《數(shù)據(jù)采集》PPT課件

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1、第9章 數(shù)據(jù)采集 數(shù) 據(jù) 采 集 是 LabVIEW的 一 項(xiàng) 重 要 功 能 。NI公 司 為 LabVIEW的 用 戶(hù) 提 供 了 豐 富 的 數(shù)據(jù) 采 集 設(shè) 備 以 最 大 限 度 地 滿(mǎn) 足 各 個(gè) 領(lǐng) 域 的需 要 。 本 章 主 要 介 紹 了 數(shù) 據(jù) 采 集 的 基 礎(chǔ) 知識(shí) 以 及 DAQ Assistant的 使 用 方 法 。 9.1 DAQ系統(tǒng)概述 9.1.1 DAQ系統(tǒng)的構(gòu)成 在 計(jì) 算 機(jī) 廣 泛 應(yīng) 用 的 今 天 ， 數(shù) 據(jù) 采 集的 重 要 性 是 十 分 顯 著 的 。 它 是 計(jì) 算 機(jī) 與 外部 物 理 世 界 連 接 的 橋 梁 。 隨 著 計(jì) 算 機(jī)

2、 和 總線(xiàn) 技 術(shù) 的 發(fā) 展 ， 基 于 PC的 數(shù) 據(jù) 采 集 （ Data Acquisition， DAQ） 板 卡 產(chǎn) 品 得 到 了 廣 泛應(yīng) 用 。 許 多 應(yīng) 用 通 過(guò) 使 用 插 入 式 設(shè) 備 采 集 數(shù)據(jù) 并 把 數(shù) 據(jù) 直 接 傳 送 到 計(jì) 算 機(jī) 內(nèi) 存 中 ， 而在 一 些 其 他 應(yīng) 用 中 ， 數(shù) 據(jù) 采 集 硬 件 通 過(guò) 并行 或 串 行 接 口 和 PC相 連 。 基 于 PC的 數(shù) 據(jù) 采 集 系 統(tǒng) 的 組 成 部 分 可分 5個(gè) 部 分 ： （1）PC （2）傳感器 （3）信號(hào)調(diào)理 （4）數(shù)據(jù)采集硬件 （5）軟件 圖 9-1 典 型 的 基 于

3、PC的 DAQ系 統(tǒng) 上 圖 表 示 了 數(shù) 據(jù) 采 集 的 結(jié) 構(gòu) 。 其 工 作 流 程 是 這 樣 的 ：1、外部模擬信號(hào)連接數(shù)據(jù)采集卡上；2、觸發(fā)模塊根據(jù)設(shè)置的采樣頻率定期發(fā)出觸發(fā)信號(hào)；3、當(dāng)A/D轉(zhuǎn)換模塊接受的觸發(fā)信號(hào)后，完成一次A/D轉(zhuǎn)換；4、A/D轉(zhuǎn)換后的二進(jìn)制數(shù)字量進(jìn)入卡上的Buffer暫存；5、循環(huán)2-4步驟；6、當(dāng)卡上Buffer保存的數(shù)據(jù)達(dá)到設(shè)定值后，利用驅(qū)動(dòng)程序?qū)uffer中的數(shù)據(jù)批量傳輸?shù)絻?nèi)存的buffer中或者直接傳送到CPU中利用labview程序進(jìn)行處理；7、如果選擇先將數(shù)據(jù)傳到內(nèi)存的buffer中，則當(dāng)該buffer中的數(shù)據(jù)達(dá)到設(shè)定值后，批量傳送給labvi

4、ew程序處理；8、當(dāng)labview處理完數(shù)據(jù)后，根據(jù)需要驅(qū)動(dòng)相關(guān)硬件或者顯示數(shù)據(jù) DAQ的 任 務(wù) 就 是 測(cè) 量 或 生 成 物 理 信 號(hào) 。 數(shù)據(jù)采集（DAQ)卡常用功能： 一 個(gè) 典 型 的 數(shù) 據(jù) 采 集 卡 的 功 能 有 模 擬 輸 入 、 模 擬 輸 出 、 數(shù) 字 I/O、 計(jì) 數(shù) 器 /計(jì) 時(shí) 器 等 ， 這 些 功能 分 別 由 相 應(yīng) 的 電 路 來(lái) 實(shí) 現(xiàn) 。 模 擬 輸 入 ： 是 采 集 最 基 本 的 功 能 。 它 一 般 由 多 路 開(kāi) 關(guān) （ MUX） 、 放 大 器 、 采 樣 保 持 電 路 以及 A/D來(lái) 實(shí) 現(xiàn) ， 通 過(guò) 這 些 部 分 ， 一

5、個(gè) 模 擬 信 號(hào) 就 可 以 轉(zhuǎn) 化 為 數(shù) 字 信 號(hào) 。 A/D的 性 能 和 參 數(shù) 直 接 影響 著 模 擬 輸 入 的 質(zhì) 量 ， 要 根 據(jù) 實(shí) 際 需 要 的 精 度 來(lái) 選 擇 合 適 的 A/D。 模 擬 輸 出 ： 通 常 是 為 采 集 系 統(tǒng) 提 供 激 勵(lì) 。 輸 出 信 號(hào) 受 數(shù) 模 轉(zhuǎn) 換 器 （ D/A） 的 建 立 時(shí) 間 、 轉(zhuǎn) 換率 、 分 辨 率 等 因 素 影 響 。 建 立 時(shí) 間 和 轉(zhuǎn) 換 率 決 定 了 輸 出 信 號(hào) 幅 值 改 變 的 快 慢 。 建 立 時(shí) 間 短 、 轉(zhuǎn) 換率 高 的 D/A可 以 提 供 一 個(gè) 較 高 頻 率 的

