虚拟仪器课程设计

专业综合训练自动化学院控制工程教研室牛瑞燕虚拟仪器课程设计目的和任务综合性、设计性的实践环节关于课程设计指导书本课程设计内容温度检测系统数据采集卡的其他应用成绩评定及课程设计报告要求实践部分：50%报告50%报告要求：独立完成内容完整格式规范第一单元数据采集系统1.1数据采集系统概述1.2模拟输入1.3模拟输出数据采集（DataAcquisition-DAQ)数据采集的组成被测对象传感器信号调理计算机LabVIEW数据采集卡表1.1NI-6014数据采集卡的性能指标产品NI-6014总线PCI模拟输入16SE（单端）/DI（差分）采样率（S/s）200k输入分辨率（位）16最大输入范围（V）+10，-10最小输入范围（mV）+50，-50输入量程（档位数）4模拟触发-模拟输出2输出分辨率（位）161.1数据采集系统概述1.数据采集基本原理2.数据采集系统的构成3.模入信号的连接方式4.测量系统类型5.信号调理6.数据采集(DAQ)卡7LabVIEW数据采集模块的分类1.1.1数据采集基本原理-采样定理对模拟信号x(t)每隔Δt时间采样一次。时间间隔Δt被称为采样间隔或者采样周期。它的倒数1/Δt被称为采样频率，单位是采样数/每秒。t=0,Δt,2Δt,3Δt……等等，x(t)的数值就被称为采样值。所有x(0),x(Δt),x(2Δt)都是采样值。这样信号x(t)可以用一组分散的采样值来表示：模拟信号和采样显示图下图显示一个模拟信号和它采样后的采样值。采样间隔是Δt，注意，采样点在时域上是分散的。采样定理根据采样定理，最低采样频率必须是信号频率的两倍。反过来说，如果给定了采样频率，那么能够正确显示信号而不发生畸变的最大频率叫做恩奎斯特频率，它是采样频率的一半。如果信号中包含频率高于奈奎斯特频率的成分，信号将在直流和恩奎斯特频率之间畸变。不同采样率的采样结果a足够的采样率下的采样结果b过低采样率下的采样结果抗混叠滤波器为了避免这种情况(混叠)的发生，通常在信号被采集（A/D）之前，经过一个低通滤波器，将信号中高于奈奎斯特频率的信号成分滤去。采样频率的设置你可能会首先考虑用采集卡支持的最大频率；但是，较长时间使用很高的采样率可能会导致没有足够的内存或者硬盘存储数据太慢；理论上设置采样频率为被采集信号最高频率成分的２倍就够了，实际上工程中选用５～１０倍，有时为了较好地还原波形，甚至更高一些。1.1.2数据采集系统的构成1.1.3模入信号的连接方式信号分类电压信号可以分为接地和浮动两种类型。模入信号的连接方式接地信号，就是将信号的一端与系统地连接起来，如大地或建筑物的地。因为信号用的是系统地，所以与数据采集卡是共地的。接地最常见的例子是通过墙上的接地引出线，如信号发生器和电源。一个不与任何地（如大地或建筑物的地）连接的电压信号称为浮动信号，浮动信号的每个端口都与系统独立。常见的浮动信号的例子有电池、热电偶、变压器和隔离放大器。1.1.4测量系统类型差分（Differential）测量系统参考地单端（RSE）测量系统无参考地单端（NRSE）测量系统差分（Differential）测量系统参考地单端（RSE）测量系统无参考地单端（NRSE）测量系统1.1.5信号调理从传感器得到的信号大多要经过调理才能进入数据采集设备，信号调理通用功能包括放大、隔离、滤波、激励、线性化等。放大微弱信号都要进行放大以提高分辨率和降低噪声，使调理后信号的电压范围和A/D的电压范围相匹配。信号调理模块应尽可能靠近信号源或传感器，使得信号在受到传输信号的环境噪声影响之前已被放大，使信噪比得到改善。隔离用变压器、光或电容耦合等方法在被测系统和测试系统之间传递信号，避免直接的电连接。使用隔离的原因由两个：一是从安全的角度考虑；另一个原因是隔离可使从数据采集卡读出来的数据不受地电位和输入模式的影响。如果数据采集卡的地与信号地之间有电位差，而又不进行隔离，那么就有可能形成接地回路，引起误差。