LABVIEW与数据采集.ppt

摘要：LabVIEW与数据采集，顾永刚，2008年4月3日，内容与安排，虚拟仪器导论和LabVIEW数据采集导论。介绍了LabVIEW中数据采集扩展应用的一些实例。第一部分是对虚拟仪器和虚拟仪器的简单介绍。NI公司在20世纪70年代中期提出了虚拟仪器的概念。虚拟仪器是用户在以通用计算机为核心的硬件平台上设计的一种计算机仪器系统，具有虚拟面板，其测试功能通过测试软件实现。它是计算机技术和仪器技术的结合。它的基础是计算机系统，核心是软件技术。简而言之，虚拟仪器就是在开放架构的基础上创建用户自定义的测试系统。虚拟仪器极大地突破了传统仪器在数据采集、处理、显示、存储等方面的局限性。它是测试和自动化系统的高性能和低成本载体平台。虚拟仪器的组成，虚拟仪器与传统仪器的比较，独立传统仪器的基本框架与基于PC机的虚拟仪器相似。根本区别在于它们的灵活性不同，用户能否根据自己不同的需求、虚拟仪器的特点对它们进行修改和扩展，软件是虚拟仪器的核心，性价比高，缩短了仪器制造商和用户之间的距离。它具有良好的人机界面、方便灵活的互连、高可靠性、开放性、模块化、可重用性和互换性。维护和维修方便。什么是LabVIEW，LabVIEW是基于美国国家仪器公司推出的图形语言(图形化编程语言)的虚拟仪器软件开发工具。LabVIEW为虚拟仪器设计人员提供了一个便捷的设计环境。使用它，设计者可以很容易地构建一个测量系统，并像构建模块一样构建他们自己的仪器面板，而不需要任何复杂的计算机代码编写。图形化编程提供了丰富的数据采集、分析和存储库功能，即提供了传统的程序调试手段，也提供了独特的高亮执行工具。程序调试和开发更加方便。包括DAQ、GPIB、PXI、VXI、RS-232/485、通用串行总线在内的各种仪器通信总线标准的功能功能提供了大量与外部代码或软件连接的机制。如动态链接库、动态数据交换、ActiveX等功能强大的网络功能，支持通用网络协议、LabVIEW程序实例(前面板)、输入控件、显示控件、按钮、LabVIEW程序实例(后面板)、生成功能、第二部分、数据采集相关介绍、数据采集任务、数据采集系统任务，具体来说就是采集传感器输出的模拟信号，并将其转换成计算机能够识别的数字信号，然后将其发送给计算机进行相应的计算和处理，以获得所需的数据。同时，计算出的数据将被显示或打印出来，从而实现对某些物理量的监控，其中一些数据还将被生产过程中的计算机控制系统用来控制某些物理量。数据采集系统的性能主要取决于其精度和速度。对于模拟信号的数字处理，数据采集的核心过程是将连续的模拟信号转换成离散的数字信号。过多的采样点将占用大量的存储单元。采样点太少会导致模拟信号的一些信息丢失，导致失真和混叠干扰。图中采样频率为500赫兹，五个正弦波的频率分别为100赫兹、200赫兹、300赫兹、375赫兹和400赫兹。因为100赫兹和200赫兹的信号频率小于fs/2，所以原始正弦波连续信号可以从离散信号中恢复。然而，300赫兹、375赫兹和400赫兹的信号频率都大于fs/2，因此当离散信号重构原始信号时，形成了频率不同于原始信号频率的信号，即混叠干扰。，采样定理，在对信号进行采样时，必须遵循采样定理：将连续模拟信号的频谱设置为X(f)，将在采样间隔Ts采样的离散模拟信号设置为X(nTs)。如果x (f)和Ts满足以下条件，则离散信号X(nTs)可以完全确定频谱x (f)，并且X(f)具有截止频率(即最高频率)fh，即当|f|fh，X (f)=0ts 1/2fh或fs2fh时，消除混叠。根据采样定理，如果不需要混叠干扰，采样信号X(t)应该首先变成带宽有限的信号。因此，在对不符合此要求的信号进行采样之前，模拟低通滤波器用于滤除高频成分，使其成为带限信号。这个过程称为反走样过滤预处理。其次，采样频率fs应该大于带限信号的最高频率fh的2倍，即fs2fh。在实际工作中，考虑到实际的模拟低通滤波器不能具有理想的截止特性，在其截止频率fh后总是有一定的过渡带，所以采样频率通常选择为(3 4) FH甚至更高。量化，为了用计算机处理信号，采样信号必须转换成数字信号，即采样信号的幅度由二进制码表示。