基于labview和pci6221板卡的多路數據采集系統(tǒng)設計

1、題 目：基于LabVIEW和PCI-6221板卡的多路數據采集系統(tǒng)設計基于LabVIEW和PCI-6221板卡的多路數據采集系統(tǒng)設計摘要在生產過程中，應用數據采集系統(tǒng)可對生產現(xiàn)場的工藝參數進采集、監(jiān)視和記錄，為提高產品質量、降低成本提供信息和手段。在科學研究中，應用數據采集系統(tǒng)可獲得大量的動態(tài)信息，是研究瞬間物理過程的有力工具，也是獲取科學奧秘的重要手段之一?？傊?，不論在哪個應用領域中，數據采集與處理越及時工作效率就越高，取得的經濟效益就越大。文章主要內容就是在綜合了虛擬儀器技術的特點之上提出了一種基于LabVIEW和PCI-6221板卡的多路數據采集系統(tǒng)的實現(xiàn)方法，首先介紹了虛擬儀器的總線及

2、其標準、框架結構、數據采集的相關理論，然后給出了數據采集系統(tǒng)的硬件結構圖。在分析本系統(tǒng)功能需求的基礎上，介紹了程序模塊化設計、數據庫、Web、多線程等技術，最后重點介紹了應用LabVIEW 8.5開發(fā)平臺實現(xiàn)數據采集系統(tǒng)的方法，給出了設計的前面板及程序框圖。該系統(tǒng)具有多路數據采集、實時顯示、歷史數據回放與報警記錄等功能，并且利用labSQL數據庫訪問技術，實現(xiàn)了采集數據的存儲。此外，還使用Web技術實現(xiàn)了對系統(tǒng)的遠程訪問及控制。關鍵詞：虛擬儀器；數據采集；PCI-6221 板卡；曲線顯示；labSQL數據庫The Design Of Multi-channel Data Acquisition

3、 System On Based Of LabVIEW And PCI-6221 Acquisition BoardAbstractIn the production process, the application of data acquisition system at the scene of the production process parameters into the collection, monitoring and recording, in order to improve product quality, reduce costs and means of prov

4、iding information. In scientific research, applied data acquisition system will be a lot of dynamic information, is to examine the physical processes of the moment a powerful tool, but also access to scientific mysteries of one of the important means. In short, regardless of which applications, data

5、 acquisition and processing more efficient and timely work of the higher, the greater the economic benefits yielded. The main context of the design is a combination of the characteristics of virtual instrument technology on top of a LabVIEW-based and PCI-6221 data acquisition board system approach,

6、first introduced its virtual instrument bus standard, the framework structure , data collected related to the theory, and then given a data acquisition system hardware structure. In analyzing the functional requirements of the system on the basis of the procedures introduced modular design, database

7、, multi-threading technology, and finally focuses on the LabVIEW 8.5 application development platform for the realization of the method of data acquisition system, given the design of the front panel diagram and procedures. The system has multi-channel data acquisition, real-time display, historical

8、 data playback and recording features such as alarm and to take advantage of labSQL database access technology, to achieve the collection of data storage. In addition, the use of Web technology on the system and control of remote access.Keywords: Virtual instrument; data acquisition; PCI-6221 board;

9、 curve shows; labSQL database目錄 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc232755539 摘要 PAGEREF _Toc232755539 h I HYPERLINK l _Toc232755540 Abstract PAGEREF _Toc232755540 h II HYPERLINK l _Toc232755541 第一章 緒論 PAGEREF _Toc232755541 h 1 HYPERLINK l _Toc232755542 數據采集系統(tǒng)研究背景及意義 PAGEREF _Toc232755542 h 1 HYPERLINK

10、l _Toc232755543 虛擬儀器技術簡介 PAGEREF _Toc232755543 h 2 HYPERLINK l _Toc232755544 虛擬儀器的概念和特點 PAGEREF _Toc232755544 h 2 HYPERLINK l _Toc232755545 1.2.2 虛擬儀器的分類及結構 PAGEREF _Toc232755545 h 2 HYPERLINK l _Toc232755546 虛擬儀器技術的現(xiàn)狀及前景展望 PAGEREF _Toc232755546 h 3 HYPERLINK l _Toc232755547 本文主要內容 PAGEREF _Toc23275

11、5547 h 4 HYPERLINK l _Toc232755548 第二章 數據采集的基本理論 PAGEREF _Toc232755548 h 5 HYPERLINK l _Toc232755549 輸入信號的類型 PAGEREF _Toc232755549 h 5 HYPERLINK l _Toc232755550 輸入信號的連接方式 PAGEREF _Toc232755550 h 7 HYPERLINK l _Toc232755551 2.2.1 測量系統(tǒng)分類 PAGEREF _Toc232755551 h 7 HYPERLINK l _Toc232755552 選擇合適的測量系統(tǒng) PA

12、GEREF _Toc232755552 h 9 HYPERLINK l _Toc232755553 信號調理 PAGEREF _Toc232755553 h 11 HYPERLINK l _Toc232755554 采樣定理 PAGEREF _Toc232755554 h 12 HYPERLINK l _Toc232755555 數據采集及處理的過程 PAGEREF _Toc232755555 h 12 HYPERLINK l _Toc232755556 數據采集系統(tǒng)的一般組成及各部分功能描述 PAGEREF _Toc232755556 h 14 HYPERLINK l _Toc2327555

