虚拟仪器设计方法-课件

虚拟仪器设计方法虚拟仪器专题设计实验虚拟仪器专题设计实验本科生课程本科生课程仪器设计专题实验仪器设计专题实验内容内容l专题设计实验安排专题设计实验安排l多功能数据采集卡简介多功能数据采集卡简介l设计实验设计实验3专题设计实验安排专题设计实验安排l第二个阶段第二个阶段n3-6周，共计周，共计4周，周，8学时学时/周周l设计实验（设计实验（24学时）学时）n虚拟数字示波器（虚拟数字示波器（24学时）学时）l1人一组人一组4专题设计实验安排专题设计实验安排l教学方式教学方式n确定项目设计目标确定项目设计目标n学生独立设计和实现学生独立设计和实现n学生制作学生制作PPT进行汇报和演示进行汇报和演示n教师评分教师评分5多功能数据采集卡简介多功能数据采集卡简介虚拟仪器专题设计实验虚拟仪器专题设计实验多功能数据采集卡多功能数据采集卡模拟输入模拟输入/输出输出数字输入数字输入/输出输出时钟输入时钟输入/输出输出AI A/DAO D/ACounter/TimerDigital I/ODAQ BoardOnOff107信号分类信号分类信号根据其所传递的有用信息进行分类信号根据其所传递的有用信息进行分类状态状态速率速率幅值幅值形状形状频率频率SignalsAnalogDigitalOn-OffTime DomainPulse TrainFrequency DomainDConofft1-0-t0.985ttf8数字信号数字信号开关信号开关信号 连续脉冲信号连续脉冲信号Input:检测光电编码器的脉冲检测光电编码器的脉冲Output:产生一个方波产生一个方波分辨率分辨率时钟频率时钟频率Input:检测一个开关闭合检测一个开关闭合Output:关闭一个阀关闭一个阀通道数通道数DAQ卡需要考虑的指标卡需要考虑的指标onofft1-0-t9数字信号调理数字信号调理需要交流切换或大电流的负载需要交流切换或大电流的负载生产过程监测生产过程监测共模电压共模电压or高电压高电压机械式继电器机械式继电器或或固体继电器固体继电器光隔离光隔离电磁阀电磁阀阀阀电动机电动机加热器加热器灯灯泵泵接近开关接近开关限位开关限位开关手动开关手动开关数字数字I/O机械式继电器机械式继电器或或固体继电器固体继电器温度调节器温度调节器10模拟信号模拟信号时域信号时域信号振动振动语音语音声纳声纳分辨率分辨率采样率采样率AC 精度精度触发触发滤波器滤波器温度温度压力压力流量流量应变应变DC 精度精度频域信号频域信号直流信号直流信号心电信号心电信号血压血压单次事件单次事件分辨率分辨率采样率采样率AC 和和 DC 精度精度触发触发DAQ卡需要考虑的指标参数卡需要考虑的指标参数0.985ttf11模拟信号调理模拟信号调理低电压信号低电压信号电流输入电流输入/输出输出RTDs(热电阻热电阻)和和 热敏电阻热敏电阻热电偶热电偶应变仪应变仪隔离，放大，滤波隔离，放大，滤波电流与电压的转换电流与电压的转换隔离，放大，滤波隔离，放大，滤波冷端补偿冷端补偿隔离，放大，滤波隔离，放大，滤波激励电源激励电源隔离，放大，滤波隔离，放大，滤波激励电压激励电压全桥和半桥设置全桥和半桥设置隔离，放大，滤波隔离，放大，滤波多功能多功能I/O12DAQ卡的前端信号调理模块卡的前端信号调理模块Signal Conditioning eXtensions for Instrumentation(SCXI)13SCXI 选择选择传感器和信号传感器和信号热电偶热电偶RTDs热敏电阻热敏电阻应变仪应变仪电压信号电压信号微伏，毫伏，伏微伏，毫伏，伏电流信号电流信号420 mA,020 mA数字信号数字信号信号调理信号调理多路复用多路复用放大放大隔离隔离滤波滤波传感器激励传感器激励冷端补偿冷端补偿14A/D 分辨率分辨率Code width =smallest detectable change in voltage=AD的输入范围的输入范围增益增益 *2nn=#of ADC bits 16-bit ADC3-bit ADCAmplitudecode widthTime02010012014040608010.009.757.506.255.003.752.501.25011111010001101000100015A/D 采样率采样率Nyquist 原理原理:采样率采样率 2倍的最高频率倍的最高频率Adequately sampledAliased due to