第4讲-数据采集与信号调理只是课件

第4讲-数据采集与信号调理数据采集系统概述信号调理传感器/信号数据采集硬件I/O数据采集软件总线常见的部分传感器物理量传感器温度热电偶RTD热电阻热敏电阻应变、压力应变片压电转换器声音麦克风振动加速度计位置与位移电位器线性电压差动变换器光编码器流量双头流量计旋转流量计pH值酸度计电极光真空管光感应器典型的数据采集系统硬件架构数据采集硬件可以将PC变为一个自动化系统部分常用的数据采集设备类型实验室、工业环境使用基于PCI/PXI接口往往需要外接端子和线缆便携式/远距离USB，Ethernet接口教学实验与学生练习如ELVIS、myDAQ除了数据采集硬件电路之外还集成了其他一些功能，如数字万用表、可编程电源等举例:用于教学实验的NIELVIS一种集成了12种仪器的教学实验设备安装NI-ELVIS驱动后可通过ELVIS软面板实现这些功能同时也可看做是一种基于USB总线的多功能数据采集设备用于学习虚拟仪器（尤其是数据采集）的相关编程技术USB总线（注意:不是前面所说的传输电缆）接线端+传输线缆+数据采集设备PC数据采集设备的构成数据传输总线同步总线DAQCircuitry时钟/定时电路板载FIFO信号路由内部校准电路前端电路模拟输入/模拟输出/数字IO/计数器注意:模拟输入可能通过复用器共用一个ADC，模拟输出通常是每通道专用DAC选择数据采集设备时的考虑因素通道数总线带宽是否足够数据传输速度的需求最高采样率根据乃奎斯特定律，采样率应为最高频率分量的两倍以上，实际上最好能做到5-10倍分辨率够用就好，不一定越高越好输入范围对于动态信号，还应关注动态范围如麦克风/加速度计等信号的采集分辨率并不完全反映精度影响精度的因素ADC和放大器件的偏移和增益误差等噪声等因素举例某16位ADC的采集卡，选择±2V输入范围理论上，最低位所反映的电压量为板卡手册查得的精度为±410μV2–(-2)216=61μV数据采集软件以LabVIEW作为开发环境为例软件准备驱动程序NI的数据采集设备采用统一的驱动NI-DAQmx

(NI-ELVIS驱动已包含NI-DAQmx，因此可只安装NI-ELVIS)更换设备时相同的程序几乎无需修改开发环境本课程采用NILabVIEW亦可采用其他开发环境或一些无需编程的配置环境(如NISignalExpress)安装顺序:先安装开发环境再安装设备驱动程序(即先LabVIEW再NI-DAQmx)NI数据采集软件方面的一些术语NI-DAQmx驱动层软件可以检测到数据采集硬件在LabVIEW中安装NI-DAQmx函数Measurement&AutomationExplorer简称MAX，随NI-DAQmx或任何其他NI驱动软件安装配置或检测数据采集硬件DAQAssistant(DAQ助手)用于开发数据采集应用的ExpressVI，基于配置DAQmxAPI一系列用于数据采集应用开发的API函数在MAX中配置并检测数据采集硬件数据采集助手两种调用方式在MAX中的“数据邻居”中创建任务通过LabVIEW中的ExpressVI基于配置，无需编程在LabVIEW中可自动转化为调用NI-DAQmx底层APIVI的程序，可自定义修改模拟输入(AnalogInput)数据采集一词狭义即指模拟输入即通过A/D转换将模拟信号采样为数字信号，从而可被计算机设备进一步处理常用于实现传感器信号的采集以及电信号的采集一个最简单的模拟输入电压采集程序单点电压采集分别用DAQ助手和DAQmx底层VI实现软件定时DAQmx数据采集程序的基本架构配置任务采集数据清除任务创建任务开始任务共用放大器和ADC成本较低如NIM系列多功能数据采集卡及部分X系列多功能数采卡，以及NIELVIS每通道独立放大器及ADC成本较高如NIS系列数采卡、CompactDAQ数据采集平台、及部分X系列数采卡MUXADCAMPChannel0Channeln多路复用采样架构同步采样架构AMPADCAMPChannel0ChannelnADC模拟采集(AI)硬件架构输入范围仪器放大器为了尽量用满ADC位数，模拟采集通道配有仪器放大器通过合理设置输入最大值和最小值参数，可以使DAQ设备自动配置最合适的仪器放大器增益，从而尽量用满ADC位数AMPADC采样术语(针对硬件定时)采样率单一通道每秒采样

