1、 計算機數據采集和分析技術概述計算機數據采集和分析技術概述 1 計計算機數數據采集與與分析概概述 基本概念基本概念 數據采集系統的組成數據采集系統的組成 數據采集的主要性能指標數據采集的主要性能指標 1.1基本概念基本概念 1：信息：信息 信息既不是物質，也不是能量，信息就是信息信息既不是物質，也不是能量，信息就是信息 。 信息被認為是客觀物質世界的靈魂，因為信息反映了信息被認為是客觀物質世界的靈魂，因為信息反映了事物的運動狀態和運動方式。從這個廣義的信息概念出發，事物的運動狀態和運動方式。從這個廣義的信息概念出發，引入不同的約束條件，就可以得到不同的具體的定義。引入不同的約束條件，就可以得到

2、不同的具體的定義。 例如，信息可以具體為消息、情報和知識等。例如，信息可以具體為消息、情報和知識等。2： 信號信號 信號是含有能量的物質，具有可測性信號是含有能量的物質，具有可測性 。 在數據采集系統中，會把想要獲取的信息轉換為信號，在數據采集系統中，會把想要獲取的信息轉換為信號，因此直接采集處理的是信號，而不是信息。信號與信息不因此直接采集處理的是信號，而不是信息。信號與信息不能混為一談。信號只是信息的某種形式。實際的信息中往能混為一談。信號只是信息的某種形式。實際的信息中往往包含著多種信息的成分，其中不關心的成分統稱為噪聲往包含著多種信息的成分，其中不關心的成分統稱為噪聲或冗余信息。在一個

3、具體的數據采集系統里里面，可能要或冗余信息。在一個具體的數據采集系統里里面，可能要付出較大的代價來設法去除各種噪聲，從而獲得所要求的付出較大的代價來設法去除各種噪聲，從而獲得所要求的信息。信息。 數據采集（數據采集（Data Acquisition）就是將要獲）就是將要獲取的信息通過傳感器轉換為信號，并經過信號調理、取的信息通過傳感器轉換為信號，并經過信號調理、采樣、量化、編碼和傳輸等步驟，最后送到計算機系采樣、量化、編碼和傳輸等步驟，最后送到計算機系統中進行處理、分析、存儲和顯示。統中進行處理、分析、存儲和顯示。 數據采集系統是計算機與外部世界之間聯系的數據采集系統是計算機與外部世界之間聯系

4、的橋梁，是獲取信息的重要途徑。橋梁，是獲取信息的重要途徑。 數據采集系統追求的主要目標有兩個：精度和速度。數據采集系統追求的主要目標有兩個：精度和速度。 4：系統系統 系統（系統（System）是指由若干相互作用和相互依賴的事）是指由若干相互作用和相互依賴的事物組合而成的具有特定功能的整體。一個系統，對于給定的輸物組合而成的具有特定功能的整體。一個系統，對于給定的輸入（激勵），將會有一個既定的輸出（響應）。入（激勵），將會有一個既定的輸出（響應）。 SheffieldSheffield 計算機數據采集系統的硬件基本組成如下圖。計算機計算機數據采集系統的硬件基本組成如下圖。計算機數據采集系統一般

5、有傳感器、前置放大器、濾波器、多路模數據采集系統一般有傳感器、前置放大器、濾波器、多路模擬開關、采樣擬開關、采樣/保持（保持（S/H）器、模）器、模/數數(A/D)轉換器和計轉換器和計算機系統組成。算機系統組成。1.3 主要性能指標主要性能指標1 系統分辨率系統分辨率 系統分辨率是指數據采集系統可以分辨的系統分辨率是指數據采集系統可以分辨的輸入信號的最小變化量。通常可以使用如下輸入信號的最小變化量。通常可以使用如下幾種方法表示系統分辨率：幾種方法表示系統分辨率：2 系統的精度系統的精度 系統精度是指當系統工作在額定采集速率下，系統精度是指當系統工作在額定采集速率下，整個數據采集系統所能達到的轉

