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第6章 虛擬儀器數(shù)據(jù)采集與信號處理 1 第6章虛擬儀器數(shù)據(jù)采集與信號處理 教學(xué)重點(diǎn)數(shù)據(jù)采集信號產(chǎn)生信號的時(shí)域分析信號的頻域分析數(shù)字濾波器曲線擬合 2 6 1數(shù)據(jù)采集 LabVIEW作為一種圖形化的虛擬儀器開發(fā)平臺 在數(shù)據(jù)采集 信號的產(chǎn)生 分析與處理上有明顯的優(yōu)勢 LabVIEW提供了非常豐富的數(shù)據(jù)采集 信號發(fā)生 分析與處理函數(shù) 虛擬儀器主要用于獲取真實(shí)物理世界的數(shù)據(jù) 也就是說 虛擬儀器必須要有數(shù)據(jù)采集的功能 從這個(gè)角度來說 數(shù)據(jù)采集就是虛擬儀器設(shè)計(jì)的核心 使用虛擬儀器必須要掌握如何進(jìn)行數(shù)據(jù)采集 3 6 1 1數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的含義 在科研 生產(chǎn)和日常生活中 需要經(jīng)常對模擬量 如溫度 壓力 流量 速度 位移等 進(jìn)行測量和控制 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(dāng)轉(zhuǎn)換后 再經(jīng)信號調(diào)理 采樣 量化 編碼 傳輸?shù)炔襟E送到計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理或記錄的過程 用于數(shù)據(jù)采集的成套設(shè)備稱為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) DataAcquisitionSystem DAS 4 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的任務(wù) 就是通過傳感器從被測對象獲取有用信息 并將其輸出信號轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)能識別的數(shù)字信號 然后送入計(jì)算機(jī)進(jìn)行相應(yīng)的處理 得出所需的結(jié)果 同時(shí) 將計(jì)算機(jī)得到的數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行顯示 存儲或打印 以便實(shí)現(xiàn)對某些物理量的監(jiān)視 其中一部分?jǐn)?shù)據(jù)還將被計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)用來進(jìn)行某些物理量的控制 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的好壞 主要取決于它的精度和速度 在保證精度的前提下 應(yīng)具有盡可能高的采樣速度 以滿足實(shí)時(shí)采集 實(shí)時(shí)處理和實(shí)時(shí)控制對速度的要求 5 現(xiàn)代數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)具有以下主要特點(diǎn) 一般都含有計(jì)算機(jī)系統(tǒng) 軟件的作用越來越大 數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)處理結(jié)合日益緊密 采集速度快 一般都具有實(shí)時(shí)特性 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的體積越來越小 總線的應(yīng)用越來越廣 6 6 1 2數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通常是由傳感器 