1、毕业设计说明书完整源代码及整套相关文件 QQ68661508，完整电路设计图纸，程序设计源代码请联系本人，参见豆丁备注和信息。http:/ 学号： 学 院： 专 业： 指导教师： 2011 年 6 月信息与通信工程学院测控技术与仪器基于 LabVIEW 的多通道数据采集系统摘 要虚拟仪器是在计算机基础上通过增加相关硬件和软件构建而成的、具有可视化界面的仪器，它融合了测试理论、仪器原理和技术、计算机接口技术、高速总线技术以及图形软件编程技术等于一体，利用计算机强大的数字的处理能力来实现仪器的诸多功能，打破了传统仪器的框架，形成了一种新的仪器模式。本文首先阐述了测控技术和虚拟仪器技术的现状及以后的
2、发展趋势，探讨了虚拟仪器的相关技术、LabVIEW 的相关知识，然后阐述了有关数据采集的理论，给出了数据采集系统的框图和硬件结构图。在分析本设计功能的基础上，介绍了程序模块化设计、数据库相关知识、LabVIEW 的多线程等技术，最后给出了设计的前面板及程序框图。本设计采用了虚拟的 NI-PCI 6221 数据采集卡，利用虚拟仪器及其相关技术实现了多通道数据采集。该系统具有多路采集、实时显示、存储管理与密码保护等功能。关键字：虚拟仪器；数据采集；LabVIEW；测控技术。 AbstractVirtual instrument is based on computer related hardwa
3、re and software by increasing the building made with a visual interface of the instrument, which combines the test theory, theory and technology equipment, computer interface technology, high-speed bus technology and graphics software programming technology is equal to one, the use of powerful digit
4、al computer processing power to achieve the instruments many features, breaking the traditional instruments of the framework, the formation of a new instrument model. This paper describes the measurement and control technology and virtual instrument technology status and future development trend of
5、related technology of virtual instrument, LabVIEW related knowledge, and then expounded on the theory of data acquisition, data acquisition system is given and the hardware block diagram structure. In the analysis of the design features, based on the procedures introduced modular design, database-re
6、lated knowledge, LabVIEW multithreading technology, given the design front panel and block diagram. This design uses a virtual NI-PCI 6221 data acquisition card, the use of virtual instruments and related technology to achieve a multi-channel data acquisition. The system has multi-channel acquisitio
7、n, display, storage management and password protection.Key words: Virtual Instrument; DAQ; LabVIEW; Measurement and Control Technology目 录第一章 绪论 .11.1 引言 .11.2 技术背景 11.2.1 测控技术的国内外现状 .11.2.2 虚拟仪器的国内外现状 .21.3 本设计相关理论 41.4 本设计的目标及具体实现 .41.5 本章小结 .4第二章 虚拟仪器 .42.1 虚拟仪器的相关技术 52.1.1 虚拟仪器的概念 52.1.2 虚拟仪器的组成及
8、与传统仪器的对比 52.1.3 虚拟仪器的硬件技术 .62.1.4 虚拟仪器系统组建方案 82.1.5 虚拟仪器的软件技术 82.2 LabVIEW 的相关技术 102.2.1 LabVIEW 的基本概念 102.2.2 LabVIEW 编程相关知识 10第三章 数据采集系统的总体方案设计 .123.1 数据采集的相关介绍 .123.1.1 数据采集的基本任务 .123.1.2 数据采采集的相关技术 .123.1.3 输入信号的类型 133.1.4 输入信号的连接方式 .143.1.5 测量系统的分类 .153.1.6 测量系统的选择 .163.1.7 数据系统的一般组成及其描述 173.1.