6、換精度。整個數據采集系統所能達到的轉換精度。A/D轉轉換器的精度是系統精度的極限值。換器的精度是系統精度的極限值。 3 采集速率采集速率 采集速率又稱系統通過速率或吞吐率，是指采集速率又稱系統通過速率或吞吐率，是指在滿足系統精度指標的前提下，系統對輸入模擬在滿足系統精度指標的前提下，系統對輸入模擬信號在單位時間內所能完成的采集次數，或者說信號在單位時間內所能完成的采集次數，或者說是系統每個通道、每秒鐘可采集的有效數據的數是系統每個通道、每秒鐘可采集的有效數據的數量。量。4 動態范圍動態范圍 動態范圍是指某個確定的物理量的變化范圍。動態范圍是指某個確定的物理量的變化范圍。信號的動態范圍是指信號的

7、最大幅值和最小幅值信號的動態范圍是指信號的最大幅值和最小幅值之比的分貝數。數據采集系統的動態范圍通常定之比的分貝數。數據采集系統的動態范圍通常定義為所允許輸入的最大幅值與最小幅值之比的分義為所允許輸入的最大幅值與最小幅值之比的分貝數，即式（貝數，即式（1-1）。）。2數數據采集硬件電電路 傳感器的選用傳感器的選用 運用前置放大器的依據運用前置放大器的依據 信號調理中的常用放大器信號調理中的常用放大器 A/D轉換器轉換器 2.1 傳感器的選用傳感器的選用 在都能滿足測量范圍、精度、速度、使用條件在都能滿足測量范圍、精度、速度、使用條件等情況下，應側重考慮成本低、相配電路是否簡單等情況下，應側重考

8、慮成本低、相配電路是否簡單等因素進行取舍，盡可能選擇性價比高的傳感器。等因素進行取舍，盡可能選擇性價比高的傳感器。下面介紹幾種傳感器：下面介紹幾種傳感器： 為了與為了與A/D轉換器的輸入要求相適應，傳感器廠家轉換器的輸入要求相適應，傳感器廠家開始設計、制造一些專門與開始設計、制造一些專門與A/D轉換器相配套的大信號輸轉換器相配套的大信號輸出傳感器。通常是把放大電路與傳感器做成一體，使傳感出傳感器。通常是把放大電路與傳感器做成一體，使傳感器能直接輸出器能直接輸出05V、010V或或420mA的信號。信號的信號。信號輸入通道中應盡可能多選用大信號傳感器或變送器。這樣輸入通道中應盡可能多選用大信號傳

9、感器或變送器。這樣可以省去小信號放大環節，如圖可以省去小信號放大環節，如圖2.1。 運用前置放大器的依據運用前置放大器的依據 把電路輸出端測得的噪聲有效值把電路輸出端測得的噪聲有效值VON折算到該電路折算到該電路的輸入端即除以該電路的增益的輸入端即除以該電路的增益K K，得到的電平值稱為，得到的電平值稱為該電路的等效輸入噪聲該電路的等效輸入噪聲VIN 即：即： 圖圖2.2中前置放大器的增益為中前置放大器的增益為K0，本身的等效，本身的等效輸入噪聲為輸入噪聲為VIN0。由于前置放大器的噪聲與后級。由于前置放大器的噪聲與后級電路的噪聲是互不相關的隨機噪聲，因此，圖電路的噪聲是互不相關的隨機噪聲，因

10、此，圖2.2電路的總輸出噪聲電路的總輸出噪聲VON為：為： 由式（由式（2-4）可知，為使小信號不被）可知，為使小信號不被電路噪聲所淹沒，在電路前端加入的電路電路噪聲所淹沒，在電路前端加入的電路必須是放大器，即必須是放大器，即K01，而且必須是低，而且必須是低噪聲的，即該放大器本身的等效輸入噪聲噪聲的，即該放大器本身的等效輸入噪聲必須比其后級電路的等效輸入噪聲低。因必須比其后級電路的等效輸入噪聲低。因此調理電路前端電路必須是低噪聲前置放此調理電路前端電路必須是低噪聲前置放大器。大器。圖（a）所示調理電路的等效輸入噪聲為：圖（b）所示調理電路的等效輸入噪聲為： 對比式（對比式（2-5）和式（）和