点数采样时钟速率等于采样率AI转换时钟直接产生A/D转换的时钟通道之间会有延时同步采样架构相对多路复用采样架构来说，可认为通道之间的转换时钟是同步的AIConvertClock012301230123SampleClock硬件定时的采集需要通过Buffer有限点采集(Finite)和连续采集(Continuous)总线(如PCI/USB)RAMADE(Application)MemoryPC缓存输入速率数据板载FIFO转移速率ASICLabVIEWPC缓存必须够大(至少需超过一次传递的数据量)连续采集中,如果要使两处缓存一直不溢出,必须保证总线的数据转移速率大于数据的输入速率，同时程序必须尽快读取PC缓存中的数据有限点数据采集的LabVIEW程序读取多个采样采样率设置采样点数设置连续数据采集的LabVIEW程序驱动会根据采样率设置自动选择合适的RAMBuffer大小程序每次从PCRAM读取的采样数采样率设置采样率缓存0-100S/s1kS100-10,000S/s10kS10,000–1,000,000S/s100kS>1,000,000S/s1MS理解连续数据采集时PCBuffer通过总线来自于采集设备的数据1PCBufferLabVIEW程序从PCBuffer读取数据进入LabVIEWBuffer2PCBufferLabVIEWBuffer3PCBufferLabVIEWBufferPCBufferLabVIEWBuffer4连续采集时可能的数据传输异常RAMPCBufferADE(Application)Memory输入速率DATA板载FIFO总线传输速率ASIC板载内存Overflow解决办法:提高总线带宽选择板载FIFO较大的板卡降低采样速率(如果允许)PC内存Overwrite解决办法:增加程序循环读取速度(不要在采集循环里放太多处理工作)选用更快的CPU增大PCRAM，并通过编程指定更大的Buffer降低采样速率(如果允许)触发(Trigger)触发的概念每个动作需要一个“激励”或“原因”动作:比如开始采集信号后产生波形输出触发的分类开始触发、参考触发、停止触发（按动作结果来分）模拟触发、数字触发（依照触发“激励”信号来分）不同的设备不一定支持所有触发方式，可参阅相关手册开始触发时钟开始采集停止采集12345LabVIEW中对触发的编程在任务种增加DAQmxTrigger.vi并作相应配置数据采集中的接地问题测量系统信号源+VS-VM接地信号源+_Vs+_Vs浮地信号源接线方式1：差分(Differential)可以抑制共模电压和共模噪声VMACH+ACH-+_仪器放大器+_+_AISENSEAIGND测量系统VS接线方式2：参考单端（RSE）测量基于对地参考不能抑制共模噪声VMACH+ACH-+_仪器放大器+_VS+AISENSEAIGND_测量系统接线方式3：非参考单端(NRSE)测量基于对AISENSE端的参考但是多个通道测量时，AISENSE是共用的不能抑制共模电压VSVMACH+ACH-+_仪器放大器+_+_AISENSEAIGND测量系统对于接地信号源的测量RSENRSEDifferential最好+抑制共模电压–可用通道数减少一半不推荐–两个地之间的电压Vg会产生接地回路,所产生的电流有可能损坏设备可以+所有的通道都可以使用–不能抑制共模电压+_Vs对于浮地信号源的测量+_VsRSENRSEDifferential最好+抑制共模电压–可用通道数减少一半–需要偏置电阻好+所有的通道都可以使用+不需要偏置电阻–不能抑制共模电压可以+所有的通道都可以使用–需要偏置电阻–不能抑制共模电压AISENSE偏置电阻浮地信号源采用差分或NRSE方式时需要通过偏置电阻为偏置电流提供入地通道推荐值10k

