数据采集技术 （DAQ） Data Acquisition Techniques 林 君 [email protected] Tel:8502473 数据采集功能 Analog I/O Digital I/O On Clock I/O ADC DAC digital cntr/ timer DAQ Board 10 Off 插入式数据采集卡的优越性 •灵活 •费用较低 •性能选择范围大 •大量的软件工具可用利用PC技术 数字化技术 信号分类 信号根据其所传递的有用信息进行分类 信息 on On-Off 状态 off t Digital 1- 速率 Pulse Train 0- t Signals DC 0.985 幅值 t Analog Time Domain 形状 t Frequency Domain 频率 f 数字信号 on 1off 0- t 开关信号 t 连续脉冲信号 Input: Sense a switch closure Input: Read an optical encoder Output: Close a valve Output: Generate a square wave DAQ卡需要考虑的指标 驱动程序的功能 通道数 分辨率 时钟频率 数字信号调理 Loads Requiring AC Switching or Large Current Flow Heaters Solenoids Lamps Valves Pumps Motors Production Monitoring or Process Control Proximity Switches Limit Switches Thermostats Manual Switches Common-Mode Voltages or High Voltages Electromechanical Relays or Solid-State Relays Electromechanical Relays or Solid-State Relays Optical Isolation 数字I/O 模拟信号 0.985 t 直流信号 Temperature Pressure Flow Strain t 时域信号 ECG Blood pressure Single-shot events Chromatograph f 频域信号 Vibration Speech Sonar DAQ卡需要考虑的指标参数 DC 精度 分辨率 采样率 AC 和 DC 精度 触发 分辨率 采样率 AC 精度 触发 滤波器 模拟信号调理 低电压信号 隔离 放大 噪声滤波 电流输入/输出 电流与电压的转换; 隔离，放大，噪声滤波 RTDs 和热敏电阻 激励电源 隔离，放大，噪声滤波 热电偶 应变仪 多功能I/O 隔离，放大，噪声滤波 冷端补偿 激励电压 全桥和半桥设置 隔离，放大，噪声滤波 Demo 变送器/传感器 物理现象 传感器 温度 热电偶 RTD IC 传感器 热敏电阻 光 真空管光电传感器 声 麦克风 力和压力 应变仪 压电传感器 热电偶 • 价格较低，坚固 • 可承受高温 • 可迅速感知温度的快速变化 • 需要作冷端补偿 • 电压量很小 –需要放大 • 输出非线性 需要冷端补偿 RTDs • 精度比热电偶高 • 不需要冷端补偿 • 比热电偶昂贵 • 需要电流源 • 非线性输出，需要线性化 • 2路RTDs接线，简单，但要考虑接线电阻误差 • 3路和4路 RTD 接线，消除了接线电阻误差 热敏电阻 • 需要电流源或电压源激励 • 非线性化强烈，需要线性化 • 敏感度高 • 电阻高 应变片 • 需要电压源 • 需要桥式电路设置 • 非线性化输出，需要线性化 Signal Conditioning Extensions for Instrumentation （SCXI) DAQ卡的前端信号调理模块 SCXI 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 — 20 mA, 0 —20 mA • 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 SCXI的其它特性 可扩展，最多到3,072通道 紧凑，在7英寸空间可达384个通道 灵活，可以和最新的采集卡，软件，和计算机 配合工作 高速，和E系列的采集卡配合扫描速度达33KHz 设置方便 结构开放 Demo A/D 分辨率 Amplitude 10.00 9.75 110 6.25 100 5.00 011 3.75 3-bit ADC 010 2.50 001 1.25 0 code width 111 7.50 000 0 20 40 60 80 100 120 140 Time 16-bit ADC Code width = smallest detectable change in voltage = AD的输入范围 增益 * 2 n n = # of ADC bits A/D 采样率 Adequately sampled Aliased due to undersampling Nyquist 原理 采样率 > 2倍的最高频率 多通道采集 通道设置 采集模式 连续扫描 Battery 1 Battery 2 • 扫描顺序 同步采样 Strain gauge 1 Strain gauge 2 • 增益 • 范围 • 单端/差分输入 间隔扫描 • 单极/双极 Temp Pressure Demo 实时系统集成总线 RTSI Real-Time Systems Integration Bus RTSI 在板卡之间连接时钟和触发信号 完成数据采集的同步操作 在DSP卡串行传输数据 触发 • 软件触发 