6、 信 號(hào) 。 如 果 用 D/A的 輸 出 信 號(hào) 去 驅(qū) 動(dòng) 一 個(gè) 加 熱 器 ， 就 不 需 要使 用 速 度 很 快 的 D/A， 因 為 加 熱 器 本 身 就 不 能 很 快 地 跟 蹤 電 壓 變 化 。 應(yīng) 該 根 據(jù) 實(shí) 際 需 要 選 擇 D/A的 參 數(shù) 指 標(biāo) 。 數(shù) 字 I/O： 通 常 用 來(lái) 控 制 過(guò) 程 、 產(chǎn) 生 測(cè) 試 信 號(hào) 、 與 外 設(shè) 通 信 等 。 它 的 重 要 參 數(shù) 包 括 ： 數(shù) 字 口 路數(shù) （ line） 、 接 收 (發(fā) 送 )率 、 驅(qū) 動(dòng) 能 力 等 。 如 果 輸 出 去 驅(qū) 動(dòng) 電 機(jī) 、 燈 、 開(kāi) 關(guān) 型 加 熱 器 等

7、 用 電 器 ， 就 不 必 用 較 高 的 數(shù) 據(jù) 轉(zhuǎn) 換 率 。 路 數(shù) 要 能 同 控 制 對(duì) 象 配 合 ， 而 且 需 要 的 電 流 要 小 于 采 集 卡 所 能 提 供的 驅(qū) 動(dòng) 電 流 。 但 加 上 合 適 的 數(shù) 字 信 號(hào) 調(diào) 理 設(shè) 備 ， 仍 可 以 用 采 集 卡 輸 出 的 低 電 流 的 TTL電 平 信 號(hào) 去監(jiān) 控 高 電 壓 、 大 電 流 的 工 業(yè) 設(shè) 備 。 數(shù) 字 I/O常 見(jiàn) 的 應(yīng) 用 是 在 計(jì) 算 機(jī) 和 外 設(shè) 如 打 印 機(jī) 、 數(shù) 據(jù) 記 錄 儀等 之 間 傳 送 數(shù) 據(jù) 。 另 外 一 些 數(shù) 字 口 為 了 同 步 通 信 的

8、需 要 還 有 “握 手 ”線(xiàn) 。 路 數(shù) 、 數(shù) 據(jù) 轉(zhuǎn) 換 速 率 、“握 手 ”能 力 都 是 應(yīng) 理 解 的 重 要 參 數(shù) ， 應(yīng) 依 據(jù) 具 體 的 應(yīng) 用 場(chǎng) 合 而 選 擇 有 合 適 參 數(shù) 的 數(shù) 字 I/O。 計(jì) 數(shù) 器 ： 許 多 場(chǎng) 合 都 要 用 到 計(jì) 數(shù) 器 ， 如 定 時(shí) 、 產(chǎn) 生 方 波 等 。 計(jì) 數(shù) 器 包 括 三 個(gè) 重 要 信 號(hào) ： 門(mén) 限信 號(hào) 、 計(jì) 數(shù) 信 號(hào) 、 輸 出 。 門(mén) 限 信 號(hào) 實(shí) 際 上 是 觸 發(fā) 信 號(hào) 使 計(jì) 數(shù) 器 工 作 或 不 工 作 ； 計(jì) 數(shù) 信 號(hào) 也 即信 號(hào) 源 ， 它 提 供 了 計(jì) 數(shù) 器 操 作

9、的 時(shí) 間 基 準(zhǔn) ； 輸 出 是 在 輸 出 線(xiàn) 上 產(chǎn) 生 脈 沖 或 方 波 。 計(jì) 數(shù) 器 最 重 要 的參 數(shù) 是 分 辨 率 和 時(shí) 鐘 頻 率 ， 高 分 辨 率 意 味 著 計(jì) 數(shù) 器 可 以 計(jì) 更 多 的 數(shù) ， 時(shí) 鐘 頻 率 決 定 了 計(jì) 數(shù) 的 快 慢 ，頻 率 越 高 ， 計(jì) 數(shù) 速 度 就 越 快 。 Labview中實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集LabVIEW 數(shù) 據(jù) 采 集 模 塊 的 分 類(lèi) ： 簡(jiǎn) 易 模 入 VIs (Ease Analog VIs) 該 行 的 四 個(gè) 模 塊 執(zhí) 行 簡(jiǎn) 單 的 模 入 操 作 。 它 們 可 以 作為 單 獨(dú) 的 VI， 也 可 以

10、 作 為 subVI來(lái) 使 用 。 這 些 模塊 可 以 自 動(dòng) 發(fā) 出 錯(cuò) 誤 警 告 信 息 ， 在 對(duì) 話(huà) 框 中 你 可以 選 擇 中 斷 運(yùn) 行 或 忽 略 。 但 是 比 較 復(fù) 雜 的 應(yīng) 用 需要 使 用 下 面 的 類(lèi) 型 。 中 級(jí) 模 入 VIs (Intermediate Analog Input VIs) 中 級(jí) 模 入 在 兩 個(gè) 地 方 可 以 找 到 ， 一 個(gè) 如 圖 6-15的位 置 ， 另 一 個(gè) 是 包 含 在 下 面 討 論 的 通 用 模 入 VIs 中 。 與 簡(jiǎn) 易 模 入 不 同 的 是 在 那 里 的 一 個(gè) 操 作 AI Input ， 這