信號調(diào)理電路 多功能數(shù)據(jù)采集卡 通常集成有模擬多路開關(guān) 程控放大器 采樣 保持器 定時(shí)器 A D轉(zhuǎn)換器及D A轉(zhuǎn)換器 計(jì)算機(jī)及外設(shè)等部分組成 7 傳感器傳感器是指能感受規(guī)定的被測量信號并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號的器件或裝置 傳感器不但應(yīng)該對被測量信號敏感 而且還應(yīng)具有將被測量信號的響應(yīng)傳送出去的功能 信號調(diào)理 1 放大 電流型變送器 電壓型變送器 2 隔離 地 電位 共態(tài)電壓差異 3 濾波 低通濾波器 抗混疊濾波器 4 激勵(lì) 外接電流或電壓激勵(lì)信號 例 熱電阻 5 線性化 驅(qū)動軟件包 8 數(shù)據(jù)采集卡一個(gè)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(jì)數(shù) 定時(shí)器等 這些功能分別由相應(yīng)的單元電路來實(shí)現(xiàn) 1 模擬輸入 一般由多路開關(guān) 放大器 采樣保持電路以及A D轉(zhuǎn)換器來實(shí)現(xiàn) 2 模擬輸出 為系統(tǒng)提供輸出或控制信號 D A 3 數(shù)字I O 通常用來控制過程 產(chǎn)生測試信號 與外設(shè)通信等 它的基本參數(shù)包括數(shù)字接口路數(shù) 收 發(fā)數(shù)據(jù)速率 驅(qū)動能力等 4 計(jì)數(shù) 定時(shí)器 計(jì)數(shù)器包括3個(gè)重要信號 門限信號 計(jì)數(shù)信號 輸出 9 6 1 3數(shù)據(jù)采集卡的選用與配置 數(shù)據(jù)采集卡 在計(jì)算機(jī)控制下完成數(shù)據(jù)采集和控制任務(wù)的板卡 數(shù)據(jù)采集卡分為內(nèi)插式采集卡和外掛式采集卡 內(nèi)插式采集卡包括基于ISA PCI PXI CPCI PCMCIA等總線卡 特點(diǎn)是速度快 但是插拔不方便 外掛式采集卡包括USB IEEE1394 RS 232 RS 485和并口卡 特點(diǎn)是使用方便 但速度相對較慢 10 USB總線數(shù)據(jù)采集卡 PCI總線接口數(shù)據(jù)采集卡 11 數(shù)據(jù)采集卡的選用 在挑選數(shù)據(jù)采集卡時(shí) 用戶主要考慮的是根據(jù)需求選取適當(dāng)?shù)目偩€形式 適當(dāng)?shù)牟蓸铀俾?適當(dāng)?shù)哪M輸入 模擬輸出 適當(dāng)?shù)臄?shù)字量輸入 輸出接口等 達(dá)到既能滿足工作需求 又能節(jié)省投資的目的 需用數(shù)據(jù)采集卡的基本原則 數(shù)據(jù)分辨率和精度 可達(dá)到的采樣速率 最高采樣頻率 通道數(shù) 通道數(shù) 數(shù)據(jù)總線接口類型 PCI PCMCIA PXI VXI 是否有隔離 支持的軟件驅(qū)動程序及其軟件平臺 12 數(shù)據(jù)采集卡產(chǎn)品介紹 NI公司作為虛擬儀器技術(shù)的開創(chuàng)者 面向廣大用戶設(shè)計(jì)出一系列高品質(zhì)的通用數(shù)據(jù)采集卡 如B系列基本多功能DAQ卡 S系列同步采樣多功能DAQ卡 M系列新一代多功能DAQ卡等 PCI 6251是首款基于PC的PCIExpress多功能高速數(shù)據(jù)采集卡 它將PCIe總線技術(shù)和NI的M系列數(shù)據(jù)采集技術(shù)完美地結(jié)合在一起 提供了快速模擬和數(shù)字I O 以及先進(jìn)的PCIe通道帶寬 13 數(shù)據(jù)采集卡的安裝配置 在選購了NI公司的數(shù)據(jù)采集卡后 首先要將數(shù)據(jù)采集卡安裝到計(jì)算機(jī)中并插在相應(yīng)的總線插槽上 然后安裝相應(yīng)的驅(qū)動程序 