息不仅有信号的电平，还有电平随时间的变化，如图2.4所示。在测量一个时域信号或者说是波形时，需要关注波形形状的特性，如斜度、峰值等。为了测量一个时域信号，必须有一个精确的时间序列，间隔也要合适，以保证信号的有用部分被采集到。图 2.4 模拟时域信号模拟频域信号(Frequency Domain)与时域信号类似，但从频域信号中提取的信息是信号的频域内容，而不是波形的形状，也不是随时间变化的特性，如图2.5所示。用于测量一个频域信号的系统必须有必要的分析功能，用于从信号中提取频域信息。为了实现这样的数字信号处理，可以使用应用软件或特殊的DSP硬件来迅速而有效地分析信号。模拟频域信号也很多，比如声音信号、传输信号等。图2.5 模拟频域信号现实中的信号并不是互相排斥的，一个信号可能运载有不只一种信息，可以用几种方式来定义信号并测量它，用不同类型的系统来测量同一个信号，从信号中取出需要的各种信息。2.2输入信号的连接方式一个电压信号可以分为接地信号和浮动信号两种类型。测量系统输入信号的连接方式可以分为差分(Differential)输入、参考地单端(RSE)输入、无参考地单端(NRSE)输入三种类型。1) 接地信接地信号，就是将信号的一端与系统地连接起来，如大地或建筑物的地。因为信号用的是系统地，所以与数据采集卡是共地的。接地最常见的例子是通过墙上的接地引出线，如信号发生器和电源。2) 浮动信号一个不与任何地(如大地或建筑物的地)连接的电压信号称为浮动信号，浮动信号的每个端口都与系统地独立。一些常见的浮动信号的例子有电池、热电偶、变压器和隔离放大器。2.2.1 测量系统分类1) 差分测量系统(DEF)差分测量系统中，信号输入端与一个模拟入通道相连接。具有放大器的数据采集卡可配置成差分测量系统。图2.6描述了一个8通道的差分测量系统，用一个放大器通过模拟多路转换器进行通道间的转换。标有AIGND(模拟输入地)的管脚就是测量系统的地。一个理想的差分测量系统仅能测出(+)和(-)输入端口之间的电位差，完全不会测量到共模电压。然而，实际应用的板卡却限制了差分测量系统抵抗共模电压的能力，数据采集卡的共模电压的范围限制了相对与测量系统地的输入电压的波动范围。共模电压的范围关系到一个数据采集卡的性能，可以用不同的方式来消除共模电压的影响。如果系统共模电压超过允许范围，需要限制信号地与数据采集卡的地之间的浮地电压，以避免测量数据错误。图2.6八通道差分测量系统2) 参考地单端测量系统(RSE)一个RSE测量系统，也叫做接地测量系统，被测信号的一端接模拟输入通道，另一端连接系统地AIGND。图2.7表示了一个16通道的RSE测量系统。图2.7 十六通道RSE测量系统3) 无参考地单端测量系统(NRSE)在NRSE测量系统中，信号的一端接模拟输入通道，另一端接一个公用参考端，但这个参考端电压相对于测量系统的地来说是不断变化的。图2.8说明了一个NRSE测量系统，其中AISENSE是测量的公共参考端，AIGND是系统的地。图2.8 十六通道NRSE测量系统2.2.2选择合适的测量系统两种信号源和三种测量系统一共可以组成如表1的六种连接方式：表1 测量系统连接方式接地信号浮动信号DEFRSENRSE其中，推荐使用带号的方式。从上表1可以看出，浮动信号和差分连接方式的系统较好。但实际测量时还要看情况而定。1) 测量接地信号测量接地信号最好采用差分或NRSE测量系统。如果采用RSE测量系统时，将会给测量结果带来较大的误差。图2.9体现了一个用RSE测量系统去测量一个接地信号源的弊端。