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1、1学习方式：l课堂上以观看NI公司的相关技术视频录像（DAQ十讲）为主。l课后，同学自己学习NI公司文档。第1页/共32页2 8.1 数据采集的基础知识数据采集的任务l l数据采集系统的任务，具体地说，就是采集传感器数据采集系统的任务，具体地说，就是采集传感器输出的模拟信号并转换成计算机能识别的数字信号，输出的模拟信号并转换成计算机能识别的数字信号，然后送入计算机进行相应的计算和处理，得出所需然后送入计算机进行相应的计算和处理，得出所需的数据。与此同时，将计算得到的数据进行显示或的数据。与此同时，将计算得到的数据进行显示或打印，以便实现对某些物理量的监视，其中一部分打印，以便实现对某些物理量的
2、监视，其中一部分数据还将被生产过程中的计算机控制系统用来输出数据还将被生产过程中的计算机控制系统用来输出以控制某些物理量。以控制某些物理量。l l数据采集系统性能的好坏，主要取决于其数据采集系统性能的好坏，主要取决于其精度和和速度。第2页/共32页3模拟信号的数字化处理数据采集的核心过程就数据采集的核心过程就是将连续的模拟信号转是将连续的模拟信号转换成离散的数字信号。换成离散的数字信号。采样点太多，会占用大采样点太多，会占用大量内存单元；采样点太量内存单元；采样点太少，会使模拟信号的某少，会使模拟信号的某些信息被丢失，出现失些信息被丢失，出现失真现象。真现象。第3页/共32页4l l采集卡实际
3、上是将连续的信号采集卡实际上是将连续的信号按照一定的时间间隔离散地采按照一定的时间间隔离散地采集，理论上讲自然是采样率越集，理论上讲自然是采样率越高越好，但是如果遇到如右图高越好，但是如果遇到如右图所示的信号，采样率过高，反所示的信号，采样率过高，反而不好。而不好。l l采样率过高会将噪声或干扰信采样率过高会将噪声或干扰信号也采集进来，导致信号处理号也采集进来，导致信号处理十分繁琐。十分繁琐。图中蓝点表示低采样率图中蓝点表示低采样率绿点表示高采样率绿点表示高采样率采样率并非总是越高越好！第4页/共32页5混叠干扰图中采样频率图中采样频率500Hz500Hz，5 5个个正弦波的频率分别为正弦波的
4、频率分别为100Hz100Hz、200Hz200Hz、300Hz300Hz、375Hz375Hz和和400Hz400Hz。因为。因为100Hz100Hz、200Hz200Hz的信号频率小于的信号频率小于f fs s/2/2，可以由离散信号还原出原，可以由离散信号还原出原始的正弦波连续信号。而始的正弦波连续信号。而300Hz300Hz、375Hz375Hz和和400Hz400Hz的的信号频率都大于信号频率都大于f fs s/2/2，故，故离离散信号重构原信号时形成了散信号重构原信号时形成了频率不同于原信号频率的信频率不同于原信号频率的信号，即混叠干扰。号，即混叠干扰。真实信号真实信号重构信号重构
5、信号第5页/共32页Adequately sampledAliased due to under-sampling混叠干扰第6页/共32页7采样定理 在进行信号采样时，需要遵循采样定理：设连续模拟信号X(t)的频谱为X(f)，以采样间隔Ts采样得到的离散模拟信号为X(nTs)，如果X(f)和Ts满足以下条件，离散信号X(nTs)可以完全确定频谱X(f)：X(f)X(f)有截止频率有截止频率(即最高频率即最高频率)fh)fh，即当，即当|f|fh|f|fh时，时，X(f)X(f)0 0Ts 1/2fh Ts 1/2fh 或或 fs fs 2fh 2fh（采样频率为信号最高频率（采样频率为信号最高
