数据采集专题-LabVIEW入门操作ppt课件

1、数据采集专题,主讲：赵智忠,河北工业大学电气工程学院,主要内容,1计算机数据采集与分析概述,1.1基本概念,1：信息信息既不是物质，也不是能量，信息就是信息。信息被认为是客观物质世界的灵魂，因为信息反映了事物的运动状态和运动方式。从这个广义的信息概念出发，引入不同的约束条件，就可以得到不同的具体的定义。例如，信息可以具体为消息、情报和知识等。2：信号信号是含有能量的物质，具有可测性。在数据采集系统中，会把想要获取的信息转换为信号，因此直接采集处理的是信号，而不是信息。信号与信息不能混为一谈。信号只是信息的某种形式。实际的信息中往往包含着多种信息的成分，其中不关心的成分统称为噪声或冗余信息。在一

2、个具体的数据采集系统里里面，可能要付出较大的代价来设法去除各种噪声，从而获得所要求的信息。,3：数据采集数据采集（DataAcquisition）就是将要获取的信息通过传感器转换为信号，并经过信号调理、采样、量化、编码和传输等步骤，最后送到计算机系统中进行处理、分析、存储和显示。数据采集系统是计算机与外部世界之间联系的桥梁，是获取信息的重要途径。数据采集系统追求的主要目标有两个：精度和速度。4：系统系统（System）是指由若干相互作用和相互依赖的事物组合而成的具有特定功能的整体。一个系统，对于给定的输入（激励），将会有一个既定的输出（响应）。,计算机数据采集系统的硬件基本组成如下图。计算机数

3、据采集系统一般有传感器、前置放大器、滤波器、多路模拟开关、采样/保持（S/H）器、模/数(A/D)转换器和计算机系统组成。,1.2数据采集系统的组成,1.3主要性能指标,1系统分辨率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。通常可以使用如下几种方法表示系统分辨率：,2系统的精度系统精度是指当系统工作在额定采集速率下，整个数据采集系统所能达到的转换精度。A/D转换器的精度是系统精度的极限值。,3采集速率采集速率又称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量。,4动态范围

4、动态范围是指某个确定的物理量的变化范围。信号的动态范围是指信号的最大幅值和最小幅值之比的分贝数。数据采集系统的动态范围通常定义为所允许输入的最大幅值与最小幅值之比的分贝数，即式（1-1）。,2数据采集硬件电路,2.1传感器的选用,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。下面介绍几种传感器：1大信号输出传感器2数字式传感器3集成传感器4光纤传感器,为了与A/D转换器的输入要求相适应，传感器厂家开始设计、制造一些专门与A/D转换器相配套的大信号输出传感器。通常是把放大电路与传感器做成一体，使传感器能直接输出05

5、V、010V或420mA的信号。信号输入通道中应尽可能多选用大信号传感器或变送器。这样可以省去小信号放大环节，如图2.1。,大信号传感器,2.2运用前置放大器的依据,把电路输出端测得的噪声有效值VON折算到该电路的输入端即除以该电路的增益K，得到的电平值称为该电路的等效输入噪声VIN即：,图2.2中前置放大器的增益为K0，本身的等效输入噪声为VIN0。由于前置放大器的噪声与后级电路的噪声是互不相关的随机噪声，因此，图2.2电路的总输出噪声VON为：,由式（2-4）可知，为使小信号不被电路噪声所淹没，在电路前端加入的电路必须是放大器，即K01，而且必须是低噪声的，即该放大器本身的等效输入噪声必须

6、比其后级电路的等效输入噪声低。因此调理电路前端电路必须是低噪声前置放大器。,图（a）所示调理电路的等效输入噪声为：,Why放大器在滤波器前面呢（信号调理电路）？,图（b）所示调理电路的等效输入噪声为：,对比式（2-5）和式（2-6）可见，由于K1，所以这就是说，调理电路中放大器设置在滤波器前面有利于减小电路的等效输入噪声。由于电路的等效输入噪声决定了电路所能输入的最小信号电平。因此减小电路的等效输入噪声实质上就是提高了电路接受弱信号的能力。,2.3信号调理中的常用放大器,目前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道的设计要求，结

7、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：非线性度，温漂，建立时间，恢复时间，电源引起的失调，共模抑制比等。,2程控增益放大器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、控制接口和可变反馈电阻网络组成。,一般来说，隔离放大器是一种将输入、输出和电源在电流和电阻上进行隔离，使之没有直接耦合的测量放大器。目前隔离放大器中采用的耦合方式有三种：光耦合、变压器耦合和电容耦合。,3隔离放大器,2.4A/D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/D转换器常用的以下几项技术指标来评价其质量水平：,1

8、.分辨率：ADC所能分辨的输入模拟量最小变化量。2.转换时间：A/D转换器完成一次所转换所需要的时间3.精度绝对精度：定义为对应于产生一个给定的输出数字码，理想模拟输入电压与实际模拟输入电压的差值。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模拟满量程之比。,3数据采集系统设计,3.1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系统的技术指标，主要考虑下列因素：1输入信号的特性2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）3接口特性【接口特性包括采样数据的输出形式（是并行还是串行输出）、数据的编码格式、与什么数据总线相接等。

9、】,3.2A/D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A/D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。,1.A/D转换器位数的确定,A/D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A/D转换器的位数。,模拟输入电压最大值和最小值分别为Vi.max和Vi.min动态范围如下式：,若已知被测模拟电压动态范围为L1，则可以按下式确定A/D位数m，即,由于MUX、S/H、A/D组成的数据采集电路的总误差是这三个组成部分的分项误差的综合值，则选择元器件精

