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第6章 虛擬儀器數(shù)據(jù)采集與信號處理 1 第6章虛擬儀器數(shù)據(jù)采集與信號處理 教學重點數(shù)據(jù)采集信號產(chǎn)生信號的時域分析信號的頻域分析數(shù)字濾波器曲線擬合 2 6 1數(shù)據(jù)采集 LabVIEW作為一種圖形化的虛擬儀器開發(fā)平臺 在數(shù)據(jù)采集 信號的產(chǎn)生 分析與處理上有明顯的優(yōu)勢 LabVIEW提供了非常豐富的數(shù)據(jù)采集 信號發(fā)生 分析與處理函數(shù) 虛擬儀器主要用于獲取真實物理世界的數(shù)據(jù) 也就是說 虛擬儀器必須要有數(shù)據(jù)采集的功能 從這個角度來說 數(shù)據(jù)采集就是虛擬儀器設計的核心 使用虛擬儀器必須要掌握如何進行數(shù)據(jù)采集 3 6 1 1數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的含義 在科研 生產(chǎn)和日常生活中 需要經(jīng)常對模擬量 如溫度 壓力 流量 速度 位移等 進行測量和控制 數(shù)據(jù)采集 DataAcquisition DAQ 就是將被測對象的各種參量 物理量 化學量 生物量等 通過各種傳感器作適當轉換后 再經(jīng)信號調(diào)理 采樣 量化 編碼 傳輸?shù)炔襟E送到計算機進行數(shù)據(jù)處理或記錄的過程 用于數(shù)據(jù)采集的成套設備稱為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) DataAcquisitionSystem DAS 4 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的任務 就是通過傳感器從被測對象獲取有用信息 并將其輸出信號轉換為計算機能識別的數(shù)字信號 然后送入計算機進行相應的處理 得出所需的結果 同時 將計算機得到的數(shù)據(jù)結果進行顯示 存儲或打印 以便實現(xiàn)對某些物理量的監(jiān)視 其中一部分數(shù)據(jù)還將被計算機控制系統(tǒng)用來進行某些物理量的控制 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的好壞 主要取決于它的精度和速度 在保證精度的前提下 應具有盡可能高的采樣速度 以滿足實時采集 實時處理和實時控制對速度的要求 5 現(xiàn)代數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)具有以下主要特點 一般都含有計算機系統(tǒng) 軟件的作用越來越大 數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)處理結合日益緊密 采集速度快 一般都具有實時特性 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的體積越來越小 總線的應用越來越廣 6 6 1 2數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結構 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通常是由傳感器 信號調(diào)理電路 多功能數(shù)據(jù)采集卡 通常集成有模擬多路開關 程控放大器 采樣 保持器 定時器 A D轉換器及D A轉換器 計算機及外設等部分組成 7 傳感器傳感器是指能感受規(guī)定的被測量信號并按照一定的規(guī)律轉換成可用輸出信號的器件或裝置 傳感器不但應該對被測量信號敏感 而且還應具有將被測量信號的響應傳送出去的功能 信號調(diào)理 1 放大 電流型變送器 電壓型變送器 2 隔離 地 電位 共態(tài)電壓差異 3 濾波 低通濾波器 抗混疊濾波器 4 激勵 外接電流或電壓激勵信號 例 熱電阻 5 線性化 驅動軟件包 8 