9、8 传感器 .193.1.9 信号调理 .193.2 数据采集卡的选择 .203.2.1 数据采集卡的选择指标 203.2.2 NI PCI-6221 数据采集卡 21第四章 系统软件设计的相关技术 .214.1 程序模块化设计概述 .224.1.1 程序设计的模块化原则 .224.1.2 软件系统的模块化设计原则 234.1.3 软件系统模块化在本设计中的应用 244.2 数据库技术 .244.2.1 数据库技术概述 .244.2.2 ADO 与数据库的交互技术 254.2.3 Access 数据库 264.2.4 LabSQL 数据库访问技术 264.3 多线程技术 .274.3.1 Wi
10、ndows 的多线程机制 274.3.2 LabVIEW 与多线程 274.3.3 多线程技术在本设计中的应用 27第五章 具体的多通道数据采集系统的实现 295.1 登录系统 .295.2 参数设置系统 .305.3 实时数据采集系统 .315.4 历史数据查询 .335.5 VI 程序保护 34第六章 总结 .35致 谢 .36参考文献： .37第一章 绪论1.1 引言测控技术在现代的科学技术和国防科学技术等许多领域中都应用十分广泛，它的发展被认为是科学技术、国防科技现代化的重要的条件和明显的标志。在以往的工业现场各种数据都是采用的人工读数和记录，无法做到对大量的实验数据的实时采集和实时分
11、析。随着现代计算机和微电子等技术的高速发展，结合高精度、高性能的数据采集仪器的应用，使得多路数据采集实现了人工智能化，大量数据采集和分析都由计算机自动完成，大大的提高了测量精度和测量速度。而随着测控技术的不断进步，而后诞生了智能仪器、PC 仪器、VXI 仪器以及虚拟仪器等自动测控系统，而软件系统在此时也成为了计算机系统的核心，其中 LabVIEW 就是计算机处理分析系统软件之一。它简单易懂的图形化编程也使其成为普及率仅次于 C+的编程语言 1。1.2 技术背景1.2.1 测控技术的国内外现状早期的测控系统利用的是大型的仪表对各个设备状态进行监控，然后通过操作盘进行操控；计算机系统则是以计算机为
12、主体，配合检测装置、执行机构与被控对象构成的整体，系统中的计算机用于生产过程的各种监控。但是由于通信协议不开放，这种测控系统只是一个自封闭的系统，只能完成单一的测控功能，而不能实现通用。随着科学技术的发展，在国防、通信、航空、制造等科技领域，要求测试和处理的信息数据量越来越大、而速度要求也越来越快。但是测试的对象的空间位置却日益分散，测试系统也日益庞大，就此提出了测控现场化、远程化的要求。网络化的测控技术源起于国外，是在计算机技术、通信技术迅猛发展，以及对大容量分布的测控终端的的大量需求的背景下发展起来，主要分为以下几个阶段：第一阶段：起始于 20 世纪 70 年代通用仪器总线的出现时 GPI
13、B 实现了计算机和测控系统的首次结合，这样使得测量仪器从独立的手工操作单台仪器开始向总线计算机控制的多台仪器的测控系统转变。此阶段也是网络化测控系统的雏形与起始阶段。第二阶段：起始于 20 世纪 80 年代 VXU 标准化仪器总线的出现，此时 VXI系统可以将大型计算机昂贵的外设、VXI 设备、通信线路等硬件资源和大型数据库等软件资源纳入网络，使得这些宝贵资源能够共享。此阶段就是网络化的测控系统的初步发展阶段。第三阶段：随着科学技术的发展，现场总线技术的出现带动了现场总线控制系统的飞速发展，使是的可以在一个工厂范围内通过总线将成千上万智能传感器等智能化的仪表组成一个网络化测控系统，此阶段是网络
14、化测控系统的快速发展阶段。第四阶段：在对现代要求极高的领域，转通的测控系统已经逐渐无法满足用户的要求，许多部门或大型企业迫切要求构建基于 Internet 或大型局域网的网络化测控系统，即通常所说的分布式测控网络，此阶段是网络化测控系统发展的成熟阶段 2,3。1.2.2 虚拟仪器的国内外现状虚拟仪器是在计算机基础上通过增加相关硬件和软件构建而成的、具有可视化界面的仪器。虚拟仪器的出现彻底打破了传统仪器只能由生产厂家定义，用户无法改变的局面，从而使得任何一个用户都可以方便灵活地用鼠标或按键在计算机显示屏幕上操作虚拟仪器软面板的各种“旋钮”进行测试工作，并可以根据不同的测试要求通过窗口切换不同的虚
