第章虛擬儀器數(shù)據(jù)采集與信號處理

第4章虛擬儀器數(shù)據(jù)采集與信號處理第4章虛擬儀器數(shù)據(jù)采集與信號處理教學(xué)重點數(shù)據(jù)采集信號產(chǎn)生信號的時域分析信號的頻域分析數(shù)字濾波器曲線擬合4.1數(shù)據(jù)采集組建一個基于LabVIEW的虛擬儀器系統(tǒng)，傳感器、信號調(diào)理和數(shù)據(jù)采集模塊是最基本的硬件。其中，傳感器是將被測試的物理量轉(zhuǎn)換為電量的基本環(huán)節(jié)，數(shù)據(jù)采集則將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)據(jù)信號供計算機進行分析處理，信號調(diào)理是兩者之間的橋梁，負責(zé)將傳感器的輸出信號和數(shù)據(jù)采集模塊可以接受的信號類型聯(lián)系起來。

4.1.1數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)采集（DataAcquisition，DAQ），就是將被測對象的各種參量（物理量、化學(xué)量、生物量等）通過各種傳感器作適當轉(zhuǎn)換后，再經(jīng)信號調(diào)理、采樣、量化、編碼、傳輸?shù)炔襟E送到控制器進行數(shù)據(jù)處理或記錄的過程。一個典型的數(shù)據(jù)采集卡的功能有模擬輸入、模擬輸出、數(shù)字I/O、計數(shù)器/計時器等，這些功能分別由相應(yīng)的電路來實現(xiàn)。數(shù)據(jù)采集卡模擬輸入/輸出數(shù)字輸入/輸出時鐘輸入/輸出OnOff1-0ADCcntr/timerdigitalDAQBoard選用數(shù)據(jù)采集卡的基本原則（1）數(shù)據(jù)分辨率和精度（2）最高采樣速度（3）通道數(shù)（4）數(shù)據(jù)總線接口類型（5）是否有隔離（6）支持的軟件驅(qū)動程序及其軟件平臺采集卡類型NI的數(shù)據(jù)采集卡PCI總線的通用數(shù)據(jù)采集卡4.1.2LabVIEW中的數(shù)據(jù)采集VI及應(yīng)用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)基于NI的USB-6009數(shù)據(jù)采集卡的數(shù)據(jù)采集USB-6009的主要特性：8模擬輸入通道（14位、48KS/s采樣速度)2路14位模擬輸出通道12個I/O通道1個32位計數(shù)器/定時器USB-6009的外型NIUSB-6009的接線端子分配模擬輸入：AI0~AI7模擬輸出：AO0,AO1數(shù)字I/O：P0.0~P0.7,P1.0~P1.3定時/計數(shù)器：PFI0NI數(shù)據(jù)采集卡的的應(yīng)用例4.1利用USB-6009數(shù)據(jù)采集卡實實現(xiàn)單通道數(shù)數(shù)據(jù)采集分析：利用LabVIEW8.5的DAQmx-DataAcquisition子選板中的數(shù)數(shù)據(jù)采集函數(shù)數(shù)構(gòu)建一個單單通道的數(shù)據(jù)據(jù)采集系統(tǒng)。。硬件-選用NIUSB-6009采集卡軟件-選用DAQmx-DataAcquisition子選板中的數(shù)數(shù)據(jù)采集函數(shù)數(shù)實現(xiàn)單通道數(shù)據(jù)采采集VI設(shè)計前面板程序框圖構(gòu)建多通道數(shù)數(shù)據(jù)采集例4.2多通道數(shù)據(jù)采采集分析：利用LabVIEW8.5的DAQmx-DataAcquisition子選板中的數(shù)數(shù)據(jù)采集函數(shù)數(shù)構(gòu)建一個多多通道的數(shù)據(jù)據(jù)采集系統(tǒng)。。