LabVIEW进阶培训-数据采集部分

2019年NI教师暑期教师培训LabVIEW进阶培训（数据采集部分）数据采集的概念及应用•数据采集(DataAcquisition,简称DAQ)–自动从布置于工厂、实验室、或现场的传感器、仪器、设备等收集获取数据的过程–狭义的数据采集主要是模拟输入(AI)，其目的是为了测量某种电信号或物理信号，如电压、电流、温度、压力、加速度、声强等–广义的数据采集还包括模拟输出、数字I/O等•例如,目前市面上的多功能数据采集设备通常包括模拟输入、模拟输出、数字I/O、计数器/定时器等功能，如NI的M系列多功能DAQ卡•现在一些传感器/变送器已经集成了A/D转换功能，直接通过数字接口读取数据，从而不需要模拟输入采集–数据采集的应用十分广泛，几乎涵盖所有工程专业和科学研究方向•电子、电气、机械、车辆工程、海洋工程、环境、化工、生物医学、土木工程、能源电力、高能物理…数据采集系统概述信号调理传感器/信号数据采集硬件I/O数据采集软件总线典型的数据采集系统硬件架构数据采集硬件可以将PC变为一个自动化系统部分常用的数据采集设备类型•实验室、工业环境使用–基于PCI/PXI接口–往往需要外接端子和线缆•便携式/远距离–USB，Ethernet接口•教学实验与学生课外练习–如ELVIS、myDAQ–除了数据采集硬件电路之外还集成了其他一些功能，如数字万用表、可编程电源等举例:基于PXI平台的数据采集PXI控制器及机箱(可大致理解为PC)接线端（前面凸出部分）信号调理与数据采集（接线端后面）举例:用于教学实验的NIELVIS•一种集成了12种仪器的教学实验设备–安装NI-ELVIS驱动后可通过ELVIS软面板实现这些功能•同时也可看做是一种基于USB总线的多功能数据采集设备–用于学习虚拟仪器（尤其是数据采集）的相关编程技术USB总线（注意:不是前面所说的传输电缆）接线端+传输线缆+数据采集设备PC数据采集设备的构成•数据传输总线•同步总线•DAQCircuitry–时钟/定时电路–板载FIFO–信号路由–内部校准电路•前端电路–模拟输入/模拟输出/数字IO/计数器–注意:模拟输入可能通过复用器共用一个ADC，模拟输出通常是每通道专用DACELVISII平台硬件指标–1数字万用表隔离5½位60VDC，20Vrms,2ADC,2Arms,100MΩ内部电路保护可复位保险丝函数发生器10-bit±5V范围0.2Hz到5MHz正弦0.2Hz到1MHz三角波/方波软件或手动可控BNC或原型板连接USB连接即插即用USB2.0示波器16bit分辨率1.25MS/s单通道500kS/s双通道共计1到1.5MHz带宽1x和10x探针±10V输入范围AC/DC耦合BNC连接新ELVISII+100MS/s采样率50MHz带宽(-3dB)8bit分辨率±20Vmax.输入范围AC/DC/GND耦合20MHz可选噪声滤波器1x和10x探头BNC连接ELVISII平台硬件指标–2阻抗分析仪0.2Hz到35kHz范围NPN,PNP,二极管其他分析:波特图分析仪2-线电流电压分析3-线电流电压分析可变电源供电10bit分辨率0到+12V,0到-12V500mA电流范围集成DAQAI采样率1.25MS/s单通道,500kS/s双通道16bit分辨率AO2.8MS/s更新率24DIO,15PFI,2CTR原型板可替换自定义Banana,BNC,D-Sub连接ELVIS平台原型板数字I/OAI、示波器、PFI计数器、LED电源、波形发生器、自定义I/O、AO、DMM学生创新动手实践平台：NImyDAQ——随时随地实践工程创新集成的数字万用表V,I,Ω,DiodeUSB总线供电3.5mm音频输入与输出8通道数字输入输出±15V+5V电源输出双通道差分模拟输入，双通道模拟输出,200ks/s即插即用的8种仪器数字万用表*示波器*函数发生器*波特图仪*动态信号采集仪*任意信号发生器*数