多通道数据采集仪DAQ应用_数据采集简介_5页.pdf

1/数据采集简介1.2.3.4.5.6.7.概览本教学是美国国家仪 器公司测量基本原理 系列在线教学的一部 分。在线教学的每一 个基础测量应用主 题，都是通过理论解 释和实际例程结合的 形式来进行教学。本 教学会对基于计算机的数据采集系统进行 一个基础介绍。获取在线教学的 完整清单，请返回 至，NI测量基本原理主 页目录简介传感器信号信号调理数据采集(DAQ)硬件驱动程序和应用程序 软件相关的NI产品简介数据采集包括从测量 来源收集信号，以及 将信号数字化，以便 储存、分析及呈现在 个人计算机上。在选 择你的数据采集(DAQ)系统时，您可以基于不同的 PC技术来灵活的定 制您的数据采集系统。您可以选择基于 不同的PC总线的数 据采集卡运用于测量 和自动化应用，比如 PCI，PXI，PCI Express，PXI Express，PCMCIA，USB，无线（wireless）和以太网（Ethernet）。在建立基本的数据采 集（DAQ）系统 时，有五项组件必须 考虑（图1）：传感器 信号 信号调理 数据采集(DAQ)硬件 驱动程序和应 用程序软件 图1.数据采集系统传感器数据采集始于要被测 量的物理现象，可能 是房间的温度、光源 的强度、空间的压 力、应用在物体上的 力量，或是其它许多 现象。一个有效的 DAQ系统可以测量 这一切不同的现象。传感器是将物理现象 转变成可测量之电子 信号（例如电压或电 流）的设备。DAQ 系统测量不同现象的 能力是由将物理现象 转换为可被DAQ硬 件测量之信号的传感 器来决定。传感器相当于DAQ系统中的 传感器。不同的应用 环境有专用的传感 器，例如测量温 度、压力，或水流。图2是常见的换能 器，以及它们可以测 量的现象。现象传感器温度热电偶,电阻式温 度传感器(RTD),电热 调节器光线照片传感器声音麦克风力度和压力应变规压电转换器位置和位移电位计，线性差动变 压器(LVDT)，光学编码器加速加速计pHpH电极图2.物理现象与 现有的传感器:文件类型 技术指南:是 是否NI支持:Sep 30,2011 发布日期2/.不同的传感器在 将现象转换为可测量 信号时，都有不同的 要求。某些传感器需 要电压或电流激发。其它的传感器可能需 要额外的组件，甚至 是电阻网络(resistive networks)，才能产生信号。请参 阅的内容，以取得更多 关于传感器的信息。 现象转变成可测量的 信号。但是，不同的 信号必须用不同的方 式来测量。基于这个 原因，我们必须了解 不同类型的信号，以 及其相对应的属性。信号可以归类为两 种：模拟 数字模拟信号模拟信号可以是任 何与对比于时间的 值。模拟信号的例子 包括电压、温度、压 力、声音，以及负 载。模拟信号的三项 主要特性是幅值(level)、形 状，以及频率（图 3）。图3.模拟信号的 主要特性幅值由于模拟信号可以 是任何值，因此强度 提供关于所测得之模 拟信号的重要信息。光线的强度，房间的 温度，以及舱房内的 压力，都是说明信号 强度的重要性的例 子。在测量信号的强度时，通常信号不会 迅速随着时间变动。但是测量的准确度非 常重要。应该选择可 产生最大准确度的 DAQ系统来协助测 量模拟信号强度。形状有些信号是以其特 殊形状来命名正 弦、方波、锯齿，以 及三角形。模拟信号 的形状可能和强度一 样重要，因为测量模 拟信号的形状可以进 一步分析该信号，包 括波峰值、DC值，以及坡度。形状占有 相当重要性的信号通 常会随着时间快速变 动，但是系统的准确 度仍然很重要。心 跳、影像信号、声 音、震动，以及电路 响应的分析，都是包 括形状测量的一些应 用。频率所有的模拟信号都 可以用它们的频率来 分类。和信号的形状 或强度不同的是，频 率不能直接进行测 量。信号必须使用软 件进行分析，才能判 断其频率信息。