虚拟仪器测试系统设计

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1、9-1 数据采集基础知识9-1-1 数据采集过程 数据采集是测试系统最主要的基础环节，数据采集过程如右图。在这个过程中来自传感器的模拟量被转换为数字量。模拟信号x（t）经脉冲序列采样后，成为时间离散信号 x(n)，再量化以后得到取值也离散化的数字信号。第1页/共104页9-1-1 数据采集过程根据信号的特征和测试目的，模拟信号可以分为3类：1.对于随时间缓慢变化的信号，如容器的液位、对象的温度等，通常叫做直流信号。对直流信号一般只需要比较慢的采样频率。2.对于随时间变化较快的信号，如果需要了解它的波形，则把它作为一个时域信号来处理。这时候需要比较高的采样频率。例如要检测一个快速的脉冲，采样周期

2、必须小于脉冲周期；要关心这个脉冲的上升时间，就应该用更高的采样率。3.对于随时间变化较快的信号，如果需要了解它的频率成分，则把它作为一个频域信号来处理。根据赖奎斯特理论，要得到准确的频率信息，采样率必须大于信号最高频率成分的两倍。采样率的一半叫赖奎斯特频率。这实际上意味着对于最高频率的信号成分每一个周期只采样两个数据点，这对于描述信号的波形是远远不够的。工程实际中一般使用信号最高频率成分4-10倍的采样率。第2页/共104页9-1-2 数据采集设备1.数据采集设备类型虚拟仪器是软硬件的结合，而虚拟仪器硬件又是在传统仪表和计算机技术的基础上得以发展，从20世纪80 年代开始计算机技术引起测试领域

3、一场新的革命，传统仪器逐渐以不同的形式与计算机紧密结合在一起，形成了各种形式的虚拟仪器硬件，满足了工程、科研、教育各个领域让人眼花缭乱的实际需求。本书第1章简单介绍了几种常见的虚拟仪器硬件结构，本章主要以最典型的插卡式虚拟仪器硬件结构为背景介绍测试系统设计方法与编程技术，这里包含了许多各种不同形式的虚拟仪器硬件结构的基础和共性的问题。第3页/共104页9-1-2 数据采集设备2.数据采集设备主要指标（1）采样率 (2)分辨率 (3)其它主要指标模拟输入设备分辨率对于表达原始信号的影响 第4页/共104页9-1-2 数据采集设备2.数据采集设备主要指标 模拟输入设备量程范围设置对于分辨率的影响

4、第5页/共104页9-1-3 被测试信号的连接方式1.信号的参考点（1）接地信号 （2）浮动信号第6页/共104页9-1-3 被测试信号的连接方式2.信号的连接方式 差分差分测试系统第7页/共104页9-1-3 被测试信号的连接方式2.信号的连接方式单端单端测试系统第8页/共104页9-1-3 被测试信号的连接方式2.信号的连接方式非参考单端非参考单端测试系统第9页/共104页9-1-4 基于LabVIEW的数据采集系统总体结构基于 DAQmx的数据采集系统总体结构 第10页/共104页9-1-5 数据采集设备的设置与测试1.测试与自动化资源管理器 测试与自动化资源管理器MAXMAX是Meas

5、urement&Automation Explorer的缩写，是访问计算机当中NI的各种软硬件资源的一个接口。第11页/共104页9-1-5 数据采集设备的设置与测试1.测试与自动化资源管理器在本机系统My System项下可以完成以下任务创建新的通道、任务等。查看连接到系统的设备和仪器。对NI硬件进行安装与设置。执行硬件测试。在远程系统Remote System项下可以完成以下任务查看连接到局域网上的系统和设备；创建新的远程系统；设置远程系统IP地址；下载软件到远程系统；设置远程系统属性。第12页/共104页9-1-5 数据采集设备的设置与测试1.测试与自动化资源管理器添加设备对话框 在De

