《LabVIEW程序设计与虚拟器》课件第6章.ppt

1、第6章 数据采集第第6 6章章 数据采集数据采集6.1 数据采集基础数据采集基础 6.2 模拟模拟I/O 6.3 DAQ VI的组织结构的组织结构 6.4 DAQ设备的安装与配置设备的安装与配置 6.5 模拟输入模拟输入 6.6 模拟输出模拟输出 6.7 数字数字I/O 6.8 基于声卡的数据采集基于声卡的数据采集 习题习题6 第6章 数据采集随着计算机的广泛应用和总线技术的快速发展，基于PC的数据采集(Data Acquisition，以下简称DAQ)显得更为重要，它是计算机与外部物理世界连接的桥梁。数据采集是LabVIEW的核心技术之一，LabVIEW提供了丰富的数据采集软件资源，使其在测

2、量领域发挥强大的功能。第6章 数据采集6.1 数据采集基础数据采集基础6.1.1 DAQ系统的构成系统的构成DAQ系统的基本任务是物理信号的产生或测量，但是要使计算机系统能够测量物理信号，必须要使用传感器把物理信号转换成电信号(电压或者电流信号)。有时不能把被测信号直接连接到DAQ卡，而必须使用信号调理辅助电路，先将信号进行一定的处理。总之，数据采集是借助软件来控制整个DAQ系统的，其中包括采集原始数据、分析数据、给出结果等。图6-1所示为插入式DAQ卡，除此以外，还有外接式DAQ系统。这样，就不需要在计算机内部插槽中插入板卡，此时，计算机与DAQ系统之间的通信可以通过各种不同的总线，如并行口

3、或者PCMCIA等来完成。这种结构适用于远程数据采集和控制系统。第6章 数据采集图6-1 典型的数据采集系统 第6章 数据采集转换器(传感器)感应物理现象并生成数据采集系统可测量的电信号。例如，热电偶、电阻式测温计(RTD)、热敏电阻器和IC传感器可以把温度转变为模拟/数字转化器(analog-to-digital，ADC)可测量的模拟信号。其他例子包括应力计、流速传感器、压力传感器等，它们可以相应地测量应力、流速和压力。在所有这些情况下，传感器可以生成和它们所检测的物理量呈比例的电信号。为了适合数据采集设备的输入范围，由传感器生成的电信号必须经过处理。为了更精确地测量信号，信号调理配件能放大

4、低电压信号，并对信号进行隔离和滤波。此外，某些传感器需要有电压或电流激励源来生成电压输出。第6章 数据采集6.1.2 信号调理信号调理当测量某一物理现象时，传感器将被测试对象转换为电信号，比如电压或电流。从传感器得到的信号并不一定适合DAQ系统，大多要经过调理才能进入数据采集设备，如图6-2所示。信号调理功能包括放大、隔离、滤波、激励、线性化等。由于不同传感器有不同的特性，因此，除了这些通用功能，还要根据具体传感器的特性和要求来设计特殊的信号调理功能。常见传感器或信号的信号调理系统如图6-3所示，本节将介绍信号调理的基本功能。第6章 数据采集图6-2 信号调理的作用示例第6章 数据采集图6-3

5、 常见传感器或信号的信号调理系统 第6章 数据采集1放大放大微弱信号都要进行放大，以提高分辨率和降低噪声，使调理后信号的电压范围和A/D的电压范围相匹配。信号调理模块应尽可能地靠近信号源或传感器，以使信号在受到传输信号的环境噪声影响之前已被放大，使信噪比(SNR)得到改善，如图6-4所示。2隔离隔离隔离是指使用变压器、光或电容耦合等方法在被测系统和测试系统之间传递信号，避免直接的电连接。使用隔离的原因有两个：一是从安全的角度考虑；一是隔离可使从数据采集卡读出来的数据不受地电位和输入模式的影响。如果数据采集卡的地与信号地之间有电位差，而又不进行隔离，那么就有可能形成接地回路，引起误差。常见的隔离

