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1、第六章 数据采集 概述在计算机广泛应用的今天，数据采集的重要性是十分显著的。它是计算机与外部物理世界连接的桥梁。各种类型信号采集的难易程度差别很大。实际采集时，噪声也可能带来一些麻烦。数据采集时，有一些基本原理要注意，还有更多的实际的问题要解决。 采样频率、抗混叠滤波器和样本数。假设现在对一个模拟信号 x(t) 每隔 t 时间采样一次。时间间隔 t 被称为采样间隔或者采样周期。它的倒数 1/t 被称为采样频率，单位是采样数/每秒。t=0, t ,2t ,3t 等等，x(t)的数值就被称为采样值。所有 x(0),x(t),x(2t )都是采样值。这样信号 x(t)可以用一组分散的采样值来表示：下
2、图显示了一个模拟信号和它采样后的采样值。采样间隔是 t，注意，采样点在时域上是分散的。图 6-1 模拟信号和采样显示如果对信号 x(t)采集 N 个采样点，那么 x(t)就可以用下面这个数列表示：这个数列被称为信号 x(t)的数字化显示或者采样显示。注意这个数列中仅仅用下标变量编制索引，而不含有任何关于采样率（或 t）的信息。所以如果只知道该信号的采样值，并不能知道它的采样率，缺少了时间尺度，也不可能知道信号 x(t)的频率。根据采样定理，最低采样频率必须是信号频率的两倍。反过来说，如果给定了采样频率，那么能够正确显示信号而不发生畸变的最大频率叫做恩奎斯特频率，它是采样频率的一半。如果信号中包
3、含频率高于奈奎斯特频率的成分，信号将在直流和恩奎斯特频率之间畸变。图显示了一个信号分别用合适的采样率和过低的采样率进行采样的结果。采样率过低的结果是还原的信号的频率看上去与原始信号不同。这种信号畸变叫做混叠（alias） 。出现的混频偏差（alias frequency）是输入信号的频率和最靠近的采样率整数倍的差的绝对值。b 过低采样率下的采样结果a 足够的采样率下的采样结果图 6-2 不同采样率的采样结果图给出了一个例子。假设采样频率 fs 是 100HZ,，信号中含有 25 、70、160、和 510 Hz 的成分。图 说明混叠的例子采样的结果将会是低于奈奎斯特频率（fs/2=50 Hz）
4、的信号可以被正确采样。而频率高于50HZ 的信号成分采样时会发生畸变。分别产生了 30、40 和 10 Hz 的畸变频率 F2、F3 和F4。计算混频偏差的公式是：混频偏差ABS（采样频率的最近整数倍输入频率）其中 ABS 表示“绝对值” ，例如：混频偏差 F2 = |100 70| = 30 Hz混频偏差 F3 = |(2)100 160| = 40 Hz混频偏差 F4 = |(5)100 510| = 10 Hz为了避免这种情况的发生，通常在信号被采集（A/D）之前，经过一个低通滤波器，将信号中高于奈奎斯特频率的信号成分滤去。在图的例子中，这个滤波器的截止频率自然是 25HZ。这个滤波器称
5、为抗混叠滤波器采样频率应当怎样设置呢？也许你可能会首先考虑用采集卡支持的最大频率。但是，较长时间使用很高的采样率可能会导致没有足够的内存或者硬盘存储数据太慢。理论上设置采样频率为被采集信号最高频率成分的倍就够了，实际上工程中选用倍，有时为了较好地还原波形，甚至更高一些。通常，信号采集后都要去做适当的信号处理，例如 FFT 等。这里对样本数又有一个要求，一般不能只提供一个信号周期的数据样本，希望有个周期，甚至更多的样本。并且希望所提供的样本总数是整周期个数的。这里又发生一个困难，有时我们并不知道，或不确切知道被采信号的频率，因此不但采样率不一定是信号频率的整倍数，也不能保证提供整周期数的样本。我
