《LabVIEW开发技术丛书》：数据采集编程指南（中篇）

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gsdzone.net/community 数据采集编程指南 中篇 LabVIEW 开发技术丛书

目录 模拟l/O与数字1O 1-12 计数器应用(上 13-18 计数器应用(下) 18-23 定时与触发 23-30

目 录 目 录 模拟 I/O 与数字 I/O 1-12 计数器应用（上） 13-18 计数器应用（下） 18-23 定时与触发 23-30

模拟∥O与数字JO 简介 本期节目介绍测试测量的接线方式,如何使用N数据采集板卡及底层的 DAQmxⅥ来完 成模拟输入输出以及数字输入输出功能。 在介绍具体的模拟O,数字O之前,首先介绍接线方式。 接线方式 对于不同的信号,需要采用不同的接线方式,如图4-1所示。对于接地信号和浮地信号 不同的接线方式将带来不同的测量效果。为了得到正确的测量结果,需要使用正确的连线 方式。 Signal Measurement Source Vs VM System 图4-1信号源与测量系统的接线 确定正确连线方式的步骤分为两步 1.首先要确定信号源种类 2.其次来选择测量系统提供的合适的终端模式 N数采卡上提供了三种不同的终端模式 差分模式:在一个差分测量系统中,仪表放大器的任何一个输入都不是以系统地作 为参考的,如图4-2所示,AGND引脚以及放大器本身是以系统地作为参考的 但两个输入端均不以地作为参考。这里需要注意的是,当我们使用差分方式时,对 于一个输入信号需要使用两个模拟输入通道,于是整个可用通道数就减半了,对 于一个16通道的数据采集设备,处于差分模式下的时候,只能采集8路输入信号 了,输入信号的配对规则如图所示,ACH(N)与ACHN+8)组成一对差分输入通道。 SD

1 模拟 I/O 与数字 I/O 简介 本期节目介绍测试测量的接线方式，如何使用 NI 数据采集板卡及底层的 DAQmx VI 来完 成模拟输入输出以及数字输入输出功能。 在介绍具体的模拟 I/O，数字 I/O 乊前，首先介绍接线方式。 接线方式 对于不同的信号，需要采用不同的接线方式，如图 4-1 所示。对于接地信号和浮地信号， 不同的接线方式将带来不同的测量效果。为了得到正确的测量结果，需要使用正确的连线 方式。 图 4-1 信号源与测量系统的接线 确定正确连线方式的步骤分为两步： 1. 首先要确定信号源种类 2. 其次来选择测量系统提供的合适的终端模式 NI 数采卡上提供了三种不同的终端模式： • 差分模式：在一个差分测量系统中，仪表放大器的任何一个输入都不是以系统地作 为参考的，如图 4-2 所示，AIGND 引脚以及放大器本身是以系统地作为参考的， 但两个输入端均不以地作为参考。这里需要注意的是，当我们使用差分方式时，对 于一个输入信号 需要使用两个模拟输入通道，于是整个可用通道数就减半了， 对 于一个 16 通道的数据采集设备，处于差分模式下的时候，只能采集 8 路输入信号 了，输入信号的配对觃则如图所示， ACH(N)与 ACH(N+8) 组成一对差分输入通道。 Measurement System Signal Source + VS - VM

ACH(n) ACH(n+8) Instrumentation AISENSE Amplifie AIGND 测量系统 图4-2差分模式 举例来说,如果我们想要在通道5上测量模拟输入,那么需要将信号的正端连接到 ACH5并将负端连接到ACH13上,如图4-3所示。既然使用差分的模式会使可用 通道数减半,为什么我们有时仍需要使用这样的测量方式呢?答案是为了获得更好的 测量效果。因为差分模式可以使得放大器有效地抑制共模电压,以及任何与信号混杂 在一起的共模形式噪声,有效提高测量质量。 ACH8 (3468 ACHO ACH1 33 AIGND AIGND 66 ACH9 ACH10 (31 D ACH2 ACH3 330 NS4AIGND AIGND 63 ACH11 ACH4 28 62 TIAISENSE AIGND 2X 61ACH12 ACH13(26 60P ACH5 ACH6 5 AIGND AIGND 2458\ ACH14 ACH15(23 57 D ACH7 图4-3差分输入通道对 参考单端模式(RSE): 个参考单端测量系统以系统地作为参考,信号源的负端是被连接到AGND上的,也 就是说它是被连到系统地上。这种连接的方式使得我们在测量时,对于每个信号只需 GSDzonenet

