【文章內(nèi)容簡介】 接受的離散數(shù)字信號，需要兩個環(huán)節(jié)：首先是采樣，由連續(xù)模擬信號得到離散信號；然后再通過A/D轉(zhuǎn)換，變?yōu)閿?shù)字信號。 采樣定理香農(nóng)采樣定理：對一個有限頻譜（）的連續(xù)信號，當(dāng)采樣頻率時，采樣函數(shù)才能不失真地恢復(fù)到原來的連續(xù)信號。采樣定理為設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)時確定采樣頻率奠定了理論基礎(chǔ)，采樣定理所規(guī)定的最低的采樣頻率，是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)必須遵守的規(guī)則。在實(shí)際應(yīng)用時，由于：1） 信號f（t）的最高頻率難以確定，特別是當(dāng)f（t）中有噪聲時，則更為困難。2）采樣理論要求在取得全部采樣值后才能求得被采樣函數(shù)，而實(shí)際上在某一采樣時刻，計(jì)算機(jī)只取得本次采樣值和以前各次采樣值，而必須在以后的采樣值尚未取得的情況下進(jìn)行計(jì)算分析。因此，實(shí)際的采樣頻率取值高于理論值，一般為信號最高頻率的5～10倍。 NI ELVIS 原型設(shè)計(jì)面板 美國國家儀器公司的教學(xué)實(shí)驗(yàn)室虛擬儀器套件 (NI ELVIS)可用于動手設(shè)計(jì)及原型設(shè)計(jì)，平臺集成了12款最常用儀器，包括示波器、數(shù)字萬用表、函數(shù)發(fā)生器、波特分析儀等，緊湊的結(jié)構(gòu)是實(shí)驗(yàn)室及課堂教學(xué)的理想選擇。NI ELVIS可通過USB接口與PC連接，實(shí)現(xiàn)快速易用的測量采集及顯示。作為基于NI LabVIEW圖形化系統(tǒng)設(shè)計(jì)軟件，NI ELVIS能夠發(fā)揮虛擬儀器技術(shù)的靈活性及自定義功能。同時，NI ELVIS也是NI電子教育平臺中的重要部分，結(jié)合NI Multisim采集及仿真環(huán)境實(shí)現(xiàn)NI ELVIS板載電路的測量及仿真。NI ELVIS的設(shè)計(jì)以教學(xué)為目標(biāo)，是一款全面的教學(xué)工具，用于電路設(shè)計(jì)、儀器控制、無線通信、嵌入式/MCU 理論等教學(xué)。圖34 NI ELVIS 平臺 NI ELVIS的特點(diǎn)性價(jià)比高 NI ELVIS 在單一平臺上提供12款常用桌面儀器，避免在同一應(yīng)用中購買多臺儀器?，F(xiàn)在也不必?fù)?dān)心需要購買各種不同儀器，從而顧慮他們的協(xié)同工作能力。數(shù)字萬用表(DMM)、函數(shù)發(fā)生器、示波器、及波特分析儀，還有其它許多儀器都可在同一平臺上實(shí)現(xiàn)。由于NI ELVIS集成了12款儀器，并能在統(tǒng)一平臺上實(shí)現(xiàn)多用戶多應(yīng)用，因此降低了成本?？梢苿拥拈_發(fā)板允許在上午和下午的課堂上使用相同的平臺，免去了麻煩且耗時的重構(gòu)設(shè)計(jì)過程。NI ELVIS可實(shí)現(xiàn)各類應(yīng)用，從而幫助各學(xué)科中不同學(xué)習(xí)進(jìn)度的學(xué)生。從電路基礎(chǔ)學(xué)習(xí)到進(jìn)行研究工作，都可在同一平臺上實(shí)現(xiàn)。故障排除時間短，將更多時間用于學(xué)習(xí) NI ELVIS可通過USB與PC快速連接，使耗時的硬件連接成為過去。此外，USB連接性提高了NI ELVIS的便攜性，可滿足不同實(shí)驗(yàn)室及課堂的使用。