labview2014数据采集(上)第6讲

1、第6讲数据采集 （上）LabVIEW编程及虚拟仪器设计第4讲内容回顾1. 图形显示波形图（Graph，新替换旧），波形图表（Chart，新接续在旧后）， XY图，强度图（用颜色表示第3维数据）2. Express VI（快速VI）通过对话框配置参数，输入或输出DDT类型（近似为波形数组）3. 局部变量和全局变量局部变量：打破输入和输出显示控件的读写限制 全局变量：在VI文件之间共享数据 注意并行运行程序段（读写同一数据）间的竞态条件4. 属性节点，通过编程动态读取/设置前面板控件属性本讲内容1. 数据采集基本概念2. MAX的使用3. DAQ助手4. 数据采集程序示例（基于DAQ助手）5. 仿

2、真DAQ设备数据采集概念数据采集 DAQ Data Acquisition 测量电学量（电压、电流）和其他物理量（温度、压力）的过程。各种非电物理量通常采用传感器转化为电信号，之后通过A/D转换，转化为计算机能够处理的数字量（一次转换生成一个采样点）。通常以一定的时间间隔对随时间连续变化的信号进行等间隔采样，转化为数字信号随时间连续变化的信号（已经转为电信号，非周期信号）通过采样得到的数字信号采样点采样周期（倒数为采样率Fs）数据采集概念基于数据采集的测试系统简介系统组成被测对象传感器信号调理数据采集信号处理仪器面板确保输入信号满足数据采集卡的需求；放大/衰减/隔离/滤波/激励/线性化数据采集

3、也包括控制部分，即与以上相反的（控制）信号传输路径：仪器面板信号发生数据采集被控设备DAQ设备工作于信号生成模式，将数字化信号输出在程序中建立数字化控制信号虚拟仪器及系统的软件所需软件包括（从最底层到最顶层）： 硬件（如数据采集卡）的驱动程序 应用程序编程接口（API）和工具 LabVIEW软件编程环境 开发者根据功能需求所编写的虚拟仪器程序利用计算机构建的基于虚拟仪器技术的自动测试系统，软件十分重要，因为软件决定了系统/仪器功能Software is the Instrument 软件就是仪器NI-DAQmx开发者编制的测量应用程序应用软件编程环境LabVIEW, LabWindows/CV

4、I, Measurement Studio 配置软件Measurement and Automation Explorer (MAX)应用程序编程接口(API)硬件驱动程序现实世界的信号和物理量信号调理信号调理数据采集与模块化仪器数据采集与模块化仪器传感器和变换器传感器和变换器软件软件硬件硬件硬件实现的有硬件实现的有源低通滤波器源低通滤波器独立运放独立运放电位器和开关电位器和开关两路模出两路模出开关在左开关在左 模入模入函数发生器函数发生器函数发生器和直流电压函数发生器和直流电压源电源总开关源电源总开关函数发生器函数发生器开关开关本课程使用的实验箱本课程使用的实验箱直流电压源直流电压源数字数字

5、I/O采集卡定时采集卡定时测量系统信号的输入方式有关“参考地单端（RSE）”和“无参考地单端（NRSE）”输入方式及用途，可参考其他材料输入信号输入信号实验中所构建的测量系统，采用差分输入方式 输入信号接在“CH0+”与“CH0-”之间，CH0+即实验箱上的模入端子CH0；CH0-，即模入端子CH8采样率采样率每秒（单位时间）采集被测信号的次数 以高采样率采集到的数字信号，能更真实反映原信号。采样率过低时，采得数字信号与原信号差别很大被采正弦信号被采正弦信号自身频率为自身频率为f以以f采样采样以以2f采样采样以以4f/3采样采样采样点采样定理：采样频率至少是被测信号中最高频率成分的频率的两倍采

6、样率实际中常取510倍Nyquist frequencyNyquist rate可使用的采样率（弧度/s）带限信号的FT分辨率分辨率采集卡能够检测到的被测模拟信号的最小的电平变化量，由数据采集卡的位数（bit数）决定。n-bit的采集卡把输入范围划分为2n份。本课程所使用PCI-MIO-16E-4数据采集卡的位数为12，即12-bit12-bit的数据采集卡，将0-10V划分为2的12次方份 3-bit的数据采集卡将0-10V的被测信号划分为2的3次方份。显然，如此采得的信号与原被测信号相差较远输入范围输入范围由A/D转换器进行数字化的模拟信号电压变化范围，该范围划分为2n份。在数据采集卡位数

