虚拟仪器PPT教学课件.ppt

第八章数据采集 虚拟仪器系统构成虚拟仪器的数据采集卡虚拟仪器采集相关原理数据采集卡的配置Labview中的数据采集控件数据采集的一些扩展应用 一个完整的虚拟仪器系统 一些实际的虚拟仪器系统 虚拟仪器的硬件平台组成 构成虚拟仪器的硬件平台有两部分 计算机和I O接口设备 计算机 计算机一般为一台PC机或者工作站 是硬件平台的核心I O接口设备 I O接口设备主要完成被测输入信号的采集 放大及模 数转换 不同的总线有其相应的I O接口硬件设备 利用PC机总线的数据采集卡 板 简称DAQ GPIB总线仪器 VXI总线仪器模块 串口总线仪器 PXI总线 虚拟仪器五种主要构成方式 以接口方式分类 1 PC DAQ系统 是以数据采集板 信号调理电路和计算机为仪器硬件平台组成的插卡式虚拟仪器系统 它采用PCI或ISA计算机本身的总线 故将数据采集卡 板 DAQ 插入计算机的空槽中即可 2 GPIB系统 以GPIB标准总线仪器与计算机为仪器硬件平台组成的虚拟仪器测试系统 典型的GPIB测试系统由一台计算机 一块GPIB接口板和几台GPIB仪器组成 GPIB接口板插入计算机的插槽中 建立起计算机与具有GPIB接口的仪器设备之间的通信桥梁 3 VXI系统 以VXI标准总线仪器模块与计算机为仪器硬件平台组成的虚拟仪器测试系统 VXI总线是一种高速计算机总线在仪器领域的扩展 它具有标准开发 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 众多仪器商支持等优点 应用越来越广 尤其在组建大中规模自动测量控制系统 以及对速度 精度要求非常高的场合 有其他仪器无法比拟的优点 此外 VXI总线的组建方案其功能最为强大 组建的系统最为稳定 但VXI总线在实现强大功能的同时 价格也是十分昂贵的 4 PXI系统 以PXI标准总线仪器模块与计算机为仪器硬件平台组成的虚拟仪器测试系统 PXI PCIbuseXtentionsforInstrumentation 总线是基于PCI总线的虚拟仪器系统构架 是NI公司于1997年推出的一种新的开放性 模块化仪器总线规范 PXI在主流PCI计算技术和控制器的基础上采用流行的奔腾MMX处理器 带有标准GPIB接口 并 串口 以太网络接口及显示器接口 为用户组建速度高 成本低 结构紧凑的测试系统提供了可行性 5 串口系统 以Serial标准总线仪器与计算机为仪器硬件平台组成的虚拟仪器测试系统 无论上述哪种虚拟仪器系统 都是通过应用软件将仪器硬件与通用计算机相结合 其中 PC DAQ测量系统是构成虚拟仪器的最基本的方式 虚拟仪器的数据采集卡 虚拟仪器采集卡的分类 PCI式采集卡PXIVXI GPIB并行接口USBRS232 RS485IEEE1394接口 高速内插式通用外挂式 常用虚拟仪器板卡 PXI产品 VXI产品示例 GPIB产品示例 屏蔽的24芯GPIBcable及定义 虚拟仪器软件驱动模块 为简化硬件板卡编程和控制 NI和Agilent标准化了数百种常用仪器 板卡的驱动 它们已成为虚拟仪器开发平台的一部分 开发时可直接复用这些硬件驱动代码 基于PCI总线数据采集卡PCI 6014实物及功能 PeripheralComponentInterconnect 即外设部件互连 主要完成计算机对外部数据的放大 数模转换功能 16路模拟输入 采样率200kS s 2路模拟输出 16 bit分辨率 8个数字通道 5VTTL CMOS 2个24 bit计数器 数字触发 函数发生器功能 基于PCI总线数据采集盒BNC2120功能 是数据采集卡与外部信号的接口 8模拟输入通道 2通道模拟输出 8个数字通道 5VTTL CMOS 2个24 bit计数器 数字触发 函数发生器功能 示例 电话拨号 声音的DAQ系统 虚拟仪器采集相关原理 主要内容 信号与系统概述信号采集的基本定理信号采集的基本功能A DD ADIOTimer Counter 信号与系统概述 一个典型的数据采集系统 信号与系统概述 信号的分类 信号与系统概述 数字信号 信号与系统初步 模拟信号 信号采集 