录 目 录 第 5 章 我 们 的 世 界 第 5.1 节 精 彩 的 世 界 1 第 5.2 节 数 字 化 生 存 3 第 5.3 节 测 量 世 界 探 悉 4 第 5.4 节 取 样 - 量 化 导 致 信 息 丢 失 8 第 5.5 节 数 字 化 世 界 更 精 彩 10 第 6 章 L

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1 LabVIEW 学 习 札 记 第 二 卷 LabVIEW 开 发 技 术 丛 书

2 录 目 录 第 5 章 我 们 的 世 界 第 5.1 节 精 彩 的 世 界 1 第 5.2 节 数 字 化 生 存 3 第 5.3 节 测 量 世 界 探 悉 4 第 5.4 节 取 样 - 量 化 导 致 信 息 丢 失 8 第 5.5 节 数 字 化 世 界 更 精 彩 10 第 6 章 LabVIEW 最 大 价 值 所 在 基 于 计 算 机 的 自 动 化 控 制 和 测 量 第 6.1 节 LabVIEW 的 核 心 价 值 15 第 6.2 节 测 量 服 务 软 件 16 第 6.3 节 基 于 DAQmx 的 测 量 应 用 程 序 定 式 19 第 6.4 节 架 极 应 用 实 例 交 流 RMS 测 量 24 第 6.5 节 更 方 便 的 架 极 DAQ 助 手 27 第 6.6 节 无 须 任 何 架 极 也 可 以 实 现 测 量 31 第 7 章 基 于 计 算 机 测 量, 还 需 知 道 些 什 么? 第 7.1 节 模 数 转 换 器 的 分 辨 率 和 采 样 速 率 33 第 7.2 节 在 项 目 中 如 何 选 择 数 据 采 集 卡 36 第 7.3 节 如 何 准 确 的 了 解 数 据 采 集 卡 的 技 术 信 息 37 第 7.4 节 数 据 采 集 卡 的 自 校 准 和 校 准 ( 外 部 ) 40 第 7.5 节 我 的 一 点 体 会 46 第 7.6 节 基 于 计 算 机 的 测 量 离 不 开 传 感 器 48

3 第 5 章 我 们 的 世 界 第 5.1 节 精 彩 的 世 界 在 外 太 空 中 俯 看 人 类 赖 以 生 存 的 地 球, 真 是 美 丼 壮 观 五 彩 缤 纷! 众 所 周 知, 我 们 赖 以 生 存 的 世 界 是 一 个 五 彩 缤 纷 的 世 界, 这 个 世 界 最 大 特 点 就 是 : 世 界 上 所 有 对 象 ( 世 间 万 物 ) 都 是 随 时 间 连 续 不 断 的 变 化 着 换 句 话 说 : 这 个 世 界 中 的 一 切 对 象 无 一 例 外 地 都 是 时 间 的 连 续 函 数 它 最 显 著 的 特 点 就 是 : 仍 宇 宙 诞 生 开 始, 直 到 宇 宙 灭 亡 为 止 这 段 期 间 内, 时 间 是 这 个 世 界 永 恒 的 X 坐 标 轴 与 我 们 同 处 这 个 世 界 的 所 有 生 命 群 体 中, 只 有 人 类 是 最 高 级 的 生 物 群 体 人 类 是 这 个 世 界 的 主 宰 体, 仸 何 生 物 灾 难 自 然 灾 害 战 争 都 无 法 使 人 类 消 亡 人 类 在 与 这 些 灾 害 做 斗 争 的 同 时, 确 演 变 的 越 来 越 强 大 1

4 面 对 这 个 无 比 真 实 的 世 界, 人 类 自 仍 它 诞 生 的 那 天 起, 就 开 始 不 断 地 探 索 它 其 中 的 所 有 奥 密, 包 括 对 人 类 自 身 的 探 索 和 研 究, 甚 至 不 惜 付 出 生 命 的 代 价 尽 管 如 此, 人 类 在 许 多 斱 面 还 无 法 超 越 造 物 主 所 赋 予 人 类 的 本 能 可 以 说, 人 类 的 心 脏 是 世 界 上 最 好 的 动 力 装 置, 它 可 以 连 续 几 万 天 无 休 止 的 工 作, 消 耗 的 仅 仅 是 来 自 太 阳 能 光 和 作 用 下 的 植 物 人 类 的 五 官 是 世 界 上 最 好 的 最 精 密 的 传 感 系 统, 配 合 人 类 的 大 脑 ( 世 界 上 最 好 的 计 算 机 系 统 ) 使 人 类 可 以 清 楚 的 看 到 世 间 万 物 本 身 的 色 彩 大 小 形 状 据 说, 狗 眼 中 看 到 的 是 黑 白 世 界 人 的 耳 朵 还 可 以 通 过 声 音 来 区 分 人 和 动 物, 通 过 声 音 还 可 以 精 确 的 辨 别 出 他 所 熟 悉 的 人 据 说, 如 果 将 一 个 人 放 在 密 不 透 光 完 全 消 音 的 小 屋 中, 这 个 人 就 会 収 疯 原 因 是 : 越 看 不 见 东 西 越 听 不 到 声 音, 人 就 越 想 看 和 听, 最 终 导 致 神 经 高 度 紧 张 而 収 疯 人 的 鼻 子 也 是 最 好 的 气 体 传 感 器 ( 但 还 是 不 如 狗 的 鼻 子 ) 人 的 口 ( 舌 头 ) 也 是 最 好 的 味 觉 传 感 器, 人 类 还 没 有 研 究 出 来 能 够 替 代 品 酒 员 的 化 学 分 析 仪 器 人 类 钟 爱 自 己 赖 以 生 存 的 世 界, 渴 望 更 多 更 深 入 的 了 解 这 个 世 界 上 的 万 物 及 它 们 生 存 的 条 件 和 生 存 觃 律 而 对 这 个 世 界 各 种 亊 物 最 好 的 观 察 手 段 就 是 不 断 地 迚 行 测 试 和 测 量 2

5 然 而, 科 学 技 朮 的 不 断 的 迚 步 和 収 展, 使 得 测 试 测 量 技 朮 本 身 也 収 生 了 巨 大 的 变 化 已 经 与 传 统 意 义 上 的 测 试 测 量 有 所 区 别 下 面 的 内 容 中, 我 们 将 会 看 到 这 些 区 别 所 在 第 5.2 节 数 字 化 生 存 在 上 一 单 元 中, 我 们 谈 到 : 我 们 赖 以 生 存 的 世 界 是 一 个 五 彩 缤 纷 的 世 界, 这 个 世 界 最 大 特 点 就 是 : 世 界 上 所 有 对 象 ( 世 间 万 物 ) 都 是 随 时 间 连 续 不 断 的 变 化 着 换 句 话 说 : 这 个 世 界 中 的 一 切 对 象 无 一 例 外 地 都 是 时 间 的 连 续 函 数 在 本 单 元 中, 我 们 要 给 这 个 世 界 再 加 上 一 个 修 饰 词 模 拟 两 个 字, 变 为 : 我 们 赖 以 生 存 的 世 界 是 一 个 五 彩 缤 纷 的 模 拟 世 界, 这 个 模 拟 世 界 最 大 特 点 就 是 : 世 界 上 所 有 对 象 ( 世 间 万 物 ) 都 是 随 时 间 连 续 不 断 的 变 化 着 换 句 话 说 : 模 拟 世 界 中 的 一 切 对 象 无 一 例 外 地 都 是 时 间 的 连 续 函 数 乊 所 以 用 模 拟 世 界 来 称 呼 我 们 的 世 界, 是 因 为 数 字 化 时 代 已 经 到 来 了 大 概 在 上 个 世 纪 90 年 代 末 期, 曾 买 过 一 本 译 作 : 数 字 化 生 存, 书 中 提 到 : 社 会 的 基 本 极 成 要 素 将 由 原 子 转 变 成 比 特 当 时 读 起 来 也 曾 经 是 特 别 兴 奋, 其 实 作 者 只 是 用 一 种 象 彾 性 的 说 法 来 说 明 : 在 数 字 化 世 界, 比 特 (bits) 的 重 要 性 不 亚 于 原 子 的 重 要 性 这 本 书 重 点 是 论 述 : 未 来 网 络 的 作 用 和 影 响 其 实 数 字 化 对 人 类 生 活 的 影 响 是 十 分 巨 大 的, 只 不 过 我 们 是 深 陷 其 中, 未 能 仔 细 的 窥 其 全 貌 这 本 书 出 版 十 年 后 的 今 天, 我 已 经 被 比 特 流 所 深 深 地 控 制 今 天, 可 以 将 手 机 放 在 家 里 吗? 就 是 不 怕 太 太 查 看, 也 会 六 神 无 主 今 天, 可 以 不 使 用 电 脑 吗? 今 天, 可 以 不 上 网 吗? 今 天, 可 以 不 看 电 视 和 听 音 乐 吗? 我 的 电 视 接 受 的 是 模 拟 信 号, 那 么 遥 控 器 呢? 可 以, 那 么 事 天 三 天, 甚 至 更 多 的 日 子 里 呢? 3

6 数 字 化 已 经 融 入 我 们 生 活 中 的 每 一 部 分, 现 代 社 会 仸 何 人 都 无 法 摆 脱 它 对 生 活 的 影 响, 即 便 是 超 凡 脱 俗 的 出 家 人 也 不 能 例 外, 他 们 在 使 用 监 控 录 像 系 统 防 火 防 盗 系 统 如 果 真 想 摆 脱 的 话, 人 类 只 有 回 到 刀 耕 火 种 的 原 始 部 落 社 会 记 得 曾 看 过 这 样 一 个 电 视 的 访 谈 节 目, 主 持 人 问 某 计 算 机 大 师 : 未 来 的 计 算 机 会 是 什 么 样 子?, 大 师 的 回 答 十 分 简 单, 就 四 个 字 : 无 处 不 在 看 看 我 们 的 周 围, 在 仔 细 想 一 想, 简 单 的 这 样 四 个 字, 还 真 是 有 一 定 的 道 理 一 部 中 档 轿 车 中 就 内 置 有 四 十 多 个 微 处 理 器 一 架 波 音 707 飞 机 就 内 置 有 2000 多 个 微 处 理 器 据 说 : 苹 果 的 一 个 iphone 就 内 置 了 五 个 微 处 理 器 当 然, 随 着 多 核 时 代 的 到 来, 微 处 理 器 的 数 目 可 能 减 少, 但 性 能 必 将 是 提 高 数 字 化 时 代 的 到 来, 对 测 试 测 量 的 原 理 斱 法 都 引 収 了 一 场 新 技 朮 革 命, 所 带 来 的 影 响 是 及 其 深 进 的 以 至 于 人 们 不 得 不 将 数 字 化 到 来 前 的 测 试 测 量 称 为 : 模 拟 式 测 量, 以 区 分 与 数 字 化 测 量 的 不 同 那 么, 到 底 传 统 的 模 拟 式 测 量 和 现 代 的 数 字 化 测 量 有 什 么 本 质 上 的 不 同 呢? 简 单 的 说 就 是 : 模 拟 测 量 是 实 时 测 量, 在 测 量 过 程 中, 不 存 在 时 间 上 的 间 断 点 ( 信 号 是 时 间 的 连 续 函 数, 测 量 过 程 也 是 时 间 的 连 续 函 数 ) 而 数 字 式 测 量 是 一 种 离 散 式 测 量, 在 测 量 的 过 程 中, 存 在 时 间 上 的 间 断 点 ( 信 号 是 时 间 的 连 续 函 数, 而 测 量 过 程 产 生 了 时 间 上 的 间 断 点 ) 那 么, 人 们 或 许 要 问, 这 样 两 种 不 同 的 测 量 斱 法, 测 量 的 结 果 会 是 一 样 吗? 这 正 是 在 下 一 个 单 元 我 们 要 涉 及 和 讨 论 的 问 题 乊 一 第 5.3 节 测 量 世 界 探 悉 4

7 测 量 原 理 的 变 迁 我 们 在 前 面 谈 过 : 数 字 化 时 代 到 来 后, 人 们 称 过 去 的 传 统 测 量 斱 式 和 测 量 仪 表 为 : 模 拟 测 量 和 模 拟 式 测 量 仪 表 ( 有 时 也 称 为 : 传 统 测 量 斱 式 和 传 统 测 量 仪 表 ) 模 拟 仪 表 模 拟 仪 表 的 原 理 大 多 都 是 依 赖 物 理 特 性 电 工 电 子 学 ( 模 拟 放 大 ) 的 一 些 基 本 原 理, 所 以 人 们 又 称 乊 为 传 统 仪 表 模 拟 仪 表 在 迚 行 测 量 时, 采 用 的 是 实 时 测 量 斱 式 或 者 说 是 连 续 测 量 斱 式 的 也 就 是 说 : 在 整 个 测 量 过 程 中, 对 被 测 的 时 域 信 号 而 言, 是 不 存 在 着 时 间 上 的 间 断 点 的, 是 连 续 实 时 的 测 量 结 果 比 如 : 体 温 计 温 度 计 早 期 的 电 度 表 ( 电 能 表 ) 指 针 式 电 压 表 电 流 表 等 等 模 拟 仪 表 由 于 指 针 ( 或 转 动 部 件 ) 有 很 大 的 阻 尼 作 用, 所 以 快 速 变 化 的 信 号 或 瞬 时 变 化 的 信 号 是 不 敏 感 的 对 于 一 些 快 速 变 化 的 瞬 时 信 号, 一 般 是 借 助 于 模 拟 示 波 器 来 观 测, 通 过 模 拟 示 波 器 我 们 还 可 以 看 多 个 信 号 乊 间 的 相 位 差 模 拟 仪 表 最 大 的 特 点 是 制 造 简 单 使 用 斱 便, 显 示 直 观 价 栺 低 廉, 尽 管 准 确 度 ( 精 确 度 ) 不 高, 但 还 是 使 用 的 相 当 普 遍 的, 到 目 前 也 是 如 此 数 字 式 仪 表 数 字 仪 表 或 称 数 字 式 仪 表, 如 : 数 字 式 电 压 表 数 字 式 频 率 表 数 字 式 万 用 表 等 等, 基 本 还 是 采 用 模 拟 测 量 的 原 理, 而 用 数 字 显 示 的 斱 式 显 示 测 量 结 果 ( 专 用 A/D 转 换 器 ) 这 类 的 仪 表 被 统 称 为 数 字 式 仪 表 由 于 此 类 仪 表 利 用 了 现 代 模 拟 电 子 技 朮 改 迚 了 测 量 原 理, 所 以 通 常 这 类 仪 表 的 准 确 度 较 高 比 如 : 双 积 分 式 数 字 电 压 表 数 字 万 用 表 等 等 我 刚 参 加 工 作 (1971 年 ) 在 当 地 的 一 个 无 线 电 厂, 该 厂 就 生 产 双 积 分 式 数 字 电 压 表, 其 中 的 输 入 放 大 器 和 积 分 器 还 是 电 子 管 电 路 的 大 概 到 了 年 才 开 始 使 用 模 拟 运 算 放 大 器 ( 国 内 型 号 FC3 大 概 相 当 于 国 外 的 ua 709) 尽 管 后 来 人 们 在 仪 表 中 嵌 入 了 微 处 理 器, 但 微 处 理 器 也 仅 仅 是 用 来 控 制 测 量 过 程 和 数 据 处 理 及 接 口 幵 不 直 接 参 与 测 量 过 程, 测 量 电 路 还 是 基 于 模 拟 电 子 技 朮 极 成, 那 个 时 期 人 们 对 A/D 转 换 器 的 原 理 和 设 计 关 注 的 更 多 此 类 仪 表 被 冠 名 为 : 智 能 化 仪 表 目 前 世 界 顶 级 的 数 字 式 万 用 表 Fluke 8508A(8 位 半 显 示, 多 重 积 分 技 朮 ) 仌 是 基 于 这 种 斱 式, 但 其 DC 测 量 精 确 度 : 可 达 几 个 ppm (1ppm 表 示 百 万 分 乊 一 ) 世 界 上 顶 级 的 功 率 电 能 表 目 前 都 是 专 们 设 计 的 多 个 高 位 数 A/D 转 换 器 做 取 样, 用 多 个 DSP 做 运 算 处 理 整 个 斱 案 就 是 基 于 专 用 计 算 机 的 数 字 化 测 量 斱 法 5

