基于elvis光电池照度计学士论文.doc

北方民族大学学士学位论文 基于ELVIS光电池照度计设计北方民族大学学士学位论文 论文题目:基于ELVIS光电池照度计设计系(部)名 称: 电气信息工程学院 学 生 姓 名: 葛 良 均 专 业: 测控技术与仪器 学 号: 20070028 指导教师姓名: 盛 洪 江 论文提交时间: 2011年5月 21日 论文答辩时间: 2011年5月 28日 学位授予时间: 北方民族大学教务处制摘 要 虚拟仪器() 是计算机技术和传统的仪器仪表技术相结合的产物,是仪器发展的一个重要方向。与传统仪器技术不同，虚拟仪器技术指在包含数据采集设备的通用计算机平台上，根据需要可以高效率地构建起形形色色的测量系统。对大多数用户而言，主要的工作变成了软件设计。 LabVIEW是一个基于图形化编程语言的虚拟仪器软件开发工具，本文阐明了运用LabVIEW图形化编程语言开发虚拟照度计的设计过程。它是利用硅光电池将接收到的光信号转换成电信号，然后利用AD转换器将输入的模拟电压信号转化成数字信号，再将采集到的数字信号送到设计好的虚拟照度计中进行运算处理后显示。通过显示的电压和对应采集的标准照度进行数据标定，再经过最小二乘法对两组数据进行直线拟合，通过拟合的数值进行反求照度就达到了测量照度的目的。关键词 ：LabVIEW,照度计,数据采集ABSTRACTVirtual instrument (VI) is the combination of the computer technology and the traditional instruments technology, is an important direction in the development of instrument. With traditional instruments, the virtual instrument technology means thaton the general-purpose computer platform which contains data acquisition device, according to needs, you can construct various measurement system efficiently. For most users, the main work is a software design. LabVIEW is a programming language based graphical of virtual instrument software development tools, this paper expounds LabVIEW graphical programming language used to develop virtual design of the digital filter process. Silicon pv changes the optical signal into the electronic signa1The analogy voltage is changed to digital one by the AD(analog to digita1)converter.Then sent the collected digital signal to the virtual illuminance meter for operational treatment display. By displaying the voltage and the corresponding data collected by calibrated standard illumination, go through the least square method linear fit two sets of data, Values by fitting an anti-seeking illumination illumination to achieve the purpose of measurement.朗读显示对应的拉丁字符的拼音KEY WORDS: LabVIEW，Illuminance meter ，Data Acquisition目录第1章 照度计及虚拟仪器概述21.1照度的定义21.2 照度计的作用21.3 虚拟仪器简介31.4 虚拟仪器的发展41.5 虚拟仪器与传统仪器比较51.6 虚拟仪器方案61.7 LabVIEW简介71.8 用LabVIEW设计虚拟仪器的步骤81.9 本章小结8第2章 光电池92.1 光电池简介92.2 硅光电池的基本结构92.3 硅光电池的工作原理102.4 硅光电池的特性参数102.5 本章小结12第3章 数据采集133.1 数据采集系统的基本组成133.2 数据采集系统的主要性能指标153.3 数据采集原理163.4 采样定理163.5 NI ELVIS 原型设计面板163.6 高速率M系列PCI-6251183.7本章小结19第4章 系统设计204.1 设计的要求204.2 前面板的设计204.3 后面板的设计224.4 程序调试244.4 本章小结26第5章 数据处理275.1 照度计的标定275.2 标定数据的处理275.3 本章小结31结 束 语32致 谢33参考文献34附录1基于ELVIS的光电池照度计最后运行结果图35附录2基于ELVIS的光电池照度计最后运行程序框图36附录3 硬件连接图37附录4英文原文38附录5中文译文4550第 页前 言仪器是人类认识世界的基本工具，也是信息社会人们获取信息的主要手段之一。