13、57 第三章 基于LabVIEW和PCI-6221板卡的多路數據采集系統(tǒng) PAGEREF _Toc232755557 h 17 HYPERLINK l _Toc232755558 虛擬儀器最基本的三種組建方案 PAGEREF _Toc232755558 h 17 HYPERLINK l _Toc232755559 系統(tǒng)總體硬件框圖 PAGEREF _Toc232755559 h 18 HYPERLINK l _Toc232755560 系統(tǒng)實現(xiàn)的功能特點 PAGEREF _Toc232755560 h 19 HYPERLINK l _Toc232755561 系統(tǒng)前面板設計 PAGEREF _

14、Toc232755561 h 19 HYPERLINK l _Toc232755562 登錄系統(tǒng) PAGEREF _Toc232755562 h 19 HYPERLINK l _Toc232755563 通道參數配置 PAGEREF _Toc232755563 h 20 HYPERLINK l _Toc232755564 實時數據顯示 PAGEREF _Toc232755564 h 22 HYPERLINK l _Toc232755565 3.4.4歷史數據查詢 PAGEREF _Toc232755565 h 22 HYPERLINK l _Toc232755566 報警記錄 PAGEREF

15、_Toc232755566 h 24 HYPERLINK l _Toc232755567 本章小結 PAGEREF _Toc232755567 h 24 HYPERLINK l _Toc232755568 第四章 系統(tǒng)硬件描述 PAGEREF _Toc232755568 h 25 HYPERLINK l _Toc232755569 信號調理模塊 PAGEREF _Toc232755569 h 25 HYPERLINK l _Toc232755570 信號調理模塊的選用 PAGEREF _Toc232755570 h 25 HYPERLINK l _Toc232755571 4.1.2 NI S

16、CC信號調理模塊簡介 PAGEREF _Toc232755571 h 25 HYPERLINK l _Toc232755572 測量放大電路 PAGEREF _Toc232755572 h 26 HYPERLINK l _Toc232755573 濾波電路 PAGEREF _Toc232755573 h 26 HYPERLINK l _Toc232755574 數據采集卡簡介 PAGEREF _Toc232755574 h 27 HYPERLINK l _Toc232755575 概述 PAGEREF _Toc232755575 h 27 HYPERLINK l _Toc232755576 數

17、據采集卡的組成 PAGEREF _Toc232755576 h 27 HYPERLINK l _Toc232755577 數據采集卡的參數設置 PAGEREF _Toc232755577 h 28 HYPERLINK l _Toc232755578 4.2.4 I/O接口設備PCI-6221數據采集卡 PAGEREF _Toc232755578 h 29 HYPERLINK l _Toc232755579 硬件抗干擾措施 PAGEREF _Toc232755579 h 29 HYPERLINK l _Toc232755580 測控系統(tǒng)中常見的干擾 PAGEREF _Toc232755580 h

18、 29 HYPERLINK l _Toc232755581 常用的抗干擾措施 PAGEREF _Toc232755581 h 30 HYPERLINK l _Toc232755582 本章小結 PAGEREF _Toc232755582 h 30 HYPERLINK l _Toc232755583 第五章 系統(tǒng)軟件設計及其相關技術 PAGEREF _Toc232755583 h 31 HYPERLINK l _Toc232755584 軟件平臺選擇 PAGEREF _Toc232755584 h 31 HYPERLINK l _Toc232755585 概述 PAGEREF _Toc23275

19、5585 h 31 HYPERLINK l _Toc232755586 虛擬儀器的軟件基礎 PAGEREF _Toc232755586 h 31 HYPERLINK l _Toc232755587 5.1.3 圖形化編程軟件平臺LabVIEW PAGEREF _Toc232755587 h 32 HYPERLINK l _Toc232755588 用LabVIEW設計虛擬儀器的方法 PAGEREF _Toc232755588 h 34 HYPERLINK l _Toc232755589 5.1.5 測試系統(tǒng)應用軟件結構 PAGEREF _Toc232755589 h 35 HYPERLINK

20、l _Toc232755590 5.2 LabVIEW中的數據庫訪問技術 PAGEREF _Toc232755590 h 35 HYPERLINK l _Toc232755591 5.2.1 Microsoft ADO簡介 PAGEREF _Toc232755591 h 35 HYPERLINK l _Toc232755592 結構化查詢語言SQL PAGEREF _Toc232755592 h 36 HYPERLINK l _Toc232755593 5.2.3 LabSQL工具包 PAGEREF _Toc232755593 h 36 HYPERLINK l _Toc232755594 系統(tǒng)

21、的應用軟件編制 PAGEREF _Toc232755594 h 37 HYPERLINK l _Toc232755595 啟動系統(tǒng) PAGEREF _Toc232755595 h 37 HYPERLINK l _Toc232755596 系統(tǒng)登錄模塊 PAGEREF _Toc232755596 h 37 HYPERLINK l _Toc232755597 用戶管理模塊 PAGEREF _Toc232755597 h 38 HYPERLINK l _Toc232755598 數據采集模塊 PAGEREF _Toc232755598 h 39 HYPERLINK l _Toc232755599 數

22、據存儲模塊 PAGEREF _Toc232755599 h 39 HYPERLINK l _Toc232755600 數據回放模塊 PAGEREF _Toc232755600 h 40 HYPERLINK l _Toc232755601 報警及記錄模塊 PAGEREF _Toc232755601 h 41 HYPERLINK l _Toc232755602 5.4 其它相關技術 PAGEREF _Toc232755602 h 42 HYPERLINK l _Toc232755603 5.4.1 Web上發(fā)布程序 PAGEREF _Toc232755603 h 42 HYPERLINK l _T

