LABVIEW编程基础第8章数据采集.ppt
陕西理工学院,第8章 数据采集,CONTENTS,目 录,数据采集基础,DAQ设备的安装与测试,NI-DAQmx简介,DAQmx数据采集应用编程实例,CONTENTS,目 录,数据采集基础,DAQ设备的安装与测试,NI-DAQmx简介,DAQmx数据采集应用编程实例,自然界中的物理量大多是在时间、幅值上连续变化的模拟量，而信息处理多是以数字信号的形式由计算机来完成。所以将模拟信号变为数字信号是实现信息处理的必要过程，该过程的第一步就是对模拟信号进行采样。对模拟信号采样的基本原则是奈奎斯特采样定理：,若连续信号x(t)是有限带宽的，其频谱的最高频率为fc，对x(t)采样时，若保证采样频率fs2 fc，那么即可由采样后的数字信号x(nTs)恢复出x(t)。如果采样频率fs2fc，则通过采样后的数字信号无法还原原来的信号，称为欠采样。一般情况下，在采样时，fs至少为fc的2.5倍，工程上，一般为6-8倍。,8.1 数据采集基础,8.1.2 输入信号类型,1信号源的基准配置,信号源有两种类型：基准的和非基准的。基准信号源通常称为接地信号，而非基准信号源则称为未接地信号或浮动信号。,接地信号源的电压信号以系统的地线作为参考点，如大地或建筑物。通过电源插座插入建筑物的设备，如信号发生器和供电设备，都是接地信号源最常见的实例。未接地信号源的信号（如电压）没有相应的诸如大地或建筑物这样的绝对参考点。一些常见的未接地信号的实例包括电池组、电池供电源、热电偶、变压器、隔离放大器和那些输出信号明显不接地的各种仪器。,8.1.3 信号接地与测量,（2）参考地单端测量系统(RSE),一个RSE测量系统，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。,（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。,8.1.4 数据采集系统构成,一个典型的数据采集系统，包括传感器、信号调理、数据采集卡、PC机和软件。,传感器：感应被测对象的状态变化，并将其转化成可测量的电信号。信号调理：联系传感器与数据采集设备的桥梁，主要包括放大、滤波、隔离、激励、线性化等。数据采集卡：实现数据采集功能的计算机扩展卡。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、计数器/计时器等。通常来说数据采集卡都有自己的驱动程序。软件：使PC机和数据采集卡形成了一个完整的数据采集、分析和显示系统。,CONTENTS,目 录,数据采集基础,DAQ设备的安装与测试,NI-DAQmx简介,DAQmx数据采集应用编程实例,8.2.1 数据采集卡的安装,NI PCI-6251是一款高速M系列多功能DAQ板卡。提供16路单端/8路差分模拟输入通道，分辨率为16bit，单通道数据采样速率为1.25MS/s，多通道为1MS/s；提供2路16位模拟输出，刷新率为2.8MS/s；提供24条数字I/O线和2个32位计数器。共有68个接线端子。,将PCI-6251数据采集卡插到计算机主板上的一个空闲PCI插槽中，接好附件并完成驱动程序NI-DAQ或NI-DAQmx的安装（最新版的NI-DAQmx可从NI网站上下载，本书采用的为NI-DAQmx 9.0）即完成安装工作。,数据采集卡附件,8.2 DAQ设备的安装与测试,选中“NI PCI-6521”节点，窗口右侧将列出数据采集卡的一些属性，如序列号、内存范围等属性信息，同时通过该节点右键菜单或右侧窗口上部的快捷菜单按钮还可以进行数据采集卡的自检、测试、重启设备、创建任务、配置TEDS、设备引脚定义浏览、自校准等操作。