前置预处理 传感器信号调理放大滤波信号转换 将外部信号采入计算机 并加以处理 最后输出 常见传感器 物理现象传感器温度热电偶RTDIC传感器热敏电阻光光电传感器声麦克风力和压力应变仪压电传感器 模拟信号调理 低电压信号 电流输入 输出 RTDs和热敏电阻 热电偶 应变仪 隔离放大噪声滤波 电流与电压的转换 隔离 放大 噪声滤波 隔离 放大 噪声滤波冷端补偿 激励电源隔离 放大 噪声滤波 激励电压全桥和半桥设置隔离 放大 噪声滤波 多功能I O 数据采集系统功能 A D转换 模拟量 数字量转换 D A转换 数字量 模拟量转换 DIO 数字量输入 输出 Timer Counter 定时器 计数器 基本定义及参数 A D 模拟量 数字量转换把外部电压信号转成计算机能够识别的数字信号采样频率MaxSamplingRate S s SamplingFrequency Hz 精度 Resolution 8bit12bit14bit16bit输入范围 InputRange 增益 同步采样 Simultaneousanaloginput 轮询采样 Multiplexanaloginput 突发模式采样 Burstmode 触发模式 Triggermode 隔离 Isolation FIFO 采样方式 A D转换的物理过程 模拟信号 A D触发信号 数据缓冲区 PCI总线 内存 Buffer CPU 模拟信号 模拟信号 模拟信号的数字化处理 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 A D基本定义 信号的频率代表信号变化快慢的物理量任何一种信号都可以转换成一组正弦波的迭加不同的信号频率不同 语音 4kHz音乐 20kHz超声 20kHz xxMHzFM收音机 MHz雷达 xGHz A D基本定义 采样频率采样周期的倒数表示采样快慢的物理量多少时间采一个点 每秒采样多少个点Nyquist采样定律 fs 2 fmaxfs 采样频率fmax 信号最高频率一般最小为fs 2 5 fmax工程上一般取为fs 6 8 fmax采样定律的特例等效时间采样 A D基本定义 采样与混叠 足够的采样率下的采样结果 过低采样率下的采样结果 A D基本定义 能够正确显示信号而不发生畸变的最大频率叫做Nyquist频率 它是采样频率的一半信号中所包含的频率高于Nyquist频率的成分 将在直流和Nyquist频率之间发生畸变 称为混叠 alias 混频偏差 aliasfrequency ABS 采样频率的最近整数倍 输入频率 解决方案在A D前加入低通滤波器 将信号中高于Nyquist频率的信号成分滤去称为抗混叠滤波器 A D基本定义多通道采样 多通道采样同步采样采用多个A D芯片 不同通道采用同一时钟保证不同通道的采样时间相同 信号同步 轮询采样只采用一个A D芯片 通过多路转换开关实现不同通道的切换通道转换时间可以通过外加采样 保持电路保证采样的同步突发模式采样用通道时钟控制通道间的时间间隔用另一个扫描时钟控制两次扫描过程之间的间隔BSSH D A基本定义 D A 数字量 模拟量转换将计算机内部数字量信号转成外部电压建立时间 SettingTime 指变化量为满刻度时 达到终值1 2LSB时所需的时间更新频率 采样频率 MaxDataUpdateRate 精度 Resolution 8bit12bit14bit16bit输出范围输出信号类型电压输出电流输出 Source Sink 数据采集卡的配置 通常情况下 LabVIEW安装和配置DAQ板卡的主要步骤如图8 12所示 安装和配置DAQ板卡的主要步骤 DAQ设备的安装与配置 1 安装DAQ设备硬件 将PCI数据采集卡插到计算机主板上一个空闲的PCI插槽中 接好各种附件 其驱动程序就是NI DAQ 附件包括一条数据线和一个采集盒 采集盒直接与外部信号连接 2 安装DAQ设备驱动及检验 安装Measurement AutomationExplorer的软件 简称MAX 该软件用于管理和配置硬件设备 若DAQ设备安装成功 可在Measurement