LabVIEW进阶培训-数据采集部分-教学课件

2019年NI教师暑期教师培训LabVIEW进阶培训（数据采集部分）数据采集的概念及应用数据采集(Data Acquisition,简称DAQ)自动从布置于工厂、实验室、或现场的传感器、仪器、设备等收集获取数据的过程狭义的数据采集主要是模拟输入(AI)，其目的是为了测量某种电信号或物理信号，如电压、电流、温度、压力、加速度、声强等广义的数据采集还包括模拟输出、数字I/O等例如,目前市面上的多功能数据采集设备通常包括模拟输入、模拟输出、数字I/O、计数器/定时器等功能，如NI的M系列多功能DAQ卡现在一些传感器/变送器已经集成了A/D转换功能，直接通过数字接口读取数据，从而不需要模拟输入采集数据采集的应用十分广泛，几乎涵盖所有工程专业和科学研究方向电子、电气、机械、车辆工程、海洋工程、环境、化工、生物医学、土木工程、能源电力、高能物理数据采集系统概述信号调理传感器/信号数据采集硬件I/O数据采集软件总线典型的数据采集系统硬件架构数据采集硬件可以将PC变为一个自动化系统部分常用的数据采集设备类型实验室、工业环境使用基于PCI/PXI接口往往需要外接端子和线缆便携式/远距离USB，Ethernet接口教学实验与学生课外练习如ELVIS、myDAQ除了数据采集硬件电路之外还集成了其他一些功能，如数字万用表、可编程电源等举例:基于PXI平台的数据采集PXI控制器及机箱(可大致理解为PC)接线端（前面凸出部分）信号调理与数据采集（接线端后面）举例:用于教学实验的NI ELVIS一种集成了12种仪器的教学实验设备安装NI-ELVIS驱动后可通过ELVIS软面板实现这些功能同时也可看做是一种基于USB总线的多功能数据采集设备用于学习虚拟仪器（尤其是数据采集）的相关编程技术USB总线（注意:不是前面所说的传输电缆）接线端+传输线缆+数据采集设备PC数据采集设备的构成数据传输总线同步总线DAQ Circuitry时钟/定时电路板载FIFO信号路由内部校准电路前端电路模拟输入/模拟输出/数字IO/计数器注意:模拟输入可能通过复用器共用一个ADC，模拟输出通常是每通道专用DACELVIS II平台硬件指标平台硬件指标 1数字万用表数字万用表隔离隔离5 位位60 VDC，20Vrms,2 ADC,2 Arms,100M内部电路保护内部电路保护可复位保险丝函数发生器函数发生器10-bit5V范围0.2 Hz到到5 MHz 正弦正弦0.2 Hz到到1 MHz 三角三角波波/方波方波软件或手动可控BNC或原型板连接USB连接连接即插即用USB 2.0示波器示波器16 bit 分辨率1.25 MS/s 单通道500kS/s 双通道共计1到1.5 MHz 带宽1x和10 x探针 10 V 输入范围AC/DC耦合BNC连接新 ELVISII+100MS/s 采样率50MHz 带宽(-3dB)8 bit 分辨率20 V max.输入范围AC/DC/GND 耦合20MHz 可选噪声滤波器1x 和 10 x 探头BNC 连接ELVIS II平台硬件指标平台硬件指标 2阻抗分析仪阻抗分析仪0.2 Hz到到35 kHz范围NPN,PNP,二极管其他分析其他分析:波特图分析仪波特图分析仪2-线电流电压分析线电流电压分析3-线电流电压分析线电流电压分析可变电源供电可变电源供电10 bit 分辨率0到+12V,0到-12V500 mA电流范围集成集成DAQAI采样率1.25 MS/s 单通道,500kS/s双通道 16 bit分辨率AO 2.8 MS/s更新率24 DIO,15 PFI,2 CTR原型板原型板可替换自定义Banana,BNC,D-Sub连接ELVIS平台原型板平台原型板数字 I/OAI、示波器、PFI计数器、LED电源、波形发生器、自定义I/O、AO、DMM学生创新动手实践平台：NI myDAQ 随时随地实践工程创新集成的数字万用表V,I,DiodeUSB总线供电3.5mm音频输入与输出8 通道数字输入输出15 V+5V 