23、oc232755604 多線程技術 PAGEREF _Toc232755604 h 45 HYPERLINK l _Toc232755605 5.4.3 LabVIEW與多線程 PAGEREF _Toc232755605 h 45 HYPERLINK l _Toc232755606 多線程技術在本設計中的應用 PAGEREF _Toc232755606 h 45 HYPERLINK l _Toc232755607 本章小結 PAGEREF _Toc232755607 h 46 HYPERLINK l _Toc232755608 第六章 總結 PAGEREF _Toc232755608 h 47

24、 HYPERLINK l _Toc232755609 參考文獻 PAGEREF _Toc232755609 h 48 HYPERLINK l _Toc232755610 致謝 PAGEREF _Toc232755610 h 50第一章 緒論數據采集系統(tǒng)研究背景及意義數據采集系統(tǒng)是對傳感器或所需測量或處理的信號進行采集、數字化、存儲、分析和顯示的一個完整信號處理鏈路。數據采集的任務就是采集傳感器輸出的模擬信號并轉換成計算機能識別的數字信號，然后送入計算機或相應的信號處理系統(tǒng)，根據不同需要進行相應的計算和處理，得出所需的數據。與此同時，將計算機得到的數據進行顯示或打印，以便實現(xiàn)對某些物理量的監(jiān)視，

25、其中一部分數據還將反饋回生產過程中的計算機控制系統(tǒng)用來控制某些物理量。數據采集幾乎無孔不入，它已滲透到了地質、醫(yī)學器械、雷達、通訊、遙感遙測等各個領域，為我們更好的獲取信息提供了良好的基礎。另外，我們在評估一個信號源的質量時，也可以通過數據采集的手段將信號采集存入計算機，再通過各種處理方式來評價信號源的好壞。這時，該數據采集系統(tǒng)就類似一臺測試儀器。數據采集系統(tǒng)性能的好壞，主要取決于它的精度和速度。在保證精度的條件下，應有盡可能高的采樣速度，以滿足實時采集、實時處理和實時控制對速度的要求。精度是通過有效位數來反映的，有效位數越高，要求系統(tǒng)的噪聲就越低，這在實際工作中實現(xiàn)起來不太容易很好的克服系統(tǒng)

26、噪聲，目前從采集精度上看，有效位數能做到12位就很不錯了。速度是通過采樣速率來反映的，速度太高，傳統(tǒng)的TTL邏輯常常不能滿足需求，一般高速采集芯片的輸出邏輯都為ECL邏輯。這樣相應地增加了功耗。所以，在高速數據采集芯片的設計上是用大功耗來換取高速度，同時也減小了邏輯擺幅。根據目前芯片市場來看，速度最高的A/D轉換芯片己經達到了。數據采集系統(tǒng)對模擬器件提出的挑戰(zhàn)眾所周知，近20年來，與數據采集系統(tǒng)相關的PC技術及數字信號處理技術得到了飛速的發(fā)展，處理速度提高了。數據采集領域正在發(fā)生著重要的變化。首先，分布式控制應用場合中的智能數據采集系統(tǒng)正在發(fā)展；其次，總線兼容型數據采集插件的數量正在增大，與個

27、人計算機兼容的數據采集系統(tǒng)的數量也在增加。數據采集與控制數據采集已長時間地被認為與數據記錄及其它數據收集系統(tǒng)相等同。因此，對數據采集系統(tǒng)的研究具有重要且深遠的意義。虛擬儀器技術簡介虛擬儀器的概念和特點虛擬儀器是儀器技術、計算機技術、總線技術、軟件技術及其他技術相結合的產物，它利用計算機強大的數字處理能力實現(xiàn)儀器的大部分功能，打破了傳統(tǒng)儀器的框架，形成了一種新的儀器模式。美國NI公司于20世紀70年代中期提出了虛擬儀器的概念。虛擬儀器是在以通用計算機為核心的硬件平臺上，利用計算機強大的軟件功能實現(xiàn)信號數據的運算、分析和處理，利用I/O接口設備完成信號的采集、測量與調理，從而完成各種測試功能的一種

28、計算機儀器系統(tǒng)。是計算機技術與儀器技術相結合的產物，其基礎是計算機系統(tǒng)，核心是軟件技術。是一個測試自動化系統(tǒng)的高性能、低成本運載平臺。同時，NI公司在虛擬儀器概念出現(xiàn)以后，推出了圖形化虛擬儀器專用開發(fā)平臺LabVIEW。為了兼顧其它高級語言軟件開發(fā)者的習慣，NI還推出了Lab Windows/CVI、Component works等交互式開發(fā)平臺。虛擬儀器具有以下特點：軟件是虛擬儀器的核心；性價比高；縮小了儀器廠商與用戶之間的距離； 具有良好的人機界面； 具有方便、靈活的互聯(lián)；開發(fā)周期短；可靠性高；具有開放性、模塊化、可重復使用及互換性等特點； 維護、維修方便。 虛擬儀器的分類及結構虛擬儀器隨

29、著微機的發(fā)展和采用總線方式的不同，可分為五種類型：第一類：PCI總線-插卡型虛擬儀器 這種方式借助于插入計算機內的數據采集卡與專用的測試軟件(如LabVIEW、HPVEE等)相結合，完成測試任務。它充分利用了計算機的總線、機箱、電源及軟件的便利，但它的關鍵取決于A/D轉換技術。這類儀器受PC機機箱和總線限制，并存在電源功率不足、機箱內部噪聲電平較高、插槽數目不多，插槽尺寸較小，機箱內無屏蔽等缺點。插卡式儀器最便宜，因個人計算機數量非常龐大，用途廣泛，特別適合于教學部門和各種實驗室使用。第二類：并行口式虛擬儀器 最新發(fā)展的一系列可連接到計算機并行口的測試裝置，它們把硬件集成在一個采集盒里或一個探