在本例中，测量电压Vm是测量信号电压Vs和电位差DVg之和，其中DVg是信号地和测量地之间的电位差，这个电位差来自于接地回路电阻，可能会造成数据错误。一个接地回路通常会在测量数据中引入频率为电源频率的交流和偏置直流干扰。一种避免接地回路形成的办法就是在测量信号前使用隔离方法，测量隔离之后的信号。如果信号电压很高并且信号源和数据采集卡之间的连接阻抗很小，就可以采用RSE系统，因为此时接地回路电压相对于信号电压来说很小，信号源电压的测量值受到接地回路的影响可以忽略。图2.9 RSE测量系统测量浮动信号2) 测量浮动信号测量浮动信号可以采用DEF、RSE、NRSE方式测量浮动信号。在差分测量系统中，应首先保证相对于测量地的信号的共模电压在测量系统设备允许的范围之内。如果采用差分或NRSE测量系统，放大器输入偏置电流会导致浮动信号电压偏离数据采集卡的有效范围。为了稳住信号电压，需要在每个测量端与测量地之间连接偏置电阻，如图2.10所示。这样就为放大器输入到放大器的地提供了一个直流通路。这些偏置电阻的阻值应该足够大，这样使得信号源可以相对于测量地浮动。对低阻抗信号源来说，10k到100k的电阻比较合适。如果输入信号是直流，就只需要用一个电阻将(-)端与测量系统的地连接起来。然而如果信号源的阻抗相对较高，从免除干扰的角度而言，这种连接方式会导致系统不平衡。在信号源的阻抗足够高的时候，应该选取两个等值电阻，一个连接信号高电平(+)到地，一个连接信号低电平(-)到地。如果输入信号是交流，就需要两个偏置电阻，以达到放大器的直流偏置通路的要求。图2.10 测量浮动信号总的来说，不论测量接地还是浮动信号，差分测量系统是很好的选择，因为它不但避免了接地回路干扰，还避免了环境干扰。相反，RSE系统却允许两种干扰的存在，在所有输入信号都满足以下指标时，可以采用RSE测量方式：输入信号是高电平(一般要超过1V)；连线比较短(一般小于5米)并且环境干扰很小或屏蔽良好；所有输入信号都与信号源共地。当有一项不满足要求时，就要考虑使用差分测量方式。值得注意的一点是信号源的阻抗大小。电池、RTD、应变片、热电偶等信号源的阻抗很小，可以将这些信号源直接连接到数据采集卡上或信号调理硬件上。直接将高阻抗的信号源接到插入式板卡上会导致出错。为了更好的测量，输入信号源的阻抗与插入式数据采集卡的阻抗相匹配。2.3信号调理传感器部分是跟外界沟通的门户，负责把外界的各种物理信息，如光、压力、温度、声音等物理信号变成电信号。因为被测试对象的信号来源已经是标准的电信号，所以传感器部分在设计中没有得到具体体现，但是这部分是设计过程中必需要考虑的。从传感器得到的信号大多要经过调理才能进入数据采集设备，信号调理功能包括放大、隔离、滤波、激励、线性化等。由于不同传感器有不同的特性，所以除了这些通用功能外，还要根据具体传感器的特性和要求来设计特殊的信号调理功能。信号调理的通用功能如下：1) 放大 微弱信号都要进行放大以提高分辨率和降低噪声，使调理后信号的电压范围和A/D的电压范围相匹配。信号调理模块应尽可能靠近信号源或传感器，使得信号在受到传输信号的环境噪声影响之前已被放大，使信噪比得到改善。2) 隔离 隔离是指使用变压器、光或电容耦合等方法在被测系统和测试系统之间传递信号，避免直接的电连接。使用隔离的原因：是从安全的角度考虑；二是隔离可使从数据采集卡读出来的数据不受地电位和输入模式的影响。如果数据采集卡的地与信号地之间有电位差，而又不进行隔离，那么就有可能形成接地回路，引起误差。