第四章 DAQ數(shù)據(jù)采集技術(shù)

1、數(shù)據(jù)采集技術(shù)數(shù)據(jù)采集技術(shù)（DAQ）Data Acquisition Techniques林林 君君Tel:8502473數(shù)據(jù)采集功能數(shù)據(jù)采集功能 ADCDACcntr/timerdigitalDAQ BoardAnalog I/OAnalog I/ODigital I/ODigital I/OClock I/OClock I/OOnOnOffOff1-1-0 0插入式數(shù)據(jù)采集卡的優(yōu)越性插入式數(shù)據(jù)采集卡的優(yōu)越性 靈活靈活 費(fèi)用較低費(fèi)用較低 性能選擇范圍大性能選擇范圍大 大量的軟件工具可用利用大量的軟件工具可用利用PCPC技術(shù)技術(shù)數(shù)字化技術(shù)數(shù)字化技術(shù)信號分類信號分類信號根據(jù)其所傳遞的有用信息進(jìn)行分

2、類信號根據(jù)其所傳遞的有用信息進(jìn)行分類信息信息狀態(tài)狀態(tài)速率速率幅值幅值形狀形狀頻率頻率SignalsSignalsAnalogAnalogDigitalDigitalOn-OffOn-OffTime DomainTime DomainPulse TrainPulse TrainFrequency DomainFrequency DomainDCDCononoffofft t1-1-0-0-t t0.9850.985t tt tf f數(shù)字信號數(shù)字信號開關(guān)信號開關(guān)信號 連續(xù)脈沖信號連續(xù)脈沖信號Input:Read an optical encoderOutput:Generate a square

3、wave分辨率分辨率時鐘頻率時鐘頻率Input:Sense a switch closureOutput:Close a valve驅(qū)動程序的功能驅(qū)動程序的功能通道數(shù)通道數(shù)DAQDAQ卡需要考慮的指標(biāo)卡需要考慮的指標(biāo)onofft1-0-t數(shù)字信號調(diào)理Common-Mode VoltagesorHigh VoltagesElectromechanical RelaysorSolid-State RelaysOptical IsolationLoads Requiring AC Switching or Large Current FlowSolenoidsValvesMotorsHeatersL

4、ampsPumpsElectromechanical RelaysorSolid-State RelaysProduction Monitoringor Process ControlProximity SwitchesLimit SwitchesThermostatsManual Switches數(shù)字?jǐn)?shù)字I/O模擬信號模擬信號時域信號時域信號VibrationSpeechSonar分辨率分辨率采樣率采樣率AC 精度精度觸發(fā)觸發(fā)濾波器濾波器TemperaturePressureFlowStrainDC 精度精度頻域信號頻域信號直流信號直流信號ECGBlood pressureSingle-sh

5、ot eventsChromatograph分辨率分辨率采樣率采樣率AC 和和 DC 精度精度觸發(fā)觸發(fā)DAQ卡需要考慮的指標(biāo)參數(shù)卡需要考慮的指標(biāo)參數(shù)0.985ttf模擬信號調(diào)理模擬信號調(diào)理低電壓信號低電壓信號電流輸入電流輸入/ /輸出輸出RTDsRTDs 和熱敏電阻和熱敏電阻熱電偶熱電偶應(yīng)變儀應(yīng)變儀隔離隔離放大放大噪聲濾波噪聲濾波電流與電壓的轉(zhuǎn)換電流與電壓的轉(zhuǎn)換; ;隔離，放大，噪聲濾波隔離，放大，噪聲濾波隔離，放大，噪聲濾波隔離，放大，噪聲濾波冷端補(bǔ)償冷端補(bǔ)償激勵電源激勵電源隔離，放大，噪聲濾波隔離，放大，噪聲濾波激勵電壓激勵電壓全橋和半橋設(shè)置全橋和半橋設(shè)置隔離，放大，噪聲濾波隔離，放大，噪