11、 里 細(xì) 分 為 AI Config, AI Start, AI Read, AI Single Scan以 及 AI Clear。 它 可 以 描述 更 加 細(xì) 致 、 復(fù) 雜 的 操 作 。 通 用 模 入 VIs ( Analog Input Utility VIs) 這 里 提 供 了 三 個(gè) 常 用 的 Vis， AI Read One Scan，AI Waveform Scan， 及 AI Continuous Scan。使 用 一 個(gè) VI就 可 以 解 決 一 個(gè) 普 通 的 模 入 問(wèn) 題 ， 方便 但 缺 乏 靈 活 性 。 這 三 個(gè) Vis是 由 中 級(jí) 模 入 構(gòu) 成

12、的 。 高 級(jí) 模 入 VIs ( Advanced Analog Input VIs) 這 些 Vis是 NI-DAQ數(shù) 據(jù) 采 集 軟 件 的 界 面 ， 是 上 面三 種 類(lèi) 型 Vis的 基 礎(chǔ) 。 一 般 情 況 下 ， 用 戶(hù) 不 需 要直 接 使 用 這 個(gè) 功 能 。 簡(jiǎn) 易 模 入 VIs中 級(jí) 模 入 VIs高 級(jí) 模 入 VIs通 用 模 入 VIs 數(shù)據(jù)采集中的常用參數(shù)介紹 為 了 更 好 地 理 解 模 入 ， 需 要 了 解 信 號(hào) 數(shù) 字 化 過(guò) 程 中 分 辨 率 、 范 圍 、 增 益 等 參 數(shù) 對(duì) 采 集信 號(hào) 質(zhì) 量 的 影 響 。 分 辨 率 （ Re

13、solution） 分 辨 率 就 是 用 來(lái) 進(jìn) 行 模 數(shù) 轉(zhuǎn) 換 的 位 數(shù) ， A/D的 位 數(shù) 越 多 ， 分 辨 率 就 越 高 ， 可 區(qū) 分 的 最 小 電 壓 就 越 小 。分 辨 率 要 足 夠 高 ， 數(shù) 字 化 信 號(hào) 才 能 有 足 夠 的 電 壓 分 辨 能 力 ， 才 能 比 較 好 的 恢 復(fù) 原 始 信 號(hào) 。 目 前 分 辨率 為 8的 采 集 卡 屬 于 較 低 的 ， 12位 屬 中 檔 ， 位 的 卡 就 比 較 高 了 。 他 們 可 以 分 別 將 模 入 電 壓 量 化為 256、 4096、 65536份 。 電 壓 范 圍 (Range) 電

14、 壓 范 圍 由 A/D能 數(shù) 字 化 的 模 擬 信 號(hào) 的 最 高 和 最 低 的 電 壓 決 定 。 一 般 情 況 下 ， 采 集 卡 的 電 壓 范 圍 是可 調(diào) 的 ， 所 以 可 選 擇 和 信 號(hào) 電 壓 變 化 范 圍 相 匹 配 的 電 壓 范 圍 以 充 分 利 用 分 辨 率 范 圍 ， 得 到 更 高 的 精度 。 比 如 ， 對(duì) 于 一 個(gè) 3位 的 A/D， 在 選 擇 0-10V范 圍 時(shí) ， 它 將 10V八 等 分 ； 如 果 選 擇 范 圍 為 -10V到+10V， 同 一 個(gè) A/D就 得 將 20V分 為 8等 分 ， 能 分 辨 的 最 小 電 壓

15、就 從 1.25V上 升 到 2.50V， 這 樣 信 號(hào) 復(fù)原 的 效 果 就 更 差 了 。 增 益 （ Gain） 增 益 主 要 用 于 在 信 號(hào) 數(shù) 字 化 之 前 對(duì) 衰 減 的 信 號(hào) 進(jìn) 行 放 大 。 使 用 增 益 ， 可 以 等 效 地 降 低 A/D的 輸 入 范圍 ， 使 它 能 盡 量 將 信 號(hào) 分 為 更 多 的 等 份 ， 基 本 達(dá) 到 滿(mǎn) 量 程 ， 這 樣 可 以 更 好 地 復(fù) 原 信 號(hào) 。 因 為 對(duì) 同 樣的 電 壓 輸 入 范 圍 ， 大 信 號(hào) 的 量 化 誤 差 小 ， 而 小 信 號(hào) 時(shí) 量 化 誤 差 大 。 當(dāng) 輸 入 信 號(hào) 不

16、接 近 滿(mǎn) 量 程 時(shí) ， 量化 誤 差 會(huì) 相 對(duì) 加 大 。 如 ： 輸 入 只 為 滿(mǎn) 量 程 的 1 10時(shí) ， 量 化 誤 差 相 應(yīng) 擴(kuò) 大 10倍 。 一 般 使 用 時(shí) ， 要 通過(guò) 選 擇 合 適 的 增 益 ， 使 得 輸 入 信 號(hào) 動(dòng) 態(tài) 范 圍 與 A/D的 電 壓 范 圍 相 適 應(yīng) 。 當(dāng) 信 號(hào) 的 最 大 電 壓 加 上 增 益后 超 過(guò) 了 板 卡 的 最 大 電 壓 ， 超 出 部 分 將 被 截 斷 而 讀 出 錯(cuò) 誤 的 數(shù) 據(jù) 。 Labview中數(shù)據(jù)采集的常用參數(shù)介紹 device設(shè) 備 號(hào) 。 在 NI 采 集 設(shè) 置 工 具 中 設(shè) 定 。 該