3) 滤波 滤波的目的是从所测量的信号中除去不需要的成分。大多数信号调理模块有低通滤波器，用来滤除噪声。通常还需要抗混叠滤波器，滤除信号中感兴趣的最高频率以上的所有频率的信号。另外，某些高性能的数据采集卡自身带有抗混叠滤波器。4) 激励 信号调理也能够为某些传感器提供所需的激励信号，比如应变传感器、热敏电阻等就需要外界电源或电流激励信号。很多信号调理模块都提供电流源和电压源以便给传感器提供激励。5) 线性化 许多传感器对被测量的响应是非线性的，因而需要对其输出信号进行线性化，以补偿传感器带来的误差。目前，数据采集系统也可以利用软件来解决这一问题。6) 数字信号调理 即使传感器直接输出数字信号，有时也有必要进行调理，其作用是将传感器输出的数字信号进行必要的整形或电平调整。大多数数字信号调理模块还提供其他一些电路模块，使得用户可以通过数据采集卡的数字I/O比直接控制电磁阀、电灯、电动机等外部设备。2.4采样定理采样定理说明采样频率与信号频谱之间的关系，是连续信号离散化的基本依据。采样定理具体描述如下：模拟/数字信号的转换过程中，当采样频率fs.max大于信号中，最高频率fmax的2倍时，即：fs.max=2fmax,则采样之后的数字信号完整地保留了原始信号中的信息，一般取2.56-4倍的信号最大频率；但一般实际应用中保证采样频率为信号最高频率的510倍；采样定理又称奈奎斯特定理。采样率：（也称为采样速度或者采样频率)定义了每秒从连续信号中提取并组成离散信号的采样个数，采样频率的常用的表示符号是 fs。注：采样频率只能用于周期性采样的采样器，对于非周期性采样的采样器没有规则限制。2.5数据采集及处理的过程模拟信号采样过程主要为采样、量化和编码，具体过程如图2.11所示：图2.11模拟信号采样过程计算机只能识别和处理数字量，但是绝大部分工程信号都是以连续可变的模拟量。因此这些模拟量在被计算机处理之前必须经过模-数(A/D)转换。数据的采集就是在计算机控制下，通过AD器件把连续变化的模拟量转化为数字量。它是将模拟信号按一定的时间间隔抽取其瞬时值，从而把一个连续时间函数信号变成每隔一定时间间隔才有函数值的离散信号样本集。由计算机输出的结果为数字信号需要经过数-模(D/A)转换才能符合实际需要。数据转换包含两个方面：一方面是模拟信号在进入计算机进行字处理之前的A/D转换；另一方面是数字信号从计算机中输出时要经过D/A转换才能适应工程应用。数据采集的核心过程就是将连续的模拟信号转换成离散的数字信号采样点太多，会占用大量内存单元；采样点太少，会使模拟信号的某些信息被丢失，出现失真现象。假设现在对一个模拟信号x(t)每隔t时间采样一次。时间间隔t被称为采样间隔或者采样周期。它的倒数l/t被称为采样频率，单位是采样数/每秒。t0，t，2t，3t等等，x(t)的数值就被称为采样值，即x(0)，x(t)，x(2t)都是采样值。这样信号x(t)可以用一组分散的采样值来表示：x(0)，x(t)，x(2t)，x(3t)，x(kt)，图2.12显示了一个模拟信号和它采样后的采样值。采样间隔是t，注意，采样点在时域上是离散的。图2.12模拟信号采样图如果对信号x(t)采集N个采样点，那么x(t)就可以用下面这个数列表示：X=x0，xl，x2，x3，xN-l这个数列被称为信号x(t)的数字化显示或者采样显示。这个数列中仅仅用下标变量编制索引，而不含有任何关于采样率(或t)的信息。所以如果只知道该信号的采样值，并不能知道它的采样率，缺少了时间尺度，也不可能知道信号x(t)的频率。