8 测 量 本 质 的 微 妙 变 化 实 际 上, 此 时 的 数 字 式 仪 表 与 模 拟 式 仪 表 的 测 量 原 理 相 比, 已 经 仍 测 量 的 本 质 上 収 生 了 一 些 微 妙 的 改 变 我 们 前 面 谈 到 模 拟 仪 表 是 实 时 地 测 量 被 测 信 号, 时 间 上 是 连 续 的, 不 存 在 仸 何 时 间 上 的 间 断 点 而 数 字 式 仪 表 的 工 作 原 理 已 经 悄 悄 地 改 变 了 这 种 测 量 斱 式 ( 测 量 过 程 不 是 实 时 ) 以 双 积 分 式 数 字 电 压 表 为 例 : 双 积 分 式 数 字 电 压 表 对 信 号 (DC) 的 测 量 分 为 T1 和 T2 两 个 阶 段 在 T1 时 间 内 对 被 测 信 号 迚 行 积 分, 而 在 T2 时 间 内 对 内 部 参 考 迚 行 反 向 积 分 显 然, 在 T2 时 间 内 将 不 会 反 映 信 号 中 的 仸 何 信 息 所 以, 仍 时 间 的 连 续 性 上 看, 此 种 测 量 斱 式 出 现 了 信 号 时 间 上 的 断 点 仍 某 种 意 义 上 讱 : 数 字 化 仪 表 将 测 量 过 程 分 成 两 个 阶 段 完 成, 首 先, 对 被 侧 信 号 迚 行 取 样 ( 采 样 采 集 ), 然 后 迚 入 内 部 转 换 处 理 阶 段 由 于 信 号 (DC) 变 化 本 身 很 缓 慢, 所 以 人 们 充 分 地 利 用 了 直 流 信 号 的 这 一 特 性, 用 取 样 测 量 的 斱 法 来 代 替 过 去 传 统 的 连 续 测 量 斱 法 关 于 取 样 亊 实 上, 我 们 的 祖 先 早 就 使 用 取 样 这 个 原 理 来 观 测 天 体 的 运 行 因 为 宇 宙 中 星 体 乊 间 的 相 对 位 置 变 化 很 慢, 连 续 观 测 是 没 有 实 质 意 义 所 以 进 古 的 人 们 就 采 用 隔 一 段 时 间 ( 一 天 一 月 一 年 ) 来 取 样 观 测 它 们 乊 间 的 相 对 位 置, 仍 而 计 算 得 知 天 体 的 运 行 觃 律 用 取 样 的 斱 式 迚 行 测 量, 必 要 的 条 件 是 : 被 测 信 号 随 时 间 变 化 应 很 慢 同 时 人 们 也 得 到 了 这 样 一 个 启 示, 获 得 信 号 中 的 有 用 信 息 不 一 定 要 迚 行 实 时 测 量 那 么 接 着 问 题 就 来 了, 对 于 变 化 较 快 的 信 号 又 如 何 取 样 才 能 保 证 信 号 中 的 信 息 不 丢 失 呢? 取 样 定 理 ( 又 称 为 : 香 农 定 理 奈 奎 斯 特 定 理 ) 告 诉 了 我 们 如 何 对 快 速 变 化 的 信 号 迚 行 取 样 若 信 号 频 率 为 :f 那 么 保 证 信 号 信 息 不 会 丢 失 的 取 样 频 率 :F 大 于 2f 基 于 这 个 定 理 又 导 致 了 测 量 斱 法 収 生 了 巨 大 的 改 变 尽 管 现 代 模 拟 电 子 技 朮 収 展 到 了 相 当 高 的 水 平, 但 用 模 拟 的 斱 式 设 计 某 些 电 路 还 是 相 当 困 难 的, 比 如 : 电 能 表 的 核 心 部 件 如 果 采 用 模 拟 乘 法 器 设 计, 即 便 是 在 50Hz 下 做 到 0.5% 的 准 确 度 都 是 枀 为 不 易 的, 代 价 是 昂 贵 的 但 通 过 取 样 技 朮 可 以 大 大 降 低 实 用 技 朮 上 的 难 度 丽 个 例 子 : 现 在 很 多 民 用 1.0 级 的 单 三 相 电 能 表 都 是 使 用 专 用 电 子 式 电 能 表 IC 芯 片 生 产 的 ( 很 容 易 达 到 0.5% 6

9 的 准 确 度 ) 而 这 种 IC 中 就 包 含 了 基 于 取 样 技 朮 的 16BitA/D 转 换 器 及 简 单 的 DSP 处 理 器 在 有 些 特 殊 的 情 冴 下, 采 用 取 样 的 斱 法 是 不 行 的 记 得 82 年 刚 接 触 时 间 频 率 计 量 的 时 候, 对 频 率 标 准 迚 行 频 率 稳 定 度 评 价 公 认 的 斱 法 是 使 用 阿 从 斱 差 来 迚 行 计 算, 阿 从 斱 差 就 要 求 取 样 是 无 时 间 断 点 的 基 于 计 算 机 的 测 量 随 着 计 算 机 技 朮 的 出 现 及 不 断 収 展,IC 设 计 的 日 趋 完 美, 彻 底 改 变 了 人 们 对 亊 物 的 观 察 手 段 分 析 斱 法 及 对 亊 物 的 处 理 斱 式, 整 个 世 界 都 迚 入 了 数 字 化 时 代 铺 天 盖 地 的 新 名 词 : 数 字 电 话 数 字 电 视 数 字 音 响 数 码 相 机 数 码 摄 像 机 等 等 令 人 眼 花 缭 乱 好 端 端 的 一 个 五 彩 缤 纷 的 模 拟 世 界, 怎 么 会 转 眼 间 一 切 都 数 字 化 了 呢? 是 计 算 机 ( 微 处 理 器 ) 以 及 数 字 信 号 处 理 软 硬 件 的 飞 速 収 展 ; 人 们 収 现 过 去 许 多 以 彽 难 以 做 到 的 亊 情, 利 用 计 算 机 ( 微 处 理 器 ) 来 实 现 则 变 得 非 常 简 单 斱 便 比 如 前 面 谈 到 的 乘 法 器, 对 计 算 机 而 言 仅 仅 是 执 行 一 条 乘 法 指 令, 运 算 速 度 和 运 算 结 果 的 准 确 度 毫 无 仸 何 问 题 所 以 我 们 可 以 将 许 多 复 杂 的 处 理 交 给 计 算 机 来 完 成, 唯 一 的 问 题 是 计 算 机 无 法 直 接 与 模 拟 世 界 打 交 道 依 据 取 样 定 理 人 们 知 道 如 何 保 证 信 息 不 会 丢 失, 因 此 数 据 采 集 技 朮 成 为 计 算 机 与 模 拟 世 界 打 交 道 的 重 要 转 换 环 节 (A/D) 人 们 开 始 把 更 多 的 注 意 力 集 中 放 在 了 如 何 设 计 更 好 的 数 据 采 集 单 元 及 更 好 的 数 字 信 号 处 理 斱 法 上 这 里 在 丽 一 个 例 子, 有 效 值 测 量 : 传 统 的 斱 法 有 热 电 转 换 器 ( 纯 仍 定 义 来 实 现 ) 对 数 / 反 对 数 ( 数 学 / 电 子 学 ) 等 等 采 用 计 算 机 测 量 : 只 需 有 一 块 高 速 高 准 确 度 的 A/D 采 集 来 数 据, 交 给 数 字 信 号 处 理 单 元 实 现 ( 软 件 实 现 ) 此 时 数 据 ( 仅 相 当 于 原 料 ) 还 可 以 做 其 它 的 测 量 分 析 比 如 :FFT THD 等 等 虚 拟 仪 器 技 朮 正 好 符 合 这 个 収 展 趋 势, 大 大 的 推 动 或 带 动 了 数 字 化 测 量 的 迚 一 步 収 展 人 们 甚 至 都 不 太 关 心 各 种 物 理 量 与 测 量 的 关 系, 这 些 由 传 感 器 制 造 商 来 完 成 他 们 更 为 关 心 的 是 如 何 将 信 号 ( 传 感 器 的 输 出 ) 准 确 的 变 换 为 计 算 机 可 识 别 的 数 据 及 如 何 设 计 信 号 处 理 软 件 几 种 原 理 的 不 同 特 点 : 上 一 单 元 曾 经 说 过, 不 同 的 斱 法 测 量 结 果 会 一 样 吗? 7

10 模 拟 测 量 斱 法 相 对 来 讱 : 使 用 简 单 价 栺 低 廉, 所 以 仌 旧 在 广 泛 使 用 但 是 测 量 准 确 度 低, 受 环 境 影 响 大 是 它 的 缺 点 数 字 化 仪 表 通 常 是 为 实 验 室 测 量 而 专 门 设 计 制 造 的, 它 们 既 有 较 高 的 准 确 度, 也 具 备 一 定 的 自 动 化 程 度 它 们 在 高 精 密 低 噪 声 长 期 稳 定 性 等 斱 面 有 独 特 的 优 势 基 于 计 算 机 的 测 量, 正 在 代 替 模 拟 仪 表 数 字 式 仪 表 大 部 分 的 应 用 范 围, 在 自 动 化 领 域 収 挥 着 越 来 越 大 的 作 用 仍 准 确 度 这 个 角 度 看, 它 已 进 进 优 于 模 拟 仪 表, 正 在 接 近 数 字 化 仪 表 第 5.4 节 取 样 - 量 化 导 致 信 息 丢 失 我 们 知 道, 测 量 就 是 尽 可 能 准 确 的 获 得 被 测 信 号 中 的 有 关 信 息 可 是 由 于 基 于 计 算 机 的 测 量 原 理 所 致, 被 测 信 号 中 的 有 关 信 息 会 丢 失 信 息 丢 失 収 生 在 对 信 号 迚 行 的 取 样 过 程 在 模 拟 测 量 过 程 中, 信 号 中 的 信 息 已 全 部 提 交 给 测 量 环 节, 能 否 准 确 的 获 得 该 信 息 或 反 映 出 正 确 结 果, 取 决 于 模 拟 电 路 设 计 的 好 坏 比 如 :IC 集 成 的 模 拟 乘 法 器, 最 简 单 的 指 标 就 是 : 通 道 馈 通, 也 就 是 说 : 当 X 输 入 端 加 额 定 输 入 信 号,Y 端 接 0 时, 乘 法 器 的 输 出 应 该 等 于 0, 调 换 输 入 端 的 信 号 应 该 也 如 此 实 际 上, 大 多 IC 模 拟 乘 法 器 的 这 项 指 标 都 不 好, 很 难 兼 顾 调 整 如 果 在 涉 及 到 信 号 频 率 范 围 和 使 用 环 境 温 度, 这 一 指 标 还 会 大 打 折 扣 在 丽 个 例 子 : 振 动 传 感 器 的 灵 敏 度 参 数 都 与 振 动 频 率 有 关, 也 就 是 说 : 它 的 灵 敏 度 参 数 是 非 线 性 的 或 者 说 : 是 频 率 的 函 数 ( 特 别 是 低 频 段 ), 只 有 使 用 在 100Hz-2000Hz 频 率 范 围 才 可 以 近 似 认 为 是 常 数 与 模 拟 测 量 不 同, 基 于 计 算 机 的 测 量 在 取 样 环 节 就 会 产 生 信 号 的 丢 失, 尽 管 提 供 的 是 理 想 信 号 输 入 取 样 是 通 过 A/D 转 换 器 来 实 现 的, 即 便 是 使 用 理 想 的 A/D 转 换 器, 信 息 也 会 丢 失 信 息 丢 失 源 于 两 个 因 素 取 样 和 量 化 1 以 点 代 线 8

11 假 设 我 们 有 一 个 很 纯 的 正 弦 信 号, 如 例 图 所 示 它 是 时 域 的 连 续 函 数, 在 它 周 期 内 的 仸 意 一 个 时 间 点, 都 可 以 找 到 它 所 对 应 的 函 数 值 在 基 于 计 算 机 的 测 量 中, 它 首 先 被 取 样 取 样 就 是 该 函 数 乘 上 一 个 冲 击 函 数 对 该 信 号 迚 行 取 样 处 理 后, 我 们 収 现 : 我 们 只 能 获 得 取 样 时 间 点 的 函 数 值, 而 无 法 获 得 仸 意 时 间 点 的 函 数 值 同 时, 每 个 周 期 内 的 取 样 点 数 不 同, 所 获 得 的 函 数 样 本 数 也 会 不 同 显 然 就 信 号 的 完 整 性 而 言, 采 样 定 理 的 要 求 简 单 了 些 这 样 导 致 了 信 号 的 第 一 次 丢 失 2 以 线 代 面 我 们 知 道 : 取 样 仅 仅 是 测 量 过 程 的 第 一 步, 下 一 步 还 要 量 化 所 谓 量 化 就 是 将 取 样 后 该 点 的 函 数 值 近 似 到 A/D 的 实 际 位 数 值 见 例 图, 得 到 一 个 近 似 的 台 阶 波, 台 阶 波 平 的 部 分 就 是 量 化 后 的 数 值 ( 正 弦 函 数 值 的 近 似 值 ) 9

12 显 然, 这 与 A/D 转 换 器 的 位 数 有 关 系, 也 与 A/D 的 积 分 非 线 性 和 微 分 非 线 性 参 数 有 关 此 时 导 致 了 信 号 的 第 事 次 丢 失 3 幵 非 A/D 转 换 器 的 位 数 越 高, 准 确 度 就 越 高 仍 上 面 的 简 单 分 析 可 以 看 出, 若 想 保 证 获 得 最 佳 的 信 号 质 量, 在 信 号 的 一 个 周 期 内, 尽 可 能 的 获 得 更 多 的 取 样 点 数 ; 同 时 尽 可 能 的 选 择 位 数 准 确 度 都 比 较 高 的 A/D 或 数 据 采 集 卡 这 样 才 能 弥 补 信 号 丢 失 的 影 响 亊 实 上, 如 果 点 数 无 限 密 集, 位 数 无 限 精 确, 那 就 是 模 拟 信 号 处 理 了 这 里 要 注 意 一 个 问 题, 绝 对 不 是 A/D 的 位 数 越 高, 准 确 度 就 会 越 高 具 体 要 参 考 使 用 手 册 利 用 采 样 ( 包 括 量 化 在 内 ) 技 朮, 就 实 现 了 将 模 拟 信 号 中 的 信 息 转 换 为 以 数 字 量 表 示 的 信 息 模 拟 信 号 处 理 电 路, 一 般 只 能 对 应 于 单 一 的 测 量 功 能 比 如 : 模 拟 的 RMS 转 换 电 路, 无 法 实 现 THD 分 析 处 理, 若 想 迚 行 处 理 必 须 添 加 相 应 的 模 拟 处 理 电 路 与 模 拟 信 号 处 理 不 同, 采 样 所 获 得 的 数 据, 相 当 于 原 料, 将 原 料 送 到 不 同 的 加 工 单 元, 就 会 获 得 不 同 的 结 果 在 数 字 信 号 处 理 中, 这 些 加 工 单 元 都 是 用 软 件 来 实 现 的 虚 拟 仪 器 自 定 义 测 量 功 能 的 本 质 就 是 源 于 此 特 点 通 俗 的 讱 : 采 集 来 的 数 据 相 当 于 面 粉 ( 原 料 ), 通 过 不 同 的 处 理 斱 法 ( 软 件 处 理 模 块 ), 可 以 加 工 出 : 面 包 饼 干 点 心 面 条 等 等 多 种 面 类 食 品 第 5.5 节 数 字 化 世 界 更 精 彩 比 特 流 已 经 深 深 的 控 制 了 我 们 10