硬件驅(qū)動程序是應(yīng)用軟件對硬件的編程接口 它包含著特定硬件可以接受的操作命令 用于完成與硬件之間的數(shù)據(jù)傳遞 依靠硬件驅(qū)動程序可以大大簡化LabVIEW編程工作 提高開發(fā)效率 降低開發(fā)成本 NI公司的數(shù)據(jù)采集產(chǎn)品可以和NILabVIEW以及NI DAOmx測量驅(qū)動服務(wù)軟件無縫地結(jié)合 從而能提供更高的性能 更高的價(jià)值和更多的I O 14 6 1 4基于LabVIEW的數(shù)據(jù)采集過程 15 6 1 5基于LabVIEW的數(shù)據(jù)采集VI設(shè)計(jì) 數(shù)據(jù)采集是虛擬儀器獲取信息的必不可少的基本功能 DAQmx軟件是LabVIEW的核心 使用LabVIEW必須要掌握如何使用DAQmx LabVIEW2010中 DAQmx函數(shù)位于函數(shù)選板的 測量I O DAQmx 數(shù)據(jù)采集 子選板中 常用的DAQmx函數(shù)有 1 DAQmxCreateVirtualChannel vi 創(chuàng)建虛擬數(shù)據(jù)采集通道 2 DAQmxTiming vi 為數(shù)據(jù)采集配置采集速率和創(chuàng)建緩沖器 3 DAQmxTrigger vi 為數(shù)據(jù)采集任務(wù)配置觸發(fā)源 觸發(fā)數(shù)據(jù)采集 4 DAQmxStartTask vi 開始數(shù)據(jù)采集或者產(chǎn)生即將輸出的數(shù)據(jù) 5 DAQmxWrite vi 向指定的虛擬通道或者任務(wù)寫入數(shù)據(jù) 6 DAQmxRead vi 從指定的虛擬通道或者任務(wù)讀取數(shù)據(jù) 7 DAQmxWaitUntilDone vi 等待數(shù)據(jù)采集完成 8 DAQmxStopTask vi 停止數(shù)據(jù)采集或者停止產(chǎn)生數(shù)據(jù)的輸出 9 DAQmxClearTask vi 清除數(shù)據(jù)采集任務(wù) 10 DAQ助手 是用于配置通道 任務(wù)和換算的圖形化界面 16 1 基于DAQ助手的數(shù)據(jù)采集 例6 1利用DAQ助手和PCI 6251數(shù)據(jù)采集卡實(shí)現(xiàn)單通道模擬電壓的數(shù)據(jù)采集 在LabVIEW2010中 完成任務(wù)配置并創(chuàng)建圖形顯示控件后的DAQ助手如圖所示 它在執(zhí)行數(shù)據(jù)采集任務(wù)即可返回采集數(shù)據(jù) 并顯示測試結(jié)果 17 2 基于DAQmx函數(shù)的數(shù)據(jù)采集 1 模擬信號的采集例6 2利用DAQmx函數(shù)和PCI 6251數(shù)據(jù)采集卡實(shí)現(xiàn)單通道有限數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)據(jù)采集 18 連續(xù)數(shù)據(jù)采集 例6 3利用DAQmx函數(shù)和PCI 6251數(shù)據(jù)采集卡實(shí)現(xiàn)單通道連續(xù)數(shù)據(jù)采集 單通道連續(xù)數(shù)據(jù)采集VI的程序框圖 19 多通道循環(huán)數(shù)據(jù)采集 例6 4利用DAQmx函數(shù)和PCI 6251數(shù)據(jù)采集卡實(shí)現(xiàn)多通道循環(huán)數(shù)據(jù)采集 前面板 20 多通道循環(huán)數(shù)據(jù)采集 多通道循環(huán)數(shù)據(jù)采集VI程序框圖 21 2 離散信號的采集 例6 5利用DAQmx函數(shù)和PCI 6251數(shù)據(jù)采集卡實(shí)現(xiàn)事件計(jì)數(shù) 事件計(jì)數(shù)VI的前面板和程序框圖 22 信號產(chǎn)生是儀器系統(tǒng)的重要組成部分 