LabVIEW编程及虚拟仪器设计

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1、第6讲数据采集 （上）,LabVIEW编程及虚拟仪器设计,第4讲内容回顾,图形显示 波形图（Graph，新替换旧），波形图表（Chart，新接续在旧后）， XY图，强度图（用颜色表示第3维数据） Express VI（快速VI） 通过对话框配置参数，输入或输出DDT类型（近似为波形数组） 局部变量和全局变量 局部变量：打破输入和输出显示控件的读写限制 全局变量：在VI文件之间共享数据 注意并行运行程序段（读写同一数据）间的竞态条件 属性节点，通过编程动态读取/设置前面板控件属性,本讲内容,数据采集基本概念 MAX的使用 DAQ助手 数据采集程序示例（基于DAQ助手） 仿真DAQ设备,数据采集概

2、念,数据采集 DAQ Data Acquisition 测量电学量（电压、电流）和其他物理量（温度、压力）的过程。各种非电物理量通常采用传感器转化为电信号，之后通过A/D转换，转化为计算机能够处理的数字量（一次转换生成一个采样点）。通常以一定的时间间隔对随时间连续变化的信号进行等间隔采样，转化为数字信号,随时间连续变化的信号（已经转为电信号，非周期信号）,通过采样得到的数字信号,数据采集概念,基于数据采集的测试系统简介 系统组成,虚拟仪器及系统的软件,所需软件包括（从最底层到最顶层）： 硬件（如数据采集卡）的驱动程序 应用程序编程接口（API）和工具 LabVIEW软件编程环境 开发者根据功能

3、需求所编写的虚拟仪器程序 利用计算机构建的基于虚拟仪器技术的自动测试系统，软件十分重要，因为软件决定了系统/仪器功能,Software is the Instrument 软件就是仪器,NI-DAQmx,信号调理,数据采集与模块化仪器,传感器和变换器,软件,硬件,硬件实现的有源低通滤波器,独立运放,电位器和开关,两路模出,开关在左,模入,函数发生器,函数发生器和直流电压源电源总开关,函数发生器开关,本课程使用的实验箱,直流电压源,数字I/O,采集卡定时,测量系统信号的输入方式,有关“参考地单端（RSE）”和“无参考地单端（NRSE）”输入方式及用途，可参考其他材料,输入信号,实验中所构建的测量

4、系统，采用差分输入方式 输入信号接在“CH0+”与“CH0-”之间，CH0+即实验箱上的模入端子CH0；CH0-，即模入端子CH8,采样率,采样率每秒（单位时间）采集被测信号的次数 以高采样率采集到的数字信号，能更真实反映原信号。采样率过低时，采得数字信号与原信号差别很大,被采正弦信号自身频率为f,以f采样,以2f采样,以4f/3采样,采样定理：采样频率至少是被测信号中最高频率成分的频率的两倍,采样率,实际中常取510倍,Nyquist frequency,Nyquist rate,可使用的采样率（弧度/s）,带限信号的FT,分辨率,分辨率采集卡能够检测到的被测模拟信号的最小的电平变化量，由数

5、据采集卡的位数（bit数）决定。n-bit的采集卡把输入范围划分为2n份。 本课程所使用PCI-MIO-16E-4数据采集卡的位数为12，即12-bit,输入范围,输入范围由A/D转换器进行数字化的模拟信号电压变化范围，该范围划分为2n份。在数据采集卡位数已确定前提下，应尽可能使输入范围刚好容纳被测信号的变化范围,左图输入范围是010 V，右图输入范围是-1010 V。显然，前者充分利用了采集卡可采集的电压范围，采样效果更好一些,输入范围0 10 V；3bit的采集卡将010 V划分为2的3次方份,输入范围-10 10 V；3bit的采集卡将-1010 V划分为2的3次方份,数据采集卡配置,可

6、利用LabVIEW自带的“测量及自动化浏览器” （Measurement & Automation Explorer MAX）配置数据采集卡,DAQmx设备列表,设备自检,测试设备功能,数据采集卡配置,MAX可实现如下功能： 浏览系统中已安装的数据采集卡，对其进行快速检测（使用测试面板）和配置；每个采集卡都被分配一个设备号 创建新的采集通道、任务、接口和比例参数等 在MAX主界面左栏“我的系统”下的子目录： 数据邻居 - 存储了有关配置和修改任务、虚拟通道的信息 设备和接口 - 可配置本地或远程的数据采集卡、串口及并口等硬件设备 换算 - 用于标定运算 ,通道和任务,通道 物理通道（Physi

