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1、第第 6 6 章章虚拟仪器数据采集与虚拟仪器数据采集与信号处理信号处理第6章 虚拟仪器数据采集与信号处理n教学重点n数据采集数据采集n信号产生信号产生n信号的时域分析信号的时域分析n信号的频域分析信号的频域分析n数字滤波器数字滤波器n曲线拟合曲线拟合6.1 数据采集n组组建建一一个个基基于于LabVIEW的的虚虚拟拟仪仪器器系系统统，传传感感器器、信信号号调调理理和和数数据据采采集集模模块块是是最最基基本本的的硬硬件件。其其中中，传传感感器器是是将将被被测测试试的的物物理理量量转转换换为为电电量量的的基基本本环环节节，数数据据采采集集则则将将模模拟拟信信号号转转换换成成数数据据信信号号供供计计
2、算算机机进进行行分分析析处处理理，信信号号调调理理是是两两者者之之间间的的桥桥梁梁，负负责责将将传传感感器器的的输输出出信信号号和和数数据据采采集集模模块块可可以以接接受受的的信信号号类型联系起来。类型联系起来。 6.1.1 数据采集系统结构n数数据据采采集集（Data Data AcquisitionAcquisition，DAQDAQ），就就是是将将被被测测对对象象的的各各种种参参量量（物物理理量量、化化学学量量、生生物物量量等等）通通过过各各种种传传感感器器作作适适当当转转换换后后，再再经经信信号号调调理理、采采样样、量量化化、编编码码、传传输输等等步步骤骤送送到到控控制制器器进进行行数
3、数据据处处理理或记录的过程。或记录的过程。n一一个个典典型型的的数数据据采采集集卡卡的的功功能能有有模模拟拟输输入入、模模拟拟输输出出、数数字字I/O、计计数数器器/计计时时器器等等，这这些些功功能能分分别别由由相应的电路来实现。相应的电路来实现。数据采集卡模拟输入模拟输入/输出输出数字输入数字输入/输出输出时钟输入时钟输入/输出输出OnOff1-0ADCcntr/timerdigitalDAQ Board选用数据采集卡的基本原则（1）数据分辨率和精度）数据分辨率和精度（2）最高采样速度）最高采样速度（3）通道数）通道数（4）数据总线接口类型）数据总线接口类型（5）是否有隔离）是否有隔离（6）
4、支持的软件驱动程序及其软件平台）支持的软件驱动程序及其软件平台采集卡类型NINI的数据采集卡的数据采集卡PCIPCI总线的通用数据采集卡总线的通用数据采集卡6.1.2 LabVIEW中的数据采集VI及应用n数据采集系统结构数据采集系统结构基于NI的USB-6009数据采集卡的数据采集USB-6009的主要特性：n8 8模拟通道（模拟通道（14位、位、48KS/s采样速度采样速度) )n2 2路路1414位模拟输出通道位模拟输出通道n1212个个I/OI/O通道通道n1 1个个3232位计数器位计数器/ /定时器定时器USB-6009的外型NI USB-6009的接线端子分配模拟输入：模拟输入：
5、AI0AI7模拟输出：模拟输出：AO0,AO1数字数字I/O：P0.0P0.7,P1.0P1.3定时定时/计数器：计数器：PFI0NI数据采集卡的应用例例6.1 利利用用USB-6009数数据据采采集集卡卡实实现现单单通通道道数据采集数据采集n分分析析：利利用用LabVIEW8.2 LabVIEW8.2 的的DAQmxDAQmx-Data -Data AcquisitionAcquisition子子选选板板中中的的数数据据采采集集函函数数构构建建一一个个单单通通道道的的数数据据采采集系统。集系统。n硬件硬件- -选用选用NI USB-6009NI USB-6009采集卡采集卡n软软件件- -
6、选选用用DAQmxDAQmx-Data -Data AcquisitionAcquisition子子选选板板中中的的数数据据采采集集函数实现函数实现单通道数据采集VI设计前面板前面板程序框图程序框图构建多通道数据采集例例6.2 多通道数据采集多通道数据采集分分 析析 ： 利利 用用 LabVIEW8.2 LabVIEW8.2 的的 DAQmxDAQmx-Data -Data AcquisitionAcquisition子子选选板板中中的的数数据据采采集集函函数数构构建建一一个多通道的数据采集系统。个多通道的数据采集系统。n硬件硬件- -选用选用NI USB-6009NI USB-6009采集卡