Kensington安全電纜通過連接端口將ELVIS鎖在工作站上，確保了安全性。 NI ELVIS平臺上安裝了NI ELVISmx驅(qū)動及NI ELVISmx Instrument Launcher軟件，可快速連接全部12款儀器。通過Instrument Launcher軟件及軟前面板，用戶可以快速配置儀器。使用LabVIEW及軟件的靈活性 NI ELVIS平臺中的所有12款儀器可通過NI ELVISmx Instrument Launcher軟件來獲得使用。這些儀器基于工業(yè)領(lǐng)先的LabVIEW圖形化系統(tǒng)設(shè)計(jì)軟件，提供基于虛擬儀器技術(shù)的靈活性及自定義應(yīng)用的能力，并且是開源、可自定義的。 LabVIEW圖形化流程圖及數(shù)據(jù)流的編程模式提供可自定義的應(yīng)用及靈活的測量模式。NI ELVISmx驅(qū)動的安裝以及NI ELVIS 硬件使NI ELVIS系列儀器具有與LabVIEW Express VI及LabVIEW SignalExpress相關(guān)聯(lián)的規(guī)范，從而使用戶可交互式地對每個儀器進(jìn)行配置，無需太多編程經(jīng)驗(yàn)即可開發(fā)LabVIEW應(yīng)用。此外，NI ELVIS中集成的數(shù)據(jù)采集設(shè)備可通過NI DAQmx API進(jìn)行編程。使用插件板提升擴(kuò)展性 NI ELVIS平臺可用于各類應(yīng)用及學(xué)科，并采用NI ELVIS插入板及第三方課件（如Emona Instruments、Freescale Semiconductors、及三方課件（如Emona Instruments、Freescale Semiconductors、及Quanser）來教授無線電通信、微控制器、及控制概念，擴(kuò)展了實(shí)驗(yàn)室功能。NI還在平臺中添加了數(shù)字電路板及FPGA插入板。用戶可在同一實(shí)驗(yàn)室中開展各類學(xué)科的介紹性課程及高年級課程，從而拓展實(shí)驗(yàn)室能力并節(jié)省場地。以上都可通過NI ELVIS設(shè)計(jì)建模平臺及其套裝中的12款儀器以及系列插入板來實(shí)現(xiàn)。 高速率M系列PCI6251NI PCI6251是一款高速M(fèi)系列多功能DAQ板卡，在高采樣率下也能保持高精度。 如需更高測量精度，可選擇高精度M系列設(shè)備，該設(shè)備采用18位模數(shù)轉(zhuǎn)換器，使分辨率提高了4倍。 　　高速M(fèi)系列設(shè)備包括了一些高級特色，如NISTC 2系統(tǒng)控制器、NIPGIA 2可編程放大器和NIMCal校準(zhǔn)技術(shù)，從而提高了性能和精度。 高速M(fèi)系列設(shè)備的版載NIPGIA 2放大器專為高速掃描速率下的快速穩(wěn)定時間而設(shè)計(jì)，它可確保即使以最快速度測量所有通道時也可達(dá)到16位精度。 了解更多關(guān)于M系列的技術(shù)、設(shè)備規(guī)范、推薦使用的電纜及附件，請查看數(shù)據(jù)表和規(guī)格。 驅(qū)動軟件：M系列設(shè)備可在多種操作系統(tǒng)上使用，有三個驅(qū)動軟件可供選擇，包括NIDAQmx、NIDAQmx Base和測量硬件DDK。 瀏覽資源欄，了解驅(qū)動軟件的更多信息或下載驅(qū)動程序。 NI M系列設(shè)備與傳統(tǒng)的NIDAQ(Legacy)驅(qū)動程序不兼容。 M系列數(shù)據(jù)采集設(shè)備與下列NI應(yīng)用軟件版本（或更高版本）兼容——LabVIEW 、LabWindows?