11、式（2-6）可見，由于）可見，由于K1，所以所以 這就是說，調理電路中放大器設置在濾波器這就是說，調理電路中放大器設置在濾波器前面有利于減小電路的等效輸入噪聲。由于電路前面有利于減小電路的等效輸入噪聲。由于電路的等效輸入噪聲決定了電路所能輸入的最小信號的等效輸入噪聲決定了電路所能輸入的最小信號電平。因此減小電路的等效輸入噪聲實質上就是電平。因此減小電路的等效輸入噪聲實質上就是提高了電路接受弱信號的能力。提高了電路接受弱信號的能力。2.3 信號調號調理中的常用放大器目前使用較多的放大器有：儀用放大器、隔離放大器和程控增益放大器等。1 1 在實際的設計過程中，可根據模擬信號調理通在實際的設計過程中

12、，可根據模擬信號調理通道的設計要求，結合儀用放大器的主要性能指道的設計要求，結合儀用放大器的主要性能指標確定具體的放大電路。性能指標如下：標確定具體的放大電路。性能指標如下： 非線性度，溫漂，建立時間，恢復時間，電源非線性度，溫漂，建立時間，恢復時間，電源引起的失調，引起的失調， 共模抑制比等。共模抑制比等。2 2 程控增益放大器程控增益放大器 由程序控制增益的放大器，稱為程控放大由程序控制增益的放大器，稱為程控放大器。它一般由放大器、控制接口和可變反器。它一般由放大器、控制接口和可變反饋電阻網絡組成。饋電阻網絡組成。 一般來說，隔離放大器是一種將輸入、輸出一般來說，隔離放大器是一種將輸入、輸

13、出和電源在電流和電阻上進行隔離，使之沒有直接和電源在電流和電阻上進行隔離，使之沒有直接耦合的測量放大器。耦合的測量放大器。 目前隔離放大器中采用的耦合方式有三種：目前隔離放大器中采用的耦合方式有三種：光耦合、變壓器耦合和電容耦合。光耦合、變壓器耦合和電容耦合。 3 3 隔離放大器隔離放大器2.4 A/D轉換轉換器A/D轉換的常用方法有：逐次逼近型A/D轉換、計數式A/D轉換、雙積分型A/D轉換、串/并型A/D轉換等。A/DA/D轉換器常用的以下幾項技術指標來評價其轉換器常用的以下幾項技術指標來評價其質量水平：質量水平：1.1.分辨率：分辨率：ADCADC所能分辨的輸入模擬量最小變化量。所能分辨

14、的輸入模擬量最小變化量。2.2.轉換時間：轉換時間：A/DA/D轉換器完成一次所轉換所需要的時間轉換器完成一次所轉換所需要的時間3.3.精度精度 絕對精度：定義為對應于產生一個給定的輸出絕對精度：定義為對應于產生一個給定的輸出數字碼，理想模擬輸入電壓與實際模擬輸入電壓的數字碼，理想模擬輸入電壓與實際模擬輸入電壓的差值。差值。 相對精度：定義為在整個轉換范圍內，任一數相對精度：定義為在整個轉換范圍內，任一數字輸出碼所對應的模擬輸入實際值與理想值之差與字輸出碼所對應的模擬輸入實際值與理想值之差與模擬滿量程之比。模擬滿量程之比。3數數據采集系統設計統設計 系統設計考慮的因素系統設計考慮的因素 A/D

15、轉換器的選擇要點轉換器的選擇要點 采樣保持器的選擇采樣保持器的選擇 數據采集系統實例數據采集系統實例 3.1 系統設計統設計考慮慮的因素 數據采集系統的設計要根據測試對象及數據采集系統的設計要根據測試對象及系統的技術指標，主要考慮下列因素：系統的技術指標，主要考慮下列因素：1 1 輸入信號的特性輸入信號的特性2 2 對數據采集系統性能的要求（采集速率，對數據采集系統性能的要求（采集速率，系統的分辨率，系統的精度等）系統的分辨率，系統的精度等）3 3 接口特性接口特性【接口特性包括采樣數據的輸出接口特性包括采樣數據的輸出形式（是并行還是串行輸出）、數據的編形式（是并行還是串行輸出）、數據的編碼格