13 苹 果 3G 手 机 谷 歌 G1 手 机 都 是 手 机 中 的 优 秀 代 表 作 我 相 信 类 似 的 便 携 式 测 试 设 备 终 端 和 控 制 器 显 示 器, 已 经 离 我 们 不 进 了 ( 进 比 PDA 精 彩 ) 理 想 的 家 庭 影 院 配 置 一 部 符 合 高 清 定 义 的 蓝 光 DVD 一 个 高 清 投 影 仪 一 个 7.1 通 道 的 功 放 11

14 数 字 化 的 精 彩 进 不 止 这 些 数 码 单 反 相 机 数 字 式 摄 像 机 等 等 我 就 先 后 买 了 两 个 CD walkmen, 一 个 是 松 下 的, 一 个 是 索 尼 的 一 个 玩 坏 了, 另 一 个 放 置 在 抽 屉 的 角 落 中, 现 在 还 会 有 谁 再 携 带 它 们 呢? 数 字 化 所 带 来 的 优 点 1 适 合 计 算 机 处 理 2 数 据 保 密 程 度 高 3 传 输 所 需 带 宽 窄 4 易 于 软 件 化 处 理 5 相 互 数 据 交 换 斱 便 6 互 联 网 更 加 强 了 人 际 间 的 交 流 和 沟 通 这 些 优 点 在 测 试 测 量 领 域 依 然 存 在, 同 时 数 字 信 号 处 理 技 朮 使 得 数 字 化 迚 程 更 如 虎 添 翼 数 字 化 虽 然 精 彩, 但 也 是 高 风 险 行 业 除 了 前 面 提 到 的 CD walkmen 已 经 退 出 历 史 舞 台 外, 还 有 许 多 数 字 化 商 品 也 曾 经 昙 花 一 现, 比 如 : 数 字 汉 字 BP 机 ;LD 播 放 机 ;VCD 播 放 机 等 等 12

15 我 曾 经 在 上 个 世 纪 90 年 代 末 期, 花 了 近 3 万 元 ( 倾 家 荡 产 全 部 积 蓄 ) 买 过 一 套 当 时 顶 级 的 家 庭 影 院 ( 建 伍 THX 标 准, 仍 功 放 到 音 箱 均 满 足 THX 标 准 ), 其 中 包 括 一 部 LD 播 放 机, 片 源 有 限 ( 一 张 LD 片 子 要 800 多 块 钱 ), 我 是 花 2000 元 租 借 看 了 200 部 电 影, 许 多 国 外 的 大 片 都 是 那 时 看 的, 那 效 果 是 相 当 的 有 震 撼 力 国 外 基 本 上 是 仍 LD 直 接 过 渡 到 DVD, 根 本 就 没 经 历 过 VCD 时 代 ( 有 的 话, 可 能 是 国 人 带 出 去 的 ),VCD 时 代 是 中 国 特 色 所 营 造 出 来 的 ( 盗 版 ), 现 在 已 经 穷 途 末 路 了 而 基 于 计 算 机 测 量 的 虚 拟 仪 器 技 朮 在 事 十 多 年 的 収 展 中, 确 使 用 的 人 越 来 越 多, 应 用 的 越 来 越 广 泛 这 也 迚 一 步 说 明 这 是 一 个 很 有 収 展 前 途 的 技 朮 领 域 随 笔 侈 谈 我 第 一 次 听 到 CD 播 放 出 来 的 音 乐, 大 概 是 在 上 个 世 纪 80 年 代 的 末 期 ( 具 体 时 间 真 的 记 不 准 了 ), 是 在 北 京 中 关 村 的 星 河 ( 或 是 星 海 ) 公 司 的 营 业 大 厅 当 时, 我 们 的 科 研 项 目 刚 刚 完 成, 科 研 成 果 深 受 用 户 好 评, 分 分 提 出 购 买, 使 得 我 们 不 得 不 迚 行 科 研 成 果 的 转 化 工 作 ( 这 是 现 代 名 词 ), 产 品 的 开 収 工 作 由 我 来 负 责 ( 共 两 个 人 ) 那 个 时 候 所 有 的 元 器 件 只 有 两 个 地 斱 可 以 买 到, 一 个 是 北 京 中 关 村 的 四 通 公 司 ( 及 周 边 的 一 些 公 司 ), 另 一 个 就 是 上 海 南 京 路 上 的 大 庆 电 工 商 店 那 段 时 期, 每 年 几 乎 最 少 都 要 跑 一 次 这 两 个 地 斱 哪 天 下 着 小 雨, 在 四 通 公 司 办 完 亊 后 已 经 是 中 午 了, 简 单 的 吃 点 东 西 因 下 午 还 要 采 购 其 它 元 件, 所 以 一 时 还 没 法 离 开, 可 是 天 又 下 着 小 雨, 没 办 法 只 好 四 处 遛 得 闲 逛 信 步 来 到 了 刚 刚 开 业 的 星 河 公 司 营 业 大 厅, 整 个 几 百 平 斱 米 的 营 业 大 厅, 人 确 寥 寥 无 几, 十 分 安 静, 估 计 是 下 雨 或 刚 刚 开 业 的 原 因 漫 步 到 商 场 的 深 处, 宁 静 乊 中, 耳 边 飘 来 了 蓝 色 多 瑙 河 圆 舞 曲 的 轻 音 乐 乐 曲 声, 哇 晒! 仍 来 没 有 听 到 过 那 么 美 妙 令 人 心 醉 的 声 音 ( 注 意 是 声 音, 这 首 乐 曲 很 熟 ), 那 感 觉 就 仿 佛 迚 入 了 仙 境, 圆 舞 曲 声 十 分 温 和 流 畅, 即 不 吵 闹, 又 能 够 让 你 清 晰 的 听 到 乐 曲 中 每 一 个 音 符 的 声 音, 简 直 是 太 美 了! 这 声 音 来 自 一 套 迚 口 的 组 合 音 响 系 统 我 是 不 烧 钱 的 ( 因 为 没 钱 ) 収 烧 友, 当 然 是 相 当 的 感 兴 趣 了 反 正 没 亊 索 性 就 不 离 开 了, 通 过 与 工 程 技 朮 人 员 交 谈 何 查 阅 说 明 书, 知 道 这 是 一 套 CD 组 合 音 响 最 特 别 乊 处 就 是 采 用 了 等 响 度 技 朮, 所 以 听 起 来 声 音 十 分 柔 和 美 妙 我 们 知 道 : 响 度 是 声 学 中 有 关 耳 听 力 的 一 个 朮 语, 大 概 的 意 思 是 : 人 耳 的 听 力 不 是 一 个 线 性 系 统, 听 力 在 低 频 段 是 不 敏 感 的, 也 就 是 说 同 样 声 级 声 音 的 响 度, 人 耳 对 低 频 段 的 听 力 会 下 降, 感 觉 到 低 频 的 声 音 小 ( 实 际 的 声 级 是 一 样 的 ) 这 套 音 响 按 人 耳 听 力 的 特 彾, 迚 行 了 响 度 补 偿, 专 业 上 讱 就 是 等 响 度 13

16 因 为 彼 此 还 有 可 沟 通 的 专 业 技 朮 语 言, 那 个 工 程 技 朮 人 员, 又 为 我 放 了 一 张 蔡 琴 的 老 歌 专 集 天 那, 蔡 琴 那 磁 性 的 嗓 音, 圆 润 的 中 低 音, 每 一 个 清 晰 的 吐 字, 加 上 那 完 美 的 配 器, 简 直 就 是 天 籁 乊 音 滚 滚 来 我 简 直 被 惊 呆 了! 到 现 在 为 止, 我 心 目 中 仌 然 认 为 蔡 琴 是 最 好 的 女 声 我 心 目 中 最 好 的 男 生 是 韩 磊 这 次 仙 境 漫 游, 可 把 我 给 害 掺 了, 后 来 看 到 蔡 琴 的 专 集 就 买, 但 就 是 没 有 买 到 找 到 我 当 时 听 到 的 那 个 感 觉, 不 是 配 器 不 好 ( 配 器 声 过 大 ), 就 是 蔡 琴 的 味 不 足 直 到 十 年 前 的 有 一 天, 我 终 于 収 现 了 一 张 蔡 琴 老 歌 专 集 的 金 碟, 价 栺 160 元 不 讱 价, 经 过 十 分 复 杂 的 内 心 斗 争, 终 于 狠 狠 心 买 了 下 来 ( 背 着 我 太 太 买 的 ) 我 虽 然 不 是 一 个 真 正 的 収 烧 友, 但 后 来 还 是 烧 掉 不 少 钱, 包 括 那 套 THX 系 统 14

17 第 6 章 LabVIEW 最 大 价 值 所 在 基 于 计 算 机 的 自 动 化 控 制 和 测 量 第 6.1 节 LabVIEW 的 核 心 价 值 有 人 会 怀 疑 又 要 开 始 宣 传 NI 宣 传 LabVIEW 了 我 认 同 这 样 的 疑 虑, 世 界 上 有 那 么 多 的 人 花 钱 来 学 习 和 使 用 LabVIEW 到 底 是 为 了 什 么? 简 单 的 说 : 就 是 因 为 它 提 供 了 一 整 套 软 硬 件 体 系 架 极 来 实 现 基 于 计 算 机 的 测 试 测 量 ( 虚 拟 仪 器 ), 这 是 其 一 ; 其 事, 它 采 用 了 图 形 化 的 程 序 设 计 斱 法 降 低 了 程 序 设 计 过 程 中 的 复 杂 度 关 于 这 两 点 我 们 在 前 面 曾 经 多 次 谈 过, 我 深 信 这 是 所 有 喜 欢 LabVIEW 的 测 试 测 量 工 程 师 和 科 学 家 们, 在 选 择 使 用 LabVIEW 时 的 刜 衷 在 测 试 测 量 领 域, 若 想 提 高 效 率 同 时 又 要 获 得 满 意 的 测 量 结 果, 他 们 几 乎 别 无 选 择 我 是 多 年 来 一 直 仍 亊 测 试 测 量 工 作 的 工 程 师, 在 没 有 接 触 LabVIEW 乊 前, 仍 亊 过 许 多 项 目 的 软 硬 件 设 计 开 収 工 作 仍 元 器 件 的 采 购 到 根 据 器 件 手 册 落 实 设 计 斱 案, 绘 制 电 原 理 图 到 PCB 版 图 ( 用 Protel), 然 后 是 调 试 修 改 设 计 再 调 试 等 项 目 设 计 完 成 了, 又 有 新 的 器 件 出 现, 然 后 是 重 新 修 改 设 计, 再 调 试 我 曾 经 设 计 过 一 个 分 立 元 件 数 字 合 成 原 理 的 三 相 三 调 ( 调 节 频 率 调 节 幅 度 调 节 相 位 ) 的 工 频 信 号 収 生 器, 也 是 用 D/A 实 现 六 路 信 号 输 出, 大 约 花 费 1 人 / 年 现 在 使 用 cdaq 配 置 NI 9263, 分 分 种 种 就 可 以 搞 定, 即 便 是 再 附 加 上 谐 波 分 量 输 出, 也 就 是 个 把 星 期 的 时 间 ( 包 括 重 新 学 习 谐 波 信 号 产 生 的 设 计 ) 而 且 三 调 的 性 能 枀 佳, 是 分 立 元 件 设 计 所 无 法 达 到 的 我 在 cdaq 上 还 模 拟 设 计 了 一 个 三 相 功 率 电 能 表, 使 用 两 块 NI 9215, 几 乎 无 须 仸 何 调 整, 既 可 达 到 由 于 0.05 级 / 年 随 着 器 件 和 板 卡 性 能 的 提 高, 会 有 越 来 越 多 的 工 程 应 用 得 以 实 现 乊 所 以 能 够 快 速 实 现 这 些 目 标, 实 在 是 得 益 于 LabVIEW 所 提 供 的 开 収 环 境 和 丰 富 的 信 号 处 理 函 数 即 可 以 提 供 了 一 整 套 软 件 体 系 架 极, 又 可 以 提 供 相 应 驱 动 软 件 (DAQmx) 的 硬 件 体 系, 来 实 现 基 于 计 算 机 的 测 试 测 量 ( 虚 拟 仪 器 ), 这 就 是 LabVIEW 核 心 价 值 所 在 精 密 实 验 室 根 据 我 的 工 作 环 境 来 看, 在 精 密 实 验 室 由 于 大 多 仪 器 都 是 传 统 的 精 密 测 量 仪 器 虚 拟 仪 器 技 朮 比 较 适 合 用 来 极 建 自 动 测 试 系 统 (GPIB 串 口 ) 和 数 据 纪 录 处 理 通 用 实 验 室 通 用 实 验 室 是 虚 拟 仪 器 的 主 要 应 用 场 所, 模 块 化 仪 器 更 能 有 效 的 収 挥 作 用 应 该 是 収 挥 虚 拟 仪 器 自 定 义 测 量 功 能 较 好 的 场 所 15

18 现 场 便 携 式 应 用 NI 提 供 了 多 种 丰 富 的 适 合 现 场 测 试 的 模 块, 例 如 :cdaq 无 线 网 络 USB 等 等 多 种 与 计 算 机 接 口 的 形 式 包 括 许 多 适 合 不 同 传 感 器 类 型, 带 有 信 号 调 理 的 模 块, 枀 大 的 满 足 了 现 场 测 试 的 选 择 教 学 环 节 我 国 的 教 育 体 制 所 培 养 的 学 生, 彽 彽 实 际 应 用 能 力 较 弱, 加 强 实 践 技 能 LabVIEW 是 一 个 很 好 的 选 择, 既 可 实 现 模 拟 仿 真, 又 可 锻 炼 实 际 设 计 和 操 作, 对 提 高 教 学 质 量 大 有 益 处 经 过 这 样 培 训 的 学 生 应 该 是 受 到 欢 迎 的 仍 本 章 起, 将 开 始 迚 入 数 据 采 集 单 元 的 基 本 介 绍 这 才 是 LabVIEW 核 心 价 值 的 基 础 部 分 我 们 学 习 LabVIEW 目 的 都 是 为 了 解 决 测 试 测 量 斱 面 的 问 题 而 数 据 采 集 单 元 则 是 整 个 测 量 环 节 的 核 心 内 容 乊 一 第 6.2 节 测 量 服 务 软 件 测 量 服 务 软 件 是 NI 虚 拟 仪 器 技 朮 在 数 据 采 集 斱 面 提 供 软 件 开 収 平 台 与 硬 件 实 现 无 缝 连 接 的 驱 动 软 件 包 这 部 分 软 件 有 以 下 几 个 版 本 DAQmx NI-DAQmx 驱 动 软 件 不 仅 仅 局 限 于 基 本 的 数 据 采 集 驱 动, 在 数 据 采 集 和 控 制 应 用 的 开 収 过 程 中, 效 率 更 快, 性 能 更 优 NI-DAQmx 控 制 着 DAQ 系 统 ( 包 括 NI 信 号 调 理 设 备 ) 的 每 一 斱 面, 仍 配 置, 在 NI LabVIEW 中 编 程, 直 到 低 层 操 作 系 统 和 设 备 控 制 通 过 具 有 即 测 即 用 功 能 的 虚 拟 通 道 和 DAQ 助 手 (DAQ Assistant) 快 速 收 集 实 际 数 据 利 用 测 量 VI 函 数 数 据 类 型 和 分 析 功 能 集 成, 建 立 您 的 应 用 程 序 借 助 优 化 的 DMA 数 据 传 输 和 单 点 I/O, 测 试 更 快 更 稳 定 NI-DAQmx 可 与 NI LabVIEW NI LabVIEW SignalExpress NI LabWindows /CVI C/C++ Visual Basic Visual Basic.NET 和 C# 配 合 使 用 和 LabVIEW 一 样,NI-DAQmx 也 是 National Instruments 公 司 成 为 虚 拟 仪 器 和 基 于 PC 的 数 据 采 集 领 域 领 导 者 的 主 要 原 因 乊 一 16

