数据采集专题LabVIEW入门操作

1、 计算机数据采集和分析技术概述计算机数据采集和分析技术概述 1 计算机数据采集与分析概述计算机数据采集与分析概述 基本概念基本概念 数据采集系统的组成数据采集系统的组成 数据采集的主要性能指标数据采集的主要性能指标 1.1基本概念基本概念SheffieldSheffield1.3 主要性能指标主要性能指标1 系统分辨率系统分辨率 系统分辨率是指数据采集系统可以分辨的系统分辨率是指数据采集系统可以分辨的输入信号的最小变化量。通常可以使用如下输入信号的最小变化量。通常可以使用如下几种方法表示系统分辨率：几种方法表示系统分辨率：3 采集速率采集速率 采集速率又称系统通过速率或吞吐率，是指采集速率又称

2、系统通过速率或吞吐率，是指在满足系统精度指标的前提下，系统对输入模拟在满足系统精度指标的前提下，系统对输入模拟信号在单位时间内所能完成的采集次数，或者说信号在单位时间内所能完成的采集次数，或者说是系统每个通道、每秒钟可采集的有效数据的数是系统每个通道、每秒钟可采集的有效数据的数量。量。2数据采集硬件电路数据采集硬件电路 传感器的选用传感器的选用 运用前置放大器的依据运用前置放大器的依据 信号调理中的常用放大器信号调理中的常用放大器 A/D转换器转换器 2.1 传感器的选用传感器的选用 在都能满足测量范围、精度、速度、使用条件在都能满足测量范围、精度、速度、使用条件等情况下，应侧重考虑成本低、相

3、配电路是否简单等情况下，应侧重考虑成本低、相配电路是否简单等因素进行取舍，尽可能选择性价比高的传感器。等因素进行取舍，尽可能选择性价比高的传感器。下面介绍几种传感器：下面介绍几种传感器： 运用前置放大器的依据运用前置放大器的依据 把电路输出端测得的噪声有效值把电路输出端测得的噪声有效值VON折算到该电路折算到该电路的输入端即除以该电路的增益的输入端即除以该电路的增益K K，得到的电平值称为，得到的电平值称为该电路的等效输入噪声该电路的等效输入噪声VIN 即：即： 图（a）所示调理电路的等效输入噪声为：图（b）所示调理电路的等效输入噪声为：2.3 信号调理中的常用放大器信号调理中的常用放大器目前

4、使用较多的放大器有：仪用放大器、隔离放大器和程控增益放大器等。在实际的设计过程中，可根据模拟信号调理通在实际的设计过程中，可根据模拟信号调理通道的设计要求，结合仪用放大器的主要性能指道的设计要求，结合仪用放大器的主要性能指标确定具体的放大电路。性能指标如下：标确定具体的放大电路。性能指标如下： 非线性度，温漂，建立时间，恢复时间，电非线性度，温漂，建立时间，恢复时间，电源引起的失调，源引起的失调， 共模抑制比等。共模抑制比等。2 2 程控增益放大器程控增益放大器 由程序控制增益的放大器，称为程控放大由程序控制增益的放大器，称为程控放大器。它一般由放大器、控制接口和可变反器。它一般由放大器、控制

5、接口和可变反馈电阻网络组成。馈电阻网络组成。3 3 隔离放大器隔离放大器2.4 A/D转换器转换器A/D转换的常用方法有：逐次逼近型A/D转换、计数式A/D转换、双积分型A/D转换、串/并型A/D转换等。A/DA/D转换器常用的以下几项技术指标来评价其转换器常用的以下几项技术指标来评价其质量水平：质量水平：1.1.分辨率：分辨率：ADCADC所能分辨的输入模拟量最小变化量。所能分辨的输入模拟量最小变化量。2.2.转换时间：转换时间：A/DA/D转换器完成一次所转换所需要的时间转换器完成一次所转换所需要的时间3.3.精度精度 绝对精度：定义为对应于产生一个给定的输出绝对精度：定义为对应于产生一个