and100k

信号源测量系统+-R1R2仪器放大器会产生偏置电流+-AIGND信号调理为了正确（或更精确地）测量某些传感器的输出或信号，有时需要信号调理不同的传感器需要不同的信号调理信号调理传感器/信号数据采集硬件I/O数据采集软件总线信号调理设备外置式如NISCXI需要再连接数据采集设备与数据采集设备相结合如NICompactDAQ平台以及基于PXIExpress的SCExpress等模块中已经集成了数据采集（A/D转换）功能在软件方面，使用同样的DAQmx驱动正确配置系统和参数之后，用户编程时只需关心数据采集部分针对电压信号测量的信号调理放大针对小信号，为了尽可能用满ADC位数，提高信噪比（SNR）衰减针对大信号，为了使测量信号范围在模拟输入通道范围之内隔离通过电磁、光耦等方式使测量信号源与测量仪器没有直接电路相连可以抑制共模信号、解决接地回路问题、并保护仪器滤波减小噪声、滤除干扰频率这里指的是前端硬件滤波，不同于后端数字滤波或软件滤波LabVIEW中的电压信号调理设置与普通的数据采集程序基本无异只需配置并选择相应的信号调理设备通道，并正确设置电压范围以便驱动自动设定合适的增益温度信号测量中的信号调理常见的温度传感器热电偶RTD热电阻热敏电阻热电偶RTD热敏电阻温度范围-267°Cto2316°C-260°Cto850°C-100°Cto500°C精确度一般最好一般线性度好最好一般灵敏度一般好最好热电偶测量原理两种不同的金属结合在一起由于塞贝克效应，不同金属结合部会产生随温度变化的电压差J1:“热”端,THJJ2&J3:“冷”端,TCJ到DAQ设备J-型热电偶热电偶测量原理在测量范围内，热电偶两端电压与热端温度成正比但是需要信号调理，以补偿冷端产生的电压差V(mV)TempDiff(F)20060010001400180022002600300034006050403020100EJKR热电偶测量热电偶信号调理模块自动冷端补偿功能:许多热电偶信号调理模块带有直接读取传感器，可以自动读取冷端补偿温度，并自动对热电偶测量结果进行补偿计算热点偶模块通常还集成了滤波、放大、隔离等信号调理功能LabVIEW程序程序中只需在创建通道时做相应设置RTD与热敏电阻被动式的温度测量传感器需要来自外部源的电流或电压激励利用金属或金属氧化物的电阻与温度有关的原理测量时有不同的接线方式:2-线、3-线、4-线除了激励之外对RTD与热敏电阻的信号调理还包括滤波和放大应变应变是物体受到外力时产生的形变量应变(

)以长度的微小变化定义，如下图所示应变测量原理应变片的Z字形结构有形变时，电阻变化应变计因子(GF):电阻变化比例与长度变化比例（应变）的比值关键是电阻的精确测量应变测量电路惠斯通电桥测量电阻的微小变化如果所有电阻阻值相等，电压读数值为0如果有一个或多个电阻阻值改变，将返回电压读数应变测量电路应变片接入惠斯通电桥的接法有1/4桥、半桥、全桥等不同方法具体参见/devzone/cda/tut/p/id/10636