15、拟仪器，或通过修改软件来改变、增减虚拟仪器系统的功能与规模。虚拟仪器具有的这种“可开发性”和“可扩展性”等优越特点使虚拟仪器具有强大的生命力和竞争力。虚拟仪器的开发环境主要有 Visual C+，Visual Basic，以及 HP 公司的VEE 和 NI 公司的 LabVIEW、Lab Windows/CVI 等。VC、VB、Lab Windows/CVI 虽然是可视化的开发工具，但它们对开发人员的编程能力要求很高，而且开发周期较长。HPVEE 是一个基于图形的虚拟仪器编程环境，拥有较多的用户，缺点是其生成的应用程序是解释执行的，运行速度较慢。LabVIEW 是目前国际上唯一的基于数据流的编
16、译型图形编程环境，它把复杂、烦琐、费时的语言编程简化成用简单或图标提示的方法选择功能(图形)，并用线条把各种图形连接起来的简单图形编程方式，使得不熟悉编程的工程技术人员都可以按照测试要求和任务快速“画”出自己的程序， “画”出仪器面板，这大大提高了工作效率，减轻了科研和工程技术人员的工作量，因此，LabVIEW是一种优秀的虚拟仪器软件开发平台。随着计算机技术、仪器技术和网络通信技术的不断完善，虚拟仪器将向以下三个方向发展：(1)外挂式虚拟仪器PC-DAQ 式虚拟仪器是现在比较流行的虚拟仪器系统，但是，由于基于 PCI总线的虚拟仪器在插入 DAQ 时都需要打开机箱等，比较麻烦，而且，主机上的PC
17、I 插槽有限，再加上测试信号直接进入计算机，各种现场的被测信号对计算机的安全造成很大的威胁，同时，计算机内部的强电磁干扰对被测信号也会造成很大的影响，故以 USB 接口方式的外挂式虚拟仪器系统将成为今后廉价型虚拟仪器测试系统的主流。(2)PXI 型高精度集成虚拟仪器测试系统PXI 系统高度的可扩展性和良好的兼容性，以及比 VXI 系统更高的性价比，将使它成为未来大型高精度集成测试系统的主流虚拟仪器平台。(3)网络化虚拟仪器尽管 Internet 技术最初并没有考虑如何将嵌入式智能仪器设备连接在一起，不过 NI 等公司已开发了通过 Web 浏览器观测这些嵌入式仪器设备的产品，使人们可以通过 In
18、ternet 操作仪器设备。根据虚拟仪器的特性，我们能够方便地将虚拟仪器组成计算机网络。利用网络技术将分散在不同地理位置不同功能的测试设备联系在一起，使昂贵的硬件设备、软件在网络上得以共享，减少了设备重复投资。现在，有关 MCN(Measurement and Control Networks)方面的标准正在积极进行，并取得了一定进展。由此可见，网络化虚拟仪器将具有广泛的应用前景 45。1.3 本设计相关理论本设计是以研究数据采集技术为目的，利用虚拟仪器技术、数字信号处理技术进行多通道数据采集，实时采集、实时处理、实时存储，信号采用虚拟的NI PCI-6221 数据采集卡采集，然后经过 PCI
19、 总线送入 PC 机，由软件进行处理，进行数据的实时采集和存储功能等。1.4 本设计的目标及具体实现（1）设计 3 通道数据采集系统具体实现的方案。（2）学习并掌握 LabVIEW 的相关知识和图形化编程的算法。（3）了解学习程序模块化设计、数据库、多线程等技术。在本设计中，根据具体的目标做的程序实现了以下几种功能：登陆程序，4通达数据采集，数据实时显示，数据实时保存，历史数据查询等功能。1.5 本章小结本章通过查询相关资料获取了测控技术、虚拟仪器的国内外现状及发展趋势。在此基础上根据自己的设计目标，作出了一个符合自己需求的程序，并根据现实需求，设计了一些更人性化的程序来满足需求。当然，本程序
20、还有很多未完善之处，例如登陆程序用户名及密码的修改，数据报警功能，历史数据查询需要用时间查询等。第二章 虚拟仪器2.1 虚拟仪器的相关技术2.1.1 虚拟仪器的概念虚拟仪器技术是测试技术和计算机技术相结合的产物，是两门学科最新技术的结晶，融合了测试理论、仪器原理和技术、计算机接口技术、高速总线技术以及图形软件编程技术于一体。美国国家仪器公司 NI（National Instruments）提出的虚拟测量仪器（VI）概念，引发了传统仪器领域的一场重大变革，使得计算机和网络技术得以长驱直入仪器领域，和仪器技术结合起来，从而开创了“软件即是仪器”的先河。 “软件即是仪器”这是 NI 公司提出的虚拟仪