硬件-選用NIUSB-6009采集卡軟件-選用DAQmx-DataAcquisition子選板中的數(shù)數(shù)據(jù)采集函數(shù)數(shù)實現(xiàn)圖7–4多參量多通道道PC–DAQ/PCI虛擬儀器測量量系統(tǒng)多通道數(shù)據(jù)采采集系統(tǒng)的前前面板多通道數(shù)據(jù)采采集系統(tǒng)的程程序框圖1模擬信號輸入入部分①模擬輸入通道道數(shù)。該參數(shù)數(shù)表明數(shù)據(jù)采采集卡所能夠夠采集的最多多的信號路數(shù)數(shù)。②信號的輸入方方式。一般待待采集信號的的輸入方式有有：l單端輸入：即即信號的其中中一個端子接接地。l差動輸入：即即信號兩端均均浮地。l單極性：信號號幅值范圍為為[0，A]，A為信號最大幅幅值。l雙極性：信號號幅值范圍為為[–A，A]。一般的數(shù)據(jù)采采集卡都設(shè)有有信號輸入方方式的選擇設(shè)設(shè)置，設(shè)計者者可根據(jù)實際際需要進行選選擇。③模擬信號的輸輸入范圍(量程)一般根據(jù)信號號輸入特性的的不同(單極性輸入還還是雙極性輸輸入)有不同的輸入入范圍。如對對單極性輸入入，典型值為為0～10V，對雙極性輸輸入，典型值值為–5V~5V。④放大器增益。。⑤模擬輸入阻抗抗。采集卡固固有參數(shù)，一一般不由用戶戶設(shè)置。到此數(shù)據(jù)采集簡介介NI-DAQmx是LabVIEW7.0以來新增的DAQ軟件。它包括括支持200多種NI數(shù)據(jù)采集設(shè)備備的驅(qū)動，并并提供相應(yīng)的的VI函數(shù)。此外它還包括括Measurement&AutomationExplorer(MAX)、數(shù)據(jù)采集助理理(DAQAssistant)以及VILogger數(shù)據(jù)記錄軟件件。通過這些些工具并結(jié)合合LabVIEW可以節(jié)省大量量的系統(tǒng)配置置、開發(fā)和記記錄數(shù)據(jù)的時時間。NI-DAQmx1.Measurement&AutomationExplorer(MAX)測量與自動化化軟件快速檢測及配配置所有硬件件通過測試面板板驗證硬件的的運作狀況實施簡便、交交互式的測量量給Ι/Ο通道命名舉例：通過MAX配置串口屬性性2.DAQ助手DAQAssistantDAQ助手提供了一一個對話框式式的向?qū)в糜谟跍y量任務(wù)的的配置、測試試和自動代碼碼生成。配合合ExpressVI，通過DAQAssistant可以在數(shù)分鐘鐘內(nèi)搭建一個個專業(yè)的數(shù)據(jù)據(jù)獲取系統(tǒng)。。數(shù)據(jù)采集模板板DAQmx—數(shù)據(jù)采集模板板（1）模擬擬輸入入通道道參數(shù)數(shù)設(shè)置置1）被測測量選選取3數(shù)據(jù)輸輸入輸輸出設(shè)設(shè)置2）測量量通道道選擇擇（2）模擬擬輸出出通道道參數(shù)數(shù)設(shè)置置1）被測測量選選擇2）測量量通道道選擇擇3）命名名4）測量量通道道設(shè)置置好的的示意意圖5）自自行測測試演演示（3）外部部信號號輸入入的設(shè)設(shè)置自我測測試結(jié)結(jié)果外部加加入到到ai11端子的的電壓壓3.45v（4）外部部信號號輸入入的子子函數(shù)數(shù)調(diào)用用—讀出外部信信號輸輸入的的子函函數(shù)調(diào)調(diào)用測測試結(jié)結(jié)果（5）外部部信號號--輸入端端讀出出—寫給輸輸出端端讀出—寫入模模式設(shè)設(shè)置運行通用數(shù)數(shù)據(jù)采采集卡卡的LabVIEW控制實實現(xiàn)1．數(shù)據(jù)據(jù)采集集卡驅(qū)驅(qū)動程程序的的開發(fā)發(fā)方式式直接端端口讀讀寫方方式（（I/O方式））調(diào)用C語言源源代碼碼的方方式（（CIN方式））調(diào)用動動態(tài)連連接庫庫的方方式（（CLF方式））（1）直接接端口口讀寫寫方式式（I/O方式））I/O端口子子選板板InPort.viOutPort.vi（2）調(diào)用用C語言源源代碼碼的方方式LabVIEW8.2函數(shù)選選板的的【互連接接口】→【【庫可執(zhí)執(zhí)行程程序】子選板板中有有一個個CodeInterfaceNode節(jié)點，，用來來在LabVIEW程序框框圖中中直接接調(diào)用用其他他編程程語言言（如如VC）寫的的代碼碼。