电源输出双通道差分模拟输入，双通道模拟输出,200ks/s即插即用的即插即用的8种种仪器器数字万用表*示波器*函数发生器*波特图仪*动态信号采集仪*任意信号发生器*数字输入*数字输出与与计算机的接口算机的接口LabVIEW中的NI DAQmx 或ELVISmx驱动1 个计数器Lab 1 熟悉实验环境选择数据采集设备时的考虑因素通道数总线带宽是否足够数据传输速度的需求最高采样率根据乃奎斯特定律，采样率应为最高频率分量的两倍以上，实际上最好能做到5-10倍分辨率够用就好，不一定越高越好输入范围对于动态信号，还应关注动态范围如麦克风/加速度计等信号的采集分辨率并不完全反映精度影响精度的因素ADC和放大器件的偏移和增益误差等噪声等因素举例某16位ADC的采集卡，选择2 V 输入范围理论上，最低位所反映的电压量为板卡手册查得的精度为410 V 2 (-2)216=61V数据采集软件以LabVIEW作为开发环境为例NI数据采集软件方面的一些术语NI-DAQmx驱动层软件可以检测到数据采集硬件在LabVIEW中安装NI-DAQmx函数Measurement&Automation Explorer简称MAX，随NI-DAQmx或任何其他NI驱动软件安装配置或检测数据采集硬件DAQ Assistant(DAQ助手)用于开发数据采集应用的Express VI，基于配置DAQmx API一系列用于数据采集应用开发的API函数数据采集助手（LabVIEW基础培训内容）两种调用方式在MAX中的“数据邻居”中创建任务通 过 LabVIEW中 的Express VI基于配置，无需编程在LabVIEW中可自动转化为 调 用 NI-DAQmx底 层API VI的程序，可自定义修改Lab 2 MAX 与 DAQ助手该部分为LabVIEW基础培训内容，因此仅作为复习模拟输入(Analog Input)数据采集一词狭义即指模拟输入即通过A/D转换将模拟信号采样为数字信号，从而可被计算机设备进一步处理常用于实现传感器信号的采集以及电信号的采集一个最简单的模拟输入电压采集程序单点电压采集分别用DAQ助手和DAQmx底层VI实现软件定时DAQmx数据采集程序的基本架构配置任务采集数据清除任务创建任务开始任务输入范围仪器放大器为了尽量用满ADC位数，模拟采集通道配有仪器放大器通过合理设置输入最大值和最小值参数，可以使DAQ设备自动配置最合适的仪器放大器增益，从而尽量用满ADC位数AMPADCLab 3.1 软件定时的单点模拟采集采样术语(针对硬件定时)采样率单一通道每秒采样点数采样时钟速率等于采样率AI转换时钟直接产生A/D转换的时钟通道之间会有延时同步采样架构相对多路复用采样架构来说，可认为通道之间的转换时钟是同步的AI Convert Clock0 1 2 30 1 2 30 1 2 3Sample Clock硬件定时的采集需要通过Buffer有限点采集(Finite)和 连续采集(Continuous)总线(如 PCI/USB)RAMADE(Application)MemoryPC缓存输入速率数据板载 FIFO转移速率ASICLabVIEWPC缓存必须够大(至少需超过一次传递的数据量)连续采集中,如果要使两处缓存一直不溢出,必须保证总线的数据转移速率大于数据的输入速率，同时程序必须尽快读取PC缓存中的数据有限点数据采集的LabVIEW程序读取多个采样采样率设置采样点数设置连续数据采集的LabVIEW程序驱动会根据采样率设置自动选择合适的RAM Buffer大小程序每次从PC RAM读取的采样数采样率设置采样率缓存0-100 S/s1 kS100-10,000 S/s10 kS10,0001,000,000 S/s100 kS 1,000,000 S/s1 MS理解连续数据采集时PC Buffer通过总线来自于采集设备的数据1PC BufferLabVIEW程序从PC Buffer读取数据进入LabVIEW Buffer2PC BufferLabVIEW Buffer3PC BufferLabVIEW BufferPC BufferLabVIEW Buffer4连续采集时可能的数据传输异常RAMPCBufferADE(Application)Memory输入速率DATA板载 FIFO总线传输速率ASIC板载内存Overflow解决办法:1.