2 • 图 4-2 差分模式 举例来说，如果我们想要在通道 5 上测量模拟输入，那么需要将信号的正端连接到 ACH5 并将负端连接到 ACH 13 上，如图 4-3 所示。 既然使用差分的模式会使可用 通道数减半，为什么我们有时仍需要使用这样的测量方式呢？ 答案是为了获得更好的 测量效果。 因为差分模式可以使得放大器有效地抑制共模电压，以及任何与信号混杂 在一起的共模形式噪声，有效提高测量质量。 图 4-3 差分输入通道对 • 参考单端模式(RSE)： 一个参考单端测量系统以系统地作为参考，信号源的负端是被连接到 AIGND 上的，也 就是说它是被连到系统地上。这种连接的方式使得我们在测量时，对于每个信号只需 VM ACH (n + 8) + _ Instrumentation Amplifier + _ + _ AISENSE AIGND 测量系统 ACH (n)

要使用一个模拟输入通道,所以,一个16通道的数据采集设备在使用RSE模式时 可以测量16路信号。如果我们想要在模拟输入通道10上测量一个信号,那么只需要 将信号的正端连接到ACH10,负端连接到AGND上。如图4-4所示。 ACH(n) ACH(n+8) Instrumentation AISENSE Amplifie M AIGND 测量系统 图4-4参考单端模式(RSE) 此外,我们的板卡上提供了许多AGND引脚来防止由于输入连线搭接所造成的信号 间串扰,如图4-5所示。尽管RSE的连接模式能够保证通道数的使用效率,但是它无 法抑制共模电压。在某些应用当中,过大的共模电压会造成测量误差甚至毁坏您的设 AcH83468 ACH1 33(67 AIGND AIGND 32 D66 ACH9 ACH103165 0(64 AIGND AIGND 29 D63 ACH11 ACH428 62 AISENSE AIGND 27 D61 ACH12 ACH 2660A ACH 5(59 AIGND AIGND 24 58 ACH14 ACH15 2357 ACH7 图4-5多个AGND防止由于输入连线搭接所造成的信号间串扰 ·非参考单端模式(NRSE) №的数据采集板卡上还提供了一种不同于RSE参考单端的模式,我们称它为NRSE 非参考单端模式,在NRSE模式下,所有的测量同RSE相类似都参考同一个参考点, 但与RSE模式不同的是该参考点的电压值可以调整和变化。如图4-6所示,信号的 GSDzone.net

3 要使用一个模拟输入通道，所以，一个 16 通道的数据采集设备在使用 RSE 模式时， 可以测量 16 路信号。如果我们想要在模拟输入通道 10 上测量一个信号，那么只需要 将信号的正端连接到 ACH10，负端连接到 AIGND 上。如图 4-4 所示。 图 4-4 参考单端模式(RSE) 此外， 我们的板卡上提供了许多 AIGND 引脚来防止由于输入连线搭接所造成的信号 间串扰，如图 4-5 所示。尽管 RSE 的连接模式能够保证通道数的使用效率，但是它无 法抑制共模电压。在某些应用当中，过大的共模电压会造成测量误差甚至毁坏您的设 备。 图 4-5 多个 AIGND 防止由于输入连线搭接所造成的信号间串扰 • 非参考单端模式(NRSE)： NI 的数据采集板卡上还提供了一种不同于 RSE 参考单端的模式，我们称它为 NRSE， 非参考单端模式， 在 NRSE 模式下，所有的测量同 RSE 相类似都参考同一个参考点， 但与 RSE 模式不同的是 该参考点的电压值可以调整和变化。如图 4-6 所示，信号的 VM ACH (n) ACH (n + 8) + _ Instrumentation Amplifier + _ VS + AISENSE AIGND _ 测量系统