滤波滤波的目的是从所测量的信号中除去不需要的成分。大多数信号调理模块有低通滤波器，用来滤除噪声。通常还需要抗混叠滤波器，滤除信号中感兴趣的最高频率以上的所有频率的信号。某些高性能的数据采集卡自身带有抗混叠滤波器。激励信号调理也能够为某些传感器提供所需的激励信号，比如应变传感器、热敏电阻等需要外界电源或电流激励信号。很多信号调理模块都提供电流源和电压源以便给传感器提供激励线性化许多传感器对被测量的响应是非线性的，因而需要对其输出信号进行线性化，以补偿传感器带来的误差。但目前的趋势是，数据采集系统可以利用软件来解决这一问题。1.1.6数据采集(DAQ)卡１．数据采集卡的功能２．数据采集卡的软件配置数据采集卡的功能典型数据采集卡的功能：模拟输入、模拟输出、数字I/O、计数器/计时器等。模拟输入模拟输入是采集最基本的功能。它一般由多路开关（MUX）、放大器、采样保持电路以及A/D来实现，通过这些部分，一个模拟信号就可以转化为数字信号。A/D的性能和参数直接影响着模拟输入的质量，要根据实际需要的精度来选择合适的A/D。模拟输出模拟输出通常是为采集系统提供激励。输出信号受数模转换器（D/A）的建立时间、转换率、分辨率等因素影响。建立时间和转换率决定了输出信号幅值改变的快慢。建立时间短、转换率高的D/A可以提供一个较高频率的信号。如果用D/A的输出信号去驱动一个加热器，就不需要使用速度很快的D/A，因为加热器本身就不能很快地跟踪电压变化。应该根据实际需要选择D/A的参数指标。数字I/O数字I/O通常用来控制过程、产生测试信号、与外设通信等。数字I/O常见的应用是在计算机和外设如打印机、数据记录仪等之间传送数据。路数、数据转换速率、“握手”能力都是应理解的重要参数，应依据具体的应用场合而选择有合适参数的数字I/O。计数器许多场合都要用到计数器，如定时、产生方波等。计数器包括三个重要信号：门限信号、计数信号、输出。门限信号实际上是触发信号——使计数器工作或不工作；计数信号也即信号源，它提供了计数器操作的时间基准；输出是在输出线上产生脉冲或方波。数据采集卡的软件配置数据采集卡都有自己的驱动程序，该程序控制采集卡的硬件操作，这个驱动程序是由采集卡的供应商提供。NI公司提供了一个数据采集卡的配置工具软件——Measurement&AutomationExplorer,它可以配置NI公司的软件和硬件，比如执行系统测试和诊断、增加新通道和虚拟通道、设置测量系统的方式、察看所连接的设备等。NI的数据采集卡的设置与测试实际过程。Functions-AllFunctions-NIMeasurements-DataAcquisition数据采集函数的分类：初级数据采集VI中级数据采集VI应用级数据采集VI高级数据采集VI1.1.7LabVIEW数据采集模块的分类数据采集模块难易程度简易模入VIs中级模入VIs高级模入VIs通用模入VIs简易模入VIs(EaseAnalogVIs)：执行简单的模入操作。可以作为单独的VI，也可以作为subVI来使用。可以自动发出错误警告信息，在对话框中你可以选择中断运行或忽略。但比较复杂的应用需要使用下面的类型。中级模入VIs(IntermediateAnalogInputVIs)与简易模入不同的是在那里的一个操作AIInput，这里分为AIConfig,AIStart,AIRead,AISingleScan以及AIClear。可以描述细致、复杂的操作。通用模入VIs(AnalogInputUtilityVIs)三个常用的Vis，AIReadOneScan，AIWaveformScan，及AIContinuousScan。使用一个VI就可以解决一个普通的模入问题，方便但缺乏灵活性。高级模入VIs(AdvancedAnalogInputVIs)这些Vis是NI-DAQ数据采集软件的界面，是上面三种类型Vis的基础。