6、方法如图6-5所示。第6章 数据采集图6-4 信号放大的方法 第6章 数据采集图6-5 信号隔离的方法 第6章 数据采集3滤波滤波滤波的目的是从所测量的信号中除去不需要的成分。大多数信号调理模块有低通滤波器，用来滤除噪声。通常还需要抗混叠滤波器，滤除信号中感兴趣的最高频率以上的所有频率的信号。某些高性能的数据采集卡自身带有抗混叠滤波器。4激励激励信号调理也能够为某些传感器提供所需的激励信号，比如应变传感器、热敏电阻等需要外界电源或电流激励信号。很多信号调理模块都提供电流源和电压源以便给传感器提供激励。5线性化线性化许多传感器对被测量的响应是非线性的，因而需要对其输出信号进行线性化，以补偿传感器

7、带来的误差。目前的趋势是，数据采集系统利用软件来解决这一问题。第6章 数据采集6.1.3 输入信号类型输入信号类型数据采集前，必须对所采集的信号的特性有所了解，因为不同信号的测量方式和对采集系统的要求是不同的，只有了解被测信号，才能选择合适的测量方式和采集系统配置。任意一个信号都是随时间而改变的物理量。一般情况下，信号所运载的信息是很广泛的，比如状态(state)、速率(rate)、电平(level)、形状(shape)、频率成分(frequency content)等。根据信号运载信息方式的不同，可以将信号分为模拟信号和数字信号。数字(二进制)信号分为开关信号和脉冲信号。模拟信号可分为直流、

8、时域、频域信号，如图6-6所示。第6章 数据采集图6-6 信号分类 第6章 数据采集1数字信号数字信号第一类数字信号是开关信号。一个开关信号运载的信息与信号的瞬间状态有关。TTL信号就是一个开关信号，一个TTL信号如果在2.05.0 V之间，就定义它为逻辑高电平，如果在00.8 V之间，就定义为逻辑低电平。第二类数字信号是脉冲信号。这种信号包括一系列的状态转换，信息就包含在状态转化发生的数目、转换速率、一个转换间隔或多个转换间隔的时间里。安装在马达轴上的光学编码器的输出就是脉冲信号。有些装置需要数字输入，比如一个步进式马达就需要一系列的数字脉冲作为输入来控制位置和速度。2模拟直流信号模拟直流信

9、号模拟直流信号是静止的或变化非常缓慢的模拟信号。直流信号最重要的信息是它在给定区间内运载的信息的幅度。常见的直流信号有温度、流速、压力、应变等。采集系统在采集模拟直流信号时，需要有足够的精度以正确测量信号电平，由于直流信号变化缓慢，用软件计时就够了，不需要使用硬件计时。第6章 数据采集3模拟时域信号模拟时域信号模拟时域信号与其他信号不同之处在于，它在运载信息时不仅有信号的电平，还有电平随时间的变化。在测量一个时域信号时，也可以说是一个波形，需要关注一些有关波形形状的特性，比如斜率、峰值等。为了测量一个时域信号，必须有一个精确的时间序列，序列的时间间隔也应该合适，以保证信号的有用部分被采集到。要

10、以一定的速率进行测量，这个测量速率要能跟上波形的变化。用于测量时域信号的采集系统包括一个A/D、一个采样时钟和一个触发器。A/D的分辨率要足够高，保证采集数据的精度，带宽要足够高，用于高速率采样；精确的采样时钟，用于以精确的时间间隔采样；触发器使测量在恰当的时间开始。模拟时域信号包括许多不同的时域信号，比如心脏跳动信号、视频信号等，测量它们通常是因为对波形的某些方面的特性感兴趣。第6章 数据采集4模拟频域信号模拟频域信号模拟频域信号与时域信号类似，然而，从频域信号中提取的信息是基于信号的频域内容，而不是基于波形的形状的，也不具有随时间变化的特性。用于测量一个频域信号的系统必须有一个A/D、一个

11、简单时钟和一个用于精确捕捉波形的触发器。系统必须有必要的分析功能，用于从信号中提取频域信息。为了实现这样的数字信号处理，可以使用应用软件或特殊的DSP硬件来迅速而有效地分析信号。模拟频域信号也很多，比如声音信号、地球物理信号、传输信号等。上述信号分类不是互相排斥的。一个特定的信号可能运载有不只一种信息，可以用几种方式来定义信号并测量它，用不同类型的系统来测量同一个信号，从信号中取出需要的各种信息。第6章 数据采集6.1.4 模拟输入信号的连接方式模拟输入信号的连接方式 一个电压信号可以分为接地和浮动两种类型。测量系统可以分为差分(Differential)、参考地单端(RSE)、无参考地单端(