根据采样定理，最低采样频率必须是信号频率的两倍。反过来说，如果给定了采样频率，那么能够正确显示信号而不发生畸变的最大频率叫做恩奎斯特频率，它是采样频率的一半。如果信号中包含频率高于奈奎斯特频率的成分，信号将在直流和恩奎斯特频率之间畸变。图2.13和图2.14显示了一个信号分别用合适的采样率和过低的采样率进行采样的结果。图2.13合适采样率采样波形图2.14采样率过低采样波形采样率过低的结果是还原的信号的频率看上去与原始信号不同。这种信号畸变叫做混叠。出现的混频偏差是输入信号的频率和最靠近的采样率整数倍的差的绝对值。为了避免这种情况的发生，通常在信号被采集(A/D)之前，经过一个低通滤波器，将信号中高于奈奎斯特频率的信号成分滤去。理论上设置采样频率为被采集信号最高频率成分的2倍就够了，但实际上工程中选用5-10倍，有时为了较好地还原波形，甚至更高一些。2.6数据采集系统的一般组成及各部分功能描述1）基本数据采集系统组成框图数据的采集与转换的结构形式可以是单通道的也可以是多通道的，一个基本的单通图2.15 基本数据采集系统道数据采集系统包括传感器、信号调理电路、采样/保持电路、模数转换电路、逻辑控制电路、微处理器或计算机(PC)以及数-模转换电路D/A等。其组成框图如图2.15所示：2）基于PC的DAQ系统图2.16表示了基于PC的DAQ系统结构图。在数据采集之前，程序将对采集板卡初始化，板卡上和内存中的Buffer是数据采集存储的中间环节。需要注意的两个问题是：是否使用缓冲？是否使用外触发启动、停止或同步一个操作？图2.16 基于PC的DAQ系统结构图1) 缓冲(Buffers)这里的缓冲指的是PC内存的一个区域(不是数据采集卡上的FIFO缓冲)，它用来临时存放数据。例如，你需要采集每秒采集几千个数据，在一秒内显示或图形化所有数据是困难的。但是将采集卡的数据先送到Buffer，你就可以先将它们快速存储起来，稍后再重新找回它们显示或分析。需要注意的是Buffer与采集操作的速度及容量有关。如果你的卡有DMA性能，模拟输入操作就有一个通向计算机内存的高速硬件通道，这就意味着所采集的数据可以直接送到计算机的内存。如果不使用Buffer意味着对所采集的每一个数据你都必须及时处理(图形化、分析等)。下列情况需要使用Buffer I/O：l 需要采集或产生许多样本，其速率超过了实际显示、存储到硬件，或实时分析的速度。l 需要连续采集，并且要同时分析或显示某些数据。l 采样周期必须准确、均匀地通过数据样本。下列情况可以不使用Buffer I/O：l 数据组短小，例如每秒只从两个通道之一采集一个数据点。l 需要缩减存储器的开支。2) 触发(Triggering)触发涉及初始化、终止或同步采集事件的任何方法。触发器通常是一个数字或模拟信号，其状态可确定动作的发生。软件触发最容易，你可以直接用软件，例如使用布尔面板控制去启动/停止数据采集。硬件触发让板卡上的电路管理触发器，控制了采集事件的时间分配，有很高的精确度。硬件触发可进一步分为外部触发和内部触发。当某一模拟入通道发生一个指定的电压电平时，让卡输出一个数字脉冲，这是内部触发。采集卡等待一个外部仪器发出的数字脉冲到来后初始化采集卡，这是外部触发。许多仪器提供数字输出(常称为“trigger out”)用于触发特定的装置或仪器，在这里就是数据采集卡。下列情况使用软件触发：l 用户需要对所有采集操作有明确的控制，并且事件定时不需要非常准确。下列情况使用硬件触发：l 采集事件定时需要非常准确。