字输入*数字输出与计算机的接口LabVIEW中的NIDAQmx或ELVISmx驱动1个计数器Lab1熟悉实验环境选择数据采集设备时的考虑因素•通道数•总线–带宽是否足够数据传输速度的需求•最高采样率–根据乃奎斯特定律，采样率应为最高频率分量的两倍以上，实际上最好能做到5-10倍•分辨率–够用就好，不一定越高越好•输入范围•对于动态信号，还应关注动态范围–如麦克风/加速度计等信号的采集分辨率并不完全反映精度•影响精度的因素–ADC和放大器件的偏移和增益误差等–噪声等因素•举例–某16位ADC的采集卡，选择±2V输入范围–理论上，最低位所反映的电压量为–板卡手册查得的精度为±410μV2–(-2)216=61μV数据采集软件以LabVIEW作为开发环境为例NI数据采集软件方面的一些术语•NI-DAQmx–驱动层软件–可以检测到数据采集硬件–在LabVIEW中安装NI-DAQmx函数•Measurement&AutomationExplorer–简称MAX，随NI-DAQmx或任何其他NI驱动软件安装–配置或检测数据采集硬件•DAQAssistant(DAQ助手)–用于开发数据采集应用的ExpressVI，基于配置•DAQmxAPI–一系列用于数据采集应用开发的API函数数据采集助手（LabVIEW基础培训内容）•两种调用方式–在MAX中的“数据邻居”中创建任务–通过LabVIEW中的ExpressVI•基于配置，无需编程–在LabVIEW中可自动转化为调用NI-DAQmx底层APIVI的程序，可自定义修改Lab2MAX与DAQ助手•该部分为LabVIEW基础培训内容，因此仅作为复习模拟输入(AnalogInput)•数据采集一词狭义即指模拟输入–即通过A/D转换将模拟信号采样为数字信号，从而可被计算机设备进一步处理•常用于实现传感器信号的采集以及电信号的采集一个最简单的模拟输入电压采集程序•单点电压采集•分别用DAQ助手和DAQmx底层VI实现软件定时DAQmx数据采集程序的基本架构配置任务采集数据清除任务创建任务开始任务输入范围•仪器放大器–为了尽量用满ADC位数，模拟采集通道配有仪器放大器–通过合理设置输入最大值和最小值参数，可以使DAQ设备自动配置最合适的仪器放大器增益，从而尽量用满ADC位数AMPADCLab3.1软件定时的单点模拟采集采样术语(针对硬件定时)•采样率–单一通道每秒采样点数•采样时钟–速率等于采样率•AI转换时钟–直接产生A/D转换的时钟–通道之间会有延时–同步采样架构相对多路复用采样架构来说，可认为通道之间的转换时钟是同步的AIConvertClock012301230123SampleClock硬件定时的采集需要通过Buffer•有限点采集(Finite)和连续采集(Continuous)总线(如PCI/USB)RAMADE(Application)MemoryPC缓存输入速率数据板载FIFO转移速率ASICLabVIEW•PC缓存必须够大(至少需超过一次传递的数据量)•连续采集中,如果要使两处缓存一直不溢出,必须保证总线的数据转移速率大于数据的输入速率，同时程序必须尽快读取PC缓存中的数据有限点数据采集的LabVIEW程序读取多个采样采样率设置采样点数设置连续数据采集的LabVIEW程序•驱动会根据采样率设置自动选择合适的RAMBuffer大小程序每次从PCRAM读取的采样数采样率设置采样率缓存0-100S/s1kS100-10,000S/s10kS10,000–1,000,000S/s100kS1,000,000S/s1MS理解连续数据采集时PCBuffer通过总线来自于采集设备的数据1PCBufferLabVIEW程序从PCBuffer读取数据进入LabVIEWBuffer2PCBufferLabVIEWBuffer3PCBufferLabVIEWBufferPCBufferLabVIEWBuffer4连续采集时可能的数据传输异常RAMPCBufferADE(Application)Memory输入速率DATA板载FIFO总线传输速率ASIC板载内存Overflow解决办法:1.