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1、数据采集技术数据采集技术（DAQ）Data Acquisition Techniques林林 君君Tel:85024731数据采集功能数据采集功能 ADCDACcntr/timerdigitalDAQ BoardAnalog I/OAnalog I/ODigital I/ODigital I/OClock I/OClock I/OOnOnOffOff1-1-0 02插入式数据采集卡的优越性插入式数据采集卡的优越性灵活灵活费用较低费用较低性能选择范围大性能选择范围大大量的软件工具可用利用大量的软件工具可用利用PCPC技术技术3数字化技术数字化技术4信号分类信号分类信号根据其所传递的有用信息进行分
2、类信号根据其所传递的有用信息进行分类信息信息状态状态速率速率幅值幅值形状形状频率频率SignalsSignalsAnalogAnalogDigitalDigitalOn-OffOn-OffTime DomainTime DomainPulse TrainPulse TrainFrequency DomainFrequency DomainDCDCononoffofft t1-1-0-0-t t0.9850.985t tt tf f5数字信号数字信号开关信号开关信号 连续脉冲信号连续脉冲信号Input:Read an optical encoderOutput:Generate a square
3、 wave分辨率分辨率时钟频率时钟频率Input:Sense a switch closureOutput:Close a valve驱动程序的功能驱动程序的功能通道数通道数DAQDAQ卡需要考虑的指标卡需要考虑的指标onofft1-0-t6数字信号调理Common-Mode VoltagesorHigh VoltagesElectromechanical RelaysorSolid-State RelaysOptical IsolationLoads Requiring AC Switching or Large Current FlowSolenoidsValvesMotorsHeater
4、sLampsPumpsElectromechanical RelaysorSolid-State RelaysProduction Monitoringor Process ControlProximity SwitchesLimit SwitchesThermostatsManual Switches数字数字I/O7模拟信号模拟信号时域信号时域信号VibrationSpeechSonar分辨率分辨率采样率采样率AC 精度精度触发触发滤波器滤波器TemperaturePressureFlowStrainDC 精度精度频域信号频域信号直流信号直流信号ECGBlood pressureSingle
5、-shot eventsChromatograph分辨率分辨率采样率采样率AC 和和 DC 精度精度触发触发DAQ卡需要考虑的指标参数卡需要考虑的指标参数0.985ttf8模拟信号调理模拟信号调理低电压信号低电压信号电流输入电流输入/ /输出输出RTDs RTDs 和热敏电阻和热敏电阻热电偶热电偶应变仪应变仪隔离隔离放大放大噪声滤波噪声滤波电流与电压的转换电流与电压的转换; ;隔离，放大，噪声滤波隔离，放大，噪声滤波隔离，放大，噪声滤波隔离，放大，噪声滤波冷端补偿冷端补偿激励电源激励电源隔离，放大，噪声滤波隔离，放大，噪声滤波激励电压激励电压全桥和半桥设置全桥和半桥设置隔离，放大，噪声滤波隔离
6、，放大，噪声滤波多功能多功能I/OI/ODemo9变送器变送器/ /传感器传感器 物理现象物理现象传感器传感器温度温度热电偶热电偶 RTDRTD IC IC 传感器传感器 热敏电阻热敏电阻光光真空管光电传感器真空管光电传感器声声麦克风麦克风力和压力力和压力应变仪应变仪 压电传感器压电传感器10热电偶价格较低，坚固价格较低，坚固可承受高温可承受高温可迅速感知温度的快速变化可迅速感知温度的快速变化需要作冷端补偿需要作冷端补偿电压量很小电压量很小 需要放大需要放大输出非线性输出非线性 需要冷端补偿需要冷端补偿11RTDs精度比热电偶高精度比热电偶高不需要冷端补偿不需要冷端补偿比热电偶昂贵比热电偶昂贵
7、需要电流源需要电流源非线性输出，需要线性化非线性输出，需要线性化2 2路路RTDsRTDs接线，简单，但要考虑接线电阻误差接线，简单，但要考虑接线电阻误差3 3路和路和4 4路路 RTD RTD 接线，消除了接线电阻误差接线，消除了接线电阻误差12热敏电阻 需要电流源或电压源激励需要电流源或电压源激励非线性化强烈，需要线性化非线性化强烈，需要线性化敏感度高敏感度高电阻高电阻高13应变片应变片需要电压源需要电压源需要桥式电路设置需要桥式电路设置非线性化输出，需要线性化非线性化输出，需要线性化14DAQDAQ卡的前端信号调理模块卡的前端信号调理模块 Signal Conditioning Exte
8、nsions for Instrumentation （SCXI) 15SCXI 选择传感器和信号传感器和信号热电偶热电偶RTDsRTDs热敏电阻热敏电阻应变仪应变仪电压信号电压信号微伏，毫伏，伏微伏，毫伏，伏电流信号电流信号4 20 4 20 mAmA, 0 20 , 0 20 mAmA数字信号数字信号信号调理信号调理多路复用多路复用放大放大隔离隔离滤波滤波传感器激励传感器激励冷端补偿冷端补偿16SCXI的其它特性可扩展，最多到可扩展，最多到3,0723,072通道通道紧凑，在紧凑，在7 7英寸空间可达英寸空间可达384384个通道个通道灵活，可以和最新的采集卡，软件，和计算机灵活，可以和最
9、新的采集卡，软件，和计算机配合工作配合工作高速，和高速，和E E系列的采集卡配合扫描速度达系列的采集卡配合扫描速度达3333KHzKHz设置方便设置方便结构开放结构开放Demo17A/D 分辨率Code width = smallest detectable change in voltage =AD的输入范围的输入范围增益增益 * 2nn = # of ADC bits 16-bit ADC3-bit ADCAmplitudecode widthTime02010012014040608010.009.757.506.255.003.752.501.250111110100011010001
10、00018A/D 采样率Nyquist Nyquist 原理原理 采样率采样率 2 2倍的最高频率倍的最高频率Adequately sampledAliased due to undersampling19多通道采集采集模式采集模式通道设置通道设置扫描顺序扫描顺序增益增益范围范围单端单端/ /差分输入差分输入单极单极/ /双极双极连续扫描连续扫描同步采样同步采样间隔扫描间隔扫描Straingauge 1Straingauge 2Battery 1Battery 2TempPressureDemo20实时系统集成总线 RTSIReal-Time Systems Integration Bus R