17、 參 數(shù) 告 訴 LabVIEW你 使 用 什 么 卡 ， 它 可 以 使 采 集 VI自 身 獨(dú)立 于 卡 的 類(lèi) 型 ， 也 就 是 說(shuō) ， 如 果 你 稍 后 使 用 了 另 一 種 卡 ， 并 且 賦 予 它 同 樣 的 設(shè) 備 號(hào) ， 你 的 VI程 序 可 正 常 工 作 而無(wú) 須 修 改 。 channels指 定 數(shù) 據(jù) 樣 本 的 物 理 源 。 例 如 ， 一 個(gè) 卡 有 個(gè) 模 擬 輸 入 通 道 ， 你 就 可 以 同 時(shí) 采 集 組 數(shù) 據(jù) 點(diǎn) 。在 LabVIEW VI中 ， 一 個(gè) 通 道 或 一 組 通 道 都 用 一 個(gè) 字 符 串 來(lái) 指 定 。 例 如 ：

18、 通 道 通 道 串 通 道 55通 道 0到 40:4通 道 1，8， 以 及 10到 131,8,10:13 scan rate(1000 scans/sec)是 在 多 通 道 采 樣 時(shí) ， 分 配 給 一 個(gè) 通 道 得 到 的 樣 本 速 率 ， 缺 省 值 是 1000/秒 。 number of samples/ch每 通 道 要 采 集 的 樣 本 數(shù) ， 缺 省 值 是 1000。 high limit被 測(cè) 信 號(hào) 的 最 高 電 平 ， 其 缺 省 值 是 。 設(shè) 為 缺 省 值 時(shí) 系 統(tǒng) 將 按 照 采 集 卡 設(shè) 置 程 序 MAX中 的 設(shè) 定 處理 。 low

19、 limit被 測(cè) 信 號(hào) 的 最 低 電 平 ， 其 缺 省 值 是 。 設(shè) 為 缺 省 值 時(shí) 系 統(tǒng) 將 按 照 采 集 卡 設(shè) 置 程 序 MAX中 的 設(shè) 定 處理 。 high limit 和 low limit的 值 將 決 定 采 集 系 統(tǒng) 的 增 益 。 對(duì) 大 多 數(shù) 卡 輸 入 信 號(hào) 變 化 的 缺 省 值 是 10V到 -10V， 如 果 你 將其 設(shè) 為 5到 -5V， 則 增 益 為 2。 如 果 你 將 其 設(shè) 為 1到 -1V， 則 增 益 為 10。 如 果 你 設(shè) 置 一 個(gè) 理 論 上 的 增 益 是 得 不 到 支持 的 ， LabVIEW會(huì) 自 動(dòng)

20、 將 其 調(diào) 整 到 最 近 的 預(yù) 置 值 。 典 型 的 采 集 卡 所 支 持 的 增 益 值 有 0.5,1,2,5,10,20,50,100。 waveformsA/D轉(zhuǎn) 換 后 的 輸 出 ， 是 一 個(gè) 二 維 的 waveform數(shù) 組 ， 其 每 一 列 對(duì) 應(yīng) 于 一 個(gè) 輸 入 通 道 ， 同 時(shí) 包 含 有反 映 時(shí) 間 信 息 的 t0和 t。 數(shù)據(jù)緩存（buffer) 這 里 的 緩 沖 指 的 是 PC內(nèi) 存 的 一 個(gè) 區(qū) 域 （ 不 是 數(shù) 據(jù) 采 集 卡上 的 FIFO緩 沖 ） ， 它 用 來(lái) 臨 時(shí) 存 放 數(shù) 據(jù) 。 例 如 ， 你 需 要采 集 每

21、秒 采 集 幾 千 個(gè) 數(shù) 據(jù) ， 在 一 秒 內(nèi) 顯 示 或 圖 形 化 所 有 數(shù)據(jù) 是 困 難 的 。 但 是 將 采 集 卡 的 數(shù) 據(jù) 先 送 到 Buffer， 你 就 可以 先 將 它 們 快 速 存 儲(chǔ) 起 來(lái) ， 稍 后 再 重 新 找 回 它 們 顯 示 或 分析 。 需 要 注 意 的 是 Buffer與 采 集 操 作 的 速 度 及 容 量 有 關(guān) 。如 果 你 的 卡 有 DMA性 能 ， 模 擬 輸 入 操 作 就 有 一 個(gè) 通 向 計(jì)算 機(jī) 內(nèi) 存 的 高 速 硬 件 通 道 ， 這 就 意 味 著 所 采 集 的 數(shù) 據(jù) 可 以直 接 送 到 計(jì) 算 機(jī) 的

22、 內(nèi) 存 。 不 使 用 Buffer意 味 著 對(duì) 所 采 集 的 每 一 個(gè) 數(shù) 據(jù) 你 都 必 須 及 時(shí)處 理 （ 圖 形 化 、 分 析 等 ） ， 因 為 這 里 沒(méi) 有 一 個(gè) 場(chǎng) 合 可 以 保持 你 著 手 處 理 的 數(shù) 據(jù) 之 前 的 若 干 數(shù) 據(jù) 點(diǎn) 數(shù)據(jù)緩存的選用 下 列 情 況 需 要 使 用 Buffer I/O： 需 要 采 集 或 產(chǎn) 生 許 多 樣 本 ， 其 速 率 超 過(guò) 了 實(shí) 際 顯 示 、 存 儲(chǔ) 到 硬 件 ， 或 實(shí) 時(shí) 分 析 的 速 度 。 需 要 連 續(xù) 采 集 或 產(chǎn) 生 AC數(shù) 據(jù) （ 10樣 本 秒 ） ， 并 且 要 同 時(shí) 分