16、式、與什么數據總線相接等。碼格式、與什么數據總線相接等。】3.2 A/D轉換轉換器的選擇選擇要點 A/D轉換器是數據采集電路的核心部件，正確選用轉換器是數據采集電路的核心部件，正確選用A/D轉換器是提高數據采集電路性能價格比的關鍵，轉換器是提高數據采集電路性能價格比的關鍵，以下幾點應著重考慮。以下幾點應著重考慮。 A/D轉換器的位數不僅決定采集電路所能轉轉換器的位數不僅決定采集電路所能轉換的模擬電壓動態范圍，也在很大程度上影響換的模擬電壓動態范圍，也在很大程度上影響采集電路的轉換精度。因此，應根據對采集電采集電路的轉換精度。因此，應根據對采集電路轉換范圍與轉換精度兩方面要求選擇路轉換范圍與轉換

17、精度兩方面要求選擇A/D轉轉換器的位數。換器的位數。 模擬輸入電壓最大值和最小值分別為模擬輸入電壓最大值和最小值分別為Vi.max和和Vi.min 動態范圍如下式：動態范圍如下式：若已知被測模擬電壓動態范圍為若已知被測模擬電壓動態范圍為L1，則可以，則可以按下式確定按下式確定A/D位數位數m，即，即 由于由于MUX、S/H、A/D組成的數據采集電路的總誤組成的數據采集電路的總誤差是這三個組成部分的分項誤差的綜合值，則選擇元器件差是這三個組成部分的分項誤差的綜合值，則選擇元器件精度的一般規則是：每個元器件的精度指標優于系統精度精度的一般規則是：每個元器件的精度指標優于系統精度的的10倍左右。倍左

18、右。 例如，要構成一個誤差為0.1%的數據采集系統，所用的A/D、S/H和MUX組件的線性誤差應小于0.01%。A/D的量化誤差也應小于0.01%，A/D量化誤差為1/2LSB，即滿度值的1/2m+1，因此可根據系統精度指 標 ， 按 下 式 估 算 所 需 A / D 的 位 數 m ， 即 ： 若若A/D轉換器在一個采樣周期轉換器在一個采樣周期TS內依次完成內依次完成N路模擬信號采樣值的路模擬信號采樣值的A/D轉換，則轉換，則TS=NTA/D，采，采樣頻率樣頻率fs=1Ts 。 根據計算機接口特征，考慮如何選擇根據計算機接口特征，考慮如何選擇A/D轉換轉換器的輸出狀態。（并行器的輸出狀態。

19、（并行OR串行輸出，二進制碼串行輸出，二進制碼OR BCD碼，以及與碼，以及與TTL、CMOS及及ECL電路的電路的兼容性等）兼容性等）3.3 S/H采樣樣保持器的選擇選擇當發出采樣指令即控制信號由當發出采樣指令即控制信號由“保持保持”電平跳變為電平跳變為“采樣采樣”電平之后，采樣電平之后，采樣/保保持的輸出電壓持的輸出電壓V0從原來的保持值過渡到跟蹤輸入從原來的保持值過渡到跟蹤輸入信號信號Vi值（在確定的精度范圍內）所需的時間稱值（在確定的精度范圍內）所需的時間稱捕捉時間捕捉時間tAC。 從發出保持指令即控制信號從從發出保持指令即控制信號從“采樣采樣”電平跳變為電平跳變為“保持保持”電平開始