數(shù)據(jù)采集卡一個典型的數(shù)據(jù)采集卡的功能有模擬輸入 模擬輸出 數(shù)字I O 計數(shù) 定時器等 這些功能分別由相應的單元電路來實現(xiàn) 1 模擬輸入 一般由多路開關 放大器 采樣保持電路以及A D轉換器來實現(xiàn) 2 模擬輸出 為系統(tǒng)提供輸出或控制信號 D A 3 數(shù)字I O 通常用來控制過程 產(chǎn)生測試信號 與外設通信等 它的基本參數(shù)包括數(shù)字接口路數(shù) 收 發(fā)數(shù)據(jù)速率 驅動能力等 4 計數(shù) 定時器 計數(shù)器包括3個重要信號 門限信號 計數(shù)信號 輸出 9 6 1 3數(shù)據(jù)采集卡的選用與配置 數(shù)據(jù)采集卡 在計算機控制下完成數(shù)據(jù)采集和控制任務的板卡 數(shù)據(jù)采集卡分為內(nèi)插式采集卡和外掛式采集卡 內(nèi)插式采集卡包括基于ISA PCI PXI CPCI PCMCIA等總線卡 特點是速度快 但是插拔不方便 外掛式采集卡包括USB IEEE1394 RS 232 RS 485和并口卡 特點是使用方便 但速度相對較慢 10 USB總線數(shù)據(jù)采集卡 PCI總線接口數(shù)據(jù)采集卡 11 數(shù)據(jù)采集卡的選用 在挑選數(shù)據(jù)采集卡時 用戶主要考慮的是根據(jù)需求選取適當?shù)目偩€形式 適當?shù)牟蓸铀俾?適當?shù)哪M輸入 模擬輸出 適當?shù)臄?shù)字量輸入 輸出接口等 達到既能滿足工作需求 又能節(jié)省投資的目的 需用數(shù)據(jù)采集卡的基本原則 數(shù)據(jù)分辨率和精度 可達到的采樣速率 最高采樣頻率 通道數(shù) 通道數(shù) 數(shù)據(jù)總線接口類型 PCI PCMCIA PXI VXI 是否有隔離 支持的軟件驅動程序及其軟件平臺 12 數(shù)據(jù)采集卡產(chǎn)品介紹 NI公司作為虛擬儀器技術的開創(chuàng)者 面向廣大用戶設計出一系列高品質(zhì)的通用數(shù)據(jù)采集卡 如B系列基本多功能DAQ卡 S系列同步采樣多功能DAQ卡 M系列新一代多功能DAQ卡等 PCI 6251是首款基于PC的PCIExpress多功能高速數(shù)據(jù)采集卡 它將PCIe總線技術和NI的M系列數(shù)據(jù)采集技術完美地結合在一起 提供了快速模擬和數(shù)字I O 以及先進的PCIe通道帶寬 13 數(shù)據(jù)采集卡的安裝配置 在選購了NI公司的數(shù)據(jù)采集卡后 首先要將數(shù)據(jù)采集卡安裝到計算機中并插在相應的總線插槽上 然后安裝相應的驅動程序 硬件驅動程序是應用軟件對硬件的編程接口 它包含著特定硬件可以接受的操作命令 用于完成與硬件之間的數(shù)據(jù)傳遞 依靠硬件驅動程序可以大大簡化LabVIEW編程工作 提高開發(fā)效率 降低開發(fā)成本 NI公司的數(shù)據(jù)采集產(chǎn)品可以和NILabVIEW以及NI DAOmx測量驅動服務軟件無縫地結合 從而能提供更高的性能 更高的價值和更多的I O 14 6 1 4基于LabVIEW的數(shù)據(jù)采集過程 15 6 1 5基于LabVIEW的數(shù)據(jù)采集VI設計 數(shù)據(jù)采集是虛擬儀器獲取信息的必不可少的基本功能 DAQmx軟件是LabVIEW的核心 使用LabVIEW必須要掌握如何使用DAQmx LabVIEW2010中 DAQmx函數(shù)位于函數(shù)選板的 測量I O DAQmx 數(shù)據(jù)采集 子選板中 常用的DAQmx函數(shù)有 1 DAQmxCreateVirtualChannel vi 創(chuàng)建虛擬數(shù)據(jù)采集通道 2 DAQmxTiming vi 為數(shù)據(jù)采集配置采集速率和創(chuàng)建緩沖器 3 DAQmxTrigger vi 為數(shù)據(jù)采集任務配置觸發(fā)源 觸發(fā)數(shù)據(jù)采集 4 DAQmxStartTask vi 