l 用户需要削减软件开支。l 采集事件需要与外部装置同步。第三章 基于LabVIEW和PCI-6221板卡的多路数据采集系统3.1虚拟仪器最基本的三种组建方案l) 基于数据采集卡的虚拟仪器系统本设计采用的是基于数据采集卡的虚拟仪器系统组建方案。它是通过A/D转换和D/A转换分别将模拟、数字信号采集到计算机进行分析、处理、显示等，并通过D/A转换实现反馈控制，它还可以根据需要加入信号调理等硬件模块。这是现在比较常用的一种方案，在中小型仪器系统中应用比较广泛。2) 由GPIB仪器控制的虚拟仪器系统一个典型的GPIB(General Purpose Interface Bus)测量系统由一台PC机、一块GPIB接口板和若干台GPIB仪器通过标准GPIB电缆连接起来，组成大型的自动化仪器测量系统。在标准情况下，一块GPIB接口板卡可带多达14台仪器，电缆长度可达20米，通常这己经足够了。利用GPIB扩展技术，一个GPIB自动测量系统的规模无论是仪器数量还是距离都可以进一步扩展。3) 由VXI仪器控制的虚拟仪器系统VXI(VME Extension for Instrument)总线是一种高速计算机总线VME总线在仪器领域的扩展。由于它的标准开放、结构紧凑、数据吞吐能力强、定时和同步精确、模块可重复利用、众多仪器厂商支持等特点，VXI系统的组建和使用越来越方便，应用面越来越广。但由于成本较高，多用于航天、军工等大规模自动测量测试系统，以及对速度精度要求较高的场合。软件是虚拟仪器的关键技术之一，其提供3个主要功能：一个集成的开发环境、一个与仪器硬件的高级接口和一个图形用户界面。主要软件模块有数据采集、数据分析、数据显示、文件管理和报表输出等。虚拟仪器的主要开发环境有C、C+ Builder、VB、DelPhi、LabVIEW、LabWindows/CVI等。其中值得一提的是LabVIEW，它是完全图形化的虚拟仪器专用开发工具，内部集成了大量仪器功能模块。使用该开发工具可极大降低虚拟仪器开发的编程工作量，把虚拟仪器开发人员从复杂、烦琐、费时的语言编程中解放出来。如果科研经费允许，建议采用该开发平台。整个虚拟仪器系统结构组成如图3.1所示：图3.1 虚拟仪器系统结构3.2系统总体硬件框图整个系统从被测对象开始，通过传感器转换成电信号，经过信号调理模块进行简单的信号处理，比如SCC-RTD01热电阻调理模块、SCC-TD02热电偶调理模块、SCC-SG04全桥应变片调理模块，将信号送至数据采集卡进行采集，然后用软件进行处理。在采集过程中将数据保存到数据库里，实现了历史数据的远程访问。具体框图见图3.2多路数据采集系统硬件结构图。图3.2 多路数据采集系统硬件结构图3.3系统实现的功能特点系统程序的主要功能为模块划分的标准，其包括系统管理、系统参数配置、实时数据采集显示、数据保存、历史数据的查询、报警指示及记录和远程数据查询等功能。具体结构见图3.3所示： 图3.3 基于LabV1EW和PCI-6221板卡的多路数据采集系统功能模块图3.4系统前面板设计本设计的前面板由登录系统、通道配置、实时数据显示及报警指示、历史数据波形图回放、历史数据查询表格显示、报警记录、系统信息7个页面组成。完整的体现了一个数据采集系统的功能和实际应用。3.4.1登录系统任何一个系统都应该设置使用权限以便进行管理，本系统首先设计了一个登录界面，如图3.4所示，其中的功能有添加用户，删除用户，修改密码，系统权限分为管理员权限和普通用户，其中只有以管理员身份登录系统才能进行用户的添加和删除，普通用户是没有权限的。