提高总线带宽2.选择板载FIFO较大的板卡3.降低采样速率(如果允许)PC内存Overwrite解决办法:1.增加程序循环读取速度(不要在采集循环里放太多处理工作)2.选用更快的CPU3.增大PCRAM，并通过编程指定更大的Buffer4.降低采样速率(如果允许)Lab3.2连续信号采集触发(Trigger)•触发的概念–每个动作需要一个“激励”或“原因”–动作:比如开始采集信号后产生波形输出•触发的分类–开始触发、参考触发、停止触发（按动作结果来分）–模拟触发、数字触发（依照触发“激励”信号来分）–不同的设备不一定支持所有触发方式，可参阅相关手册开始触发时钟开始采集停止采集12345LabVIEW中对触发的编程•在任务种增加DAQmxTrigger.vi并作相应配置Lab3.3带触发的连续信号采集*•*仅支持ELVIS平台数据采集中的接地问题测量系统信号源+VS-VM接地信号源+_Vs+_Vs浮地信号源接线方式1：差分(Differential)•可以抑制共模电压和共模噪声•我们此次培训中用到的主要是差分接线方式VMACH+ACH-+_仪器放大器+_+_AISENSEAIGND测量系统VS接线方式2：参考单端（RSE）•测量基于对地参考•不能抑制共模噪声VMACH+ACH-+_仪器放大器+_VS+AISENSEAIGND_测量系统接线方式3：非参考单端(NRSE)•测量基于对AISENSE端的参考•但是多个通道测量时，AISENSE是共用的–不能抑制共模电压VSVMACH+ACH-+_仪器放大器+_+_AISENSEAIGND测量系统对于接地信号源的测量RSENRSEDifferential最好+抑制共模电压–可用通道数减少一半不推荐–两个地之间的电压Vg会产生接地回路,所产生的电流有可能损坏设备可以+所有的通道都可以使用–不能抑制共模电压+_Vs对于浮地信号源的测量+_VsRSENRSEDifferential最好+抑制共模电压–可用通道数减少一半–需要偏置电阻好+所有的通道都可以使用+不需要偏置电阻–不能抑制共模电压可以+所有的通道都可以使用–需要偏置电阻–不能抑制共模电压AISENSE偏置电阻•浮地信号源采用差分或NRSE方式时需要•通过偏置电阻为偏置电流提供入地通道–推荐值10kand100k信号源测量系统+-R1R2仪器放大器会产生偏置电流+-AIGND信号调理•为了正确（或更精确地）测量某些传感器的输出或信号，有时需要信号调理•不同的传感器需要不同的信号调理信号调理传感器/信号数据采集硬件I/O数据采集软件总线信号调理设备•外置式–如NISCXI–需要再连接数据采集设备•与数据采集设备相结合–如NICompactDAQ平台以及基于PXIExpress的SCExpress等–模块中已经集成了数据采集（A/D转换）功能•在软件方面，使用同样的DAQmx驱动–正确配置系统和参数之后，用户编程时只需关心数据采集部分针对电压信号测量的信号调理•放大–针对小信号，为了尽可能用满ADC位数，提高信噪比（SNR）•衰减–针对大信号，为了使测量信号范围在模拟输入通道范围之内•隔离–通过电磁、光耦等方式使测量信号源与测量仪器没有直接电路相连–可以抑制共模信号、解决接地回路问题、并保护仪器•滤波–减小噪声、滤除干扰频率–这里指的是前端硬件滤波，不同于后端数字滤波或软件滤波LabVIEW中的电压信号调理设置•与普通的数据采集程序基本无异–只需配置并选择相应的信号调理设备通道，并正确设置电压范围以便驱动自动设定合适的增益热电偶测量•热电偶信号调理模块–自动冷端补偿功能:许多热电偶信号调理模块带有直接读取传感器，可以自动读取冷端补偿温度，并自动对热电偶测量结果进行补偿计算–热点偶模块通常还集成了滤波、放大、隔离等信号调