12、NRSE)三种类型。1接地信号和浮动信号接地信号和浮动信号1)接地信号接地信号就是将信号的一端与系统地连接起来，如大地或建筑物的地。因为信号用的是系统地，所以与数据采集卡是共地的。接地最常见的例子是通过墙上的接地引出线，如信号发生器和电源。第6章 数据采集2)浮动信号一个不与任何地(如大地或建筑物的地)连接的电压信号称为浮动信号，浮动信号的每个端口都与系统地独立。一些常见的浮动信号的例子有电池、热电偶、变压器和隔离放大器。2测量系统分类测量系统分类1)差分测量系统在差分测量系统中，信号输入端与一个模入通道相连接。具有放大器的数据采集卡可配置成差分测量系统。图6-7描述了一个8通道的差分测量系统

13、，用一个放大器通过模拟多路转换器进行通道间的转换。标有AIGND(模拟输入地)的管脚就是测量系统的地。第6章 数据采集图6-7 差分测量系统 第6章 数据采集 一个理想的差分测量系统仅能测出(+)和(-)输入端口之间的电位差，完全不会测量到共模电压。然而，实际应用的板卡却限制了差分测量系统抵抗共模电压的能力，数据采集卡的共模电压的范围限制了相对于测量系统地的输入电压的波动范围。共模电压的范围关系到一个数据采集卡的性能，可以用不同的方式来消除共模电压的影响。如果系统共模电压超过允许范围，需要限制信号地与数据采集卡地之间的浮地电压，以避免测量数据错误。2)参考地单端测量系统(RSE)一个RSE测量

14、系统也叫做接地测量系统，被测信号一端接模拟输入通道，另一端接系统地AIGND。图6-8所示为一个16通道的RSE测量系统。第6章 数据采集图6-8 参考地单端测量系统 第6章 数据采集3)无参考地单端测量系统(NRSE)在NRSE测量系统中，信号的一端接模拟输入通道，另一端接一个公用参考端，但这个参考端电压相对于测量系统的地来说是不断变化的。图6-9所示为一个NRSE测量系统，其中AISENSE是测量的公共参考端，AIGND是系统的地。3选择合适的测量系统选择合适的测量系统两种信号源和三种测量系统一共可以组成六种连接方式，如表6.1所示。一般来说，浮动信号和差动连接方式可能较好，但实际测量时还

15、要看情况而定。第6章 数据采集图6-9 无参考地单端测量系统第6章 数据采集表表6.1 信号源和测量系统的连接方式信号源和测量系统的连接方式第6章 数据采集1)测量接地信号测量接地信号最好采用差分或NRSE测量系统。如果采用RSE测量系统，将会给测量结果带来较大的误差。图6-10展示了用一个RSE测量系统去测量一个接地信号源的弊端。在该测量系统中，测量电压Vm是测量信号电压Vs和电位差DVg之和，其中DVg是信号地和测量地之间的电位差，这个电位差来自于接地回路电阻，可能会造成数据错误。一个接地回路通常会在测量数据中引入频率为电源频率的交流和偏置直流干扰。一种避免接地回路形成的办法就是在测量信号

16、前使用隔离方法，测量隔离之后的信号。如果信号电压很高，并且信号源和数据采集卡之间的连接阻抗很小，也可以采用RSE系统，因为此时接地回路电压相对于信号电压来说很小，信号源电压的测量值受接地回路的影响可以忽略。第6章 数据采集图6-10 RSE测量系统引入接地回路电压 第6章 数据采集2)测量浮动信号 可以用差分、RSE、NRSE方式测量浮动信号。在差分测量系统中，应该保证相对于测量地的信号的共模电压在测量系统设备允许的范围之内。如果采用差分或NRSE测量系统，放大器输入偏置电流会导致浮动信号电压偏离数据采集卡的有效范围。为了稳住信号电压，需要在每个测量端与测量地之间连接偏置电阻，如图6-11所示