30、頭上，軟件安裝在計算機上。典型產品有LWK公司的DSO-ZIXX系列數字示波器。它們最大的好處是可以與筆記本電腦相連，方便野外作業(yè)，又可與臺式電腦相連，實現(xiàn)臺式與便攜式兩用。第三類：GPIB總線方式的虛擬儀器 GPIB技術是EIEE488標準的虛擬儀器早期的發(fā)展階段。它的出現(xiàn)使電子測量由獨立的單臺手工操作向大規(guī)模自動測試系統(tǒng)發(fā)展，典型的GPIB系統(tǒng)由一臺PC機、一塊GPIB接口卡和若干臺GPIB式的儀器通過GPIB電纜連接而成。在標準情況下，一塊GPIB接口卡可帶多達14臺儀器，電纜長度可達20米。GPIB技術可用計算機實現(xiàn)對儀器的操作和控制，替代傳統(tǒng)的人工操作方式，形成大型自動測量系統(tǒng)。GP

31、IB測量系統(tǒng)的結構和操作命令簡單，造價較低，適合在要求高精度，但不要求對計算機高速傳輸的情況下應用。第四類：VXI總線方式的虛擬儀器 VXI總線是一種高速計算機總線VME總線在VI領域中的擴展。由于它具有標準開放、結構緊湊，數據吞吐能力強，定時和同步精確，模塊可重復利用，眾多儀器廠家支持等優(yōu)點，很快得到了廣泛的應用。經過十多年的發(fā)展，VXI系統(tǒng)的組建和使用越來越方便，尤其是組建大、中規(guī)模自動化測量系統(tǒng)，以及對速度、精度要求較高的場合，有其他儀器無法比擬的優(yōu)勢。但組建成VXI總線要求有機箱、零槽管理器及嵌入式控制器，造價比較高。第五類：PXI總線方式的虛擬儀器 PXI總線方式是在PCI總線內核技

32、術上增加了成熟的技術規(guī)范和要求而形成的。PXI具有8個擴展槽，而臺式PCI系統(tǒng)只有3-4個擴展槽，通過使用PCI-PCI橋接技術，可擴展到256個擴展槽，臺式PC的性價比和PCI總線向儀器領域的擴展優(yōu)勢結合起來，將形成未來主要的虛擬儀器平臺。虛擬儀器技術的現(xiàn)狀及前景展望虛擬儀器技術在我國的研究剛起步，還有許多問題需要去探索，如智能化軟件開發(fā)平臺的研究，采用人工智能技術降低VI的設計難度，使用戶簡潔地構成VI系統(tǒng)，幫助用戶對測試結果進行分析和判斷，完成復雜的測試任務等。國內虛擬儀器行業(yè)至今還沒有形成具有自主知識產權的虛擬儀器核心開發(fā)技術，也沒有相關的行業(yè)標準。虛擬儀器產業(yè)無論在規(guī)模還是在質量上都

33、難以與國外同行匹敵，國外虛擬儀器產品幾乎壟斷了國內的市場。總之，隨著計算機、網絡、通信、微電子等相關技術的不斷發(fā)展，VI技術也會不斷向前發(fā)展，微型化、智能化和網絡化將成為今后VI研究開發(fā)的主導方向。伴隨網絡技術的高速發(fā)展，出現(xiàn)了以網絡為基礎、虛擬儀器為核心的“虛擬實驗室”的概念。目前，虛擬實驗室已成功地應用于許多大型實驗室的實驗研究和高等學校的實驗教學。在人工智能研究的影響下，人們開始關注如何提高虛擬儀器的智能化水平。虛擬儀器的發(fā)展主要取決于三個重要因素。計算機是動力，軟件是主宰，高質量的A/D采集卡及調理放大器與傳感器是關鍵。無淪哪種VI系統(tǒng)，都是將硬件儀器(傳感器、調理放大器、A/D)搭載

34、到各種計算機平臺上，加上應用軟件面板構成，實現(xiàn)使用計算機的全數字采集測試分析。VI的發(fā)展完全跟計算機的發(fā)展同步，所以顯示出VI的靈活性和強大的生命力。虛擬儀器的興起是測試儀器技術的一次“革命”，是儀器領域的一個新的里程碑，未來的VI完全可以覆蓋計算機輔助測試的全部領域。標準化、通用化、系列比、模塊化以及開放式的體系結構等，VXI系統(tǒng)的觀念將成為電子測量儀器儀表變革的重要方向。數據采集、測試、過程控制、信息傳輸與通信等現(xiàn)代信息技術匯聚在一起，將最終導致標準化、規(guī)范化卡式儀器和軟件化儀器的更廣泛流行。虛擬儀器的發(fā)展將本著跟隨通用計算機走、跟著通用軟件走、跟著網絡走的指導思想。繼“軟件就是儀器”的概

35、念之后，很可能出現(xiàn)“網絡就是儀器”的新觀念。本文主要內容本文的主要內容就是在綜合了虛擬儀器技術的特點之上提出了一種基于LabVIEW和PCI-6221 板卡的數據采集系統(tǒng)的實現(xiàn)，即利用NI公司的數據采集卡PCI-6221板卡搭建出數據采集系統(tǒng)的硬件平臺。并介紹了數據采集系統(tǒng)的軟件結構，在此基礎上以Lab為平臺，闡述了利用虛擬儀器技術實現(xiàn)多通道數據實時采集，數據動態(tài)曲線顯示的方法，在對數據的管理方面，利用LabSQL工具包使得采集的數據能夠利用數據庫進行管理，方便用戶進行數據的查詢，很好的提高了數據的管理功效。第二章 數據采集的基本理論2.1輸入信號的類型在進行數據采集前，必須要對采集的信號有所