提高总线带宽2.选择板载FIFO较大的板卡3.降低采样速率(如果允许)PC内存Overwrite解决办法:1.增加程序循环读取速度(不要在采集循环里放太多处理工作)2.选用更快的CPU3.增大PC RAM，并通过编程指定更大的Buffer4.降低采样速率(如果允许)Lab 3.2 连续信号采集触发(Trigger)触发的概念每个动作需要一个“激励”或“原因”动作:比如开始采集信号后产生波形输出触发的分类开始触发、参考触发、停止触发（按动作结果来分）模拟触发、数字触发（依照触发“激励”信号来分）不同的设备不一定支持所有触发方式，可参阅相关手册开始触发时钟开始采集停止采集1 2 3 4 5LabVIEW中对触发的编程在任务种增加DAQmx Trigger.vi并作相应配置Lab 3.3 带触发的连续信号采集*仅支持ELVIS平台数据采集中的接地问题测量系统信号源+VS-VM接地信号源+_Vs+_Vs浮地信号源接线方式1：差分(Differential)可以抑制共模电压和共模噪声我们此次培训中用到的主要是差分接线方式VMACH+ACH-+_仪器放大器+_+_AISENSEAIGND测量系统VS接线方式2：参考单端（RSE）测量基于对地参考不能抑制共模噪声VMACH+ACH-+_仪器放大器+_VS+AISENSEAIGND_测量系统接线方式3：非参考单端(NRSE)测量基于对AISENSE端的参考但是多个通道测量时，AISENSE是共用的不能抑制共模电压VSVMACH+ACH-+_仪器放大器+_+_AISENSEAIGND测量系统对于接地信号源的测量RSENRSEDifferential最好+抑制共模电压 可用通道数减少一半不推荐 两个地之间的电压Vg会产生接地回路,所产生的电流有可能损坏设备可以+所有的通道都可以使用 不能抑制共模电压+_Vs对于浮地信号源的测量+_VsRSENRSEDifferential最好+抑制共模电压 可用通道数减少一半 需要偏置电阻好+所有的通道都可以使用+不需要偏置电阻 不能抑制共模电压可以+所有的通道都可以使用 需要偏置电阻不能抑制共模电压AISENSE偏置电阻浮地信号源采用差分或NRSE方式时需要通过偏置电阻为偏置电流提供入地通道推荐值10 k and 100 k信号源测量系统+-R1R2仪器放大器会产生偏置电流+-AIGND信号调理为了正确（或更精确地）测量某些传感器的输出或信号，有时需要信号调理不同的传感器需要不同的信号调理信号调理传感器/信号数据采集硬件I/O数据采集软件总线信号调理设备外置式如NI SCXI需要再连接数据采集设备与数据采集设备相结合如NI CompactDAQ平台以及基于PXI Express的SC Express等模块中已经集成了数据采集（A/D转换）功能在软件方面，使用同样的DAQmx驱动正确配置系统和参数之后，用户编程时只需关心数据采集部分针对电压信号测量的信号调理放大针对小信号，为了尽可能用满ADC位数，提高信噪比（SNR）衰减针对大信号，为了使测量信号范围在模拟输入通道范围之内隔离通过电磁、光耦等方式使测量信号源与测量仪器没有直接电路相连可以抑制共模信号、解决接地回路问题、并保护仪器滤波减小噪声、滤除干扰频率这里指的是前端硬件滤波，不同于后端数字滤波或软件滤波LabVIEW中的电压信号调理设置与普通的数据采集程序基本无异只需配置并选择相应的信号调理设备通道，并正确设置电压范围以便驱动自动设定合适的增益热电偶测量热电偶信号调理模块自动冷端补偿功能:许多热电偶信号调理模块带有直接读取传感器，可以自动读取冷端补偿温度，并自动对热电偶测量结果进行补偿计算热点偶模块通常还集成了滤波、放大、隔离等信号调理功能LabVIEW程序程序中只需在创建通道时做相应设置RTD与热敏电阻被动式的温度测量传感器需要来自外部源的电流或电压激励利用金属或金属氧化物的电阻与温度有关的原理测量时有不同的接线方式:2-线、3-线、4-线除了激励之外对RTD与热敏电阻的信号调理还包括滤波和放大应变测量电路应变片接入惠斯通电桥的接法有1/4桥、半桥、全桥等不同方法具体参见 