17、。这样就为放大器输入到放大器的地提供了一个直流通路。这些偏置电阻的阻值应该足够大，这样使得信号源可以相对于测量地浮动。对低阻抗信号源来说，10100 k的电阻比较合适。第6章 数据采集图6-11 增加偏置电阻 第6章 数据采集 如果输入信号是直流，就只需要用一个电阻将(-)端与测量系统的地连接起来。然而，如果信号源的阻抗相对较高，就免除干扰的角度而言，这种连接方式会导致系统不平衡。在信号源的阻抗足够高的时候，应该选取两个等值电阻，一个连接信号高电平(+)到地，一个连接信号低电平(-)到地。如果输入信号是交流，就需要两个偏置电阻，以达到放大器的直流偏置通路的要求。总的来说，不论测接地还是浮动信号

18、，差分测量系统是很好的选择，因为它不但避免了接地回路干扰，还避免了环境干扰。相反，RSE系统却允许两种干扰的存在，在所有输入信号都满足以下指标时，可以采用RSE测量方式。第6章 数据采集(1)输入信号是高电平(一般要超过1 V)；(2)连线比较短(一般小于5 m)并且环境干扰很小或屏蔽良好；(3)所有输入信号都与信号源共地。当有一项不满足要求时，就要考虑使用差分测量方式。另外需要明确，电池、RTD、应变片、热电偶等信号源的阻抗很小，可以将这些信号源直接连接到数据采集卡上或信号调理硬件上。直接将高阻抗的信号源接到插入式板卡上会导致出错。为了测量更准确，输入信号源的阻抗应与插入式数据采集卡的阻抗相

19、匹配。第6章 数据采集6.1.5 采样定理与抗混叠滤波器采样定理与抗混叠滤波器假设现在对一个模拟信号x(t)每隔t时间采样一次。时间间隔t被称为采样间隔或者采样周期，它的倒数1/t被称为采样频率，单位是采样数/秒。其中，t=0，t，2t，3t，对应x(t)的采样值为x(0)，x(t)，x(2t)，x(3t)，。这样，信号x(t)可以用一组分散的采样值来表示：x(0)，x(t)，x(2t)，x(3t)，x(kt)，(6.1)图6-12所示为一个模拟信号和它采样后的采样值，采样间隔是t。注意，采样点在时域上是分散的。第6章 数据采集图6-12 模拟信号和采样显示第6章 数据采集如果对信号x(t)采

20、集N个采样点，那么x(t)就可以表示为X=x(0)，x1，x2，x3，xN-1 (6.2)这个数列被称为信号x(t)的数字化显示或者采样显示。注意，这个数列中仅用下标变量编制索引，而不含有任何关于采样率(或t)的信息。所以，如果只知道该信号的采样值，并不能知道它的采样率，缺少了时间尺度,也不可能知道信号x(t)的频率。根据采样定理，最低采样频率必须是信号频率的两倍。反过来说，如果给定了采样频率，那么能够正确显示信号而不发生畸变的最大频率(奈奎斯特频率)是采样频率的一半。如果信号中包含频率高于奈奎斯特频率的成分，信号将在直流和奈奎斯特频率之间畸变。图6-13所示为一个信号分别用合适的采样率和过低

21、的采样率进行采样的结果。第6章 数据采集图6-13 不同采样率的采样结果 第6章 数据采集采样率过低的结果是还原的信号的频率看上去与原始信号不同。这种信号畸变叫做混叠(alias)。出现的混频偏差(alias frequency)是输入信号的频率和最靠近的采样率整数倍的差的绝对值。图6-14给出了一个例子，假设采样频率fs是100 Hz，信号中含有25、70、160和510 Hz的成分。采样的结果将会是低于奈奎斯特频率(fs/2=50 Hz)的信号可以被正确采样，而频率高于50 Hz的信号成分采样时会发生畸变，分别产生了30、40和10 Hz的畸变频率F2、F3和F4。计算混频偏差的公式为混频

22、偏差=ABS(采样频率的最近整数倍输入频率)第6章 数据采集其中，ABS表示“绝对值”，例如：混频偏差F2=|100-70|=30 Hz混频偏差F3=|(2)100-160|=40 Hz混频偏差F4=|(5)100-510|=10 Hz为了避免这种情况的发生，通常在信号被采集(A/D)之前，通过一个低通滤波器，将信号中高于奈奎斯特频率的信号成分滤去。在图6-14所示的例子中，这个滤波器的截止频率是25 Hz，这个滤波器称为抗混叠滤波器。较长时间使用很高的采样率可能会导致没有足够的内存或者硬盘存储数据太慢。理论上设置采样频率为被采集信号最高频率成分的2倍就够了，实际工程中选用510倍，有时为了较