36、了解，因為不同信號的測量方式和對采集系統(tǒng)的要求是不同的，只有了解被測信號，才能選擇合適的測量方式和采集系統(tǒng)。任意一個信號都是隨時間而改變的物理量。一般情況下，信號所運載信息是很廣泛的，比如：狀態(tài)、速率、電平、形狀、頻率成分。根據信號運載信息方式的不同，可以將信號分為模擬信號和數字信號。數字信號又可分為開關信號和脈沖信號。模擬信號則可分為直流、時域、頻域信號。1) 數字信號第一類數字信號是開關信號，如圖所示。一個開關信號運載的信息與信號的瞬間狀態(tài)有關。TTL信號就是一個開關信號，一個TTL信號如果在2.0V到5.0V之間，就定義它為邏輯高電平，如果在0到0.8V之間，就定義為邏輯低電平。圖 2.

37、1 開關信號第二類數字信號是脈沖信號，如圖所示。這種信號包括一系列的狀態(tài)轉換，信息就包含在狀態(tài)轉化發(fā)生的數目、轉換速率、一個轉換間隔或多個轉換間隔的時間里。圖 脈沖信號2) 模擬信號模擬直流信號(DC)是靜止或變化非常緩慢的模擬信號，如圖所示。直流信號最重要的信息是它在給定區(qū)間內運載的信息的幅度。常見的直流信號有溫度、流速、壓力、應變等。采集系統(tǒng)在采集模擬直流信號時，需要有足夠的精度來正確測量信號電平。模擬時域信號(Time Domain)運載的信息不僅有信號的電平，還有電平隨時間的變化，如圖所示。在測量一個時域信號或者說是波形時，需要關注波形形狀的特性，如斜度、峰值等。為了測量一個時域信號，

38、必須有一個精確的時間序列，間隔也要合適，以保證信號的有用部分被采集到。圖 模擬時域信號模擬頻域信號(Frequency Domain)與時域信號類似，但從頻域信號中提取的信息是信號的頻域內容，而不是波形的形狀，也不是隨時間變化的特性，如圖所示。用于測量一個頻域信號的系統(tǒng)必須有必要的分析功能，用于從信號中提取頻域信息。為了實現(xiàn)這樣的數字信號處理，可以使用應用軟件或特殊的DSP硬件來迅速而有效地分析信號。模擬頻域信號也很多，比如聲音信號、傳輸信號等。圖2.5 模擬頻域信號現(xiàn)實中的信號并不是互相排斥的，一個信號可能運載有不只一種信息，可以用幾種方式來定義信號并測量它，用不同類型的系統(tǒng)來測量同一個信號

39、，從信號中取出需要的各種信息。2.2輸入信號的連接方式一個電壓信號可以分為接地信號和浮動信號兩種類型。測量系統(tǒng)輸入信號的連接方式可以分為差分(Differential)輸入、參考地單端(RSE)輸入、無參考地單端(NRSE)輸入三種類型。1) 接地信接地信號，就是將信號的一端與系統(tǒng)地連接起來，如大地或建筑物的地。因為信號用的是系統(tǒng)地，所以與數據采集卡是共地的。接地最常見的例子是通過墻上的接地引出線，如信號發(fā)生器和電源。2) 浮動信號一個不與任何地(如大地或建筑物的地)連接的電壓信號稱為浮動信號，浮動信號的每個端口都與系統(tǒng)地獨立。一些常見的浮動信號的例子有電池、熱電偶、變壓器和隔離放大器。2.2

40、.1 測量系統(tǒng)分類1) 差分測量系統(tǒng)(DEF)差分測量系統(tǒng)中，信號輸入端與一個模擬入通道相連接。具有放大器的數據采集卡可配置成差分測量系統(tǒng)。圖描述了一個8通道的差分測量系統(tǒng)，用一個放大器通過模擬多路轉換器進行通道間的轉換。標有AIGND(模擬輸入地)的管腳就是測量系統(tǒng)的地。一個理想的差分測量系統(tǒng)僅能測出(+)和(-)輸入端口之間的電位差，完全不會測量到共模電壓。然而，實際應用的板卡卻限制了差分測量系統(tǒng)抵抗共模電壓的能力，數據采集卡的共模電壓的范圍限制了相對與測量系統(tǒng)地的輸入電壓的波動范圍。共模電壓的范圍關系到一個數據采集卡的性能，可以用不同的方式來消除共模電壓的影響。如果系統(tǒng)共模電壓超過允許范

41、圍，需要限制信號地與數據采集卡的地之間的浮地電壓，以避免測量數據錯誤。圖八通道差分測量系統(tǒng)2) 參考地單端測量系統(tǒng)(RSE)一個RSE測量系統(tǒng)，也叫做接地測量系統(tǒng)，被測信號的一端接模擬輸入通道，另一端連接系統(tǒng)地AIGND。圖表示了一個16通道的RSE測量系統(tǒng)。圖 十六通道RSE測量系統(tǒng)3) 無參考地單端測量系統(tǒng)(NRSE)在NRSE測量系統(tǒng)中，信號的一端接模擬輸入通道，另一端接一個公用參考端，但這個參考端電壓相對于測量系統(tǒng)的地來說是不斷變化的。圖說明了一個NRSE測量系統(tǒng)，其中AISENSE是測量的公共參考端，AIGND是系統(tǒng)的地。圖 十六通道NRSE測量系統(tǒng)2.2.2選擇合適的測量系統(tǒng)兩種信