/CVI 、或Measurement Studio ；LabVIEW SignalExpress ；或帶 LabVIEW 。 NI M系列數(shù)據(jù)采集設(shè)備也與Visual Studio .NET、C/C++和Visual Basic 6兼容。圖35 高速率M系列PCI6251 本章主要介紹了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的組成、主要性能指標(biāo)和原理，以及數(shù)據(jù)采集中要運(yùn)用的平臺NI ELVIS的特點(diǎn)和PCI6251數(shù)據(jù)采集板的特點(diǎn)。通過對它們的了解才可以正確的運(yùn)用它們來進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。第4章 系統(tǒng)設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)的要求 要求前面板顯示照度的值和照度表盤，以及對應(yīng)的電壓值及電壓表盤。還要顯示數(shù)據(jù)的標(biāo)定，采集五組數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)定，要求是手動加自動的標(biāo)定方法，照度由手動輸入，先由燈泡照一個標(biāo)準(zhǔn)的照度計(jì)，每選擇一個照度值就選擇與之距離相等的地方照光電池，自動取之輸出的電壓值進(jìn)行標(biāo)定。標(biāo)定好的數(shù)據(jù)通過最小二乘法進(jìn)行線性擬合，通過擬合值進(jìn)行反求照度。要求照度的量程為0lx～500lx。 前面板的設(shè)計(jì) 前面板用于設(shè)置數(shù)據(jù)標(biāo)定和觀察照度及電壓的輸出，模擬真實(shí)照度計(jì)的前面板。虛擬面板直接面向用戶，是虛擬光電池照度計(jì)控制軟件的核心，設(shè)計(jì)這部分時，還要考慮界面美觀、操作方便。 首先需要一個光照度值和電壓值的量表和顯示框，從控件選板里面選擇：新式→數(shù)值→數(shù)值顯示控件/量表。數(shù)值顯示控件和量表各選取兩個，修改一下量表和數(shù)值顯示的名稱，如圖41：圖 41 前面板視圖1 數(shù)據(jù)標(biāo)定的時候需要標(biāo)定兩組數(shù)據(jù)，一組是光照度值的標(biāo)定，一組是電壓值的標(biāo)定，兩組相對應(yīng)。從控件選板里面選擇：新式→數(shù)組、矩陣與簇→數(shù)組，再從控制選板里選擇：新式→數(shù)值→數(shù)值輸入控件，創(chuàng)建標(biāo)定電壓和標(biāo)定照度兩個數(shù)組，如圖42：圖42 前面板視圖2 數(shù)據(jù)標(biāo)定的時候還需要一個數(shù)據(jù)標(biāo)定按鈕和停止按鈕，從控件選板里選擇：新式→布爾→翹板開關(guān)/停止按鈕，創(chuàng)建一個標(biāo)定按鈕和一個停止按鈕，如圖43。圖43 前面版視圖3 前面板經(jīng)過工具面板進(jìn)行修飾，最后效果如圖44：圖44 修飾后效果圖 后面板的設(shè)計(jì) 首先創(chuàng)建一個數(shù)據(jù)采集的框圖，在新建里選擇：基于模板→DAQ→→確定，創(chuàng)建一個如圖45所示的數(shù)據(jù)采集框圖：圖45 數(shù)據(jù)采集程序圖 設(shè)置數(shù)據(jù)采集屬性，步驟如下：點(diǎn)擊屬性→→→選擇ai0，創(chuàng)建一個VI。如圖46：圖46 數(shù)據(jù)采集程序設(shè)置圖 電壓標(biāo)定數(shù)組設(shè)計(jì)：要求自動加一顯示，按一下標(biāo)定按鈕，對應(yīng)時刻的電壓輸入數(shù)組，數(shù)組標(biāo)滿自動顯示。