TTL Signal START TRIG* Input of MIO Board • 数字触发 Edge Initiates Acquisition • 模拟触发 Level and Slope of Analog Signal Initiates Acquisition • 条件获取 (软件) – 由 AI Buffer Read 设定 – AI Read 调用 AI Buffer Read Level and Slope of Analog Signal Retrieves Acquisition Demo 软件 应用软件 接口软件 •LabVIEW •LabWindows/CVI •Component Works •Visual Basic •C/C++... •NI-DAQ •PCI-MIO-16E-1 DAQ 卡 DAQ的软件接口 Application Software 要求: NI-DAQ 可以所有采集卡的功能 向下兼容 通用的 API 功能齐全的设置工具 方便易用 Demo 软件开发平台选择 VirtualBench Ready-to-Run Virtual Instruments Virtual Instruments Scope Dynamic signal analyzer Arbitrary waveform generator Function generator DMM Data logger Demo 软件开发平台 Graphical Programming Graphical Programming LabVIEW Empowering technology • Natural flowchart notation • Eliminates syntactical details Reduces development time • Rapid prototyping • Self-documenting Intuitive and easy to learn Ideal for code reusability • Modularity and hierarchy Demo What is Measurement Studio? Measurement Components Acquisition Analysis Visualization Internet Visual Basic Visual C++ Windows Measurement Hardware Measurement Studio Measurement Studio Tools for Visual C++ Compiler integration Visa GPIB Analysis UI Data Controls Object –Intellisense Utility –ClassWizard Classes Application Wizard Measurement classes • Acquisition • Analysis User interface through ActiveX Utility classes Data objects Measurement Studio Tools for Visual Basic Measurement and automation ActiveX controls Analysis UI DAQ GPIB Serial Network LabWindows/CVI I/O Code (GPIB, VXI, Generation ANSIDAQ, CTools Serial, Analysis Standard Language IMAQ, etc) Compiler DataSocketEditor Interactive Debugger ActiveX GUI Open System Execution TCP Standard ANSI C Language • Open, powerful • Multithreaded Built-in Instrumentation Libraries Productivity Tools for faster development ™ 数据采集的基本原理 (3.1) 数据采集的基本原理 数据采集的基本原理 采样定理的推导 采样定理的推导 采样定理的推导 采样定理的推导 采样率的确定 数据采集系统的设计 数据采集系统的设计 1. MUX切换 2. PGA切换 3. S/H 4. A/D开始工作 5. A/D转换完成 6. 读取数据 7. 存储数据 8. 循环至结束 数据采集系统的设计 数据采集系统的设计 数据采集系统的设计 数据采集系统的设计 浮点放大数据采集系统设计 数据采集系统的设计 数据采集系统的设计 数据采集系统的设计 数据采集系统的设计 数据采集系统的设计 设计一个四路数据采集系统 • 各路输入信号性能要求 • 第一路：单次阻尼振荡波形，持续时间为0.4-1s，阻尼振荡频率 f0=500Hz，输出振荡峰峰值VP-P<=0.5V • 第二路：来自某一热电偶输出，温度范围0-400度，相应输出025mV，温度最小区分度为0.2度；工作环境下有0.2V共模噪声； • 第三和第四路为一个0-5V的可调的直流输出。 • 运行方式（选择示波器/计算机显示器显示结果） • 单次信号瞬时采集后连续显示 • 其他各路信号可以选择采集和显示或循环采集和显示 • 扩展要求 • 采集通道数扩展 • 采集速度和精度的提高 • 单次信号采集功能的扩充 何小艇，电子系统设计，浙江大学出版社，433-453
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