23、 析 或 顯 示 某 些 數(shù) 據(jù) 。 采 樣 周 期 必 須 準(zhǔn) 確 、 均 勻 地 通 過(guò) 數(shù) 據(jù) 樣 本 。 下 列 情 況 可 以 不 使 用 Buffer I/O： 數(shù) 據(jù) 組 短 小 ， 例 如 每 秒 只 從 兩 個(gè) 通 道 之 一 采 集 一 個(gè) 數(shù) 據(jù) 點(diǎn) 。 需 要 縮 減 存 儲(chǔ) 器 的 開(kāi) 支 。 觸發(fā)（Triggering） 觸 發(fā) 涉 及 初 始 化 、 終 止 或 同 步 采 集 事 件 的 任 何 方 法 。 觸 發(fā) 器 通 常 是 一 個(gè) 數(shù) 字或 模 擬 信 號(hào) ， 其 狀 態(tài) 可 確 定 動(dòng) 作 的 發(fā) 生 。 軟 件 觸 發(fā) -最 容 易 ， 你 可 以

24、直 接 用 軟 件 ， 例 如 使 用 布 爾 面 板 控 制 去 啟 動(dòng) /停 止數(shù) 據(jù) 采 集 。 硬 件 觸 發(fā) -讓 板 卡 上 的 電 路 管 理 觸 發(fā) 器 ， 控 制 了 采 集 事 件 的 時(shí) 間 分 配 ， 有 很高 的 精 確 度 。 硬 件 觸 發(fā) 可 進(jìn) 一 步 分 為 ： 1。 內(nèi) 部 觸 發(fā) ： 當(dāng) 某 一 模 入 通 道 發(fā) 生 一 個(gè) 指 定 的 電 壓 電 平 時(shí) ， 讓 卡 輸 出 一個(gè) 數(shù) 字 脈 沖 ， 這 是 內(nèi) 部 觸 發(fā) 。 2。 外 部 觸 發(fā) ： 采 集 卡 等 待 一 個(gè) 外 部 儀 器 發(fā) 出 的 數(shù) 字 脈 沖 到 來(lái) 后 初 始 化 采

25、集 卡 ， 這 是 外 部 觸 發(fā) 。 許 多 儀 器 提 供 數(shù) 字 輸 出 （ 常 稱(chēng) 為 “trigger out”） 用 于觸 發(fā) 特 定 的 裝 置 或 儀 器 。 觸發(fā)（Triggering）的選用 下 列 情 況 使 用 軟 件 觸 發(fā) ： 用 戶(hù) 需 要 對(duì) 所 有 采 集 操 作 有 明 確 的 控 制 ， 并 且 事 件 定 時(shí)不 需 要 非 常 準(zhǔn) 確 。 下 列 情 況 使 用 硬 件 觸 發(fā) ： 采 集 事 件 定 時(shí) 需 要 非 常 準(zhǔn) 確 。 用 戶(hù) 需 要 削 減 軟 件 開(kāi) 支 。 采 集 事 件 需 要 與 外 部 裝 置 同 步 。 9.1.2 DAQ系統(tǒng)

26、的功能 數(shù) 據(jù) 采 集 前 ， 必 須 對(duì) 所 采 集 信 號(hào) 的 特性 有 所 了 解 ， 因 為 不 同 信 號(hào) 的 測(cè) 量 方 式 和對(duì) 采 集 系 統(tǒng) 的 要 求 是 不 同 的 ， 只 有 了 解 被測(cè) 信 號(hào) 才 能 選 擇 合 適 的 測(cè) 量 方 式 和 采 集 系統(tǒng) 配 置 。 任 意 一 個(gè) 信 號(hào) 是 隨 時(shí) 間 而 改 變 的 物 理量 。 一 般 情 況 下 ， 信 號(hào) 所 運(yùn) 載 信 息 是 很 廣泛 的 ， 如 ： 狀 態(tài) （ state） 、 速 率 （ rate） 、電 平 （ level） 、 形 狀 （ shape） 和 頻 率 成分 （ frequency

27、 content） 。 根 據(jù) 信 號(hào) 運(yùn) 載信 息 方 式 的 不 同 ， 可 以 將 信 號(hào) 分 為 模 擬 或數(shù) 字 信 號(hào) 。 1數(shù)字信號(hào) 數(shù) 字 （ 二 進(jìn) 制 ） 信 號(hào) 分 為 兩 類(lèi) ， 第 一類(lèi) 數(shù) 字 信 號(hào) 是 開(kāi) /關(guān) 信 號(hào) 第 二 類(lèi) 數(shù) 字 信 號(hào) 是 脈 沖 信 號(hào) 。 2模擬信號(hào) 模 擬 信 號(hào) 可 分 為 直 流 、 時(shí) 域 、 頻 域 信號(hào) ， 如 圖 9-3所 示 。 圖 9-3 模 擬 信 號(hào) 分 類(lèi) （1）模擬直流信號(hào) （2）模擬時(shí)域信號(hào) （3）模擬頻域信號(hào) 3信號(hào)調(diào)理 從 傳 感 器 得 到 的 信 號(hào) 大 多 要 經(jīng) 過(guò) 處 理才 能 進(jìn) 入 數(shù)

28、 據(jù) 采 集 設(shè) 備 ， 信 號(hào) 處 理 功 能 包括 放 大 、 隔 離 、 濾 波 、 激 勵(lì) 和 線(xiàn) 性 化 等 。由 于 不 同 傳 感 器 有 不 同 的 特 性 ， 因 此 ， 除了 這 些 通 用 功 能 ， 還 要 根 據(jù) 具 體 傳 感 器 的特 性 和 要 求 來(lái) 設(shè) 計(jì) 特 殊 的 信 號(hào) 調(diào) 理 功 能 。 （1）放大 （2）隔離 （3）濾波 （4）激勵(lì) （5）線(xiàn)性化 （6）數(shù)字信號(hào)調(diào)理 4A/D轉(zhuǎn)換與D/A轉(zhuǎn)換 為 了 提 高 系 統(tǒng) 的 性 能 指 標(biāo) ， 數(shù) 字 計(jì) 算機(jī) 技 術(shù) 廣 泛 應(yīng) 用 于 現(xiàn) 代 控 制 、 通 信 及 檢 測(cè)等 領(lǐng) 域 。 系 統(tǒng) 的