zone.ni/devzone/cda/tut/p/id/10636 及相关资料应变测量中的信号调理桥接电路及激励负载端电压采样失调清零分流校准放大/滤波例:半桥I型接法应变测量LabVIEW程序举例配置电桥信息和应变计信息可选进行失调清零和分流校准负载、压力和扭矩测量负载（称重）使用一组应变计测量结构的形变，该形变与力成比例压力传感器使用固定在隔板的应变计测量隔板的形变，该形变与压力成比例扭矩传感器使用附加在扭杆的应变计测量扭杆的剪应力，该剪应力与扭矩成比例声音与振动测量典型应用噪声、振动与舒适度检测（NVH）例:用麦克风阵列进行噪声源定位声学测试例:音箱声音品质测试机器故障监测与诊断例:旋转机械的故障诊断传感器声压传感器（麦克风）：测量升压加速度传感器：根据压电理论测量加速度声音与振动测量中的信号调理及程序信号调理电流激励（IEPE激励）AC耦合可消除DC偏置针对不同信号范围的灵活增益设置声音与振动信号的动态范围较大低通滤波器消除噪声和防止混叠采集程序与普通输入采集程序几乎无差别只需对信号调理选项做相应配置（如AC/DC耦合、IEPE电流激励设置等）模拟输出大多数多功能DAQ设备的每个模拟输出通道有一个DAC(同步更新)与模拟输入的同步采集类似DAC通道0通道1DAC通道0通道1输出操作的数据传输输出频率ASICPCI总线RAMPC缓冲区应用程序内存板载 FIFO传输速率LabVIEW数据软件定时的模拟输出软件定时速率决定于操作系统或程序（在生成循环中添加延时）硬件定时设备上的时钟控制定时，比软件定时更快更精确Lab 4.1 单点模拟输出带缓冲的波形生成生成波形频率取决于下列三个因素更新率(每秒多少个更新点)缓冲区中的数据点缓冲区中的周期数信号频率更新率缓冲区中的数据点缓冲区中的周期数缓冲区大小 1000点缓冲区中的周期数 2更新率 1000 点/秒则,信号频率 2 Hz使用采样时钟的连续波形生成硬件定时基于时钟的硬件定时写入生成数据开始生成任务与模拟采集不同,循环在这里起的作用仅仅是不断检查任务状态,而非不断写入数据Lab 4.2 硬件定时的连续模拟信号输出数字I/O按照电平标准和电流驱动能力分类TTLLVTTL(低电压)LVDS(利用差分技术)工业数字I/O(如12V,24V,48V等)需根据电平标准、驱动能力、所需速率等因素选用不同的数字I/O板卡大多数多功能数据采集卡上的数字I/O通道电平与TTL兼容课程中所用到的NI ELVIS及NI myDAQ上集成的数字I/O通道也是与TTL兼容数字术语位 数据的最小单位，每一位为1或0字节 包含8位数据的二进制数线 端口中的一路独立信号，位表示传输的数据，线是“位”在硬件上的表示端口数字线的集合（通常4或8路）端口宽度端口的数字线数目（通常4或8）通过DAQmx API创建数字虚拟通道创建一个端口、线或线集合的数字通道选择如何将数字线编组为一个或多个虚拟通道影响DAQmx读取VI的配置线格式每个通道多条线数字输出软件定时(Static Digital I/O)Lab 5.1 数字输出 Lab 5.2 数字输入硬件定时的数字I/O某些DAQ设备支持硬件定时的数字I/O与带缓冲的模拟输入输出原理相同采样时钟用于硬件定时的数字I/O(Correlated Digital I/O)NI ELVIS的数字I/O端口Port1/Port2支持硬件定时，Port0只支持软件定时计数器两个基本功能 基于输入信号（门和源）的比较，进行计数基于输入和寄存器值，生成脉冲许多应用由基本计数演变而来边沿计数，例如简单边沿计数和时间测量脉冲宽度、半周期和周期测量频率测量单脉冲和脉冲序列生成位置和速度测量输出门源计数寄存器 注:由于课时限制，本课程中主要介绍 脉冲边沿计数、脉冲宽度测量、固定频率连续脉冲串生成 