7、已确定前提下，应尽可能使输入范围刚好容纳被测信号的变化范围 左图输入范围是010 V，右图输入范围是-1010 V。显然，前者充分利用了采集卡可采集的电压范围，采样效果更好一些输入范围0 10 V；3bit的采集卡将010 V划分为2的3次方份输入范围-10 10 V；3bit的采集卡将-1010 V划分为2的3次方份数据采集卡配置可利用LabVIEW自带的“测量及自动化浏览器” （Measurement & Automation Explorer MAX）配置数据采集卡DAQmx设备列表设备自检测试设备功能数据采集卡配置MAX可实现如下功能：a)浏览系统中已安装的数据采集卡，对其进行快速检测

8、（使用测试面板）和配置；每个采集卡都被分配一个设备号b)创建新的采集通道、任务、接口和比例参数等在MAX主界面左栏“我的系统”下的子目录：数据邻居 - 存储了有关配置和修改任务、虚拟通道的信息设备和接口 - 可配置本地或远程的数据采集卡、串口及并口等硬件设备换算 - 用于标定运算通道和任务通道a)物理通道（Physical channel）：测量和生成模拟和数字信号的物理接线端或引脚（对差分输入方式，每个物理通道对应2个单端通道；每个数字端口包含8根线）b)虚拟通道（Virtual channel）：物理通道和其他通道相关属性的集合，具体包括对应的物理通道、虚拟通道名、信号输入方式（差分/RS

9、E/NRSE等）、输入范围、缩放比例等虚拟通道的分类局部（Local） - 存在于某个程序中，仅对该程序可见全局（Global） - 保存在MAX中，可被多个任务所使用通道和任务NI-DAQmx任务 代表了所要实施的一次信号测量或信号发生的操作。任务是一个或多个虚拟通道的集合，此外还包含了定时、触发等属性任务的分类 局部（Local） - 存在于某个程序中，且只供该程序使用的任务（采用DAQ助手Express VI，或DAQmx函数在框图上创建） 全局（Global） - 独立于某个程序而存在、可被多个程序所使用的任务（采用MAX创建，且保存在MAX中）本课程中只使用局部虚拟通道和DAQmx任

10、务通道和任务物理通道、虚拟通道和任务物理通道ai0(差分接法对应两个端子CH0和CH8)输入范围-5 V5 V端子连接方式差分接法虚拟通道名“电压_0”虚拟通道 电压_0物理通道ai1(差分接法对应两个端子CH1和CH9)输入范围0 V10 V端子连接方式差分接法虚拟通道名“电压_1”虚拟通道 电压_1定时设置采样模式/待读取采样/采样率触发开始触发/参考触发任务的测量类型模拟输入-电压NI-DAQmx任务：我的电压任务（包含两个虚拟通道）DAQ助手Express VI的使用路径：函数选板，测量I/O-DAQmx 数据采集-DAQ 助手DAQ助手是一个Express VI，在添加到框图窗口时，

11、自动打开 “新建Express任务”对话框，在其中进行功能和参数配置采集信号：输入生成信号：输出 选择NI-DAQmx任务类型（这里，选择“采集信号”-“模拟输入”-“电压” ），进入下一步DAQ助手Express VI的使用 选择建立虚拟通道所需的物理通道，按住Ctrl或Shift多选；选中物理通道数=新建任务中的虚拟通道数本例中选择物理通道ai0和ai2（差分接线方式下，每个物理通道对应两个单端通道）Dev1表示系统中的第1个DAQ设备；ai1表示编号（或索引，从0开始）为1的模拟输入物理通道DAQ助手Express VI的使用 按照需求修改参数设置，之后按下确定按钮，关闭DAQ助手参数设

12、置区，可根据需要进行修改DAQ助手Express VI的使用2个虚拟通道，分别对应2个物理通道：电压_0 - ai0电压_1 - ai2接线方式输入范围“定时设置”选项组的采集模式采集模式参数a)1 采样（按要求），即采集单点数据（调用DAQmx读取函数或DAQ助手时立即执行）b)1 采样（硬件定时），表示在硬件时钟的边沿进行单点数据的采集c)N 采样，表示采集一段数据，采样点数在“定时设置”下的“待读取采样”（=简单缓冲区大小）中指定；采样频率在“采样率(Hz)” 中指定d)连续采样，表示进行连续采集，此时“待读取采样”参数参与决定循环缓冲区大小DAQ助手Express VI的使用DAQ助手