负端被连接到 AISENSE引脚上,而 AISENSE并不是以地作为参考的。于是 AISENSE 上的电压是浮地的 ACH ACH (n +8 Instrumentation AISENSE Amplifi AIGND 测量系统 图4-6非参考单端模式(NRSE) 图4-7的引脚图中给出了板上只有一个 AISENSE引脚可供信号连接,因为我们需要确认 每个信号均使用了同样的参考点。与RSE模式相类的是,NRSE模式最大程度地保留了可 用的模拟通道数,但同样无法抑制共模电压。那为什么要使用NRSE呢?我们之后会看到 需要根据信号源的不同来选择不同的终端模式。 ACH834 ACHO AC CH133 AIGND AIGND3266ACH9 ACH10 ACH2 ACH3 30 64 AIGND AIGND 2963 H11 ACH4 28(62 AISENSE AIGND 27 61 ACH12 ACH13[2660]AcH5 ACH62559AIGND AIGND2458ACH14 ACH15 23 57 ACH7 图4-7 AISENSE引脚图 介绍了N产品提供的三种不同终端模式后,我们根据不同的信号源来分析一下应该使用哪 种接线方式。对于接地信号源来说,图4-8中列出了三种模式的优点和缺点。 SD

4 负端被连接到 AISENSE 引脚上，而 AISENSE 并不是以地作为参考的。于是 AISENSE 上的电压是浮地的。 图 4-6 非参考单端模式(NRSE) 图 4-7 的引脚图中给出了板上只有一个 AISENSE 引脚可供信号连接，因为我们需要确认 每个信号均使用了同样的参考点。与 RSE 模式相类的是，NRSE 模式最大程度地保留了可 用的模拟通道数，但同样无法抑制共模电压。 那为什么要使用 NRSE 呢？我们乊后会看到 需要根据信号源的不同来选择不同的终端模式。 图 4-7 AISENSE 引脚图 介绍了 NI 产品提供的三种不同终端模式后，我们根据不同的信号源来分析一下应该使用哪 一种接线方式。对于接地信号源来说，图 4-8 中列出了三种模式的优点和缺点。 VS VM ACH (n + 8) + _ Instrumentation Amplifier + _ + _ AISENSE AIGND 测量系统 ACH (n)

+抑制共模电压 可用通道数减半 接地环路引起误差甚至损坏设备 AISENSE +保证最大的可用通道数 无法抑制共模电压 图4-8对于接地信号三种模式的优点和缺点 1.差分模式( Differential):虽然该模式会使可用通道数减半,但是它具有非常好的 共模电压和共模噪声抑制能力,是不错的选择。 2.其次是参考单端(RSE),对于接地信号,参考单端是不推荐使用的终端模式,因为 接地环路的电势差会造成测量误差,并将交流噪声以及直流偏移量引入到测量系统 当中。除此之外,当信号源正端不小心接到RSE测量系统的AGND上时,还会造 成信号源短路以至于损坏。 3.第三是非参考单端(NRSE,由于测量系统的负端以A| SENSE为参考而不是直接以 地作为参考,对于接地信号,NRSE模式可以保证最大的可用通道数,然而它无法 像差分模式那样抑制共模信号。 也就是说对于接地信号的情况,我们只有差分和NRSE两种模式可选,如果您的剩余 可用通道数足够多的话,首先推荐使用差分模式,如果您想尽可能多地使用模拟输入 通道,那么可以选择NRSE模式。 对于浮地信号,三种终端模式均可以选择,他们的优缺点如图4-9所示,首选推荐差 分模式,在牺牲了通道数的情况下能够提高测量的质量。其次可以使用RSE模式,因 为该方式下,不需要连接偏置电阻。最后才选择NRSE模式。 SD

5 较好 + 抑制共模电压 - 可用通道数减半 不推荐 - 接地环路引起误差甚至损坏设备 好 + 保证最大的可用通道数 - 无法抑制共模电压 图 4-8 对于接地信号 三种模式的优点和缺点 1. 差分模式（Differential）：虽然该模式会使可用通道数减半，但是它具有非常好的 共模电压和共模噪声抑制能力，是不错的选择。 2. 其次是参考单端(RSE)，对于接地信号，参考单端是不推荐使用的终端模式，因为 接地环路的电势差会造成测量误差，并将交流噪声以及直流偏移量引入到测量系统 当中。除此乊外，当信号源正端不小心接到 RSE 测量系统的 AIGND 上时，还会造 成信号源短路以至于损坏。 3. 第三是非参考单端(NRSE)，由于测量系统的负端以 AISENSE 为参考而不是直接以 地作为参考，对于接地信号，NRSE 模式可以保证最大的可用通道数，然而它无法 像差分模式那样抑制共模信号。 也就是说对于接地信号的情冴，我们只有差分和 NRSE 两种模式可选，如果您的剩余 可用通道数足够多的话，首先推荐使用差分模式，如果您想尽可能多地使用模拟输入 通道，那么可以选择 NRSE 模式。 对于浮地信号，三种终端模式均可以选择，他们的优缺点如图 4-9 所示，首选推荐差 分模式，在牺牲了通道数的情冴下能够提高测量的质量。 其次可以使用 RSE 模式，因 为该方式下，不需要连接偏置电阻。 最后才选择 NRSE 模式。 R S E Differenti al