6、聲濾波多功能多功能I/OI/ODemo變送器變送器/ /傳感器傳感器 物理現(xiàn)象物理現(xiàn)象傳感器傳感器溫度溫度熱電偶熱電偶 RTDRTD IC IC 傳感器傳感器 熱敏電阻熱敏電阻光光真空管光電傳感器真空管光電傳感器聲聲麥克風(fēng)麥克風(fēng)力和壓力力和壓力應(yīng)變儀應(yīng)變儀 壓電傳感器壓電傳感器熱電偶 價格較低，堅(jiān)固價格較低，堅(jiān)固 可承受高溫可承受高溫 可迅速感知溫度的快速變化可迅速感知溫度的快速變化 需要作冷端補(bǔ)償需要作冷端補(bǔ)償 電壓量很小電壓量很小 需要放大需要放大 輸出非線性輸出非線性 需要冷端補(bǔ)償需要冷端補(bǔ)償RTDs 精度比熱電偶高精度比熱電偶高 不需要冷端補(bǔ)償不需要冷端補(bǔ)償 比熱電偶昂貴比熱電偶昂貴

7、需要電流源需要電流源 非線性輸出，需要線性化非線性輸出，需要線性化 2 2路路RTDsRTDs接線，簡單，但要考慮接線電阻誤差接線，簡單，但要考慮接線電阻誤差 3 3路和路和4 4路路 RTD RTD 接線，消除了接線電阻誤差接線，消除了接線電阻誤差熱敏電阻 需要電流源或電壓源激勵需要電流源或電壓源激勵 非線性化強(qiáng)烈，需要線性化非線性化強(qiáng)烈，需要線性化 敏感度高敏感度高 電阻高電阻高應(yīng)變片應(yīng)變片 需要電壓源需要電壓源 需要橋式電路設(shè)置需要橋式電路設(shè)置 非線性化輸出，需要線性化非線性化輸出，需要線性化DAQDAQ卡的前端信號調(diào)理模塊卡的前端信號調(diào)理模塊 Signal Conditioning E

8、xtensions for Instrumentation （SCXI) SCXI 選擇傳感器和信號傳感器和信號 熱電偶熱電偶 RTDsRTDs 熱敏電阻熱敏電阻 應(yīng)變儀應(yīng)變儀 電壓信號電壓信號微伏，毫伏，伏微伏，毫伏，伏 電流信號電流信號4 4 20 20 mAmA, 0 , 0 20 20 mAmA 數(shù)字信號數(shù)字信號信號調(diào)理信號調(diào)理多路復(fù)用多路復(fù)用放大放大隔離隔離濾波濾波傳感器激勵傳感器激勵冷端補(bǔ)償冷端補(bǔ)償SCXI的其它特性可擴(kuò)展，最多到可擴(kuò)展，最多到3,0723,072通道通道緊湊，在緊湊，在7 7英寸空間可達(dá)英寸空間可達(dá)384384個通道個通道靈活，可以和最新的采集卡，軟件，和計(jì)算機(jī)靈

9、活，可以和最新的采集卡，軟件，和計(jì)算機(jī)配合工作配合工作高速，和高速，和E E系列的采集卡配合掃描速度達(dá)系列的采集卡配合掃描速度達(dá)3333KHzKHz設(shè)置方便設(shè)置方便結(jié)構(gòu)開放結(jié)構(gòu)開放DemoA/D 分辨率Code width = smallest detectable change in voltage =AD的輸入范圍的輸入范圍增益增益 * 2nn = # of ADC bits 16-bit ADC3-bit ADCAmplitudecode widthTime02010012014040608010.009.757.506.255.003.752.501.25011111010001101

10、0001000A/D 采樣率NyquistNyquist 原理原理 采樣率采樣率 2 2倍的最高頻率倍的最高頻率Adequately sampledAliased due to undersampling多通道采集采集模式采集模式通道設(shè)置通道設(shè)置掃描順序掃描順序增益增益范圍范圍單端單端/ /差分輸入差分輸入單極單極/ /雙極雙極連續(xù)掃描連續(xù)掃描同步采樣同步采樣間隔掃描間隔掃描Straingauge 1Straingauge 2Battery 1Battery 2TempPressureDemo實(shí)時系統(tǒng)集成總線 RTSIReal-Time Systems Integration Bus RTSI