23、好地还原波形，甚至更高一些。第6章 数据采集图6-14 说明混叠的例子 第6章 数据采集通常，信号采集后都要去做适当的信号处理，例如FFT等。这里对样本数又有一个要求，一般不能只提供一个信号周期的数据样本，希望有510个周期，甚至更多的样本。并且希望所提供的样本总数是整周期个数的。这里又发生一个困难，有时并不知道，或不确切知道被采信号的频率，因此不但采样率不一定是信号频率的整倍数，也不能保证提供整周期数的样本，所提供的仅仅是一个时间序列的离散的函数x(n)和采样频率，这是测量与分析的唯一依据。第6章 数据采集6.2 模模 拟拟 I/O当采用DAQ卡测量模拟信号时，必须考虑输入模式(单端输入或者

24、差分输入)、分辨率、输入范围、采样速率、精度和噪声等因素。为了更好地理解模入，需要了解信号数字化过程中分辨率、电压范围、增益等参数对采集信号质量的影响。1分辨率分辨率(Resolution)分辨率就是用来进行模/数(A/D)转换的位数，A/D的位数越多，分辨率就越高，可区分的最小电压就越小。分辨率要足够高，数字化信号才能有足够的电压分辨能力，才能比较好地恢复原始信号。例如，图6-15所示的是一个正弦波信号第6章 数据采集用三位模/数转换所获得的数字结果，三位模/数转换把输入范围细分为23或者8份，二进制数从000到111分别代表每一份。显然，此时数字信号不能很好地表示原始信号，因为分辨率不够高

25、，许多变化在模/数转换过程中丢失了。然而，如果把分辨率增加为16位，模/数转换的细分数值就可以从8增加到216即65536，它就可以相当准确地表示原始信号。2电压范围电压范围(Range)电压范围由A/D能数字化的模拟信号的最高和最低的电压决定。一般情况下，采集卡的电压范围是可调的，所以可选择和信号电压变化范围相匹配的电压范围，以充分利用分辨率范围，得到更高的精度。比如，对于一个3位的A/D，在选择010 V范围时，它将10 V分为8等份；如果选择范围为-10+10 V，同一个A/D就得将20 V分为8等份，能分辨的最小电压就从1.25 V上升到2.50 V，这样信号复原的效果就更差了。第6章

26、 数据采集图6-15 16-bit与3-bit分辨率(5 kHz正弦波)第6章 数据采集3增益增益(Gain)增益主要用于在信号数字化之前对衰减的信号进行放大。使用增益，可以等效地降低A/D的输入范围，使它能尽量将信号分为更多的等份，基本达到满量程，这样可以更好地复原信号。增益表示输入信号被处理前放大或缩小的倍数。给信号设置一个增益值，就可以实际减小信号的输入范围，使模/数转换能尽量地细分输入信号。图6-16所示为给信号设置增益值的效果。当增益=1时，模/数转换只能在5 V范围内细分成4等份；而当增益=2时，就可以细分成8等份，这样精度就大大地提高了。但是必须注意，此时实际允许的输入信号范围为

27、05 V。一旦超过5 V，当乘以增益2以后，输入到模/数转换的数值就会大于允许值10 V。第6章 数据采集图6-16 设置增益值的效果 第6章 数据采集对同样的电压输入范围，大信号时量化误差小，而小信号时量化误差大。当输入信号不接近满量程时，量化误差会相对加大。例如：输入只为满量程的1/10时，量化误差相应扩大10倍。一般使用时，要通过选择合适的增益，使得输入信号动态范围与A/D的电压范围相适应。当信号的最大电压加上增益后超过了板卡的最大电压，超出部分将被截断而读出错误的数据。NI公司的采集卡选择增益是在LabVIEW中通过设置信号输入限制(Input limits)来实现的，LabVIEW会