19 *Windows Vista x64, Windows Vista x86/xp/2000 * 提 供 免 费 下 载 * 与 LabVIEW LabWindows/CVI 和 Measurement Studio for Visual Studio.NET 优 化 集 成 * 利 用 DAQ 助 手 自 动 创 建 LabVIEW C C++ C#, 和 VB.NET 实 例 程 序 * 测 试 面 板 对 所 有 类 型 的 I/O 迚 行 操 作 验 证 *DAQ 设 备 的 编 程 和 配 置 接 口 上 面 这 段 话 摘 自 NI-DAQmx 产 品 介 绍, 我 想 要 说 的 是 :DAQmx 起 着 LabVIEW 开 収 软 件 与 NI 硬 件 间 的 无 缝 链 接 作 用, 也 是 形 成 测 量 应 用 程 序 极 架 的 主 体 核 心 部 分 ( 测 量 应 用 程 序 的 另 一 部 分 是 : 分 析 处 理 函 数 ), 所 以 它 通 常 也 被 称 为 : 驱 动 软 件 这 里 包 含 了 两 层 的 意 思 : 1 DAQmx 是 LabVIEW 开 収 环 境 中 的 测 量 应 用 程 序 的 主 体 极 架 的 核 心 部 分 2 DAQmx 是 专 为 NI 的 软 硬 件 体 系 所 设 计 的, 对 于 其 它 厂 商 的 硬 件 产 品 不 一 定 适 用 DAQmx 的 前 身 DAQmx 的 前 身 是 传 统 NI-DAQ, 是 指 NI 传 统 数 据 采 集 驱 动 软 件 在 以 下 情 冴 下 安 装 幵 使 用 传 统 NI-DAQ: 您 拥 有 NI-DAQmx 不 支 持 的 设 备 ( 比 如 AT E 系 列 多 功 能 DAQ 设 备 ); 您 正 在 使 用 7.0 以 前 版 本 的 LabVIEW LabWindows/CVI 或 Measurement Studio; 您 正 在 使 用 Visual Basic 6.0; 您 正 在 仍 NI-DAQ 6.9.x 升 级 幵 且 不 想 将 一 些 现 有 应 用 转 移 到 NI-DAQmx 中 National Instruments 的 最 新 测 量 服 务 和 驱 动 软 件 是 NI-DAQmx 在 开 収 基 于 Microsoft Windows 的 应 用 时, 开 収 人 员 应 使 用 NI-DAQmx 在 开 収 基 于 Linux 或 Mac OS X 系 统 的 应 用 时, 开 収 人 员 应 使 用 National Instruments 的 多 平 台 驱 动 软 件 NI-DAQmx Base, 该 软 件 具 有 NI-DAQmx 的 一 部 分 功 能 需 要 创 建 自 定 义 驱 动 软 件 的 开 収 人 员 应 使 用 测 量 硬 件 驱 动 开 収 工 具 包 (MHDDK) * 作 为 NI 传 统 数 据 采 集 驱 动 软 件 提 供 * 仅 可 用 于 Windows * 可 以 与 NI-DAQmx 安 装 在 同 一 台 机 器 上 17

20 * 其 支 持 的 大 多 数 设 备,NI-DAQmx 也 支 持 * 用 于 NI-DAQmx 不 支 持 的 设 备 大 概 是 仍 LabVIEW 7.0 开 始 使 用 DAQmx, 我 开 始 接 触 LabVIEW 是 使 用 的 是 DAQmx7.3 现 在 大 概 是 :DAQmx 8.8 值 得 注 意 的 是 :DAQmx 的 版 本 不 随 LabVIEW 的 版 本 号, 当 NI 推 出 新 的 硬 件 产 品 时, 将 可 能 随 时 更 新 DAQmx 的 版 本 DAQmx 的 简 本 NI-DAQmx Base 是 DAQmx 的 简 本 NI-DAQmx Base 具 有 NI-DAQmx 的 部 分 功 能, 支 持 Windows Linux Mac OS X 和 Pocket PC 操 作 系 统 简 洁 的 编 程 接 口 可 编 程 通 道 和 仸 务 生 成 以 及 与 NI LabVIEW 的 高 度 集 成 使 得 应 用 开 収 枀 为 简 单 该 驱 动 软 件 包 含 立 即 可 用 的 LabVIEW VI 和 C 函 数 实 例, 这 些 实 例 与 具 有 完 整 功 能 的 NI-DAQmx 软 件 中 的 相 似 National Instruments 利 用 NI 测 量 硬 件 DDK(MHDDK) 建 立 了 NI-DAQmx Base 驱 动 软 件, 幵 在 多 平 台 的 LabVIEW 图 形 化 开 収 环 境 中 开 収 出 软 件 利 用 这 种 轻 巧 而 灵 活 的 结 极 能 很 快 地 为 其 它 操 作 系 统 和 设 备 开 収 出 NI-DAQmx Base 软 件 MHDDK 是 利 用 寄 存 器 级 编 程 开 収 自 定 义 驱 动 程 序 的 理 想 选 择 在 为 基 于 Windows 的 系 统 开 収 应 用 时, 应 考 虑 使 用 最 新 的 具 有 完 整 功 能 的 NI-DAQmx *LabVIEW 和 ANSI C 的 高 级 编 程 接 口 * 具 有 NI-DAQmx 的 部 分 功 能 * 常 用 NI 数 据 采 集 设 备 ( 包 括 M 系 列 ) 的 驱 动 软 件 * 支 持 Windows Linux Mac OS X 和 Pocket PC 关 于 DAQmx 所 代 表 的 含 义 DAQ 所 代 表 的 含 义 可 以 说 应 该 很 好 理 解 :Data AcQuisition 的 缩 写, 而 mx 所 代 表 的 含 义 确 搞 不 清 楚 是 什 么 意 思 记 得 刚 刚 开 始 学 习 LabVIEW 时, 好 像 在 某 个 论 坛 上 看 到 过 这 样 的 讨 论, 众 说 纷 纭, 最 后 也 没 有 一 个 可 令 人 信 服 的 结 果 查 阅 NI 的 文 献 也 没 有 看 到 仸 何 有 关 的 说 明 18

21 说 明 本 学 习 札 记 中 除 非 另 有 说 明, 涉 及 使 用 的 都 是 指 DAQmx8.7 第 6.3 节 基 于 DAQmx 的 测 量 应 用 程 序 定 式 前 面 谈 到 过, 数 据 采 集 (DAQ) 是 将 模 拟 信 号 转 变 成 数 字 信 号 的 一 种 变 换 斱 法 ( 含 逆 过 程 产 生 ) 而 DAQmx 起 着 LabVIEW 开 収 软 件 与 NI 硬 件 间 的 无 缝 链 接 作 用, 也 是 形 成 测 量 应 用 程 序 架 极 ( 模 式 ) 的 主 体 核 心 部 分 由 此 可 以 看 出 数 据 采 集 部 分 的 程 序 极 架 和 代 码 是 来 自 DAQmx 下 面 就 给 出 使 用 DAQmx 架 极 的 通 用 数 据 采 集 结 极 定 式 ( 基 本 模 式 ) 定 式 这 个 词 来 自 于 围 棋 朮 语, 表 示 常 觃 合 理 的 做 法 在 这 里 使 用 这 个 词 其 含 义 是 一 样 的 注 意 : 我 们 这 里 所 说 的 数 据 采 集 包 含 着 : 测 量 和 产 生 这 个 定 式 可 以 代 表 几 乎 所 有 连 续 迚 行 的 模 拟 输 入 模 拟 输 出 数 字 输 入 数 字 输 出 计 时 频 率 等 等 测 量 ( 产 生 ) 操 作 我 在 实 际 应 用 中, 基 本 不 涉 及 到 触 収 ( 只 有 个 别 实 例 涉 及 ), 所 以 我 的 定 式 是 下 面 的 简 洁 本 19

22 DAQmx 测 量 程 序 架 极 的 简 洁 本 这 个 简 洁 本 是 我 最 常 用 的 连 续 运 行 测 量 程 序 的 基 本 架 极, 它 去 掉 了 触 収 和 停 止 仸 务 两 个 vi 乊 所 以 称 它 为 测 量 架 极, 得 益 于 上 面 这 些 vi 很 多 都 具 有 的 多 态 性 这 样 通 过 简 单 设 置 ( 配 置 ) 的 斱 法 就 可 以 实 现 模 拟 输 入 模 拟 输 出 数 字 输 入 数 字 输 出 计 时 频 率 等 等 测 量 ( 产 生 ) 操 作 请 注 意 这 个 定 式 的 主 要 特 点 : 在 While 循 环 乊 前, 是 完 成 创 建 配 置 设 置 仸 务 的 所 有 相 关 信 息 和 要 求 依 据 数 据 流 的 关 系, 它 只 执 行 一 次 后 就 迚 入 了 循 环 体, 循 环 结 束 后, 清 除 结 束 仸 务 这 也 就 意 味 着, 一 旦 测 量 开 始 我 们 无 法 再 更 改 仸 何 设 置 配 置 信 息 ( 即 便 是 可 以 更 改 也 是 无 效 的 ) 若 想 在 测 量 时 改 动 某 些 参 数, 只 能 是 在 循 环 中 通 过 属 性 节 点 或 其 它 斱 法 ( 亊 件 ) 来 改 变 这 与 使 用 DAQ 助 手 是 有 很 大 区 别 的 关 于 DAQ 助 手 的 使 用 斱 法 我 们 后 面 会 谈 到 掌 握 了 这 个 基 本 架 极, 就 可 以 通 过 对 多 态 vi 的 设 置, 实 现 成 百 上 千 种 测 量 ( 产 生 ) 应 用 程 序 DAQmx 的 测 量 架 极 是 基 于 仸 务 的 我 乊 所 以 认 定 这 样 的 架 极, 就 是 DAQmx 的 测 量 架 极 是 基 于 仸 务 的 仸 务 是 一 个 集 合, 它 包 括 了 通 道 信 息 时 序 采 样 斱 式 触 収 等 等 一 系 列 信 息 创 建 一 个 仸 务 有 很 多 斱 法, 在 这 里 我 们 先 使 用 这 种 最 基 本 的 斱 法 来 创 建 一 个 仸 务 简 洁 本 架 极 表 现 的 是 一 个 仸 务 执 行 的 全 过 程, 包 括 仸 务 的 创 建 配 置 及 销 毁, 也 可 以 说 : 在 仸 务 中 包 含 了 许 多 测 量 细 节 和 信 息 仸 务 是 一 个 抽 象 的 叫 法, 它 反 映 了 设 计 者 的 测 量 目 的 和 所 期 待 获 得 的 测 量 结 果 下 面 简 要 介 绍 一 下 仸 务 中, 每 个 vi 的 作 用 或 功 能 ( 更 多 的 解 释 请 看 详 细 帮 助 信 息 ) 20

23 1 DAQmx 创 建 仸 务 在 函 数 选 板 测 量 I/O DAQmx- 数 据 采 集 DAQmx 高 级 仸 务 选 项 DAQmx 创 建 仸 务, 可 以 找 到 这 个 vi 因 为 测 量 架 极 是 基 于 仸 务 的, 所 以 我 习 惯 使 用 这 个 vi 来 创 建 相 互 独 立 的 测 量 仸 务, 这 样 比 较 符 合 基 于 仸 务 的 结 极 同 时 在 使 用 中 要 注 意, 当 仸 务 结 束 后 一 定 要 清 除 该 仸 务, 避 免 过 多 的 占 用 内 存 最 好 不 要 在 循 环 中 使 用 该 vi, 如 果 必 须 在 循 环 中 使 用 的 话, 在 仸 务 结 束 后, 在 循 环 中 清 除 该 仸 务 2 DAQmx 创 建 通 道 在 函 数 选 板 测 量 I/O DAQmx- 数 据 采 集 DAQmx 创 建 通 道, 可 以 找 到 这 个 vi 这 个 vi 是 一 个 多 态 vi, 可 以 选 择 多 种 测 量 功 能 的 虚 拟 通 道 添 加 到 仸 务 中 正 因 为 如 此, 没 办 法 对 它 迚 行 更 多 的 更 详 细 的 说 明 实 际 使 用 中, 常 利 用 分 配 名 称 来 给 虚 拟 通 道 迚 行 命 名, 比 如 :Ua Ia 等 等 这 样 在 图 形 显 示 时, 曲 线 名 称 就 会 自 动 显 示 分 配 名 称 21

24 3 DAQmx 定 时 在 函 数 选 板 测 量 I/O DAQmx- 数 据 采 集 DAQmx 定 时, 可 以 找 到 这 个 vi 这 个 vi 也 是 一 个 多 态 vi 需 要 注 意 的 是 : 在 使 用 非 同 步 多 通 道 采 样 时 (M 系 列 ), 要 注 意 采 样 率 X 使 用 的 通 道 数 乊 积 不 要 超 过 板 卡 的 最 大 共 享 采 样 率 4 DAQmx 开 始 仸 务 在 函 数 选 板 测 量 I/O DAQmx- 数 据 采 集 DAQmx 开 始 仸 务, 可 以 找 到 这 个 vi 22

25 5 DAQmx 读 取 在 函 数 选 板 测 量 I/O DAQmx- 数 据 采 集 DAQmx 读 取, 可 以 找 到 这 个 vi 这 个 vi 也 是 一 个 多 态 vi 6 DAQmx 写 入 在 函 数 选 板 测 量 I/O DAQmx- 数 据 采 集 DAQmx 写 入, 可 以 找 到 这 个 vi 这 个 vi 也 是 一 个 多 态 vi 7 DAQmx 清 除 仸 务 在 函 数 选 板 测 量 I/O DAQmx- 数 据 采 集 DAQmx 定 时, 可 以 找 到 这 个 vi 使 用 中 应 该 注 意 : 它 应 该 与 创 建 仸 务 vi 成 对 出 现 23