42、號源和三種測量系統(tǒng)一共可以組成如表1的六種連接方式：表1 測量系統(tǒng)連接方式接地信號浮動信號DEFRSENRSE其中，推薦使用帶號的方式。從上表1可以看出，浮動信號和差分連接方式的系統(tǒng)較好。但實際測量時還要看情況而定。1) 測量接地信號測量接地信號最好采用差分或NRSE測量系統(tǒng)。如果采用RSE測量系統(tǒng)時，將會給測量結果帶來較大的誤差。圖體現(xiàn)了一個用RSE測量系統(tǒng)去測量一個接地信號源的弊端。在本例中，測量電壓Vm是測量信號電壓Vs和電位差DVg之和，其中DVg是信號地和測量地之間的電位差，這個電位差來自于接地回路電阻，可能會造成數據錯誤。一個接地回路通常會在測量數據中引入頻率為電源頻率的交流和偏置

43、直流干擾。一種避免接地回路形成的辦法就是在測量信號前使用隔離方法，測量隔離之后的信號。如果信號電壓很高并且信號源和數據采集卡之間的連接阻抗很小，就可以采用RSE系統(tǒng)，因為此時接地回路電壓相對于信號電壓來說很小，信號源電壓的測量值受到接地回路的影響可以忽略。圖 RSE測量系統(tǒng)測量浮動信號2) 測量浮動信號測量浮動信號可以采用DEF、RSE、NRSE方式測量浮動信號。在差分測量系統(tǒng)中，應首先保證相對于測量地的信號的共模電壓在測量系統(tǒng)設備允許的范圍之內。如果采用差分或NRSE測量系統(tǒng)，放大器輸入偏置電流會導致浮動信號電壓偏離數據采集卡的有效范圍。為了穩(wěn)住信號電壓，需要在每個測量端與測量地之間連接偏置

44、電阻，如圖所示。這樣就為放大器輸入到放大器的地提供了一個直流通路。這些偏置電阻的阻值應該足夠大，這樣使得信號源可以相對于測量地浮動。對低阻抗信號源來說，10k到100k的電阻比較合適。如果輸入信號是直流，就只需要用一個電阻將(-)端與測量系統(tǒng)的地連接起來。然而如果信號源的阻抗相對較高，從免除干擾的角度而言，這種連接方式會導致系統(tǒng)不平衡。在信號源的阻抗足夠高的時候，應該選取兩個等值電阻，一個連接信號高電平(+)到地，一個連接信號低電平(-)到地。如果輸入信號是交流，就需要兩個偏置電阻，以達到放大器的直流偏置通路的要求。圖 測量浮動信號總的來說，不論測量接地還是浮動信號，差分測量系統(tǒng)是很好的選擇，

45、因為它不但避免了接地回路干擾，還避免了環(huán)境干擾。相反，RSE系統(tǒng)卻允許兩種干擾的存在，在所有輸入信號都滿足以下指標時，可以采用RSE測量方式：輸入信號是高電平(一般要超過1V)；連線比較短(一般小于5米)并且環(huán)境干擾很小或屏蔽良好；所有輸入信號都與信號源共地。當有一項不滿足要求時，就要考慮使用差分測量方式。值得注意的一點是信號源的阻抗大小。電池、RTD、應變片、熱電偶等信號源的阻抗很小，可以將這些信號源直接連接到數據采集卡上或信號調理硬件上。直接將高阻抗的信號源接到插入式板卡上會導致出錯。為了更好的測量，輸入信號源的阻抗與插入式數據采集卡的阻抗相匹配。2.3信號調理傳感器部分是跟外界溝通的門戶

46、，負責把外界的各種物理信息，如光、壓力、溫度、聲音等物理信號變成電信號。因為被測試對象的信號來源已經是標準的電信號，所以傳感器部分在設計中沒有得到具體體現(xiàn)，但是這部分是設計過程中必需要考慮的。從傳感器得到的信號大多要經過調理才能進入數據采集設備，信號調理功能包括放大、隔離、濾波、激勵、線性化等。由于不同傳感器有不同的特性，所以除了這些通用功能外，還要根據具體傳感器的特性和要求來設計特殊的信號調理功能。信號調理的通用功能如下：1) 放大 微弱信號都要進行放大以提高分辨率和降低噪聲，使調理后信號的電壓范圍和A/D的電壓范圍相匹配。信號調理模塊應盡可能靠近信號源或傳感器，使得信號在受到傳輸信號的環(huán)境

47、噪聲影響之前已被放大，使信噪比得到改善。2) 隔離 隔離是指使用變壓器、光或電容耦合等方法在被測系統(tǒng)和測試系統(tǒng)之間傳遞信號，避免直接的電連接。使用隔離的原因：是從安全的角度考慮；二是隔離可使從數據采集卡讀出來的數據不受地電位和輸入模式的影響。如果數據采集卡的地與信號地之間有電位差，而又不進行隔離，那么就有可能形成接地回路，引起誤差。3) 濾波 濾波的目的是從所測量的信號中除去不需要的成分。大多數信號調理模塊有低通濾波器，用來濾除噪聲。通常還需要抗混疊濾波器，濾除信號中感興趣的最高頻率以上的所有頻率的信號。另外，某些高性能的數據采集卡自身帶有抗混疊濾波器。4) 激勵 信號調理也能夠為某些傳感器提