6、频率2 2倍以上）倍以上）第7页/共32页8混叠的消除由采样定理可知，如果要求不产生混叠干扰，首由采样定理可知，如果要求不产生混叠干扰，首先应使被采样信号先应使被采样信号X(t)X(t)成为有限带宽的信号。为成为有限带宽的信号。为此，对不满足此要求的信号，在采样之前，使其此，对不满足此要求的信号，在采样之前，使其先通过模拟低通滤波器滤除高频成分，使其成为先通过模拟低通滤波器滤除高频成分，使其成为带限信号。这种处理称为带限信号。这种处理称为抗混叠滤波预处理抗混叠滤波预处理。其。其次，应使采样频率次，应使采样频率f fs s大于带限信号最高频率大于带限信号最高频率f fh h的的2 2倍，即倍，即
7、f fs s2f2fh h。在实际工作中，考虑到实际的模拟低通滤波器不在实际工作中，考虑到实际的模拟低通滤波器不可能有理想的截止特性，在其截止频率可能有理想的截止特性，在其截止频率f fh h之后总之后总有一定的过渡带，有一定的过渡带，故采样频率常常选为（故采样频率常常选为（3 34 4）f fh h，甚至更高。甚至更高。第8页/共32页9量 化为了能用计算机处理信号，须将采样信号转换成数字信号，也就是将采样信号的幅值用二进制码来表示，由于二进制码的位数是有限的，只能代表有限个信号的电平，故在编码之前，首先要对采样信号进行“量化”。量化就是把采样信号的幅值与某个最小数量单位的一系列整倍数比较，
8、以最接近于采样信号幅值的最小数量单位倍数来代替该幅值。这一过程称为“量化过程”，简称“量化”。最小数量单位称为量化单位。量化单位定义为量化器满量程电压FSR（Full Scale Range）与2n的比值，用q表示，有：式中，n为量化器的位数，也就是采集卡的采样位数。2nFSRq=第9页/共32页量化 3-bit ADCAmplitudecode widthTime02010012014040608010.009.757.506.255.003.752.501.2501111101000110100010002 23 3=8=8份份1 1份份=1.25V=1.25V2 21616=65536=
9、65536份份1 1份份=0.0001526V=0.0001526V16-bit ADC第10页/共32页11量化误差由量化引起的误差叫做量化误差（也常叫做量化噪声，因为它常与噪声有相同影响）。量化误差的最大值为q，它是一种原理性误差，只能减小而不能完全消除。由前面q的定义式可以看出，减小量化误差可以通过两个途径：减小FSR，即根据输入信号的大小，设置合理的采集卡通道的输入信号范围；增大n的值，即选择采样分辨率高的采集卡。第11页/共32页多通道采集的采样方式循环采样同步采样间隔采样Straingauge 1Straingauge 2Battery 1Battery 2TempPressure
10、书：书：P184P184采样方式的选择：书：采样方式的选择：书：P185P185最后一段。最后一段。第12页/共32页138.2 数据采集系统的构成粗略的构成图：粗略的构成图：第13页/共32页14数据采集系统的组成：第14页/共32页15信号分类在数据采集应用领域，常将被测信号分为数字信号和模拟信号（也称连续时间信号）。数字（二进制）信号分为开关信号或脉冲信号。模拟信号可分为直流、时域、频域信号，如下图所示。（1）被测量（信号）第15页/共32页数字信号开关信号 连续脉冲信号Input:Read an optical encoderOutput:Generate a square wave分
11、辨率时钟频率Input:Sense a switch closureOutput:Close a valve驱动程序的功能通道数DAQDAQ卡需要考虑的指标卡需要考虑的指标onofft1-0-t第16页/共32页模拟信号时域信号VibrationSpeechSonar分辨率采样率AC 精度触发滤波器TemperaturePressureFlowStrainDC 精度频域信号直流信号ECGBlood pressureSingle-shot eventsChromatograph分辨率采样率AC 和 DC 精度触发DAQ卡需要考虑的指标参数0.985ttf第17页/共32页（2）变送器/传感器 物