6、vice and Interface项上击右键弹出“Creat New”，可以添加非即插即用设备。在添加设备对话框中还可以添加仿真设备NI-DAQmx Simulated Device，以方便暂时还没有购买某款NI设备的用户了解或调试设备。从软件层看仿真设备与实际设备一样工作，它返回一些随机信号。第13页/共104页9-1-5 数据采集设备的设置与测试2.设备设置与测试设备设置与测试快捷菜单设备设置与测试快捷菜单Reset Device：设备复位。重新取得设备访问权限。Self-Test：设备自测试，弹出一个对话框，报告设备是否通过测试。程序中采集数据VI出错时应首先考虑使用上一项和该项。Re

7、name：设备改名。设备名即图9-9中引号内的部分，程序中通过这个名称访问设备。Delete：删除设备。Properties：属性设置。Device Pinouts：弹出端口说明文档Test Panels：打开测试面板。第14页/共104页9-1-5 数据采集设备的设置与测试l2.设备设置与测试u设备属性设置设备属性设置lRTSI Configuration(实时系统集成总线设置)：此项对PCI-6229不需要设置；lAccessory(附件)：选择CB-68LP接线端子板；lPower-up States(上电状态)：设置数字线上电后是高电平、低电平或三态。第15页/共104页9-1-5 数

8、据采集设备的设置与测试2.设备设置与测试设备设备I/OI/O定义定义第16页/共104页9-1-5 数据采集设备的设置与测试2.设备设置与测试DAQmxDAQmx模拟输出和输入测试面板模拟输出和输入测试面板第17页/共104页9-1-5 数据采集设备的设置与测试第18页/共104页9-2 采集模拟信号采集模拟信号是测试系统中最普遍、最典型的任务。在介绍如何完成模拟输入任务之前必须介绍一些关于创建数据采集应用程序的一般方法，这些也是各种数据采集任务共同的基础。第19页/共104页9-2-1 模拟输入基本概念1.数据采集的通道LabVIEW的数据采集系统中有物理通道Physical Channel

9、和虚拟通道Virtual Channel。物理通道是被测试的信号或生成的信号实际进出计算机的路径，典型的情况是:接线端子电缆信号调理器电缆 数据采集卡。每个信号各自走一个独立的通道，每个通道有一个编号。在接线端子上每个通道对应哪个端子号可以通过Device Pinouts查询。虚拟通道是一系列设置的集合，包括通道名、对应的物理通道、信号连接方式、测试类型和比例等。第20页/共104页9-2-1 模拟输入基本概念2.常用的基本术语采样率 sample rate每秒从各通道采集数据的次数。它等于单个通道的采样率。采样数 number of samples数据采集函数被调用一次，从一个通道采集的数据

10、点数。扫描 scan对数据采集函数通道参数中所有通道的一次采集或读数。第21页/共104页9-2-1 模拟输入基本概念3.数据组织波形采样数据 二维标量数组 第22页/共104页9-2-1 模拟输入基本概念4.数据的比例比例是DAQ软件对某一个虚拟通道的数据进行预处理，以便于程序中应用这些数据，例如线性比例公式y=mx+b，对输入数据x进行线性处理后，将数据y传送给LabVIEW程序。在MAX中有一个“比例”项Scale，在Scale项上击右键弹出菜单选Create New，弹出创建比例向导，可以选择建立DAQmx比例。在创建比例向导的引导下，创建一个比例。创建比例包括编辑比例名，对比例加以简

11、短说明，选择比例类型，设置比例系数。如果选择了线性比例，还要设置斜率和截距两个参数。在比例设置面板中还可以预览比例的效果。在已经创建的比例名上单击鼠标可以弹出比例设置面板对比例的设置进行修改。新建虚拟通道时，新建向导会提示，新建比例还是将已经建立的比例加入到通道中。当然也可以不要比例。第23页/共104页9-2-2 创建数据采集程序1.数据采集助手的应用数据采集助手DAQ Assistant是LabVIEW中一个重要工具，它是一个设置测试任务、通道与比例的图形接口。在MAX和LabVIEW中都可以通过多种途径启动数据采集助手。数据采集助手的基本任务是进行数据采集的硬件设置，所以一旦涉及到相关任