21、器理念的核心思想。从这一思想出发，基于电脑或工作站、软件和 IO部件来构建虚拟仪器。灵活高效的软件能帮助我们创建完全自定义的用户界面，模块化的硬件能方便地提供全方位的系统集成，标准的软硬件平台能满足对同步和定时应用的需求。2.1.2 虚拟仪器的组成及与传统仪器的对比虚拟仪器是基于计算机的功能化硬件模块和计算机构成的电子测试仪器，而软件则是虚拟仪器的核心。我们所用到的虚拟仪器主要是由高效的软件，模块化的 I/O 硬件以及用于集成的软硬件平台。正由于虚拟仪器的核心是软件，它的性能高、扩展性强、开发时间少以及无缝集成等优势都是传统仪器所无法比拟的。图 2.1 为虚拟仪器与传统仪器的比较。图 2.1
22、传统仪器与虚拟仪器的比较2.1.3 虚拟仪器的硬件技术（1）卡式仪器传统仪器主要由控制面板和内部处理电路组成；而卡式仪器自身不带仪器面板，它必须借助计算机强大的图形环境，建立图形化的虚拟面板，完成对仪器的控制、数据分析和显示。以数据采集卡为例，它通常具有 A/D 转换、D/A转换、数字 I/O 和计数器/定时器等功能，有些还具有数字滤波和数字信号处理的功能。现在的多功能数据采集卡多采用了“虚拟硬件(Virtual Hardware，简称 VH)的技术，它的思想源于可编程器件，使用户通过程序能够方便地改变硬件的功能或性能参数，从而依靠硬件设备的柔性来增强其适用性和灵活性。目前市面上的 VH，其采
23、样率和精度都是可变的。由于卡式仪器与计算机结合紧密，能够充分利用已有的计算机资源，较之传统仪器成本更低廉、使用更灵活、性能更强，因此它是一种极具潜力的仪器种类。（2）总线技术仪器总线GPIB 总线(即 IEEE 488 总线)是一种数字式并行总线，主要用于连接测试仪器和计算机。该总线最多可以连接 15 个设备(包括作为主控器的主机)。如果采用高速 HS488 交互握手协议，传输速率可高到 8MBps。VXI 总线(即 IEEE 1155 总线)是一种高速计算机总线VME 总线在仪器领域的扩展。它是在 1987 年，由五家测试和仪器公司(Hewlett- Packard,Wavetek, Tek
24、tronix, Colorado Data Systems,Racal-Dana Instruments)制订的仪器总线标准。VXI 总线具有标准开放、结构紧凑、数据吞吐能力强，最高可达 40MBps，定时和同步精确、模块可重复利用、众多仪器厂家支持的特点，因此得到了广泛的应用。不过，由于价格较高，推广应用受到一定限制，主要集中在航空、航天等国防军工领域。PXI 总线是以 CompactPCI 为基础的，由具有开放性的 PCI 总线扩展而来(NI 公司于 1997 年提出)。PXI 总线符合工业标准，在机械、电气和软件特性方面充分发挥了 PCI 总线的全部优点。PXI 构造类似于 VXI 结构
25、，但它的设备成本更低、运行速度更快，体积更紧凑。目前基于 PCI 总线的软硬件均可应用于PXI 系统中，从而使 PXI 系统具有良好的兼容性。PXI 还有高度的可扩展性，它有 8 个扩展槽，而台式 PCI 系统只有 34 个扩展槽。PXI 系统通过使用 PCI-PCI 桥接器，可扩展到 256 个扩展槽。PXI 总线的传输速率已经达到132Mbps(最高为 500Mbps)，是目前已经发布的最高传输速率。因此，基于 PXI总线的仪器硬件将会得到越来越广泛的应用。计算机总线ISA 总线是一种 8 位或 16 位非同步数据总线，工作频率为 8MHz，最高数据传输率在 8 位时为 24MBps，16
26、 位时为 48MBps。这种总线对于低速数据采样与处理来说是有效的，但对于基于高性能 PC 机的多任务操作系统和高速数据采集系统来说，ISA 总线由于其带宽、位数等的限制，故不能满足系统工作的要求。新型主板和高版本操作系统已不再支持 ISA 总线。PCI 总线是一种同步的独立于 CPU 的 32 位或 64 位局部总线，时钟频率为33MHz，数据传输率高达 132264MBps，PCI 总线技术的无限读写突发方式，可在一瞬间发送大量数据。PCI 总线上的外围设备可与 CPU 并发工作，从而提高了整体性能。PCI 总线还有自动配置功能，从而使所有与 PCI 兼容的设备实现真正的“即插即用”(pl