7、cal channel）：测量和生成模拟和数字信号的物理接线端或引脚（对差分输入方式，每个物理通道对应2个单端通道；每个数字端口包含8根线） 虚拟通道（Virtual channel）：物理通道和其他通道相关属性的集合，具体包括对应的物理通道、虚拟通道名、信号输入方式（差分/RSE/NRSE等）、输入范围、缩放比例等 虚拟通道的分类 局部（Local） - 存在于某个程序中，仅对该程序可见 全局（Global） - 保存在MAX中，可被多个任务所使用,通道和任务,NI-DAQmx任务 代表了所要实施的一次信号测量或信号发生的操作。任务是一个或多个虚拟通道的集合，此外还包含了定时、触发等属性 任

8、务的分类 局部（Local） - 存在于某个程序中，且只供该程序使用的任务（采用DAQ助手Express VI，或DAQmx函数在框图上创建） 全局（Global） - 独立于某个程序而存在、可被多个程序所使用的任务（采用MAX创建，且保存在MAX中）,本课程中只使用局部虚拟通道和DAQmx任务,通道和任务,物理通道、虚拟通道和任务,定时设置 采样模式/待读取采样/采样率,触发 开始触发/参考触发,任务的测量类型 模拟输入-电压,NI-DAQmx任务：我的电压任务（包含两个虚拟通道）,DAQ助手Express VI的使用,路径：函数选板，测量I/O-DAQmx 数据采集-DAQ 助手,DAQ助

9、手是一个Express VI，在添加到框图窗口时，自动打开 “新建Express任务”对话框，在其中进行功能和参数配置,采集信号：输入 生成信号：输出, 选择NI-DAQmx任务类型（这里，选择“采集信号”-“模拟输入”-“电压” ），进入下一步,DAQ助手Express VI的使用, 选择建立虚拟通道所需的物理通道，按住Ctrl或Shift多选；选中物理通道数=新建任务中的虚拟通道数,本例中选择物理通道ai0和ai2（差分接线方式下，每个物理通道对应两个单端通道）,Dev1表示系统中的第1个DAQ设备；ai1表示编号（或索引，从0开始）为1的模拟输入物理通道,DAQ助手Express VI的

10、使用, 按照需求修改参数设置，之后按下确定按钮，关闭DAQ助手,参数设置区，可根据需要进行修改,DAQ助手Express VI的使用,2个虚拟通道，分别对应2个物理通道： 电压_0 - ai0 电压_1 - ai2,接线方式,输入范围,“定时设置”选项组的采集模式参数 1 采样（按要求），即采集单点数据（调用DAQmx读取函数或DAQ助手时立即执行） 1 采样（硬件定时），表示在硬件时钟的边沿进行单点数据的采集 N 采样，表示采集一段数据，采样点数在“定时设置”下的“待读取采样”（=简单缓冲区大小）中指定；采样频率在“采样率(Hz)” 中指定 连续采样，表示进行连续采集，此时“待读取采样”参数

11、参与决定循环缓冲区大小,DAQ助手Express VI的使用,DAQ助手Express VI的使用,可直接输出采集数据 （DDT类型可理解为波形的1维数组）,配置完毕的DAQ助手Express VI,DAQ助手包含数据读取/生成代码,函数选板，测量I/O-DAQmx - 数据采集 子选板 通常可以使用DAQ助手或者DAQmx VI（API）编写数据采集程序,DAQ助手与DAQmx VI,DAQmx VI,DAQmx属性节点（供设置任务参数，与前面板控件无关）,DAQ助手Express VI,在LabVIEW中编写数据采集、数据发生程序的2种方式 使用DAQ助手Express VI建立任务，采集

12、和发生数据（DAQ助手内含采集和发生代码） 完全使用DAQmx函数建立任务，实现数据采集和发生,DAQ助手与DAQmx VI,DAQ助手的优点： DAQ助手不需要编程，采用交互的方式设置通道，定时，触发，等等 使用DAQ助手可以缩短开发时间，如在几分钟内建立一个完整程序 DAQmx VI（API）的优点： DAQmx VI包含DAQ助手所没有的高级功能 提供更大的灵活性，允许开发者定制程序以满足所需功能 使用DAQmx VI可以更好地控制程序性能,DAQ助手与DAQmx VI,数据采集示例（基于DAQ助手）,单点采集 软件定时的多点采集 采集一段数据（硬件定时） 连续采集数据（硬件定时） 单点