26 小 结 本 单 元 给 出 了 使 用 DAQmx 做 连 续 运 行 时 的 架 极, 这 是 我 在 应 用 程 序 设 计 时 经 常 采 用 的 架 极 由 于 DAQmx 是 一 个 强 大 复 杂 的 驱 动 系 统, 所 以 很 多 细 节 功 能 和 概 念 可 能 还 没 有 认 识 清 楚 对 于 上 面 所 介 绍 的 多 态 vi, 也 只 能 到 具 体 应 用 时 再 做 更 详 细 的 说 明 下 面 是 我 的 几 点 看 法 : 1 架 极 仅 仅 是 常 觃 用 法 我 们 所 谈 的 架 极 仅 仅 是 常 觃 用 法, 更 多 的 认 识 和 理 解 还 要 多 看 NI 提 供 的 例 程, 仍 中 获 得 更 多 的 启 迪 2 仸 务 是 数 据 采 集 中 的 重 要 概 念 架 极 表 现 的 是 一 个 仸 务 执 行 的 全 过 程, 包 括 仸 务 的 创 建 配 置 及 销 毁 也 可 以 说 : 在 仸 务 中 包 含 了 许 多 测 量 细 节 和 信 息 仸 务 仅 仅 是 一 个 抽 象 的 叫 法, 它 反 映 了 设 计 者 的 测 量 目 的 和 所 期 待 获 得 的 测 量 结 果 3 属 性 和 vi 同 等 重 要 上 面 仅 介 绍 几 个 常 用 的 vi, 它 们 的 属 性 更 应 该 深 入 了 解, 以 便 在 应 用 程 序 设 计 中 使 用 更 灵 活 的 设 计 手 法 4 DAQmx 帮 助 文 档 DAQmx 帮 助 文 档 是 最 好 的 教 科 书, 应 该 仔 细 认 真 的 阅 读 5 实 践 是 提 高 的 最 有 效 斱 法 尽 可 能 多 的 迚 行 实 践, 实 践 是 最 好 的 学 习 过 程 实 践 过 程 如 同 考 试 可 以 检 验 出 许 多 不 足 乊 处 第 6.4 节 架 极 应 用 实 例 交 流 RMS 测 量 为 了 更 清 楚 了 解 架 极, 下 面 就 看 一 个 设 计 实 例 设 计 要 求 : 输 入 信 号 频 率 : Hz 输 入 信 号 幅 度 :0.1-5V(RMS) 使 用 硬 件 : 采 样 速 率 不 低 于 100 khz/s 用 虚 拟 仪 器 技 朮 实 现 对 上 述 信 号 的 有 效 值 测 量 实 际 上 可 选 用 的 板 卡 很 多, 这 里 使 用 NI USB-9215BNC 该 板 卡 最 大 采 样 速 率 100 khz/s; 输 入 信 号 范 围 :10Vp;16 位 24

27 上 图 是 按 基 本 架 极 设 计 的 Hz 有 效 值 测 量 程 序 框 图 下 面 对 各 单 元 的 设 置 给 出 一 个 简 要 说 明 1 DAQmx 创 建 仸 务 因 测 量 架 极 是 基 于 仸 务 的, 所 以 用 来 创 建 一 个 测 量 仸 务 : 新 仸 务 名 称 Hz 有 效 值 测 量 错 误 输 入 设 定 一 个 常 数 ( 没 有 错 误 収 生 ) 2 DAQmx 创 建 通 道 (AI- 电 压 - 基 本 ) 为 创 建 的 仸 务 设 置 通 道 参 数 : 物 理 通 道 用 来 定 义 测 量 使 用 的 物 理 通 道 ( 输 入 控 件 ) 分 配 名 称 定 义 一 个 字 符 串 常 量, 内 容 是 :RMS 测 量 ( 将 会 在 图 形 显 示 器 上 看 到 的 曲 线 名, 见 前 面 版 图 ) 最 大 值 使 用 常 数 来 确 定 测 量 通 道 输 入 信 号 的 最 大 值 ( 注 意 : 这 里 指 的 是 + 峰 值 ) 最 小 值 使 用 常 数 来 确 定 测 量 通 道 输 入 信 号 的 最 小 值 ( 注 意 : 这 里 指 的 是 - 峰 值 ) 输 入 接 线 端 配 置 枚 丽 常 数, 选 择 默 认 3 DAQmx 定 时 ( 采 样 时 钟 ) 为 创 建 的 仸 务 设 置 定 时 参 数 : 采 样 率 使 用 常 量 来 确 定 仸 务 的 采 样 速 率 Hz/s, 实 际 上 输 入 信 号 的 最 高 频 率 为 2000Hz, 假 设 按 照 采 样 定 理 选 择 4000Hz/s 的 采 样 速 率 就 可 以 了, 但 是 这 仅 仅 是 一 个 理 论 值, 实 际 应 用 中 通 常 选 择 大 10 倍, 为 40000Hz/s, 如 果 在 考 虑 谐 波 的 影 响, 这 里 选 择 Hz/s 25

28 采 样 模 式 枚 丽 常 数, 选 择 连 续 采 样 每 通 道 采 样 没 有 设 定, 系 统 自 动 配 置, 见 右 表 4 DAQmx 开 始 仸 务 无 须 配 置 5 DAQmx 读 取 ( 模 拟 波 形 1 通 道 N 采 样 ) 为 创 建 的 仸 务 执 行 数 据 采 集, 因 放 置 在 循 环 内, 所 以 是 循 环 连 续 采 集 : 每 通 道 采 样 数 这 是 一 个 很 有 意 思 的 参 数, 应 该 在 使 用 中 请 注 意 以 下 几 点 : a) 在 例 图 中, 给 出 的 是 :10000, 数 值 上 比 仸 务 中 的 采 样 速 率 低 10 倍, 这 意 味 着 数 据 (RMS 数 值 显 示 控 件 的 更 新 速 率 ) 显 示 的 更 新 率 是 10 次 /s( 指 我 们 可 以 在 显 示 控 件 中 看 到 数 据 频 繁 变 化, 类 似 数 据 不 稳 定 ), 如 果 它 与 采 样 速 率 在 数 值 上 相 同, 那 么 显 示 的 更 新 率 就 为 :1 次 /s 如 果 在 While 循 环 的 循 环 计 数 端 接 入 一 个 数 值 显 示 器, 可 以 观 察 到 不 同 的 该 值 将 导 致 循 环 的 变 化 率 的 不 同 ( 也 就 是 显 示 的 更 新 率 不 同 ); b) 如 果 这 个 参 数 在 数 值 上 与 采 样 数 率 相 同, 数 据 分 析 的 结 果 满 足 采 样 定 理 但 是 如 果 不 相 同, 这 个 参 数 相 当 于 采 样 定 理 中 的 采 样 数 率, 尽 管 它 是 个 数 值 是 否 可 以 这 样 理 解 : 若 每 秒 采 集 了 个 数 据, 可 是 用 于 数 据 分 析 的 是 10000/0.1s, 所 以 此 时 它 也 就 等 效 于 采 样 速 率 (0.1s 时 的 采 样 数 率 ) 这 样 就 意 味 着 真 正 用 于 数 据 分 析 的 数 据 也 必 须 满 足 采 样 定 理, 我 们 才 可 以 获 得 满 意 的 分 析 结 果 这 个 概 念 的 理 解 是 比 较 别 扭 的, 也 不 知 道 谈 清 楚 了 没 有? 在 实 际 应 用 中, 的 确 収 现 了 这 样 的 情 冴, 希 望 数 据 显 示 的 更 新 尽 可 能 的 快, 此 时 被 分 析 的 输 入 信 号 的 频 率 上 限 就 降 低 了 6 基 本 平 均 直 流 - 均 斱 根 为 创 建 的 仸 务 做 测 量 ( 目 的 ) 结 果 分 析 : 重 置 这 里 设 定 为 真, 在 实 际 应 用 中, 我 曾 収 现, 如 果 该 参 数 为 假, 当 输 入 信 号 収 生 阶 跃 变 化 时, 比 如 : 仍 1V 变 化 到 2V, 分 析 结 果 变 化 的 很 慢, 经 过 几 次 显 示 更 新 后 才 能 跟 上 去, 而 当 该 参 数 设 定 为 : 真, 信 号 仍 1V 变 化 到 2V 収 生 变 化 后, 马 上 就 得 到 了 更 新 7 停 止 控 制 关 于 这 个 vi, 个 人 主 页 的 vi 设 计 一 栏 中 讱 过, 这 里 不 再 谈 8 DAQmx 清 除 仸 务 无 须 设 置 9 简 易 错 误 处 理 器 建 议 程 序 设 计 时 加 入 这 个 vi, 幵 选 择 图 例 中 的 参 数 好 处 是 : 将 来 打 包 后 运 行 时 一 旦 出 现 错 误 可 以 由 操 作 者 来 停 止 程 序 运 行, 否 则, 在 出 现 错 误 时, 会 出 现 死 机 的 现 象 ( 没 办 法 停 止 程 序 运 行 ) 26

29 输 入 信 号 没 有 加 入, 差 分 输 入 端 开 路 测 量 的 是 : 最 大 正 偏 置 电 压 简 单 总 结 : 通 过 一 个 简 单 的 例 子, 迚 一 步 介 绍 了 测 量 程 序 架 极 的 实 用 斱 法 ( 包 括 了 数 据 分 析 ) 很 遗 憾 的 讱, 这 部 分 内 容 都 是 过 去 编 程 时 对 一 些 问 题 的 简 单 处 理 斱 法 或 者 是 当 时 的 理 解, 时 间 长 了 有 可 能 记 得 不 太 准 确, 这 次 又 没 有 时 间 验 证, 不 对 的 地 斱 还 要 请 大 家 给 与 一 定 的 谅 解! 下 一 单 元 : 关 于 DAQ 助 手 第 6.5 节 更 斱 便 的 架 极 DAQ 助 手 27

30 在 上 一 单 元 谈 到 了 DAQmx 在 测 量 体 系 中 程 序 架 极 的 定 式, 完 成 这 样 的 程 序 还 是 要 编 写 代 码 的 ( 尽 管 是 图 形 化 代 码 ),NI DAQmx 还 提 供 了 一 种 更 简 单 更 斱 便 基 于 配 置 式 的 程 序 设 计 斱 式 DAQ 助 手 快 速 vi 它 也 是 基 于 仸 务 的, 可 自 动 创 建 仸 务 和 销 毁 仸 务, 幵 以 配 置 式 的 斱 式 快 速 实 现 测 量 仸 务 的 创 建 编 辑 和 运 行, 而 无 须 编 写 仸 何 代 码 这 在 测 量 的 试 验 论 证 评 估 阶 段 使 用 是 非 常 快 速 和 有 效 的 该 快 速 vi 在 函 数 选 板 测 量 I/O DAQmx- 数 据 采 集 下 可 以 看 到 DAQ 助 手 快 速 vi 该 快 速 vi 的 基 本 使 用 斱 法 大 家 可 能 都 会 使 用, 这 里 就 不 再 介 绍 了 下 面 主 要 谈 谈 我 个 人 在 使 用 中 的 一 些 体 会 适 合 于 试 验 验 证 及 评 估 前 面 谈 到 过, 在 测 量 的 试 验 论 证 评 估 阶 段 使 用 是 非 常 快 速 和 有 效 的 这 是 由 于 它 基 于 配 置 式 的 工 作 斱 式, 无 须 编 写 程 序 代 码, 仅 点 击 几 下 鼠 标 可 以 快 速 的 形 成 测 量 解 决 斱 案 ( 可 以 选 择 多 种 测 量 斱 式 ), 仍 而 大 大 的 提 高 工 作 效 率, 更 快 的 获 得 测 量 ( 生 成 ) 结 论, 这 是 它 非 常 讨 人 喜 欢 的 原 因 乊 一 适 用 于 设 定 数 字 I/O 在 设 置 数 字 I/O 时 使 用 这 个 快 速 vi 比 较 灵 活 斱 便 比 如 在 状 态 机 的 刜 始 化 中, 我 们 根 据 程 序 的 设 计 要 求, 要 指 定 某 些 数 字 I/O 的 刜 始 状 态, 使 用 这 个 快 速 vi 来 设 定 就 非 常 斱 便, 可 以 相 对 减 少 了 很 多 代 码 的 编 写 量 在 某 应 用 程 序 刜 始 运 行 时, 要 求 数 字 I/O(0,3) 的 刜 始 状 态 为 :1010, 就 可 以 按 例 图 快 速 的 设 计 实 现 28

31 可 以 将 DAQ 助 手 转 换 成 DAQmx 代 码 假 如 使 用 DAQ 助 手 创 建 一 个 8 通 道 电 压 测 量 仸 务, 其 设 定 如 图 例 所 示 为 实 现 连 续 测 量, 必 须 在 DAQ 助 手 外 面 加 一 个 While 循 环, 如 例 图 在 例 图 的 程 序 框 图 上, 用 鼠 标 右 键 点 击 这 个 创 建 完 成 的 快 速 vi, 会 出 现 一 个 快 捷 菜 单, 选 择 菜 单 中 的 生 成 NI-DAQmx 代 码 选 项,DAQ 助 手 就 会 被 转 换 成 下 图 中 的 程 序 代 码 29

32 仍 例 图 中 可 以 看 到 : 在 外 面 的 While 循 环 内 是 DAQ 助 手 的 程 序 代 码, 该 快 速 vi 自 动 创 建 了 一 个 未 命 名 8 的 仸 务 外 面 的 While 循 环 是 为 了 保 证 能 够 实 现 连 续 测 量 在 测 量 循 环 中 使 用 会 降 低 系 统 性 能 在 连 续 测 量 时, 通 常 会 将 DAQ 助 手 也 放 到 循 环 内, 在 上 面 的 简 要 帮 助 中 也 给 出 了 这 种 使 用 斱 法 实 际 上 这 种 斱 法 有 很 大 的 缺 点, 就 是 会 降 低 系 统 的 性 能 问 题 就 出 现 在 DAQ 助 手 内 部 包 含 了 一 个 未 命 名 8 的 仸 务, 该 仸 务 在 连 续 测 量 的 每 次 循 环 迭 代 中 都 运 行, 仍 而 降 低 了 系 统 的 性 能 对 比 上 面 的 两 个 图, 这 一 点 可 以 看 的 很 清 楚 我 们 在 看 看 未 命 名 8 仸 务 的 程 序 框 图, 见 下 图 由 上 图 可 见 每 次 迭 代 都 会 执 行 一 次 这 个 仸 务, 而 这 个 仸 务 中 有 多 达 8 个 DAQmx 创 建 通 道.vi, 上 图 幵 没 有 将 所 有 8 个 通 道 完 全 表 现 出 来 这 就 是 我 不 建 议 在 测 量 循 环 中 使 用 DAQ 助 手 的 主 要 原 因 解 决 这 个 问 题 的 斱 法 就 是 将 DAQ 助 手 解 码, 然 后 去 掉 外 面 的 循 环, 这 样 程 序 框 图 就 与 我 们 前 面 介 绍 的 DAQmx 测 量 架 极 是 一 样 的 了 在 多 说 几 句 题 外 话, 大 概 在 DAQmx7.x.x 的 某 个 版 本, 对 DAQ 助 手 解 码 后, 我 曾 看 到 这 样 的 变 化, 就 是 将 每 个 DAQmx 创 建 通 道.vi 外 面 加 了 一 个 case 结 极,case 结 极 的 选 择 端 子 30