随着信息时代和网络时代的来临，传统仪器已不能满足科技以及社会生产的需要。仪器已不再是简单的机械或电子设备，而是融合了机械、电子、光学、计算机、材料化学、物理学、化学、生物学、系统工程等学科和先进制造技术的一门综合性技术。近年来，伴随着计算机技术、软件技术和总线技术的迅猛发展，仪器以及自动测试技术也发生了革命性的变化。1987年，VXI总线的诞生标志着仪器与自动测试技术发展进入了一个崭新的阶段，虚拟仪器的概念也深入人心，应用领域不断拓展。本文从理论上简单介绍了虚拟仪器设计技术，并用软件LabVIEW 实现了简单的照度计。基于ELVIS的光电池照度计设计是在ELVIS数据采集的平台上，利用LabVIEW的开发平台对光照度计的设计，它具有开发简单，开发周期短，价格便宜等特点。我对虚拟仪器的研究仅是一个开端，希望能为以后的研究工作做一些铺垫工作。第1章 照度计及虚拟仪器概述1.1照度的定义 入射到单位面积上的光通量称为照度9。即 照度的单位为lx（勒克斯），1lm的光通量均匀分布在1平方米的平面上所产生的照度为1lx。 光通量的定义为：式中：为光通量，单位lm 为比例系数，683lm/W； 为辐通量，W；从定义可见，辐通量为1W，波长等于555nm的绿光的光通量（即视觉感受）为683lm，即1lm的光通量所相当的瓦特数为（对波长为555nm而言）。对其他波长，1lm光通量所相当的瓦特数都大于。1.2 照度计的作用 照度与人们的生活有着密切的关系。充足的光照，可防止人们免遭意外事故的发生。反之，过暗的光线可引起人体疲劳的程度远远超过眼睛的本身。因此，不适或较差的照明条件是造成事故和疲劳的主要原因之一。现有统计资料表明，在所有职业劳动的事故中约有30是直接或间接因光线不足所造成的。对体育场（馆）的光照要求是非常严格的，光照过强或过暗都会影响比赛的效果。 那么，人们居住的室内对照度的卫生学要求是如何呢？照度是在卫生学中一项十分重要的指标。光是指能引起人眼睛光亮感觉的电磁辐射，当光线进入眼睛后可产生的知觉称为视觉。人们所见的光是指可见光，其波长范围在380760nm（纳米）之间。 目前采光可分为自然采光和人工光源两大类。自然采光是指室内和地区的天然照度，有直接的日光照散射光和周围物体的反射光，常用采光系数和自然照度表示。而采光系数是指采光口的有效面积与室内地面面积之比。一般住宅的采光系数在之间，居住面积比在之间（窗面积室内地面面积）。自然照度系数是用于评价自然光的照度水平。它是反映室内的和同时从室外来的光照射关系。也反映出当地光气候（自然光能源和气候的阳光照度指标的总和）。为保障人们在适宜的光照下生活，我国制定了有关室内（包括公共场所）照度的卫生标准。如在公共场所商场（店）的照度卫生标准100Lx；图书馆、博物馆、美术馆、展览馆台面照度的卫生标准100Lx；公共浴室照度卫生标准50Lx；浴室（淋、池、盆浴）30Lx，桑那浴室30Lx.国外有关室内照度的标准，如德国推荐几种额定光强，办公室包括文书工作区为300Lx，打字，绘图工作为750Lx；在工厂，生产线上的视觉工作的照度要求为1000Lx；酒店、公共房间为200Lx；接待点、出纳柜为200Lx；商店的橱窗为15002000Lx；医院病房为150200Lx，紧急治疗区为500Lx；学校、教室为400700Lx；食堂、室内健身房为300Lx等。对于照度大小的测量方法，一般用照度计测量。照度计可测出不同波长的强度（如对可见光波段和紫外线波段的测量），可向人们提供准确的测量结果。总之，照度与人体健康，尤其是对眼睛的保健有着极其重要的卫生学意义8。1.3 虚拟仪器简介 虚拟仪器技术就是利用高性能的模块化硬件，结合高效灵活的软件来完成各种测试、测量和自动化的应用。自1986年问世以来，世界各国的工程师和科学家们都已将NI LabVIEW图形化开发工具用于产品设计周期的各个环节，从而改善了产品质量、缩短了产品投放市场的时间，并提高了产品开发和生产效率。使用集成化的虚拟仪器环境与现实世界的信号相连，分析数据以获取实用信息，共享信息成果，有助于在较大范围内提高生产效率。虚拟仪器提供的各种工具能满足我们任何项目需要。20年来，无论是初学乍用的新手还是经验丰富的程序开发人员，虚拟仪器在各种不同的工程应用和行业的测量及控制的用户中广受欢迎，这都归功于其直观化的图形编程语言。虚拟仪器的图形化数据流语言和程序框图能自然地显示您的数据流，同时地图化的用户界面直观地显示数据，使我们能够轻松地查看、修改数据或控制输入。