6、给定的输出数字码，理想模拟输入电压与实际模拟输入电压的数字码，理想模拟输入电压与实际模拟输入电压的差值。差值。 相对精度：定义为在整个转换范围内，任一数相对精度：定义为在整个转换范围内，任一数字输出码所对应的模拟输入实际值与理想值之差与字输出码所对应的模拟输入实际值与理想值之差与模拟满量程之比。模拟满量程之比。3数据采集系统设计数据采集系统设计 系统设计考虑的因素系统设计考虑的因素 A/D转换器的选择要点转换器的选择要点 采样保持器的选择采样保持器的选择 数据采集系统实例数据采集系统实例 3.1 系统设计考虑的因素系统设计考虑的因素 数据采集系统的设计要根据测试对象及数据采集系统的设计要根据测

7、试对象及系统的技术指标，主要考虑下列因素：系统的技术指标，主要考虑下列因素：1 1 输入信号的特性输入信号的特性2 2 对数据采集系统性能的要求（采集速率，对数据采集系统性能的要求（采集速率，系统的分辨率，系统的精度等）系统的分辨率，系统的精度等）3 3 接口特性接口特性【接口特性包括采样数据的输出接口特性包括采样数据的输出形式（是并行还是串行输出）、数据的编形式（是并行还是串行输出）、数据的编码格式、与什么数据总线相接等。码格式、与什么数据总线相接等。】3.2 A/D转换器的选择要点转换器的选择要点 A/D转换器是数据采集电路的核心部件，正确选用转换器是数据采集电路的核心部件，正确选用A/D

8、转换器是提高数据采集电路性能价格比的关键，转换器是提高数据采集电路性能价格比的关键，以下几点应着重考虑。以下几点应着重考虑。 A/D转换器的位数不仅决定采集电路所能转转换器的位数不仅决定采集电路所能转换的模拟电压动态范围，也在很大程度上影响换的模拟电压动态范围，也在很大程度上影响采集电路的转换精度。因此，应根据对采集电采集电路的转换精度。因此，应根据对采集电路转换范围与转换精度两方面要求选择路转换范围与转换精度两方面要求选择A/D转转换器的位数。换器的位数。若已知被测模拟电压动态范围为若已知被测模拟电压动态范围为L1，则可以，则可以按下式确定按下式确定A/D位数位数m，即，即例如，要构成一个误

9、差为0.1%的数据采集系统，所用的A/D、S/H和MUX组件的线性误差应小于0.01%。A/D的量化误差也应小于0.01%，A/D量化误差为1/2LSB，即满度值的1/2m+1，因此可根据系统精度指 标 ， 按 下 式 估 算 所 需 A / D 的 位 数 m ， 即 ： 若若A/D转换器在一个采样周期转换器在一个采样周期TS内依次完成内依次完成N路模拟信号采样值的路模拟信号采样值的A/D转换，则转换，则TS=NTA/D，采，采样频率样频率fs=1Ts 。 根据计算机接口特征，考虑如何选择根据计算机接口特征，考虑如何选择A/D转换转换器的输出状态。（并行器的输出状态。（并行OR串行输出，二进

10、制码串行输出，二进制码OR BCD码，以及与码，以及与TTL、CMOS及及ECL电路的电路的兼容性等）兼容性等）3.3 S/H采样保持器的选择采样保持器的选择当发出采样指令即控制信号由当发出采样指令即控制信号由“保持保持”电平跳变为电平跳变为“采样采样”电平之后，采样电平之后，采样/保保持的输出电压持的输出电压V0从原来的保持值过渡到跟踪输入从原来的保持值过渡到跟踪输入信号信号Vi值（在确定的精度范围内）所需的时间称值（在确定的精度范围内）所需的时间称捕捉时间捕捉时间tAC。 从发出保持指令即控制信号从从发出保持指令即控制信号从“采样采样”电平跳变为电平跳变为“保持保持”电平开始到模拟开关电平

