《数据采集》PPT课件.ppt

第9章数据采集 数据采集是LabVIEW的一项重要功能 NI公司为LabVIEW的用户提供了丰富的数据采集设备以最大限度地满足各个领域的需要 本章主要介绍了数据采集的基础知识以及DAQAssistant的使用方法 9 1DAQ系统概述 9 1 1DAQ系统的构成在计算机广泛应用的今天 数据采集的重要性是十分显著的 它是计算机与外部物理世界连接的桥梁 随着计算机和总线技术的发展 基于PC的数据采集 DataAcquisition DAQ 板卡产品得到了广泛应用 许多应用通过使用插入式设备采集数据并把数据直接传送到计算机内存中 而在一些其他应用中 数据采集硬件通过并行或串行接口和PC相连 基于PC的数据采集系统的组成部分可分5个部分 1 PC 2 传感器 3 信号调理 4 数据采集硬件 5 软件 图9 1典型的基于PC的DAQ系统 上图表示了数据采集的结构 其工作流程是这样的 1 外部模拟信号连接数据采集卡上 2 触发模块根据设置的采样频率定期发出触发信号 3 当A D转换模块接受的触发信号后 完成一次A D转换 4 A D转换后的二进制数字量进入卡上的Buffer暂存 5 循环2 4步骤 6 当卡上Buffer保存的数据达到设定值后 利用驱动程序将Buffer中的数据批量传输到内存的buffer中或者直接传送到CPU中利用labview程序进行处理 7 如果选择先将数据传到内存的buffer中 则当该buffer中的数据达到设定值后 批量传送给labview程序处理 8 当labview处理完数据后 根据需要驱动相关硬件或者显示数据 DAQ的任务就是测量或生成物理信号 数据采集 DAQ 卡常用功能 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 模拟输入 是采集最基本的功能 它一般由多路开关 MUX 放大器 采样保持电路以及A D来实现 通过这些部分 一个模拟信号就可以转化为数字信号 A D的性能和参数直接影响着模拟输入的质量 要根据实际需要的精度来选择合适的A D 模拟输出 通常是为采集系统提供激励 输出信号受数模转换器 D A 的建立时间 转换率 分辨率等因素影响 建立时间和转换率决定了输出信号幅值改变的快慢 建立时间短 转换率高的D A可以提供一个较高频率的信号 如果用D A的输出信号去驱动一个加热器 就不需要使用速度很快的D A 因为加热器本身就不能很快地跟踪电压变化 应该根据实际需要选择D A的参数指标 数字I O 通常用来控制过程 产生测试信号 与外设通信等 它的重要参数包括 数字口路数 line 接收 发送 率 驱动能力等 如果输出去驱动电机 灯 开关型加热器等用电器 就不必用较高的数据转换率 路数要能同控制对象配合 而且需要的电流要小于采集卡所能提供的驱动电流 但加上合适的数字信号调理设备 仍可以用采集卡输出的低电流的TTL电平信号去监控高电压 大电流的工业设备 数字I O常见的应用是在计算机和外设如打印机 数据记录仪等之间传送数据 另外一些数字口为了同步通信的需要还有 握手 线 路数 数据转换速率 握手 能力都是应理解的重要参数 应依据具体的应用场合而选择有合适参数的数字I O 计数器 许多场合都要用到计数器 如定时 产生方波等 计数器包括三个重要信号 门限信号 计数信号 输出 门限信号实际上是触发信号 使计数器工作或不工作 计数信号也即信号源 它提供了计数器操作的时间基准 输出是在输出线上产生脉冲或方波 计数器最重要的参数是分辨率和时钟频率 高分辨率意味着计数器可以计更多的数 时钟频率决定了计数的快慢 频率越高 计数速度就越快 Labview中实现数据采集 LabVIEW数据采集模块的分类 简易模入VIs EaseAnalogVIs 该行的四个模块执行简单的模入操作 它们可以作为单独的VI 也可以作为subVI来使用 这些模块可以自动发出错误警告信息 在对话框中你可以选择中断运行或忽略 但是比较复杂的应用需要使用下面的类型 中级模入VIs IntermediateAnalogInputVIs 中级模入在两个地方可以找到 一个如图6 15的位置 另一个是包含在下面讨论的通用模入VIs中 与简易模入不同的是在那里的一个操作AIInput 这里细分为AIConfig AIStart AIRead AISingleScan以及AIClear 它可以描述更加细致 复杂的操作 通用模入VIs AnalogInputUtilityVIs 这里提供了三个常用的Vis AIReadOneScan AIWaveformScan 及AIContinuousScan 使用一个VI就可以解决一个普通的模入问题 方便但缺乏灵活性 这三个Vis是由中级模入构成的 高级模入VIs AdvancedAnalogInputVIs 这些Vis是NI DAQ数据采集软件的界面 是上面三种类型Vis的基础 一般情况下 用户不需要直接使用这个功能 数据采集中的常用参数介绍 为了更好地理解模入 需要了解信号数字化过程中分辨率 范围 增益等参数对采集信号质量的影响 分辨率 Resolution 分辨率就是用来进行模数转换的位数 A D的位数越多 分辨率就越高 可区分的最小电压就越小 分辨率要足够高 数字化信号才能有足够的电压分辨能力 才能比较好的恢复原始信号 目前分辨率为8的采集卡属于较低的 12位属中档 位的卡就比较高了 