27、ug&play)。PCI 总线由于上述优点而得到了广泛应用，已成为 PC 工业的事实标准。USB 通用串行总线(Universal serial bus)和 IEEE 1394 总线(又叫Fireware 总线)是被 PC 机广泛采用的两种总线，它们已被集成到计算机主板上。USB 总线能以雏菊链方式连接 127 个装置，需要一对信号线及电源线。USB 2.0 标准的数据传输率能达到 480Mbps。该总线具有轻巧简便、价格便宜、连接方便快捷的特点，现在已被广泛用于宽带数字摄像机、扫描仪、打印机及存储设备。IEEE1394 总线是由苹果公司于 1989 年设计的高性能串口总线，目前传输速率为 1
28、00、200、400Mbps，将来可达 3.2Gbps。这种总线需要两对信号线和一对电源线，可以用任意方式连接 63 个装置，它是专为需要大数据量串行传送的数码相机、硬盘等设计的 6。USB 及 IEEE-1394 总线均具有“即插即用”的能力，与并行总线相比，更适合于连接多外设的需要。工业现场总线为了共享测试系统资源，越来越多的用户正在转向网络。工业现场总线是一个网络通讯标准，它使得不同厂家的产品通过通讯总线使用共同的协议进行通讯。现在，有很多现场总线标准，如 ISA-SP50、ProfiBus、CAN、FieldBus和 DeviceNet 等，它们竞争非常激烈。通用现场总线的发展需要一段
29、时间。2.1.4 虚拟仪器系统组建方案虚拟仪器的突出成就是不仅可以利用 PC 机组建成为灵活的虚拟仪器，更重要的是它可以通过各种不同的接口总线，组建不同规模的自动测试系统。虚拟仪器系统按硬件构成方式，可有以下几种组建方案：(1)GPIB 仪器通过 GPIB 接口卡与计算机组成 GPIB 系统。(2)VXI 仪器与计算机组成 VXI 系统。(3)PXI 仪器组成 PXI 系统。(4)以 DAQ 和信号调理部分为硬件组成 PC-DAQ 测试系统。(5)并行总线仪器组成并行总线系统。(6)串行总线仪器组成串行总线系统。(7)现场总线设备组成现场总线系统。一般来说，GPIB、VXI、PXI 适合大型高
30、精度集成测试系统；PC-DAQ、并行口式、串行口式(如 USB 式)系统适合普及型的廉价系统；现场总线系统主要用于大规模的网络测试。有时，可以根据不同需要组建不同规模的自动测试系统，也可以将上述几种方案结合起来组成混合测试系统。2.1.5 虚拟仪器的软件技术软件是虚拟仪器的关键，以下介绍虚拟仪器应用软件的开发平台、仪器驱动程序以及 I/O 接口软件。（1）软件开发平台LabVIEW 是目前国际上唯一的基于数据流的编译型图形编程环境，它把复杂、烦琐、费时的语言编程简化成用简单或图标提示的方法选择功能(图形)，并用线条把各种图形连接起来的简单图形编程方式，使得不熟悉编程的工程技术人员都可以按照测试
31、要求和任务快速“画”出自己的程序， “画”出仪器面板，这大大提高了工作效率，减轻了科研和工程技术人员的工作量，因此，LabVIEW是一种优秀的虚拟仪器软件开发平台。（2）仪器驱动程序仪器驱动程序是测试系统中最重要的组成部分之一，用来实现仪器硬件的通信、控制功能。传统的仪器驱动程序由仪器硬件厂商随硬件提供，由于不同厂家仪器硬件的差异，使得在更换仪器硬件的同时不得不修改测试代码。为了能自由互换仪器硬件而无需修改测试程序，即解决仪器的互操作问题，VXI plug&play 联盟开发了仪器驱动标准 VISA。VISA 用 G 语言(图形语言)或 ANSIC语言写成，它可以用于多种虚拟仪器开发环境和多种
32、操作系统。1999 年 NI 公司提出了可互换虚拟仪器标准 IVI(Interchangeable Virtual Instruments)，使程序的开发完全独立于硬件。IVI 是建立在 VXI plug&play驱动程序标准之上的，它解决了仪器的互操作问题。IVI 驱动器通过一个通用的类驱动器实现对仪器的控制。类驱动器是仪器的功能和属性集，通过这些功能和属性集实现对一种仪器类(示波器、数字电压表、函数发生器等)中的仪器进行控制。应用程序调用类驱动器，类驱动器再通过专用的驱动器与物理的仪器通信。专用的仪器驱动器(和对应的物理仪器)可以被改变，但应用程序代码保持不变。采用 IVI 技术，可以降低
