虚拟仪器数据采集与信号处理.ppt

第 6 章,虚拟仪器数据采集与信号处理,第6章 虚拟仪器数据采集与信号处理,教学重点数据采集信号产生信号的时域分析信号的频域分析数字滤波器曲线拟合,6.1 数据采集,LabVIEW作为一种图形化的虚拟仪器开发平台，在数据采集，信号的产生、分析与处理上有明显的优势。LabVIEW提供了非常丰富的数据采集，信号发生、分析与处理函数。虚拟仪器主要用于获取真实物理世界的数据，也就是说，虚拟仪器必须要有数据采集的功能。从这个角度来说，数据采集就是虚拟仪器设计的核心，使用虚拟仪器必须要掌握如何进行数据采集。,6.1.1 数据采集系统的含义,在科研、生产和日常生活中，需要经常对模拟量（如温度、压力、流量、速度、位移等）进行测量和控制。数据采集（Data Acquisition，DAQ），就是将被测对象的各种参量（物理量、化学量、生物量等）通过各种传感器作适当转换后，再经信号调理、采样、量化、编码、传输等步骤送到计算机进行数据处理或记录的过程。用于数据采集的成套设备称为数据采集系统（Data Acquisition System，DAS）。,数据采集系统的任务，就是通过传感器从被测对象获取有用信息，并将其输出信号转换为计算机能识别的数字信号，然后送入计算机进行相应的处理，得出所需的结果。同时，将计算机得到的数据结果进行显示、存储或打印，以便实现对某些物理量的监视，其中一部分数据还将被计算机控制系统用来进行某些物理量的控制。数据采集系统的好坏，主要取决于它的精度和速度。在保证精度的前提下，应具有尽可能高的采样速度，以满足实时采集、实时处理和实时控制对速度的要求。,现代数据采集系统具有以下主要特点：一般都含有计算机系统；软件的作用越来越大；数据采集与数据处理结合日益紧密；采集速度快，一般都具有实时特性；数据采集系统的体积越来越小；总线的应用越来越广。,6.1.2 数据采集系统结构,数据采集系统通常是由传感器、信号调理电路、多功能数据采集卡（通常集成有模拟多路开关、程控放大器、采样/保持器、定时器、A/D转换器及D/A转换器）、计算机及外设等部分组成。,传感器 传感器是指能感受规定的被测量信号并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置。传感器不但应该对被测量信号敏感，而且还应具有将被测量信号的响应传送出去的功能。信号调理（1）放大：电流型变送器、电压型变送器（2）隔离：“地”电位，共态电压差异（3）滤波：低通滤波器、抗混叠滤波器（4）激励：外接电流或电压激励信号（例，热电阻）（5）线性化：驱动软件包,数据采集卡 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/定时器等，这些功能分别由相应的单元电路来实现。（1）模拟输入：一般由多路开关、放大器、采样保持电路以及A/D转换器来实现。（2）模拟输出：为系统提供输出或控制信号（D/A）。（3）数字I/O：通常用来控制过程、产生测试信号、与外设通信等。它的基本参数包括数字接口路数、收/发数据速率、驱动能力等。（4）计数/定时器：计数器包括3个重要信号：门限信号、计数信号、输出。,6.1.3 数据采集卡的选用与配置,数据采集卡：在计算机控制下完成数据采集和控制任务的板卡。数据采集卡分为内插式采集卡和外挂式采集卡。内插式采集卡包括基于ISA,PCI,PXI/CPCI,PCMCIA等总线卡，特点是速度快，但是插拔不方便。外挂式采集卡包括USB,IEEE1394,RS-232/RS-485和并口卡，特点是使用方便，但速度相对较慢。,USB总线数据采集卡,PCI总线接口数据采集卡,数据采集卡的选用,在挑选数据采集卡时，用户主要考虑的是根据需求选取适当的总线形式，适当的采样速率，适当的模拟输入、模拟输出，适当的数字量输入、输出接口等，达到既能满足工作需求，又能节省投资的目的。需用数据采集卡的基本原则：数据分辨率和精度；可达到的采样速率（=最高采样频率/通道数）；通道数；数据总线接口类型（PCI，PCMCIA,PXI,VXI）；是否有隔离；支持的软件驱动程序及其软件平台。