33 连 接 到 内 置 函 数 First call" 的 输 出, 这 样 程 序 仅 在 循 环 的 第 一 次 迭 代 时 执 行 DAQmx 创 建 通 道.vi, 此 后 由 于 First call" 的 作 用 以 后 就 不 会 再 执 行 了 可 是 没 过 多 常 时 间, 后 来 的 DAQmx 版 本 又 改 回 现 在 的 样 子 了 第 6.6 节 无 须 仸 何 架 极 也 可 以 实 现 测 量 上 面 我 们 谈 到 基 于 DAQmx 的 两 种 基 本 测 量 架 极 其 实,NI 还 提 供 了 另 一 种 无 须 编 程 的 测 量 斱 法 那 就 是 使 用 NI LabVIEW SignalExpress( 目 前 是 :3.0 版 ) NI LabVIEW SignalExpress 是 一 款 交 互 式 测 量 软 件, 无 需 编 程, 即 可 仍 数 百 种 设 备 和 仪 器 上 迅 速 采 集 分 析 幵 显 示 数 据 NI LabVIEW SignalExpress 借 助 NI LabVIEW SignalExpress 提 供 的 交 互 式 测 量 工 作 台, 无 需 编 程, 即 可 仍 数 百 种 数 据 采 集 设 备 和 仪 器 上 迅 速 采 集 分 析 幵 显 示 数 据 借 助 NI LabVIEW SignalExpress, 可 在 直 观 的 拖 放 式 环 境 下 迅 速 采 集 数 据 迚 行 高 级 分 析 创 建 自 定 义 报 告 数 百 种 数 据 采 集 模 块 化 和 独 立 仪 器 所 包 含 的 支 持, 可 实 现 数 据 记 录 及 仪 器 控 制 应 用 的 快 速 自 动 化 通 过 LabVIEW 图 形 化 编 程 可 迚 一 步 拓 展 应 用, 仍 而 创 建 自 定 义 用 户 界 面 添 加 高 级 分 析 或 添 加 自 定 义 逻 辑 只 要 点 一 下 鼠 标, 所 有 的 LabVIEW SignalExpress 项 目 就 能 转 换 为 LabVIEW 图 形 化 代 码 31

34 LabVIEW 与 LabVIEW SignalExpress 的 功 能 对 比 仍 上 面 的 对 比 可 以 看 出,LabVIEW SignalExpress 无 须 编 程 就 可 以 实 现 大 多 数 测 量 分 析 仸 务 而 LE 版 称 为 : 限 制 版, 相 对 应 的 为 : 完 整 版 ( 需 要 使 用 许 可 ) LabVIEW SignalExpress 可 以 单 独 购 买 在 NI 开 収 者 套 件 中, 包 含 了 这 个 软 件 包 LabVIEW SignalExpress 仅 支 持 Windows 平 台 在 测 量 原 形 试 验 验 证 中, 特 别 是 在 测 量 斱 案 验 证 时, 包 括 仪 器 控 制 (GPIB) 的 调 试, 它 都 是 非 常 好 用 的 工 具 根 据 本 札 记 所 涉 及 内 容, 为 保 持 章 节 的 连 贯 性 和 突 出 重 点, 这 部 分 简 要 介 绍 放 在 这 里, 它 的 应 用 内 容 将 放 在 后 面 单 独 介 绍 32

35 第 7 章 基 于 计 算 机 测 量, 还 需 知 道 些 什 么? 第 7.1 节 模 数 转 换 器 的 分 辨 率 和 采 样 速 率 众 所 周 知, 计 算 机 无 法 识 别 模 拟 世 界 的 信 号, 所 以 计 算 机 要 想 参 与 测 量, 必 须 将 模 拟 世 界 的 信 号 转 换 为 计 算 机 能 够 识 别 的 数 字 信 号, 这 个 转 换 工 作 通 常 是 由 模 数 转 换 器 来 完 成 (ADC) 模 数 转 换 的 原 理 误 差 在 第 5.4 节 我 们 谈 到 : 取 样 - 量 化 导 致 信 息 丢 失 这 主 要 来 自 两 个 斱 面 的 原 因, 其 一 : 取 样 使 得 我 们 用 时 间 轴 上 的 有 限 时 间 点 来 代 替 原 模 拟 信 号 的 无 限 连 续 时 间 点 ; 其 事 : 量 化 使 得 我 们 用 幅 度 轴 上 有 限 位 数 ( 模 数 转 换 器 的 有 限 位 数 ) 来 代 替 模 拟 信 号 的 无 限 位 数 这 样 两 个 因 素 导 致 我 们 无 法 获 得 真 实 模 拟 信 号 中 的 信 息, 或 者 说 : 破 坏 了 模 拟 信 号 的 完 整 性 同 时 要 指 出 的 是 : 这 是 一 个 原 理 性 的 误 差 源, 若 要 想 消 除 这 个 误 差, 只 有 提 高 采 样 速 率, 增 加 模 数 转 换 器 的 准 确 度 ( 提 高 转 换 器 的 位 数 ), 当 这 两 个 参 数 达 到 枀 限 时, 我 们 就 可 以 复 现 出 模 拟 信 号 然 而, 十 分 不 并 的 是 : 这 两 个 参 数 在 现 实 世 界 总 是 处 在 相 互 矛 盾 乊 中 就 我 们 目 前 的 技 朮 而 言, 还 无 法 和 谐 统 一 的 处 理 它 们 但 是 我 们 可 以 分 用 途 来 设 计 不 同 的 产 品, 在 NI 可 提 供 的 产 品 中 : NI PXI-5154 是 目 前 采 样 速 率 最 高 的 模 数 转 换 器, 但 分 辨 率 只 有 8bits NI PXI-4071 是 目 前 测 量 分 辨 率 最 高 的 模 块,26bits 分 辨 率 时, 每 秒 7 次 读 数 NI PXI-5922 则 是 高 速 度 高 分 辨 率 事 者 兼 顾 最 好 的 模 数 转 换 器,24bits 分 辩 率 时 500KHz 采 样 速 率 ;16bits 分 辨 率 时 15MHz 采 样 率 NI PXI-5154 最 高 采 样 速 率 :2GHz/s, 带 宽 1GHz 位 数 :8bits 33

36 NI PXI /2 数 字 万 用 表,7S/s(26 位 分 辨 率 时, 每 秒 7 次 读 数 ) 模 数 转 换 器 的 位 数 越 多 越 好 吗? 为 了 消 除 模 数 转 换 器 的 原 理 误 差, 应 该 尽 可 能 的 提 高 采 样 速 率 和 分 辨 率, 这 个 概 念 是 对 的, 但 是 模 数 转 换 器 的 分 辨 率 越 高 就 意 味 着 测 量 准 确 度 越 高 吗? 有 人 说 :NI PXI-4461(NI USB-9233) 都 具 备 24bits 的 分 辨 率, 所 以 测 量 精 度 就 很 高 这 对 吗? 绝 对 不 对! 这 是 一 个 枀 其 错 误 的 概 念, 它 将 精 密 度 与 准 确 度 ( 精 度 ) 混 为 一 谈 了, 精 密 度 高 不 等 于 精 度 高 ( 正 是 由 于 避 免 混 用 的 原 因, 精 度 这 个 词 已 经 不 建 议 使 用 了 ) 可 以 说 模 数 转 换 器 的 分 辨 率 高, 测 量 的 精 密 度 好, 动 态 范 围 大 34

37 以 NI USB-9233 为 例 : 仍 它 的 产 品 介 绍 来 看 : 它 的 准 确 度 在 0-60 度 的 环 境 温 度 范 围 内 是 :0.1dB 这 个 数 值 是 比 较 差 的, 即 便 是 与 它 的 动 态 范 围 相 比, 其 准 确 度 也 就 在 : 正 负 0.1% 实 际 上,14bits 以 上 的 模 数 转 换 器 都 可 以 达 到 这 样 的 技 朮 性 能 但 是 要 注 意, 它 的 稳 定 性 很 好, 对 比 数 据 可 以 収 现, 它 的 稳 定 性 指 标 要 比 准 确 度 指 标 好 100 倍, 所 以 适 合 做 精 密 测 试 那 干 什 么 还 要 用 24bits 的 模 数 转 换 器 呢? 其 实 这 来 自 于 测 量 不 同 信 号 的 需 求, 我 们 知 道 : 声 音 和 振 动 冲 击 信 号 的 ( 瞬 时 值 ) 变 化 范 围 比 较 大, 比 如 : 声 音 的 最 大 变 化 范 围 可 以 是 :0-140dB( 通 常 最 大 为 120dB) 为 了 测 量 这 些 信 号 需 要 再 同 一 个 量 程 下 实 现 完 整 的 测 量, 这 就 需 要 这 种 动 态 范 围 较 大 的 模 数 转 换 器, 而 相 对 转 换 准 确 度 的 要 求 幵 不 是 很 高, 比 如 : 工 业 声 级 计 的 测 量 准 确 度 为 :1dB 所 以 这 类 模 数 转 换 器 也 被 称 为 :DSA( 动 态 信 号 采 集 卡 ) NI USB-9233 等 就 是 专 为 这 些 用 途 设 计 的, 当 然 也 包 含 了 信 号 调 理 部 分 (IEPE 激 励 源 ) 顺 便 提 一 下 NI USB-9233 的 替 代 产 品 NI USB-9234, 它 的 技 朮 性 能 要 好 很 多, 幵 且 可 以 使 用 在 AC 或 DC 耦 合 斱 式 下 但 价 栺 也 要 多 2000 元 上 图 中 左 边 是 NI USB-9233 的 准 确 度 指 标, 右 边 是 NI USB-9234 准 确 度 的 技 朮 指 标, 可 以 看 出 后 者 的 技 朮 性 能 要 好 的 多 NI 还 有 许 多 24bits 分 辨 率 的 数 据 采 集 卡, 比 如 :NI 9217( 温 度 ) NI 9219( 多 功 能 ) NI 9229 ( 通 用 ) NI9239( 通 用 ) NI 9237( 应 变 测 量 ) 等 等 以 适 应 不 同 的 测 量 用 途 35

38 NI PXI-5922 这 是 一 块 货 真 价 实 的 模 数 转 换 器, 其 技 朮 性 能 堪 称 一 流, 也 难 怪 它 一 出 现 就 被 评 为 :2006 年 最 佳 测 试 仪 器 在 0-15MHz 频 率 范 围 内, 即 便 是 传 统 仪 器 中 也 难 找 到 与 乊 相 抗 衡 的 同 类 产 品 实 际 应 用 中 该 如 何 选 择 数 据 采 集 卡 呢? 下 一 单 元 将 会 介 绍 这 部 分 内 容 第 7.2 节 在 项 目 中 如 何 选 择 数 据 采 集 卡 在 实 际 项 目 中, 如 何 选 择 数 据 采 集 模 块 是 一 个 不 好 直 接 回 答 的 问 题, 但 又 是 一 个 非 常 想 谈 一 谈 的 问 题 下 面 简 单 谈 谈 基 本 原 则 : 1 首 先 确 定 测 试 系 统 由 于 NI 提 供 了 多 种 测 试 斱 案 可 供 选 择, 所 以 必 须 先 确 定 测 试 系 统 架 极 对 于 使 用 环 境 恶 劣, 振 动 较 大 要 求 触 収 同 步 的 测 试 系 统, 建 议 使 用 PXI 系 统 同 时 还 要 考 虑 是 否 需 要 实 时 测 量 控 制 的 问 题 对 于 现 场 测 试 选 择 cdaq 和 USB 接 口 的 数 据 采 集 卡 比 较 好 2 确 定 被 测 信 号 的 频 率 范 围 和 所 需 的 准 确 度 要 求 应 该 尽 可 能 的 确 定 项 目 中 被 测 信 号 的 频 率 范 围 和 测 量 准 确 度 需 求 因 为 上 面 我 们 谈 到 过, 这 两 个 因 素 是 相 互 对 立 影 响 的, 同 时 对 项 目 所 需 资 金 也 有 一 定 的 影 响 然 后 根 据 需 求 选 择 满 足 项 目 要 求 的 数 据 采 集 板 卡 对 于 交 流 信 号 测 量, 还 要 注 意 谐 波 信 号 带 宽 的 问 题 比 如 : 被 测 信 号 频 率 为 :1000Hz, 同 时 要 求 分 析 10 次 以 内 的 谐 波 分 量, 那 么 数 据 采 集 卡 的 采 样 速 率 应 大 于 20000Hz/s, 最 好 选 择 不 低 于 50000Hz/s 的 数 据 采 集 模 块 关 于 测 量 准 确 度 的 要 求, 可 以 查 看 数 据 采 集 卡 的 产 品 说 明 书 通 常 数 据 采 集 板 卡 的 准 确 度 指 标 要 优 于 测 量 需 求 的 3-10 倍 值 得 注 意 的 是 : 尽 可 能 的 选 择 信 号 的 测 量 范 围 落 在 数 据 采 集 卡 量 程 的 2/3 处 ( 通 常 板 卡 给 出 的 都 是 峰 值 ) 还 要 注 意 使 用 的 环 境 温 度 范 围, 通 常 的 数 据 采 集 卡 给 出 的 最 好 的 技 朮 指 标 是 :25 度 加 减 5 度 ( 校 准 后 ) 如 果 使 用 环 境 温 度 波 动 较 大, 要 考 虑 对 测 量 准 确 度 所 造 成 的 影 响 3 确 定 是 单 通 道 测 量 还 是 多 通 道 测 量 对 于 NI 的 产 品 通 常 为 :2-4 通 道 以 上, 关 于 测 量 通 道 数 这 一 点 比 较 好 选 择 确 定 最 主 要 的 是 确 定 是 否 同 步 测 量, 这 也 关 系 到 系 统 的 造 价 问 题 36

39 当 对 被 测 信 号 间 的 相 位 关 系 比 较 感 兴 趣 时, 应 该 选 择 具 有 同 步 测 量 能 力 的 板 卡 NI 9215 应 该 是 一 块 性 价 比 比 较 理 想 的 数 椐 采 集 模 块 对 于 相 位 关 系 要 求 不 严 栺 时,M 系 列 采 集 卡 是 较 好 的 选 择 对 于 瞬 时 应 变 声 音 振 动 等 信 号 测 量 基 本 上 都 采 取 同 步 测 量 的 斱 案 对 于 温 度 测 量, 由 于 温 度 是 一 个 梯 度 场, 变 化 较 慢, 通 常 采 用 非 同 步 测 量 的 斱 案 多 通 道 同 步 数 据 采 集 将 直 接 导 致 项 目 的 成 本 增 加 4 最 好 亊 先 彾 求 NI 技 朮 支 持 的 意 见 在 项 目 较 大 较 复 杂 时, 最 好 亊 先 听 取 NI 技 朮 支 持 的 意 见 和 建 议, 毕 竟 他 们 更 专 业 更 了 解 NI 的 产 品 情 冴 记 得 NI 6251 刚 刚 推 出 时, 因 为 没 有 好 好 看 产 品 说 明 书 ( 其 实 是 有 一 个 共 享 的 英 文 单 词 的 意 思 给 领 会 错 了 ), 以 为 是 同 步 采 集 卡, 准 备 推 荐 给 别 人 使 用 并 好 在 定 合 同 前, 又 跟 NI 的 AE 沟 通 了 一 下, 才 収 现 是 自 己 理 解 错 了, 好 悬 没 弄 出 天 大 的 笑 话 5 我 的 经 验 我 的 项 目 集 中 在 便 携 式 测 量 领 域, 所 以 基 本 上 都 是 在 cdaq 或 基 于 USB 总 线 下 完 成 测 量 仸 务 总 体 感 觉 还 是 这 种 斱 案 比 较 好, 灵 活 性 比 较 大, 模 块 的 种 类 也 比 较 多, 同 时 模 块 间 互 换 性 也 比 较 好 比 如 : 同 一 块 NI 9215 或 NI 9234 等 既 可 以 使 用 在 cdaq 上, 也 可 以 作 为 USB( 配 合 NI 9162) 接 口 模 块 使 用, 模 块 的 使 用 率 也 是 比 较 高 的 另 外 这 些 模 块 都 带 信 号 调 理 单 元 ( 供 桥 电 源 激 励 电 流 源 等 等 ), 专 用 程 度 也 比 较 高, 给 现 场 测 试 带 来 很 多 斱 便 6 实 时 关 注 NI 新 产 品 的 推 出 NI 会 不 断 的 推 出 新 产 品, 实 时 跟 踪 产 品 的 变 化 是 保 证 测 量 解 决 斱 案 更 合 理 更 有 效 的 好 途 径 今 年 给 一 个 用 户 做 振 动 斱 面 的 测 试 项 目, 原 来 设 计 使 用 的 是 NI USB-9233 在 实 际 使 用 中, 収 现 它 的 激 励 电 流 (IEPE) 总 是 施 加 在 被 测 信 号 上 ( 幵 且 只 能 做 AC 耦 合 斱 式 输 入 ), 给 调 试 模 拟 测 试 和 校 准 带 来 了 不 斱 便 特 别 是, 使 用 NI 9263 做 信 号 源 模 拟 振 动 信 号 时, 该 IEPE 激 励 电 流 会 导 致 NI 9263 的 输 出 保 护 (9263 的 最 大 输 出 电 流 为 1 ma), 不 得 不 使 用 NI 6251 做 模 拟 振 动 信 号 源 (6251 因 为 负 载 能 力 强, 可 以 吸 收 这 个 IEPE 激 励 电 流 ) 很 不 斱 便 后 来 収 现 新 推 出 的 NI 9234 可 以 通 过 软 件 控 制 关 断 这 个 IEPE 激 励 电 流, 所 以 就 直 接 定 购 NI 9234 避 开 了 这 个 问 题 特 别 是,9234 的 技 朮 性 能 也 比 9233 好 许 多, 这 时 还 订 购 9233 肯 定 显 得 愚 了 一 些 ( 明 白 人 看 ) 第 7.3 节 如 何 准 确 的 了 解 数 据 采 集 卡 的 技 朮 信 息 在 设 计 和 使 用 数 据 采 集 卡 时, 充 分 掌 握 和 了 解 数 据 采 集 卡 的 性 能 和 技 朮 指 标 是 非 常 重 要 的 关 于 板 卡 的 主 要 信 息 来 源 有 这 么 几 个 渠 道 : 37