開始數(shù)據(jù)采集或者產(chǎn)生即將輸出的數(shù)據(jù) 5 DAQmxWrite vi 向指定的虛擬通道或者任務寫入數(shù)據(jù) 6 DAQmxRead vi 從指定的虛擬通道或者任務讀取數(shù)據(jù) 7 DAQmxWaitUntilDone vi 等待數(shù)據(jù)采集完成 8 DAQmxStopTask vi 停止數(shù)據(jù)采集或者停止產(chǎn)生數(shù)據(jù)的輸出 9 DAQmxClearTask vi 清除數(shù)據(jù)采集任務 10 DAQ助手 是用于配置通道 任務和換算的圖形化界面 16 1 基于DAQ助手的數(shù)據(jù)采集 例6 1利用DAQ助手和PCI 6251數(shù)據(jù)采集卡實現(xiàn)單通道模擬電壓的數(shù)據(jù)采集 在LabVIEW2010中 完成任務配置并創(chuàng)建圖形顯示控件后的DAQ助手如圖所示 它在執(zhí)行數(shù)據(jù)采集任務即可返回采集數(shù)據(jù) 并顯示測試結果 17 2 基于DAQmx函數(shù)的數(shù)據(jù)采集 1 模擬信號的采集例6 2利用DAQmx函數(shù)和PCI 6251數(shù)據(jù)采集卡實現(xiàn)單通道有限數(shù)據(jù)點數(shù)據(jù)采集 18 連續(xù)數(shù)據(jù)采集 例6 3利用DAQmx函數(shù)和PCI 6251數(shù)據(jù)采集卡實現(xiàn)單通道連續(xù)數(shù)據(jù)采集 單通道連續(xù)數(shù)據(jù)采集VI的程序框圖 19 多通道循環(huán)數(shù)據(jù)采集 例6 4利用DAQmx函數(shù)和PCI 6251數(shù)據(jù)采集卡實現(xiàn)多通道循環(huán)數(shù)據(jù)采集 前面板 20 多通道循環(huán)數(shù)據(jù)采集 多通道循環(huán)數(shù)據(jù)采集VI程序框圖 21 2 離散信號的采集 例6 5利用DAQmx函數(shù)和PCI 6251數(shù)據(jù)采集卡實現(xiàn)事件計數(shù) 事件計數(shù)VI的前面板和程序框圖 22 信號產(chǎn)生是儀器系統(tǒng)的重要組成部分 要評價任意一個網(wǎng)絡或系統(tǒng)的特性 必須外加一定的測試信號 其性能方能顯示出來 最常用的測試信號有正弦波 三角波 方波 鋸齒波 噪聲波及多頻波 由不同頻率的正弦波疊加而形成的波形 等 在LabVIEW中用信號發(fā)生器產(chǎn)生了一個信號實際上相當于通過軟件實現(xiàn)了一個信號發(fā)生器的功能 在LabVIEW中利用信號發(fā)生器產(chǎn)生的信號可以進行測試系統(tǒng)模型的分析或進行信號處理方法的研究 也可以將仿真信號通過D A轉換硬件輸出 驅動實際執(zhí)行單元動作 23 6 2 1數(shù)字信號的產(chǎn)生與數(shù)字化頻率的概念 正弦波信號 為采樣間隔 為信號周期 設一個周期內(nèi)的采樣點數(shù)為n 則采樣頻率 信號頻率 設 將2 弧度用360 表示 并省略 則得數(shù)字化頻率f 模擬頻率 采樣頻率 24 6 2 2信號生成 信號生成子選板 25 1 正弦波生成 SineWave vi 正弦波函數(shù)的等效數(shù)學運算式如下 SineWave i amplitude sin 360 f i phase0 26 SineWave vi應用舉例 例6 6利用SineWave vi產(chǎn)生正弦波 前面板 程序框圖 27 2 均勻白噪聲的生成 例6 7利用UnifomWhiteNoise vi產(chǎn)生均勻分布的白噪聲 前面板 程序框圖 28 3 函數(shù)發(fā)生器 例6 8創(chuàng)建一個可以產(chǎn)生正弦波 三角波 方波和鋸齒波的函數(shù)發(fā)生器 29 6 2 3波形生成 在波形生成子選板中的所有函數(shù)不僅輸出包含指定波形圖形的數(shù)字型數(shù)組 而且包含時間參數(shù) 