11、开始到模拟开关完全断开所经历的时间称为孔径时间完全断开所经历的时间称为孔径时间tAP，3.4 设计实例设计实例4 基于基于LabVIEW实现数据采集实现数据采集 LabVIEW概述概述 数据采集系统数据采集系统 采样定理采样定理 实例实例 LabVIEW入门操作入门操作 4.1 LabVIEW概述概述LabVIEW具有如下特点：具有如下特点：1 1 图形化编程图形化编程2 2 模块化设计模块化设计3 3 高效率高效率4 4 开放性开放性4.3 数据采集系统数据采集系统数据采集系统的硬件部分，主要由传感器、信号数据采集系统的硬件部分，主要由传感器、信号调理设备、数据采集设备和计算机四部分组成。调

12、理设备、数据采集设备和计算机四部分组成。总线方式决定了计算机的数据传送能力和连总线方式决定了计算机的数据传送能力和连续采集数据的最大速度，最常见的是续采集数据的最大速度，最常见的是PCI总线、总线、PXI/CompactPCI总线、总线、USB总线、串口或并口、总线、串口或并口、IEEE1394(火线火线)总线以及总线以及ISA总线。总线。采集大量甚至海量数据时需要考虑计算机的硬盘容量采集大量甚至海量数据时需要考虑计算机的硬盘容量和读写速度。需要实时处理高频信号或需要承担大型计算和读写速度。需要实时处理高频信号或需要承担大型计算任务时，就需要使用任务时，就需要使用32位的高速处理器及协处理器，

13、或者位的高速处理器及协处理器，或者专用的数子信号处理器（专用的数子信号处理器（DSP）。）。 根据应用层次的不同，基于虚拟仪器的数据采集系统的根据应用层次的不同，基于虚拟仪器的数据采集系统的软件部分一般可由驱动程序、应用程序编程接口和虚拟仪器软件部分一般可由驱动程序、应用程序编程接口和虚拟仪器开发工具三部分组成。开发工具三部分组成。 虚拟仪器开发工具如虚拟仪器开发工具如LabVIEW，LabWindows/CVI 等，作为顶层软件开发平台，可提供强大而灵活的等，作为顶层软件开发平台，可提供强大而灵活的开发功能，方便用户快速搭建数据采集和测量应用开发功能，方便用户快速搭建数据采集和测量应用程序。

14、程序。4.4 采样定理采样定理 在一般的数据采集应用中，常见的信号按照可分在一般的数据采集应用中，常见的信号按照可分为模拟信号和数字信号两大类，模拟信号是指幅值为模拟信号和数字信号两大类，模拟信号是指幅值可取连续值的信号，而数字信号的幅值只能取离散可取连续值的信号，而数字信号的幅值只能取离散值，即规定的某些值，一般仅为高电平或低电平。值，即规定的某些值，一般仅为高电平或低电平。可将数字信号和模拟信号继续划分为：可将数字信号和模拟信号继续划分为：数字信号：开关信号（数字信号：开关信号（On-Off），连续脉冲信号），连续脉冲信号（Pulse Train）模拟信号：直流信号（模拟信号：直流信号（D

15、C），时域信号（），时域信号（Time Domain）频域信号（）频域信号（Frequency Domain） 数据采集的主要功能之一是将外部模拟信号转换为数据采集的主要功能之一是将外部模拟信号转换为离散信号传递到计算机中去，这一过程被称为采样。离散信号传递到计算机中去，这一过程被称为采样。采样过程中，确定合适的采样频率（每秒采集所得到采样过程中，确定合适的采样频率（每秒采集所得到的数据个数）至关重要。的数据个数）至关重要。指出： 采样频率必须至少是原始信号中所包含最高频率的采样频率必须至少是原始信号中所包含最高频率的两倍时，所得到的采样信号才能包含原始信号所有频两倍时，所得到的采样信号才能包

