【文章內(nèi)容簡介】 為數(shù)據(jù)采集設(shè)備可以識別的電壓或電流信號。加入信號調(diào)理設(shè)備是因為某些輸入的電信號并不便于直接 進(jìn) 行測量，因此需要信號調(diào)理設(shè)備對它 進(jìn) 行諸如放大、濾波、隔離等處理，使得數(shù)據(jù)采集設(shè)備更便于對該信號 進(jìn) 行精確的測量。數(shù)據(jù) 采集設(shè)備的作用是將模擬的電信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號送給計算機(jī) 進(jìn) 行處理，或?qū)⒂嬎銠C(jī)編輯好的數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為模擬信號輸出。計算機(jī)上安裝了驅(qū)動和應(yīng)用軟件，方便我們與硬件交互，完成采集任務(wù)，并對采集到的數(shù)據(jù) 進(jìn) 行后續(xù)分析和處理 [5]。 基于 PC 的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的組成部分可分為 5 個部分： (1) PC (2) 傳感器 (3) 信號調(diào)理 (4) 數(shù)據(jù)采集硬件 (5) 軟件 基于 LabVIEW 的仿真信號發(fā)生器的設(shè)計 8 傳感器 信號調(diào)理 DAQ 硬件 PC 軟件 圖 31 基于 PC的 DAQ 系統(tǒng) DAQ 的任務(wù)就是測量或生成物理信號。一個 DAQ 系統(tǒng)通常具有一套用于獲取、處理原始數(shù)據(jù)，分析串崗其 和轉(zhuǎn)換器，信號調(diào)節(jié)及其顯示，存儲數(shù)據(jù)的軟件。 如圖給出了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。在數(shù)據(jù)采集之前，程序?qū)?DAQ 板初始化，板卡上和內(nèi)存中的 Buffer 是數(shù)據(jù)采集存儲的中間環(huán)節(jié)。 圖 32 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 在給予計算機(jī)的系統(tǒng)測量到物理信號之前，需要通過傳感器將物理信號轉(zhuǎn)換成電信號。為了更精確地測量信號信號調(diào)理部分能放大低電壓信號，并對信號進(jìn)行隔離和濾波。此外某些傳感器需要有電壓或電流激勵源來生成電壓輸出。 DAQ 系統(tǒng)由軟件控制來 獲取數(shù)據(jù)行、分析數(shù)據(jù)并得到結(jié) 論 [6]。 數(shù)據(jù)采集卡的選擇 數(shù)據(jù)采集板卡的性能與眾多因素相關(guān)，要根據(jù)具體情況來具體分析。所以在選擇A/DLDLKKKKJDD Buffer(FIFO) ( ) 驅(qū)動程序 Labview 程序 硬件 內(nèi)存 Buffer 顯示 外觸發(fā) 發(fā) 基于 LabVIEW 的仿真信號發(fā)生器的設(shè)計 9 數(shù)據(jù)采集卡構(gòu)成系統(tǒng)時，首先必須對數(shù)據(jù)采集卡的性能指標(biāo)有所了解。 數(shù)據(jù)采集卡的主要性能指標(biāo) (1) 采樣頻率 采樣頻率的高低，決定了在一定時間內(nèi)獲取原始信號信息的多少，為了能夠較好的再現(xiàn)原始信號，不產(chǎn)生波形失真，采樣率必須要足夠高才行。根據(jù)奈奎斯特理論采樣頻率至少是原信號的兩倍，但實際中，一般都需要 5～ 10 倍。 (2) 采樣方法 采集卡通常都有好幾個數(shù)據(jù)通道，如果所有的數(shù)據(jù)通道都輪流 使用同一個放大器和 A/D 轉(zhuǎn)換器，要比每個通道單獨使用各自的經(jīng)濟(jì)的多，但這僅適用于對時間不是很重要的場合。