及相关资料应变测量中的信号调理桥接电路及激励负载端电压采样失调清零分流校准放大/滤波例:半桥I型接法负载端电压采样如电桥电路远离信号调理器和激励源，连接激励源和电桥的导线上的电压降可能导致误差通过负载端电压采样补偿此误差失调清零确保无应变时读数为零，偏移量清零本质上为偏置校准可在硬件或软件中完成，补偿内在的电桥失衡硬件失调清零校准中使用粗调和细调电位器分流校准目的验证应变计测量系统的输出与已知的机械输入或应变的比较过程将已知阻值的电阻引入电路中，并将应变测量值与期望值比较，在后续读数中加入修正因子分流电阻与某个电桥电阻并联开关关闭（程序控制）时，启用分流电路应变测量LabVIEW程序举例配置电桥信息和应变计信息可选进行失调清零和分流校准负载、压力和扭矩测量负载（称重）使用一组应变计测量结构的形变，该形变与力成比例压力传感器使用固定在隔板的应变计测量隔板的形变，该形变与压力成比例扭矩传感器使用附加在扭杆的应变计测量扭杆的剪应力，该剪应力与扭矩成比例声音与振动测量典型应用噪声、振动与舒适度检测（NVH）例:用麦克风阵列进行噪声源定位声学测试例:音箱声音品质测试机器故障监测与诊断例:旋转机械的故障诊断传感器声压传感器（麦克风）：测量升压加速度传感器：根据压电理论测量加速度声音与振动测量中的信号调理及程序信号调理电流激励（IEPE激励）AC耦合可消除DC偏置针对不同信号范围的灵活增益设置声音与振动信号的动态范围较大低通滤波器消除噪声和防止混叠采集程序与普通输入采集程序几乎无差别只需对信号调理选项做相应配置（如AC/DC耦合、IEPE电流激励设置等）NIELVIS平台的模拟数据采集部分模拟输入通道已直接通过插板引出相关端子，不需要外置端子盒支持差分输入、参考单端输入、非参考单端输入差分输入通道一共8路（相当于16路单端输入）复用ADC结构数据采集功能没有集成信号调理可在面包板上自行搭建简单的信号调理电路普通模拟电压信号不需要额外的信号调理NIELVIS平台的模拟数据采集部分通道数8路差分或16路单端ADC位数16采样率单通道最高1.25MS/s多通道1MS/s(所有通道合计)输入范围±10V,±5V,±2V,±1V,±0.5V,±0.2V,±0.1V模拟输出大多数多功能DAQ设备的每个模拟输出通道有一个DAC(同步更新)与模拟输入的同步采集类似DAC通道0通道1DAC通道0通道1输出操作的数据传输输出频率ASICPCI总线RAMPC缓冲区应用程序内存板载FIFO传输速率LabVIEW数据软件定时的模拟输出软件定时速率决定于操作系统或程序（在生成循环中添加延时）硬件定时设备上的时钟控制定时，比软件定时更快更精确带缓冲的波形生成生成波形频率取决于下列三个因素更新率(每秒多少个更新点)缓冲区中的数据点缓冲区中的周期数信号频率＝更新率缓冲区中的数据点缓冲区中的周期数×缓冲区大小＝1000点缓冲区中的周期数＝2更新率＝1000点/秒则,信号频率＝2Hz使用采样时钟的连续波形生成硬件定时基于时钟的硬件定时写入生成数据开始生成任务与模拟采集不同,循环在这里起的作用仅仅是不断检查任务状态,而非不断写入数据NIELVIS平台的模拟输出部分通道数:2DAC位数:16最高更新速率单通道2.8MS/s双通道2.0MS/s最大输出范围±10V,±5V最高驱动电流:±5mA数字I/O按照电平标准和电流驱动能力分类TTLLVTTL(低电压)LVDS(利用差分技术)工业数字I/O(如12V,24V,48V等)

需根据电平标准、驱动能力、所需速率等因素选用不同的数字I/O板卡大多数多功能数据采集卡上的数字I/O通道电平与TTL兼容课程中所用到的NIELVIS及NImyDAQ上集成的数字I/O通道也是与TTL兼容数字术语位