7、采集卡n软软件件- -选选用用DAQmxDAQmx-Data -Data AcquisitionAcquisition子子选选板板中中的的数数据采集函数实现据采集函数实现多通道数据采集系统的前面板多通道数据采集系统的程序框图6.1.3 通用数据采集卡的LabVIEW控制实现1数据采集卡驱动程序的开发方式数据采集卡驱动程序的开发方式 直接端口读写方式（直接端口读写方式（I/O方式）方式） 调用调用C语言源代码的方式（语言源代码的方式（CIN方式）方式） 调用动态连接库的方式（调用动态连接库的方式（CLF方式）方式） （1）直接端口读写方式（I/O方式） I/OI/O端口子选板端口子选板 In P
8、ort.vi Out Port.vi （2）调用C语言源代码的方式nLabVIEW8.2LabVIEW8.2函函数数选选板板的的【互互连连接接口口】【库库可可 执执 行行 程程 序序 】 子子 选选 板板 中中 有有 一一 个个 Code Code Interface Interface NodeNode节节点点，用用来来在在LabVIEWLabVIEW程程序序框框图图中中直直接接调调用用其其他他编编程程语语言言（如如VCVC）写写的的代代码码。这这样样就就可可以以通通过过使使用用CINCIN图图标标来来调调用用由由C C语语言言编编写写的的采采集集卡卡驱驱动动程程序序方方法法实实现现虚虚拟拟
9、仪仪器的数据采集。器的数据采集。（3）调用动态连接库的方式n动动态态链链接接库库通通常常由由数数据据采采集集卡卡生生产产厂厂商商提提供供，通通过过LabVIEW的的Call Library Function Node来调用。来调用。 2数据采集卡驱动程序设计举例数据采集卡驱动程序设计举例 例例6.3 用端口读用端口读/写函数驱动数据采集卡。写函数驱动数据采集卡。 要要求求通通过过端端口口读读/写写函函数数实实现现数数据据采采集集卡卡PC-6310的数据采集的数据采集PC-6310简介简介 PC-6310适用于具有适用于具有ISA 总线的总线的PC系列微机系列微机 卡上的卡上的A/D转换器转换器
10、ADS774为为12位位分辨率分辨率 转换速率为转换速率为10S 模拟输入信号范围为模拟输入信号范围为0V10V或或- -5V+5V 模拟输入通道为模拟输入通道为32个通道的单端或个通道的单端或16个通道的双端个通道的双端 控制端口的地址与功能 A/DA/D转换状态数据格式转换状态数据格式 A AD D转换结果数据格式转换结果数据格式数据采集VI的前面板数据采集VI的程序框图数据采集VI的程序框图6.2 信号产生n信信号号产产生生是是仪仪器器系系统统的的重重要要组组成成部部分分，要要评评价价任任意意一一个个网网络络或或系系统统的的特特性性，必必须须外外加加一一定定的的测测试试信信号号，其其性性
11、能能方方能能显显示示出出来来。最最常常用用的的测测试试信信号号有有正正弦弦波波、三三角角波波、方方波波、锯锯齿齿波波、噪噪声声波波及及多多频频波波（由由不不同同频频率率的的正正弦弦波叠加而形成的波形）等。波叠加而形成的波形）等。 6.2.1数字信号的产生与数字化频率的概念 正弦波信号：正弦波信号： u (t) = Asin(t+0) T为为采采样样间间隔隔，T为为信信号号周周期期，设设一一个个周周期期内内的的采采样样点点数数为为 n ，则则 T = n T 采样频率采样频率： fs = 1/T 信号频率信号频率： fx = 1/T = 1/ (n T) = fS / n u(iT) = Asi
12、n(2i/n +0 ) 设设 f = fx / fS = 1/n ,将将2弧弧度度用用360 表表示示，并并省省略略 ，则得，则得 数字化频率数字化频率f = 模拟频率模拟频率/采样频率采样频率 6.2.2 信号产生函数及应用信号生成子选板信号生成子选板 1. 正弦波生成Sine Wave.vi 正弦波函数的等效数学运算式如下正弦波函数的等效数学运算式如下：Sine Wavei=amplitudesin（360fi+ phase0） Sine Wave .vi应用举例例例6.5 利用利用Sine Wave.vi产生正弦波产生正弦波 前面板前面板程序框图程序框图 数字频率的认识 n调调节节信信号