12、务，数据采集助手就会自动打开。在DAQmx数据采集系统中，测试任务Task是NI-DAQ的一个重要概念，它是一系列信息的集合，包括一个或多个通道以及定时、触发等属性。它也是数据采集助手与数据采集程序之间联系的纽带。第24页/共104页9-2-2 创建数据采集程序1.数据采集助手的应用新建DAQmx测试任务向导 第25页/共104页9-2-2 创建数据采集程序1.数据采集助手的应用为任务选择测试类型第26页/共104页9-2-2 创建数据采集程序1.数据采集助手的应用模拟输入任务细分第27页/共104页9-2-2 创建数据采集程序1.数据采集助手的应用选择物理通道第28页/共104页9-2-2

13、创建数据采集程序1.数据采集助手的应用命名数据采集任务 第29页/共104页9-2-2 创建数据采集程序1.数据采集助手的应用数据采集助手对话框 第30页/共104页9-2-2 创建数据采集程序1.数据采集助手的应用数据采集助手Express VI 数据采集助手Express VI产生的任务只能在调用它的程序中使用，如果把它转换为一个任务常数，就可以存储在MAX中，供其它程序使用。转换步骤：1）在数据采集助手Express VI图标上弹出快捷菜单，选择Convert to NI DAQmx Task；2）数据采集助手启动，这时可以对任务进行必要的修改；3）点击OK按钮，Express VI转换

14、为任务常数。第31页/共104页9-2-2 创建数据采集程序2.图形代码的生成1）通过任务生成程序代码DAQmx任务名第32页/共104页9-2-2 创建数据采集程序2.图形代码的生成1）通过任务生成程序代码生成示例程序图形代码第33页/共104页9-2-2 创建数据采集程序2.图形代码的生成1）通过任务生成程序代码生成配置程序图形代码 第34页/共104页9-2-2 创建数据采集程序2.图形代码的生成2）将数据采集助手Express VI转换为程序图形代码通过任务常数转换 按照前面介绍的办法将数据采集助手Express VI转换为任 务常数；然后按这一节前面介绍的办法生成程序代码。通过打开V

15、I前面板转换 在数据采集助手弹出快捷菜单上选择“打开前面板”，将Express VI转换为标准VI，也就得到了程序代码。这是包括配置任务与执行任务的全部图形代码。第35页/共104页9-2-3 数据采集VI1.DAQmx Create Task创建一个DAQmx数据采集任务。这个VI在“测量I/ODAQmx Data AcquisitionDAQmx Advanced Task Options”函数子选板中。2.DAQmx Create Virtual Channel新建虚拟通道VI。这是DAQmx数据采集系统中使用非常普遍的一个VI，在“测量I/ODAQmx Data Acquisition

16、”函数子选板顶层。这是一个多态VI，它有许多子VI，每个子VI可以创建一种类型的虚拟通道，并将其加入到一个数据采集任务中。3.DAQmx TimingDAQmx定时VI。这个VI在“测量I/ODAQmx Data Acquisition”函数子选板顶层，也是一个多态VI，它可以设置采样数、采样率，并在必要时设置缓冲区。第36页/共104页9-2-3 数据采集VI4.DAQmx Start Task启动DAQmx任务VI。在“测量I/ODAQmx Data Acquisition”函数子选板顶层。若不使用此VI，当DAQmx Read VI执行时，数据采集任务自动启动。5.DAQmx ReadD

17、AQmx读数据VI。在“测量I/ODAQmx Data Acquisition”函数子选板顶层，它由指定的任务或通道读取采集的数据。这是一个多态VI，根据数据采集的类型、读取数据的数量和要求返回数据的类型，有许多子VI可以选择。6.DAQmx Stop Task停止任务VI。这个VI在“测量I/ODAQmx Data Acquisition”VI子选板顶层，它停止一个任务，并把它恢复到执行前的状态。它的参数与DAQmx Start TaskVI相同。第37页/共104页9-2-4 测量直流电压信号直流电压信号是变化缓慢的信号，一般测量直流电压信号每次只需要采集一点数据，也可以采集多点数据再取其

18、平均值，以减小测量误差。根据被监测对象的数量又可以采用单通道采样或多通道采样。第38页/共104页9-2-5 波形采集1.采集有限数量的数据第39页/共104页9-2-5 波形采集2.连续采集数据第40页/共104页9-2-6 频率测量频率混叠采样率的1/2被称为赖奎斯特频率，高于赖奎斯特频率的信号会在直流和赖奎斯特频率之间产生混叠。混叠频率是与信号频率最接近的整数倍采样率减去信号频率，再取绝对值。工程上为了防止混叠常在信号采集前用硬件进行滤波，去除赖奎斯特频率以上的信号成分，称为抗混滤波。NI有些数据采集产品也有这种功能。第41页/共104页9-2-6 频率测量频率混叠示例第42页/共104