33、软件的维护费用，减少系统停运时间，提高测试代码的可重用性，使仪器编程更简单。（3）I/O 接口软件I/O 接口软件是虚拟仪器系统软件的基础，用于处理计算机与仪器硬件间连接的低层通信协议。当今优秀的虚拟仪器测试软件都建立在一个标准化 I/O接口软件组件的通用内核之上，为用户提供一个一致的、跨计算机平台的应用编程接口(API)，使用户的测试系统能够选择不同的计算机平台和仪器硬件 7,8。2.2 LabVIEW 的相关技术2.2.1 LabVIEW 的基本概念LabVIEW 是一种程序开发环境，由美国国家仪器（NI）公司研制开发的，类似于 C 和 BASIC 开发环境，但是 LabVIEW 与其他计
34、算机语言的显著区别是：其他计算机语言都是采用基于文本的语言产生代码，而 LabVIEW 使用的是图形化编辑语言 G 编写程序，产生的程序是框图的形式。LabVIEW 集成了与满足GPIB、VXI、RS-232 和 RS-485 协议的硬件及数据采集卡通讯的全部功能。它还内置了便于应用 TCP/PI、ActiveX 的软件标准的库函数，是一个功能强大且灵活的软件。利用软件的易操作及已修改性，使其更好的应用于个人的操作中。图形化的程序语言，又称为 “” 语言。使用这种语言编程时，基本上不写程序代码，取而代之的是流程图或框图。它尽可能利用了技术人员、科学家、工程师所熟悉的术语、图标和概念，因此，La
35、bVIEW 是一个面向最终用户的工具。它可以增强你构建自己的科学和工程系统的能力，提供了实现仪器编程和数据采集系统的便捷途径。使用它进行原理研究、设计、测试并实现仪器系统时，可以大大提高工作效率。LabVIEW 最大特点是形象生动可充分发挥计算机的能力，有强大的数据处理功能，可以创造出功能更强的仪器 9。2.2.2 LabVIEW 编程相关知识LabVIEW 编写的程序是由一个 VI 前面板、数据流框图程序和图标连接端口组成，各部分功能如下：（1）前面板前面板是 VI 的监护室用户接口，与真实物理仪器面板相似，前面板可以包含旋钮、刻度盘、开关、图表和其他界面工具，允许用户通过键盘或者鼠标获取数
36、据显示结果。（2）数据流框图程序VI 从数据流框图中接收指令，框图程序是一种解决编程问题的图形化方法，实际上是 VI 的程序代码。（3）图标连接端口VI 图标和连接端口的功能就像一个图形化参数列表，可在 VI 与 SubVI 之间传递数据。一个 VI 既可以作为上层独立程序，也可以作为其他程序的子程序，当一个 VI 作为子程序是，称作 SubVI.虚拟仪器概念是 LabVIEW 的精髓，也是 G 语言区别于其他高级语言的最显著特征。正是由于 LabVIEW 和虚拟仪器的互相作用，才给了二者更长远的发展空间 10。第三章 数据采集系统的总体方案设计3.1 数据采集的相关介绍3.1.1 数据采集的
37、基本任务数据采集系统的任务，具体地说，就是采集传感器输出的模拟信号并转换成计算机能识别的数字信号，然后送入计算机进行相应的计算和处理，得出所需的数据。与此同时，将计算得到的数据进行显示或打印，以便实现对某些物理量的监视，其中一部分数据还将被生产过程中的计算机控制系统用来控制某些物理量。而数据采集系统性能的好坏，主要取决于它的精度和速度。3.1.2 数据采采集的相关技术根据数据采集的任务可知，数据采集的核心过程就是将连续的模拟信号转换成离散的数字信号，这其中就要涉及到采样。在进行信号采样时，需要遵循采样定理：设连续模拟信号 X(t)的频谱为 X(f)，以采样间隔 Ts 采样得到的离nq=2FSR
38、散模拟信号为 X(nTs)，如果 X(f)和 Ts 满足以下条件，离散信号 X(nTs)可以完全确定频谱 X(f) 。X(f)有截止频率(即最高频率)fh，即当|f| fh 时，X(f)0。由采样定理可知，如果要求不产生混叠干扰，首先应使被采样信号 X(t)成为有限带宽的信号。为此，对不满足此要求的信号，在采样之前，使其先通过模拟低通滤波器滤除高频成分，使其成为带限信号。这种处理称为抗混叠滤波预处理。其次，应使采样频率 fs 大于带限信号最高频率 fh 的 2 倍，即fs2fh。在实际工作中，考虑到实际的模拟低通滤波器不可能有理想的截止特性，在其截止频率 fh 之后总有一定的过渡带，故采样频率