由于二进制码的位数是有限的，并且只能表示有限数量信号的电平，所以在编码之前必须首先对采样信号进行“量化”。量化是将采样信号的幅度与某个最小单位数的一系列整数倍进行比较，并用最接近采样信号幅度的最小单位倍数替换幅度。这个过程称为“量化过程”，简称为“量化”。最小量单位称为量化单位。量化单位定义为量化器的满量程电压FSR(FullScaleRange)与2n之比，用q表示，其中：n是量化器的位数，即采集卡采样的位数。量化误差，由量化引起的误差称为量化误差(也常称为量化噪声，因为它通常具有与噪声相同的影响)。量化误差的最大值是Q，这是一个主要误差，只能减小但不能完全消除。从Q的定义中，我们可以看出减少量化误差的方法有两种：减少FSR，即根据输入信号的大小设置一个合理的采集卡通道输入信号范围；增加n值意味着选择高采样分辨率的采集卡。信号分类，在数据采集应用领域，被测信号通常分为数字信号和模拟信号(也称为连续时间信号)。数字(二进制)信号分为开关信号或脉冲信号。模拟信号可分为直流、时域和频域信号，如下图所示。模拟信号和连接到数据采集设备的信号的连接方式根据参考点的不同可分为接地信号和浮动信号两种。接地信号是指以系统地(如建筑物地)为参考点的信号，也称为参考信号。因为接地信号是系统的，所以在数据采集设备中很常见。最常见的接地信号源是通过墙上的接地线连接到建筑地面的设备，如信号发生器和电源。未连接到任何地(如建筑物的地或地)的电压信号称为浮动信号，浮动信号的每个端口独立于系统地。一些常见的浮动信号源包括电池、热电偶、变压器和隔离放大器。信号的正极和负极分别与模拟输入通道相连。具有仪器放大器的数据采集设备可以被配置为差分测量系统。理想的差分测量系统可以精确测量()和(-)输入端口之间的电位差，并完全抑制共模电压。应当注意，如果输入共模电压超过允许范围，测量系统的共模抑制比将会降低。为了避免测量误差，有必要限制信号地和数据采集卡地之间的浮动地电压。被测量测量系统分类-单端测量系统没有参考，所有测量都有一个公共参考源，但这种参考电压可以根据测量系统的实际接地条件而变化。在没有参考的单端测量系统中，信号的一端连接到模拟输入通道，另一端连接到公共参考端(AISENSE)，但是参考端电压相对于测量系统的地不断变化。无基准的单通道单端测量系统与单通道差分测量系统相同。对于测量系统的选择，单端输入以公共点为参考点。该方法适用于输入信号为高电平(大于1V)且信号源与采集终端之间的距离较短(通常小于5m)的应用。如果不能满足上述条件，则需要差分输入。在差分输入模式下，每个输入可以有不同的参考点，有效消除了共模噪声的影响，因此差分输入模式的采集精度更高。数据采集系统的组成、模拟多通道开关、模拟多通道开关可以对来自多个输入通道的信号进行时分选通，从而在特定的时间范围内，只允许一个模拟信号输入到模数转换器。因此，多通道切换后只需要一套单元电路，如采样/保持电路、模数转换电路和处理器电路，从而降低了成本和设备体积。多通道开关从一个通道切换到另一个通道时会出现瞬态现象，导致输出产生瞬态尖峰电压。模拟多路开关的源负载效应误差和串扰等因素对检测精度有很大影响，特别是当信号源内阻较大时，因此信号源的内阻应尽可能小。数据采集卡的功能、采集卡的基本参数，以NI公司的PCI-6071E多功能采集卡为例，介绍了采集卡的一般参数：模拟输入：64路单端/32路双端，输入范围：10V分辨率：12位采样频率：最高1.25MS/s模拟输出：2路、12位、1MS/s，输出范围：10V数字I/o: 8路计数器：2路、24位、参考时钟20MHz或110 MHzLabVIEW是一种面向工程师的编程语言，它使用图形编程、多线程同步操作，并且只能通过连接线进行编程。它提供了丰富的函数和控件库。构建软件的界面非常快。一个熟练的工程师可能只需要几分钟就能建立一个数据采集系统。NI的数据采集卡为LabVIEW提供了丰富而完整的支持。驱动功能高度封装在底层的基本功能上。用户不需要深入了解采集卡的具体工作。只要掌握这些驱动功能的输入/输出端口的重要性，就可以进行数据采集和开发。