一般情况下，用户不需要直接使用这个功能。1.2LabVIEW模拟输入1.模入参数说明2.简易模拟输入（EaseAnalogVIs）3.中级模拟输入AnalogInput4.高级模拟输入1.2.1模入参数说明1.分辨率（Resolution）2.电压范围(Range)3.增益（Gain）4.对于NI公司的采集卡选择增益是在LabVIEW中通过设置信号输入限制（inputlimits）来实现的，LabVIEW会根据选择的输入限制和输入电压范围的大小来自动选择增益的大小。采集卡可分辨的最小电压一个采集卡的分辨率、范围和增益决定了可分辨的最小电压，它表示为1LSB。例如，某采集卡的分辨率为12位，范围取0-10V，增益取100，则有1LSB=10V/(100×4096)=24μV。这样，在数字化过程中，最小能分辨的电压就为24μs。它反映了数字量在最低位变化1时输出模拟量的最小变化量。采集VI的几个定义-1多通道模入波形采集AIAcquireWaveform.videvice——设备号。在NIMAX中设定。该参数告诉LabVIEW你使用什么卡，它可以使采集VI自身独立于卡的类型，即如果你稍后使用了另一种卡，并且赋予它同样设备号，你的VI程序可正常工作而无须修改。channels——指定数据样本的物理源。例，一个卡有１６个模拟输入通道，你就可以同时采集１６组数据点。在LabVIEWVI中，一个通道或一组通道都用一个字符串来指定。通道的指定通道通道串通道55通道0到40:4通道1，8，以及10到131,8,10:13采集VI的几个定义-2scanrate(1000scans/sec)—在多通道采样时，分配给一个通道得到的样本速率，缺省值是1000/秒。numberofsamples/ch—每通道要采集的样本数，缺省值是1000。highlimit—被测信号的最高电平，其缺省值是０。设为缺省值时系统将按照采集卡设置程序MAX中的设定处理。lowlimit—被测信号的最低电平，其缺省值是０。设为缺省值时系统将按照采集卡设置程序MAX中的设定处理。采集VI的几个定义-3highlimit和lowlimit的值将决定采集系统的增益。对大多数卡输入信号变化的缺省值是10V到-10V，如果你将其设为5到-5V，则增益为2。如果你将其设为1到-1V，则增益为10。如果你设置一个理论上的增益是得不到支持的，LabVIEW会自动将其调整到最近的预置值。典型的采集卡所支持的增益值有0.5,1,2,5,10,20,50,100。waveforms—A/D转换后的输出，是一个二维的waveform数组，其每一列对应于一个输入通道，同时包含有反映时间信息的t0和Δt。1.2.2初级数据采集VIAISampleChannelVI(单通道单点采样）:从指定通道获得一个样本。AISampleChannelsVI(多通道单点采样）:从由通道字符串规定的一组通道每通道获得一个样本。这些样本返回到一个样本数组，顺序由通道号决定。AIAcquireWaveform.vi（单通道波形采集）：按指定的采样率由一个通道得到一个波形AIAcquireWaveforms.vi（多通道波形采集）：从由通道字符串规定的每个通道获得一个波形。这些样本返回到一个波形的数组模拟输入1.2.3中级模拟输入AnalogInput简单模入的局限是执行采集任务的重复。例如，你每一次调用AISampleChannel，都必须为特定类型的测量设置硬件，告诉它采样率等。显然，如果你要反复采集大量的样本，你未必需要在每一次重复时都去设置测量。一个典型的情况是连续采集，需要在程序中采用循环结构，按照简单模入，每次采集前都在设置参数，不仅多余，而且造成了采集过程的不连续。中级模入有更好的功能与灵活性，可以更有效地开发你的应用。它的特点包括控制内部采样率，使用外部触发，执行连续外部触发等。下面我们将仔细描述