这种 分析通常使用一种名叫“傅利叶变形()”的运算法来进 行。Fourier Transform当频率是最重要的信 息时，就必须同时考 虑准确度和采集速 度。虽然为了采集信 号频率所需的采集速 度低于取得信号形状 所需的速度，但是信 号仍然必须以足够的 速度采集，才不至于在采集模拟信号时失 去重要信息。确保获 致此速度的条件称为 奈奎斯特取样定理(Nyquist Sampling Theorem)。语音分析、电信，以 及地震分析，都是必 须知道信号频率的应 用范例。数字信号数字信号不能以时 间为基准而赋与任何 数值。数字信号只有 两个可能值：高及 低。数字信号通常会 符合一个特定的规 格，该规格定义了信 号的特性。数字信号 常被称为“晶体管至 晶体管逻辑（Transistor-to-Transistor Logic或 TTL)”。TTL 规格指出，当强度落 在0至0.8伏特之 间时，数字信号视为 低；在2至5伏特之 间则视为高。可以从 数字信号中测量而得 的有用信息包括状态和速率（图4）。l图4.数字信号 的主要特性状态数字信号不会以相对 于时间的方式以数值 呈现。数字信号的状 态基本上就是信号的 强度有或无，高 或低。监视开关的状 态开或关是 常见的应用，即说明 了知道数字信号状态 的重要性。速率3/数字信号的速率决定 数字信号相对于时间 改变状态的方式。测 量数字信号速率的范 例之一就是判断马达 转轴的转速。和频率 不同，数字信号的速 率是测量单位时间内 某种特征信号出现的次数。数字信号的处 理不需要复杂的软件 算法来确定。不需要 使用软件运算法来判 断信号的速率。信号调理有时候传感器产生的 信号过于困难或太危 险，以致于无法直接 使用DAQ设备进行 测量。举例来说，在 处理高压电、噪声环 境、极高和极低信 号，或是同时量测信 号之时，信号调理就是高效率DAQ系 统的重要部分。信号 调理 将系统的准确 度提升到最大，允许 传感器正确地运作，并且保证安全性。选择正确的硬件来进 行信号调理是非常重 要的。信号调理系统 可以用模块化或系统 集成的形式搭建，配 合信号调理的附件可 以使用在多种应用场 合，包括：放大 衰减 隔离 桥接完整性 同步取样 传感器激励 多任务请参，以了解关于信号调 节类型的更加详细信 息。考基于计算机的数据 采集系统信号调理基 本原理使用信号调理时必须 考虑的其它重要标准 包括封装（模块化或 整合式）、效能、I/O数量、高级功 能，以及价格。请使 用的在线工具，协助你 寻找最适合的信号调 之间的接口。它的主 要功能是将输入的模 拟信号数字化，使计 算机能够解读这些信 号。其它的数据采集 功能包括：模拟输入输出 数字输入输出 计数器定时器 将模拟、数字和 计数器运算结合在一 部设备上多功能National Instruments 提供多种硬件平台，供数据采集使用。最 方便使用的平台是桌 面计算机。National Instruments 提供PCI DAQ 设备，可以插进任何 桌面计算机中。此 外，NI也制造供PXI/CompactPCI 使用的DAQ设备，这是一款更加坚固的 模块化计算机平台，特别为测量及自动化 应用而设计。对于分 布式测量，National Instruments Compact FieldPoint 平台提供模块化I/O、嵌入式运 算，以及以太网络通 讯。在可携式和手持 式测量方面，为 USB和 PCMCIA设计的 National Instruments DAQ设备可以配合 膝上型计算机或 Windows Mobile PDA使用（图5）。此外，National Instruments 推出了供PCI Express使用 的DAQ设备、供 PXI Express使用 的下一代计算机 I/O总线以及高性 能PXI总线。