虚拟仪器第9章测试系统设计

唐山学院测控中心(C)2008第9章测试系统设计数据采集基础知识采集模拟信号输出模拟信号信号调理数字信号输入输出计数器输入输出9-1数据采集基础知识9-1-1数据采集过程数据采集是测试系统最主要的基础环节，数据采集过程如右图。在这个过程中来自传感器的模拟量被转换为数字量。模拟信号x（t）经脉冲序列采样后，成为时间离散信号x(n)，再量化以后得到取值也离散化的数字信号。9-1-1数据采集过程根据信号的特征和测试目的，模拟信号可以分为3类：1.对于随时间缓慢变化的信号，如容器的液位、对象的温度等，通常叫做直流信号。对直流信号一般只需要比较慢的采样频率。2.对于随时间变化较快的信号，如果需要了解它的波形，则把它作为一个时域信号来处理。这时候需要比较高的采样频率。例如要检测一个快速的脉冲，采样周期必须小于脉冲周期；要关心这个脉冲的上升时间，就应该用更高的采样率。3.对于随时间变化较快的信号，如果需要了解它的频率成分，则把它作为一个频域信号来处理。根据赖奎斯特理论，要得到准确的频率信息，采样率必须大于信号最高频率成分的两倍。采样率的一半叫赖奎斯特频率。这实际上意味着对于最高频率的信号成分每一个周期只采样两个数据点，这对于描述信号的波形是远远不够的。工程实际中一般使用信号最高频率成分4-10倍的采样率。9-1-2数据采集设备1.数据采集设备类型虚拟仪器是软硬件的结合，而虚拟仪器硬件又是在传统仪表和计算机技术的基础上得以发展，从20世纪80年代开始计算机技术引起测试领域一场新的革命，传统仪器逐渐以不同的形式与计算机紧密结合在一起，形成了各种形式的虚拟仪器硬件，满足了工程、科研、教育各个领域让人眼花缭乱的实际需求。本书第1章简单介绍了几种常见的虚拟仪器硬件结构，本章主要以最典型的插卡式虚拟仪器硬件结构为背景介绍测试系统设计方法与编程技术，这里包含了许多各种不同形式的虚拟仪器硬件结构的基础和共性的问题。9-1-2数据采集设备2.数据采集设备主要指标（1）采样率(2)分辨率(3)其它主要指标模拟输入设备分辨率对于表达原始信号的影响9-1-2数据采集设备2.数据采集设备主要指标模拟输入设备量程范围设置对于分辨率的影响9-1-3被测试信号的连接方式1.信号的参考点（1）接地信号（2）浮动信号9-1-3被测试信号的连接方式2.信号的连接方式差分测试系统9-1-3被测试信号的连接方式2.信号的连接方式单端测试系统9-1-3被测试信号的连接方式2.信号的连接方式非参考单端测试系统9-1-4基于LabVIEW的数据采集系统总体结构基于DAQmx的数据采集系统总体结构9-1-5数据采集设备的设置与测试1.测试与自动化资源管理器测试与自动化资源管理器MAX是Measurement&AutomationExplorer的缩写，是访问计算机当中NI的各种软硬件资源的一个接口。9-1-5数据采集设备的设置与测试1.测试与自动化资源管理器在本机系统MySystem项下可以完成以下任务创建新的通道、任务等。查看连接到系统的设备和仪器。对NI硬件进行安装与设置。执行硬件测试。在远程系统RemoteSystem项下可以完成以下任务查看连接到局域网上的系统和设备；创建新的远程系统；设置远程系统IP地址；下载软件到远程系统；设置远程系统属性。9-1-5数据采集设备的设置与测试1.测试与自动化资源管理器—添加设备对话框在DeviceandInterface项上击右键弹出“CreatNew…”，可以添加非即插即用设备。在添加设备对话框中还可以添加仿真设备NI-DAQmxSimulatedDevice，以方便暂时还没有购买某款NI设备的用户了解或调试设备。从软件层看仿真设备与实际设备一样工作，它返回一些随机信号。9-1-5数据采集设备的设置与测试2.设备设置与测试设备设置与测试快捷菜单ResetDevice：设备复位。重新取得设备访问权限。