28、根据选择的输入限制和输入电压范围的大小来自动选择增益的大小。总之，输入范围、分辨率以及增益决定了输入信号可识别的最小模拟变化量。此最小模拟变化量对应于数字量的最小位上的0.1变化，通常叫做转换宽度(Code Width)。其计算方法是：输入范围/(增益2分辨率)。第6章 数据采集一个采集卡的分辨率、范围和增益决定了可分辨的最小电压，它表示为1 LSB。例如，某采集卡的分辨率为12位，范围取010 V，增益取100，则这样，在数字化过程中，最小能分辨的电压就为24 V。10 V1 LSB24V100 4096第6章 数据采集6.3 DAQ VI的组织结构的组织结构 LabVIEW DAQ VI组

29、织为两个选项板，分别为传统NI-DAQ和NI-DAQmx,传统NI-DAQ如图6-17所示。(1)简易模入VIs(Ease Analog VIs)。该行的四个模块执行简单的模入操作。它们可以作为单独的VI，也可以作为subVI来使用。这些模块可以自动发出错误警告信息，在对话框中可以选择中断运行或忽略。(2)中级模入VIs(Intermediate Analog Input VIs)。中级模入与简易模入不同的是在简易模入中的一个操作AI Input，这里细分为AI Config、AI Start、AI Read、AI Single Scan以及AI Clear。它可以描述更加细致、复杂的操作。第

30、6章 数据采集图6-17 传统NI-DAQ模拟输入模板第6章 数据采集(3)通用模入VIs(Analog Input Utility VIs)。这里提供了三个常用的VIs，即AI Read One Scan、AI Waveform Scan及AI Continuous Scan。使用一个VI就可以解决一个普通的模入问题，方便但缺乏灵活性。这三个VIs是由中级模入构成的。(4)高级模入VIs(Advanced Analog Input VIs)。这些VIs是NI-DAQ数据采集软件的界面，是上面三种类型VIs的基础。一般情况下，用户不需要直接使用这个功能。NI-DAQmx VI是一种多态VI的特

31、殊VI，也是可以适应不同DAQ功能的一组核心VI，如模拟输入、模拟输出、数字I/O等。图6-18所示为DAQmx选项板。第6章 数据采集图6-18 NI-DAQmx VI模板 第6章 数据采集6.4 DAQ设备的安装与配置设备的安装与配置6.4.1 数据采集卡的功能数据采集卡的功能一个典型的数据采集卡的功能有模拟输入、模拟输出、数字I/O、计数器/计时器等(见图6-19)，这些功能分别由相应的电路来实现。模拟输入是采集最基本的功能。它一般由多路开关(MUX)、放大器、采样保持电路以及A/D来实现，通过这些部分，一个模拟信号就可以转化为数字信号。A/D的性能和参数直接影响着模拟输入的质量，要根据

32、实际需要的精度来选择合适的A/D。第6章 数据采集图6-19 典型数据采集设备的组成第6章 数据采集模拟输出通常是为采集系统提供激励。输出信号受数/模转换器(D/A)的建立时间、转换率、分辨率等因素影响。建立时间和转换率决定了输出信号幅值改变的快慢。建立时间短、转换率高的D/A可以提供一个较高频率的信号。如果用D/A的输出信号去驱动一个加热器，就不需要使用速度很快的D/A，因为加热器本身就不能很快地跟踪电压变化，应该根据实际需要选择D/A的参数指标。数字I/O通常用来控制过程、产生测试信号、与外设通信等，它的重要参数包括数字口路数(line)、接收(发送)率、驱动能力等。如果输出用于驱动电机、

33、灯、开关型加热器等用电器，就不必用较高的数据转换率。路数要能同控制对象配合，而且需要的电流要小于采集卡所能提供的驱动电流。但第6章 数据采集加上合适的数字信号调理设备，仍可以用采集卡输出的低电流的TTL电平信号去监控高电压、大电流的工业设备。数字I/O常见的应用是在计算机和外设，如打印机、数据记录仪等之间传送数据。另外一些数字口为了同步通信的需要还有“握手”线。路数、数据转换速率、“握手”能力都是应理解的重要参数，应依据具体的应用场合而选择有合适参数的数字I/O。许多场合都要用到计数器，用于定时、产生方波等。计数器包括三个重要信号，即门限信号、计数信号、输出。门限信号实际上是触发信号使计数器工