13、号频频率率、采采样样频频率率、采采样样点点数数，观观察察这些参数的变化对显示正弦波结果的影响。这些参数的变化对显示正弦波结果的影响。n 若以若以Hz作为频率单位，则作为频率单位，则 数字频率单位数字频率单位（Hz） = fx/fs = 信号频率信号频率/采样频率采样频率n 若以周期作为频率单位，则若以周期作为频率单位，则 数字频率单位数字频率单位 (T) = 周期数周期数/采样点数采样点数均匀白噪声的生成例例6.6 利利用用Unifom White Noise.vi产产生生均均匀匀分布的白噪声。分布的白噪声。前面板前面板程序框图程序框图 简单函数发生器例例6.7 创创建建一一个个可可以以产产生
14、生正正弦弦波波、三三角角波波、方方波波和和锯锯齿波的函数发生器。齿波的函数发生器。6.2.3 波形生成在波形生成子选板中的在波形生成子选板中的所有函数不仅输出包含所有函数不仅输出包含指定波形图形的数字型指定波形图形的数字型数组，而且包含时间参数组，而且包含时间参数，这种数据类型在数，这种数据类型在LabVIEWLabVIEW中称为波形数据中称为波形数据 波形生成函数的应用举例例例6.8 使用基本函数发生器创建函数发生器使用基本函数发生器创建函数发生器前面板前面板 程序框图程序框图 多频信号的产生与应用 n多多频频信信号号是是指指一一个个离离散散频频率率的的正正弦弦波波集集合合，其模拟信号数学表
15、达式为：其模拟信号数学表达式为：式中，Ai：第i个正弦波的幅值 i：基频角频率 hi：第i个正弦波的角频倍数 i：第i个正弦波的初相角例6.9 多频信号发生器前面板前面板 程序框图程序框图 例6.10 信号合成信号合成的信号合成的前面板和程前面板和程序框图序框图6.3 信号的时域分析n时时域域分分析析是是指指在在时时间间域域内内研研究究系系统统在在一一定定输输入入信信号号的的作作用用下下，其其输输出出信信号号随随时时间间的的变变化化情情况况。由由于于时时域域分分析析是是直直接接在在时时间间域域中中对对系系统统进进行行分分析析的的方方法法，所所以以时域分析具有直观和准确的优点。时域分析具有直观和
16、准确的优点。6.3.1 卷积运算n卷卷积积是是电电路路分分析析的的一一个个重重要要概概念念。它它可可以以求求线性系统对任何激励信号的零状态响应。线性系统对任何激励信号的零状态响应。n对离散时间信号的卷积称为卷积和，定义为对离散时间信号的卷积称为卷积和，定义为Convolution.vi例6.11 求卷积运算卷积运算的卷积运算的前面板和程前面板和程序框图序框图6.3.2 相关分析n所谓所谓“相关相关”是指变量之间的线性关系。是指变量之间的线性关系。n相相关关分分析析利利用用相相关关系系数数或或相相关关函函数数来来描描述述两两个个信信号号间间的的相相互互关关系系或或其其相相似似程程度度，还还可可以
17、以用用来来描描述述同同一一信信号号的的现现在在值值与与过过去去值值的的关关系系，或或者者根根据据过过去去值值、现在值来估计未来值。现在值来估计未来值。相关函数定义为相关函数定义为 LabVIEW中的相关分析函数Auto Correlation.viCross Correlation.vi例6.12 互相关运算前面板前面板程序框图程序框图 6.3.3 微积分运算 在在工工程程应应用用领领域域，经经常常要要对对整整个个过过程程进进行行测测量量和和控控制制，往往往往涉涉及及到到信信号号的的采采集集，而而采采样样获获得得是是离离散散的的数数据据，若若要要考考虑虑整整个个过过程程的的动动态态情情况况或或
18、者者获获得得多多个个参参数数，就就要要用用到到数数值值积积分分和和数数值值微微分分运运算。算。 LabVIEW提供了积分和微分函数提供了积分和微分函数例6.13 对方波信号进行微积分运算前面板前面板 程序框图程序框图 6.4 信号的频域分析n信信号号的的频频谱谱代代表表了了信信号号在在不不同同频频率率分分量量处处信信号号成成分分的的大大小小，它它能能够够提提供供比比时时域域信信号号波形更直观、更丰富的信息。波形更直观、更丰富的信息。nLabVIEW8.2LabVIEW8.2提提供供了了丰丰富富的的频域域分分析析函函数数，包包括括傅傅里里叶叶变换、hilberthilbert变换、功功率率谱分分