,8.2.2 数据采集卡的测试及配置,3采集卡的任务配置,几个有关采集的基本概念,在MAX界面接口和设备右侧窗口上面的“创建任务”快捷菜单选项来实现，单击该菜单选项，弹出“新建NI-DAQmx任务”对话框。,选择“模拟输入”“电压”，对话框将切换为“物理通道”选择界面，在界面上选择一个信号输入的物理通道，如“ai0”，表明要采集从ai0输入的模拟信号，选定后单击“下一步”进入任务名定义界面，在界面中对应文本输入框中输入要指定的任务名称，如默认“我的电压任务”，单击“完成”则完成一个模拟输入电压测量任务的创建。,在MAX中配置任务方法,在MAX主窗口左侧配置树的“数据邻居”中选定创建好的任务节点，在右侧窗口中合理配置各种参数后，单击“运行”按钮，则输入信号采集结果显示在窗口右侧上部的图表中。在窗口的下侧单击“连线图”选项页，将弹出信号输入连线方式。,利用“保存”按钮可以对任务进行保存，保存后可以在其它应用程序中使用。,CONTENTS,目 录,数据采集基础,DAQ设备的安装与测试,NI-DAQmx简介,DAQmx数据采集应用编程实例,8.3.1 传统的NI-DAQ与NI-DAQmx,NI-DAQ驱动软件是一个用途广泛的库，该软件提供了多种函数及VI，可从LabVIEW中直接调用，从而实现对测量设备的编程。传统NI-DAQ(Legacy)是NI-DAQ 6.9x的升级版，其VI、函数和工作方式都和NI-DAQ 6.9x相同。传统NI-DAQ(Legacy)可以和NI-DAQmx在同一台计算机上使用，但不能在Windows Vista上使用传统NI-DAQ(Legacy)。NI-DAQmx是最新的NI-DAQ驱动程序，带有控制测量设备所需的最新VI、函数和开发工具。与早版本的NI-DAQ相比，NI-DAQmx的优点在于：,（1）提供了DAQ助手，无需编程就可进行测量任务，并能生成对应的NI-DAQmx代码，易于学习；（2）采集速度更快；（3）提供的仿真设备无需连接实际的硬件就可进行应用程序的测试和修改；（4）API更为简洁直观；（5）支持更多的LabVIEW功能，可使用属性节点和波形数据类型。（6）对LabVIEW Real-Time模块提供更多支持且速度更快。,8.3 NI-DAQmx简介,主要提供通过前面板对DAQmx任务名、DAQmx全局通道、DAQmx物理通道、DAQmx接线端、DAQmx换算名、DAQmx设备名、DAQmx开关等的输入功能。,8.3.3 NI-DAQmx 数据采集VI,8.3.2 NI-DAQmx数据采集控件,NI-DAQmx重要VI列表及功能说明,DAQmx创建虚拟通道多态VI的多态实例选择,LabVIEW中的多态VI概念,DAQ助手位于“函数选板”“测量I/O”“DAQmx-数据采集”子选板中，将其放置到程序框图后后将自动弹出一个“新建Express任务”对话框，通过该对话框可以开始一个数据采集任务的创建，其创建步骤与在MAX创建任务类似。,8.3.4 DAQ助手的使用,配置完成返回程序框图，DAQ助手显示为一个Express VI图标。如在其输入端口（如采样率、采样数等）不输入新的参数值，则DAQ助手将以对话框中的配置的参数作为默认参数执行数据采集功能。DAQ助手的“数据”接线端口包含了要读取任务的采样。因此该端子根据数据采集所要实现的不同任务可作为测量任务的输出以及模拟/数字输出任务的输入。根据前面的配置（模拟输入），这里我们将采集到的数据输出到一个图形显示控件中显示，输入的信号为一个正弦信号，采集显示结果如图所示。,使用DAQ助手创建的任务是临时任务，未保存到MAX中，在没有转换为NI-DAQmx任务之前只能在创建该DAQ助手的VI中使用。