数据的最小单位，每一位为1或0字节

包含8位数据的二进制数线

端口中的一路独立信号，位表示传输的数

据，线是“位”在硬件上的表示端口

数字线的集合（通常4或8路）端口宽度

端口的数字线数目（通常4或8）DAQ助手/数字测试面板通过DAQmxAPI创建数字虚拟通道创建一个端口、线或线集合的数字通道选择如何将数字线编组为一个或多个虚拟通道影响DAQmx读取VI的配置线格式每个通道多条线读取单采样线0、2、4线4、2、0二进制数的显示数字输出软件定时(StaticDigitalI/O)硬件定时某些DAQ设备支持硬件定时的数字I/O与带缓冲的模拟输入输出原理相同采样时钟用于硬件定时的数字I/O(CorrelatedDigitalI/O)NIELVIS的数字I/O端口Port1/Port2支持硬件定时，Port0只支持软件定时NIELVIS上的数字I/O24StaticDIO(Port0)15PFI(Port1,Port2)支持硬件定时每通道可设置输入/输出计数器两个基本功能基于输入信号（门和源）的比较，进行计数基于输入和寄存器值，生成脉冲许多应用由基本计数演变而来边沿计数，例如简单边沿计数和时间测量脉冲宽度、半周期和周期测量频率测量单脉冲和脉冲序列生成位置和速度测量输出门源计数寄存器注:由于课时限制，本课程中主要介绍脉冲边沿计数、脉冲宽度测量、固定频率连续脉冲串生成这三种应用，更多计数器的应用可以参考DAQmx帮助及LabVIEW中的范例程序自学计数器的硬件组成计数寄存器保存当前计数值ELVISII有两个32位的寄存器归零前最终计数＝232–1可设置每次计数寄存器加1或减1（向上计数或向下计数）源(Source)相当于计数时钟可设置上升沿或下降沿有效门(Gate)相当于使能控制信号输出(Output)用于生成脉冲GateSourceOutput计数寄存器最简单的边沿计数01230TC-1TC计数器就绪源计数利用DAQ助手实现最简单的边沿计数利用DAQ助手可以更直观地看到各种基于计数器应用的原理，同时方便地进行相关配置适合作为参考，鼓励同学们仍然基于DAQmxAPI实现自动选择PFI线选择计数方向：升值计数减值计数选择上升沿或下降沿脉冲测量使用已知频率的时基测量未知信号的特性ELVIS中计数器自带的时基可选80MHz,20MHz及100kHz脉冲周期周期测量宽度脉冲宽度测量源门源输出计数寄存器测量信号时基信号例：单脉冲宽度测量理解测量的原理很重要实际的程序中，DAQmx驱动已经帮我们进行了底层的计算，所以只要选择相应的功能并配置相关参数即可脉冲生成在计数器的输出引脚上生成TTL脉冲或脉冲序列单个脉冲脉冲序列单一脉冲或脉冲序列时基门源输出计数寄存器例：连续脉冲生成计数器引脚与接线所有计数器相关应用的接线都是通过PFI引脚一个PFI引脚可有多种用途（例如既可以作为计数器的源信号又可以作为模拟采集的触发信号）NIELVIS的板子上画出了默认的计数器引脚分配可以通过DAQmx帮助中Counter的部分查看针对不同计数器应用的信号连线方式（更方便的方式是在MAX中建立一个任务，DAQ助手会自动显示默认的正确引脚连线方式）利用NIELVIS上的计数器集成2个32位计数器可实现各种基于计数器的测量和生成功能同步许多数据采集应用中要求同步测量概念同时测量操作同时发生，但无须严格同步无需证明测量在同一时刻发生如同发令枪响，同时开始跑，但是步伐不一定一致同步测量测量是相关的如同“齐步走”，同时开始，步伐也一致同步原理共享一个主时基和触发信号采样时钟来自于同一个时基对于单块板卡，时基总是相同的多于多块板卡，必须共享时基以消除相位误差开始触发时基模拟输入2采样时钟