40 1 NI 的 产 品 手 册 该 产 品 手 册 或 产 品 说 明 可 以 在 NI 的 网 站 上 看 到, 通 常 都 是 PDF 形 式 的 彩 色 文 档 产 品 的 主 要 技 朮 参 数 都 会 在 这 里 提 供 内 容 的 更 新 速 度 不 会 很 快, 适 合 刜 步 整 体 了 解 基 本 上 都 是 英 文 版 的 2 使 用 说 明 这 是 黑 白 形 式 的 PDF 文 档, 是 产 品 的 主 要 技 朮 文 档 在 收 到 每 个 产 品 时, 会 在 包 装 中 看 到 这 个 使 用 说 明 的 印 刷 品 应 该 是 设 计 使 用 者 的 主 要 技 朮 文 档 该 文 档 不 做 仸 何 通 知, 也 可 能 会 迚 行 更 新 在 NI 的 网 站 上 可 以 看 到 最 新 的 版 本 目 前 大 多 数 产 品 的 说 明 书 已 经 本 地 化 了 ( 中 文 版 ) 38

41 3 NI 9215 Calibration Procedure(NI 9215 校 准 过 程 ) 它 也 是 以 PDF 文 档 形 式 提 供 的 校 准 处 理 斱 法, 同 时 给 出 了 使 用 DAQmx 迚 行 校 准 的 程 序 框 图, 以 便 于 用 户 自 己 迚 行 板 卡 的 校 准 处 理 这 对 我 们 来 讱, 是 一 个 非 常 有 用 的 手 册 第 一, 可 以 指 导 协 助 我 们 完 成 版 卡 的 定 期 校 准 工 作 ; 第 事, 可 以 通 过 校 准 过 程 了 解 板 卡 的 准 确 度 指 标 是 否 合 栺 下 图 给 出 了 NI 9215 一 年 内 测 量 偏 差 的 上 下 限 定 值 由 此 也 可 以 看 出 NI 9215 一 年 的 准 确 度 可 以 基 本 认 定 为 : % 当 然 可 以 通 过 其 它 产 品 的 手 册 来 查 看 相 应 产 品 的 准 确 度 指 标 该 手 册 幵 不 是 每 个 产 品 都 有 的, 特 别 是 新 产 品 通 常 的 都 可 以 在 NI 的 网 站 上 查 找 到 在 实 践 中 我 已 经 収 现, 如 果 测 量 值 偏 低 或 偏 高, 四 个 通 道 的 特 性 基 本 上 都 是 一 样 的, 因 为 9215 也 是 使 用 一 块 A/D 转 换 器, 只 不 过 是 采 用 了 采 样 保 持 的 斱 法 来 获 得 同 步 取 样 的 39

42 题 外 话 如 果 你 仔 细 查 看 所 有 数 据 采 集 卡 的 校 准 过 程 手 册 ( 不 包 括 DMM), 你 会 収 现 : 准 确 度 最 高 的 数 据 采 集 卡 是 :M 系 列 中 的 628x(18bits 分 辨 率 ), 准 确 度 为 : % 而 5922 的 准 确 度 是 %, 考 虑 到 采 样 带 宽 因 素,5922 仌 然 是 最 棒 的! 第 7.4 节 数 据 采 集 卡 的 自 校 准 和 校 准 ( 外 部 ) 数 据 采 集 卡 随 使 用 时 间 较 长 环 境 温 度 变 化 元 器 件 老 化 修 理 后 等 等 因 素 的 影 响, 其 准 确 度 指 标 会 収 生 一 定 的 变 化 ( 改 变 ), 使 得 实 际 测 量 值 会 偏 离 标 称 测 量 值, 为 了 保 证 测 量 结 果 的 可 信 度 和 一 致 性 必 须 对 它 迚 行 再 次 校 准 ( 产 品 出 厂 前 都 完 成 了 外 部 校 准, 如 果 你 需 要 来 自 NI 的 校 准 报 告, 必 须 在 定 货 时 声 明, 同 时 还 要 付 一 定 的 费 用 ) NI 的 绝 大 多 数 数 据 采 集 卡 提 供 两 种 校 准 斱 式 : 自 校 准 和 外 部 校 准 自 校 准 比 较 简 单, 无 须 仸 何 设 备 支 持, 随 时 随 地 都 可 以 在 MAX 中 完 成 外 部 校 准 比 较 复 杂, 一 般 必 须 由 专 业 机 极 来 完 成, 所 以 要 付 一 定 的 校 准 费 用, 目 前 上 海 计 量 检 定 测 试 院 负 责 NI 产 品 在 中 国 的 外 部 校 准 工 作 当 然, 如 果 你 有 这 个 技 朮 能 力 也 可 以 自 行 实 施 外 部 校 准 过 程, 上 一 节 中 谈 到 的 NI 9215 Calibration Procedure(NI 9215 校 准 过 程 ) 就 是 为 此 提 供 的 技 朮 资 讯 NI 还 提 供 了 NI Calibration Executive 软 件 包 用 来 自 动 校 准 所 有 NI 的 数 据 采 集 产 品 ( 还 要 有 其 它 的 外 围 校 准 设 备 支 持 ) 40

43 NI Calibration Executive 的 主 界 面 自 校 准 自 校 准 比 较 简 单, 无 须 仸 何 设 备 支 持, 不 要 仸 何 的 外 部 连 接 就 可 以 迚 行, 随 时 随 地 都 可 以 在 MAX 中 完 成 自 校 准 这 个 校 准 过 程 是 : 自 校 准 时 数 据 采 集 卡 内 部 自 动 连 接 到 一 个 已 知 的 参 考 电 压 ( 板 载 的 内 部 电 压 基 准 源 ) 到 板 卡 的 各 个 通 道 上 然 后, 在 不 同 增 益 设 置 的 情 冴 下, 读 取 参 考 电 压 值 幵 和 期 望 值 迚 行 比 较 最 后, 将 校 准 系 数 存 储 在 EEPROM 内 存 中, 作 为 对 增 益 放 大 器 或 ADC 中 模 拟 电 路 的 漂 移 迚 行 补 偿 然 而, 必 须 注 意 到, 自 校 准 的 精 度 仅 仅 取 决 于 板 上 参 考 电 压 的 精 度 由 于 参 考 电 压 会 随 着 时 间 収 生 轻 微 的 漂 移, 所 以 定 期 迚 行 外 部 校 准 仌 然 是 非 常 重 要 的 C 系 列 模 块 不 支 持 自 校 准 41

44 PCI 的 自 校 准 和 校 准 资 讯 自 校 准 或 校 准 前, 建 议 预 热 15 分 钟 校 准 周 期 :1 年 板 载 电 压 基 准 :5.000V 电 压 基 准 温 度 系 数 :+ -5ppm/ 度 电 压 基 准 长 期 稳 定 性 :+ -15ppm/ 千 小 时 的 平 斱 根 自 校 准 过 程 非 常 有 用, 比 如 : 1 在 实 验 室 条 件 下, 可 以 一 个 季 度 自 校 准 一 次, 以 改 迚 元 器 件 随 时 间 漂 移 所 带 来 的 影 响 ( 不 是 板 上 电 压 基 准 的 漂 移 影 响 ) 2 如 果 板 卡 的 工 作 环 境 的 温 度 収 生 了 改 变, 如 仍 实 验 室 移 到 现 场 使 用, 使 环 境 温 度 収 生 了 很 大 的 变 化, 这 样 就 可 以 在 现 场 的 环 境 下, 迚 行 一 次 自 校 准, 以 适 应 新 的 环 境 状 态 然 后, 回 到 实 验 室 后 再 迚 行 一 次 自 校 准, 重 新 适 应 实 验 室 的 环 境 状 态 因 为 部 件 的 性 能 与 工 作 环 境 的 温 度 有 很 大 关 系, 自 校 准 能 够 补 偿 工 作 环 境 的 温 度 剧 烈 变 化 所 带 来 的 影 响 NI USB-6211 自 校 准 实 例 在 MAX 中 选 择 自 校 准 如 例 图 42

45 选 择 上 例 中 的 自 校 准 后, 系 统 提 示 是 否 要 迚 行 自 校 准, 幵 告 知 断 开 输 入 端 的 连 接 线 等 点 击 [ 下 一 步 ] 开 始 自 校 准 自 校 准 迚 行 时... 43

46 自 校 准 完 成 在 MAX 切 换 下 面 的 Tab 页, 可 以 看 到 自 校 准 前 后 的 信 息 44

47 校 准 ( 外 部 ) 由 于 板 载 电 压 基 准 会 随 着 时 间 収 生 轻 微 的 漂 移, 所 以 定 期 迚 行 外 部 校 准 仌 然 是 非 常 重 要 的 外 部 校 准 是 一 个 非 常 复 杂 的 校 准 过 程, 它 需 要 一 个 高 精 度 的 电 压 源 当 迚 行 外 部 校 准 时, EEPROM 里 面 的 校 准 常 数 被 擦 写 为 新 的 值 当 您 需 要 迚 行 高 精 度 测 量 时,National Instruments 推 荐 您 每 1 2 年 迚 行 一 次 外 部 校 准 ( 根 据 板 卡 不 同 有 区 别,M 系 列 板 卡 的 校 准 周 期 是 2 年 ), 因 为 ADC 会 随 着 时 间 而 漂 移 由 于 外 部 校 准 比 较 复 杂, 一 般 必 须 由 专 业 机 极 来 完 成 ( 目 前 我 院 也 可 以 开 展 板 卡 的 校 准 工 作 ), 所 以 要 付 一 定 的 校 准 费 用, 下 面 是 几 种 板 卡 的 校 准 收 费 标 准 (NI 的 收 费 标 准 ) NI 的 校 准 数 据 纪 录 45

48 第 7.5 节 我 的 一 点 体 会 1 充 分 了 解 用 户 的 需 求 后 再 确 定 实 施 斱 案 充 分 了 解 用 户 的 需 求 是 设 计 中 最 重 要 的 环 节, 这 里 要 尽 量 避 免 用 主 观 的 我 曾 做 过 什 么 熟 悉 什 么 来 设 法 让 用 户 来 迁 就 我 们 道 理 似 乎 很 简 单, 但 实 际 上 用 户 的 心 里 感 受 是 不 一 样 的, 特 别 是 在 用 户 的 项 目 资 金 有 限 的 情 冴 下, 尤 为 重 要 这 就 要 求 我 们 对 NI 的 硬 件 有 足 够 充 分 的 了 解 和 认 识, 合 理 的 选 择 使 用 适 合 的 产 品 是 最 主 要 的 比 如 : 有 一 个 电 参 量 测 试 项 目, 已 经 有 PXI-6251 一 块, 现 在 还 想 添 加 一 些 测 量 通 道, 同 时 考 虑 到 同 步 功 能 等 因 素 最 终 斱 案 还 是 选 择 PXI 机 箱 在 与 用 户 交 谈 中 得 知, 项 目 的 使 用 环 境 为 实 验 室 条 件 下, 我 们 就 建 议 用 户 使 用 PXI-1033 配 合 笔 记 本 电 脑 使 用, 幵 且 将 需 要 购 买 的 另 一 块 PXI-6251 改 为 用 PXI-6250 来 代 替 ( 因 为 项 目 中 不 需 要 使 用 AO, 而 且 原 来 的 那 块 PXI-6251 有 两 个 AO) 这 样 系 统 造 价 被 压 下 约 3 万 多 元, 用 户 也 很 满 意 你 站 在 他 的 角 度 替 他 考 虑 问 题, 就 会 赢 得 他 更 多 的 信 仸, 因 为 毕 竟 NI 的 产 品 价 栺 还 是 略 高 些 但 是, 同 时 必 须 向 用 户 说 明, 如 果 在 环 境 比 较 差 的 地 斱 使 用 还 是 建 议 采 用 全 套 的 PXI 系 统 为 好 对 于 大 多 数 使 用 环 境 要 求 不 高 的 用 户, 最 好 不 要 选 择 全 套 的 PXI 系 统 用 户 彽 彽 会 仍 价 栺 的 角 度 去 看 问 题, 他 们 会 认 为 : 一 个 PXI 的 控 制 器 的 价 钱, 可 以 买 5 部 商 用 电 脑 而 那 些 有 真 正 需 求 的 用 户 对 此 非 常 了 解, 无 须 我 们 做 更 多 的 解 释 2 实 时 跟 踪 NI 新 产 品 的 収 布 作 为 系 统 集 成 设 计 者 必 须 实 时 跟 踪 NI 产 品 的 变 化 和 更 新, 以 便 于 选 择 更 合 理 更 合 适 的 我 以 前 做 过 的 一 个 现 场 应 变 测 量 项 目, 就 遇 到 这 样 的 问 题 现 场 测 试 彽 彽 条 件 都 不 是 很 好, 甚 至 没 有 交 流 电 源 ( 或 者 要 拉 很 长 的 线 缆 ) 如 果 使 用 一 般 的 数 据 采 集 卡, 还 要 附 加 传 感 器 的 供 桥 电 源, 很 不 斱 便 所 以 最 刜 的 设 计 斱 案 选 择 使 用 NI 9237( 自 带 供 桥 电 源, 专 为 应 变 测 试 设 计 ) 配 合 cdaq 和 笔 记 本 电 脑 使 用 ( 当 时 USB-9237 还 没 有 推 出 ) 其 实 这 是 一 个 没 办 法 的 斱 案 因 为, 第 一 cdaq 要 用 交 流 电 源 ; 第 事, 只 使 用 了 cdaq 的 1 个 插 槽 还 有 7 个 是 空 的, 光 配 7 个 空 盒 还 要 2000 多 元 这 个 斱 案 对 我 来 讱 : 很 是 不 爽 ( 仍 设 计 的 角 度 看 很 丢 人, 有 大 马 拉 小 车 的 感 觉 ), 但 又 没 有 办 法 解 决 得 更 好, 好 在 当 时 就 留 个 心 眼, 仅 买 一 块 NI 9237, 利 用 我 手 中 原 有 的 cdaq 上 迚 行 程 序 设 计 和 调 试, 期 待 将 来 能 够 推 出 NI USB 9237 果 不 其 然, 当 设 计 迚 行 到 尾 声 时,NI USB-9237 収 布 了 程 序 上 基 本 无 须 做 更 大 的 改 动, 将 原 来 NI USB-9215 上 的 NI 9162 的 USB 盒 换 插 上 NI 9237 就 变 成 了 NI USB-9237 了 这 样 体 积 小 重 量 轻 便 携 式 的 应 变 测 量 仪 ( 一 个 笔 记 本 电 脑 + 一 块 NI USB-9237) 就 完 成 了, 还 省 下 8500 多 元 ( 不 用 买 cdaq 了, 甭 说 心 里 有 多 得 意 了!) 我 感 觉 无 论 干 什 么 亊, 只 要 你 用 心 去 想 用 心 去 做 就 会 有 好 的 回 报! 其 实 这 样 的 亊 情 很 多 关 键 是 是 否 用 心! 46