通过快捷菜单选项“转换为NI-DAQmx任务”可以将该任务转换为长期任务并保存到MAX实现其调用功能。,通过“DAQmx任务名”常量或控件选定MAX中的任务后，用控件或常量快捷菜单“生成代码”菜单中的“范例”、“配置”、“范例和配置”和“转换为Express VI”四个选项生成不同程序图形代码。,通过DAQ助手或MAX配置的任务只能完成基本的数据采集功能，实际应用需要根据要求添加相应的功能以实现对数据采集更多的控制。故有时需要将配置的任务转化为程序代码，从而通过修改程序代码来实现更为复杂的功能。在LabVIEW中，有两种生成程序代码的途径。,LabVIEW中程序图形代码的生成,范例程序图形代码实际上就是一个简单的DAQmx示例程序，代码内容会因任务而异，经过某些修改就可以用在应用程序中。这个程序仍然通过数据采集“DAQmx任务名”控件或“DAQmx任务名”常量与数据采集任务联系在一起。,CONTENTS,目 录,数据采集基础,DAQ设备的安装与测试,NI-DAQmx简介,DAQmx数据采集应用编程实例,采集模拟信号是虚拟测试系统中最普遍、最典型的任务。按数据多少通常分为单点直流信号采集、有限波形采集和连续波形采集。按使用通道多少可分为单通道采集、多通道采集。,单点直流电压信号采集示例,8.4 DAQmx数据采集应用编程实例,“DAQmx创建通道”设置为“AI电压”用于建立通道；“DAQmx定时”设置为“采样时钟”实现对采样时钟的源、频率以及采集或生成的采样数量进行设置。输入信号为频率为10Hz的正弦信号和三角波信号，根据设定参数可得在输入信号的一个周期内采样数为50，每通道采样数为100，则采样组成的波形为两个周期。,连续波形采集示例,程序中将“DAQmx读取”函数及波形图表显示置于一个While循环中，同时将“DAQmx定时”函数的“采样模式”设置为“连续采样”，从而实现连续波形的采集，波形图表中的显示为输入正弦信号（频率10Hz，峰-峰值5V）的采集情况。,对于连续采集，缓冲问题是必须注意的。对于一些简单的数据采集，用户不需设置，LabVIEW会自动分配缓冲区。对于DAQmx定时函数的“每通道采样”接线端，当“采样模式”设置为“有限采样”时，表示每通道需要读取或写入数据的长度，当“采样模式”设置为“连续采样”时，表示缓冲的大小，可以通过该端子实现缓冲区的大小。NI-DAQmx对于不同的“采样率”有一个参考的缓冲区大小，如果通过“每通道采样”所设的值小于参考值的话，系统会自动选择参考值作为缓冲区的大小。,在连续采样中，如果“DAQmx读取”函数从缓存中读取数据的速度小于设备向缓存中存放数据的速度，则会出现在向缓冲区写入数据时覆盖掉还没有被读取的数据而产生数据丢失，使数据采集不连续，这种情况下有时会返回错误，通过设置合适的“每通道采样数”的值可避免该错误的发生，通常此值设置为缓存大小的1/21/4较为合适。,连续采集的缓冲问题,8.4.2 模拟信号输出,“DAQmx创建通道”对输出信号幅度范围、接线端配置、物理通道等信息进行配置。“DAQmx定时”对采样时钟的采样率、采样模式及每通道采样进行配置，“采样率”参数可以确定输出信号的频率，“每通道采样”确定输出有限波形数据的长度。“DAQmx写入”负责将“数据”端给定数据写入通道，数据由“正弦信号”函数生成，其幅度为5V，周期为1s，采样数为128。“DAQmx结束前等待”函数用于VI在任务结束前确保完成指定操作。运行该VI，根据设定的参数，通过示波器对输出波形进行观察，可以得到输出频率为1Hz，幅值为5V，长度为8个周期的正弦波形。,连续波形输出示例,“DAQmx定时”函数的采样模式设置为“连续采样”，将“DAQmx结束前等待”函数置于一个While循环中，即可实现连续波形输出。