虚拟仪器设计方法

虚拟仪器专题设计实验本科生课程《仪器设计专题实验》2内容专题设计实验安排多功能数据采集卡简介设计实验3专题设计实验安排第二个阶段3-6周，共计4周，8学时/周设计实验（24学时）虚拟数字示波器（24学时）1人一组4专题设计实验安排教学方式确定项目设计目标学生独立设计和实现学生制作PPT进行汇报和演示教师评分多功能数据采集卡简介虚拟仪器专题设计实验6多功能数据采集卡模拟输入/输出数字输入/输出时钟输入/输出AI–A/DAO–D/ACounter/TimerDigitalI/ODAQBoardOnOff10信号分类信号根据其所传递的有用信息进行分类状态速率幅值形状频率SignalsAnalogDigitalOn-OffTimeDomainPulseTrainFrequencyDomainDConofft1-0-t0.985ttf78数字信号开关信号连续脉冲信号Input:检测光电编码器的脉冲Output:产生一个方波分辨率时钟频率Input:检测一个开关闭合Output:关闭一个阀通道数DAQ卡需要考虑的指标onofft1-0-t9数字信号调理需要交流切换或大电流的负载生产过程监测共模电压or高电压机械式继电器或固体继电器光隔离电磁阀阀电动机加热器灯泵接近开关限位开关手动开关数字I/O机械式继电器或固体继电器温度调节器10模拟信号时域信号振动语音声纳分辨率采样率AC精度触发滤波器温度压力流量应变DC精度频域信号直流信号心电信号血压单次事件分辨率采样率AC和DC精度触发DAQ卡需要考虑的指标参数0.985ttf11模拟信号调理低电压信号电流输入/输出RTDs(热电阻)和热敏电阻热电偶应变仪隔离，放大，滤波电流与电压的转换隔离，放大，滤波冷端补偿隔离，放大，滤波激励电源隔离，放大，滤波激励电压全桥和半桥设置隔离，放大，滤波多功能I/O12DAQ卡的前端信号调理模块SignalConditioningeXtensionsforInstrumentation(SCXI)13SCXI选择传感器和信号•热电偶•RTDs•热敏电阻•应变仪•电压信号微伏，毫伏，伏•电流信号4~20mA,0~20mA•数字信号信号调理•多路复用•放大•隔离•滤波•传感器激励•冷端补偿•……14A/D分辨率Codewidth=smallestdetectablechangeinvoltage=AD的输入范围增益*2nn=#ofADCbits16-bitADC3-bitADCAmplitudecodewidthTime02010012014040608010.009.757.506.255.003.752.501.25011111010001101000100015A/D采样率Nyquist原理:采样率2倍的最高频率AdequatelysampledAliasedduetoundersampling16多通道采集采集模式通道设置单端/差分输入单极性/双极性信号范围：增益扫描顺序连续扫描同步采样间隔扫描Straingauge1Straingauge2Battery1Battery2TempPressure17触发方式软件触发(SW)STARTTRIG*InputofMIOBoardEdgeInitiatesAcquisitionTTLSignalLevelandSlopeofAnalogSignalInitiatesAcquisitionLevelandSlopeofAnalogSignalRetrievesAcquisition条件获取(SW)模拟触发(HW)数字触发(HW)SoftwareCommandInitiatesAcquisition18数据采集卡的优越性灵活成本较低性能选择范围大有大量的软件工具可用利用PC技术ELVISII平台简介虚拟仪器专题设计实验ELVISII平台硬件指标数字万用表隔离5½位60VDC，20Vrms,2ADC,2Arms,100MΩ函数发生器10-bit±5V范围0.2Hz到5MHz正弦0.2Hz到1MHz三角波/方波软件或手动可控BNC或原型板连接USB连接即插即用USB2.0示波器16bit分辨率1.25MS/s单通道500kS/s双通道共计1到1.5MHz带宽1x和10x探针±10V输入范围AC/DC耦合BNC连接20ELVISII平台硬件指标21阻抗分析仪0.2Hz到35kHz范围NPN,PNP,二极管其他分析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10bit分辨率0到+12V,0到-12V500mA电流范围集成DAQAI采样率1.25MS/s单通道,500kS/s双通道16bit分辨率AO2.8MS/s更新率24DIO,15PFI,2CTR原型板可替换自定义Banana,BNC,D-Sub连接ELVISII平台原型板22AI、示波器、PFI计数器、LED电源、波形发生器、AO、DMM数字I/O原型板行、列连接23应用软件24ApplicationSoftwareInstrumentI/OLabVIEWUSB-6211DAQCardNIDAQmx(.dll)应用软件应用程序仪器I/O数据采集(仪器驱动器)数据分析数据表达与数据采集相关的函数选板DAQmx26DAQmx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27输入(测量)范围仪器放大器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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28AMPADC采样术语(针对硬件定时)采样率单一通道每秒采样点数？