48、供所需的激勵信號，比如應變傳感器、熱敏電阻等就需要外界電源或電流激勵信號。很多信號調理模塊都提供電流源和電壓源以便給傳感器提供激勵。5) 線性化 許多傳感器對被測量的響應是非線性的，因而需要對其輸出信號進行線性化，以補償傳感器帶來的誤差。目前，數據采集系統(tǒng)也可以利用軟件來解決這一問題。6) 數字信號調理 即使傳感器直接輸出數字信號，有時也有必要進行調理，其作用是將傳感器輸出的數字信號進行必要的整形或電平調整。大多數數字信號調理模塊還提供其他一些電路模塊，使得用戶可以通過數據采集卡的數字I/O比直接控制電磁閥、電燈、電動機等外部設備。采樣定理采樣定理說明采樣頻率與信號頻譜之間的關系，是連續(xù)信號離

49、散化的基本依據。采樣定理具體描述如下：模擬/數字信號的轉換過程中，當采樣頻率fs.max大于信號中，最高頻率fmax的2倍時，即：fs.max=2fmax,則采樣之后的數字信號完整地保留了原始信號中的信息，一般取-4倍的信號最大頻率；但一般實際應用中保證采樣頻率為信號最高頻率的510倍；采樣定理又稱奈奎斯特定理。采樣率：（也稱為采樣速度或者采樣頻率)定義了每秒從連續(xù)信號中提取并組成離散信號的采樣個數，采樣頻率的常用的表示符號是 fs。注：采樣頻率只能用于周期性采樣的采樣器，對于非周期性采樣的采樣器沒有規(guī)則限制。2.5數據采集及處理的過程模擬信號采樣過程主要為采樣、量化和編碼，具體過程如圖所示：

50、過程計算機只能識別和處理數字量，但是絕大部分工程信號都是以連續(xù)可變的模擬量。因此這些模擬量在被計算機處理之前必須經過模-數(A/D)轉換。數據的采集就是在計算機控制下，通過AD器件把連續(xù)變化的模擬量轉化為數字量。它是將模擬信號按一定的時間間隔抽取其瞬時值，從而把一個連續(xù)時間函數信號變成每隔一定時間間隔才有函數值的離散信號樣本集。由計算機輸出的結果為數字信號需要經過數-模(D/A)轉換才能符合實際需要。數據轉換包含兩個方面：一方面是模擬信號在進入計算機進行字處理之前的A/D轉換；另一方面是數字信號從計算機中輸出時要經過D/A轉換才能適應工程應用。數據采集的核心過程就是將連續(xù)的模擬信號轉換成離散的

51、數字信號采樣點太多，會占用大量內存單元；采樣點太少，會使模擬信號的某些信息被丟失，出現(xiàn)失真現(xiàn)象。假設現(xiàn)在對一個模擬信號x(t)每隔t時間采樣一次。時間間隔t被稱為采樣間隔或者采樣周期。它的倒數l/t被稱為采樣頻率，單位是采樣數/每秒。t0，t，2t，3t等等，x(t)的數值就被稱為采樣值，即x(0)，x(t)，x(2t)都是采樣值。這樣信號x(t)可以用一組分散的采樣值來表示：x(0)，x(t)，x(2t)，x(3t)，x(kt)，圖顯示了一個模擬信號和它采樣后的采樣值。采樣間隔是t，注意，采樣點在時域上是離散的。圖模擬信號采樣圖如果對信號x(t)采集N個采樣點，那么x(t)就可以用下面這個數

52、列表示：X=x0，xl，x2，x3，xN-l這個數列被稱為信號x(t)的數字化顯示或者采樣顯示。這個數列中僅僅用下標變量編制索引，而不含有任何關于采樣率(或t)的信息。所以如果只知道該信號的采樣值，并不能知道它的采樣率，缺少了時間尺度，也不可能知道信號x(t)的頻率。根據采樣定理，最低采樣頻率必須是信號頻率的兩倍。反過來說，如果給定了采樣頻率，那么能夠正確顯示信號而不發(fā)生畸變的最大頻率叫做恩奎斯特頻率，它是采樣頻率的一半。如果信號中包含頻率高于奈奎斯特頻率的成分，信號將在直流和恩奎斯特頻率之間畸變。圖和圖顯示了一個信號分別用合適的采樣率和過低的采樣率進行采樣的結果。圖2.13合適采樣率采樣波形

53、圖2.14采樣率過低采樣波形采樣率過低的結果是還原的信號的頻率看上去與原始信號不同。這種信號畸變叫做混疊。出現(xiàn)的混頻偏差是輸入信號的頻率和最靠近的采樣率整數倍的差的絕對值。為了避免這種情況的發(fā)生，通常在信號被采集(A/D)之前，經過一個低通濾波器，將信號中高于奈奎斯特頻率的信號成分濾去。理論上設置采樣頻率為被采集信號最高頻率成分的2倍就夠了，但實際上工程中選用5-10倍，有時為了較好地還原波形，甚至更高一些。2.6數據采集系統(tǒng)的一般組成及各部分功能描述1）基本數據采集系統(tǒng)組成框圖數據的采集與轉換的結構形式可以是單通道的也可以是多通道的，一個基本的單通圖 基本數據采集系統(tǒng)道數據采集系統(tǒng)包括傳感器

54、、信號調理電路、采樣/保持電路、模數轉換電路、邏輯控制電路、微處理器或計算機(PC)以及數-模轉換電路D/A等。其組成框圖如圖所示：2）基于PC的DAQ系統(tǒng)圖表示了基于PC的DAQ系統(tǒng)結構圖。在數據采集之前，程序將對采集板卡初始化，板卡上和內存中的Buffer是數據采集存儲的中間環(huán)節(jié)。需要注意的兩個問題是：是否使用緩沖？是否使用外觸發(fā)啟動、停止或同步一個操作？圖 基于PC的DAQ系統(tǒng)結構圖1) 緩沖(Buffers)這里的緩沖指的是PC內存的一個區(qū)域(不是數據采集卡上的FIFO緩沖)，它用來臨時存放數據。例如，你需要采集每秒采集幾千個數據，在一秒內顯示或圖形化所有數據是困難的。但是將采集卡的數