Self-Test：设备自测试，弹出一个对话框，报告设备是否通过测试。程序中采集数据VI出错时应首先考虑使用上一项和该项。Rename：设备改名。设备名即图9-9中引号内的部分，程序中通过这个名称访问设备。Delete：删除设备。Properties：属性设置。DevicePinouts：弹出端口说明文档TestPanels…：打开测试面板。9-1-5数据采集设备的设置与测试2.设备设置与测试设备属性设置RTSIConfiguration(实时系统集成总线设置)：此项对PCI-6229不需要设置；Accessory(附件)：选择CB-68LP接线端子板；Power-upStates(上电状态)：设置数字线上电后是高电平、低电平或三态。9-1-5数据采集设备的设置与测试2.设备设置与测试设备I/O定义9-1-5数据采集设备的设置与测试2.设备设置与测试DAQmx模拟输出和输入测试面板9-1-5数据采集设备的设置与测试9-2采集模拟信号采集模拟信号是测试系统中最普遍、最典型的任务。在介绍如何完成模拟输入任务之前必须介绍一些关于创建数据采集应用程序的一般方法，这些也是各种数据采集任务共同的基础。9-2-1模拟输入基本概念1.数据采集的通道LabVIEW的数据采集系统中有物理通道PhysicalChannel和虚拟通道VirtualChannel。物理通道是被测试的信号或生成的信号实际进出计算机的路径，典型的情况是:接线端子—电缆[—信号调理器—电缆]—数据采集卡。每个信号各自走一个独立的通道，每个通道有一个编号。在接线端子上每个通道对应哪个端子号可以通过DevicePinouts查询。虚拟通道是一系列设置的集合，包括通道名、对应的物理通道、信号连接方式、测试类型和比例等。9-2-1模拟输入基本概念2.常用的基本术语采样率samplerate——每秒从各通道采集数据的次数。它等于单个通道的采样率。采样数numberofsamples——数据采集函数被调用一次，从一个通道采集的数据点数。扫描scan——对数据采集函数通道参数中所有通道的一次采集或读数。9-2-1模拟输入基本概念3.数据组织波形采样数据二维标量数组9-2-1模拟输入基本概念4.数据的比例比例是DAQ软件对某一个虚拟通道的数据进行预处理，以便于程序中应用这些数据，例如线性比例公式y=mx+b，对输入数据x进行线性处理后，将数据y传送给LabVIEW程序。在MAX中有一个“比例”项——Scale，在Scale项上击右键弹出菜单选CreateNew，弹出创建比例向导，可以选择建立DAQmx比例。在创建比例向导的引导下，创建一个比例。创建比例包括编辑比例名，对比例加以简短说明，选择比例类型，设置比例系数。如果选择了线性比例，还要设置斜率和截距两个参数。在比例设置面板中还可以预览比例的效果。在已经创建的比例名上单击鼠标可以弹出比例设置面板对比例的设置进行修改。新建虚拟通道时，新建向导会提示，新建比例还是将已经建立的比例加入到通道中。当然也可以不要比例。9-2-2创建数据采集程序1.数据采集助手的应用数据采集助手DAQAssistant是LabVIEW中一个重要工具，它是一个设置测试任务、通道与比例的图形接口。在MAX和LabVIEW中都可以通过多种途径启动数据采集助手。数据采集助手的基本任务是进行数据采集的硬件设置，所以一旦涉及到相关任务，数据采集助手就会自动打开。在DAQmx数据采集系统中，测试任务Task是NI-DAQ的一个重要概念，它是一系列信息的集合，包括一个或多个通道以及定时、触发等属性。它也是数据采集助手与数据采集程序之间联系的纽带。9-2-2创建数据采集程序1.数据采集助手的应用——新建DAQmx测试任务向导9-2-2创建数据采集程序1.数据采集助手的应用——为任务选择测试类型9-2-2创建数据采集程序1.