有关labview数据采集的一些基础

第六章 数据采集

６．１ 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。

６．１．１ 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Δt时间采样一次。时间间隔Δt被称为采样间隔或者采样周期。它的倒数1/Δt 被称为采样频率，单位是采样数/每秒。t=0, Δt ,2Δt ,3Δt 等等，x(t)的数值就被称为采样值。所有x(0),x(Δt),x(2Δt )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：

下图显示了一个模拟信号和它采样后的采样值。采样间隔是Δt，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

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索引，而不含有任何关于采样率（或Δt）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６－２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６－３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６－３ 说明混叠的例子

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采样的结果将会是低于奈奎斯特频率（fs/2=50 Hz）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６－３的例子中，这个滤波器的截止频率自然是25HZ。这个滤波器称为抗混叠滤波器

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２倍就够了，实际上工程中选用５～１０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５～１０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。

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６．１．２ 数据采集系统的构成

图６－４ 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。

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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。

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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。

６．１．３ 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。

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。

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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

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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A／D、一个采样时钟和一个触发器。A／D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A／D、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，从信号中取出需要的各种信息。

６．１．４ 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。

１．接地信号和浮动信号 接地信号

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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。

２．测量系统分类

差分测量系统

差分测量系统中，信号输入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

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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

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３．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式： 接地信号 浮动信号 DEF * * RSE ** NRSE * *

其中，不带*号的方式不推荐使用。一般说来，浮动信号和差动连接方式可能较好。但实际测量时还要看情况而定。

测量接地信号

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测量接地信号最好采用差分或NRSE测量系统。如果采用RSE测量系统时，将会给测量结果带来较大的误差。图6-9展示了用一个RSE测量系统去测量一个接地信号源的弊端。在本例中，测量电压Vm是测量信号电压Vs和电位差DVg之和，其中DVg是信号地和测量地之间的电位差，这个电位差来自于接地回路电阻，可能会造成数据错误。一个接地回路通常会在测量数据中引入频率为电源频率的交流和偏置直流干扰。一种避免接地回路形成的办法就是在测量信号前使用隔离方法，测量隔离之后的信号。

图6-9 RSE测量系统引入接地回路电压

如果信号电压很高并且信号源和数据采集卡之间的连接阻抗很小，也可以采用RSE系统，因为此时接地回路电压相对于信号电压来说很小，信号源电压的测量值受接地回路的影响可以忽略。

测量浮动信号

可以用差分、RSE、NRSE方式测量浮动信号。在差分测量系统中，应该保证相对于测量地的信号的共模电压在测量系统设备允许的范围之内。如果采用差分或NRSE测量系统，放大器输入偏置电流会导致浮动信号电压偏离数据采集卡的有效范围。为了稳住信号电压，需要在每个测量端与测量地之间连接偏置电阻，如图6-10所示。这样就为放大器输入到放大器的地提供了一个直流通路。这些偏置电阻的阻值应该足够大，这样使得信号源可以相对于测量地浮动。对低阻抗信号源来说，10kΩ到100kΩ的电阻比较合适。

图6-10 增加偏置电阻

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如果输入信号是直流，就只需要用一个电阻将（-）端与测量系统的地连接起来。然而如果信号源的阻抗相对较高，从免除干扰的角度而言，这种连接方式会导致系统不平衡。在信号源的阻抗足够高的时候，应该选取两个等值电阻，一个连接信号高电平（+）到地，一个连接信号低电平（-）到地。如果输入信号是交流，就需要两个偏置电阻，以达到放大器的直流偏置通路的要求。

总的来说，不论测接地还是浮动信号，差分测量系统是很好的选择，因为它不但避免了接地回路干扰，还避免了环境干扰。相反的，RSE系统却允许两种干扰的存在，在所有输入信号都满足以下指标时，可以采用RSE测量方式：输入信号是高电平（一般要超过1V）；连线比较短（一般小于5米）并且环境干扰很小或屏蔽良好；所有输入信号都与信号源共地。当有一项不满足要求时，就要考虑使用差分测量方式。

另外需要明确信号源的阻抗。电池、RTD、应变片、热电偶等信号源的阻抗很小，可以将这些信号源直接连接到数据采集卡上或信号调理硬件上。直接将高阻抗的信号源接到插入式板卡上会导致出错。为了更好的测量，输入信号源的阻抗与插入式数据采集卡的阻抗相匹配。

６．１．５ 信号调理

从传感器得到的信号大多要经过调理才能进入数据采集设备，信号调理功能包括放大、隔离、滤波、激励、线性化等。由于不同传感器有不同的特性，因此，除了这些通用功能，还要根据具体传感器的特性和要求来设计特殊的信号调理功能。下面仅介绍信号调理的通用功能。 １．放大

微弱信号都要进行放大以提高分辨率和降低噪声，使调理后信号的电压范围和A/D的电压范围相匹配。信号调理模块应尽可能靠近信号源或传感器，使得信号在受到传输信号的环

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境噪声影响之前已被放大，使信噪比得到改善。 ２．隔离

隔离是指使用变压器、光或电容耦合等方法在被测系统和测试系统之间传递信号，避免直接的电连接。使用隔离的原因由两个：一是从安全的角度考虑；另一个原因是隔离可使从数据采集卡读出来的数据不受地电位和输入模式的影响。如果数据采集卡的地与信号地之间有电位差，而又不进行隔离，那么就有可能形成接地回路，引起误差。 ３．滤波