19、页9-2-6 频率测量频率测量程序 第43页/共104页9-3 输出模拟信号9-3-1 模拟输出概述1.输出直流信号 当输出信号的电平高低比输出值的变化率更重要时，需要产生的是一个稳定的直流信号。2.输出随时间快速变化的信号 把数据采集设备当一个信号发生器使用时，就需要输出随时间快速变化的信号，我们把这种情况叫做波形输出。3.模拟输出的信号连接 使用不同的数据采集卡和接线端子，输出信号有不同的连接方法。第44页/共104页9-3-2 输出直流信号第45页/共104页9-3-3 输出波形信号1.有限数量波形数据输出第46页/共104页9-3-3 输出波形信号2.连续波形数据输出第47页/共104

20、页9-3-3 输出波形信号3.输出频率可调的波形信号第48页/共104页9-4 信号调理来自传感器的电信号一般还不能用数据采集设备来测量，最主要的问题是它们大多数输出电压非常小，且极易受噪声影响，而有些信号又有可能存在很高的尖峰值。因此在将它们转换为数字量之前需要先进行放大、滤波或隔离等预处理，这项工作叫做信号调理。第49页/共104页9-4-1 信号调理概述1.信号调理的类型 传感器把温度、压力、位移、声、光等物理现象转变为电信号，不同的传感器和不同的信号决定了信号调理装置的形式。传感器或信号传感器或信号信号调理类型信号调理类型热电偶放大和冷端补偿热电阻电流激励应变片电压激励、组桥位移电位计

21、电压激励压电晶体传感器电荷放大共模电压或高电压隔离带高频噪声的信号低通滤波第50页/共104页9-4-1 信号调理概述l1.信号调理的类型放大 放大是一种最常用的信号调理。对电信号进行放大的好处是它可以改进信号模数转换的精度并可以减少噪声。为了得到尽可能高的精度，应该将信号放大到它的幅值等于模数转换器的最大输入范围。第51页/共104页9-4-1 信号调理概述l1.信号调理的类型隔离 当被检测的信号含有高电压峰值时，它可能损坏计算机或伤害操作者。在这种情况下出于安全考虑就需要将计算机与传感器隔离。进行隔离的另一个原因是确保数据采集设备的测量不受地势差的影响。当数据采集设备与信号不是参考同一点地

22、势点的话，就可能发生对地环流，影响测量的精确性；如果信号地和数据采集设备地的势差很大的话，甚至可能损坏测试系统。使用信号调理器的隔离模块可以减小对地环流，确保信号测试精确。第52页/共104页9-4-1 信号调理概述l1.信号调理的类型滤波 信号调理系统可以从被测试信号中滤除掉不需要的成分或噪声。对类似于温度这样缓慢变化的信号常常需要使用低通滤波器，减少信号的高频成分，提高模数转换的精度。使用低通滤波器可以滤除截止频率以上的所有信号频率成分。许多信号调理装置都有4Hz的低通滤波器，它很适于从低频采样的信号中滤除50 Hz交流噪声。第53页/共104页9-4-1 信号调理概述l1.信号调理的类型

23、传感器激励 应变片、热电阻等许多传感器都需要外部电压或电流的激励来进行物理现象测试。许多信号调理设备都可以对传感器提供必要的激励。第54页/共104页9-4-1 信号调理概述2.常用的信号调理设备形式信号调理器(SCXISignal Conditioning eXtensions for Instrumentation)第55页/共104页9-4-1 信号调理概述2.常用的信号调理设备形式信号调理附件第56页/共104页9-4-1 信号调理概述2.常用的信号调理设备形式便携式信号调理模块（SCC）第57页/共104页9-4-1 信号调理概述2.常用的信号调理设备形式信号调理模块（5B系列）第5