10、度的一般规则是：每个元器件的精度指标优于系统精度的10倍左右。,系统精度来确定A/D位数,例如，要构成一个误差为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：,2.转换速度的确定若A/D转换器在一个采样周期TS内依次完成N路模拟信号采样值的A/D转换，则TS=NTA/D，采样频率fs=1Ts。3.根据环境条件选择A/D4.选择A/D转换器的输出状态根据计算机接口特征，考虑如何选择A/D转换器的输出状态。（并行O

11、R串行输出，二进制码ORBCD码，以及与TTL、CMOS及ECL电路的兼容性等）,3.3S/H采样保持器的选择,主要参数如下：捕捉时间：当发出采样指令即控制信号由“保持”电平跳变为“采样”电平之后，采样/保持的输出电压V0从原来的保持值过渡到跟踪输入信号Vi值（在确定的精度范围内）所需的时间称捕捉时间tAC。孔径时间：从发出保持指令即控制信号从“采样”电平跳变为“保持”电平开始到模拟开关完全断开所经历的时间称为孔径时间tAP，,3.4设计实例,4基于LabVIEW实现数据采集,4.1LabVIEW概述,虚拟仪器是以计算机为核心，根据用户对仪器的设计定义，用软件实现虚拟控制面板设计和测试功能的一

12、种计算机仪器系统。从实质上讲，VI利用硬件系统(I/O接口设备)完成信号的采集、测量与调理，利用计算机强大的软件功能实现信号数据的运算、分析和处理，利用计算机的显示器模拟传统仪器的控制面板，以多种形式输出检测结果，完成所需的测试功能。LabVIEW(LaboratoryVirtualInstrumentEngineeringWorkbench)是实验室虚拟仪器工作平台的简称，它提供了一种图形化的编程语言称为G语言。,LabVIEW具有如下特点：1图形化编程2模块化设计3高效率4开放性,4.3数据采集系统,1.硬件介绍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

13、组成。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PCI总线、PXI/CompactPCI总线、USB总线、串口或并口、IEEE1394(火线)总线以及ISA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32位的高速处理器及协处理器，或者专用的数子信号处理器（DSP）。,虚拟仪器的一大特色是“软件即仪器”，所以数据采集系统的软件也代替了仪器的部分功能，可以实现对硬件设备的驱动以及对数据采集和分析等功能。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

14、拟仪器开发工具三部分组成。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开发功能，方便用户快速搭建数据采集和测量应用程序。,2.软件介绍,4.4采样定理,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。,可将数字信号和模拟信号继续划分为：数字信号：开关信号（On-Off），连续脉冲信号（PulseTrain）模拟信号：直流信号（DC），时域信号（TimeDomain）频域信号（FrequencyDomain）,

15、采样定理,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。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。采样定理（又称奈奎斯特定理）指出：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。,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510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。,4.5实例,4.5.1数据采集卡USB2812,数据采集卡USB2812是一种

16、基于USB总线的，可直接和计算机的USB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2.DA模拟量输出功能3.DI数字量输入功能4.DO数字量输出功能5.CNT定时/计算器功能,4.5.2信号输入连接方式,1.单端输入,单端输入是指使用单个通路实现某个信号的输入，同时多个信号的参考地共用一个接地点。此方式主要应用于干扰不大，通道数相对较多的场合。,2.双端输入,双端输入是指使用正负两个通路实现某个信号的输入，该输入方式也叫差分输入。此方式主要应用于干扰较大，通道数相对较少的场合。USB2812可根据右图连接成

17、模拟电压双端输入方式，可以有效抑制共模干扰信号，提高采集精度。,4.5.3软件编程知识,1.AD单/双极性模拟量的数据输入格式,双极性输入（输入信号允许在正负端范围变化），以C语言为例，介绍如何将原码数据换算成电压值。5V量程：Volt(mV)=(10000.00/8192)*(ADBuffer0&0 x1FFF)-5000.00单极性输入(输入信号只允许在正端范围变化)。05V量程：Volt(mV)=(10000.00/8192)*(ADBuffer0&0 x1FFF),2.组间间隔AD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间，这段时间就叫组间间隔(Gr

18、oupInterval)。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。,3.触发功能,AD分为内外触发。内触发软件触发外触发硬件触发,4.采集方式（连续采集和分组采集）,连续采集（异步采集）功能是指AD在采样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。,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，所以称为分组采集。该功能的应用目的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越小来实现更小的相位差，从而保证通道间的同步性，故亦称为伪同步采集功能。,4.5.4USB2812驱动函数介绍,有关USB2812驱动函数介绍如表4.1,驱动函数的LabVIEW模型,驱动函数模型,4.5.5采集演示,1.软件安装指导：在不同的操作系统下安装USB2812板卡的方法一致，在本公司的光盘中含有安装程序Setup.exe，用户双击此安装程序按界面提示即可完成安装。2.硬件安装指导：在硬件安装前首先关闭系统电源，待板卡固定后开机，开机后系统会自动弹出硬件安装向导，用户可选择系统自动安装或手动安装。,软件说明：,普通数据采集卡支持的软件现在也比较全面如：VC+，VB，LabVIEW等。用户尽量选择自己合适的软件进行后台处理（本文以LabVIEW为例）。在进行