16、含原始信号所有频率分量的全部信息，否则从采样信号恢复原始信号时率分量的全部信息，否则从采样信号恢复原始信号时将发生畸变。将发生畸变。 理论上只要采样频率到达信号所包含最高频率的理论上只要采样频率到达信号所包含最高频率的2倍以上就倍以上就可以避免混叠，但是工程应用上往往要留出一些裕量，一般可以避免混叠，但是工程应用上往往要留出一些裕量，一般取取510倍，如果对信号处理效果有更高的要求，甚至还需要倍，如果对信号处理效果有更高的要求，甚至还需要取得更高。取得更高。4.5 实例实例4.5.1 数据采集卡数据采集卡USB2812数据采集卡数据采集卡USB2812是一种基于是一种基于USB总线的，总线的，

17、可直接和计算机的可直接和计算机的USB接口相连，构成实验室、产接口相连，构成实验室、产品质量检测中心等领域的数据采集、波形分析和处品质量检测中心等领域的数据采集、波形分析和处理系统，也可应用于工业生产过程监控系统。理系统，也可应用于工业生产过程监控系统。 1. AD模拟量输出功能模拟量输出功能 2. DA模拟量输出功能模拟量输出功能 3. DI数字量输入功能数字量输入功能 4. DO数字量输出功能数字量输出功能 5. CNT定时定时/计算器功能计算器功能4.5.2 信号输入连接方式信号输入连接方式 单端输入是指单端输入是指使用单个通路实现使用单个通路实现某个信号的输入，某个信号的输入，同时多个

18、信号的参同时多个信号的参考地共用一个接地考地共用一个接地点。此方式主要应点。此方式主要应用于干扰不大，通用于干扰不大，通道数相对较多的场道数相对较多的场合。合。2.双端输入双端输入 双端输入是指双端输入是指使用正负两个通路实现使用正负两个通路实现某个信号的输入，该输某个信号的输入，该输入方式也叫差分输入。入方式也叫差分输入。此方式主要应用于干扰此方式主要应用于干扰较大，通道数相对较少较大，通道数相对较少的场合。的场合。 USB2812USB2812可根据右图可根据右图连接成模拟电压双端输连接成模拟电压双端输入方式，可以有效抑制入方式，可以有效抑制共模干扰信号，提高采共模干扰信号，提高采集精度。

19、集精度。4.5.3 软件编程知识软件编程知识 5V量程：量程：Volt(mV)=(10000.00/8192)*(ADBuffer0&0 x1FFF)-5000.00 05V量程：量程：Volt(mV)=(10000.00/8192)*(ADBuffer0&0 x1FFF) AD AD在采样过程中，组内各通道以内时钟的采在采样过程中，组内各通道以内时钟的采样频率进行转换，每两组之间有一定的等待时样频率进行转换，每两组之间有一定的等待时间，这段时间就叫组间间隔间，这段时间就叫组间间隔(GroupInterval)(GroupInterval)。组内采样频率越高，组间间隔越长，信号

20、的相组内采样频率越高，组间间隔越长，信号的相对同步性就越好。对同步性就越好。ADAD分为内外触发。分为内外触发。内触发内触发软件触发软件触发外触发外触发硬件触发硬件触发连续采集和分组采集连续采集和分组采集功能是指功能是指ADAD在采样在采样过程中两个通道间的采样时间相等，采集过程中过程中两个通道间的采样时间相等，采集过程中不停顿，连续不间断的采集数据。不停顿，连续不间断的采集数据。 组内各通道转换完成后暂停一段时间（即组间组内各通道转换完成后暂停一段时间（即组间间隔），再接着转换下一组，依次重复下去，所以间隔），再接着转换下一组，依次重复下去，所以称为称为是在相对较慢是在相对较慢的采集频率下，尽可能多保证各个通道间的时间差的采集频率下，尽可能多保证各个通道间的时间差越小来实现更小的相位差，从而保证通