13、Express VI的使用可直接输出采集数据（DDT类型可理解为波形的1维数组）配置完毕的DAQ助手Express VIDAQ助手包含数据读取助手包含数据读取/生生成代码成代码函数选板，测量I/O-DAQmx - 数据采集 子选板 通常可以使用DAQ助手或者DAQmx VI（API）编写数据采集程序DAQ助手与DAQmx VIDAQmx VIDAQmx属性节点（供设置任务参数，与前面板控件无关）DAQ助手Express VI 在LabVIEW中编写数据采集、数据发生程序的2种方式 使用DAQ助手Express VI建立任务，采集和发生数据（DAQ助手内含采集和发生代码） 完全使用DAQmx函数

14、建立任务，实现数据采集和发生DAQ助手与DAQmx VIDAQ助手的优点： DAQ助手不需要编程，采用交互的方式设置通道，定时，触发，等等 使用DAQ助手可以缩短开发时间，如在几分钟内建立一个完整程序DAQmx VI（API）的优点：a)DAQmx VI包含DAQ助手所没有的高级功能b)提供更大的灵活性，允许开发者定制程序以满足所需功能c)使用DAQmx VI可以更好地控制程序性能DAQ助手与DAQmx VI数据采集示例（基于DAQ助手）1.单点采集2.软件定时的多点采集3.采集一段数据（硬件定时）4.连续采集数据（硬件定时）5.单点发生6.软件定时的多点发生7.发生一段数据（硬件定时）8.连

15、续发生数据（硬件定时，重复生成）9.连续发生数据（硬件定时，非重复生成）采集（Acquisition）发生（Generation）数据采集示例1单点采集调节为调节为1.510 V中的一个值中的一个值打开开关数据采集示例1单点采集a)函数选板，测量I/O-DAQmx-数据采集子选板，添加 “DAQ 助手” Express VI，在对话框里，选择“采集信号”-“模拟输入”-“电压”；选择模入物理通道ai0，“信号输入范围”设置为010V， “采集模式” 选择“1 采样 (按要求)”（表示立即采集数据）b)关闭“DAQ 助手”对话框，在该Express VI图标下方出现“数据”输出接线端，连接至“仪

16、表”控件注意事项1. 实验用导线在抽屉里2. 先关闭实验箱所有开关（总开关和函数发生器开关），之后再进行连线3. 第一次连线后，请助教或老师检查，确认连线正确，之后开始实验4. 不使用函数发生器时不要打开开关，采集卡只需要计算机的PCI插槽供电数据采集示例2软件定时的多点采集选择正弦波打开开关打开开关频率调为最低频率调为最低数据采集示例2软件定时的多点采集本例为连续采集，采集一段数据与此相似（For循环？） 将前例DAQ助手放入While循环中（“信号输入范围”为-55 V ），输出的单点数据由DDT转化为标量，送入波形图表控件，添加 “等待（ms）”函数，控制每次循环执行时间大致在0.02

17、s软件定时的多点采集适用情况（满足以下三个条件）：a) 所要求的采样率较低b) VI运行时，操作系统中无其他占用CPU的事件发生c) 采样间隔的微小变化可以接受硬件定时与缓冲区 软件定时无法精确控制采样间隔，在进行采样间隔要求精确的多点采集时，应考虑使用硬件定时的采集方法（依赖数据采集卡的能力） 硬件定时的多点采集将在计算机内存中开辟缓冲区：采集时，数据采集卡采集的数据先写入缓冲区，之后读入到虚拟仪器程序中数据采集卡内存缓冲区虚拟仪器程序计算机硬件定时与缓冲区采集一段数据，使用简单缓冲（Simple buffer）连续采集数据，使用循环缓冲（Circular buffer）DAQ助手，采集模式

18、，“连续采样”DAQ助手，采集模式，“N采样”读缓冲指针写缓冲指针来自采集卡的数据数据采集示例3采集一段数据（硬件定时）选择正弦波打开开关打开开关数据采集示例3采集一段数据（硬件定时）a)函数选板，测量I/O -DAQmx-数据采集子选板，添加 “DAQ助手”，在对话框中选择“采集信号”-“模拟输入”-“电压”；选择模入物理通道ai0和ai1；输入范围采用默认的-5至5V； “采集模式” 选择“N采样”；“待读取采样”采用默认值100（=简单缓冲大小）；“采样率(Hz)”采用默认值1000b)关闭对话框，该Express VI图标下方出现 “数据”输出接线端，将其连到“波形图”显示控件，即完成