24、8页/共104页9-4-1 信号调理概述2.常用的信号调理设备形式分布式信号采集系统 第59页/共104页9-4-1 信号调理概述3.信号调理器与数据采集卡的通信信号调理器做前端信号调理系统时，它向数据采集设备传递数据有两种基本的操作模式：多路复用模式和并行模式。采用多路复用模式时信号调理设备的所有输入通道都被复合到一个通道输出。在缺省情况下，以差分方式输出到数据采集设备的0通道。当模拟输入模块运行在并行模式下时，模块直接把它每个通道的信号传送到与它相连的数据采集设备的一个单独的模拟输入通道。第60页/共104页9-4-2 信号调理设备安装与设置1.信号调理器设置1)添加信号调理器 第61页/

25、共104页9-4-2 信号调理设备安装与设置1.信号调理器设置2)DAQmx新建信号调理器机箱 第62页/共104页9-4-2 信号调理设备安装与设置1.信号调理器设置3)DAQmx信号调理模块设置 第63页/共104页9-4-2 信号调理设备安装与设置1.信号调理器设置4)DAQmx信号调理机箱设置 第64页/共104页9-4-2 信号调理设备安装与设置2.Field Point设置1)新建 FieldPoint通用资源 第65页/共104页9-4-2 信号调理设备安装与设置2.Field Point设置2)MAX中的FieldPoint内容 第66页/共104页9-4-2 信号调理设备安装

26、与设置2.Field Point设置3)MAX中FP-TC-120设置 第67页/共104页9-4-2 信号调理设备安装与设置2.Field Point设置4)设置FieldPoint数据项 第68页/共104页9-4-2 信号调理设备安装与设置2.Field Point设置5)FieldPoint数据项测试 第69页/共104页9-4-3 应变测量应变片是粘贴在受力物体上很薄的导体，它将被测对象的变形转换为电阻值变化。用应变片测量金属材料的应变时，它的电阻变化率一般只有千分之几，电压往往是微伏级的，因此应变测量常采用惠斯登电桥电路。a）半桥单臂测量电路 （b）半桥双臂测量电路 （c）全桥测量

27、电路 第70页/共104页9-4-3 应变测量1.创建应变测试任务应变测量数据采集助手设置 第71页/共104页9-4-3 应变测量 1.创建应变测试任务应变测量校准向导 第72页/共104页9-4-3 应变测量 1.创建应变测试任务应变测量校准窗口 第73页/共104页9-4-3 应变测量2.生成应变测量程序代码 第74页/共104页9-4-3 应变测量2.生成应变测量程序代码应变测量任务设置 第75页/共104页9-4-4 温度测量1.热电阻（1）用热电阻测量温度的原理 热电阻的原理是利用材料的电阻值随温度变化来测试温度。对热电阻施加恒定电流，根据欧姆定律，其输出电压将随电阻变化。因此测量

28、电压即可得到温度变化。第76页/共104页9-4-4 温度测量1.热电阻（2）创建温度测试任务第77页/共104页9-4-4 温度测量1.热电阻（3）生成温度测量程序代码第78页/共104页9-4-4 温度测量2.热电偶（1）热电偶简介 热电偶是由两种不同的导体A和B两端相连组成的闭合回路。如果两端温度T和T0不相等,将产生温差电动势，推动回路内有电流流过。组成该回路的A、B两导体称为热电极,由A,B导体组成的回路称为热电偶。第79页/共104页9-4-4 温度测量2.热电偶（2）FielPoint Express VI设置面板第80页/共104页9-4-4 温度测量2.热电偶（3）Field

29、PointExpress VI程序框图第81页/共104页9-4-4 温度测量2.热电偶（4）使用FieldPoint测量温度程序框图第82页/共104页9-5 数字信号输入输出数字信号输入输出和计数器都是对二进制数据进行的操作，也是工程实践中经常遇到的数据采集内容。第83页/共104页9-5-1 数字信号输入输出概述1.数字信号的概念 数字输入输出接口通常用于与外围设备的通讯和产生某些测试信号。例如在过程控制中与受控对象传递状态信息，进行测试系统报警等。数字信号只有开（ON）关（OFF）两种状态。数字信号有开关量和脉冲序列两种。2.数字端口与数字线 数字输入输出系统的重要组成部分是数字端口“