這這樣就就可以以通過過使用用CIN圖標來來調(diào)用用由C語言編編寫的的采集集卡驅(qū)驅(qū)動程程序方方法實實現(xiàn)虛虛擬儀儀器的的數(shù)據(jù)據(jù)采集集。（3）調(diào)用用動態(tài)態(tài)連接接庫的的方式式動態(tài)鏈鏈接庫庫通常常由數(shù)數(shù)據(jù)采2．數(shù)據(jù)據(jù)采集集卡驅(qū)驅(qū)動程程序設(shè)設(shè)計舉舉例例4.3用端口讀讀/寫函數(shù)驅(qū)驅(qū)動數(shù)據(jù)據(jù)采集卡卡。要求通過過端口讀讀/寫函數(shù)實實現(xiàn)數(shù)據(jù)據(jù)采集卡卡PC-6310的數(shù)據(jù)采采集PC-6310簡介PC-6310適用于具具有ISA總線的PC系列微機機卡上的A/D轉(zhuǎn)換器ADS774為12位分辨率轉(zhuǎn)換速率率為10μS模擬輸入入信號范范圍為0V～10V或-5V～+5V模擬輸入入通道為為32個通道的的單端或或16個通道的的雙端控制端口口的地址址與功能能A/D轉(zhuǎn)換狀態(tài)態(tài)數(shù)據(jù)格格式A／D轉(zhuǎn)換結(jié)果果數(shù)據(jù)格格式數(shù)據(jù)采集集VI的前面板板數(shù)據(jù)采集集VI的程序框框圖數(shù)據(jù)采集集VI的程序框框圖講到此了了—3.114.2信號產(chǎn)生生信號產(chǎn)生生是儀器器系統(tǒng)的的重要組組成部分分，要評評價任意意一個網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)或系系統(tǒng)的特特性，必必須外加加一定的的測試信信號，其其性能方方能顯示示出來。。最常用用的測試試信號有有正弦波波、三角角波、方方波、鋸鋸齒波、、噪聲波波及多頻頻波（由由不同頻頻率的正正弦波疊疊加而形形成的波波形）等等。數(shù)字信號號的產(chǎn)生生與數(shù)字字化頻率率的概念念正弦波信信號：u(t)=Asin(ωt+θ0)ΔT為采樣間間隔，T為信號周周期，設(shè)設(shè)一個周周期內(nèi)的的采樣點點數(shù)為n，則T=nΔΔT采樣頻率率：fs=1/ΔT信號頻率率：fx=1/T=1/(nΔT)=fS/nu(iΔΔT)=Asin(2ππi/n+θθ0)設(shè)f=fx/fS=1/n,將2π弧度用360o表示，并并省略，，則得得數(shù)字化頻頻率f=模擬頻率率/采樣頻率率信號產(chǎn)生生函數(shù)及及應(yīng)用信號生成成子選板板1.正弦波生生成SineWave.vi正弦波函函數(shù)的等等效數(shù)學(xué)學(xué)運算式式如下：SineWave[i]=amplitude×sin（360×f×i+phase0）SineWave.vi應(yīng)用舉例例例4.5利用SineWave.vi產(chǎn)生正弦弦波前面板程序框圖圖數(shù)字頻率率的認識識調(diào)節(jié)信號號頻率、、采樣頻頻率、采采樣點數(shù)數(shù)，觀察察這些參參數(shù)的變變化對顯顯示正弦弦波結(jié)果果的影響響。若以Hz作為頻率率單位，，則數(shù)字頻率率單位（Hz）=fx/fs=信號號頻頻率率/采樣樣頻頻率率若以以周周期期作作為為頻頻率率單單位位，，則則數(shù)字字頻頻率率單單位位(T)=周期期數(shù)數(shù)/采樣樣點點數(shù)數(shù)均勻勻白白噪噪聲聲的的生生成成例4.6利用用UnifomWhiteNoise.vi產(chǎn)生生均均勻勻分分布布的的白白噪噪聲聲。。前面面板板程序序框框圖圖簡單單函函數(shù)數(shù)發(fā)發(fā)生生器器例4.7創(chuàng)建建一一個個可可以以產(chǎn)產(chǎn)生生正正弦弦波波、、三三角角波波、、方方波波和和鋸鋸齒齒波波的的函函數(shù)數(shù)發(fā)發(fā)生生器器。。