滤波的目的是从所测量的信号中除去不需要的成分。大多数信号调理模块有低通滤波器，用来滤除噪声。通常还需要抗混叠滤波器，滤除信号中感兴趣的最高频率以上的所有频率的信号。某些高性能的数据采集卡自身带有抗混叠滤波器。 ４．激励

信号调理也能够为某些传感器提供所需的激励信号，比如应变传感器、热敏电阻等需要外界电源或电流激励信号。很多信号调理模块都提供电流源和电压源以便给传感器提供激励。

５．线性化

许多传感器对被测量的响应是非线性的，因而需要对其输出信号进行线性化，以补偿传感器带来的误差。但目前的趋势是，数据采集系统可以利用软件来解决这一问题。

６．数字信号调理

即使传感器直接输出数字信号，有时也有进行调理的必要。其作用是将传感器输出的数字信号进行必要的整形或电平调整。大多数数字信号调理模块还提供其他一些电路模块，使得用户可以通过数据采集卡的数字I/O直接控制电磁阀、电灯、电动机等外部设备。

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６．１．６ 数据采集(DAQ)卡

１．数据采集卡的功能

一个典型的数据采集卡的功能有模拟输入、模拟输出、数字I/O、计数器/计时器等，这些功能分别由相应的电路来实现。

模拟输入是采集最基本的功能。它一般由多路开关（MUX）、放大器、采样保持电路以及A/D来实现，通过这些部分，一个模拟信号就可以转化为数字信号。A/D的性能和参数直接影响着模拟输入的质量，要根据实际需要的精度来选择合适的A/D。

模拟输出通常是为采集系统提供激励。输出信号受数模转换器（D/A）的建立时间、转换率、分辨率等因素影响。建立时间和转换率决定了输出信号幅值改变的快慢。建立时间短、转换率高的D/A可以提供一个较高频率的信号。如果用D/A的输出信号去驱动一个加热器，就不需要使用速度很快的D/A，因为加热器本身就不能很快地跟踪电压变化。应该根据实际需要选择D/A的参数指标。

数字I/O通常用来控制过程、产生测试信号、与外设通信等。它的重要参数包括：数字口路数（line）、接收 (发送 )率、驱动能力等。如果输出去驱动电机、灯、开关型加热器等用电器，就不必用较高的数据转换率。路数要能同控制对象配合，而且需要的电流要小于采集卡所能提供的驱动电流。但加上合适的数字信号调理设备，仍可以用采集卡输出的低电流的TTL电平信号去监控高电压、大电流的工业设备。数字I/O常见的应用是在计算机和外设如打印机、数据记录仪等之间传送数据。另外一些数字口为了同步通信的需要还有“握手”线。路数、数据转换速率、“握手”能力都是应理解的重要参数，应依据具体的应用场合而选择有合适参数的数字I/O。

许多场合都要用到计数器，如定时、产生方波等。计数器包括三个重要信号：门限信号、

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计数信号、输出。门限信号实际上是触发信号——使计数器工作或不工作；计数信号也即信号源，它提供了计数器操作的时间基准；输出是在输出线上产生脉冲或方波。计数器最重要的参数是分辨率和时钟频率，高分辨率意味着计数器可以计更多的数，时钟频率决定了计数的快慢，频率越高，计数速度就越快。

２．数据采集卡的软件配置

一般说来，数据采集卡都有自己的驱动程序，该程序控制采集卡的硬件操作，当然这个驱动程序是由采集卡的供应商提供，用户一般无须通过低层才能与采集卡硬件打交道。

NI公司还提供了一个数据采集卡的配置工具软件——Measurement & Automation Explorer ,它可以配置NI公司的软件和硬件，比如执行系统测试和诊断、增加新通道和虚拟通道、设置测量系统的方式、察看所连接的设备等。

６．１．７ 多通道的采样方式

多数通用采集卡都有多个模入通道，但是并非每个通道配置一个A/D，而是大家共用一套A/D,在A/D之前的有一个多路开关（MUX），以及放大器（AMP）、采样保持器（S/H）等。通过这个开关的扫描切换，实现多通道的采样。多通道的采样方式有三种：循环采样、同步采样和间隔采样。在一次扫描（scan）中，数据采集卡将对所有用到的通道进行一次采样，扫描速率（scan rate）是数据采集卡每秒进行扫描的次数。

当对多个通道采样时，循环采样是指采集卡使用多路开关以某一时钟频率将多个通道分别接入A/D循环进行采样。如图6-11给出两个通道循环采样的示意图。此时，所有的通道共用一个A/D和S/H等设备，比每个通道分别配一个A/D和S/H的方式要廉价。循环采样的缺点在于不能对多通道同步采样，通道的扫描速率是由多路开关切换的速率平均分配给每个通