在這里主要用事件結(jié)構(gòu)和For循環(huán)來實(shí)現(xiàn)，原理就是通過事件編輯標(biāo)定按鈕鍵按下時，此時對應(yīng)的電壓值輸入電壓標(biāo)定數(shù)組中，用For循環(huán)來實(shí)現(xiàn)直到輸入5個數(shù)據(jù)時數(shù)組顯示。從函數(shù)選板里選擇：編程→結(jié)構(gòu)→平鋪式順序結(jié)構(gòu)/For循環(huán)/事件結(jié)構(gòu)→For循環(huán)的循環(huán)次數(shù)設(shè)為5/事件結(jié)構(gòu)編輯事件為“標(biāo)定按鈕”鍵按下；編程→定時→等待（ms）→等待時間設(shè)為500。最后結(jié)果如圖47：圖47 自動標(biāo)定程序圖照度及電壓顯示設(shè)計(jì)：要求數(shù)據(jù)通過線性擬合進(jìn)行擬定。這里主要是通過標(biāo)定的照度和標(biāo)定的電壓進(jìn)行最小二乘法的線性擬合，從而得到最佳的標(biāo)定直線，再通過公式用一個減法函數(shù)和一個除法函數(shù)就可以反求到任意時刻電壓值所對應(yīng)的照度值。從函數(shù)選板里選擇：編程→結(jié)構(gòu)→while循環(huán)；編程→數(shù)值→減/除；數(shù)學(xué)→擬合→線性擬合；連線后最后結(jié)果為圖48：圖48顯示程序圖 最后程序組合總結(jié)果如圖49：圖49 最后程序圖 程序調(diào)試 與VI調(diào)試相關(guān)的工具都可以通過框圖窗口工具條上的按鈕進(jìn)行訪問，各個按鈕圖標(biāo)和功能如表41所示[11]。圖標(biāo)功能圖標(biāo)功能列出錯誤連續(xù)運(yùn)行終止執(zhí)行暫停執(zhí)行高亮執(zhí)行保存連線值單步進(jìn)入單步跳過單步跳出表41 VI調(diào)試按鈕的圖標(biāo)和功能 錯誤信息程序錯誤一般分為兩種：一種是程序編輯錯誤或編輯結(jié)果不符合語法，程序無法正常運(yùn)行；一種是錯誤為語義和邏輯上的錯誤，或者是程序運(yùn)行時某種外部條件得不到滿足引起的運(yùn)行錯誤，這中錯誤很難排除。如下面圖410運(yùn)行時出現(xiàn)的錯誤，當(dāng)運(yùn)行VI時，彈出的錯誤列表，點(diǎn)擊顯示警告選項(xiàng)就可知道錯誤出在哪里了。圖410 顯示錯誤列表點(diǎn)擊警告選項(xiàng)和看錯誤列表可知錯誤出在圖411所示的地方，沒有輸出選項(xiàng)，把“標(biāo)定電壓（v）”改為轉(zhuǎn)換為輸入控件就把錯誤排除了。圖411 程序錯誤顯示式樣在編輯期間導(dǎo)致中斷VI的常見錯誤有：必要連接的函數(shù)端子沒有連接；數(shù)據(jù)類型不匹配；中斷子VI等。加亮執(zhí)行當(dāng)單擊框圖窗口工具條上的加亮執(zhí)行按鈕，即可以打開執(zhí)行加亮功能。執(zhí)行加亮?xí)r，對結(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)流動采用在連線上移動的氣泡加以形象表示。為了使用戶有足夠的時間觀察氣泡數(shù)據(jù)線的流動，程序運(yùn)行速度大為降低了。如圖412：圖412 加亮執(zhí)行程序式樣單步執(zhí)行如果向一個節(jié)點(diǎn)一個節(jié)點(diǎn)的執(zhí)行框圖，可以采用單步執(zhí)行。單步執(zhí)行用于觀察VI運(yùn)行時的每一個動作。單擊單步執(zhí)行按鈕，程序即可按單步執(zhí)行，即執(zhí)行完當(dāng)前節(jié)點(diǎn)后前進(jìn)到下一個節(jié)點(diǎn)。