這種數(shù)據(jù)類型在LabVIEW中稱為波形數(shù)據(jù) 30 波形生成函數(shù)的應用舉例 例6 9使用基本函數(shù)發(fā)生器創(chuàng)建函數(shù)發(fā)生器 前面板 程序框圖 31 多頻信號的產(chǎn)生與應用 多頻信號是指一個離散頻率的正弦波集合 其模擬信號數(shù)學表達式為 式中 Ai 第i個正弦波的幅值 i 基頻角頻率hi 第i個正弦波的角頻倍數(shù) i 第i個正弦波的初相角 32 例6 10多頻信號發(fā)生器 前面板 程序框圖 33 例6 11信號合成 信號合成的前面板和程序框圖 34 6 3信號的時域分析 時域分析是指在時間域內(nèi)研究系統(tǒng)在一定輸入信號的作用下 其輸出信號隨時間的變化情況 由于時域分析是直接在時間域中對系統(tǒng)進行分析的方法 所以時域分析具有直觀和準確的優(yōu)點 35 6 3 1卷積運算 卷積是電路分析的一個重要概念 它可以求線性系統(tǒng)對任何激勵信號的零狀態(tài)響應 卷積的物理概念及運算在測試信號處理中占有重要地位 反卷積 對離散時間信號的卷積稱為卷積和 定義為 Convolution vi 1 Direct 2 Frequencydomain 36 例6 12求卷積運算 卷積運算的前面板和程序框圖 37 6 3 2相關分析 所謂 相關 是指變量之間的線性關系 相關分析利用相關系數(shù)或相關函數(shù)來描述兩個信號間的相互關系或其相似程度 還可以用來描述同一信號的現(xiàn)在值與過去值的關系 或者根據(jù)過去值 現(xiàn)在值來估計未來值 相關函數(shù)的性質(zhì)使它在工程應用中具有重要價值 尤其是互相關函數(shù)的同頻相關 不同頻不相關的性質(zhì)在噪聲背景下提取有用信息提供了可靠的途徑 相關函數(shù)的應用舉例 地下輸油管漏損位置的探測 38 LabVIEW中的相關分析函數(shù) AutoCorrelation vi CrossCorrelation vi 相關函數(shù)定義為 DirectFrequencydomain 39 例6 13互相關運算 前面板 程序框圖 同頻相關 40 不同頻不相關 41 6 3 3微積分運算 在工程應用領域 經(jīng)常要對整個過程進行測量和控制 往往涉及到信號的采集 而采樣獲得是離散的數(shù)據(jù) 若要考慮整個過程的動態(tài)情況或者獲得多個參數(shù) 就要用到數(shù)值積分和數(shù)值微分運算 應用舉例 車速傳感器 制動踏板力傳感器 信號調(diào)理電路 信號采集模塊 計算機 42 數(shù)值積分是用線性泛函來逼近函數(shù)的 一般常用插值型求積公式 以為插值節(jié)點的的Lagrange插值多項式為其中 為插值基函數(shù) 即則 且只依賴于求積節(jié)點和積分區(qū)間 而與求積函數(shù)無關 43 數(shù)值微分 即求函數(shù)的導數(shù)逼近 主要采用基于Taylor級數(shù) Lagrange多項式插值和三次樣條差值的求導公式 LabVIEW中提供了求解積分和微分的函數(shù) 積分函數(shù)中可以指定采用數(shù)值積分的方法 有四種方法可供選擇 梯形法則 Simpson法則 Simpson3 8法則 Bode法則 如采用Simpson法則 求解公式為 求導函數(shù)中可以指定4種方法 二階中心 四階中心 前向 后向 如采用二階中心 44 例6 14對方波信號進行微積分運算 前面板 45 對方波信號進行微積分運算 程序框圖 46 6 4信號的頻域分析 信號的頻譜代表了信號在不同頻率分量處信號成分的大小 它能夠提供比時域信號波形更直觀 更豐富的信息 LabVIEW提供了豐富的頻域分析函數(shù) 包括傅里葉變換 hilbert變換 功率譜分析 諧波分析等 47 6 4 1快速傅立葉變換 FFT 傅里葉變換是信號處理與數(shù)據(jù)處理中一個重要分析工具 其意義在于將時域與頻域信號聯(lián)系起來 通過頻域分析將復雜的信號分解為各個單一的頻率成分 討論問題 1 FFT點數(shù) 2 頻域分辨率 3 單邊FFT和雙邊FFT 頻率減半 幅度加倍 FFT vi 48 例6 