數(shù)據(jù)采集上 虛擬儀器【驕陽書苑】

1、虛擬儀器,七：數(shù)據(jù)采集（上,1,培訓(xùn)類別,本堂課內(nèi)容數(shù)據(jù)采集（上,一、 測試系統(tǒng)簡介,DAQ - Data Acquisition,1. 測試系統(tǒng)組成,2,培訓(xùn)類別,在基于計(jì)算機(jī)構(gòu)建的虛擬儀器及自動測試系統(tǒng)中，軟件起著重要作用。具體包括所用到硬件（典型硬件如數(shù)據(jù)采集卡，等等）的驅(qū)動程序（NI-DAQmx；NI-VISA，等）；應(yīng)用程序編程接口; 再上層的，是 LabVIEW 等編程環(huán)境軟件；最后, 還有用戶根據(jù)自己需求所構(gòu)建（編制）的應(yīng)用程序,虛擬儀器及系統(tǒng)的軟件,3,培訓(xùn)類別,信號調(diào)理,數(shù)據(jù)采集與模塊化儀器,傳感器和變換器,4,培訓(xùn)類別,萬用表,開關(guān)在左,可調(diào)電源,示波器,函數(shù)發(fā)生器,5,培

2、訓(xùn)類別,模出,模入,直流電壓源,函數(shù)發(fā)生器,數(shù)字輸入輸出,計(jì)數(shù)器/時鐘，用戶可編程I/O,直流電源,數(shù)字萬用表,可調(diào)電源,示波器,用戶可編程I/O,6,培訓(xùn)類別,2. 信號分類,7,培訓(xùn)類別,3. 測量系統(tǒng)信號輸入方式,實(shí)驗(yàn)中所構(gòu)建的測量系統(tǒng)，采用如圖所示的差分式輸入方式,至于測量系統(tǒng)的信號“參考地單端（RSE）”和“無參考地單端（NRSE）” 輸入接線方式及相應(yīng)用途，可參考教材或“幫助”文件，或測量技術(shù)原理有關(guān)的教材等,具體實(shí)現(xiàn)上是：輸入信號接在CH0+和CH0-之間。CH0+，即實(shí)驗(yàn)箱上的模入0通道CH0；CH0-，則是模入8通道CH8,輸入信號,8,培訓(xùn)類別,4. 采樣率,采樣率每秒（單

3、位時間）采集被測信號的次數(shù)。 以較高采樣率采集到的信號樣本，能更真實(shí)地反映原信號。 采樣率過低，采得的數(shù)字信號看起來其頻率可能與實(shí)際頻 率不同，稱為頻率混疊（aliasing） （抗混疊LP,采樣定理：采樣頻率至少是被測信號中最高頻率成分頻率的兩倍。實(shí)際采樣時，常取510倍,9,培訓(xùn)類別,5. 分辨率,3bit的數(shù)據(jù)采集卡將010V的被測信號劃分為2的3次方份。顯然，如此采得的信號已非原被測信號,16bit的數(shù)據(jù)采集卡將010V劃分為2的16次方份（仔細(xì)看,本教學(xué)實(shí)驗(yàn)室所使用PCI-6251數(shù)據(jù)采集卡的位數(shù)為12，即12bit,數(shù)字化測量儀器能夠檢測到的被測模擬信號的最小電平的變化量，由數(shù)據(jù)采

4、集卡的位數(shù)（bit數(shù)）決定,10,培訓(xùn)類別,6. 輸入范圍,3bit的采集卡將010V劃分為2的3次方份,測量儀器能夠數(shù)字化地表征被測信號相應(yīng)的電壓信號的大小范圍，由最小值和最大值確定。在數(shù)據(jù)采集卡已確定即其位數(shù)確定前提下，應(yīng)盡可能使輸入范圍剛好容納被測信號的變化范圍,3bit的采集卡將-1010V劃 分為2的3次方份,輸入范圍-1010V,輸入范圍010V,在右側(cè)給出的示例中，第一個被測信號是08.75V（輸入范圍是0-10V）;第二個被測信號是07.5V（輸入范圍是10V- +10V）。顯然，前者的采樣效果更好一些,11,培訓(xùn)類別,MAX中的驅(qū)動程序DAQmx,為確立經(jīng)哪個采集通道去采集被