LabVIEW模拟输入，连续模拟输入，连续模拟输入，需要注意的是，程序读取数据的速度还是比设备将数据存储在缓冲区的速度慢，这样才能保证连续运行，缓冲区中的数据不会溢出。通过调整以下三个参数可以满足上述要求：buffersize(缓存大小)scanrate(采样率)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。连续模拟输入程序示例和模拟输入讨论。对于一些复杂的采集任务，可以采用一些特殊的采集方法，如外部时钟采集、触发采集等。触发采集的种类很多，根据触发信号的类型可分为数字信号触发和模拟信号触发。根据触发形式，可以分为边缘触发和窗口触发。根据触发功能，可分为启动触发、暂停触发和参考触发。不是每个数据采集卡都有这些特殊的采样功能。使用前请检查卡的使用手册。在模拟输入采集系统中，数据采集并不复杂，但数据处理和分析是难点。，LabVIEW模拟输出，连续模拟输出，有两种形式的连续模拟输出，第一种是在模拟输出之前，将数字信号写入缓冲区，然后设备通过数模转换器连续重复输出缓冲区中的数据。这种连续模式输出非常有效，但是要写入的数字信号必须是全周期的，否则输出的模拟信号将是不连续的，并且在使用中不够灵活。Aoconfig、aostart、aowrite、aoclear、loop、aowrite、数字信号、无、连续模拟输出。第二种方法是在器件输出缓冲器中的数据时，将数字信号连续写入缓冲器。这种方式在编程中相对复杂，但相对灵活。只要这次和最后一次写入缓冲器的数字信号是连续的，就没有必要在整个周期中每次都写入信号。Aoconfig，aostart，aowrite，aoclear，loop，aowrite，digital signal，digital signal，是其长度的1/2，在LabVIEW中为数字输入/输出。一般来说，数字输入/输出是根据TTL逻辑电平设计的，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，多通道(线路)数字输入/输出在形成一个组后被称为端口。一个端口由多少个数字通道组成取决于它的设备。在大多数情况下，8个数字通道形成一个端口。在LabVIEW中，数字输入输出操作非常简单。它可以同时操作整个端口或一个或多个端口。LabVIEW中的计数器可设置为从高到低或从低到高对SOURCE输入端口的信号状态进行计数；内部计数寄存器的计数模式可以设置为递增或递减；GATE端口的输入控制计数器的计数操作，可设置为以下阈值工作模式：高电位计数、低电位计数、上升沿触发计数、下降沿触发计数和无阈值模式；通过使用OUT端口可以产生各种类型的波形，或者在计数器的级联使用中使用，从而增加计数器的范围。如左图所示，是计数器的简化模型：SOURCE输入端口、GATE输入端口、OUT输出端口和计数寄存器。可以实现计数器的频率测量和并行排列。多功能DAQ装置上的模拟输入、模拟输出、数字输入输出和计数器功能可以同时运行。这些功能可以在程序中并行排列，也可以实现它们的同步。如下图所示，它是一个连续收集并连续模拟并行输出的程序，并使用传输错误信息的数据线来安排并行执行序列。第四部分是数据采集在LabVIEW中的扩展应用，外部接口和调用，NI采集卡，非NI采集卡，LabVIEW，其他环境如VC，VB，传统DAQ或DAQmx驱动程序，创建动态链接库，调用DAQmxCAPI，调用动态链接库，二次封装动态链接库，基于网络的远程数据采集，实现远程数据采集。您可以让多台计算机(客户端)通过网络在一台计算机(服务器)上共享DAQ设备，因此您不需要在每个客户端上安装DAQ设备，只需要在服务器上配置DAQ设备。整个远程数据采集系统的组成如下图所示。NI公司提供了一种专门用于远程数据采集的技术。它可以在网络上共享DAQ设备。经过某些设置后，可以在客户端控制远程设备，它与正在使用的本地DAQ设备没有什么不同。数码管技术一种由NI公司提供的新的实时数据传输技术，可用于计算机或网络中多个应用程序之间的数据交换。它克服了传统TCP/IP传输协议底层编程复杂、传输速率慢(尤其是动态数据)的缺点，大大简化了实时数据的传输。其他技术可以通过TCP/UDP网络协议、远程面板等实现远程