虚拟仪器数据采集与信号处理分析

第4章虚拟仪器数据采集与信号处理第4章虚拟仪器数据采集与信号处理教学重点数据采集信号产生信号的时域分析信号的频域分析数字滤波器曲线拟合4.1数据采集组建一个基于LabVIEW的虚拟仪器系统，传感器、信号调理和数据采集模块是最基本的硬件。其中，传感器是将被测试的物理量转换为电量的基本环节，数据采集则将模拟信号转换成数据信号供计算机进行分析处理，信号调理是两者之间的桥梁，负责将传感器的输出信号和数据采集模块可以接受的信号类型联系起来。4.1.1数据采集系统结构数据采集（DataAcquisition，DAQ），就是将被测对象的各种参量（物理量、化学量、生物量等）通过各种传感器作适当转换后，再经信号调理、采样、量化、编码、传输等步骤送到控制器进行数据处理或记录的过程。被测物理量传感器信号调理数据采集卡计算机非电量电信号模拟信号数字信号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，这些功能分别由相应的电路来实现。数据采集卡模拟输入/输出数字输入/输出时钟输入/输出OnOff1-0ADCcntr/timerdigitalDAQBoard选用数据采集卡的基本原则（1）数据分辨率和精度（2）最高采样速度（3）通道数（4）数据总线接口类型（5）是否有隔离（6）支持的软件驱动程序及其软件平台采集卡类型NI的数据采集卡PCI总线的通用数据采集卡4.1.2LabVIEW中的数据采集VI及应用数据采集系统结构基于NI的USB-6009数据采集卡的数据采集USB-6009的主要特性：8模拟输入通道（14位、48KS/s采样速度)2路14位模拟输出通道12个I/O通道1个32位计数器/定时器USB-6009的外型NIUSB-6009的接线端子分配模拟输入：AI0~AI7模拟输出：AO0,AO1数字I/O：P0.0~P0.7,P1.0~P1.3定时/计数器：PFI0NI数据采集卡的应用例4.1利用USB-6009数据采集卡实现单通道数据采集分析：利用LabVIEW8.5的DAQmx-DataAcquisition子选板中的数据采集函数构建一个单通道的数据采集系统。硬件-选用NIUSB-6009采集卡软件-选用DAQmx-DataAcquisition子选板中的数据采集函数实现单通道数据采集VI设计前面板程序框图构建多通道数据采集例4.2多通道数据采集分析：利用LabVIEW8.5的DAQmx-DataAcquisition子选板中的数据采集函数构建一个多通道的数据采集系统。硬件-选用NIUSB-6009采集卡软件-选用DAQmx-DataAcquisition子选板中的数据采集函数实现图7–4多参量多通道PC–DAQ/PCI虚拟仪器测量系统多通道数据采集系统的前面板多通道数据采集系统的程序框图1模拟信号输入部分①模拟输入通道数。该参数表明数据采集卡所能够采集的最多的信号路数。②信号的输入方式。一般待采集信号的输入方式有：l单端输入：即信号的其中一个端子接地。l差动输入：即信号两端均浮地。l单极性：信号幅值范围为[0，A]，A为信号最大幅值。l双极性：信号幅值范围为[–A，A]。一般的数据采集卡都设有信号输入方式的选择设置，设计者可根据实际需要进行选择。③模拟信号的输入范围(量程)一般根据信号输入特性的不同(单极性输入还是双极性输入)有不同的输入范围。如对单极性输入，典型值为0～10V，对双极性输入，典型值为–5V~5V。④放大器增益。⑤模拟输入阻抗。采集卡固有参数，一般不由用户设置。到此4.1.3NI-DAQmx数据采集简介NI-DAQmx是LabVIEW7.0以来新增的DAQ软件。它包括支持200多种NI数据采集设备的驱动，并提供相应的VI函数。此外它还包括Measurement&AutomationExplorer(MAX)、数据采集助理(DAQAssistant)以及VILogger数据记录软件。