5、測信號這一任務(wù)，要利用LabVIEW的“測量及自動化瀏覽器” （Measurement and Automation Explore - MAX）對數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行配置。MAX也稱“數(shù)據(jù)采集卡配置軟件”。對基于計(jì)算機(jī)構(gòu)建的虛擬儀器測量系統(tǒng)而言，計(jì)算機(jī)要與儀器硬件打交道，需要相應(yīng)的硬件驅(qū)動程序。在本實(shí)驗(yàn)室虛擬儀器設(shè)計(jì)環(huán)境下， “NI-DAQmx設(shè)備”是數(shù)據(jù)采集卡驅(qū)動程序。 路徑：桌面上Measurement and Automation 設(shè)備和接口,二、數(shù)據(jù)采集任務(wù)確立及測量硬件驅(qū)動,6251,12,培訓(xùn)類別,關(guān)于數(shù)據(jù)采集卡的驅(qū)動程序,一般而言，每種、每塊數(shù)據(jù)采集卡均有自己的驅(qū)動程序，它的作用就是

6、去控制數(shù)據(jù)采集卡的硬件操作。 數(shù)據(jù)采集卡的驅(qū)動程序由供應(yīng)商提供，用戶一般無需對其編寫原理等做過多了解，而只要能正確使用該驅(qū)動程序?qū)崿F(xiàn)對數(shù)據(jù)采集卡硬件的控制，使其正確地完成了自己希望的數(shù)據(jù)采集操作即可,13,培訓(xùn)類別,MAX的主界面,MAX可實(shí)現(xiàn)如下功能：（1）瀏覽系統(tǒng)中接有的數(shù)據(jù)采集卡，并快速檢測、配置數(shù)據(jù)采集卡及相應(yīng)軟件；（2）通過測試面板，驗(yàn)證和診斷數(shù)據(jù)采集卡工作情況；（3）創(chuàng)建新的采集通道、任務(wù)、接口和比例參數(shù)等。具體地， MAX會給每塊數(shù)據(jù)采集卡分配一個邏輯設(shè)備號，以供LabVIEW調(diào)用時使用。在MAX主界面左欄“我的系統(tǒng)”下有三個子目錄，其中，“數(shù)據(jù)鄰居”存儲了有關(guān)配置和修改任務(wù)、虛

7、擬通道的信息；而通過“設(shè)備和接口”，可配置本地或遠(yuǎn)程的數(shù)據(jù)采集卡、串口及并口等硬件設(shè)備；最后的“換算”則用于標(biāo)定運(yùn)算,二、1. 測量及自動化瀏覽器MAX的功能,6251,14,培訓(xùn)類別,通道 物理通道：連接被測信號的實(shí)際端子（對差分輸入方式而言，每個物理通道對應(yīng)2個端子；數(shù)字端口對應(yīng)于8條線）； 虛擬通道：是一組屬性設(shè)置的集合，包含虛擬通道名、對應(yīng)的物理通道、輸入接線方式（差分/RSE/NRSE等）、輸入范圍、縮放比例等。 NI-DAQmx任務(wù)，是一個或多個虛擬通道的集合，此外，它還包含了定時、觸發(fā)等屬性。它代表了所要實(shí)施的一次信號測量或信號發(fā)生的操作。 NI-DAQmx任務(wù)分為兩種： 一種是

8、獨(dú)立于程序而存在、可以被各個程序所使用的，且可長期保存的任務(wù)（用MAX創(chuàng)建，且保存在MAX中）； 另一種是僅存在于某程序中且只能供該程序使用的所謂臨時任務(wù)（用DAQ助手Express VI或DAQmx函數(shù)在框圖面板上創(chuàng)建）。 d)虛擬通道分為兩種：局部（Local）和全局（Global）虛擬通道。局部虛擬通道僅存在于某個DAQmx定義的任務(wù)中（其生存期長短由任務(wù)決定）；而全局虛擬通道可長期保存在MAX中，且可被多個任務(wù)所使用,二、2. 用驅(qū)動程序DAQmx配置測量通道和任務(wù),15,培訓(xùn)類別,數(shù)據(jù)采集卡驅(qū)動程序DAQmx定義的任務(wù)、虛擬通道與物理通道間的關(guān)系,虛擬通道包含物理通道、輸入范圍、端子