20、到模擬開關電平開始到模擬開關完全斷開所經歷的時間稱為孔徑時間完全斷開所經歷的時間稱為孔徑時間tAP，3.4 設計實設計實例4 基于LABVIEW實現數實現數據采集 LabVIEW概述概述 數據采集系統數據采集系統 采樣定理采樣定理 實例實例 LabVIEW入門操作入門操作 4.1 LABVIEW概概述 虛擬儀器是以計算機為核心，根據用戶對儀器的設計定義，虛擬儀器是以計算機為核心，根據用戶對儀器的設計定義，用軟件實現虛擬控制面板設計和測試功能的一種計算機儀器系用軟件實現虛擬控制面板設計和測試功能的一種計算機儀器系統。從實質上講，統。從實質上講，VI利用硬件系統利用硬件系統(I/O接口設備接口設備

21、)完成信號的采完成信號的采集、測量與調理，利用計算機強大的軟件功能實現信號數據的集、測量與調理，利用計算機強大的軟件功能實現信號數據的運算、分析和處理，利用計算機的顯示器模擬傳統儀器的控制運算、分析和處理，利用計算機的顯示器模擬傳統儀器的控制面板，以多種形式輸出檢測結果，完成所需的測試功能。面板，以多種形式輸出檢測結果，完成所需的測試功能。 LabVIEW(Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench)是實驗室虛擬儀器工作平臺的簡稱，它提供了一種是實驗室虛擬儀器工作平臺的簡稱，它提供了一種圖形化的編程語言稱為圖形化的編程語言稱為G語言。

22、語言。LabVIEW具有如下特點：具有如下特點：1 1 圖形化編程圖形化編程2 2 模塊化設計模塊化設計3 3 高效率高效率4 4 開放性開放性4.3 數數據采集系統統數據采集系統的硬件部分，主要由傳感器、信號數據采集系統的硬件部分，主要由傳感器、信號調理設備、數據采集設備和計算機四部分組成。調理設備、數據采集設備和計算機四部分組成。總線方式決定了計算機的數據傳送能力和連總線方式決定了計算機的數據傳送能力和連續采集數據的最大速度，最常見的是續采集數據的最大速度，最常見的是PCI總線、總線、PXI/CompactPCI總線、總線、USB總線、串口或并口、總線、串口或并口、IEEE1394(火線火

23、線)總線以及總線以及ISA總線。總線。采集大量甚至海量數據時需要考慮計算機的硬盤容量采集大量甚至海量數據時需要考慮計算機的硬盤容量和讀寫速度。需要實時處理高頻信號或需要承擔大型計算和讀寫速度。需要實時處理高頻信號或需要承擔大型計算任務時，就需要使用任務時，就需要使用32位的高速處理器及協處理器，或者位的高速處理器及協處理器，或者專用的數子信號處理器（專用的數子信號處理器（DSP）。）。 根據應用層次的不同，基于虛擬儀器的數據采集系統的根據應用層次的不同，基于虛擬儀器的數據采集系統的軟件部分一般可由驅動程序、應用程序編程接口和虛擬儀器軟件部分一般可由驅動程序、應用程序編程接口和虛擬儀器開發工具三

24、部分組成。開發工具三部分組成。 虛擬儀器開發工具如虛擬儀器開發工具如LabVIEW，LabWindows/CVI 等，作為頂層軟件開發平臺，可提供強大而靈活的等，作為頂層軟件開發平臺，可提供強大而靈活的開發功能，方便用戶快速搭建數據采集和測量應用開發功能，方便用戶快速搭建數據采集和測量應用程序。程序。4.4 采樣樣定理 在一般的數據采集應用中，常見的信號按照可分在一般的數據采集應用中，常見的信號按照可分為模擬信號和數字信號兩大類，模擬信號是指幅值為模擬信號和數字信號兩大類，模擬信號是指幅值可取連續值的信號，而數字信號的幅值只能取離散可取連續值的信號，而數字信號的幅值只能取離散值，即規定的某些值