13、发生 软件定时的多点发生 发生一段数据（硬件定时） 连续发生数据（硬件定时，重复生成） 连续发生数据（硬件定时，非重复生成）,采集（Acquisition）,发生（Generation）,数据采集示例1单点采集,调节为1.510 V中的一个值,打开开关,数据采集示例1单点采集,函数选板，测量I/O-DAQmx-数据采集子选板，添加 “DAQ 助手” Express VI，在对话框里，选择“采集信号”-“模拟输入”-“电压”；选择模入物理通道ai0，“信号输入范围”设置为010V， “采集模式” 选择“1 采样 (按要求)”（表示立即采集数据） 关闭“DAQ 助手”对话框，在该Express V

14、I图标下方出现“数据”输出接线端，连接至“仪表”控件,注意事项,实验用导线在抽屉里 先关闭实验箱所有开关（总开关和函数发生器开关），之后再进行连线 第一次连线后，请助教或老师检查，确认连线正确，之后开始实验 不使用函数发生器时不要打开开关， 采集卡只需要计算机的PCI插槽供电,数据采集示例2软件定时的多点采集,选择正弦波,打开开关,打开开关,频率调为最低,数据采集示例2软件定时的多点采集,本例为连续采集，采集一段数据与此相似（For循环？）,将前例DAQ助手放入While循环中（“信号输入范围”为-55 V ），输出的单点数据由DDT转化为标量，送入波形图表控件，添加 “等待（ms）”函数，控

15、制每次循环执行时间大致在0.02 s,软件定时的多点采集适用情况（满足以下三个条件）： 所要求的采样率较低 VI运行时，操作系统中无其他占用CPU的事件发生 采样间隔的微小变化可以接受,硬件定时与缓冲区,软件定时无法精确控制采样间隔，在进行采样间隔要求精确的多点采集时，应考虑使用硬件定时的采集方法（依赖数据采集卡的能力） 硬件定时的多点采集将在计算机内存中开辟缓冲区：采集时，数据采集卡采集的数据先写入缓冲区，之后读入到虚拟仪器程序中,数据采集卡,内存缓冲区,虚拟仪器程序,计算机,硬件定时与缓冲区,采集一段数据，使用简单缓冲（Simple buffer） 连续采集数据，使用循环缓冲（Circul

16、ar buffer）,DAQ助手，采集模式，“连续采样”,数据采集示例3采集一段数据（硬件定时）,选择正弦波,打开开关,打开开关,数据采集示例3采集一段数据（硬件定时）,函数选板，测量I/O -DAQmx-数据采集子选板，添加 “DAQ助手”，在对话框中选择“采集信号”-“模拟输入”-“电压”；选择模入物理通道ai0和ai1；输入范围采用默认的-5至5V； “采集模式” 选择“N采样”；“待读取采样”采用默认值100（=简单缓冲大小）；“采样率(Hz)”采用默认值1000 关闭对话框，该Express VI图标下方出现 “数据”输出接线端，将其连到“波形图”显示控件，即完成一段波形数据（正弦+

17、方波）的采集和显示,数据采集示例4连续采集数据（硬件定时）,选择正弦波,打开开关,打开开关,数据采集示例4连续采集数据（硬件定时）,函数选板，测量I/O-DAQmx-数据采集子选板，添加“ DAQ 助手”，在对话框里，选择“采集信号”-“模拟输入”-“电压”，选择模入物理通道ai0和ai1，输入范围设置为-55V， “采集模式” 选择“连续采样”。“待读取采样”设置为50（ 每次从循环缓冲读取50点； 参与决定循环缓冲大小），“采样率 (Hz)”设置为10kHz 关闭对话框，自动添加循环，将“DAQ助手”图标下方出现的“数据”输出采用“从动态数据转换（二维标量数组行是通道）”函数转化为数组，输

18、入“波形图”和“波形图表”（历史纪录长度设置为150，取消“转置数组”选项，修改X坐标范围为0149）显示控件。循环是否结束，由“停止”按钮控制,数据采集示例4连续采集数据（硬件定时）,为何同时使用波形图和波形图表控件？ 波形图以新数据替换旧数据，只显示当前循环读到的数据（50点）；波形图表新数据接续在旧数据的后面，显示当前和之前几次循环的数据（共150点，3次循环的数据）；两个控件对比，可以看出是否真正实现了连续的数据采集而未丢失数据,50点,150点,数据采集示例4连续采集数据（硬件定时）,DAQ助手的输入参数“停止” 的作用： 指定在DAQ助手调用之后是否停止和清除任务（同时释放资源）,