9、配置（差分/RSE/NRSE）和縮放比例等多個屬性；任務(wù)包含一個或多個虛擬通道，且它除包含每個虛擬通道的屬性外，還包含這些虛擬通道共用的采樣和觸發(fā)等屬性（信息,16,培訓(xùn)類別,使用MAX（數(shù)據(jù)采集卡配置軟件）創(chuàng)建一個任務(wù),首先，在MAX界面的“我的系統(tǒng)” - “數(shù)據(jù)鄰居”快捷菜單中選擇“新建”，打開了新建的“數(shù)據(jù)鄰居”對話框,用MAX創(chuàng)建任務(wù)的第一步：建立“數(shù)據(jù)鄰居,路徑：桌面Measurement and Automation,17,培訓(xùn)類別,在對話框中，選擇“NI-DAQmx 任務(wù)”作為創(chuàng)建任務(wù)的目標(biāo)，之后，點(diǎn)擊“下一步”，進(jìn)入下一層對話框,用MAX創(chuàng)建任務(wù)的第二步： 在新建的“數(shù)據(jù)鄰居”

10、列表中，選擇建立“NI-DAQmx任務(wù),18,培訓(xùn)類別,在選擇NI-DAQmx任務(wù)類型方面，每個類型下都有更具體的若干個選項(xiàng)可供選擇。在這里，以選擇 “模擬輸入” 類型下的“電壓”選項(xiàng)為例。選定之后，進(jìn)入下一步驟,用MAX創(chuàng)建任務(wù)的第三步：選擇NI-DAQmx任務(wù)類型（這里，選擇“采集信號” “模擬輸入” “電壓” 作為例子,19,培訓(xùn)類別,用MAX創(chuàng)建任務(wù)的第四步：選擇建立虛擬通道所需的物理通道,從“支持物理通道”的列表中，選擇本任務(wù)所要使用的物理通道。 Dev1表示本虛擬儀器環(huán)境中的第一塊DAQ卡；ai1表示編號（索引）為1（從0開始）的模擬輸入物理通道?？砂醋trl或Shift鍵選擇多

11、個物理通道；所選擇物理通道數(shù)，應(yīng)等于新建任務(wù)包含的虛擬通道數(shù)。這里，以利用Ctrl鍵選擇ai0和ai2這兩個物理通道為例。選好后，按“下一步”鍵，進(jìn)入下一步驟,20,培訓(xùn)類別,用MAX創(chuàng)建任務(wù)的第五步：為任務(wù)命名（指定名字,本例中，為任務(wù)命名時，就默認(rèn)為“我的電壓任務(wù)”即可。 然后按“完成”鍵，進(jìn)入下一步驟,21,培訓(xùn)類別,完成上述操作后，在“數(shù)據(jù)鄰居”下的“NI-DAQmx任務(wù)”列表中，已出現(xiàn)新建任務(wù)“我的電壓任務(wù)”；同時，該任務(wù)已被選中，故在MAX主界面的右側(cè)窗口中便出現(xiàn)了該任務(wù)的參數(shù)設(shè)置區(qū)。接下來，用戶就應(yīng)根據(jù)自己的實(shí)際需要修改由MAX提供的默認(rèn)的任務(wù)參數(shù)設(shè)置,22,培訓(xùn)類別,虛擬通道列

12、表中，包含名為“電壓_0”和“電壓_1”的兩個虛擬通道，虛擬通道名已被自動指定。在某虛擬通道上打開快捷菜單，可為該虛擬通道改名，或更改其對應(yīng)的物理通道。 （本例中，“電壓_0”對應(yīng)ai0；“電壓_1”對應(yīng)ai2 。,23,培訓(xùn)類別,采集模式： 1 采樣 (按要求)，即采集單點(diǎn)數(shù)據(jù)（立即執(zhí)行）； 1 采樣 (硬件定時)，表示在硬件時鐘的邊沿采集單點(diǎn)數(shù)據(jù)； N 采樣，表示采集一段數(shù)據(jù)，采樣點(diǎn)數(shù)和采樣頻率在“定時設(shè)置”下的“待讀取采樣”和“采樣率(Hz)”文本框中指定（本例中為100個點(diǎn)和1000Hz）； 連續(xù)采樣，表示進(jìn)行連續(xù)采集，此時，“定時設(shè)置”下只有“采樣率 (Hz)”即采樣頻率參數(shù)有效,2