11、在板卡之間連接時鐘和觸發(fā)信號在板卡之間連接時鐘和觸發(fā)信號完成數(shù)據(jù)采集的同步操作完成數(shù)據(jù)采集的同步操作在在DSPDSP卡串行傳輸數(shù)據(jù)卡串行傳輸數(shù)據(jù)觸發(fā)觸發(fā) 軟件觸發(fā)軟件觸發(fā)START TRIG* Input of MIO BoardEdge Initiates Acquisition TTL SignalLevel and Slope of AnalogSignal Initiates Acquisition Level and Slope of AnalogSignal Retrieves Acquisition 條件獲取條件獲取 (軟件軟件) 由由 AI Buffer Read 設(shè)定設(shè)定 A

12、I Read 調(diào)用調(diào)用 AI Buffer Read 模擬觸發(fā)模擬觸發(fā) 數(shù)字觸發(fā)數(shù)字觸發(fā)Demo應(yīng)用軟件應(yīng)用軟件接口軟件接口軟件LabVIEWLabWindows/CVIComponent WorksVisual BasicC/C+.PCI-MIO-16E-1DAQ 卡NI-DAQ要求要求: :可以所有采集卡的功能可以所有采集卡的功能向下兼容向下兼容通用的通用的 APIAPI功能齊全的設(shè)置工具功能齊全的設(shè)置工具方便易用方便易用NI-DAQApplication SoftwareDemo軟件開發(fā)平臺選擇軟件開發(fā)平臺選擇VirtualBenchReady-to-Run Virtual Instru

13、mentsVirtual InstrumentsScopeDynamic signal analyzerArbitrary waveform generatorFunction generatorDMMData loggerDemo軟件開發(fā)平臺軟件開發(fā)平臺Graphical Programming Graphical Programming LabVIEWLabVIEWnEmpowering technology Natural flowchart notation Eliminates syntactical detailsnReduces development time Rapid pr

14、ototyping Self-documentingnIntuitive and easy to learn nIdeal for code reusability Modularity and hierarchyDemoWhat is Measurement Studio?Measurement HardwareWindowsVisual Basic Visual C+InternetVisualizationAnalysisAcquisitionLabWindows/CVIMeasurement StudioMeasurement ComponentsMeasurement StudioT

15、ools for Visual C+Compiler integrationIntellisense ClassWizardVisaGPIBAnalysisUIControlsUtility ClassesApplication WizardMeasurement classes Acquisition Analysis User interface through ActiveXUtility classesData objectsData ObjectMeasurement Studio Tools for Visual BasicMeasurement and automation Ac

16、tiveX controlsAnalysisUIDAQNetworkGPIBSerialLabWindows/CVIANSI CStandard LanguageCompilerEditorDebuggerOpen SystemI/O (GPIB, VXI, DAQ, Serial, IMAQ, etc)Analysis DataSocket ActiveX TCPGUICodeGeneration ToolsInteractive Execution數(shù)據(jù)采集的基本原理數(shù)據(jù)采集的基本原理(3.1)數(shù)據(jù)采集的基本原理數(shù)據(jù)采集的基本原理數(shù)據(jù)采集的基本原理數(shù)據(jù)采集的基本原理采樣定理的推導(dǎo)采樣定理的推

17、導(dǎo)采樣定理的推導(dǎo)采樣定理的推導(dǎo)采樣定理的推導(dǎo)采樣定理的推導(dǎo)采樣定理的推導(dǎo)采樣定理的推導(dǎo)采樣率的確定采樣率的確定數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)1.1. MUXMUX切換切換2.2. PGAPGA切換切換3.3. S/HS/H4.4. A/DA/D開始工作開始工作5.5. A/DA/D轉(zhuǎn)換完成轉(zhuǎn)換完成6.6. 讀取數(shù)據(jù)讀取數(shù)據(jù)7.7. 存儲數(shù)據(jù)存儲數(shù)據(jù)8.8. 循環(huán)至結(jié)束循環(huán)至結(jié)束數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)浮點(diǎn)放大數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)浮點(diǎn)放大數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)一個四路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) 各路輸入