他们可以分别将模入电压量化为256 4096 65536份 电压范围 Range 电压范围由A D能数字化的模拟信号的最高和最低的电压决定 一般情况下 采集卡的电压范围是可调的 所以可选择和信号电压变化范围相匹配的电压范围以充分利用分辨率范围 得到更高的精度 比如 对于一个3位的A D 在选择0 10V范围时 它将10V八等分 如果选择范围为 10V到 10V 同一个A D就得将20V分为8等分 能分辨的最小电压就从1 25V上升到2 50V 这样信号复原的效果就更差了 增益 Gain 增益主要用于在信号数字化之前对衰减的信号进行放大 使用增益 可以等效地降低A D的输入范围 使它能尽量将信号分为更多的等份 基本达到满量程 这样可以更好地复原信号 因为对同样的电压输入范围 大信号的量化误差小 而小信号时量化误差大 当输入信号不接近满量程时 量化误差会相对加大 如 输入只为满量程的1 10时 量化误差相应扩大10倍 一般使用时 要通过选择合适的增益 使得输入信号动态范围与A D的电压范围相适应 当信号的最大电压加上增益后超过了板卡的最大电压 超出部分将被截断而读出错误的数据 Labview中数据采集的常用参数介绍 device 设备号 在NI采集设置工具中设定 该参数告诉LabVIEW你使用什么卡 它可以使采集VI自身独立于卡的类型 也就是说 如果你稍后使用了另一种卡 并且赋予它同样的设备号 你的VI程序可正常工作而无须修改 channels 指定数据样本的物理源 例如 一个卡有 个模拟输入通道 你就可以同时采集 组数据点 在LabVIEWVI中 一个通道或一组通道都用一个字符串来指定 例如 通道通道串通道55通道0到40 4通道1 8 以及10到131 8 10 13scanrate 1000scans sec 是在多通道采样时 分配给一个通道得到的样本速率 缺省值是1000 秒 numberofsamples ch 每通道要采集的样本数 缺省值是1000 highlimit 被测信号的最高电平 其缺省值是 设为缺省值时系统将按照采集卡设置程序MAX中的设定处理 lowlimit 被测信号的最低电平 其缺省值是 设为缺省值时系统将按照采集卡设置程序MAX中的设定处理 highlimit和lowlimit的值将决定采集系统的增益 对大多数卡输入信号变化的缺省值是10V到 10V 如果你将其设为5到 5V 则增益为2 如果你将其设为1到 1V 则增益为10 如果你设置一个理论上的增益是得不到支持的 LabVIEW会自动将其调整到最近的预置值 典型的采集卡所支持的增益值有0 5 1 2 5 10 20 50 100 waveforms A D转换后的输出 是一个二维的waveform数组 其每一列对应于一个输入通道 同时包含有反映时间信息的t0和 t 数据缓存 buffer 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 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 因为这里没有一个场合可以保持你着手处理的数据之前的若干数据点 数据缓存的选用 下列情况需要使用BufferI O 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 需要连续采集或产生AC数据 10样本 秒 并且要同时分析或显示某些数据 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BufferI O 数据组短小 例如每秒只从两个通道之一采集一个数据点 需要缩减存储器的开支 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 1 内部触发 当某一模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 2 外部触发 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 triggerout 用于触发特定的装置或仪器 触发 Triggering 的选用 下列情况使用软件触发 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 采集事件定时需要非常准确 用户需要削减软件开支 采集事件需要与外部装置同步 9 1 2DAQ系统的功能 数据采集前 必须对所采集信号的特性有所了解 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配置 任意一个信号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 如 状态 state 速率 rate 电平 level 形状 shape 和频率成分 frequencycontent 根据信号运载信息方式的不同 可以将信号分为模拟或数字信号 1 数字信号 数字 二进制 信号分为两类 第一类数字信号是开 关信号第二类数字信号是脉冲信号 2 模拟信号 模拟信号可分为直流 时域 频域信号 如图9 3所示 图9 3模拟信号分类 1 模拟直流信号 2 模拟时域信号 3 模拟频域信号 3 信号调理 从传感器得到的信号大多要经过处理才能进入数据采集设备 信号处理功能包括放大 隔离 滤波 