其中While循环的作用是保证任务不结束，这样硬件就会一直输出数据，除非发生错误或单击停止按钮。,一般的数据采集卡都有数字端口和计数器，用于实现数据采集的触发、控制及计数等功能。端口按照TTL逻辑电平设计，逻辑低电平在0-0.7V之间，逻辑高电平在之间。数字I/O的重要组成部分是数字端口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称为位bit，它的二进制值是0或1。多路数字线组成一组后称为端口Port，一般情况下，4或8路数字线组成一个端口。许多数据采集设备要求一个端口中的线同时都是输出线，或同时都是输入线，即单向的，但也有一些设备的一个端口的数字线可以是双向的，即有的线输入有的线输出。NI PCI-6251数据采集卡，有24条数字线，组成3个端口。数字I/O的应用分为两类：无条件数字输入输出方式和握手方式。无条件数字输入输出方式调用数字I/O函数后立即更新或读取某一路或端口状态；握手方式在在传递数据时都需要进行请求和应答。NI PCI-6251不支持握手方式数字输入输出。数字I/O的编程方法与模拟输入、模拟输出的编程差别不大。,8.4.3 数字I/O,数字输入输出示例,先通过数据采集卡的端口0（port0）输出数据（10100111），在数据采集卡接线板上，通过导线将数据采集卡端口0（port0）和端口1（port1）对应的线连接起来。这样，程序在端口0输出数据后，紧接着又通过端口1将端口0上各数字线上的读取出来。,GATE为计数器的闸门控制信号；SOURCE（CLK）为计数器时钟信号源；OUT为计数器的输出信号。典型的计数器应用有事件定时/计数、产生单个脉冲、产生脉冲序列、频率测量、脉冲宽度测量和信号周期测量等。,8.4.4 计数器,首先将“DAQmx创建通道”函数设置为“CI边沿计数”从而创建一个事件计数器的虚拟通道，并对物理通道、边沿、计数方向、初始计数等参数进行设置。后面几个VI的作用分别是开始计数、读取数据、清除任务。其中While循环的作用是实现连续计数。从数据采集卡端子PFI8（CTR 0 SRC，对应引脚为37）端输入一数字脉冲，则程序运行后即对输入的数字脉冲序列进行计数。,带1个计数器的低频：适用于被测信号频率相对于计数器的时基较低的情况，对应频率测量中的测周法；带2个计数器的高频：适用于信号频率较高或差异较大的情况，对应频率测量中的测频法；带2个计数器的大范围：适用于待测信号范围广且整个范围都需要较高的测量精度的情况，对应频率测量中的改进的测周法。,输入信号的频率和测量方法的不同，测量的结果有可能发生不同程度的误差，因此，应根据实际的测量要求选择合适的测量方法。,频率测量示例,首先“DAQmx创建通道”VI设置为“CI频率”创建一个虚拟通道，测量方法设置为“带1个计数器的低频”，测量范围分别设置为最大值10000Hz和最小值2Hz，开始边沿设置为“上升”，物理通道设置为“Dev1/ctr0”，对应采集卡的输入端子为PFI9（CTR 0 GATE，对应引脚为3）。接着后面的几个VI的作用分别是开始任务、读取数据、清除任务。,“DAQmx创建通道”设置为“CO脉冲频率”创建一个虚拟通道，并对输出脉冲的频率、占空比、物理通道、空闲状态、初始延迟等参数进行设置。“DAQmx定时”VI设置为“隐式”并将采样模式设置为“连续采样”。后面几个VI的作用分别是开始任务、判断任务是否完成、清除任务。将“DAQmx任务完成”置于While循环中，硬件一直输出脉冲，除非发生错误或单击停止按钮。图示程序数据采集卡将输出频率为1kHz的方波信号。,