6、们所有的仅仅是一个时间序列的离散的函数 x(n)和采样频率。这是我们测量与分析的唯一依据。 数据采集系统的构成图 数据采集系统结构上图表示了数据采集的结构。在数据采集之前，程序将对采集板卡初始化，板卡上和内存中的 Buffer 是数据采集存储的中间环节。需要注意的两个问题是：是否使用 Buffer？是否使用外触发启动、停止或同步一个操作。缓冲（Buffers）这里的缓冲指的是 PC 内存的一个区域（不是数据采集卡上的 FIFO 缓冲） ，它用来临时存放数据。例如，你需要采集每秒采集几千个数据，在一秒内显示或图形化所有数据是困难的。但是将采集卡的数据先送到 Buffer，你就可以先将它们快速存储
7、起来，稍后再重新找回它们显示或分析。需要注意的是 Buffer 与采集操作的速度及容量有关。如果你的卡有 DMA 性能，模拟输入操作就有一个通向计算机内存的高速硬件通道，这就意味着所采集的数据可以直接送到计算机的内存。不使用 Buffer 意味着对所采集的每一个数据你都必须及时处理（图形化、分析等） ，因为这里没有一个场合可以保持你着手处理的数据之前的若干数据点。下列情况需要使用 Buffer I/O：l 需要采集或产生许多样本，其速率超过了实际显示、存储到硬件，或实时分析的速度。l 需要连续采集或产生 AC 数据（10 样本秒） ，并且要同时分析或显示某些数据。l 采样周期必须准确、均匀地通
8、过数据样本。下列情况可以不使用 Buffer I/O：l 数据组短小，例如每秒只从两个通道之一采集一个数据点。l 需要缩减存储器的开支。触发（Triggering）触发涉及初始化、终止或同步采集事件的任何方法。触发器通常是一个数字或模拟信号，其状态可确定动作的发生。软件触发最容易，你可以直接用软件，例如使用布尔面板控制去启动/停止数据采集。硬件触发让板卡上的电路管理触发器，控制了采集事件的时间分配，有很高的精确度。硬件触发可进一步分为外部触发和内部触发。当某一模入通道发生一个指定的电压电平时，让卡输出一个数字脉冲，这是内部触发。采集卡等待一个外部仪器发出的数字脉冲到来后初始化采集卡，这是外部触
9、发。许多仪器提供数字输出（常称为“trigger out” ）用于触发特定的装置或仪器，在这里，就是数据采集卡。下列情况使用软件触发：l 用户需要对所有采集操作有明确的控制，并且l 事件定时不需要非常准确。下列情况使用硬件触发：l 采集事件定时需要非常准确。l 用户需要削减软件开支。l 采集事件需要与外部装置同步。后面可以看到怎样使用采集的 VI 程序设置有 Buffer 及无 Buffer 的 I/O 操作，以及设置触发的类型。 模入信号类型数据采集前，必须对所采集的信号的特性有所了解，因为不同信号的测量方式和对采集系统的要求是不同的，只有了解被测信号，才能选择合适的测量方式和采集系统配置。
10、任意一个信号是随时间而改变的物理量。一般情况下，信号所运载信息是很广泛的，比如：状态（state） 、速率(rate)、电平(level)、形状(shape)、频率成分(frequency content)。根据信号运载信息方式的不同，可以将信号分为模拟或数字信号。数字(二进制)信号分为开关信号和脉冲信号。模拟信号可分为直流、时域、频域信号，如图 6-5 所示。图 6-5 信号分类数字信号第一类数字信号是开-关信号。一个开-关信号运载的信息与信号的瞬间状态有关。TTL信号就是一个开-关信号，一个 TTL 信号如果在 2.0 到 5.0V 之间，就定义它为逻辑高电平，如果在 0 到 0.8V 之
11、间，就定义为逻辑低电平。第二类数字信号是脉冲信号。这种信号包括一系列的状态转换，信息就包含在状态转化发生的数目、转换速率、一个转换间隔或多个转换间隔的时间里。安装在马达轴上的光学编码器的输出就是脉冲信号。有些装置需要数字输入，比如一个步进式马达就需要一系列的数字脉冲作为输入来控制位置和速度。模拟直流信号模拟直流信号是静止的或变化非常缓慢的模拟信号。直流信号最重要的信息是它在给定区间内运载的信息的幅度。常见的直流信号有温度、流速、压力、应变等。采集系统在采集模拟直流信号时，需要有足够的精度以正确测量信号电平，由于直流信号变化缓慢，用软件计时就够了，不需要使用硬件计时。模拟时域信号模拟时域信号与其