15雙邊傅里葉變換 前面板 程序框圖 頻率間隔與采樣頻率和采樣點數(shù)的關系 49 例6 16單邊傅里葉變換 前面板 程序框圖 50 6 4 2頻譜分析 頻譜分析是指把時間域的各種動態(tài)信號通過傅里葉變換轉換到頻率域進行分析 頻譜分析中應注意的問題 產(chǎn)生的原因和避免的方法 1 頻譜混疊 2 泄漏效應和柵欄效應 51 頻譜分析 前面板 程序框圖 例6 17使用AmplitudeandPhaseSpectrum vi進行頻譜分析 52 功率譜 例6 18使用AutoPowerSpectrum vi進行自功率譜分析 前面板 程序框圖 53 6 4 3頻率響應分析 頻率響應表述了一個測試系統(tǒng)輸入和輸出的頻域關系 它是描述測試系統(tǒng)頻域動態(tài)特性的重要關系 常常用其模和相位角來表示 稱為測試系統(tǒng)的幅頻特性和相頻特性 54 例6 19求頻率響應的幅頻特性與相頻特性 前面板 程序框圖 55 6 4 4諧波分析 諧波和基波是一個相對的概念 它是一個周期電氣量中的正弦波分量 其頻率為基波頻率的整數(shù)倍 由于諧波的頻率是基波頻率的整數(shù)倍 也常稱為高次諧波 在頻域分析中以電壓為例 將畸變的周期性電壓分解成傅里葉級數(shù) 畸變波形因諧波引起的偏離正弦波形的程度用總諧波畸變量THD TotalHarmonicDistortion 表示 56 例6 20諧波分析 前面板 程序框圖 57 6 5數(shù)字濾波器 數(shù)字濾波器即是以數(shù)值計算的方法來實現(xiàn)對離散化信號的處理 以減少干擾信號在有用信號中所占的比例 從而改變信號的質(zhì)量 達到濾波或加工信號的目的 數(shù)字濾波器分為無限沖激響應濾波器IIR有限沖激響應濾波器FIR特點 精度高 穩(wěn)定性好 靈活性強 處理功能強 58 調(diào)用數(shù)字濾波器子程序應注意的問題 濾波器類型選擇 在低通 高通 帶通或帶阻濾波器中選擇一個類型 截止頻率確定 對低通只需確定上截止頻率 高通濾波器只需確定下截止頻率 對帶通及帶阻濾波器應確定上 下限截止頻率 采樣頻率設定濾波器的階數(shù) 濾波器階數(shù)越高 其幅頻特性曲線過渡帶衰減越快紋波幅度 59 窗函數(shù) LabVIEW8 2在 窗 子選板中提供了20種窗函數(shù) 包括矩形窗 漢寧窗 海明窗等 60 數(shù)字濾波器應用舉例 例6 21使用巴特沃斯濾波器提出正弦信號 前面板 61 數(shù)字濾波器應用舉例 程序框圖 62 例6 22信號分離 前面板 程序框圖 63 6 6曲線擬合 概述相關物理量近似函數(shù)表達式描述y f x a b 曲線擬合的目的 是找出一系列參數(shù)的最佳估值 通過這些最佳參數(shù) 可使擬合曲線與實際數(shù)據(jù)之間的誤差為最小 曲線擬合的算法稱為最小平方法 誤差被定義為 e a f x a y x 2令a a0 a1 y x 是實測數(shù)據(jù) f x a 是由一組實驗數(shù)據(jù)估計出來的回歸方程式 a是使誤差平方和為最小的最佳系數(shù)或參數(shù) 離散系統(tǒng) f表示擬合數(shù)據(jù) y表示實測數(shù)據(jù) n表示采樣點數(shù) 64 6 6 1LabVIEW的曲線擬合函數(shù) 65 6 6 2曲線擬合舉例 例6 23線性擬合 線性擬合算法公式 a0是截距 a1是斜率 66 例6 24多項式擬合 要求使用GeneralPolynomialFit vi對熱電偶測溫系統(tǒng)測得的一組實驗數(shù)據(jù)進行多項式擬合 計算出多項式擬合曲線的系數(shù)和對應于輸入溫度值的擬合值 熱電偶測溫系統(tǒng)的實驗數(shù)據(jù)如下 輸入溫度 C 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 650 700 750 800 熱電勢 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 67 多項式擬合VI的前面板和程序框圖 選擇擬合階數(shù)為2 多項式關系為 68 本章結束 ThankYou 69