SPS/Hz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对于多路复用采样架构来说，通道之间会有延时对于同步采样架构来说，通道之间的转换时钟是同步的AIConvertClock012301230123SampleClock29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)PCRAM应用程序内存PC缓存输入速率信号板载FIFO转移速率ASICLabVIEWPC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31连续数据采集驱动程序会根据采样率设置自动选择合适的PC缓存大小。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0-100S/s1kS100-10,000S/s10kS10,000–1,000,000S/s100kS1,000,000S/s1MS理解连续数据采集时PC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LabVIEWBuffer2PC缓存LabVIEWBuffer3PC缓存LabVIEWBufferPC缓存LabVIEWBuffer433连续采集时可能的数据传输异常PCRAM应用程序内存PC缓存输入速率信号板载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PCRAM，并通过编程指定更大的Buffer4.降低采样速率(如果允许)34触发(Trigger)触发的概念每个动作需要一个“激励”或“原因”动作：比如由外部的一个状态变化来启动一次数据采集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1234535LabVIEW中对触发的编程在任务种增加DAQmxTrigger.vi并作相应配置36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37接线方式1：差分(Differential)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VS38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39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40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+_Vs41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AISENSE42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10kand100k信号源测量系统+-R1R2仪器放大器会产生偏置电流+-AIGND43NIELVIS平台的模拟数据采集部分通道数8路差分或16路单端ADC分辨率16位采样率单通道最高1.25MS/s多通道1MS/s(所有通道合计)输入范围±10V,±5V,±2V,±1V,±0.5V,±0.2V,±0.1V虚拟数字示波器虚拟仪器专题设计实验49虚拟数字示波器实验目的研究数字示波器(SCOPE)的基本功能和技术指标通道控制、时基（扫描）控制、触发控制参数计算和游标测量功能了解多功能数据采集卡硬件模拟输入通道的工作原理掌握NIDAQmx仪器驱动器的概念和编程方法掌握利用NIDAQmx实现模拟信号输入的编程方法基于多功能数据采集卡，设计开发虚拟数字示波器数字示波器(SCOPE)的基本功能函数发生器(FGEN)和示波器(SCOPE)硬件连线用BNC接线将ELVISII工作台上的SCOPECH0的BNC接口与原型板FGEN的BNC接口相连50数字示波器(SCOPE)的基本功能5152数字示波器的基本功能时基控制通道控制触发控制数据采集数据处理波形显示波形参数游标测量数据存储和浏览频谱分析通道选择：CH1/CH2耦合方式：AC/DC测量范围：垂直位置扫描频率：信号源：模拟输入触发方式：边沿、电平触发电平设置参考位置（预触发）单通道：CH1/CH2双通道：CH1&CH2幅值参数时间参数垂直游标（幅值）水平游标（时间）窗函数保存波形文件读取波形文件53NIDAQ模拟输入电路TimingController量程选择输入方式定时&触发控制对地参考由测量设备或者被测外部信号提供。当由测量设备提供地时，模拟输入端可配置为差分输入(Differential-需要偏置电阻)、对地参照单端模式(RSE)当由信号源提供地时，模拟输入端可配置为差分输入(Differential)、非参考单端模式(NRSE)函数发生器(FGEN)和模拟输入(AI)硬件连线将ELVISII原型板上的AI0+端和原型板FGEN端相连；AI0-端与AGND相连接模拟输入端子配置TerminalConfiguration=Differential5455设计要求通道控制单/双通道显示；确定测量范围(硬件增益)的档位；2个通