,数据采集卡产品介绍,NI公司作为虚拟仪器技术的开创者，面向广大用户设计出一系列高品质的通用数据采集卡，如B系列基本多功能DAQ卡、S系列同步采样多功能DAQ卡、M系列新一代多功能DAQ卡等。PCI-6251是首款基于PC的PCI Express多功能高速数据采集卡，它将PCIe总线技术和NI的M系列数据采集技术完美地结合在一起，提供了快速模拟和数字I/O，以及先进的PCIe通道带宽。,数据采集卡的安装配置,在选购了NI公司的数据采集卡后，首先要将数据采集卡安装到计算机中并插在相应的总线插槽上，然后安装相应的驱动程序。硬件驱动程序是应用软件对硬件的编程接口，它包含着特定硬件可以接受的操作命令，用于完成与硬件之间的数据传递。依靠硬件驱动程序可以大大简化LabVIEW编程工作，提高开发效率，降低开发成本。NI公司的数据采集产品可以和NI LabVIEW以及NI-DAOmx测量驱动服务软件无缝地结合，从而能提供更高的性能、更高的价值和更多的I/O。,6.1.4 基于LabVIEW的数据采集过程,6.1.5 基于LabVIEW的数据采集VI设计,数据采集是虚拟仪器获取信息的必不可少的基本功能，DAQmx软件是LabVIEW的核心，使用LabVIEW必须要掌握如何使用DAQmx。LabVIEW 2010中，DAQmx函数位于函数选板的【测量I/O】【DAQmx-数据采集】子选板中。常用的DAQmx函数有：（1）DAQmx Create Virtual Channel.vi：创建虚拟数据采集通道。（2）DAQmx Timing.vi：为数据采集配置采集速率和创建缓冲器。（3）DAQmx Trigger.vi：为数据采集任务配置触发源，触发数据采集。（4）DAQmx Start Task.vi：开始数据采集或者产生即将输出的数据。（5）DAQmx Write.vi：向指定的虚拟通道或者任务写入数据。（6）DAQmx Read.vi：从指定的虚拟通道或者任务读取数据。（7）DAQmx Wait Until Done.vi：等待数据采集完成。（8）DAQmx Stop Task.vi：停止数据采集或者停止产生数据的输出。（9）DAQmx Clear Task.vi：清除数据采集任务。（10）DAQ助手：是用于配置通道、任务和换算的图形化界面。,1.基于DAQ助手的数据采集,例6.1 利用DAQ助手和PCI-6251数据采集卡实现单通道模拟电压的数据采集。在LabVIEW 2010中，完成任务配置并创建图形显示控件后的DAQ助手如图所示，它在执行数据采集任务即可返回采集数据，并显示测试结果。,2.基于DAQmx函数的数据采集,（1）模拟信号的采集例6.2 利用DAQmx函数和PCI-6251数据采集卡实现单通道有限数据点数据采集。,连续数据采集,例6.3 利用DAQmx函数和PCI-6251数据采集卡实现单通道连续数据采集。,单通道连续数据采集VI的程序框图,多通道循环数据采集,例6.4 利用DAQmx函数和PCI-6251数据采集卡实现多通道循环数据采集。,前面板,多通道循环数据采集,多通道循环数据采集VI程序框图,（2）离散信号的采集,例6.5 利用DAQmx函数和PCI-6251数据采集卡实现事件计数。,事件计数VI的前面板和程序框图,6.2 信号产生,信号产生是仪器系统的重要组成部分，要评价任意一个网络或系统的特性，必须外加一定的测试信号，其性能方能显示出来。最常用的测试信号有正弦波、三角波、方波、锯齿波、噪声波及多频波（由不同频率的正弦波叠加而形成的波形）等。在LabVIEW中用信号发生器产生了一个信号实际上相当于通过软件实现了一个信号发生器的功能。在LabVIEW中利用信号发生器产生的信号可以进行测试系统模型的分析或进行信号处理方法的研究，也可以将仿真信号通过D/A转换硬件输出，驱动实际执行单元动作。,数字信号的产生与数字化频率的概念,正弦波信号：为采样间隔，为信号周期，设一个周期内的采样点数为 n，则 采样频率：信号频率：设,将2 弧度用360表示，并省略，则得 数字化频率 f=模拟频率/采样频率,6.2.2 信号生成,信号生成子选板,1.