图3.4系统登录界面图3.5 用户管理界面3.4.2通道参数配置系统参数配置界面是提供了采集卡的参数配置，主要包括通道的选择，采样模式，采集卡输入方式的设置，数据保存的时间间隔，采样间隔，采样信号的范围(最大值和最小值)设定，采样频率、采样数设置、缓存大小设置以及数据源名称的设置。见图3.6通道配置界面。图3.6 参数配置界面图3.7 实时数据显示界面3.4.3实时数据显示LabVIEW提供了非常丰富的图形控件来进行前面板的设计，波形图表能非常清晰且生动地实时显示采集波形。在界面中可以单独显示某一个通道采集的波形也可以同时显示多个通道采集的波形，非常清楚的表达了采集波形的动态曲线，同时还对采集的数据进行相应的分析。该面板灵活采用了属性节点来编程。此外，还设有报警指示灯、显示报警状态、以及采集、保存状态指示等。实时数据显示界面图见图3.7所示：对采集数据的保存是本设计的一个突出特点，数据保存有着实际的意义，这样便于以后访问历史数据，还可以实现数据的远程访问。本设计采用数据库进行数据的存储，数据库的存储不仅存储的信息量大，而且便于数据的管理。3.4.4历史数据查询首先选择要查询的条件，查询的条件有三种，分别是按采集时间段查询、记录编号查询和通道数据值查询。然后点击开始检索即可，具体的操作见系统说明。本设计提供了对历史数据用波形图和表格2种不同的显示方式，波形图显示还对历史数据进行了简单的统计分析。图3.8为历史数据表格显示界面，图3.9为历史数据波形图显示界面。图3.8 历史数据波形图显示界面。图3.9 历史数据表格显示界面图3.10 报警记录界面3.4.5报警记录报警是实时数据采集系统的一个必须的功能，报警有实时指示，如声音或光报警。该系统使用了光报警，及声音报警，并实时记录报警时刻，报警值及报警类型。此外，还有统计报警次数，及清除历史记录等功能。具体界面见图3.10所示：3.5本章小结本章的主要内容是在讨论了虚拟仪器的组建方案的特点之上确立了本设计的系统搭建方案，给出了系统的总体原理框图，确定了该系统要实现的功能。最后，根据系统要实现的功能进行了系统的前面板设计并给出了前面板设计图。第四章 系统硬件描述4.1信号调理模块信号调理是数据采集系统中最重要也是最易被忽视的一部分。许多传感器都要求使用专门信号调理技术，而没有哪种设备能为所有的传感器提供各种类型的信号调理功能。比如说，热电偶产生的是低电压信号，它还需要进一步的放大、过滤、以及线性化等处理。4.1.1信号调理模块的选用NI提供了两类信号调理模块，一类为SCXI信号调理模块，另外一类为SCC信号调理模块。SCXI是一种高性能，USB可控制的多通道的信号调理和矩阵开发平台，与M系列、S系列和模块化仪器设备兼容。一套SCXI系统通常由一个或多个坚固的机箱组成，内装多个信号调理模块，可对传感器信号或者高电压信号进行调理。SCC模块是针对基于测量测试及自动化系统所使用的高度模块化、低成本的信号调理系统。它提供了一个紧凑、便携式的系统，以便进行单双通道信号调理和连接，系统可以调节各种模拟信号和数字信号，是便携式模块化信号调理系统，可与M系列S系列的便携式数据采集设备配合使用。4.1.2 NI SCC信号调理模块简介2001年3月5日，美国NI公司发布的SCC信号调理模块，能满足频率-电压的转换，以及集成电路压电加速度计和热电阻温度探测器的应用。NI SCC产品可调理各种模拟输入和数字信号，其模块化设计方便且以通道为单位进行信号调理。SCC提供了自定义的连接选项以配合感应器或信号连接的类型。