34、作或不工作；计数信号也即信号源，它提供了计数器操作的时间基准；输出是在输出线上产生的脉冲或方波。计数器最重要的参数是分辨率和时钟频率，高分辨率意味着计数器可以计更多的数；时钟频率决定了计数的快慢，频率越高，计数速度就越快。第6章 数据采集6.4.2 数据采集卡的设置与测试数据采集卡的设置与测试 NI公司提供了一个数据采集卡的配置工具软件Measurement&Automation Explorer，它可以配置NI公司的软件和硬件，比如执行系统测试和诊断、增加新通道和虚拟通道、设置测量系统的方式、查看所连接的设备等。数据采集设备要根据测试的条件和测试的目的进行正确的设置才能正常工作，数据采集系统

35、进行调试和运行时发生错误则需要对数据采集设备进行测试，以排除故障。本书以NI公司的数据采集产品NI-6008DAQ为例，说明数据采集设备的设置与测试方法。1采集设备的安装采集设备的安装NI-6008DAQ数据采集卡为USB接口设备，首先安装驱动第6章 数据采集软件，如图6-20所示。然后连接好数据采集卡，并且保证计算机中已经安装好LabVIEW和NI-DAQmx，在Measurement&Automation ExplorerConfigurationMy SystemDevices and InterfacesNI-DAQmx Devices中可以找到NI USB-6008 数据采集卡，如图

36、6-21所示。2采集卡的测试采集卡的测试在Measurement&Automation ExplorerConfigurationMy SystemDevices and InterfacesNI-DAQmx Devices中选择NI USB-6008，可以进行采集卡的自检、复位和面板测试等操作，如图6-22所示。自检和复位通过界面如图6-23所示。选择“Test Panels”，就可以对采集卡进行测试，如图6-24所示。用测试面板可以检验该设备是否正常运行，如检测获取和产生信号的能力。选择“Analog Input”，输入通道选择“Dev1/ai0”，输入电压范围选择20 V，输入配置选择差

37、分输入，随机发生波形。测试板显示信息说明设备工作正常。第6章 数据采集图6-20 NI USB-6008驱动软件安装界面 第6章 数据采集图6-21 NI USB-6008的安装 第6章 数据采集图6-22 NI USB-6008的测试菜单第6章 数据采集图6-23 NI USB-6008自检和复位通过界面 第6章 数据采集图6-24 NI USB-6008的测试面板第6章 数据采集3数据采集卡的任务配置数据采集卡的任务配置实际的通道是指采集卡的输入/输出端子，使用实际通道可以测量或产生模拟或数字信号。数据采集中的主要任务是将有定时、触发和其他属性的通道集合，产生的方法主要有两种。方法一：在N

38、I USB-6008上选择快捷菜单，通过NI-DAQmx选择“Create Task”进行任务配置，如图6-25所示。方法二：打开新的VI，在框图程序中找到DAQ Assistant Express VI，路径如图6-26所示。将DAQ Assistant Express VI放置到空白的VI上就可以对采集卡进行配置，配置界面如图6-27所示。第6章 数据采集图6-25 通过NI-DAQmx配置NI USB-6008 第6章 数据采集图6-26 框图中的DAQ Assistant Express VI 第6章 数据采集图6-27 通过DAQ Assistant Express VI配置NI U

39、SB-6008 第6章 数据采集6.5 模模 拟拟 输输 入入通过上节讲述的两种方法，进入任务配置页面后，就可进行模拟信号输入/输出、计数器输入/输出、数字I/O以及传感器任务的配置，如图6-28所示。当进行模拟输入的配置时，选择“Analog Input”，如选择“Voltage”创建新的电压模拟输入任务，进入图6-29所示界面，可以找到ai0,ai1,列表，选择并单击完成。此时，DAQ Assistant打开了如图6-30所示的窗口，用于显示所选通道的配置选项，可以设置电压测试范围、采集点数、采集方式等选项。第6章 数据采集图6-28 NI USB-6008 任务配置的设置 第6章 数据采