如果采樣系統(tǒng)對時間要求嚴(yán)格，則必須同時采集，這就需要每個通道都有自己的放大和 A/D 轉(zhuǎn)換器。但是處于成本的考慮，現(xiàn)在普遍流行的是各個數(shù)據(jù)通道公用一套放大器和 A/D 轉(zhuǎn)換器。 (3) 分辨率 ADC 的位數(shù)越多，分辨率就越高，可區(qū)分的電壓就越小。 (4) 電壓動態(tài)范圍 電壓范圍指 ADC 能掃描到的最高和最低電壓。一般最好能夠使進(jìn)入采集卡的電壓范圍剛好與其符合，以便利用其可靠的分辨率范圍。 (5) I/O 通道 數(shù) 該參數(shù)表明了數(shù)據(jù)采集卡所能夠采集的最多的信號路數(shù)。 數(shù)據(jù)采集卡的組成 (1) 多路開關(guān)。將各路信號輪流切換至放大器的輸入端，實現(xiàn)多參數(shù)多路信號的分時采集。 (2) 放大器。將切換進(jìn)入采集卡的信號放大至需要的量程內(nèi)。通常的放大器都是增益可調(diào)的，使用者可根據(jù)需要來選擇不同的增益倍數(shù)。 (3) 采樣保持器。把采集到的信號瞬間值保持在 A/D 轉(zhuǎn)換的過程中不變化。 (4) A/D 轉(zhuǎn)換器。將模擬的輸入信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字量輸出，完成信號幅值的量化。 基于 LabVIEW 的仿真信號發(fā)生器的設(shè)計 10 數(shù)據(jù)采集卡 USB6211 USB6211 是 NI 公司的一款多功能數(shù)據(jù)采集卡，是一款 USB 總線供電 M 系列多功能 DAQ 模塊，在高采樣率下也能保持高精度。該模塊提供了 16 路模擬輸入；250 kS/s 單通道采樣率； 2 路模擬輸出； 4 路數(shù)字輸入線； 4 路數(shù)字輸出線；每通道有4 個可編程輸入范圍 (177。 V— 177。10 V) ； 8 路可編程數(shù)字 I/0 口。 NI USB6211 為移動應(yīng)用或空間上有限制的應(yīng)用專門設(shè)計。其即插即用的安裝最大程度地降低了配置和設(shè)置時間，同時它能直接與螺絲端子相連，從而削減了成本并簡化了信號的連接。 USB 總線可以供電，使用戶不再需要攜 帶多余的外部電源。 NIDAQmx 驅(qū)動程序和測量服務(wù)軟件提供了簡單易用的配置和編程界面，其中 DAQ Assistant 等功能可幫助用戶縮短開發(fā)時間 [7]。 基于以上原因，本設(shè)計采用了 USB6211 數(shù)據(jù)采集卡。 數(shù)據(jù)采集的硬件的安裝與配置 在使用 LabVIEW進(jìn)行數(shù)據(jù)采集之前，必須對 DAQ硬件進(jìn)行正確的安裝和配置 ，具體過程分為以下 3步。 (1) 安裝 N1一 DAQ驅(qū)動程序：在 Windows環(huán)境下， LabVlEW安裝軟件會提示用戶安裝 NI— DAQ驅(qū)動器軟件。 NI． DAQ驅(qū)動器軟件為 LabVIEW提供了 與 DAQ器件和信號調(diào)理硬件之間的高級接口。 NI公司的全部 DAQ器件都與 NIDAQ驅(qū)動器軟件組裝在一起。 (2) DAQ卡的安裝與配置： DAQ卡的安裝需參照采集卡用戶手冊。 DAQ卡的配置則可參照 N1一 DAQ配置向?qū)г诰€幫助文件 “ nidaqcfg CXC”來進(jìn)行，可配置 DAQ卡的設(shè)備號、模擬輸入極性 (單極或雙極 )、模擬輸入模式 (單端輸入或差分輸入 )、模擬輸出極性等屬性。 (3) 模擬輸入通道配置：通道配置可通過執(zhí)行 LabVIEW中“ project”菜單的“ DAQ Wizards ”子 菜單里“ DAQChannelWizards ”命 令來完成 。