12、理现象传感器 温度热电偶 RTD IC传感器 热敏电阻光真空管光电传感器声麦克风力和压力应变仪 压电传感器第18页/共32页热电偶价格较低，坚固可承受高温可迅速感知温度的快速变化需要作冷端补偿电压量很小 需要放大输出非线性，需要冷端补偿第19页/共32页RTDs（Resistance Temperature Detector，电阻温度探测器）精度比热电偶高不需要冷端补偿比热电偶昂贵需要电流源非线性输出，需要线性化2路RTDs接线，简单，但要考虑接线电阻误差3路和4路 RTD 接线，消除了接线电阻误差 电阻温度探测器电阻温度探测器(RTD)(RTD)实际上是一根特殊的导线，它的电阻随温度变实际上
13、是一根特殊的导线，它的电阻随温度变化而变化，通常化而变化，通常RTDRTD材料包括铜、铂、镍及镍材料包括铜、铂、镍及镍/铁合金。铁合金。RTDRTD元件可以是元件可以是一根导线，也可以是一层薄膜，采用电镀或溅射的方法涂敷在陶瓷类材料一根导线，也可以是一层薄膜，采用电镀或溅射的方法涂敷在陶瓷类材料基底上。基底上。第20页/共32页热敏电阻 需要电流源或电压源激励非线性化强烈，需要线性化敏感度高电阻高第21页/共32页应变片需要电压源需要桥式电路设置非线性化输出，需要线性化第22页/共32页23（3）信号调理电路作用：l增益调理l线性化l滤波l激励信号及辅助装置 l消除静态信号的影响l电压隔离l同
14、步采样保持 第23页/共32页24（4）模拟多路开关模拟多路开关可以分时选通来自多个输入通道的模拟多路开关可以分时选通来自多个输入通道的某一路信号，使得在一个特定的时间范围内，只某一路信号，使得在一个特定的时间范围内，只允许一路模拟信号输入到允许一路模拟信号输入到A/DA/D转换器。因此，在转换器。因此，在多路开关后的单元电路，如采样多路开关后的单元电路，如采样/保持电路、保持电路、A/DA/D及处理器电路等，只需一套即可，这样可以及处理器电路等，只需一套即可，这样可以降低成本，减小设备体积。降低成本，减小设备体积。多路开关从一个通道切换到另一个通道时会发生多路开关从一个通道切换到另一个通道时
15、会发生瞬变现象，使输出产生短暂的尖峰电压。瞬变现象，使输出产生短暂的尖峰电压。模拟多路开关的源负载效应误差和串扰等因素对模拟多路开关的源负载效应误差和串扰等因素对检测精度有较大的影响，尤其是在信号源内阻较检测精度有较大的影响，尤其是在信号源内阻较大的时候，因此，大的时候，因此，信号源的内阻应该尽可能的小。信号源的内阻应该尽可能的小。第24页/共32页25（5）数据采集卡（DAQ:Data Acquisition)l数据采集卡：具有模拟输入/输出、数字输入/输出和定时/计数等多种功能，并且带计算机通信接口。l通信接口种类：ISA总线、PCI总线、CPCI总线、RS232串口、打印机并口、USB总
16、线、GPIB总线、VXI总线等l根据是否插入计算机内又分为有外置式和内置式两种。第25页/共32页26数据采集卡的功能功功 能能描描 述述模拟输入模拟输入数据采集卡数据采集卡最基本、最常用最基本、最常用的功能，将模拟电压信的功能，将模拟电压信号通过号通过A/D转换成数字信号。常用于检测温度、压转换成数字信号。常用于检测温度、压力力、流量等传感器的输出电压信号。、流量等传感器的输出电压信号。模拟输出模拟输出通过通过D/A转换将自定义的数字信号转化成模拟信号转换将自定义的数字信号转化成模拟信号输出。常用作信号发生器为其他系统提供激励。输出。常用作信号发生器为其他系统提供激励。数字数字I/O处理二值
17、信号，多数采用处理二值信号，多数采用TTL电平标准。通常用于电平标准。通常用于获取获取/设置数据采集系统外围设备的状态，可以利用设置数据采集系统外围设备的状态，可以利用其与外围设备进行通信，还能驱动步进电机等。其与外围设备进行通信，还能驱动步进电机等。计数器计数器实现定时功能，或生成数字脉冲信号，以驱动步进实现定时功能，或生成数字脉冲信号，以驱动步进电机一类的执行元器件。也能对脉冲信号计数，如电机一类的执行元器件。也能对脉冲信号计数，如测量数字脉冲信号的频率等。测量数字脉冲信号的频率等。第26页/共32页27采集卡基本参数 以以NINI公司的公司的PCI-6071EPCI-6071E多功能采集