29、 實(shí) 際 對(duì) 象 往 往 都 是 一 些 模擬 量 （ 如 溫 度 、 壓 力 、 圖 像 等 ） ， 要 使 計(jì)算 機(jī) 或 數(shù) 字 儀 表 能 識(shí) 別 、 處 理 這 些 信 號(hào) ，必 須 首 先 將 這 些 模 擬 信 號(hào) 轉(zhuǎn) 換 成 數(shù) 字 信 號(hào) ；而 經(jīng) 計(jì) 算 機(jī) 分 析 、 處 理 后 輸 出 的 數(shù) 字 量 也往 往 需 要 將 其 轉(zhuǎn) 換 為 相 應(yīng) 模 擬 信 號(hào) 才 能 為執(zhí) 行 機(jī) 構(gòu) 所 接 受 。 模 數(shù) 和 數(shù) 模 轉(zhuǎn) 換 器 就 是能 在 模 擬 信 號(hào) 與 數(shù) 字 信 號(hào) 之 間 起 橋 梁 的 電路 。 將 模 擬 信 號(hào) 轉(zhuǎn) 換 成 數(shù) 字 信 號(hào) 的 電

30、 路 ，稱(chēng) 為 模 數(shù) 轉(zhuǎn) 換 器 （ 簡(jiǎn) 稱(chēng) A/D轉(zhuǎn) 換 器 ） 。 A/D轉(zhuǎn) 換 器 按 分 辨 率 的 不 同 可 分 為 4位 、 6位 、 8位 、 10位 、 14位 、 16位 和 BCD碼 的 31/2位 、51/2位 等 ； 按 照 轉(zhuǎn) 換 速 度 可 分 為 超 高 速（ 轉(zhuǎn) 換 時(shí) 間 330ns） 、 次 超 高 速 （ 轉(zhuǎn) 換 時(shí)間 330ns 3.3s） 、 高 速 （ 轉(zhuǎn) 換 時(shí) 間 3.3333s） 、 低 速 （ 轉(zhuǎn) 換 時(shí) 間 330s） 等 ；按 轉(zhuǎn) 換 原 理 分 可 分 為 直 接 A/D轉(zhuǎn) 換 器 和 間 接A/D轉(zhuǎn) 換 器 。 有 些 轉(zhuǎn) 換 器

31、 還 將 多 路 開(kāi) 關(guān) 、 基 準(zhǔn) 電 壓源 、 時(shí) 鐘 電 路 、 譯 碼 器 和 轉(zhuǎn) 換 電 路 集 成 在一 個(gè) 芯 片 內(nèi) ， 已 超 出 了 單 純 A/D轉(zhuǎn) 換 功 能 。 圖 9-4 轉(zhuǎn) 換 結(jié) 構(gòu) 圖 與 A/D轉(zhuǎn) 換 器 相 對(duì) 應(yīng) ， 將 數(shù) 字 信 號(hào) 轉(zhuǎn) 換為 模 擬 信 號(hào) 的 電 路 稱(chēng) 為 數(shù) 模 轉(zhuǎn) 換 器 （ 簡(jiǎn) 稱(chēng)D/A轉(zhuǎn) 換 器 ） 。 5數(shù)字I/O（DIO） DAQ設(shè) 備 中 的 數(shù) 字 I/O由 生 成 或 接 收 二進(jìn) 制 通 斷 信 號(hào) 的 部 分 構(gòu) 成 ， 他 們 通 常 用 于過(guò) 程 控 制 、 生 成 測(cè) 試 樣 式 及 與 外 圍 設(shè)

32、備 進(jìn)行 通 信 。 數(shù) 字 連 線(xiàn) 通 常 分 組 為 若 干 個(gè) 端 口 ，每 個(gè) 端 口 由 四 條 或 八 條 連 線(xiàn) 構(gòu) 成 。 同 一 端 口 中 的 所 有 連 線(xiàn) 必 須 同 時(shí) 是 輸入 連 線(xiàn) 或 輸 出 連 線(xiàn) 。 由 于 一 個(gè) 端 口 中 包 含多 條 數(shù) 字 連 線(xiàn) ， 可 以 通 過(guò) 端 口 寫(xiě) 入 或 端 口讀 入 同 時(shí) 設(shè) 置 或 提 取 多 條 連 線(xiàn) 的 狀 態(tài) 。 數(shù) 字 連 線(xiàn) 的 數(shù) 量 當(dāng) 然 應(yīng) 該 與 需 要 被 控制 的 過(guò) 程 數(shù) 目 相 匹 配 。 通 過(guò) 應(yīng) 用 恰 當(dāng) 的 數(shù)字 信 號(hào) 調(diào) 理 配 件 ， 用 戶(hù) 可 以 使 用 進(jìn)

33、 /出 數(shù) 據(jù)采 集 硬 件 的 低 電 流 TTL信 號(hào) 來(lái) 監(jiān) 測(cè) /控 制 工業(yè) 硬 件 產(chǎn) 生 的 高 電 壓 和 電 流 信 號(hào) 。 6計(jì)數(shù)器/定時(shí)器 計(jì) 數(shù) 器 /定 時(shí) 器 在 許 多 應(yīng) 用 中 具 有 很 重要 的 作 用 ， 包 括 對(duì) 數(shù) 字 事 件 產(chǎn) 生 次 數(shù) 的 計(jì)數(shù) 、 數(shù) 字 脈 沖 計(jì) 時(shí) ， 以 及 產(chǎn) 生 方 波 和 脈 沖 。 應(yīng) 用 一 個(gè) 計(jì) 數(shù) 器 /計(jì) 時(shí) 器 時(shí) 最 重 要 的 指標(biāo) 是 分 辨 率 和 時(shí) 鐘 頻 率 。 9.2 數(shù)據(jù)采集卡的安裝 PCI-6221是 一 塊 高 性 能 的 NI-DAQmx設(shè) 備 ， 它 的 引 腳 定 義