11、TSI在板卡之间连接时钟和触发信号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完成数据采集的同步操作在在DSPDSP卡串行传输数据卡串行传输数据21触发触发软件触发软件触发START TRIG* Input of MIO BoardEdge Initiates Acquisition TTL SignalLevel and Slope of AnalogSignal Initiates Acquisition Level and Slope of AnalogSignal Retrieves Acquisition条件获取条件获取 (软件软件)由由 AI Buffer Read 设定设定
12、AI Read 调用调用 AI Buffer Read模拟触发模拟触发数字触发数字触发Demo22应用软件应用软件接口软件接口软件软件软件LabVIEWLabWindows/CVIComponent WorksVisual BasicC/C+.PCI-MIO-16E-1DAQ 卡NI-DAQ23要求要求: :可以所有采集卡的功能可以所有采集卡的功能向下兼容向下兼容通用的通用的 APIAPI功能齐全的设置工具功能齐全的设置工具方便易用方便易用DAQDAQ的软件接口的软件接口NI-DAQApplication SoftwareDemo24软件开发平台选择软件开发平台选择25VirtualBench
13、Ready-to-Run Virtual InstrumentsVirtual InstrumentsScopeDynamic signal analyzerArbitrary waveform generatorFunction generatorDMMData loggerDemo26软件开发平台软件开发平台Graphical ProgrammingGraphical Programming27Graphical Programming Graphical Programming Graphical Programming Graphical Programming LabVIEWLabV
14、IEWLabVIEWLabVIEWnEmpowering technologyNatural flowchart notationEliminates syntactical detailsnReduces development timeRapid prototypingSelf-documentingnIntuitive and easy to learn nIdeal for code reusabilityModularity and hierarchyDemo28What is Measurement Studio?Measurement Measurement StudioStud
15、ioMeasurement Components29Measurement StudioTools for Visual C+Compiler integrationIntellisense ClassWizardVisaGPIBAnalysisUIControlsUtility ClassesApplication WizardApplication WizardMeasurement classesMeasurement classes AcquisitionAcquisition AnalysisAnalysis User interface through User interface
16、 through ActiveXActiveXUtility classesUtility classesData objectsData objectsData Object30Measurement Studio Tools for Visual BasicMeasurement and automation ActiveX controlsAnalysisUIDAQNetworkGPIBSerial31LabWindows/CVIANSI CStandard LanguageCompilerEditorDebuggerOpen System Built-in Built-in Instr
17、umentation Instrumentation Libraries LibrariesI/O (GPIB, VXI, DAQ, Serial, IMAQ, etc)Analysis DataSocket ActiveX TCPGUI Productivity ToolsProductivity Tools for faster development for faster developmentCodeGeneration ToolsInteractive Execution Standard ANSI C Standard ANSI C Language Language Open,
18、powerful Open, powerful Multithreaded Multithreaded32数据采集的基本原理数据采集的基本原理(3.1)33数据采集的基本原理数据采集的基本原理34数据采集的基本原理数据采集的基本原理35采样定理的推导采样定理的推导36采样定理的推导采样定理的推导37采样定理的推导采样定理的推导38采样定理的推导采样定理的推导39采样率的确定采样率的确定40数据采集系统的设计数据采集系统的设计411.1.MUXMUX切换切换2.2.PGAPGA切换切换3.3.S/HS/H4.4.A/DA/D开始工作开始工作5.5.A/DA/D转换完成转换完成6.6.读取数据读取
19、数据7.7.存储数据存储数据8.8.循环至结束循环至结束数据采集系统的设计数据采集系统的设计42数据采集系统的设计数据采集系统的设计43数据采集系统的设计数据采集系统的设计44数据采集系统的设计数据采集系统的设计45数据采集系统的设计数据采集系统的设计46浮点放大数据采集系统设计浮点放大数据采集系统设计47数据采集系统的设计数据采集系统的设计48数据采集系统的设计数据采集系统的设计49数据采集系统的设计数据采集系统的设计50数据采集系统的设计数据采集系统的设计51数据采集系统的设计数据采集系统的设计52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0-25mV，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，433-45353个人观点供参考，欢迎讨论