18、卡为例，介绍采集多功能采集卡为例，介绍采集卡的一般参数：卡的一般参数：uu模拟输入：模拟输入：6464路单端路单端/32/32路双端，输入范围：路双端，输入范围：10V10Vuu分辨率：分辨率：1212位位 uu采样频率：最高采样频率：最高1.25MS/s 1.25MS/s uu模拟输出：模拟输出：2 2路，路，1212位，位，1MS/s1MS/s，输出范围：，输出范围：10V 10V uu数字数字I/OI/O：8 8路路 uu计数器：计数器：2 2路，路，2424位，基准时钟位，基准时钟20MHz20MHz或或100KHz100KHz第27页/共32页28 8.3 Measurement&A
19、utomation Explorer（MAX）为什么选择LabVIEW做数据采集？l lLabVIEWLabVIEW是一种面向工程师的编程语言，采用图形化编程，多线程同步运行，是一种面向工程师的编程语言，采用图形化编程，多线程同步运行，只需要连线就能进行软件的编制。提供了丰富的函数库和控件，搭建软件的只需要连线就能进行软件的编制。提供了丰富的函数库和控件，搭建软件的界面非常迅速，一个熟练的工程师可能只需要几分钟就能搭建一个数据采集界面非常迅速，一个熟练的工程师可能只需要几分钟就能搭建一个数据采集系统。系统。l lNINI的数据采集卡提供了对的数据采集卡提供了对LabVIEWLabVIEW丰富且
20、完备的支持，驱动函数都是在底层丰富且完备的支持，驱动函数都是在底层的基础函数上进行了高度封装，用户不需要对采集卡具体工作有深入的了解，的基础函数上进行了高度封装，用户不需要对采集卡具体工作有深入的了解，只要掌握这些驱动函数输入只要掌握这些驱动函数输入/输出端口的意义，就能进行数据采集开发。输出端口的意义，就能进行数据采集开发。第28页/共32页29如何配置DAQ？除了安装除了安装LabVIEWLabVIEW之外，还需要安装之外，还需要安装NINI公司的软件：公司的软件：DAQmxDAQmx，现有版本，现有版本NI-DAQmx9.1.7NI-DAQmx9.1.7，大小：，大小：1.23G1.23
21、G。在启动计算机时，自动加载数据采集卡的驱动程序。在启动计算机时，自动加载数据采集卡的驱动程序。但在使用数据采集卡之前，必须先进行配置。但在使用数据采集卡之前，必须先进行配置。可运行可运行MAXMAX（Measurement&Automation Measurement&Automation ExplorerExplorer）来对采集卡进行通道配置，如设置通道名、）来对采集卡进行通道配置，如设置通道名、输入输出类型、测量类型等等输入输出类型、测量类型等等第29页/共32页30进行DAQ配置的步骤如下：1.新建一个通道2.选择通道类型，可以选择通道类型如模拟输入、模拟输出、数字I/O等。3.定义
22、通道名。4.选择测量类型，如电压、电流、电阻、频率等5.定义单位和范围。6.定义刻度模式。7.指定DAQ设备及通道号。第30页/共32页31观看录像：观看录像：1.1.DAQDAQ十讲之第十讲之第1 1讲：讲：DAQDAQ基础知识简介基础知识简介1111分钟分钟2.2.LabVIEWLabVIEW用于数据采集用于数据采集2525分钟分钟3.3.DAQDAQ十讲之第十讲之第2 2讲：配置管理软件讲：配置管理软件MAX15MAX15分钟分钟技术文档：技术文档：1.1.学会学会NI-DAQmxNI-DAQmx中的十个函数解决中的十个函数解决8080的数据采集应用问的数据采集应用问题题.pdf.pdf2.2.NINI数据采集入门篇数据采集入门篇.pdf.pdf第31页/共32页32感谢您的观看！第32页/共32页