4/图6.DAQ硬件 选项National Instruments 最新的DAQ设备提 供无线和有线以太网 连接。NI Wi-Fi DAQ设备结 合IEEE 802.11g无线 或者以太网通讯、直 接传感器连接和 NI LabVIEW软件 的灵活性进行电信号、物理信号、机械 信号和声音信号的远 程监控。查看6分钟 NI Wi-Fi DAQ 使用指南图7 Wi-Fi数 据采集驱动程序和应用程序 软件驱动程序软件软件将PC和 DAQ硬件转变成完 整的数据采集、分析 及呈现工具。若是没 有软件来控制或驱动 硬件，DAQ设备就 无法正常运作。驱动 程序软件是让你能够 轻易与硬件沟通的软件层。它构成应用程 序软件和硬件之间的 中间层。驱动程序软 件亦让程序设计师不 需要进行缓存器层级 的程序设计或复杂的 指令，就可以存取硬 件功能。National Instruments提供两种不同的软件 选项：软件NI-DAQmx驱 动程序及其它的量测 服务 NI-DAQmx Base驱动程序软 件随着NI-DAQmx的推出，National Instruments 使DAQ应用程序的 开发展生革命性的变 化，大幅提高从制作 程序到布署高效能量 测应用程序之间的速 度。NI-DAQmx内附的 DAQ Assistant是一款图形化交互式 指引，帮助你设定、测试，以及采集量测 数据。只需单击鼠标 键，你甚至可以根据 配置设定来产生程序 代码，使你更快速、更方便开发复杂的运 算。由于DAQ Assistant完全以选单操作，因 此你可以减少所犯的 程序设计错误，大幅 缩短从设定DAQ系 统到开始进行测量之 间的时间。NI-DAQmx Base是 Windows和 Linux、Mac OS X、Windows Mobile和 Windows CE上NI-DAQmx功能的一 个子集驱动程序。应用程序软件应用层可以是你用来 制作客户定制应用程 序、并且符合特定条 件的开发环境，也可 以是以配置为基础、具有预先设计之功能 的程序。应用程序软 件为驱动程序软件增 加分析及呈现的功能。要选择正确的应 用程序软件，应先评 估应用程序的复程 度，是否能取得符合 应用所需的配置式软 件，以及能够用来开 发应用程序的时间。如果应用程序很复 杂，或是没有现有的程序可用，则使用开 发式的程序环境。NI提供三种开发环 境软件产品，用于开 发完整的仪控、采集 及控制应用程序：，提供图形化的程序 设计方法LabVIEW for traditional C programmersLabWindows/CVI for Visual Basic,C+,and.NETMeasurement Studio随着的推出，NI推出一 款以配置为基础的软 件环境，不再需要程 序设计。SignalExpress 让使用者能够使用 NI Express Technology 进行交互式测量。LabVIEW SignalExpress相关的NI产品对本主题感兴趣的用 户也对以下的NI产 品感兴趣：LabVIEW数据采集5/数据采集信号调理请返回至页，以获取更多教学NI测量基本原理主Linux 是李纳斯托沃兹（Linus Torvalds）在美国以及其他国家 的注册商标。LabWindows 标志的使用经过微软 公司许可。Windows是微 软公司在美国以及其 他国家的注册商标。法律条款本教程由 National Instruments 公司（简称“NI”）开发。尽管 National Instruments 可为该程序提供技术 支持，但是该指南的 内容并非完全通过测 试和验证，NI不以 任何方式保证其质量，也不保证相关产 品或驱动程序的新版 本出现时继续为其提 供技术支持。本教程 仅以其“现状”向用 户提供，教程没有任 何担保。教程使用受 网站上 使用条款的约 束。(ni.)com/legal/termsofuse/unitedstates/us/