單擊單步跳出按鈕完成框圖節(jié)點(diǎn)的執(zhí)行或完成單步調(diào)試。當(dāng)按下任何一個單步按鈕時，也按了暫停按鈕。在任何時候通過釋放暫停按鈕可返回到正常執(zhí)行。斷點(diǎn)與探針有時需要在VI的某個位置設(shè)置斷點(diǎn)，來看清楚程序執(zhí)行情況。使用工具模板上的斷點(diǎn)工具即可以為代碼中的子VI、節(jié)點(diǎn)和連線添加斷點(diǎn)。當(dāng)程序運(yùn)行到斷點(diǎn)位置時，自動停止運(yùn)行，可以在這一位置開始單步運(yùn)行。節(jié)點(diǎn)上的斷點(diǎn)用紅框表示，而連線上的斷點(diǎn)用紅點(diǎn)表示。當(dāng)數(shù)據(jù)流過框圖連線時，可以使用探針工具檢查VI運(yùn)行時的即時數(shù)據(jù)。要想正確探測到流過數(shù)據(jù)線的數(shù)據(jù)，必須在數(shù)據(jù)流過之前添加探針。在數(shù)據(jù)的連線上彈出快捷菜單，選擇探針，或者使用工具模板上的探針工具，單擊數(shù)據(jù)連線都可以為數(shù)據(jù)線添加探針。 本章小結(jié)本章主要是程序前面板和后面板的設(shè)計(jì)過程以及程序的調(diào)試方法，通過設(shè)計(jì)過程我們可以很好的學(xué)習(xí)LabVIEW軟件。也很好的學(xué)習(xí)了一個大型完整系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法。第5章 數(shù)據(jù)處理 照度計(jì)的標(biāo)定 照度計(jì)定標(biāo)所需的儀器： 標(biāo)準(zhǔn)照度計(jì)、亮度可調(diào)的白熾燈 、 密封不透光的盒子各一個。定標(biāo)步驟如下 ： （1） 把虛擬照度計(jì)的光電池的受光面和標(biāo)準(zhǔn)照度計(jì)的光度頭放在一起，同置于亮度可調(diào)的白熾燈下，并把燈頭、標(biāo)準(zhǔn)照度計(jì)光度頭光電池受光面一起置于密封的大盒子里。標(biāo)準(zhǔn)照度計(jì)的讀數(shù)器和亮度可調(diào)的白熾燈的調(diào)節(jié)旋鈕置于盒子外面。（2） 調(diào)節(jié)白熾燈亮度旋鈕，使亮度由小到大逐漸變化，并記錄標(biāo)準(zhǔn)照度計(jì)示數(shù)和光電池的電壓輸出值（多組) 。 （3）由記錄的數(shù)據(jù)用最小二乘法擬合出直線，并且計(jì)算出直線的斜率和截距。（4）再由算出的斜率和截距反求虛擬照度計(jì)的照度。 標(biāo)定數(shù)據(jù)的處理標(biāo)定的照度和電壓數(shù)據(jù)如表51： 表51標(biāo)定數(shù)據(jù)表名稱1組2組3組4組5組標(biāo)定照度1060200400500標(biāo)定電壓根據(jù)標(biāo)定的數(shù)據(jù)擬合出的直線為[12]：式中 ——傳感器的輸入量，即被測量 ——傳感器的理論輸出 ，——直線方程的截距和斜率，由校準(zhǔn)數(shù)據(jù)的最小二乘直線擬合求出。令第個校準(zhǔn)數(shù)據(jù)與理論直線上的相應(yīng)值之間的偏差為： （52） 最小二乘法理論直線的擬合原則就是使為最小值，也就是說是對b和a的一階偏導(dǎo)數(shù)等于零，從而求出b和a的表達(dá)式，用矩陣形式，令 則（52）的矩陣形式為 (53)根據(jù)最小二乘原理，矩陣解為 (54)計(jì)算式（54）的下列矩陣 （55）將C、B帶入式（54），解得 （56） （57）將式（57）帶入式（51）可得直線的另外一種形式由此可見直線式（51）通