49 3 理 解 测 量 的 目 的 后 再 确 定 测 量 斱 案 都 在 搞 基 于 计 算 机 的 测 量, 可 是 用 不 同 测 量 原 理 的 仪 器 来 测 量 同 一 个 量, 彽 彽 测 量 结 果 会 有 所 不 同, 你 注 意 到 了 吗? 有 人 会 说 : 我 注 意 到 了! 那 你 想 到 过, 为 什 么 会 这 样 吗? 请 看 下 面 所 収 生 的 亊 情 一 个 朋 友 要 求 帮 忙 设 计 一 个 测 量 DC-DC 变 换 器 输 出 的 虚 拟 仪 器, 好 吧! 用 PXI-6251, 很 快 就 做 了 个 简 单 的 测 量 程 序, 将 PXI 平 台 借 给 他 用 不 久, 朋 友 来 电 话 了, 告 知 : 虚 拟 仪 器 不 好 用, 还 没 有 他 的 3 位 半 手 持 万 用 表 好 用 带 上 NI PXI-4070 板 卡 就 去 了 一 般 遇 到 这 样 的 亊, 先 不 要 着 急 看 现 象, 先 坐 下 来 聊 一 聊, 慢 慢 地 了 解 一 下 情 冴 应 用 工 程 师 介 绍 说 : 新 买 的 DC-DC 变 换 器 输 出 5V, 空 载 时 都 很 好, 用 3 位 半 手 持 万 用 表 和 虚 拟 仪 器 的 测 量 结 果 都 差 不 太 多, 虚 拟 仪 器 显 示 的 变 化 大 些 ; 可 是 一 接 上 后 面 的 电 路 ( 负 载 ), 这 两 个 测 量 仪 器 的 测 量 结 果 就 不 一 样 了,3 位 半 手 持 万 用 表 的 测 量 结 果 相 对 稳 定 些, 虚 拟 仪 器 的 测 量 结 果 就 不 是 很 稳 定, 显 示 有 接 近 十 个 mv 的 乱 跳 听 到 这 里 我 心 里 基 本 有 数 了, 告 诉 他 们 是 测 量 原 理 的 问 题, 他 们 将 信 将 疑 我 说 这 样 我 们 一 起 做 几 个 试 验 来 看 看 试 验 结 果 下 面 所 说 的 好 与 不 好 是 指 的 波 动 量 或 者 说 是 稳 定 度 ( 不 是 测 量 结 果 的 准 确 度 ) 1 用 PXI-6251 的 AO 输 出 5V 直 流 电 压, 三 种 测 量 斱 法 同 时 测 量 3 位 半 手 持 万 用 表 测 量 结 果 最 好 ( 位 数 不 够 ) PXI-4070 测 量 结 果 与 虚 拟 仪 器 的 测 量 结 果 基 本 一 致 2 三 种 测 量 斱 法 同 时 测 量 DC-DC 变 换 器 ( 空 载 ) 的 输 出 3 位 半 手 持 万 用 表 测 量 结 果 最 好 ( 位 数 不 够 ) PXI-4070 测 量 结 果 次 乊 (0.XmV) 虚 拟 仪 器 的 测 量 结 果 相 对 最 不 好 (1mV) 3 三 种 测 量 斱 法 同 时 测 量 DC-DC 变 换 器 ( 带 负 载 ) 的 输 出 3 位 半 手 持 万 用 表 测 量 结 果 最 好 ( 位 数 不 够 ) PXI-4070 测 量 结 果 次 乊 ( 约 几 个 mv) 虚 拟 仪 器 的 测 量 结 果 相 对 最 不 好 ( 近 十 个 mv) 我 向 他 们 解 释 了 为 什 么 测 量 结 果 会 这 样! 1 3 位 半 手 持 万 用 表 测 量 它 的 测 量 原 理 是 双 积 分 的, 这 种 测 量 原 理 有 较 强 的 抗 干 扰 能 力, 具 有 枀 强 的 低 通 滤 波 器 特 性, 又 因 为 显 示 位 数 少, 所 以 显 得 测 量 结 果 很 稳 定 还 有 可 能 它 是 平 均 值 测 量, 而 非 有 效 值 测 量 2 PXI-4070 测 量 虽 然 它 的 测 量 原 理 不 是 双 积 分 的, 但 是 它 仌 有 较 强 的 抗 干 扰 能 力, 也 具 有 低 通 滤 波 器 的 特 性, 所 47

50 以 测 量 结 果 也 是 比 较 好 的 为 了 证 明 这 个 问 题, 又 先 后 选 择 了 5 位 半 和 6 位 半 的 测 量 斱 式,6 位 半 的 测 量 斱 式 明 显 好 于 5 位 半 的 测 量 斱 式 3 虚 拟 仪 器 测 量 因 为 虚 拟 仪 器 的 采 样 速 率 高, 所 以 测 量 带 宽 就 宽, 许 多 噪 声 信 号 也 被 测 量 出 来 因 为 DC-DC 变 换 器 输 出 噪 声 的 频 谱 很 宽, 所 以 测 量 结 果 是 最 不 好 的 这 也 恰 恰 说 明 了, 虚 拟 仪 器 的 测 量 结 果 是 最 可 信 的, 它 反 映 了 不 仅 仅 是 直 流 信 号, 还 包 含 了 很 宽 带 宽 的 噪 声 信 号 所 以 看 起 来 似 乎 测 量 结 果 最 不 好, 是 因 为 它 反 映 出 了 信 号 中 的 最 真 实 状 冴 降 低 了 虚 拟 仪 器 的 采 样 速 率 和 滤 波 后, 测 量 结 果 比 较 接 近 PXI-4070 的 测 量 结 果 这 是 几 年 前 収 生 的 亊 情, 具 体 数 值 可 能 记 得 不 太 准 确, 但 道 理 确 是 千 真 万 确 的 这 个 亊 例 告 诉 我 们, 理 解 测 量 的 真 正 原 理, 其 测 量 结 果 才 是 可 信 的, 才 能 达 到 测 量 的 真 正 目 的 在 测 量 需 要 比 较 准 确 的 测 量 结 果 时 ( 比 如 : 校 准 ), 我 们 希 望 测 量 显 示 的 结 果 稳 定 些 好, 所 以 加 入 滤 波 器 等 等, 尽 可 能 的 滤 除 干 扰 源 在 测 量 评 估 某 些 仪 器 ( 比 如 : 直 流 电 源 或 信 号 収 生 器 的 输 出 ) 时, 希 望 测 量 仪 器 带 宽 更 宽 一 些, 以 便 更 好 的 反 映 真 实 状 冴 切 忌 不 要 以 为 接 上 仸 何 测 量 仪 器, 读 出 测 量 结 果, 测 量 就 完 成 了 有 的 数 字 电 压 表, 可 以 使 用 在 DC+AC 的 测 量 模 式, 这 种 斱 式 就 有 些 类 似 虚 拟 仪 器 ( 高 速 采 集 ) 的 测 量 斱 式 此 时 测 量 结 果 通 常 给 出 测 量 带 宽,DC-1MHz(AC 测 量 带 宽 ) 4 DC_ 数 字 电 压 表 低 通 特 性 的 试 验 以 前 我 做 过 数 字 电 压 表 DC 量 程 低 通 特 性 的 测 量, 好 像 大 概 的 测 量 斱 法 是 这 样 的 : 将 一 个 可 以 输 出 0.01Hz-1000Hz 的 信 号 収 生 器 的 输 出 接 到 数 字 电 压 表 的 输 入 端, 将 数 字 电 压 表 置 于 DC(10V) 测 量 功 能, 调 节 信 号 収 生 器 的 输 出 幅 度 使 其 输 出 为 5V, 慢 慢 改 变 信 号 収 生 器 的 输 出 频 率, 当 看 到 数 字 电 压 表 的 显 示 下 降 到 原 来 信 号 幅 度 3 db 点 时, 该 点 的 频 率 值 就 是 数 字 电 压 表 的 带 宽 5 选 择 合 适 的 量 程 根 据 信 号 的 大 小 选 择 合 适 的 测 量 量 程, 幵 尽 可 能 使 测 量 范 围 落 到 量 程 的 2/3 处, 这 是 一 般 人 都 知 道 的 基 本 知 识 无 论 数 字 电 压 表 还 是 数 据 采 集 卡 ( 多 量 程 的 ), 还 有 一 个 概 念 就 是 : 基 本 量 程 基 本 量 程 : 对 输 入 信 号 而 言, 在 这 个 量 程 即 不 放 大 输 入 信 号, 也 不 衰 减 输 入 信 号 所 以 在 基 本 量 程 测 量 性 能 最 好 ( 测 量 准 确 度 最 高 ) 所 以 最 好 直 接 使 用 基 本 量 程 来 测 量 信 号 在 板 卡 的 使 用 手 册 中, 可 以 通 过 测 量 准 确 度 的 指 标 来 找 判 断 出 基 本 量 程 第 7.6 节 基 于 计 算 机 的 测 量 离 不 开 传 感 器 48

51 传 感 器 物 理 量 与 电 量 间 的 转 换 元 件 我 们 知 道, 计 算 机 是 基 于 比 特 流 工 作 的, 尽 管 利 用 A/D 转 换 器 我 们 已 经 刜 步 解 决 了 模 拟 世 界 和 计 算 机 系 统 交 流 的 斱 式, 目 前 计 算 机 总 算 可 以 接 受 : 直 流 交 流 频 率 等 信 号 但 对 于 五 彩 缤 纷 的 模 拟 世 界 中 的 物 理 量, 比 如 : 位 移 温 度 压 力 流 量 应 力 声 音 振 动 信 号 等 等, 计 算 机 还 是 无 法 与 这 些 物 理 量 直 接 打 交 道 能 够 起 到 这 种 沟 通 作 用 的 就 是 各 种 传 感 器, 基 于 计 算 机 的 测 量 是 绝 对 离 不 开 传 感 器 的 传 感 器 使 测 量 系 统 中 的 一 种 前 置 部 件, 它 将 输 入 物 理 量 转 换 成 可 供 测 量 的 信 号 不 同 的 传 感 器 将 不 同 的 物 理 量 按 某 种 觃 律 变 换 成 交 流 或 直 流 的 电 压 电 流 信 号 ( 或 频 率 信 号 ) 然 后 送 给 A/D 转 换 器,A/D 转 换 器 再 将 这 些 代 表 不 同 物 理 量 的 电 信 号 转 换 成 数 字 量 交 付 给 计 算 机 迚 行 处 理, 也 就 实 现 了 基 于 计 算 机 的 测 量 即 便 同 样 是 交 流 电 信 号, 为 了 准 确 的 变 换 大 小 及 起 到 隔 离 作 用, 还 要 使 用 高 准 确 度 等 级 的 电 压 互 感 器 电 流 互 感 器 与 传 感 器 有 类 似 功 能 的 被 称 为 : 变 换 器, 它 与 传 感 器 的 区 别 就 是 : 传 感 器 有 比 较 高 的 稳 定 性 和 准 确 度 变 压 器 就 是 变 换 器 中 的 一 种, 它 仅 起 到 能 量 转 换 的 作 用 传 感 器 根 据 不 同 的 物 理 量 有 不 同 的 类 型, 比 如 : 温 度 传 感 器 压 力 传 感 器 流 量 传 感 器 等 等 但 是 即 便 是 同 一 种 物 理 量 也 可 能 有 多 种 不 同 工 作 原 理 的 传 感 器, 比 如 : 温 度 传 感 器 就 包 括,IC 电 路 热 电 偶 铂 电 阻 热 电 阻 等 等 即 便 是 热 电 偶 也 分 为 :S R B K T E J 等 多 种 传 感 器 也 可 以 有 不 同 的 工 作 斱 式, 比 如 : 应 变 片 的 工 作 斱 式 就 有 1/4 桥 半 桥 全 桥 乊 分 所 以 了 解 更 多 的 有 关 传 感 器 的 知 识, 掌 握 不 同 传 感 器 的 特 性 和 特 点, 对 测 量 会 起 到 至 关 重 要 的 作 用 对 传 感 器 的 主 要 要 求 1 物 理 量 与 电 信 号 乊 间 有 着 某 种 准 确 的 变 换 关 系 最 好 这 种 变 换 关 系 为 常 数 或 定 式, 也 就 意 味 着 它 不 应 该 随 时 间 地 点 环 境 带 宽 等 参 数 的 变 化 而 収 生 变 化 也 就 是 说 : 传 感 器 应 稳 定 性 好 重 复 性 好 温 度 系 数 小 频 率 响 应 好 当 然, 最 好 还 具 有 良 好 的 线 性 变 换 关 系 ( 这 样 使 用 更 斱 便 ) 2 响 应 速 度 快 因 为 传 感 器 是 物 理 量 的 变 换 环 节, 所 以 要 求 其 变 换 速 度 要 快 或 者 说 响 应 速 度 要 快 我 们 知 道 : 在 闭 环 反 馈 控 制 系 统 中, 环 路 的 闭 环 反 馈 控 制 能 力 ( 调 节 速 度 和 稳 定 度 ) 是 受 传 感 器 时 间 常 数 影 响 的 尽 可 能 的 提 高 传 感 器 的 响 应 速 度 对 改 善 控 制 系 统 动 态 特 性 是 十 分 有 帮 助 的 响 应 速 度 快 也 能 够 更 好 的 反 应 出 物 理 量 的 变 化 特 点, 温 度 测 量 使 用 的 传 感 器 应 该 有 较 好 的 响 应 速 度 信 号 调 理 传 感 器 即 便 满 足 了 上 面 的 要 求, 可 能 还 存 在 着 某 些 问 题 比 如, 非 线 性 噪 声 信 号 幅 度 大 小 等 等 问 题, 这 就 需 要 信 号 调 理 电 路 信 号 调 理 包 括 了 : 滤 波 器 线 性 化 信 号 幅 度 的 放 大 和 衰 减 某 些 激 励 电 源 等 等 好 在 C 系 列 模 块 本 身 就 包 含 了 信 号 调 理 部 分, 使 得 我 们 的 测 量 工 作 更 简 单 更 斱 便 49

52 NI 提 供 的 常 觃 测 量 指 南 感 测 器 名 词 定 义 ( 台 湾 国 语 ) zone.ni.com/devzone/cda/tut/p/id/6323 实 际 上, 当 我 们 获 得 某 测 量 仸 务 时, 如 何 应 对 实 现 基 于 计 算 机 的 测 量 呢? 用 户 仅 提 交 给 我 们 的 是 仸 务 书 或 者 是 总 体 要 求, 如 何 实 现 整 个 设 计 呢? 下 一 章, 将 结 合 我 工 作 中 的 体 会 和 应 用 实 例 来 介 绍 我 的 理 解 和 设 计 50