最佳 +抑制共模电压 可用通道数减半 -需要偏置电阻 较好 AGND」 保证最大的可用通道数 +无需偏置电阻 无法抑制共模电压 好 +保证最大的可用通道数 需要偏置电阻 LM 无法抑制共模电压 AIGND 图4-9对于浮地信号三种模式的优点和缺点 在差分和NRSE模式下,需要为仪表放大器连接对地回路的偏置电阻,对于DC信号只需 要连接负端到地,而对于AC信号则需要在信号输入端各连接一个偏置电阻,偏置电阻的 大小取决于信号源的阻抗大小,典型值在10k到100k欧姆之间 模拟输入 使用 DAOmX底层Ⅵ进行数据采集: E.Data Acquis.-ox TQsearchom m匹mg/÷pm DA0mx pAo mx DAQmx DAomx pAomx 图4-10 DAQmx数据采集子选板 我们看到的所有的DAQm底层驱动Ⅵ都能在测量WO选版下的 DAQmx子选版下找到 包括了MO端口,创建通道,读取,写入,定时,触发等等。如图4-10所示。 SD

6 最佳 +抑制共模电压 -可用通道数减半 -需要偏置电阻 较好 +保证最大的可用通道数 + 无需偏置电阻 -无法抑制共模电压 好 +保证最大的可用通道数 -需要偏置电阻 -无法抑制共模电压 图 4-9 对于浮地信号 三种模式的优点和缺点 在差分和 NRSE 模式下，需要为仪表放大器连接对地回路的偏置电阻，对于 DC 信号只需 要连接负端到地，而对于 AC 信号则需要在信号输入端各连接一个偏置电阻，偏置电阻的 大小取决于信号源的阻抗大小，典型值在 10 k 到 100 k 欧姆乊间。 二．模拟输入 使用 DAQmx 底层 VI 迚行数据采集： 图 4-10 DAQmx 数据采集子选板 我们看到的所有的 DAQmx 底层驱动 VI 都能在测量 I/O 选版下的 DAQmx 子选版下找到 包括了 I/O 端口，创建通道，读取，写入，定时，触发等等。如图 4-10 所示

对于通道,MO,定时,触发等底层设置都有各自的属性节点,在您的数据采集编程当中 所需要的绝大多数功能组件都位于函数图标下,由于这些函数都是多态的,普通 DAQmx 函数的接线端无法一次性容纳所有可能的输入输出设置。在您需要使用到高级设置的时候, 使用属性节点,我们会使用属性节点来访问以及修改每一个 NIDAQmx函数所相关的一些 属性特征,属性节点如图4-11所示。 国 DAQmx- Data Acquis.- 个98 15[H t cccllxccvt DAQmxDAQmx DAQmxDAQmx DAQ 图4-11属性节点 下面我们依次了解一下各个底层 DAOmxⅥ的详细功能 1.创建虚拟通道函数: 通过给出所需的目标通道名称以及物理通道连接,用来在程序中创建一个通道。 图4-12中选择了创建一个热电偶输入通道 hysical channels DAQmx Create Virtual Channel, vi name to assign error out abc √ Analog Input Analog Output √ Thermocouple igital Input Current RTD Digital Output Resistance Thermistor Counter Output More 图4-12创建虚拟通道 您在MAX当中创建通道时进行的相同的设置在这个函数中均会得到设置。 当程序操作员需要经常更换物理通道连接设置而非其他诸如终端配置或自定义缩放设置的 时候,这个创建虚拟通道Ⅵ就非常有用了。 SD

7 对于通道， I/O， 定时，触发等底层设置都有各自的属性节点，在您的数据采集编程当中 所需要的绝大多数功能组件都位于函数图标下，由于这些函数都是多态的，普通 DAQmx 函数的接线端无法一次性容纳所有可能的输入输出设置。 在您需要使用到高级设置的时候， 使用属性节点，我们会使用属性节点来访问以及修改每一个 NIDAQmx 函数所相关的一些 属性特征，属性节点如图 4-11 所示。 图 4-11 属性节点 下面我们依次了解一下各个底层 DAQmx VI 的详细功能 1. 创建虚拟通道函数： 通过给出所需的目标通道名称以及物理通道连接，用来在程序中创建一个通道。 图 4-12 中选择了创建一个热电偶输入通道。 图 4-12 创建虚拟通道 您在 MAX 当中创建通道时迚行的相同的设置在这个函数中均会得到设置。 当程序操作员需要经常更换物理通道连接设置而非其他诸如终端配置或自定义缩放设置的 时候，这个创建虚拟通道 VI 就非常有用了