undersampling16多通道采集多通道采集采集模式采集模式通道设置通道设置l单端单端/差分输入差分输入l单极性单极性/双极性双极性l信号范围：增益信号范围：增益l扫描顺序扫描顺序连续扫描连续扫描同步采样同步采样间隔扫描间隔扫描Straingauge 1Straingauge 2Battery 1Battery 2TempPressure17触发方式触发方式l软件触发软件触发(SW)START TRIG*Input of MIO BoardEdge Initiates Acquisition TTL SignalLevel and Slope of Analog Signal Initiates Acquisition Level and Slope of Analog Signal Retrieves Acquisitionl条件获取条件获取(SW)l模拟触发模拟触发(HW)l数字触发数字触发(HW)Software Command Initiates Acquisition18数据采集卡的优越性数据采集卡的优越性l灵活灵活l成本较低成本较低l性能选择范围大性能选择范围大l有大量的软件工具可用有大量的软件工具可用l利用利用PC技术技术19ELVISII 平台平台简介简介虚拟仪器专题设计实验虚拟仪器专题设计实验ELVISII平台硬件指标平台硬件指标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21ELVISII平台硬件指标平台硬件指标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2-线电流电压分析3-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22ELVISII平台原型板平台原型板AI、示波器、示波器、PFI计数器、计数器、LED电源、波形发生器、电源、波形发生器、AO、DMM数字数字 I/O23原型板行、列连接原型板行、列连接24应用软件应用软件Application SoftwareInstrument I/OLabVIEW USB-6211DAQ Card NI DAQmx(.dll)25应用软件应用软件应用程序应用程序仪器仪器 I/O与数据采集相关的函数选板与数据采集相关的函数选板 DAQmx27DAQmx数据采集程序的基本架构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28输入输入(测量测量)范围范围p仪器放大器n为了提高小信号的测量精度，模拟采集通道配有仪器放大器n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AMPADC29采样术语采样术语(针对硬件定时针对硬件定时)p采样率采样率n单一通道每秒采样点数单一通道每秒采样点数？SPS/Hzp采样时钟采样时钟n速率等于采样率速率等于采样率pAI转换时钟转换时钟n直接产生直接产生A/D转换的时钟转换的时钟n对于多路复用采样架构来说，通道之间会有延时对于多路复用采样架构来说，通道之间会有延时n对于同步采样架构来说，通道之间的转换时钟是同步的对于同步采样架构来说，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 Clock30硬件定时的采集需要通过硬件定时的采集需要通过Bufferp有限点采集有限点采集(Finite)和和 连续采集连续采集(Continuous)总线(如 PCI/USB)PC RAM应用程序内存PC缓存输入速率信号板载板载 FIFO转移速率ASICLabVIEWlPC缓存必须够大缓存必须够大(至少需超过一次传递的数据量至少需超过一次传递的数据量)l连续采集中，如果要使两处缓存一直不溢出，必须保连续采集中，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序必须尽快读取PC缓存中的数据。缓存中的数据。有限点数据采集有限点数据采集读取多个采样采样率设置采样点数设置创建任务配置任务开始任务采集数据清除任务32连续数据采集连续数据采集l驱动程序会根据采样率设置自动选驱动程序会根据采样率设置自动选择合适的择合适的 PC缓存缓存 大小。大小。