数据采集助手的应用——模拟输入任务细分9-2-2创建数据采集程序1.数据采集助手的应用——选择物理通道9-2-2创建数据采集程序1.数据采集助手的应用——命名数据采集任务9-2-2创建数据采集程序1.数据采集助手的应用——数据采集助手对话框9-2-2创建数据采集程序1.数据采集助手的应用——数据采集助手ExpressVI数据采集助手ExpressVI产生的任务只能在调用它的程序中使用，如果把它转换为一个任务常数，就可以存储在MAX中，供其它程序使用。转换步骤：1）在数据采集助手ExpressVI图标上弹出快捷菜单，选择ConverttoNIDAQmxTask；2）数据采集助手启动，这时可以对任务进行必要的修改；3）点击OK按钮，ExpressVI转换为任务常数。9-2-2创建数据采集程序2.图形代码的生成1）通过任务生成程序代码——DAQmx任务名9-2-2创建数据采集程序2.图形代码的生成1）通过任务生成程序代码——生成示例程序图形代码9-2-2创建数据采集程序2.图形代码的生成1）通过任务生成程序代码——生成配置程序图形代码9-2-2创建数据采集程序2.图形代码的生成2）将数据采集助手ExpressVI转换为程序图形代码通过任务常数转换按照前面介绍的办法将数据采集助手ExpressVI转换为任务常数；然后按这一节前面介绍的办法生成程序代码。通过打开VI前面板转换在数据采集助手弹出快捷菜单上选择“打开前面板”，将ExpressVI转换为标准VI，也就得到了程序代码。这是包括配置任务与执行任务的全部图形代码。9-2-3数据采集VI1.DAQmxCreateTask创建一个DAQmx数据采集任务。这个VI在“测量I/O—DAQmxDataAcquisition—DAQmxAdvancedTaskOptions”函数子选板中。2.DAQmxCreateVirtualChannel新建虚拟通道VI。这是DAQmx数据采集系统中使用非常普遍的一个VI，在“测量I/O—DAQmxDataAcquisition”函数子选板顶层。这是一个多态VI，它有许多子VI，每个子VI可以创建一种类型的虚拟通道，并将其加入到一个数据采集任务中。3.DAQmxTimingDAQmx定时VI。这个VI在“测量I/O—DAQmxDataAcquisition”函数子选板顶层，也是一个多态VI，它可以设置采样数、采样率，并在必要时设置缓冲区。9-2-3数据采集VI4.DAQmxStartTask启动DAQmx任务VI。在“测量I/O—DAQmxDataAcquisition”函数子选板顶层。若不使用此VI，当DAQmxReadVI执行时，数据采集任务自动启动。5.DAQmxReadDAQmx读数据VI。在“测量I/O—DAQmxDataAcquisition”函数子选板顶层，它由指定的任务或通道读取采集的数据。这是一个多态VI，根据数据采集的类型、读取数据的数量和要求返回数据的类型，有许多子VI可以选择。6.DAQmxStopTask停止任务VI。这个VI在“测量I/O—DAQmxDataAcquisition”VI子选板顶层，它停止一个任务，并把它恢复到执行前的状态。它的参数与DAQmxStartTaskVI相同。9-2-4测量直流电压信号直流电压信号是变化缓慢的信号，一般测量直流电压信号每次只需要采集一点数据，也可以采集多点数据再取其平均值，以减小测量误差。根据被监测对象的数量又可以采用单通道采样或多通道采样。9-2-5波形采集1.采集有限数量的数据9-2-5波形采集2.连续采集数据9-2-6频率测量频率混叠采样率的1/2被称为赖奎斯特频率，高于赖奎斯特频率的信号会在直流和赖奎斯特频率之间产生混叠。混叠频率是与信号频率最接近的整数倍采样率减去信号频率，再取绝对值。工程上为了防止混叠常在信号采集前用硬件进行滤波，去除赖奎斯特频率以上的信号成分，称为抗混滤波