其小板外盒十分适合与便携式应用中的PCMCIA DAQ Card和DAQ Pads配合使用。SCC信号调理模块可安装在SCC-2345系列基座盒中，在这个具有屏蔽功能的基座内，最多可以放置20个模块和电缆，并可直接连接到一个M系列设备上。可通过DAQ上的5VDC电源或外接电源，或选用交流整流器来向SC-2345和SCC模块供电。SCC系统是由单通道和双通道两种模块组合而成，可以调节RTD、热电偶信号、加速计、应变片、隔离模拟输入、0-20mA电流以及高电压输入。SCC-TC模块可以将热电偶输出的毫伏级的微弱电压直接转化成所测的温度。使用者不必通过对热电偶信号进行放大转换成数据采集卡可以识别的信号，再计算这个电压信号所对应的温度值，大大方便了用户。4.1.3测量放大电路在数据采集系统中，被检测的物理量经过传感器变换成模拟信号，往往是微伏级的微弱信号，需要用放大器加以放大后送给A/D转换器。现在市场上可以采购到的各种放大器(如通用运算放大器、测量放大器)中，由于通用放大器一般都具有毫伏级的失调电压和每度数微伏的温漂。因此，通用运算放大器不能直接用于放大微弱信号，而测量放大器则能较好的完成此功能。测量放大器是一种带有精密差动电压增益的器件，由于它具有高输人阻抗、低输出阻抗、较强的抗共模干扰能力、低温漂、低失调电压和高稳定增益等特点，使其在检测微弱信号的系统中被广泛用作前置放大器。数据采集系统中常用测量放大器有AD623。由于本系统采用的是NI公司的6221板卡，有与其相配套的SCC-TC模块，它内部集成了放大，线性化的电路。所以本设计对此部分没有没有做详细的介绍。4.1.4滤波电路滤波电路是一种选频装置，可以使信号中特定的频率成分通过，而极大地衰减其它频率成分。在前置通道中利用滤波电路的这种筛选作用，可以滤除干扰噪声。系统接收到的模拟信号中总是混有噪声成分，而我们关心的有用信号的频谱一般只占整个信号频谱的一部分；另外，为防止采样后的信号频率产生混叠，需要在A/D转换器前加滤波电路，以滤掉信号中的一部分噪声和不需要的频率范围的信号，改变输出模拟信号的信噪比。模拟滤波电路可分为无源滤波电路和有源滤波电路。无源滤波电路一般由电阻、电容、电感网络组成，其缺点是滤波电路的通带放大倍数及其截止频率都随负载而变化，常常不符合信号处理的要求。有源滤波电路一般由RC网络和集成运放组成，它很好的克服了无源滤波电路的缺点，因而被广泛采用。有源滤波器广泛应用于各种系统中，尤其是数据采集系统。传统的有源滤波器经常采用运算放大器、电阻、电容等元件构成有源滤波器，一旦电阻、电容值确定以后，滤波器的参数就确定下来，不能实时改变，因此局限性很大，特别是当系统的滤波特性要求实时改变时，这种有源滤波器的弱点就突出的暴露出来。近年来，有一种有源滤波器器件快速的发展起来开关电容滤波器。它的工作原理是采用时钟信号控制一个电容网络，通过动态的改变电容网络的结构实现低通、带通、高通、带阻等滤波特性。如MAXIM公司的MAX262就是一种性能非常优良的开关电容滤波器该芯片内集成了设计滤波器所需的电阻电容，由其构成的滤波器的中心频率、Q值是可编程的，通过数字接口很方便与DSP、FPGA等数字器件连接，使用起来非常方便。此外比较常用的还有低通滤波电路MAX280。4.2数据采集卡简介4.2.1概述虚拟仪器的硬件平台由计算机和I/O接口设备两部分组成。I/O接口设备主要执行信号的输入采集、放大与模/数或数/模转换的任务。对于单台虚拟仪器而言，Labwindows/CVI所涉及的I/O接口设备是数据采集卡。