Automation浏览窗口看到DAQ设备硬件的型号 如图8 14所示 图8 14Measurement Automation浏览窗口 3 配置DAQ设备 下面介绍如何用MAX配置PCI 6014数据采集卡 1 运行MAX 在MAX窗口左侧的设备管理树的DevicesandInterfaces选项中 选择PCI 6014数据采集卡 如图8 15所示 图8 15选择PCI 6014窗口 2 在PCI 6014数据采集卡窗口选择Properties 弹出PCI 6014数据采集卡的配置对话框 如图8 16所示 对话框主要有五部分 System AI AO Accessory和OPC RemoteAccess是远程控制对话框 这里不介绍 在这个对话框中可以完成对DAQ设备的配置 图8 16ConfiguringDevice对话框 3 设置DAQ设备在系统中的设备 Device 编号 在ConfiguringDevice对话框的System页面中将Device属性值设为1 如图8 16所示 另外 该页面会将DAQ设备在Windows中所占用的资源列出 例如中断号 内存范围等 4 设置模拟输入 AI 属性 在ConfiguringDevice对话框的AI页面中 将Polarity属性值设为 10 0V 10 0V 将Mode属性值设为Differential 差分输入 如图8 17所示 图8 17ConfiguringDevice对话框的AI页面 5 设置模拟输出 AO 属性 在ConfiguringDevice对话框的AO页面中 将Polarity属性值设为Bipolar 双极性 如图8 18所示 图8 18ConfiguringDevice对话框的AO页面 6 设置附件 Accessory 在ConfiguringDevice对话框的Accessory页面中 将Polarity属性值设为所选用的采集盒型号 如BNC 2120 如图8 19所示 图8 19ConfiguringDevice对话框的Accessory页面 7 设置过程控制 OPC 在ConfiguringDevice对话框的OPC页面中 将Polarity属性值设为Disabled 如图8 20所示 图8 20ConfiguringDevice对话框的OPC页面 在完成了上述属性的设置之后 单击 确定 按钮 若属性配制成功 数据采集卡正常工作 单击ConfiguringDevice对话框System页面中的 TestResources 按钮 系统就会弹出一个对话框 告知用户DAQ设备通过了测试 如图8 21所示 图8 21ConfiguringDevice对话框System页面中的TestResources页面 图8 22TestPanel窗口 2 DAQ编程 DAQ的软硬件安装及配置之后 就可以进行DAQ编程 LabVIEW是通过DAQ节点来控制DAQ设备完成数据采集的 所有的DAQ节点都包含在Functions模板 AllFunctions子模板 NIMeasurements子模板 DataAcquisition子模板中 如图8 23所示 图8 23DataAcquisition子模板 Labview软件中的数据采集控件 PCI 6014数据采集卡的功能 Labview中有关数据采集的控件 LabVIEW中的模拟输入 模拟输入控件 简易数据采集控件 中层数据采集控件 高级控件 简易AI控件 可设置的跟采集相关参数有 样本个数 采样率 中层AI控件 可设置的采集相关的参数 缓冲区大小 扫描率 样本数 读取样本数可配置硬件相关的参数 例 简易控件完成的波形数据采集 连续模拟输入 需要注意 程序读取数据的速度要不慢于设备往缓冲区中存放数据的速度 这样才能保证连续运行时 缓冲区中的数据不会溢出 可以通过调节以下3个参数来达到上述要求 buffersize 缓存的大小 scanrate 采样速率 numberofscanstoreadatatime 每次读取的样本数 连续采集的程序模型为 AIConfig AIStart AIRead DataProcess AIClear 循环 连续模拟输入程序实例 