30、port”与数字线“line”。数字线是数据采集卡中单独连接一个数字信号的物理端子。一个数字线承载的数据叫做位“bit”，它的二进制值是“0”或“1”。第84页/共104页9-5-1 数字信号输入输出概述2.数字端口与数字线第85页/共104页9-5-1 数字信号输入输出概述3.数字信号输入输出设备 NI公司有专门的数字输入输出板卡和信号调理设备，但是许多多功能数据采集卡也具备不同的数字输入输出功能。4.数字信号输入输出方式 数字通讯有立即方式和握手方式两种方式。立即方式数字输入输出就是调用一个数字输入输出 VI马上读写数据；握手方式数字输入输出在传递每个数据时都要进行请求和应答。第86页/共

31、104页9-5-2 立即方式数字输入输出lDAQmx数字线输出数据采集助手第87页/共104页9-5-2 立即方式数字输入输出l DAQmx数字线立即输出程序框图第88页/共104页9-5-3 握手方式数字输入输出l DAQmx握手方式数字输入示例程序框图第89页/共104页9-6 计数器输入输出9-6-1 计数器输入输出概述计数器为数据采集系统提供了高精度的计数与定时功能，数据采集卡上的计数/定时电路有些用于数据采集的定时控制，有些则用于通用的计数/定时功能，例如产生脉冲序列、测试脉冲宽度和频率、进行事件计数与定时、进行精确的频率细分等。第90页/共104页9-6-2 输出脉冲信号l方脉冲的

32、一些主要术语u时段1phase1：脉冲的第一个时段或延时。u时段2 phase2：脉冲的第二个时段或幅宽。u周期Period：延时与幅宽之和。Period=phase1+phase2。u频率frequency：周期的倒数。Frequency=1/Period。u占空比duty cycle：时段2/周期。duty cycle=phase2/Period。第91页/共104页9-6-2 输出脉冲信号1.创建DAQmx任务产生连续脉冲设置 第92页/共104页9-6-2 输出脉冲信号2.产生程序框图产生连续脉冲任务设置 第93页/共104页9-6-2 输出脉冲信号2.产生程序框图产生连续脉冲第94页

33、/共104页9-6-3 测量脉冲宽度测量脉冲幅宽原理第95页/共104页9-6-3 测量脉冲宽度脉冲幅度的测试类型选项选项值选项值选项名选项名测试方式测试方式0Measure high pulse-width1Measure low pulse-width2Measure period（rising edge to rising edge）3Measure period（falling edge to fallling edge）4high pulse-width(multiple pulse,DAQ-STC)5low pulse-width(multiple pulse,DAQ-STC)第9

34、6页/共104页9-6-3 测量脉冲宽度测量脉冲幅宽程序 第97页/共104页9-6-4 测量TTL信号频率 TTL信号频率测量原理 第98页/共104页9-6-4 测量TTL信号频率测试TTL信号频率设置 第99页/共104页9-6-4 测量TTL信号频率测试TTL信号频率程序框图 第100页/共104页9-6-4 事件计数计数就是数出计数器SOURCE端的外部TTL信号上升边缘或下降边缘数，计时就是使用内部时基测试延续时间。利用这些功能可以检测生产线上的产品数量或生产一个产品的时间。第101页/共104页练习与思考9.1 是需要了解一个信号的波形时需要的采集率高，还是需要了解一个信号的频率

35、时需要的采集率高？9.2 怎样充分利用数据采集卡现有的分辨率？9.3 浮动信号用那种连接方式？9.4有哪些方法可以生成DAQmx程序代码？9.5 编写一个使用DAQmx VI进行单通道波形数据连续采集，并显示波形频谱的程序。9.6 编一个DAQmx单通道单点输出的程序。第102页/共104页练习与思考9.7 编一个使用DAQmx单通道输出幅值可调的正弦波的程序。9.8 说明信号调理的主要类型和作用。9.9 说明信号调理设备的主要种类和特点。9.10 在DAQmx系统中如何应用MAX中的设置进行应变测量？9.11 创建一个DAQmx立即方式读数字线的程序。9.12 创建一个DAQmx立即方式写数字端口的程序。第103页/共104页感谢您的观看！第104页/共104页