34、 如 圖 9-5所 示 。 安 裝 時(shí)直 接 將 其 插 入 到 PC機(jī) 主 板 上 的 插 槽 內(nèi) 即 可 ，如 圖 9-6所 示 。 圖 9-5 PCI-6221引 腳 圖 圖 9-6 PCI-6221的 安 裝 圖 9-7 NI設(shè) 備 驅(qū) 動(dòng) 光 盤(pán) 的 安 裝 界 面 圖 9-8 MAX配 置 與 管 理 對(duì) 話(huà) 框 圖 9-9 創(chuàng) 建 一 個(gè) 新 的 通 道 配 置 文 件 （ 1） 圖 9-10 創(chuàng) 建 一 個(gè) 新 的 通 道 配 置 文 件 （ 2） 圖 9-11 選 擇 虛 擬 通 道 類(lèi) 型 圖 9-12 創(chuàng) 建 一 個(gè) 新 的 本 地 通 道 圖 9-13 配 置 通 道

35、的 設(shè) 置 和 測(cè) 試 9.3 DAQ VI的組織結(jié)構(gòu) LabVIEW DAQ VI組 織 有 兩 個(gè) 選 項(xiàng) 板 ：一 個(gè) 用 于 傳 統(tǒng) NI-DAQ， 另 一 個(gè) 用 于 NI-DAQmx。 NI公 司 的 DAQ硬 件 連 線(xiàn) 有 兩 種 不同 的 設(shè) 備 驅(qū) 動(dòng) 器 。 NI-DAQmx是 驅(qū) 動(dòng) 器 ，無(wú) 論 是 在 性 能 還 是 在 使 用 簡(jiǎn) 易 性 方 面 都 優(yōu)于 傳 統(tǒng) NI-DAQ。 借 助 于 DAQ助 手 會(huì) 使 編 寫(xiě)VI采 集 數(shù) 據(jù) 的 工 作 明 顯 簡(jiǎn) 化 。 NI-DAQmx VI是 一 種 稱(chēng) 為 多 態(tài) VI的 特殊 VI， 是 能 夠 適 應(yīng) 不

36、 同 DAQ功 能 的 一 組 核心 VI， 如 模 擬 輸 入 、 模 擬 輸 出 和 數(shù) 字 I/O等 。 選 擇 “ 函 數(shù) ” 選 板 下 的 “ 測(cè) 量 I/OData Acquisition”子 選 板 即 可 訪 問(wèn) DAQmx選 項(xiàng)板 。 圖 9-14 傳 統(tǒng) DAQ函 數(shù) 節(jié) 點(diǎn) 各 個(gè) 子 選 板 的 主 要 功 能 如 下 。 （1）Analog Input子選板 （2）Analog Output子選板 （3）Digital I/O子選板 （4）Counter子選板 （5）Calibration and Configuration子選板 （6）Signal Conditi

37、oning子選板 數(shù) 據(jù) 采 集 VI按 功 能 劃 分 為 不 同 的 等 級(jí) 。 （1）頂層：簡(jiǎn)易DAQ節(jié)點(diǎn) 是中間層DAQ節(jié)點(diǎn)的邏輯組合。 只提供最基本的輸入、輸出接口。 （2）第三層：中間層DAQ節(jié)點(diǎn) 由高級(jí)DAQ節(jié)點(diǎn)組成，提供 較少的參數(shù)。 （3）第二層：工具DAQ節(jié)點(diǎn) 同中間層DAQ類(lèi)似。 （4）底層：高級(jí)DAQ節(jié)點(diǎn) 是對(duì)數(shù)據(jù)采集驅(qū)動(dòng)程序的最低層 的接口。 圖 9-15 連 續(xù) 數(shù) 據(jù) 采 集 程 序 框 圖 9.4 數(shù)據(jù)采集助手 數(shù) 據(jù) 采 集 助 手 DAQ Assistant是LabVIEW 7以 后 版 本 新 增 的 一 個(gè) 重 要 工 具 。它 是 一 個(gè) 圖 形 化

38、的 界 面 ， 主 要 用 于 交 互 式 地創(chuàng) 建 、 編 輯 和 運(yùn) 行 NI-DAQmx虛 擬 通 道 和 任務(wù) 。 這 個(gè) 工 具 通 過(guò) 一 個(gè) 圖 形 化 接 口 來(lái) 配 置簡(jiǎn) 單 和 復(fù) 雜 的 數(shù) 據(jù) 采 集 任 務(wù) ， 從 而 幫 助 用戶(hù) 無(wú) 需 編 程 即 可 創(chuàng) 建 應(yīng) 用 程 序 。 DAQ Assistant是 一 個(gè) 基 于 步 驟 的 向 導(dǎo) ，它 可 以 使 用 戶(hù) 無(wú) 需 編 程 即 可 配 置 數(shù) 據(jù) 采 集 任務(wù) 、 虛 擬 通 道 以 及 實(shí) 現(xiàn) 縮 放 操 作 。 用 戶(hù) 可 以 從 NI應(yīng) 用 軟 件 中 啟 動(dòng) DAQ Assistant， 如