模拟输入的讨论 对于一些复杂的采集任务 可以采用一些特殊的采集方式 例如采用外部时钟采集 触发采集等 触发采集种类很多 根据触发信号类型可以分为数字信号触发和模拟信号触发 根据触发形式可以分为边沿触发和窗口触发 根据触发功能可以分为启动触发 暂停触发和参考触发 不是每个数据采集卡都具有这些特殊采样功能的 使用前要查看采集卡的使用手册 在模拟输入采集系统中 实现数据采集并不复杂 数据处理与分析才是难点 LabVIEW中的模拟输出 连续模拟输出 有两种形式的连续模拟输出 第一种就是在模拟输出之前 将数字信号写入缓冲区中 然后设备连续不断地将缓冲区中的数据通过DAC重复输出 这种连续模出执行效率很高 但是需要写入的数字信号必须是整周期的 不然输出模拟信号将会不连续 在使用上不够灵活 AOConfig AOStart AOWrite AOClear 循环 AOWrite DigitalSignal Nothing 连续模拟输出 第二种方式就是在设备将缓冲区中数据输出的同时 不断地将数字信号写入缓冲区中 这种方式在编程上比较复杂 但是灵活性比较高 只要保证这一次写入缓冲区的数字信号和上次是连续的就行 不需要每次写入的信号是整周期的 AOConfig AOStart AOWrite AOClear 循环 AOWrite DigitalSignal DigitalSignal 长度为其1 2 LabVIEW中的数字I O 一般情况下 数字I O按照TTL逻辑电平设计 其逻辑低电平在0到0 7V之间 高电平在3 4到5 0V之间 在硬件设备上 多路 Line 数字I O组成一组后被称为端口 Port 一个端口由多少个数字通路组成是依据其设备而定的 在多数情况下8个数字通路组成一个端口 在LabVIEW中对数字I O的操作非常简单 可以对整个端口进行操作 也可以对端口中的一路或多路同时进行操作 8 4 5虚拟仪器设计举例 例1基于LabVIEW信号发生器的设计 设计的信号发生器应具有系统控制 产生标准正弦波 方波 三角波波形 数据存储显示以及输出模拟信号等功能 1 计算机产生波形的流程框图 在LabVIEW7 0下 计算机产生波形的流程框图如图8 27所示 图8 27计算机产生波形流程框图 2 软件设计 1 前面板的设计 根据传统信号发生器面板控键的功能 利用LabVIEW中的控制模板 分别在设计面板上放入模拟实际信号发生器控键的数据输入控键 显示器 数据输出控件 开关和选择器 显示器用于显示输出的信号波形 数据输入控键用于输出信号的信号频率 采样频率 采样数 振幅和相位 数据输出控键则用于选择信号类型 设计的前面板如图8 28所示 图8 28虚拟信号发生器的前面板 2 流程图的设计 对于虚拟信号发生器而言 它的主要功能就是为我们提供激励信号 所以在流程图设计中 我们首先要选择一个产生信号的图标以及用于循环控制的While循环 在流程图设计窗口中打开Functions模块 执行AllFunctions Analyze SignalGeneration BasicFunctionGenerator VI操作 通过开关选择信号类型 执行AllFunctions Structures WhileLoop操作 调入While循环 图8 29虚拟信号发生器的程序框图 运行检验 当完成了设计后 若流程图设计窗口工具条中的箭头图标显示为 就说明我们的流程图设计是正确的 接下来可以运行检验该程序了 在前面板中 输入所使用的板卡设备号和输出信号所接的输出通道号 把频率和幅度调节到需要的刻度值 点击窗口工具条中的箭头图标或在Operate选项中选择Run运行程序 若将控件调至产生方波 则将在示波器中看到生成的波形 Labview数据采集的扩展应用 对外接口与调用 NI采集卡 非NI采集卡 LabVIEW 其它环境 如VC VB 传统DAQ或DAQmx驱动 创建DLL 调用DAQmxCAPI 调用DLL 二次封装DLL 基于网络的远程数据采集 要实现远程数据采集 可以通过网络使多台计算机 客户机 共享一台计算机 服务器 上的DAQ设备 这样就不必在每台客户机上都安装DAQ设备 只需要