該通道 配置向?qū)?DAQChannelWizard)是 Windows環(huán)境 F的應(yīng)用程序，用來對包括 DAQ插卡、獨立 DAQ產(chǎn)品以及 SCXI模件等 DAQ器件的模擬輸入通道進(jìn)行配置。通過用戶漸入通道名稱、被測最物理信號的范圍、所使用的傳感器、傳感器輸出范圍以及相關(guān)的 DAQ硬件等基于 LabVIEW 的仿真信號發(fā)生器的設(shè)計 11 信息， DAQ通道配置向?qū)Э纱_定在 DAQ硬件通道上測量的物理參數(shù) [8]。 數(shù)據(jù)采集的子程序 LabVIEW的 DAQ程序包括模擬輸入 (AnalogInput)、模擬輸出 (AnalogOutput)、數(shù)字 輸入／輸 出 (Digital I/0)、計數(shù)器 (Counter)、標(biāo)定和配置 (Calibration andConfigm39。afion)以及信號調(diào)理 (SignalConditioning)等 6類。其中，每類又分成簡單程序 (EasyFOVls)、中級程序 (IntermediateVIs)、應(yīng)用程序 (UtilityVIs)和高級程序 (AdvancedVIs)4類。 簡單程序僅僅只是表而培接口程序，它能執(zhí)行基本的模擬量輸入、模擬量輸出、數(shù)字 I/O以及計數(shù)器，定時器操作。它簡單易用，并且包含‘個簡單的出錯處理方法。當(dāng)出錯時，將彈出一個對話框，顯示出錯信息，用戶可以選擇終止程序執(zhí)行或者忽略錯誤。相對于簡單程序而言，中級程序具備更多的硬什設(shè)置功能，使用上具有更大的靈活性，可以更有效地開發(fā)實用程序。它具有許多簡單程序所缺乏的功能，如外部時鐘等。它對出錯的處理也更加靈活，可以把出錯狀態(tài)信息傳遞給其它程序，可以編程處理出錯情況。應(yīng)用程序是中級程序的通用組合，在功能和操作上與中級程序 相同。高級程序涉及到與 DAQ驅(qū)動程序的低層接口。開發(fā)實用程序時通常并不需要用到高級程序，但當(dāng)簡單程序和中級程序不具備用于控制特殊 DAQ功能的輸入時，可以使用高級程序來實現(xiàn)。高級程序從 DAQ驅(qū)動程序返舊的狀態(tài)信息最多 [9]。 在實用程序開發(fā)中，常用的 DAQ子程序包括模擬輸入與輸出、波形的輸入與輸出、連續(xù)數(shù)據(jù)采集。 (1) 模擬輸入與輸出：模擬輸入與輸出是 DAQ卡的基本功能?！?Analog Input”子模板下的“ AI Sample Channel”程序測量指定通道上信號的一個采樣點，并返回測量值?！?Analog Output”了模板下的“ AO Update Channel”程序把一個給定電壓值在一個模擬輸出通道上輸出。 (2) 波形的輸入與輸出：在許多應(yīng)用場合，一次只采樣一個數(shù)據(jù)點是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。另外，采樣點之間的間隔很難恒定，因為它受到多種因素的影響，如循環(huán)的執(zhí)行速度、子程序的調(diào)用時間等。然 LabVIEW 的 DAQ 程序庫提供的“ AI AcquireWaveform(s)”和“ AO GenerateWaveform”程序可以以大干單點操作的速度進(jìn)行多點的數(shù)據(jù)采集和波形生成．并且用戶可咀自定義采樣率?！?AI AcquireWavcform(s)”程序從一個 (多個 )指定的輸入通道按用戶定義的采樣率、采樣點數(shù)采集數(shù)據(jù)，并返回采樣結(jié)果數(shù)據(jù)基于 LabVIEW 的仿真信號發(fā)生器的設(shè)計 12 到計算機(jī)。” AO GenerateWaveform”程序在一個模擬輸出通道上以用戶定義的更新速率生成一個電壓波形 [10]。 