12、他信号不同在于，它在运载信息时不仅有信号的电平，还有电平随时间的变化。在测量一个时域信号时，也可以说是一个波形，需要关注一些有关波形形状的特性，比如斜度、峰值等。为了测量一个时域信号，必须有一个精确的时间序列，序列的时间间隔也应该合适，以保证信号的有用部分被采集到。要以一定的速率进行测量，这个测量速率要能跟上波形的变化。用于测量时域信号的采集系统包括一个 AD、一个采样时钟和一个触发器。AD 的分辨率要足够高，保证采集数据的精度，带宽要足够高，用于高速率采样；精确的采样时钟，用于以精确的时间间隔采样；触发器使测量在恰当的时间开始。存在许多不同的时域信号，比如心脏跳动信号、视频信号等，测量它们通
13、常是因为对波形的某些方面特性感兴趣。模拟频域信号模拟频域信号与时域信号类似，然而，从频域信号中提取的信息是基于信号的频域内容，而不是波形的形状，也不是随时间变化的特性。用于测量一个频域信号的系统必须有一个AD、一个简单时钟和一个用于精确捕捉波形的触发器。系统必须有必要的分析功能，用于从信号中提取频域信息。为了实现这样的数字信号处理，可以使用应用软件或特殊的 DSP 硬件来迅速而有效地分析信号。模拟频域信号也很多，比如声音信号、地球物理信号、传输信号等。上述信号分类不是互相排斥的。一个特定的信号可能运载有不只一种信息，可以用几种方式来定义信号并测量它，用不同类型的系统来测量同一个信号，从信号中取
14、出需要的各种信息。 模入信号的连接方式一个电压信号可以分为接地和浮动两种类型。测量系统可以分为差分（Differential） 、参考地单端（RSE） 、无参考地单端（NRSE）三种类型。接地信号和浮动信号接地信号接地信号，就是将信号的一端与系统地连接起来，如大地或建筑物的地。因为信号用的是系统地，所以与数据采集卡是共地的。接地最常见的例子是通过墙上的接地引出线，如信号发生器和电源。浮动信号一个不与任何地（如大地或建筑物的地）连接的电压信号称为浮动信号，浮动信号的每个端口都与系统地独立。一些常见的浮动信号的例子有电池、热电偶、变压器和隔离放大器。测量系统分类差分测量系统差分测量系统中，信号输入
15、端分别与一个模入通道相连接。具有放大器的数据采集卡可配置成差分测量系统。图 6-6 描述了一个 8 通道的差分测量系统，用一个放大器通过模拟多路转换器进行通道间的转换。标有 AIGND（模拟输入地）的管脚就是测量系统的地。图 6-6 差分测量系统一个理想的差分测量系统仅能测出（+）和（-）输入端口之间的电位差，完全不会测量到共模电压。然而，实际应用的板卡却限制了差分测量系统抵抗共模电压的能力，数据采集卡的共模电压的范围限制了相对与测量系统地的输入电压的波动范围。共模电压的范围关系到一个数据采集卡的性能，可以用不同的方式来消除共模电压的影响。如果系统共模电压超过允许范围，需要限制信号地与数据采集
16、卡的地之间的浮地电压，以避免测量数据错误。参考地单端测量系统(RSE)一个 RSE 测量系统，也叫做接地测量系统，被测信号一端接模拟输入通道，另一端接系统地 AIGND。图 6-7 描绘了一个 16 通道的 RSE 测量系统。无参考地单端测量系统(NRSE)在 NRSE 测量系统中，信号的一端接模拟输入通道，另一端接一个公用参考端，但这个参考端电压相对于测量系统的地来说是不断变化的。图 6-8 说明了一个 NRSE 测量系统，其中 AISENSE 是测量的公共参考端，AIGND 是系统的地。图 6-7 参考地单端测量系统图 6-8 无参考地单端测量系统选择合适的测量系统两种信号源和三种测量系统一共可以组成六种连接方