19、一段数据采集（ “停止”参数默认为T ）,连续采集（“停止”输入参数默认为F，“已停止”输出参数表明是否已经停止）,按下“stop”，数据采集停止，循环结构也退出,数据采集示例5单点发生,AO直接送到AI；本讲所有数据发生的例子，都采用MAX的测试面板观察数据发生情况,数据采集示例5单点发生,函数选板，测量I/O-DAQmx-数据采集子选板，添加 “DAQ 助手”，在对话框中选择生成信号-模拟输出-电压，选择模出物理通道ao0；“生成模式” 选择“1 采样 (按要求）”（立即发生数据)，“信号输出范围”采用默认值 -1010V，接线端配置为默认的“RSE” 关闭对话框后，该Express VI

20、图标下方出现“数据” 输入接线端。直接向该接线端输入一个数值，即可完成单点数据的模拟输出,使用测试面板观察发现，输出的单点会保持住，直到输出新的数据点,DAQ助手设置参数与前例相同。DAQ助手置于While循环之内，循环中加入“停止”按钮和“等待（ms）”函数，每次循环执行时间大致为0.02 s 使用“Sine Waveform.vi”生成1000点、2个周期且幅值为5的正弦波波形数据，仅取其Y分量送入循环内，循环计数与波形点数（1000）相除取余数的结果作为Y数组的索引，取出对应的数组元素向DAQ助手输出,数据采集示例6软件定时的多点发生,0,1,(#s-1)=999不断重复,重复提取正弦波

21、数据点,数据采集示例7发生一段数据（硬件定时）,函数选板，测量I/O-DAQmx-数据采集子选板，添加 “DAQ 助手”，在对话框中选择生成信号-模拟输出-电压，选择模出物理通道ao0，“生成模式”选择“N 采样”，取消其后的“使用波形定时”复选框的选中状态，并将“待写入采样”和“采样率 (Hz)”都设为1000 关闭“DAQ助手”设置窗口，将仿真波形（1秒时长，1000点，2个周期）输入至“DAQ 助手”的“数据”输入接线端，完成锯齿波的模拟输出,数据采集示例7发生一段数据（硬件定时）,1秒的波形,数据采集示例8连续发生数据（硬件定时，重复生成）,数据采集示例8连续发生数据（硬件定时，重复生

22、成）,只要一次性输出波形的一个周期即可，LabVIEW会自动重复发生数据,采用循环结构是为了等待数据真正发生,第0帧,第1帧,1秒的波形，1.5个周期,数据采集示例8连续发生数据（硬件定时，重复生成）,函数选板，测量I/O -DAQmx-数据采集子选板，添加 “ DAQ 助手”；在对话框中选择生成信号-模拟输出-电压，选择模出物理通道ao0，“生成模式”选择“连续采样”，选中其后的“使用波形定时”复选框，即使用输入波形中包含的时间信息，关闭对话框（取消自动加入的循环结构），将这部分代码放入平铺顺序结构的第0帧 将仿真波形（1.5个周期的正弦波）送至“DAQ助手”的“数据”输入接线端；在顺序结构

23、的第1帧中放入循环结构进行延时，“时间延迟” Express VI设置延时为0.1秒，在循环执行过程中波形不断重复发生；按下“停止”按钮，程序退出,数据采集示例9连续发生数据（硬件定时，非重复生成）,DAQ助手参数与前例相同，关闭对话框时接受自动加入的While循环 使用Sine Waveform.vi产生正弦波，与1/10幅度的相同采样参数的白噪声波形（Uniform White Noise Waveform.vi）相加，在每次循环中向DAQ助手输出,1秒的波形，1个周期（对于正弦波形）,建立仿真DAQ设备,在MAX软件中建立仿真DAQ设备,建立仿真DAQ设备,建立“PCI-MIO-16E-1”仿真DAQ设备，可以自检和测试；多点采集时返回仿真的正弦波形,练习,习题1： 在实验箱上建立适当连线，使用MAX的测试面板采集单点数据（直流电压源）、采集一段数据（正弦波）和连续采集数据（正弦波） 习题2： 使用实验室采集设备，或者建立仿真数据采集设备，利用DAQ助手建立一个局部数据采集任务，采集一段波形 习题3：尝试对利用MAX工具建立数据采集任务，与直接在LabVIEW环境下使用DAQ助手建立数据采集任务的相同性和差异性做出简明归纳,