19、析、析、谐谐波分析等。波分析等。 6.4.1 快速傅立叶变换（FFT）n傅傅里里叶叶变变换换是是信信号号处处理理与与数数据据处处理理中中一一个个重重要要分分析析工工具具，其其意意义义在在于于将将时时域域与与频频域域信信号号联联系系起起来来，通通过过频频域域分分析析将将复复杂杂的的信信号号分分解解为各个单一的频率成分。为各个单一的频率成分。FFT.vi例6.15 双边傅里叶变换前面板前面板程序框图程序框图频率间隔与采频率间隔与采样频率和采样样频率和采样点数的关系点数的关系例6.16 单边傅里叶变换前面板前面板程序框图程序框图6.4.2 频谱分析n频频谱谱分分析析是是指指把把时时间间域域的的各各种
20、种动动态态信信号号通通过过傅里叶变换转换到频率域进行分析。傅里叶变换转换到频率域进行分析。n频谱分析中应注意的问题频谱分析中应注意的问题 （1 1）频谱混叠）频谱混叠 （2 2）泄漏效应和栅栏效应）泄漏效应和栅栏效应频谱分析前面板前面板程序框图程序框图 例例6.17 6.17 使用使用Amplitude and Phase Spectrum.viAmplitude and Phase Spectrum.vi进进行频谱分析行频谱分析功率谱例例6.16 6.16 使用使用Auto Power Spectrum.viAuto Power Spectrum.vi进行自功率谱分进行自功率谱分析析前面板前
21、面板程序框图程序框图6.4.3 频率响应分析n频频率率响响应应表表述述了了一一个个测测试试系系统统输输入入和和输输出出的的频频域域关关系系，它它是是描描述述测测试试系系统统频频域域动动态态特特性性的重要关系。的重要关系。 常常用其模常常用其模 和相位角和相位角 来表示，称为测试系统来表示，称为测试系统的幅频特性和相频特性。的幅频特性和相频特性。 例6.19 求频率响应的幅频特性与相频特性前面板前面板程序框图程序框图频率响应例例6.20使使用用Frequence Response Function(Real-Im).vi求频率响应的实部和虚部求频率响应的实部和虚部前面板前面板程序框图程序框图6.
22、4.4 谐波分析n谐谐波波和和基基波波是是一一个个相相对对的的概概念念，它它是是一一个个周周期期电电气气量量中中的的正正弦弦波波分分量量，其其频频率率为为基基波波频频率率的的整整数数倍倍，由由于于谐谐波波的的频频率率是是基基波波频频率率的的整整数数倍倍，也也常常称称为为高高次次谐谐波波。在在频频域域分分析析中中以以电电压压为为例例，将将畸畸变变的的周周期期性电压分解成傅里叶级数性电压分解成傅里叶级数畸变波形因谐波引起的偏离正弦波形的程度用畸变波形因谐波引起的偏离正弦波形的程度用总谐波畸变量总谐波畸变量THDTHD表示表示 例6.21 谐波分析前面板前面板程序框图程序框图 6.5 数字滤波器n数
23、数字字滤滤波波器器即即是是以以数数值值计计算算的的方方法法来来实实现现对对离离散散化化信信号号的的处处理理，以以减减少少干干扰扰信信号号在在有有用用信信号号中中所所占占的的比比例例，从从而而改改变变信信号号的的质质量量，达到滤波或加工信号的目的。达到滤波或加工信号的目的。 n数字滤波器分为数字滤波器分为 无限冲激响应滤波器无限冲激响应滤波器IIRIIR 有限冲激响应滤波器有限冲激响应滤波器FIRFIR 特点：精度高、稳定性好、灵活性强、处理功特点：精度高、稳定性好、灵活性强、处理功 能强能强 调用数字滤波器子程序应注意的问题n滤滤波波器器类类型型选选择择: :在在低低通通、高高通通、带带通通或
24、或带带阻阻滤滤波波器中选择一个类型。器中选择一个类型。 n截截止止频频率率确确定定: :对对低低通通 只只需需确确定定上上截截止止频频率率，高高通通滤滤波波器器只只需需确确定定下下截截止止频频率率，对对带带通通及及带带阻阻滤滤波波器器应确定上、下限截止频率。应确定上、下限截止频率。 n采样频率设定采样频率设定n滤滤波波器器的的阶阶数数: :滤滤波波器器阶阶数数越越高高，其其幅幅频频特特性性曲曲线线过渡带衰减越快过渡带衰减越快 n纹波幅度纹波幅度 窗函数LabVIEW8.2LabVIEW8.2在在【窗窗】子选板中提供了子选板中提供了2020种窗函数，包括种窗函数，包括矩形窗、汉宁窗、矩形窗、汉宁