模擬輸入 使用 DAQmx 底層 VI 進(jìn) 行數(shù)據(jù)采集： 圖 33 DAQmx 數(shù)據(jù)采集子選板 如圖 33 所示，我們看到的所有的 DAQmx 底層驅(qū)動 VI 都能在測量 I/O 選版下的 DAQmx 子選版下找到 包 括 了 I/O 端口，創(chuàng)建通道，讀取，寫入，定時，觸發(fā)等等。 創(chuàng)建虛擬通道函數(shù) 通過給出所需的目標(biāo)通道名稱以及物理通道連接，用來在程序中創(chuàng)建一個通道，如下圖 34所示。 圖 34 創(chuàng)建虛擬通道 在 MAX當(dāng)中創(chuàng)建通道時 進(jìn) 行的相同的設(shè)置在這個函數(shù)中均會得到設(shè)置。 當(dāng)程序基于 LabVIEW 的仿真信號發(fā)生器的設(shè)計 13 操作員需要經(jīng)常更換物理通道連接設(shè)置而非其他諸如終端配置或自定義縮放設(shè)置的時候，這個創(chuàng)建虛擬通道 VI就非常有用了。 物理通道下拉菜單被用來指定 DAQ板卡的設(shè)備號以及實際連接信號的物理通道。通道屬性節(jié)點是創(chuàng)建虛擬通道函數(shù)的功能擴(kuò)展，允許您在程序當(dāng)中動態(tài)改變虛擬通道的設(shè)置 [11]。舉例來說，對于一組測試我 們可用通過它來對一個通道設(shè)置一個自定義縮放 之 后在對另一組 進(jìn) 行測試時可以通過屬性節(jié)點改變自定義縮放的值。 定時設(shè)定 VI DAQmx 定時 VI 配置了任務(wù)、通道的采樣定時以及采樣模式，并在必要時自動創(chuàng)建相應(yīng)的緩存。如圖 35 所示。 這個多態(tài) VI 的實例與任務(wù)中使用到的定時類型相關(guān)聯(lián)，包擴(kuò)數(shù)字握手，隱式（設(shè)置持續(xù)時間而非定時）或波形（使用波形數(shù)據(jù)類型中的 DT 元素來確定采樣率）等實例。類似的定時屬性節(jié)點允許您 進(jìn) 行高級的定時屬性配置。 圖 35 DAQmx定時 VI DAQmx 觸發(fā)設(shè)定 VI DAQmx觸發(fā) VI 配置了任務(wù)、通道的觸發(fā)設(shè)置。如圖 36所示。 這個多態(tài) VI的實例包 括 了觸發(fā) 類型的設(shè)置， 數(shù)字邊沿開始觸發(fā) 模擬邊沿開始觸發(fā)， 模擬窗開始觸發(fā)， 數(shù)字邊沿參考觸發(fā)，模擬邊沿參考觸發(fā)或是模擬窗口參考觸發(fā)等等。同樣的我們會使用觸發(fā)屬性節(jié)點來配置更多高級的觸發(fā)設(shè)置。 基于 LabVIEW 的仿真信號發(fā)生器的設(shè)計 14 圖 36 觸發(fā)設(shè)定 VI DAQmx讀取 VI DAQmx 讀取 VI 從特定的任務(wù)或者通道當(dāng)中讀取數(shù)據(jù)，如圖 37所示，這個 VI的多態(tài)實例會指出 VI所返回的數(shù)據(jù)類型， 包 括 一次讀取一個單點采樣還是讀取多點采樣， 以及從單通道 讀取還是從多通道中讀取數(shù)據(jù)，其相應(yīng)的屬性節(jié)點可以設(shè)置偏置波形屬性以及獲取當(dāng)前可用采樣數(shù)等數(shù)據(jù) [12]。 圖 37 DAQmx 讀取 VI 圖 38 程序完成了模擬信號的連續(xù)采集 ， 與使用 DAQ 助手快速 VI 不同，這里我們使用的都是 DAQmx 的底層驅(qū)動 VI。 圖 38 模擬信號的連續(xù)采集 基于 LabVIEW 的仿真信號發(fā)生器的設(shè)計 15 連續(xù)采集的流程圖如圖 39 所示，首先創(chuàng)建虛擬通道，設(shè)置緩存大小，設(shè)置定時，(必要時可以設(shè)置觸發(fā) ) ，開始任務(wù)，開始讀取。由于我們是連續(xù)采集信號，于是我