19、一段波形数据（正弦+方波）的采集和显示数据采集示例4连续采集数据（硬件定时）选择正弦波打开开关打开开关数据采集示例4连续采集数据（硬件定时）a)函数选板，测量I/O-DAQmx-数据采集子选板，添加“ DAQ 助手”，在对话框里，选择“采集信号”-“模拟输入”-“电压”，选择模入物理通道ai0和ai1，输入范围设置为-55V， “采集模式” 选择“连续采样”。“待读取采样”设置为50（ 每次从循环缓冲读取50点； 参与决定循环缓冲大小），“采样率 (Hz)”设置为10kHzb)关闭对话框，自动添加循环，将“DAQ助手”图标下方出现的“数据”输出采用“从动态数据转换（二维标量数组行是通道）”函数

20、转化为数组，输入“波形图”和“波形图表”（历史纪录长度设置为150，取消“转置数组”选项，修改X坐标范围为0149）显示控件。循环是否结束，由“停止”按钮控制数据采集示例4连续采集数据（硬件定时）为何同时使用波形图和波形图表控件？ 波形图以新数据替换旧数据，只显示当前循环读到的数据（50点）；波形图表新数据接续在旧数据的后面，显示当前和之前几次循环的数据（共150点，3次循环的数据）；两个控件对比，可以看出是否真正实现了连续的数据采集而未丢失数据50点150点数据采集示例4连续采集数据（硬件定时）DAQ助手的输入参数“停止” 的作用： 指定在DAQ助手调用之后是否停止和清除任务（同时释放资源）

21、一段数据采集（ “停止”参数默认为T ）连续采集（“停止”输入参数默认为F，“已停止”输出参数表明是否已经停止）按下“stop”，数据采集停止，循环结构也退出数据采集示例5单点发生AO直接送到直接送到AI；本讲所有数据发；本讲所有数据发生的例子，都采用生的例子，都采用MAX的测试面的测试面板观察数据发生情况板观察数据发生情况数据采集示例5单点发生a)函数选板，测量I/O-DAQmx-数据采集子选板，添加 “DAQ 助手”，在对话框中选择生成信号-模拟输出-电压，选择模出物理通道ao0；“生成模式” 选择“1 采样 (按要求）”（立即发生数据)，“信号输出范围”采用默认值 -1010V，接线端配

22、置为默认的“RSE”b)关闭对话框后，该Express VI图标下方出现“数据” 输入接线端。直接向该接线端输入一个数值，即可完成单点数据的模拟输出使用测试面板观察发现，输出的单点会保持住，直到输出新的数据点a)DAQ助手设置参数与前例相同。DAQ助手置于While循环之内，循环中加入“停止”按钮和“等待（ms）”函数，每次循环执行时间大致为0.02 sb)使用“Sine Waveform.vi”生成1000点、2个周期且幅值为5的正弦波波形数据，仅取其Y分量送入循环内，循环计数与波形点数（1000）相除取余数的结果作为Y数组的索引，取出对应的数组元素向DAQ助手输出数据采集示例6软件定时的多

23、点发生0,1,(#s-1)=999不断重复重复提取正弦波数据点数据采集示例7发生一段数据（硬件定时）a)函数选板，测量I/O-DAQmx-数据采集子选板，添加 “DAQ 助手”，在对话框中选择生成信号-模拟输出-电压，选择模出物理通道ao0，“生成模式”选择“N 采样”，取消其后的“使用波形定时”复选框的选中状态，并将“待写入采样”和“采样率 (Hz)”都设为1000b)关闭“DAQ助手”设置窗口，将仿真波形（1秒时长，1000点，2个周期）输入至“DAQ 助手”的“数据”输入接线端，完成锯齿波的模拟输出数据采集示例7发生一段数据（硬件定时）1秒的波形数据采集示例8连续发生数据（硬件定时，重复生成）数据采集示例8连续发生数据（硬件定时，重复生成）只要一次性输出波形的一个周期即可，LabVIEW会自动重复发生数据采用