25、，一般僅為高電平或低電平。值，即規定的某些值，一般僅為高電平或低電平。可將數字信號和模擬信號繼續劃分為：可將數字信號和模擬信號繼續劃分為：數字信號：開關信號（數字信號：開關信號（On-Off），連續脈沖信號），連續脈沖信號（Pulse Train）模擬信號：直流信號（模擬信號：直流信號（DC），時域信號（），時域信號（Time Domain）頻域信號（）頻域信號（Frequency Domain） 數據采集的主要功能之一是將外部模擬信號轉換為數據采集的主要功能之一是將外部模擬信號轉換為離散信號傳遞到計算機中去，這一過程被稱為采樣。離散信號傳遞到計算機中去，這一過程被稱為采樣。采樣過程中，確定合

26、適的采樣頻率（每秒采集所得到采樣過程中，確定合適的采樣頻率（每秒采集所得到的數據個數）至關重要。的數據個數）至關重要。指出： 采樣頻率必須至少是原始信號中所包含最高頻率的采樣頻率必須至少是原始信號中所包含最高頻率的兩倍時，所得到的采樣信號才能包含原始信號所有頻兩倍時，所得到的采樣信號才能包含原始信號所有頻率分量的全部信息，否則從采樣信號恢復原始信號時率分量的全部信息，否則從采樣信號恢復原始信號時將發生畸變。將發生畸變。 理論上只要采樣頻率到達信號所包含最高頻率的理論上只要采樣頻率到達信號所包含最高頻率的2倍以上就倍以上就可以避免混疊，但是工程應用上往往要留出一些裕量，一般可以避免混疊，但是工程

27、應用上往往要留出一些裕量，一般取取510倍，如果對信號處理效果有更高的要求，甚至還需要倍，如果對信號處理效果有更高的要求，甚至還需要取得更高。取得更高。4.5 實實例4.5.1 數數據采集卡USB2812數據采集卡數據采集卡USB2812是一種基于是一種基于USB總線的，總線的，可直接和計算機的可直接和計算機的USB接口相連，構成實驗室、產接口相連，構成實驗室、產品質量檢測中心等領域的數據采集、波形分析和處品質量檢測中心等領域的數據采集、波形分析和處理系統，也可應用于工業生產過程監控系統。理系統，也可應用于工業生產過程監控系統。 1. AD模擬量輸出功能模擬量輸出功能 2. DA模擬量輸出功能

28、模擬量輸出功能 3. DI數字量輸入功能數字量輸入功能 4. DO數字量輸出功能數字量輸出功能 5. CNT定時定時/計算器功能計算器功能4.5.2 信號輸號輸入連連接方式 單端輸入是指單端輸入是指使用單個通路實現使用單個通路實現某個信號的輸入，某個信號的輸入，同時多個信號的參同時多個信號的參考地共用一個接地考地共用一個接地點。此方式主要應點。此方式主要應用于干擾不大，通用于干擾不大，通道數相對較多的場道數相對較多的場合。合。2.雙雙端輸輸入 雙端輸入是指雙端輸入是指使用正負兩個通路實現使用正負兩個通路實現某個信號的輸入，該輸某個信號的輸入，該輸入方式也叫差分輸入。入方式也叫差分輸入。此方式主

29、要應用于干擾此方式主要應用于干擾較大，通道數相對較少較大，通道數相對較少的場合。的場合。 USB2812USB2812可根據右圖可根據右圖連接成模擬電壓雙端輸連接成模擬電壓雙端輸入方式，可以有效抑制入方式，可以有效抑制共模干擾信號，提高采共模干擾信號，提高采集精度。集精度。4.5.3 軟軟件編編程知識識 5V量程：量程：Volt(mV)=(10000.00/8192)*(ADBuffer0&0 x1FFF)-5000.00 05V量程：量程：Volt(mV)=(10000.00/8192)*(ADBuffer0&0 x1FFF) AD AD在采樣過程中，組內各通道以內時鐘的采在采樣過程中，組內各通道以內時鐘的采樣頻率進行轉換，每兩組之間有一定的等待時樣頻率進行轉換，每兩組之間有一定的等待時間，這段時間就叫組間間隔間，這段時間就叫組間間隔( (GroupIntervalGroupInterval) )。組內采樣頻率越高，組間間隔越長，信號的相組內采樣頻率越高，組間間隔越長，信號的