要評價(jià)任意一個(gè)網(wǎng)絡(luò)或系統(tǒng)的特性 必須外加一定的測試信號 其性能方能顯示出來 最常用的測試信號有正弦波 三角波 方波 鋸齒波 噪聲波及多頻波 由不同頻率的正弦波疊加而形成的波形 等 在LabVIEW中用信號發(fā)生器產(chǎn)生了一個(gè)信號實(shí)際上相當(dāng)于通過軟件實(shí)現(xiàn)了一個(gè)信號發(fā)生器的功能 在LabVIEW中利用信號發(fā)生器產(chǎn)生的信號可以進(jìn)行測試系統(tǒng)模型的分析或進(jìn)行信號處理方法的研究 也可以將仿真信號通過D A轉(zhuǎn)換硬件輸出 驅(qū)動實(shí)際執(zhí)行單元?jiǎng)幼?23 6 2 1數(shù)字信號的產(chǎn)生與數(shù)字化頻率的概念 正弦波信號 為采樣間隔 為信號周期 設(shè)一個(gè)周期內(nèi)的采樣點(diǎn)數(shù)為n 則采樣頻率 信號頻率 設(shè) 將2 弧度用360 表示 并省略 則得數(shù)字化頻率f 模擬頻率 采樣頻率 24 6 2 2信號生成 信號生成子選板 25 1 正弦波生成 SineWave vi 正弦波函數(shù)的等效數(shù)學(xué)運(yùn)算式如下 SineWave i amplitude sin 360 f i phase0 26 SineWave vi應(yīng)用舉例 例6 6利用SineWave vi產(chǎn)生正弦波 前面板 程序框圖 27 2 均勻白噪聲的生成 例6 7利用UnifomWhiteNoise vi產(chǎn)生均勻分布的白噪聲 前面板 程序框圖 28 3 函數(shù)發(fā)生器 例6 8創(chuàng)建一個(gè)可以產(chǎn)生正弦波 三角波 方波和鋸齒波的函數(shù)發(fā)生器 29 6 2 3波形生成 在波形生成子選板中的所有函數(shù)不僅輸出包含指定波形圖形的數(shù)字型數(shù)組 而且包含時(shí)間參數(shù) 這種數(shù)據(jù)類型在LabVIEW中稱為波形數(shù)據(jù) 30 波形生成函數(shù)的應(yīng)用舉例 例6 9使用基本函數(shù)發(fā)生器創(chuàng)建函數(shù)發(fā)生器 前面板 程序框圖 31 多頻信號的產(chǎn)生與應(yīng)用 多頻信號是指一個(gè)離散頻率的正弦波集合 其模擬信號數(shù)學(xué)表達(dá)式為 式中 Ai 第i個(gè)正弦波的幅值 i 基頻角頻率hi 第i個(gè)正弦波的角頻倍數(shù) i 第i個(gè)正弦波的初相角 32 例6 10多頻信號發(fā)生器 前面板 程序框圖 33 例6 11信號合成 信號合成的前面板和程序框圖 34 6 3信號的時(shí)域分析 時(shí)域分析是指在時(shí)間域內(nèi)研究系統(tǒng)在一定輸入信號的作用下 其輸出信號隨時(shí)間的變化情況 由于時(shí)域分析是直接在時(shí)間域中對系統(tǒng)進(jìn)行分析的方法 所以時(shí)域分析具有直觀和準(zhǔn)確的優(yōu)點(diǎn) 35 6 3 1卷積運(yùn)算 卷積是電路分析的一個(gè)重要概念 它可以求線性系統(tǒng)對任何激勵(lì)信號的零狀態(tài)響應(yīng) 卷積的物理概念及運(yùn)算在測試信號處理中占有重要地位 反卷積 對離散時(shí)間信號的卷積稱為卷積和 定義為 Convolution vi 1 Direct 2 Frequencydomain 36 例6 12求卷積運(yùn)算 卷積運(yùn)算的前面板和程序框圖 37 6 3 2相關(guān)分析 所謂 相關(guān) 是指變量之間的線性關(guān)系 相關(guān)分析利用相關(guān)系數(shù)或相關(guān)函數(shù)來描述兩個(gè)信號間的相互關(guān)系或其相似程度 還可以用來描述同一信號的現(xiàn)在值與過去值的關(guān)系 或者根據(jù)過去值 現(xiàn)在值來估計(jì)未來值 