40、集图6-29 模拟输入I/O选择 第6章 数据采集图6-30 采集通道的配置选项 第6章 数据采集模拟输入除电压以外还可以选择温度、压力、电流、频率等信号类型。每种测量类型都有自身的特点，应该根据测试需要设置采集参数。1任务定时任务定时进行模拟输入时，可以将任务定时进行单点采样、N点采样或连续采样。如果是定时监测，可以选用单点采样的方式，对多个点使用单点采样方式，效率低，时间慢，无法精确控制，因此，应采用N点采样的方式。要想在采样时观察、处理或记录其他采样点，则应该设置为连续采样模式。2任务触发任务触发DAQ Assistant 提供了三种触发方式：模拟边沿触发、模拟窗触发和数字边沿触发。在参

41、考点前采集的数据为预触发数据，在参考点后采集的数据为后触发数据。第6章 数据采集6.6 模模 拟拟 输输 出出模拟输出的目的是实现D/A转换，可通过DAQ Assistant进入采集卡任务配置界面(见图6-27)选择Generate SignalsAnalog Output，可以选择输出信号的种类有电压信号或电流信号。配置任务的方法与模拟输入基本相同，也需要对任务定时和触发方式进行设置。【例6.1】使用DAQ设备产生模拟电压的VI，以1 V为增量输出05 V。实现步骤如下：(1)编写主要框图程序，程序以For循环为框架，每次循环延时1 s。选择函数用来判断循环的终止条件，如果是最后一次循环，则

42、输出为0。第6章 数据采集(2)添加DAQ Assistant，并对电压范围和采样点数进行任务配置，如图6-31所示。(3)运行程序并连接外部设备，测量模拟输出是否与程序运行结果一致。程序框图如图6-32所示。第6章 数据采集图6-31 模拟输出的任务配置 第6章 数据采集 图6-32 例6.1程序框图 第6章 数据采集6.7 数数 字字 I/ODAQ 设备中的数字I/O由产生或接收的二进制信号构成，通常用于仪器过程控制和外围设备通信。数字连线一般情况下分组为多个端口，同一端口中的所有连线必须同时是输入或者输出。由于一个端口包含多条数字连线，可以通过端口读、写的同时设置或读取连线的状态。在某些

43、DAQ设备中，可以独立地将连线配置为测量或生成数字文件。每条连线都与任务的通道相对应，可以使用DAQ设备中的数字连线采集基于软件定时的数字值。在某些设备中，可以独立地将连线配置为测量或生成数字样本，每条连线都与任务通道相对应。第6章 数据采集6.8 基于声卡的数据采集基于声卡的数据采集 声卡可以看做是在声音范围内的数据采集卡，是计算机与外部环境联系的重要途径。如果测量信号在音频范围内，测试精度要求不高，可以采用使用声卡进行数据采集的方法。在LabVIEW中提供了声卡操作的函数，如图6-33所示。图6-34所示是用声卡实现双声道数据采集仪，该程序不但可以采集声音信号，还能进行时域波形和频谱分析波

44、形的显示，想对某一时刻的数据波形保存时可以先选择停止，再选择保存。不同功能的切换是通过Tab Control 来实现的。第6章 数据采集图6-33 Sound VI第6章 数据采集第6章 数据采集图6-34 基于声卡的数据采集仪第6章 数据采集 程序首先对声卡的主要参数进行配置，包括声道、位数、缓冲区等。信号经过SI Config 和SI Start后进入While 循环。若为16位声卡，SI Read 输出的信号是032768之间的整数，需要进行标定，标定后的数据再建立波形输出。程序中还对采集到的信号进行了频谱分析和统计分析。当循环停止后，程序继续运行SI Stop和SI Clear直到结束

45、。程序中还编写有显示波形的时基控制部分，便于查看波形的细节。注意：其中关于属性节点的使用在书中第8章有描述，读者需学习完后面的章节再分析相应的程序。第6章 数据采集习习 题题 66.1 若采样一个在80120 mV之间变化的信号，数据采集卡的量程可以设为010 V、10 V和5 V。如果采集卡的分辨率为12位，则应如何选择量程以获取最大测试精度？6.2 打开Measurement&Automation Explorer在Devices and InterfacesNI-DAQmx Devices中选择DAQ设备，并选择“Test Panels”，就可以对采集卡进行测试，观察连接到DAQ设备的信号。6.3 使用DAQ Assisant 实现DAQ设备输出连续模拟正弦信号，要求信号幅度为2 V，频率为1 kHz。6.4 使用声卡实现单通道波形采集和显示，并能够分析采集信号的最值和频率信息。