39、常常选为（510）fh，有时候为了较好的还原波形，甚至要更高一些 11。而在实际工作中，为了能用计算机处理信号，须将采样信号转换成数字信号，也就是将采样信号的幅值用二进制码来表示，由于二进制码的位数是有限的，只能代表有限个信号的电平，故在编码之前，首先要对采样信号进行“量化” 。最小数量单位称为量化单位。量化单位定义为量化器满量程电压FSR（Full Scale Range）与 2n 的比值，用 q 表示，有： ,式中，n 为量化器的位数，也就是采集卡的采样位数。而在工作中，我们会必不可少的产生由量化引起的量化误差，量化误差的最大值为 q，它是一种原理性误差，只能减小而不能完全消除。因此在工作
40、中，我们有两种途径去减小量化误差：（1）减小 FSR，即根据输入信号的大小，设置合理的采集卡通道的输入信号范围；（2）增大 n 的值，即选择采样分辨率高的采集卡。3.1.3 输入信号的类型在数据采集应用领域，常将被测信号分为数字信号和模拟信号（也称连续时间信号） 。数字(二进制)信号分为开关信号或脉冲信号。模拟信号可分为直流、时域、频域信号，如图 3.1 所示。图 3.1 信号的种类（1）数字信号(Digital)第一类数字信号是开关信号(On-Off)，如图所示。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2.0V 到 5.0V 之间，就
41、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(Pulse Train)，如图所示。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。（2）模拟信号(Analog)模拟直流信号(DC)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。模拟频域信号(Frequency Domain)与时域信号类似，但从频域信号中提取的信息是信号的频域内容，而不是
42、波形的形状，也不是随时间变化的特性，如图所示。用于测量一个频域信号的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。现实中的信号并不是互相排斥的，一个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。模拟时域信号(Time Domain)运载的信息不仅有信号的电平，还有电平随时间的变化，如图所示。在测量一个时域信号或者说是波形时，需要关注波形形状的特性，如斜度、峰值等。为
43、了测量一个时域信号，必须有一个精确的时间序列，间隔也要合适，以保证信号的有用部分被采集到。现实中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的特性感兴趣。3.1.4 输入信号的连接方式接入数据采集设备的信号根据参考点的不同可以分为接地信号和浮动信号两种类型。接地信号：就是以系统地（如建筑物的地）为参考点的信号，也称参考信号。因为接地信号用的是系统地，所以与数据采集设备是共地的。最常见的接地信号源是通过墙上的接地引出线接入建筑物地的设备，如信号发生器和电源。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
44、。一些常见的浮动信号源有电池、热电偶、变压器和隔离放大器等。3.1.5 测量系统的分类（1）差分测量系统（DEF）信号的正负极分别与一个模拟输入通道相连接。具有仪器放大器（Instrumentation Amplifier）的数据采集设备可配置成差分测量系统。 一个理想的差分测量系统能够精确测量（+）和（-）输入端口之间的电位差，并将共模电压完全抑制掉。需要注意，若输入共模电压超过允许范围，将会降低测量系统的共模抑制比。为了避免测量误差，需要限制信号地与数据采集卡的地之间的浮地电压。图 3.2 为八通道差分测量系统。 图 3.2 八通道差分测量系统（2）参考地单端测量系统(RSE)所有信号均使