相關(guān)函數(shù)的性質(zhì)使它在工程應(yīng)用中具有重要價(jià)值 尤其是互相關(guān)函數(shù)的同頻相關(guān) 不同頻不相關(guān)的性質(zhì)在噪聲背景下提取有用信息提供了可靠的途徑 相關(guān)函數(shù)的應(yīng)用舉例 地下輸油管漏損位置的探測 38 LabVIEW中的相關(guān)分析函數(shù) AutoCorrelation vi CrossCorrelation vi 相關(guān)函數(shù)定義為 DirectFrequencydomain 39 例6 13互相關(guān)運(yùn)算 前面板 程序框圖 同頻相關(guān) 40 不同頻不相關(guān) 41 6 3 3微積分運(yùn)算 在工程應(yīng)用領(lǐng)域 經(jīng)常要對整個(gè)過程進(jìn)行測量和控制 往往涉及到信號的采集 而采樣獲得是離散的數(shù)據(jù) 若要考慮整個(gè)過程的動態(tài)情況或者獲得多個(gè)參數(shù) 就要用到數(shù)值積分和數(shù)值微分運(yùn)算 應(yīng)用舉例 車速傳感器 制動踏板力傳感器 信號調(diào)理電路 信號采集模塊 計(jì)算機(jī) 42 數(shù)值積分是用線性泛函來逼近函數(shù)的 一般常用插值型求積公式 以為插值節(jié)點(diǎn)的的Lagrange插值多項(xiàng)式為其中 為插值基函數(shù) 即則 且只依賴于求積節(jié)點(diǎn)和積分區(qū)間 而與求積函數(shù)無關(guān) 43 數(shù)值微分 即求函數(shù)的導(dǎo)數(shù)逼近 主要采用基于Taylor級數(shù) Lagrange多項(xiàng)式插值和三次樣條差值的求導(dǎo)公式 LabVIEW中提供了求解積分和微分的函數(shù) 積分函數(shù)中可以指定采用數(shù)值積分的方法 有四種方法可供選擇 梯形法則 Simpson法則 Simpson3 8法則 Bode法則 如采用Simpson法則 求解公式為 求導(dǎo)函數(shù)中可以指定4種方法 二階中心 四階中心 前向 后向 如采用二階中心 44 例6 14對方波信號進(jìn)行微積分運(yùn)算 前面板 45 對方波信號進(jìn)行微積分運(yùn)算 程序框圖 46 6 4信號的頻域分析 信號的頻譜代表了信號在不同頻率分量處信號成分的大小 它能夠提供比時(shí)域信號波形更直觀 更豐富的信息 LabVIEW提供了豐富的頻域分析函數(shù) 包括傅里葉變換 hilbert變換 功率譜分析 諧波分析等 47 6 4 1快速傅立葉變換 FFT 傅里葉變換是信號處理與數(shù)據(jù)處理中一個(gè)重要分析工具 其意義在于將時(shí)域與頻域信號聯(lián)系起來 通過頻域分析將復(fù)雜的信號分解為各個(gè)單一的頻率成分 討論問題 1 FFT點(diǎn)數(shù) 2 頻域分辨率 3 單邊FFT和雙邊FFT 頻率減半 幅度加倍 FFT vi 48 例6 15雙邊傅里葉變換 前面板 程序框圖 頻率間隔與采樣頻率和采樣點(diǎn)數(shù)的關(guān)系 49 例6 16單邊傅里葉變換 前面板 程序框圖 50 6 4 2頻譜分析 頻譜分析是指把時(shí)間域的各種動態(tài)信號通過傅里葉變換轉(zhuǎn)換到頻率域進(jìn)行分析 頻譜分析中應(yīng)注意的問題 產(chǎn)生的原因和避免的方法 1 頻譜混疊 2 泄漏效應(yīng)和柵欄效應(yīng) 51 頻譜分析 前面板 程序框圖 例6 17使用AmplitudeandPhaseSpectrum vi進(jìn)行頻譜分析 52 功率譜 例6 18使用AutoPowerSpectrum vi進(jìn)行自功率譜分析 前面板 程序框圖 53 6 4 3頻率響應(yīng)分析 頻率響應(yīng)表述了一個(gè)測試系統(tǒng)輸入和輸出的頻域關(guān)系 它是描述測試系統(tǒng)頻域動態(tài)特性的重要關(guān)系 常常用其模和相位角來表示 