对于多台虚拟仪器组成的仪器测量控制系统来说，Labwindows/CVI所涉及的I/O接口设备为总线。总线的类型有：GPIB/GPIB 488.2、RS232、VISA和VXI等总线。I/O接口设备的驱动是虚拟仪器实现对真实物理信号采集的基础。因此，I/O接口设备的驱动是虚拟仪器系统的重要环节。Labwindows/CVI获取数据的方法是通过I/O接口设备的驱动来完成的。通过数据采集卡获取数据是虚拟仪器获取数据的渠道之一，也是构成虚拟仪器的最基本方式。通过数据采集卡获取数据的虚拟仪器称为PC-DAQ（Data Acquisition，数据采集)卡式仪器。数据采集卡为I/O接口设备，对I/O接口设备的驱动是通过相应的库函数来实现的。4.2.2数据采集卡的组成数据采集卡主要由以下四部分组成：1)多路开关多路开关将多路信号轮流切换到放大器的输入端，以实现多路信号的分时采集。2)放大器放大器将待采集的信号放大或衰减至采样环节的量程范围内。在实际系统中，放大器的增益通常是可调的，设计者可根据输入信号幅值的大小选择不同的增益倍数。3)采样保持器采样保持器取出待测信号在某一时刻的瞬时值，即实现信号的时间离散化，并在A/D转换过程中保持信号不变。如果被测信号变化很慢，也可不用采样保持器。4)A/D转换器A/D转换器是将输入的模拟量转化为数字量输出，并完成信号幅值的量化。随着电子技术的发展，通常将采样保持器同A/D转换器集成在一块芯片上。以上四个部分都处在计算机的前向通道上，是组成数据采集卡的主要部分。其他相关电路，如定时/计数器、总线接口电路等，也集成在一块电路板上，以完成对信号的采集、放大及模/数转换任务。很多数据采集卡电路板上还装有数/模转换器（D/A)，它处在计算机的后向输出通道上，用于将计算机输出的数字量转换为模拟量，从而实现控制功能。4.2.3数据采集卡的参数设置要使数据采集卡正确地实现数据采集的功能，必须根据实际测量的需要对一些参数进行设置，这就是数据采集卡的软件驱动。待设置的参数主要有采集卡的设备号及地址码，此外还有如下的设置项。1)模拟信号输入部分的设置l 设置输入信号的输入方式：确定输入信号是单端输入还是双端输入，输入信号是单极性信号还是双极性信号等。l 选择增益：根据输入信号幅值变化范围和分辨率的要求，选择增益。l 选择量程：一般根据输入信号是单极性还是双极性，选择合适量程。2)A/D转换部分的设置l 设定信号输入通道号；l 设定采样点数；l 设定采样速率；采样频率的高低，决定了在一定时间内获取原始信号信息的多少，为了能够较好的再现原始信号，不产生波形失真，采样率必须要足够高才行。根据奈奎斯特理论采样频率至少是原信号的两倍，但实际中，一般都需要510倍。l 采样结果的输出方式：采样结果可放在一个数组中，也可放在某一缓冲区中。l 采样触发方式：一般分外触发、定时触发及软件触发。3) D/A转换部分l 模拟信号的输出通道号；l 模拟信号的输出幅值：此参数应设置在标称满量程范围内；l 刷新速率：该参数决定被生成的模拟信号波形的“光滑度”，刷新速率的倒数为响应时间；4.2.4 I/O接口设备PCI-6221数据采集卡NI PCI-6221(37针)数据采集卡DAQ卡，另有5倍采样速率的高速M系列和4倍分辨率的高精度M系列可供选择，包括NI-DAQmx、VI Logger Lite数据记录软件和其他测量服务。其基本规格如下：l 16路模拟输入、16位分辨率l 250kS/s采样速率l 2路16位模拟输出，更