45、用同一个参考电压或接地电压，也称为接地测量系统。在接地测量系统中，被测信号一端接模拟输入通道，另一端直接与系统地 AIGND 相连。图 3.3 为十六通道参考地单端测量系统。图 3.3 十六通道参考地单端测量系统（3）无参考地单端测量系统(NRSE)所有测量都有一个共同的参考源，但此类参考电压可根据测量系统的地面实际情况而有所不同。在无参考地单端测量系统中，信号的一端接模拟输入通道，另一端接一个公共参考端（AISENSE） ，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。一个单通道的无参考地单端测量系统和一个单通道的差分测量系统是一样的。图 3.4 为八通道无参考地单端测量系统。图 3.
46、4 八通道无参考地单端测量系统3.1.6 测量系统的选择两种信号源和三种测量系统一共可以组成如图 3.5 的六种连接方式，其中为建议使用的方式。但是在具体情况中，我们要视情况而定，一般来说单端输入以一个共同点为参考点，这种方式适用于输入信号为高电平（大于 1V）且信号源与采集端之间的距离较短（通常小于 5m）的应用场合。如果不能满足上述条件，则需要使用差分输入。在差分输入方式下，每个输入可以有不同的参考点，并且有效地消除了共模噪声的影响，所以差分输入方式的采集精度较高。 图 3.5 测量系统连接方式3.1.7 数据系统的一般组成及其描述根本设计所需要的设计目标，以及所涉及的多通道数据采集的一些
47、技术因素，总体结构框图如图 3.6 所示，前段是接受信号的传感器，经过信号调理电路，最终获得复合采集要求的模拟信号。而采集部分主要为 A/D 转换，数据缓存以及处理等单元，最后是管理单元，管理单元实现数据的保存，显示以及打印等 12。图 3.6 数据采集系统框图图 3.7 数据采集结构图图 3.7 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，板卡上和内存中的缓冲（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缓冲和是否使用外触发启动、停止或者同步一个操作。（1）缓冲（buffers）这里的缓冲指的是 PC 内存的一个区域，它是用来临时存放数据。例如，你需
48、要每秒采集几千个数据，在一秒内显示或者图形化所有数据是困难的。但是将采集卡的数据线发送到 buffer，你就可以先将他们快速存储起来，稍后再重新找回他们显示或者分析。需要注意的是 buffer 与采集操作的速度及容量有关。如果卡有 DMA 性能，模拟输入操作就有一个通向计算机内存的告诉硬件通道，这就意味着所采集的数据可以直接送到计算机内存。下面是选择 buffer 是否使用的几种情形：一下情况出现则需要使用 bufferI/O：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。需要连续采集或产生 AC 数据（10 样本/S）,并且同时分析或显示某些数据。采样周期必须准
49、确、均匀地通过样本数据。下列情况可以不适用 bufferI/O:数据组短小，例如每秒只从两个通道之一采集一个数据点。需要缩减存储器的开支。（2）触发（Triggering）触发涉及初始化、终止或同步采集事件的任何方式。触发器通常是一个数字或者模拟信号，其状态可确定动作的发生。软件触发最容易，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，当某一模拟输入通道发生一个指定电压的电平时，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。许多一起提供数字输出用于触发特定的装置或者一起，在这里就是数据采集卡。下面是选择触发方式的的几种情形：用户需要对所有采集操作有明确的控制，并且事件定时不需要非常准确使用软件触发。采用事件定时需要十分准确，用户需要削减软件开支，