13、4,培訓(xùn)類別,若對默認(rèn)的任務(wù)參數(shù)進(jìn)行了修改，那需要按下右側(cè)窗口中左上角的“保存”按鈕，以保存修改后的任務(wù)參數(shù)設(shè)置。至此，一個NI-DAQmx定義的任務(wù)就建立完畢了,25,培訓(xùn)類別,單擊“DAQmx 任務(wù)名”控件或“DAQmx 任務(wù)名”常量右端的向下選項(xiàng)箭頭、打開任務(wù)列表，選擇“我的電壓任務(wù)”項(xiàng)目，就可以使用前邊所創(chuàng)建的任務(wù)了,在程序中使用MAX建立的任務(wù)，需要借助“DAQmx 任務(wù)名”控件或“DAQmx 任務(wù)名” 常量。到達(dá)它們的路徑是,控件”選板- “新式”- “I/O”- “DAQmx名稱控件”- “DAQmx 任務(wù)名” “函數(shù)”選板-“測量I/O”-“DAQmx-數(shù)據(jù)采集”- “DAQm

14、x 任務(wù)名,26,培訓(xùn)類別,使用DAQ助手建立臨時DAQmx任務(wù),將其放置于框圖面板上，同時會出現(xiàn)其“新建Express任務(wù)”窗口。在該窗口的右側(cè)欄可進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)置及其修改,使用DAQ助手建立的任務(wù)只是臨時任務(wù)，沒有名稱，不會保存在MAX中被（這臺計(jì)算機(jī)中建立的）其他程序使用。 臨時任務(wù)建立后，DAQ助手Express VI出現(xiàn)了名為“數(shù)據(jù)”的輸出端子（對于模擬輸入操作），它可直接向框圖上的程序的其他部分輸出數(shù)據(jù),路徑：“函數(shù)”選板 “測量I/O” “DAQmx 數(shù)據(jù)采集” DAQ 助手,27,培訓(xùn)類別,使用“DAQmx 創(chuàng)建虛擬通道”亦即“DAQmx 創(chuàng)建通道（AI-電壓-基本）”，通過編程

15、的方法，也可以建立臨時任務(wù)。這個函數(shù)（子VI）的用法，在后面會有介紹,28,培訓(xùn)類別,硬件：將可變電壓打到手動Manual(調(diào)小一點(diǎn)，不要超過10V)，Supply+和ACH0+連接， Ground和ACH0-連接。觀察指針變化,例7.1 通過Assistant進(jìn)行AI單點(diǎn)采集,29,培訓(xùn)類別,例7.2 通過DAQmx進(jìn)行電壓輸出,硬件：將DAC0電壓輸入至萬用表的Voltage HI，Voltage Lo接地,30,培訓(xùn)類別,例7.3 用儀器驅(qū)動模板函數(shù)寫數(shù)字口,硬件：將DO口和LED口連接，觀察LED指示燈的變化,31,培訓(xùn)類別,例7.4 采用DAQmx基本函數(shù)的虛擬頻率分析儀,硬件：將A

16、CH1+和FUNC_OUT連，將ACH1-和GROUND連， 鼠標(biāo)點(diǎn)擊鍵到“內(nèi)部”，在界面上修改參數(shù)觀察；把波形幅度調(diào)到小于5 V，將DAC0和LED0連，改變波形及其頻率，觀察LED指示燈的變化； 鼠標(biāo)點(diǎn)擊鍵到“外部“，函數(shù)發(fā)生器打到手動，改變波形，觀察波形圖中變化,32,培訓(xùn)類別,例7.4 采用DAQmx基本函數(shù)的事件計(jì)數(shù)器,硬件：將CRT0_SOURCE和FUNC_OUT連，函數(shù)發(fā)生器打到手動，波形打到方波，觀察面板中計(jì)數(shù)變化,33,培訓(xùn)類別,三、DAQmx VI數(shù)據(jù)采集函數(shù)簡介,1. DAQmx VI的組織方式多態(tài)VI,多態(tài)性：輸入、輸出端子可以接受不同類型的數(shù)據(jù)。 實(shí)際上，多態(tài)VI是

17、具有相同連接器形式的多個VI的集合，包 含在其中的每個VI，都稱為該多態(tài)VI的一個實(shí)例。 VI的這種組織方式，將多個功能相似的功能模塊放在一起，可 方便用戶的學(xué)習(xí)和使用。 通過多態(tài)VI選擇器，可以選擇具體使用多態(tài)VI的某個實(shí)例。打開多態(tài)VI選擇器顯示的方法是：在某個DAQmx VI圖標(biāo)上彈 出 快捷菜單，選擇“顯示項(xiàng)” “多態(tài)VI選擇器”（有多態(tài)VI功能的函數(shù)，其默認(rèn)狀態(tài)下，多態(tài)VI選擇器是打開的,找到DAQmx VI 路徑： “函數(shù)”選板 “測量I/O” DAQmx- 數(shù)據(jù)采集,34,培訓(xùn)類別,2. 常用DAQmx VI 介紹,該函數(shù)功能：用于建立虛擬通道和任務(wù)。圖示為該多態(tài) VI的一個實(shí)例