激励和线性化等 由于不同传感器有不同的特性 因此 除了这些通用功能 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 1 放大 2 隔离 3 滤波 4 激励 5 线性化 6 数字信号调理 4 A D转换与D A转换 为了提高系统的性能指标 数字计算机技术广泛应用于现代控制 通信及检测等领域 系统的实际对象往往都是一些模拟量 如温度 压力 图像等 要使计算机或数字仪表能识别 处理这些信号 必须首先将这些模拟信号转换成数字信号 而经计算机分析 处理后输出的数字量也往往需要将其转换为相应模拟信号才能为执行机构所接受 模数和数模转换器就是能在模拟信号与数字信号之间起桥梁的电路 将模拟信号转换成数字信号的电路 称为模数转换器 简称A D转换器 A D转换器按分辨率的不同可分为4位 6位 8位 10位 14位 16位和BCD码的31 2位 51 2位等 按照转换速度可分为超高速 转换时间 330ns 次超高速 转换时间330ns 3 3 s 高速 转换时间3 3 333 s 低速 转换时间 330 s 等 按转换原理分可分为直接A D转换器和间接A D转换器 有些转换器还将多路开关 基准电压源 时钟电路 译码器和转换电路集成在一个芯片内 已超出了单纯A D转换功能 图9 4转换结构图 与A D转换器相对应 将数字信号转换为模拟信号的电路称为数模转换器 简称D A转换器 5 数字I O DIO DAQ设备中的数字I O由生成或接收二进制通断信号的部分构成 他们通常用于过程控制 生成测试样式及与外围设备进行通信 数字连线通常分组为若干个端口 每个端口由四条或八条连线构成 同一端口中的所有连线必须同时是输入连线或输出连线 由于一个端口中包含多条数字连线 可以通过端口写入或端口读入同时设置或提取多条连线的状态 数字连线的数量当然应该与需要被控制的过程数目相匹配 通过应用恰当的数字信号调理配件 用户可以使用进 出数据采集硬件的低电流TTL信号来监测 控制工业硬件产生的高电压和电流信号 6 计数器 定时器 计数器 定时器在许多应用中具有很重要的作用 包括对数字事件产生次数的计数 数字脉冲计时 以及产生方波和脉冲 应用一个计数器 计时器时最重要的指标是分辨率和时钟频率 9 2数据采集卡的安装 PCI 6221是一块高性能的NI DAQmx设备 它的引脚定义如图9 5所示 安装时直接将其插入到PC机主板上的插槽内即可 如图9 6所示 图9 5PCI 6221引脚图 图9 6PCI 6221的安装 图9 7NI设备驱动光盘的安装界面 图9 8MAX配置与管理对话框 图9 9创建一个新的通道配置文件 1 图9 10创建一个新的通道配置文件 2 图9 11选择虚拟通道类型 图9 12创建一个新的本地通道 图9 13配置通道的设置和测试 9 3DAQVI的组织结构 LabVIEWDAQVI组织有两个选项板 一个用于传统NI DAQ 另一个用于NI DAQmx NI公司的DAQ硬件连线有两种不同的设备驱动器 NI DAQmx是驱动器 无论是在性能还是在使用简易性方面都优于传统NI DAQ 借助于DAQ助手会使编写VI采集数据的工作明显简化 NI DAQmxVI是一种称为多态VI的特殊VI 是能够适应不同DAQ功能的一组核心VI 如模拟输入 模拟输出和数字I O等 选择 函数 选板下的 测量I O DataAcquisition 子选板即可访问DAQmx选项板 图9 14传统DAQ函数节点 各个子选板的主要功能如下 1 AnalogInput子选板 2 AnalogOutput子选板 3 DigitalI O子选板 4 Counter子选板 5 CalibrationandConfiguration子选板 6 SignalConditioning子选板 数据采集VI按功能划分为不同的等级 1 顶层 简易DAQ节点是中间层DAQ节点的逻辑组合 只提供最基本的输入 输出接口 2 第三层 中间层DAQ节点由高级DAQ节点组成 提供较少的参数 3 第二层 工具DAQ节点同中间层DAQ类似 4 底层 高级DAQ节点是对数据采集驱动程序的最低层的接口 图9 15连续数据采集程序框图 9 4数据采集助手 数据采集助手DAQAssistant是LabVIEW7以后版本新增的一个重要工具 它是一个图形化的界面 主要用于交互式地创建 编辑和运行NI DAQmx虚拟通道和任务 这个工具通过一个图形化接口来配置简单和复杂的数据采集任务 从而帮助用户无需编程即可创建应用程序 DAQAssistant是一个基于步骤的向导 它可以使用户无需编程即可配置数据采集任务 虚拟通道以及实现缩放操作 用户可以从NI应用软件中启动DAQAssistant 如LabVIEW LabWindows CVI MeasurementStudio或MAX 利用DAQAssistant 用户可以执行以下任务 1 创建和编辑任务和虚拟通道 2 添加虚拟通道至任务 3 创建并编辑量程 4 测试用户的配置 5 保存用户的配置 6 在用户的NI应用软件中生成代码以在用户的应用程序中使用 7 观察用户的传感器的连接图 图9 16DAQAssistant选板 图9 17放置DAQ助手将自动进入MAX界面 使用DAQAssistantExpressVI构建数据采集VI的通用过程如下 1 打开一个新的VI 2 在框图中置DAQAssistantEx