稱為測試系統(tǒng)的幅頻特性和相頻特性 54 例6 19求頻率響應(yīng)的幅頻特性與相頻特性 前面板 程序框圖 55 6 4 4諧波分析 諧波和基波是一個(gè)相對的概念 它是一個(gè)周期電氣量中的正弦波分量 其頻率為基波頻率的整數(shù)倍 由于諧波的頻率是基波頻率的整數(shù)倍 也常稱為高次諧波 在頻域分析中以電壓為例 將畸變的周期性電壓分解成傅里葉級數(shù) 畸變波形因諧波引起的偏離正弦波形的程度用總諧波畸變量THD TotalHarmonicDistortion 表示 56 例6 20諧波分析 前面板 程序框圖 57 6 5數(shù)字濾波器 數(shù)字濾波器即是以數(shù)值計(jì)算的方法來實(shí)現(xiàn)對離散化信號的處理 以減少干擾信號在有用信號中所占的比例 從而改變信號的質(zhì)量 達(dá)到濾波或加工信號的目的 數(shù)字濾波器分為無限沖激響應(yīng)濾波器IIR有限沖激響應(yīng)濾波器FIR特點(diǎn) 精度高 穩(wěn)定性好 靈活性強(qiáng) 處理功能強(qiáng) 58 調(diào)用數(shù)字濾波器子程序應(yīng)注意的問題 濾波器類型選擇 在低通 高通 帶通或帶阻濾波器中選擇一個(gè)類型 截止頻率確定 對低通只需確定上截止頻率 高通濾波器只需確定下截止頻率 對帶通及帶阻濾波器應(yīng)確定上 下限截止頻率 采樣頻率設(shè)定濾波器的階數(shù) 濾波器階數(shù)越高 其幅頻特性曲線過渡帶衰減越快紋波幅度 59 窗函數(shù) LabVIEW8 2在 窗 子選板中提供了20種窗函數(shù) 包括矩形窗 漢寧窗 海明窗等 60 數(shù)字濾波器應(yīng)用舉例 例6 21使用巴特沃斯濾波器提出正弦信號 前面板 61 數(shù)字濾波器應(yīng)用舉例 程序框圖 62 例6 22信號分離 前面板 程序框圖 63 6 6曲線擬合 概述相關(guān)物理量近似函數(shù)表達(dá)式描述y f x a b 曲線擬合的目的 是找出一系列參數(shù)的最佳估值 通過這些最佳參數(shù) 可使擬合曲線與實(shí)際數(shù)據(jù)之間的誤差為最小 曲線擬合的算法稱為最小平方法 誤差被定義為 e a f x a y x 2令a a0 a1 y x 是實(shí)測數(shù)據(jù) f x a 是由一組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)估計(jì)出來的回歸方程式 a是使誤差平方和為最小的最佳系數(shù)或參數(shù) 離散系統(tǒng) f表示擬合數(shù)據(jù) y表示實(shí)測數(shù)據(jù) n表示采樣點(diǎn)數(shù) 64 6 6 1LabVIEW的曲線擬合函數(shù) 65 6 6 2曲線擬合舉例 例6 23線性擬合 線性擬合算法公式 a0是截距 a1是斜率 66 例6 24多項(xiàng)式擬合 要求使用GeneralPolynomialFit vi對熱電偶測溫系統(tǒng)測得的一組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行多項(xiàng)式擬合 計(jì)算出多項(xiàng)式擬合曲線的系數(shù)和對應(yīng)于輸入溫度值的擬合值 熱電偶測溫系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如下 輸入溫度 C 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 650 700 750 800 熱電勢 mV 0 00 3 35 6 96 10 69 14 66 18 76 22 90 27 15 31 48 35 81 40 15 44 05 49 01 53 39 57 74 62 06 66 36 67 多項(xiàng)式擬合VI的前面板和程序框圖 選擇擬合階數(shù)為2 多項(xiàng)式關(guān)系為 68 本章結(jié)束 ThankYou 69