25、窗、海明窗等海明窗等数字滤波器应用举例例例6.22 使用巴特沃斯使用巴特沃斯滤波器提出正弦信号滤波器提出正弦信号前面板前面板程序框图程序框图 例6.23 信号分离前面板前面板程序框图程序框图 6.6 曲线拟合n概述概述 相关物理量近似函数表达式描述相关物理量近似函数表达式描述 y = f(x，a，b，) 曲线拟合的目的：是找出一系列参数的最佳估值，通过这曲线拟合的目的：是找出一系列参数的最佳估值，通过这些最佳参数，可使拟合曲线与实际数据之间的误差为最小。些最佳参数，可使拟合曲线与实际数据之间的误差为最小。 曲线拟合的算法称为最小平方法。误差被定义为：曲线拟合的算法称为最小平方法。误差被定义为：
26、 e(a)=f(x,a)-y(x)2 令令 a=a0 ,a1 y(x)是实测数据，是实测数据，f(x，a)是由一组实验数据估计出来的回是由一组实验数据估计出来的回归方程式，归方程式，a 是使误差平方和为最小的最佳系数或参数。是使误差平方和为最小的最佳系数或参数。 离散系统离散系统 ： f表示拟合数据，表示拟合数据，y表示实测数据，表示实测数据，n表示采样点数。表示采样点数。1. LabVIEW中曲线拟合类型nLabVIEW的的分分析析软软件件库库提提供供了了多多种种线线性性和和非非线线性性的的曲曲线线拟拟合算法，如：合算法，如：n线性拟合线性拟合 把实验数据拟合为把实验数据拟合为y=mx+c直
27、线形式：直线形式： yi=a0+a1*xin指数拟合指数拟合 把数据拟合为把数据拟合为y = a exp(bx)指数曲线指数曲线: yi= a0*exp(a1*Xi)n多项式拟合把数据拟合为多项式拟合把数据拟合为y=a+bx+cx2+多项式曲线：多项式曲线： yi= a0 + a1*Xi+a2*xi2n通用线性拟合通用线性拟合 将数据拟合为下述形式：将数据拟合为下述形式： yi= a0+ a1*f1(Xi)+ a2*f2(Xi) n非线性非线性 LevMar 拟合拟合 将数据拟合为将数据拟合为 yi=f(Xi, a0, a1, a2)2.曲线拟合应用 n曲线拟合的实际应用很广泛，例如曲线拟合的
28、实际应用很广泛，例如 ：n消除测量噪声消除测量噪声n填填充充丢丢失失的的采采样样点点（例例如如，如如果果一一个个或或者者多多个个采采样样点点丢丢失失或者记录不正确）或者记录不正确）n插插值值（对对采采样样点点之之间间的的数数据据的的估估计计；例例如如在在采采样样点点之之间间的的时间差距不够大时）时间差距不够大时）n外外推推（对对采采样样范范围围之之外外的的数数据据进进行行估估计计，例例如如在在需需要要在在试试验以后或者以后的数值时）验以后或者以后的数值时）n数数据据的的合合成成（例例如如在在需需要要找找出出曲曲线线下下面面的的区区域域，同同时时又又只只知道这个曲线的若干个离散采样点的时候）知道
29、这个曲线的若干个离散采样点的时候）n求求解解某某个个基基于于离离散散数数据据的的对对象象的的速速度度轨轨迹迹（一一阶阶导导数数）和和加速度轨迹（二阶导数）加速度轨迹（二阶导数）3.曲线拟合VInLabVIEW8.2LabVIEW8.2曲曲线线拟拟合合子子选选板板位位于于函函数数选选板板的的【数学数学】子选板中子选板中 4. 曲线拟合应用实例例例6.24 线性拟合线性拟合 线性拟合算法公式线性拟合算法公式 a0a0是截距，是截距，a1a1是斜率是斜率 例6.25 多项式拟合n要要求求使使用用General General Polynomial Polynomial Fit.viFit.vi对对热
30、热电电偶偶测测温温系系统统测测得得的的一一组组实实验验数数据据进进行行多多项项式式拟拟合合，计计算算出出多多项项式式拟拟合合曲曲线线的的系系数数和和对对应应于于输输入入温温度度值值的的拟拟合合值。值。n热电偶测温系统的实验数据如下：热电偶测温系统的实验数据如下：n输输入入温温度度（CC）：0 0，5050，100100，150150，200200，250250，300300，350350，400400，450450，500500，550550，600600，650650，700700，750750，800800。n热热电电势势（mV）：0.00，3.35，6.96，10.69，14.66，18.76， 22.90， 27.15， 31.48， 35.81， 40.15，44.05，49.01，53.39，57.74，62.06，66.36。 多项式拟合VI的前面板和程序框图选选择择拟拟合合阶阶数数为为2 2，多多项项式式关关系系为为本章结束本章结束Thank You !