波形形生生成成在波波形形生生成成子子選選板板中中的的所所有有函函數(shù)數(shù)不不僅僅輸輸出出包包含含指指定定波波形形圖圖形形的的數(shù)數(shù)字字型型數(shù)數(shù)組組，，而而且且包包含含時時間間參參數(shù)數(shù)，，這這種種數(shù)數(shù)據(jù)據(jù)類類型型在在LabVIEW中稱稱為為波形形數(shù)數(shù)據(jù)據(jù)波形形生生成成函函數(shù)數(shù)的的應(yīng)應(yīng)用用舉舉例例例4.8使用用基基本本函函數(shù)數(shù)發(fā)發(fā)生生器器創(chuàng)創(chuàng)建建函函數(shù)數(shù)發(fā)發(fā)生生器器前面面板板程序序框框圖圖多頻頻信信號號的的產(chǎn)產(chǎn)生生與與應(yīng)應(yīng)用用多頻頻信信號號是是指指一一個個離離散散頻頻率率的的正正弦弦波波集集合合，，其其模模擬擬信信號號數(shù)數(shù)學(xué)學(xué)表表達達式式為為：：式中中，，Ai：第第i個正正弦弦波波的的幅幅值值ωi：基基頻頻角角頻頻率率hi：第第i個正正弦弦波波的的角角頻頻倍倍數(shù)數(shù)θi：第第i個正正弦弦波波的的初初相相角角例4.9多頻信號發(fā)生生器前面板程序框圖例4.10信號合成信號合成的前前面板和程序序框圖4.3信號的時域分分析時域分析是指指在時間域內(nèi)內(nèi)研究系統(tǒng)在在一定輸入信信號的作用下下，其輸出信信號隨時間的的變化情況。。由于時域分分析是直接在在時間域中對對系統(tǒng)進行分分析的方法，，所以時域分分析具有直觀觀和準確的優(yōu)優(yōu)點。卷積運算卷積是電路分分析的一個重重要概念。它它可以求線性性系統(tǒng)對任何何激勵信號的的零狀態(tài)響應(yīng)應(yīng)。對離散時間信信號的卷積稱稱為卷積和，，定義為Convolution.vi例4.11求卷積運算卷積運算的前前面板和程序序框圖相關(guān)分析所謂“相關(guān)”是指變量之間間的線性關(guān)系系。相關(guān)分析利用用相關(guān)系數(shù)或或相關(guān)函數(shù)來來描述兩個信信號間的相互互關(guān)系或其相相似程度，還還可以用來描描述同一信號號的現(xiàn)在值與與過去值的關(guān)關(guān)系，或者根根據(jù)過去值、、現(xiàn)在值來估估計未來值。。相關(guān)函數(shù)定義義為LabVIEW中的相關(guān)分析析函數(shù)AutoCorrelation.viCrossCorrelation.vi例4.12互相關(guān)運算前面板程序框圖微積分運算在工程應(yīng)用領(lǐng)領(lǐng)域，經(jīng)常要要對整個過程程進行測量和和控制，往往往涉及到信號號的采集，而而采樣獲得是是離散的數(shù)據(jù)據(jù)，若要考慮慮整個過程的的動態(tài)情況或或者獲得多個個參數(shù)，就要要用到數(shù)值積積分和數(shù)值微微分運算。LabVIEW提供了積分和和微分函數(shù)例4.13對方波信號進進行微積分運運算前面板程序框圖4.4信號的頻域分分析信號的頻譜代代表了信號在在不同頻率分分量處信號成成分的大小，，它能夠提供供比時域信號號波形更直觀觀、更豐富的的信息。LabVIEW8.2提供了豐富的的頻域分析函函數(shù)，包括傅傅里葉變換、、hilbert變換、功率譜譜分析、諧波分析等。快速傅立葉變變換（FFT）傅里葉變換是是信號處理與與數(shù)據(jù)處理中中一個重要分分析工具，其其意義在于將將時域與頻域域信號聯(lián)系起起來，通過頻頻域分析將復(fù)復(fù)雜的信號分分解為各個單單一的頻率成成分。FFT.vi例4.15雙邊傅里葉變變換前面板程序框圖頻率間隔與采采樣頻率和采采樣點數(shù)的關(guān)關(guān)系例4.16單邊傅里葉變變換前面板程序框圖頻譜分析頻譜分析是指把時間域域的各種動態(tài)態(tài)信號通過傅傅里葉變換轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換到頻率域域進行分析。。