这三种应用，更多计数器的应用可以参考DAQmx帮助及LabVIEW中的范例程序自学计数器的硬件组成计数寄存器 保存当前计数值ELVIS II有两个32位的寄存器归零前最终计数 232 1可设置每次计数寄存器加1或减1（向上计数或向下计数）源(Source)相当于计数时钟可设置上升沿或下降沿有效门(Gate)相当于使能控制信号输出(Output)用于生成脉冲GateSourceOutput计数寄存器 计数器引脚与接线所有计数器相关应用的接线都是通过PFI引脚一个PFI引脚可有多种用途（例如既可以作为计数器的源信号又可以作为模拟采集的触发信号）NI ELVIS的板子上画出了默认的计数器引脚分配可以通过DAQmx帮助中Counter的部分查看针对不同计数器应用的信号连线方式（更方便的方式是在MAX中建立一个任务，DAQ助手会自动显示默认的正确引脚连线方式）利用NI ELVIS上的计数器集成2个32位计数器可实现各种基于计数器的测量和生成功能利用NI myDAQ上的计数器集成1个计数器与DIO部分共享硬件接线端最简单的边沿计数01230TC-1TC计数器就绪源计数利用DAQ助手实现最简单的边沿计数利用DAQ助手可以更直观地看到各种基于计数器应用的原理，同时方便地进行相关配置适 合 作 为 参 考，鼓 励 仍 然 基 于DAQmx API实现自动选择PFI线选择计数方向：升值计数减值计数选择上升沿或下降沿Lab 6.1 底层API实现简单边沿计数脉冲测量使用已知频率的时基测量未知信号的特性ELVIS中计数器自带的时基可选80 MHz,20 MHz及100 kHz脉冲周期 周期测量宽度脉冲宽度测量源门源输出计数寄存器 测量信号时基信号例：单脉冲宽度测量理解测量的原理很重要实际的程序中，DAQmx驱动已经帮我们进行了底层的计算，所以只要选择相应的功能并配置相关参数即可Lab 6.2 脉冲宽度测量脉冲生成在计数器的输出引脚上生成TTL脉冲或脉冲序列单个脉冲脉冲序列单一脉冲或脉冲序列时基门源输出计数寄存器 Lab 6.3 连续脉冲序列生成计数器的更多功能频率测量根据频率范围有3种不同测量方式周期测量正交编码器测量有限脉冲序列生成如何应用?可参考相关LabVIEW范例利用DAQ助手可以快速了解接线方式并进行验证（演示）同步简介许多数据采集应用中要求同步测量概念同时测量操作同时发生，但无须严格同步无需证明测量在同一时刻发生如同发令枪响，同时开始跑，但是步伐不一定一致同步测量测量是相关的如同“齐步走”，同时开始，步伐也一致同步原理共享一个主时基和触发信号采样时钟来自于同一个时基对于单块板卡，时基总是相同的多于多块板卡，必须共享时基以消除相位误差开始触发时基模拟输入2采样时钟模拟输入1采样时钟同步误差来源抖动（Jitter）抖动是时钟周期之间（两次采样之间）的微小差别在时钟路径上添加各种元器件均会导致抖动时钟稳定性易受温度、老化等变化因素影响振荡器产生的频率不是绝对精确的频率误差通常用ppm（百万分之一）和ppb（十亿分之一）为单位偏度（Skew）同一时钟信号到达两路不同位置时产生的传输延迟受信号路径的距离和阻抗影响同一板卡多通道同步同种通道同步非常容易实现Lab 3.2 中已经提到不同种通道的同步例如 AI 和 AO、AI 和 Counter不需要外部连线，可以仅通过软件编程控制内部时钟信号和触发信号的路由具体可参考LabVIEW相关范例多板卡同步需要同步总线PCI板卡上的RTSI总线需要外部连线PXI背板上的同步总线无需外部连线同步精度更高PXI Express进一步增强了同步性能多系统同步例如多个PXI系统同步方式一:共享定时信号共享时基与触发信号相对来说同步精度更高通过物理连线共享时钟和触发信号多系统同步方式二：共享时间信号如通过GPS或1588协议同步适合远距离同步或分布式应用两种方式都需要专用同步板卡及外部接线通过IEEE 1588,GPS,IRIG-B等协议共享时间基准基于基准生成事件,触发和时钟关于同步的具体编程，在实际应用需要时可参考相关资料及LabVIEW范例自学 谢谢你的阅读v知识就是财富v丰富你的人生