正弦波生成,Sine Wave.vi,正弦波函数的等效数学运算式如下：Sine Wavei=amplitudesin（360fi+phase0）,Sine Wave.vi应用举例,例6.6 利用Sine Wave.vi产生正弦波,前面板,程序框图,2.均匀白噪声的生成,例6.7 利用Unifom White Noise.vi产生均匀分布的白噪声。,前面板,程序框图,3.函数发生器,例6.8 创建一个可以产生正弦波、三角波、方波和锯齿波的函数发生器。,6.2.3 波形生成,在波形生成子选板中的所有函数不仅输出包含指定波形图形的数字型数组，而且包含时间参数，这种数据类型在LabVIEW中称为波形数据,波形生成函数的应用举例,例6.9 使用基本函数发生器创建函数发生器,前面板,程序框图,多频信号的产生与应用,多频信号是指一个离散频率的正弦波集合，其模拟信号数学表达式为：,式中，Ai：第i个正弦波的幅值 i：基频角频率 hi：第i个正弦波的角频倍数 i：第i个正弦波的初相角,例6.10 多频信号发生器,前面板,程序框图,例6.11 信号合成,信号合成的前面板和程序框图,6.3 信号的时域分析,时域分析是指在时间域内研究系统在一定输入信号的作用下，其输出信号随时间的变化情况。由于时域分析是直接在时间域中对系统进行分析的方法，所以时域分析具有直观和准确的优点。,6.3.1 卷积运算,卷积是电路分析的一个重要概念。它可以求线性系统对任何激励信号的零状态响应。卷积的物理概念及运算在测试信号处理中占有重要地位。（反卷积）对离散时间信号的卷积称为卷积和，定义为,Convolution.vi,(1)Direct(2)Frequency domain,例6.12 求卷积运算,卷积运算的前面板和程序框图,6.3.2 相关分析,所谓“相关”是指变量之间的线性关系。相关分析利用相关系数或相关函数来描述两个信号间的相互关系或其相似程度，还可以用来描述同一信号的现在值与过去值的关系，或者根据过去值、现在值来估计未来值。相关函数的性质使它在工程应用中具有重要价值，尤其是互相关函数的同频相关、不同频不相关的性质在噪声背景下提取有用信息提供了可靠的途径。相关函数的应用举例：地下输油管漏损位置的探测,LabVIEW中的相关分析函数,Auto Correlation.vi,Cross Correlation.vi,相关函数定义为,DirectFrequency domain,例6.13 互相关运算,前面板,程序框图,同频相关,不同频不相关,6.3.3 微积分运算,在工程应用领域，经常要对整个过程进行测量和控制，往往涉及到信号的采集，而采样获得是离散的数据，若要考虑整个过程的动态情况或者获得多个参数，就要用到数值积分和数值微分运算。应用举例：,车速传感器,制动踏板力传感器,信号调理电路,信号采集模块,计算机,数值积分是用线性泛函 来逼近函数 的，一般常用插值型求积公式，以 为插值节点的的 Lagrange插值多项式 为其中，为插值基函数，即则，且 只依赖于求积节点和积分区间，而与求积函数 无关。,数值微分，即求函数 的导数逼近，主要采用基于Taylor级数、Lagrange多项式插值和三次样条差值的求导公式。LabVIEW中提供了求解积分和微分的函数。积分函数中可以指定采用数值积分的方法，有四种方法可供选择：梯形法则、Simpson法则、Simpson 3/8法则、Bode法则。如采用Simpson法则，求解公式为：求导函数中可以指定4种方法，二阶中心，四阶中心、前向、后向。如采用二阶中心，,例6.14 对方波信号进行微积分运算,前面板,对方波信号进行微积分运算,程序框图,6.4 信号的频域分析,信号的频谱代表了信号在不同频率分量处信号成分的大小，它能够提供比时域信号波形更直观、更丰富的信息。LabVIEW提供了丰富的频域分析函数，包括傅里叶变换、hilbert变换、功率谱分析、谐波分析等。