頻譜分析中應(yīng)應(yīng)注意的問題題（1）頻譜混疊（2）泄漏效應(yīng)和和柵欄效應(yīng)頻譜分析前面板程序框圖例4.17使用AmplitudeandPhaseSpectrum.vi進行頻譜分析析功率譜例4.16使用AutoPowerSpectrum.vi進行自功率譜譜分析前面板程序框圖頻率響應(yīng)分析析頻率響應(yīng)表述述了一個測試試系統(tǒng)輸入和和輸出的頻域域關(guān)系，它是是描述測試系系統(tǒng)頻域動態(tài)態(tài)特性的重要要關(guān)系。常常用其模和和相相位角來來表示，，稱為測試系系統(tǒng)的幅頻特特性和相頻特特性。例4.19求頻率響應(yīng)的的幅頻特性與與相頻特性前面板程序框圖頻率響應(yīng)例4.20使用FrequenceResponseFunction(Real-Im).vi求頻率響應(yīng)的的實部和虛部部前面板程序框圖諧波分析諧波和基波是是一個相對的的概念，它是是一個周期電電氣量中的正正弦波分量，，其頻率為基基波頻率的整整數(shù)倍，由于于諧波的頻率率是基波頻率率的整數(shù)倍，，也常稱為高高次諧波。在在頻域分析中中以電壓為例例，將畸變的的周期性電壓壓分解成傅里里葉級數(shù)畸變波形因諧諧波引起的偏偏離正弦波形形的程度用總諧波畸變變量THD表示例4.21諧波分析前面板程序框圖4.5數(shù)字濾波器器數(shù)字濾波器器即是以數(shù)值值計算的方方法來實現(xiàn)現(xiàn)對離散化化信號的處處理，以減減少干擾信信號在有用用信號中所所占的比例例，從而改改變信號的的質(zhì)量，達達到濾波或或加工信號號的目的。。數(shù)字濾波器器分為無限沖激響響應(yīng)濾波器器IIR有限沖激響響應(yīng)濾波器器FIR特點：精度度高、穩(wěn)定定性好、靈靈活性強、、處理功能強調(diào)用數(shù)字濾濾波器子程程序應(yīng)注意意的問題濾波器類型型選擇:在低通、高高通、帶通通或帶阻濾濾波器中選選擇一個類類型。截止頻率確確定:對低通只只需確定上上截止頻率率，高通濾濾波器只需需確定下截截止頻率，，對帶通及及帶阻濾波波器應(yīng)確定定上、下限限截止頻率率。采樣頻率設(shè)設(shè)定濾波器的階階數(shù):濾波器階數(shù)數(shù)越高，其其幅頻特性性曲線過渡渡帶衰減越越快紋波幅度窗函數(shù)LabVIEW8.2在【窗】子選板中提提供了20種窗函數(shù)，，包括矩形形窗、漢寧寧窗、海明明窗等數(shù)字濾波器器應(yīng)用舉例例例4.22使用巴特沃沃斯濾波器器提出正弦弦信號前面板程序框圖例4.23信號分離(多頻率)前面板程序框圖4.6曲線擬合概述相關(guān)物理量量近似函數(shù)數(shù)表達式描描述y=f(x，a，b，…)曲線擬合的的目的：是是找出一系系列參數(shù)的的最佳估值值，通過這這些最佳參數(shù)數(shù)，可使擬擬合曲線與與實際數(shù)據(jù)據(jù)之間的誤誤差為最小小。曲線擬合的的算法稱為為最小平方方法。誤差差被定義為為：e(a)=[f(x,a)-y(x)]2令a={a0,a1}y(x)是實測數(shù)據(jù)據(jù)，f(x，a)是由一組實實驗數(shù)據(jù)估估計出來的的回歸方程式，，a是使誤差平平方和為最最小的最佳佳系數(shù)或參參數(shù)。離散系統(tǒng)：：f表示擬合數(shù)數(shù)據(jù)，y表示實測數(shù)數(shù)據(jù)，n表示采樣點點數(shù)。1.LabVIEW中曲線擬合合類型LabVIEW的分析軟件件庫提供了了多種線性性和非線性性的曲線擬擬合算法，，如：線性擬合－－把實實驗數(shù)據(jù)擬擬合為y=mx+c直線形式：：y[i]=a0+a1*x[i]指數(shù)擬合－－把數(shù)數(shù)據(jù)擬合為為y=aexp(bx)指數(shù)曲線:y[i]=a0*exp(a1*X[i])多項式擬合合－把數(shù)據(jù)據(jù)擬合為y=a+bx+cx^2+…多項式曲線線：y[i]=a0+a1*X[i]+a2*x[i]^2…通用線性擬擬合－將將數(shù)據(jù)擬擬合為下述述形式：y[i]=a0+a1*f1(X[i])+a2*f2(X[i])…非線性Lev–Mar擬合—將數(shù)據(jù)擬合合