程序每次从 PC缓存读取的采样数采样率设置采样率PC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理解连续数据采集时 PC缓存缓存通过总线接收的采集数据1PC缓存LabVIEW程序从 PC缓存 读取数据进入LabVIEW Buffer2PC缓存LabVIEW Buffer3PC缓存LabVIEW BufferPC缓存LabVIEW Buffer434连续采集时可能的数据传输异常连续采集时可能的数据传输异常PC RAM应用程序内存PC缓存输入速率信号板载板载 FIFO总线传输速率ASIC板载内存溢出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内存溢出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)35触发触发(Trigger)p触发的概念n每个动作需要一个“激励”或“原因”n动作：比如由外部的一个状态变化来启动一次数据采集p触发的分类n开始触发、参考触发、停止触发（按动作结果来分）n模拟触发、数字触发（依照触发“激励”信号来分）n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 536LabVIEW中对触发的编程中对触发的编程p在任务种增加 DAQmx Trigger.vi 并作相应配置37数据采集中的接地问题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38接线方式接线方式1：差分：差分(Differential)p可以抑制共模电压和共模噪声VMACH+ACH-+_仪器放大器+_+_AISENSEAIGND测量系统VS39接线方式接线方式2：参考单端（：参考单端（RSE）p测量基于对地参考p不能抑制共模噪声VMACH+ACH-+_仪器放大器+_VS+AISENSEAIGND_测量系统40接线方式接线方式3：非参考单端：非参考单端(NRSE)p测量基于对AISENSE端的参考p但是多个通道测量时，AISENSE是共用的n不能抑制共模电压VSVMACH+ACH-+_仪器放大器+_+_AISENSEAIGND测量系统41对于接地信号源的测量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+_Vs42对于浮地信号源的测量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AISENSE43偏置电阻偏置电阻p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n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+-AIGND44NI ELVIS平台的模拟数据采集部分平台的模拟数据采集部分p通道数n8路差分或16路单端pADC分辨率16位p采样率n单通道最高1.25MS/sn多通道1MS/s(所有通道合计)p输入范围n10 V,5 V,2 V,1 V,0.5 V,0.2 V,0.1 V虚拟数字示波器虚拟数字示波器虚拟仪器专题设计实验虚拟仪器专题设计实验虚拟数字示波器实验目的虚拟数字示波器实验目的l研究数字示波器研究数字示波器(SCOPE)的基本功能和技术指标的基本功能和技术指标n通道控制、时基（扫描）控制、触发控制通道控制、时基（扫描）控制、触发控制n参数计算和游标测量功能参数计算和游标测量功能l了解多功能数据采集卡硬件模拟输入通道的工作原理了解多功能数据采集卡硬件模拟输入通道的工作原理l掌握掌握 NI DAQmx 仪器驱动器的概念和编程方法仪器驱动器的概念和编程方法l掌握利用掌握利用 NI DAQmx 实现模拟信号输入的编程方法实现模拟信号输入的编程方法l基于多功能数据采集卡，设计开发虚拟数字示波器基于多功能数据采集卡，设计开发虚拟数字示波器50数字示波器数字示波器(SCOPE)的基本功能的基本功能l函数发生器函数发生器(FGEN)和示波器和示波器(SCOPE)硬件连线硬件连线用用 BNC接接 线线 将将 ELVISII工工 作作 台台 上上 的的SCOPE CH0的的BNC接接口口与与原原型型板板FGEN的的BNC 接口相连接口相连51数字示波器数字示波器(SCOPE)的基本功能的基本功能52数字示波器的基本功能数字示波器的基本功能通道选择：通道选择：CH1/CH2耦合方式：耦合方式：AC/DC测量范围：测量范围：垂直位置垂直位置扫描频率：扫描频率：信号源：模拟输入信号源：模拟输入触发方式：边沿、电平触发方式：边沿、电平触发电平设置触发电平设置参考位置（预触发）参考位置（预触发）单通道：单通道：CH1 /CH2双通道：双通道：CH1&CH2幅值参数幅值参数时间参数时间参数垂直游标（幅值）垂直游标（幅值）水平游标（时间）水平游标（时间）窗函数窗函数保存波形文件保存波形文件读取波形文件读取波形文件53NI DAQ 模拟输入电路模拟输入电路TimingController量程选择输入方式定时&触发控制对地参考对地参考 由由 测量设备测量设备 或者或者 被测外部信号被测外部信号 提供。