物理通道下拉菜单被用来指定DAQ板卡的设备号以及实际连接信号的物理通道。 通道属性节点是创建虚拟通道函数的功能扩展,允许您在程序当中动态改变虚拟通道的设 置。举例来说,对于一组测试我们可用通过它来对一个通道设置一个自定义缩放 之后在对另一组进行测试时可以通过属性节点改变自定义缩放的值。 2.定时设定V DAQmx定时Ⅵ配置了任务、通道的采样定时以及采样模式,并在必要时自动创建相应的 缓存。如图4-13所示。这个多态Ⅵ的实例与任务中使用到的定时类型相关联,包括了 采样时钟,数字握手,隐式(设置持续时间而非定时)或波形(使用波形数据类型中的 DT元素来确定采样率)等实例。类似的定时属性节点允许您进行高级的定时属性配置。 amples per channel ample mode Finite Samples￥ ask/channels inDAQmx Timing, vi error out rate DBLN V Sample Clock (Analog Counter) Handshaking( Digital) Implicit( Counter) Use Waveform(Analog Output 图4-13 DAQmx定时Ⅵ 3. DAQmx触发设定Ⅵ DAQmx触发Ⅵ配置了任务、通道的触发设置。如图4-14所示。这个多态Ⅵ的实例包 括了触发类型的设置,数字边沿开始触发模拟边沿开始触发,模拟窗开始触发,数字 边沿参考触发,模拟边沿参考触发或是模拟窗口参考触发等等。 同样的我们会使用触发属性节点来配置更多高级的触发设置 taskchannels in DAQmx Trigger. vi None Reference )/ Digital Edge More Analog Edge Analog Window 图4-14触发设定Ⅵ 4. DAQmx读取Vl DAQmx读取Ⅵ从特定的任务或者通道当中读取数据,如图4-15所示,这个Ⅵ的多态实 例会指出Ⅵ所返回的数据类型,包括一次读取一个单点采样还是读取多点采样,以及从 单通道读取还是从多通道中读取数据 其相应的属性节点可以设置偏置波形属性以及获取当前可用采样数等数据 GSDzone.net

8 物理通道下拉菜单被用来指定 DAQ 板卡的设备号以及实际连接信号的物理通道。 通道属性节点是创建虚拟通道函数的功能扩展，允许您在程序当中动态改变虚拟通道的设 置。 举例来说，对于一组测试我们可用通过它来对一个通道设置一个自定义缩放 乊后 在对另一组迚行测试时可以通过属性节点改变自定义缩放的值。 2. 定时设定 VI DAQmx 定时 VI 配置了任务、通道的采样定时以及采样模式，并在必要时自动创建相应的 缓存。如图 4-13 所示。 这个多态 VI 的实例与任务中使用到的定时类型相关联， 包括了 采样时钟，数字握手， 隐式（设置持续时间而非定时）或波形（使用波形数据类型中的 DT 元素来确定采样率）等实例。类似的定时属性节点允许您迚行高级的定时属性配置。 图 4-13 DAQmx 定时 VI 3. DAQmx 触发设定 VI DAQmx 触发 VI 配置了任务、通道的触发设置。如图 4-14 所示。 这个多态 VI 的实例包 括了触发类型的设置， 数字边沿开始触发 模拟边沿开始触发， 模拟窗开始触发， 数字 边沿参考触发，模拟边沿参考触发或是模拟窗口参考触发等等。 同样的 我们会使用触发属性节点来配置更多高级的触发设置 图 4-14 触发设定 VI 4. DAQmx 读取 VI DAQmx 读取 VI 从特定的任务或者通道当中读取数据，如图 4-15 所示，这个 VI 的多态实 例会指出 VI 所返回的数据类型， 包括一次读取一个单点采样还是读取多点采样，以及从 单通道读取还是从多通道中读取数据 其相应的属性节点可以设置 偏置 波形属性 以及获取当前可用采样数等数据