通过这些工具并结合LabVIEW可以节省大量的系统配置、开发和记录数据的时间。NI-DAQmx1.Measurement&AutomationExplorer(MAX)测量与自动化软件快速检测及配置所有硬件通过测试面板验证硬件的运作状况实施简便、交互式的测量给Ι/Ο通道命名举例：通过MAX配置串口属性2.DAQ助手DAQAssistantDAQ助手提供了一个对话框式的向导用于测量任务的配置、测试和自动代码生成。配合ExpressVI，通过DAQAssistant可以在数分钟内搭建一个专业的数据获取系统。数据采集模板DAQmx—数据采集模板（1）模拟输入通道参数设置1）被测量选取3数据输入输出设置2）测量通道选择（2）模拟输出通道参数设置1）被测量选择2）测量通道选择3）命名4）测量通道设置好的示意图5）自行测试演示（3）外部信号输入的设置自我测试结果外部加入到ai11端子的电压3.45v（4）外部信号输入的子函数调用—读出外部信号输入的子函数调用测试结果（5）外部信号--输入端读出—写给输出端读出—写入模式设置运行4.1.4通用数据采集卡的LabVIEW控制实现1．数据采集卡驱动程序的开发方式直接端口读写方式（I/O方式）调用C语言源代码的方式（CIN方式）调用动态连接库的方式（CLF方式）（1）直接端口读写方式（I/O方式）I/O端口子选板InPort.viOutPort.vi（2）调用C语言源代码的方式LabVIEW8.2函数选板的【互连接口】→【库可执行程序】子选板中有一个CodeInterfaceNode节点，用来在LabVIEW程序框图中直接调用其他编程语言（如VC）写的代码。这样就可以通过使用CIN图标来调用由C语言编写的采集卡驱动程序方法实现虚拟仪器的数据采集。（3）调用动态连接库的方式动态链接库通常由数据采集卡生产厂商提供，通过LabVIEW的CallLibraryFunctionNode来调用。2．数据采集卡驱动程序设计举例例4.3用端口读/写函数驱动数据采集卡。要求通过端口读/写函数实现数据采集卡PC-6310的数据采集PC-6310简介PC-6310适用于具有ISA总线的PC系列微机卡上的A/D转换器ADS774为12位分辨率转换速率为10μS模拟输入信号范围为0V～10V或-5V～+5V模拟输入通道为32个通道的单端或16个通道的双端控制端口的地址与功能A/D转换状态数据格式A／D转换结果数据格式数据采集VI的前面板数据采集VI的程序框图数据采集VI的程序框图讲到此了—3.114.2信号产生信号产生是仪器系统的重要组成部分，要评价任意一个网络或系统的特性，必须外加一定的测试信号，其性能方能显示出来。最常用的测试信号有正弦波、三角波、方波、锯齿波、噪声波及多频波（由不同频率的正弦波叠加而形成的波形）等。4.2.1数字信号的产生与数字化频率的概念正弦波信号：u(t)=Asin(ωt+θ0)ΔT为采样间隔，T为信号周期，设一个周期内的采样点数为n，则T=nΔT采样频率：fs=1/ΔT信号频率：fx=1/T=1/(nΔT)=fS/nu(iΔT)=Asin(2πi/n+θ0)设f=fx/fS=1/n,将2π弧度用360º表示，并省略，则得数字化频率f=模拟频率/采样频率)/360sin()(00niAiuT4.2.2信号产生函数及应用信号生成子选板1.正弦波生成SineWave.vi正弦波函数的等效数学运算式如下：SineWave[i]=amplitude×sin（360×f×i+phase0）SineWave.vi应用举例例4.5利用SineWave.vi产生正弦波前面板程序框图数字频率的认识调节信号频率、采样频率、采样点数，观察这些参数的变化对显示正弦波结果的影响。