提供。l当由测量设备提供地时，模拟输入端可配置为当由测量设备提供地时，模拟输入端可配置为差分输入差分输入(Differential-需要偏置电阻需要偏置电阻)、对地参照单端模式、对地参照单端模式(RSE)l当由信号源提供地时，模拟输入端可配置为当由信号源提供地时，模拟输入端可配置为差分输入差分输入(Differential)、非参考单端模式、非参考单端模式(NRSE)54函数发生器函数发生器(FGEN)和模拟输入和模拟输入(AI)l硬件连线硬件连线将将ELVISII原型板上的原型板上的AI0+端和原型板端和原型板FGEN端相连；端相连；AI0-端与端与AGND相相连接连接 l模拟输入端子配置模拟输入端子配置Terminal Configuration=Differential 55设计要求设计要求l通道控制通道控制单单/双通道显示；双通道显示；确定确定 测量范围测量范围(硬件增益硬件增益)的档位；的档位；2个通道的个通道的 测量范围测量范围(硬件增益硬件增益)可分别设置；可分别设置；2个通道的波形可以分别个通道的波形可以分别 上上/下移；下移；l时基控制时基控制确定确定 扫描时基扫描时基(采样频率采样频率)的档位；的档位；l触发控制触发控制信号源：模拟输入信号源：模拟输入触发方式：边沿、电平触发方式：边沿、电平触发电平设置触发电平设置参考位置（预触发）参考位置（预触发）56设计要求设计要求l波形显示波形显示单通道：单通道：CH1 /CH2双通道：双通道：CH1&CH2l波形参数波形参数计算并显示信号的幅值、周期和频率等参数；计算并显示信号的幅值、周期和频率等参数；l游标测量游标测量双游标双游标显示每个游标的幅值、时间显示每个游标的幅值、时间显示两个游标的幅值差、时间差（频率）显示两个游标的幅值差、时间差（频率）l数据存储和浏览数据存储和浏览保存波形文件保存波形文件读取波形文件读取波形文件l频谱分析（选作）频谱分析（选作）57设计方法设计方法概要设计概要设计l将系统划分为将系统划分为 若干子功能模块若干子功能模块l用用 系统框图系统框图/流程图流程图 等描述等描述 子功能模块之间的关系子功能模块之间的关系l系统架构：选择合适的设计模式（系统架构：选择合适的设计模式（生产者生产者/消费者消费者）详细设计详细设计l子功能模块：将所有的子功能模块用子功能模块：将所有的子功能模块用 子子VI 实现实现58参考工作计划参考工作计划(24学时学时)l第第1次课：系统方案设计次课：系统方案设计l深入理解数字示波器的基本功能深入理解数字示波器的基本功能l掌握掌握 数据采集数据采集 的编程方法的编程方法l根据数据采集卡的技术参数，确定虚拟数字示波器的根据数据采集卡的技术参数，确定虚拟数字示波器的性能指标性能指标l概要设计概要设计l第第2次课：编程实现次课：编程实现(1)基本功能基本功能l完成完成 通道控制通道控制 子功能模块的详细设计子功能模块的详细设计 及其及其 子子VI的编程实现的编程实现l完成完成 时基控制时基控制 子功能模块的详细设计子功能模块的详细设计 及其及其 子子VI的编程实现的编程实现l完成完成 波形显示波形显示 子功能模块的详细设计子功能模块的详细设计 及其及其 子子VI的编程实现的编程实现59参考工作计划参考工作计划(24学时学时)l第第3次课：编程实现次课：编程实现(2)触发控制触发控制 和和 波形参数波形参数l完成完成 触发控制触发控制 子功能模块的详细设计子功能模块的详细设计 及其及其 子子VI的编程实现的编程实现l完成完成 波形参数波形参数 子功能模块的详细设计子功能模块的详细设计 及其及其 子子VI的编程实现的编程实现l第第4次课：编程实现次课：编程实现(3)游标功能游标功能 和和 仪器面板仪器面板l完成完成 游标测量游标测量 子功能模块的详细设计子功能模块的详细设计 及其及其 子子VI的编程实现的编程实现l完成完成 仪器面板仪器面板 和和 框图程序框图程序 的整理和美化的整理和美化l第第5次课：测试验证次课：测试验证l制定制定 测试方案测试方案，完成，完成 主要性能指标主要性能指标 的测试验证的测试验证l准备答辩准备答辩PPTl第第6次课：专题设计答辩次课：专题设计答辩 60