18、，用于測量輸入模擬電壓的值。 “物理通道”輸入端，用于指定物理通道； “分配名稱”輸入端，定義虛擬通道名，如不指定，該參數(shù) 將以物理通道名（如Dev1/ai0等）作為本虛擬通道名； “最大值”、“最小值”，定義所期望的信號的最大值和最 小值（即輸入范圍）； “輸入接線端配置”，定義輸入端子接法（差分等,函數(shù)”選板 “測量I/O” DAQmx 數(shù)據(jù)采集,35,培訓(xùn)類別,用于設(shè)置時間信息。在上圖所示實(shí)例（采樣時鐘）中，可以設(shè)置采樣時鐘源、時鐘頻率及采集/生成的樣本數(shù)目。 其中一些輸入端子的含義為： “采樣率”，定義每個通道每秒采集或發(fā)生數(shù)據(jù)的點(diǎn)數(shù)； “采樣模式”，定義采樣模式； “每通道采樣”參數(shù)

19、，用于指定在“采樣模式”參數(shù)選為“有限采樣”時每個通道采集或生成的樣本數(shù),路徑： “函數(shù)”選板 “測量I/O” DAQmx 數(shù)據(jù)采集,36,培訓(xùn)類別,DAQmx 定時” 的“采樣時鐘”實(shí)例，它與DAQmx任務(wù)的“定時設(shè)置”選項(xiàng)組具有相同功能,NI-DAQmx 任務(wù) DAQmx Timing VI（Samlpe Clock實(shí)例） 采集模式 = 采樣模式 待讀取采樣 = 每通道采樣 采樣率(Hz) = 采樣率,DAQmx定義的任務(wù)的 “定時設(shè)置”選項(xiàng)組,37,培訓(xùn)類別,該函數(shù)的功能：從指定的任務(wù)或虛擬通道讀取樣本；其輸出端“數(shù)據(jù)”返回（提供）讀到的數(shù)據(jù)。 具體情況，決定于讀取數(shù)據(jù)的類型和格式,多態(tài)

20、VI選擇器上給出了實(shí)例名稱，其具體含義如下： DBL表示返回（提供）的是雙精度數(shù)據(jù)；1D表示是一維數(shù)組，沒有該標(biāo)志表示為標(biāo)量數(shù)據(jù),路徑： “函數(shù)”選板 “測量I/O” DAQmx 數(shù)據(jù)采集,38,培訓(xùn)類別,對于采集多個樣本的“DAQmx 讀取” VI實(shí)例（見上圖），其輸入端“每通道采樣數(shù)”參數(shù)指定實(shí)際讀取樣本數(shù)目。 NI-DAQmx任務(wù)的“采集模式”參數(shù)設(shè)置為“N 采樣”時，如果“每通道采樣數(shù)” 參數(shù)大于NI-DAQmx任務(wù)的“待讀取采樣”參數(shù)，或“每通道采樣數(shù)”參數(shù)使用默認(rèn)值，則讀取NI-DAQmx 任務(wù)的“待讀取采樣” 所確定的數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)，否則，讀取“待讀取采樣” 所確定的樣本數(shù)。 NI-DAQmx任務(wù)的“采集模式”參數(shù)設(shè)置為“連續(xù)采樣”時，其 “待讀取采樣”參數(shù)不起作用。如果上述VI的“每通道采樣數(shù)”不接入數(shù)據(jù)或接入“1”，則讀取循環(huán)緩沖區(qū)內(nèi)當(dāng)前的所有有效數(shù)據(jù)；否則，讀取“每通道采樣數(shù)”所確定的樣本數(shù),循環(huán)緩沖概念在“數(shù)據(jù)采集下.ppt”中說明,39,培訓(xùn)類別,該函數(shù)的功能：向任務(wù)寫入樣本數(shù)據(jù)。它的“自動開始” 參數(shù)指定在沒有用“DAQmx 開始任務(wù)”函數(shù)顯式開始任務(wù)的情況下，是否以隱式方式開始任務(wù),路徑： “函數(shù)”選板 “測量I/O” DAQmx 數(shù)據(jù)采