39、LabVIEW、 LabWindows/CVI、Measurement Studio或 MAX。 利 用 DAQ Assistant， 用 戶(hù) 可 以 執(zhí) 行 以下 任 務(wù) ： （ 1） 創(chuàng) 建 和 編 輯 任 務(wù) 和 虛 擬 通 道 ； （ 2） 添 加 虛 擬 通 道 至 任 務(wù) ； （ 3） 創(chuàng) 建 并 編 輯 量 程 ； （ 4） 測(cè) 試 用 戶(hù) 的 配 置 ； （ 5） 保 存 用 戶(hù) 的 配 置 ； （ 6） 在 用 戶(hù) 的 NI應(yīng) 用 軟 件 中 生 成 代 碼 以 在用 戶(hù) 的 應(yīng) 用 程 序 中 使 用 ； （ 7） 觀 察 用 戶(hù) 的 傳 感 器 的 連 接 圖 。 圖 9

40、-16 DAQ Assistant選 板 圖 9-17 放 置 DAQ助 手 將 自 動(dòng) 進(jìn) 入 MAX界 面 使 用 DAQ Assistant Express VI構(gòu) 建數(shù) 據(jù) 采 集 VI的 通 用 過(guò) 程 如 下 ： （ 1） 打 開(kāi) 一 個(gè) 新 的 VI； （ 2） 在 框 圖 中 置 DAQ Assistant Express VI； （ 3） 出 現(xiàn) DAQ Assistant以 配 置 測(cè) 量 任 務(wù) ； （ 4） 配 置 、 命 名 及 測(cè) 試 NI-DAQmx任 務(wù) ； （ 5） 單 擊 OK按 鈕 已 返 回 框 圖 ； （ 6） 編 輯 前 面 板 和 框 圖 完 成

41、VI； （ 7） 如 果 需 要 的 話(huà) ， 生 成 NI-DAQmx Task Name控 件 以 便 在 其 他 應(yīng) 用 中 使 用 該 任 務(wù) 。 圖 9-18 配 置 完 成 后 的 DAQ助 手 界 面 在 DAQ Assistant中 可 以 選 擇 測(cè) 量 類(lèi) 型 ，包 括 模 擬 輸 入 、 模 擬 輸 出 、 數(shù) 字 輸 入 /輸 出 、計(jì) 數(shù) 器 輸 入 和 計(jì) 數(shù) 器 輸 出 。 1模擬輸入 模 擬 輸 入 用 于 實(shí) 施 模 數(shù) 轉(zhuǎn) 換 。 在 DAQ Assistant中 單 擊 Analog Input進(jìn) 入 下 一 級(jí)子 選 板 ， 該 選 板 中 列 舉 了 模

42、 擬 輸 入 可 能 的測(cè) 量 類(lèi) 型 窗 口 ： 電 壓 、 溫 度 、 壓 力 、 電 流 、阻 抗 、 頻 率 以 及 自 定 義 的 激 勵(lì) 電 壓 。 一 旦 將 所 選 的 虛 擬 通 道 添 加 到 用 戶(hù) 任務(wù) 中 就 會(huì) 打 開(kāi) DAQ Assistant設(shè) 置 及 測(cè) 試屏 。 DAQ Assistant的 較 低 部 分 有 兩 個(gè) 標(biāo)簽 ： Task Timing（ 任 務(wù) 定 時(shí) ） 和 Task Triggering（ 任 務(wù) 觸 發(fā) ） 。 配 置 定 時(shí) 和 觸 發(fā)是 配 置 DAQmx任 務(wù) 的 一 個(gè) 重 要 步 驟 。 （1）任務(wù)定時(shí) 將任務(wù)定時(shí)以采集單個(gè)

43、采樣、n個(gè)采樣或連續(xù)采樣。 （2）任務(wù)觸發(fā) 三種啟動(dòng)觸發(fā)器：模擬邊緣、模擬窗和數(shù)字邊緣。 2模擬輸出 模 擬 輸 出 用 于 實(shí) 現(xiàn) 數(shù) 模 轉(zhuǎn) 換 。 實(shí) 現(xiàn) 模 擬 輸 出 DAQmx任 務(wù) 配 置 的 基 本步 驟 與 模 擬 輸 入 相 同 。 在 DAQ Assistant中 單 擊 Analog Output打 開(kāi) 顯 示 模 擬 輸 出可 用 類(lèi) 型 的 屏 幕 ： 電 壓 和 電 流 。 模 擬 輸 出同 樣 需 要 配 置 任 務(wù) 定 時(shí) 和 觸 發(fā) 。 （1）任務(wù)定時(shí) （2）任務(wù)觸發(fā) 圖 9-19 DAQ助 手 的 使 用 本章小結(jié) 本 章 主 要 介 紹 了 數(shù) 據(jù) 采 集 的 一 些 基 礎(chǔ)知 識(shí) ， 如 數(shù) 據(jù) 采 集 系 統(tǒng) 的 構(gòu) 成 、 不 同 的 信號(hào) 類(lèi) 型 與 信 號(hào) 處 理 方 法 ， 同 時(shí) 結(jié) 合 具 體 的數(shù) 據(jù) 采 集 板 卡 介 紹 其 安 裝 過(guò) 程 ， 最 后 對(duì) 數(shù)據(jù) 采 集 VI的 組 織 結(jié) 構(gòu) 、 數(shù) 據(jù) 采 集 助 手 進(jìn) 行了 詳 細(xì) 的 介 紹 。 通 過(guò) 本 章 的 學(xué) 習(xí) ， 讀 者 可以 初 步 了 解 數(shù) 據(jù) 采 集 板 卡 的 操 作 與 配 置 ，并 熟 悉 數(shù) 據(jù) 采 集 助 手 的 使 用 方 法 。