若以Hz作为频率单位，则数字频率单位（Hz）=fx/fs=信号频率/采样频率若以周期作为频率单位，则数字频率单位(T)=周期数/采样点数均匀白噪声的生成例4.6利用UnifomWhiteNoise.vi产生均匀分布的白噪声。前面板程序框图简单函数发生器例4.7创建一个可以产生正弦波、三角波、方波和锯齿波的函数发生器。4.2.3波形生成在波形生成子选板中的所有函数不仅输出包含指定波形图形的数字型数组，而且包含时间参数，这种数据类型在LabVIEW中称为波形数据波形生成函数的应用举例例4.8使用基本函数发生器创建函数发生器前面板程序框图多频信号的产生与应用多频信号是指一个离散频率的正弦波集合，其模拟信号数学表达式为：ihiiiithAtX)sin()(式中，Ai：第i个正弦波的幅值ωi：基频角频率hi：第i个正弦波的角频倍数θi：第i个正弦波的初相角例4.9多频信号发生器前面板程序框图例4.10信号合成信号合成的前面板和程序框图4.3信号的时域分析时域分析是指在时间域内研究系统在一定输入信号的作用下，其输出信号随时间的变化情况。由于时域分析是直接在时间域中对系统进行分析的方法，所以时域分析具有直观和准确的优点。4.3.1卷积运算卷积是电路分析的一个重要概念。它可以求线性系统对任何激励信号的零状态响应。对离散时间信号的卷积称为卷积和，定义为iikfifkfkfkf)(*)()(*)()(2121Convolution.vi例4.11求卷积运算卷积运算的前面板和程序框图4.3.2相关分析所谓“相关”是指变量之间的线性关系。相关分析利用相关系数或相关函数来描述两个信号间的相互关系或其相似程度，还可以用来描述同一信号的现在值与过去值的关系，或者根据过去值、现在值来估计未来值。nxymnynxmR)()()(相关函数定义为LabVIEW中的相关分析函数AutoCorrelation.viCrossCorrelation.vi10NkkjkjXXRxx10NkkjkYXRxyj例4.12互相关运算前面板程序框图4.3.3微积分运算在工程应用领域，经常要对整个过程进行测量和控制，往往涉及到信号的采集，而采样获得是离散的数据，若要考虑整个过程的动态情况或者获得多个参数，就要用到数值积分和数值微分运算。LabVIEW提供了积分和微分函数例4.13对方波信号进行微积分运算前面板程序框图4.4信号的频域分析信号的频谱代表了信号在不同频率分量处信号成分的大小，它能够提供比时域信号波形更直观、更丰富的信息。LabVIEW8.2提供了丰富的频域分析函数，包括傅里叶变换、hilbert变换、功率谱分析、谐波分析等。4.4.1快速傅立叶变换（FFT）傅里叶变换是信号处理与数据处理中一个重要分析工具，其意义在于将时域与频域信号联系起来，通过频域分析将复杂的信号分解为各个单一的频率成分。FFT.vi例4.15双边傅里叶变换前面板程序框图Nffs频率间隔与采样频率和采样点数的关系例4.16单边傅里叶变换前面板程序框图4.4.2频谱分析频谱分析是指把时间域的各种动态信号通过傅里叶变换转换到频率域进行分析。频谱分析中应注意的问题（1）频谱混叠（2）泄漏效应和栅栏效应频谱分析前面板程序框图例4.17使用AmplitudeandPhaseSpectrum.vi进行频谱分析功率谱例4.16使用AutoPowerSpectrum.vi进行自功率谱分析前面板程序框图4.4.3频率响应分析频率响应表述了一个测试系统输入和输出的频域关系，它是描述测试系统频域动态特性的重要关系。)()()(jXjYjH常常用其模和相位角来表示，称为测试系统的幅频特性和相频特性。)(jH)(jA)(j例4.19求频率响应的幅频特性与相频特性前面板程序框图频率响应例4.20使用FrequenceResponseFunction(Real-Im).vi求频率响应的实部和虚部前面板程序框图4.4.4谐波分析谐波和基波是一个相对的概念，它是一个周期电气量中的正弦波分量，其频率为基波频率的整数倍，由于谐波的频率