55、據先送到Buffer，你就可以先將它們快速存儲起來，稍后再重新找回它們顯示或分析。需要注意的是Buffer與采集操作的速度及容量有關。如果你的卡有DMA性能，模擬輸入操作就有一個通向計算機內存的高速硬件通道，這就意味著所采集的數據可以直接送到計算機的內存。如果不使用Buffer意味著對所采集的每一個數據你都必須及時處理(圖形化、分析等)。下列情況需要使用Buffer I/O：需要采集或產生許多樣本，其速率超過了實際顯示、存儲到硬件，或實時分析的速度。需要連續(xù)采集，并且要同時分析或顯示某些數據。采樣周期必須準確、均勻地通過數據樣本。下列情況可以不使用Buffer I/O：數據組短小，例如每秒只從

56、兩個通道之一采集一個數據點。需要縮減存儲器的開支。2) 觸發(fā)(Triggering)觸發(fā)涉及初始化、終止或同步采集事件的任何方法。觸發(fā)器通常是一個數字或模擬信號，其狀態(tài)可確定動作的發(fā)生。軟件觸發(fā)最容易，你可以直接用軟件，例如使用布爾面板控制去啟動/停止數據采集。硬件觸發(fā)讓板卡上的電路管理觸發(fā)器，控制了采集事件的時間分配，有很高的精確度。硬件觸發(fā)可進一步分為外部觸發(fā)和內部觸發(fā)。當某一模擬入通道發(fā)生一個指定的電壓電平時，讓卡輸出一個數字脈沖，這是內部觸發(fā)。采集卡等待一個外部儀器發(fā)出的數字脈沖到來后初始化采集卡，這是外部觸發(fā)。許多儀器提供數字輸出(常稱為“trigger out”)用于觸發(fā)特定的裝置

57、或儀器，在這里就是數據采集卡。下列情況使用軟件觸發(fā)：用戶需要對所有采集操作有明確的控制，并且事件定時不需要非常準確。下列情況使用硬件觸發(fā)：采集事件定時需要非常準確。用戶需要削減軟件開支。采集事件需要與外部裝置同步。第三章 基于LabVIEW和PCI-6221板卡的多路數據采集系統(tǒng)虛擬儀器最基本的三種組建方案l) 基于數據采集卡的虛擬儀器系統(tǒng)本設計采用的是基于數據采集卡的虛擬儀器系統(tǒng)組建方案。它是通過A/D轉換和D/A轉換分別將模擬、數字信號采集到計算機進行分析、處理、顯示等，并通過D/A轉換實現(xiàn)反饋控制，它還可以根據需要加入信號調理等硬件模塊。這是現(xiàn)在比較常用的一種方案，在中小型儀器系統(tǒng)中應用

58、比較廣泛。2) 由GPIB儀器控制的虛擬儀器系統(tǒng)一個典型的GPIB(General Purpose Interface Bus)測量系統(tǒng)由一臺PC機、一塊GPIB接口板和若干臺GPIB儀器通過標準GPIB電纜連接起來，組成大型的自動化儀器測量系統(tǒng)。在標準情況下，一塊GPIB接口板卡可帶多達14臺儀器，電纜長度可達20米，通常這己經足夠了。利用GPIB擴展技術，一個GPIB自動測量系統(tǒng)的規(guī)模無論是儀器數量還是距離都可以進一步擴展。3) 由VXI儀器控制的虛擬儀器系統(tǒng)VXI(VME Extension for Instrument)總線是一種高速計算機總線VME總線在儀器領域的擴展。由于它的標準開

59、放、結構緊湊、數據吞吐能力強、定時和同步精確、模塊可重復利用、眾多儀器廠商支持等特點，VXI系統(tǒng)的組建和使用越來越方便，應用面越來越廣。但由于成本較高，多用于航天、軍工等大規(guī)模自動測量測試系統(tǒng)，以及對速度精度要求較高的場合。軟件是虛擬儀器的關鍵技術之一，其提供3個主要功能：一個集成的開發(fā)環(huán)境、一個與儀器硬件的高級接口和一個圖形用戶界面。主要軟件模塊有數據采集、數據分析、數據顯示、文件管理和報表輸出等。虛擬儀器的主要開發(fā)環(huán)境有C、C+ Builder、VB、DelPhi、LabVIEW、LabWindows/CVI等。其中值得一提的是LabVIEW，它是完全圖形化的虛擬儀器專用開發(fā)工具，內部集成

60、了大量儀器功能模塊。使用該開發(fā)工具可極大降低虛擬儀器開發(fā)的編程工作量，把虛擬儀器開發(fā)人員從復雜、煩瑣、費時的語言編程中解放出來。如果科研經費允許，建議采用該開發(fā)平臺。整個虛擬儀器系統(tǒng)結構組成如圖所示：圖 虛擬儀器系統(tǒng)結構3.2系統(tǒng)總體硬件框圖整個系統(tǒng)從被測對象開始，通過傳感器轉換成電信號，經過信號調理模塊進行簡單的信號處理，比如SCC-RTD01熱電阻調理模塊、SCC-TD02熱電偶調理模塊、SCC-SG04全橋應變片調理模塊，將信號送至數據采集卡進行采集，然后用軟件進行處理。在采集過程中將數據保存到數據庫里，實現(xiàn)了歷史數據的遠程訪問。具體框圖見圖多路數據采集系統(tǒng)硬件結構圖。圖 多路數據采集系