,6.4.1 快速傅立叶变换（FFT）,傅里叶变换是信号处理与数据处理中一个重要分析工具，其意义在于将时域与频域信号联系起来，通过频域分析将复杂的信号分解为各个单一的频率成分。讨论问题：（1）FFT点数（2）频域分辨率：（3）单边FFT和双边FFT（频率减半，幅度加倍）,FFT.vi,例6.15 双边傅里叶变换,前面板,程序框图,频率间隔与采样频率和采样点数的关系,例6.16 单边傅里叶变换,前面板,程序框图,6.4.2 频谱分析,频谱分析是指把时间域的各种动态信号通过傅里叶变换转换到频率域进行分析。频谱分析中应注意的问题（产生的原因和避免的方法）（1）频谱混叠（2）泄漏效应和栅栏效应,频谱分析,前面板,程序框图,例6.17 使用Amplitude and Phase Spectrum.vi进行频谱分析,功率谱,例6.18 使用Auto Power Spectrum.vi进行自功率谱分析,前面板,程序框图,6.4.3 频率响应分析,频率响应表述了一个测试系统输入和输出的频域关系，它是描述测试系统频域动态特性的重要关系。,常常用其模 和相位角 来表示，称为测试系统的幅频特性和相频特性。,例6.19 求频率响应的幅频特性与相频特性,前面板,程序框图,6.4.4 谐波分析,谐波和基波是一个相对的概念，它是一个周期电气量中的正弦波分量，其频率为基波频率的整数倍，由于谐波的频率是基波频率的整数倍，也常称为高次谐波。在频域分析中以电压为例，将畸变的周期性电压分解成傅里叶级数,畸变波形因谐波引起的偏离正弦波形的程度用总谐波畸变量THD（Total Harmonic Distortion）表示,例6.20 谐波分析,前面板,程序框图,6.5 数字滤波器,数字滤波器即是以数值计算的方法来实现对离散化信号的处理，以减少干扰信号在有用信号中所占的比例，从而改变信号的质量，达到滤波或加工信号的目的。数字滤波器分为 无限冲激响应滤波器IIR 有限冲激响应滤波器FIR 特点：精度高、稳定性好、灵活性强、处理功 能强,调用数字滤波器子程序应注意的问题,滤波器类型选择:在低通、高通、带通或带阻滤波器中选择一个类型。截止频率确定:对低通 只需确定上截止频率，高通滤波器只需确定下截止频率，对带通及带阻滤波器应确定上、下限截止频率。采样频率设定滤波器的阶数:滤波器阶数越高，其幅频特性曲线过渡带衰减越快 纹波幅度,窗函数,LabVIEW8.2在【窗】子选板中提供了20种窗函数，包括矩形窗、汉宁窗、海明窗等,数字滤波器应用举例,例6.21 使用巴特沃斯滤波器提出正弦信号,前面板,数字滤波器应用举例,程序框图,例6.22 信号分离,前面板,程序框图,6.6 曲线拟合,概述 相关物理量近似函数表达式描述 y=f(x，a，b，)曲线拟合的目的：是找出一系列参数的最佳估值，通过这些最佳参数，可使拟合曲线与实际数据之间的误差为最小。曲线拟合的算法称为最小平方法。误差被定义为：e(a)=f(x,a)-y(x)2 令 a=a0,a1 y(x)是实测数据，f(x，a)是由一组实验数据估计出来的回归方程式，a 是使误差平方和为最小的最佳系数或参数。离散系统：f表示拟合数据，y表示实测数据，n表示采样点数。,6.6.1 LabVIEW的曲线拟合函数,6.6.2 曲线拟合举例,例6.23 线性拟合,线性拟合算法公式,a0是截距，a1是斜率,例6.24 多项式拟合,要求使用General Polynomial Fit.vi对热电偶测温系统测得的一组实验数据进行多项式拟合，计算出多项式拟合曲线的系数和对应于输入温度值的拟合值。热电偶测温系统的实验数据如下：输入温度（C）：0，50，100，150，200，250，300，350，400，450，500，550，600，650，700，750，800。热电势（mV）：0.00，3.35，6.96，10.69，14.66，18.76，22.90，27.15，31.48，35.81，40.15，44.05，49.01，53.39，57.74，62.06，66.36。,多项式拟合VI的前面板和程序框图,选择拟合阶数为2，多项式关系为,本章结束,Thank You!,