美国国家仪器公司NI（NationalInstruments）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。IO部件可以是独立仪器、模块化仪器、数据采集板（DAQ）或传感器。NI所拥有的虚拟仪器产品包括软件产品（如LabVIEW）、GPIB产品、数据采集产品、信号处理产品、图像采集产品、DSP产品和VXI控制产品等。同其他技术相比虚拟仪器技术具有性能高，拓展性强，开发时间少，无缝集成四大优势2。1.4 虚拟仪器的发展虚拟仪器的起源可以追朔到20世纪70年代，那时计算机测控系统在国防、航天等领域已经有了相当的发展。PC机出现以后，仪器级的计算机化成为可能，甚至在Microsoft公司的Windows诞生之前，NI公司已经在Macintosh计算机上推出了LabVIEW2.0以前的版本。对虚拟仪器和LabVIEW长期、系统、有效的研究开发使得该公司成为业界公认的权威。虚拟仪器从概念的提出到目前技术的日趋成熟，体现了计算机技术对传统工业的革命。大致说来，虚拟仪器发展至今，可以分为三个阶段，而这三个阶段又可以说是同步进行的。 第一阶段，利用计算机增强传统仪器的功能。由于GPIB总线标准的确立，计算机和外界通信成为可能，只需要把传统仪器通过GPIB和RS-232同计算机连接起来，用户就可以用计算机控制仪器。随着计算机系统性能价格比的不断上升，用计算机控制测控仪器成为一种趋势。这一阶段虚拟仪器的发展几乎是直线前进。第二阶段，开放式的仪器构成。仪器硬件上出现了两大技术进步：一是插入式计算机数据处理卡 ( plug-in PC-DAQ )；二是VXI仪器总线标准的确立。这些新的技术使仪器的构成得以开放，消除了第一阶段内在的由用户定义和供应商定义仪器功能的区别。第三阶段，虚拟仪器框架得到了广泛认同和采用。软件领域面向对象技术把任何用户构建虚拟仪器需要知道的东西封装起来。许多行业标准在硬件和软件领域以产生，几个虚拟仪器平台已经得到认可并逐渐成为虚拟仪器行业的标准工具。发展到这一阶段，人们也认识到了虚拟仪器软件框架才是数据采集和仪器控制系统实现自动化的关键。1.5 虚拟仪器与传统仪器比较 传统的电子测量仪器如示波器、电压表、频率计、信号源等，是由专业厂家生产的具有特定功能和外观的测试设备，其共同特点是仪器由厂商制造，具有固定不变的操作面板，采用固化了的系统软件，采用固定不变的硬件电子线路和专用的接口器件，而且功能固定，如前面板有旋钮开关等，在机箱内部有A/D转换器、信号调节器、微处理器、存储器和公共总线等特定电路对真实信号进行转换、分析，再把结果提供给用户，因此，其系统封闭，拓展性能差，用户只能用单台仪器完成单一的或固定的测试工作。 虚拟仪器则是一个全新的仪器概念，它通过选取基本的测试硬件模块，利用软件构造出不针对具体测试对象的仪器。例如，它可以是示波器，也可以是信号发生器，或者同时是具有两种功能的仪器。人们通过鼠标或键盘操作虚拟仪器面板上的旋钮、开关、按键等选用仪器功能，设置各种参数，启动或停止一台仪器的工作。虚拟仪器实现了测量仪器的智能化，多样化，模块化，即在相同的硬件平台下，虚拟仪器完全由用户自己定义，通过不同的软件就可以实现功能完全不同的测试仪器。表1-1为虚拟仪器与传统仪器的比较。 从传统仪器向虚拟仪器的转变，用户可以用较少的资金，较少的系统开发和维护费用，用比过去更少的时间开发出功能更强，质量更可靠的产品和系统。因此，基于虚拟仪器技术创建个性化的仪器是完全可能和具有广阔生命力的。表1-1虚拟仪器和传统仪器的比较虚拟仪器传统仪器功能由用户自己定义功能由生产厂商定义可方便地与网络外设连接与其他仪器设备的连接有限基于软件体系，开发和维护费用低开发和维护费用高技术更新周期短（0.51年）技术更新周期长（510年）软件是关键硬件是关键价格较低价格较高开放灵活与计算机同步，可重配置和使用固定自己编程硬件，二次开发强无法自己编程硬件，二次开发差无限的显示选项有限的显示选项完整的时间记录和测试说明部分具有时间记录和测试说明自动化的测试过程测试部分自动化1.6 虚拟仪器方案下面的框图反映了常见的虚拟仪器方案。被测对象信号调理数据处理数据采集卡虚拟仪器面板图11 虚拟仪器方案 图11是本文所采用的虚拟仪器总框图,其中硬件部分为DAQ板卡,软件部分包括仪器驱动程序以及用LabVIEW编写的应用程序。 从构成要素讲，VI系统是由计算机、应用软件和仪器硬件组成的；从构成方式讲，则有以DAQ板和信号调理为仪器硬件而组成的PC-DAQ测试系统，以GPIB、VXI、Serial和Fieldbus等标准总线仪器为硬件组成的GPIB系统、VXI系统、串口系统和现场总线系统等多种形式。无论哪种VI系统，都是将仪器硬件搭载到笔记本电脑、台式PC或工作站等各种计算机平台加上应用软件而构成的。因此，VI的发展已经完全跟上计算机技术的发展步伐，同时也显示出VI的灵活性与强大生命力。1.7 LabVIEW简介LabVIEW (laboratory virtual instrument engineering wokbench实验室虚拟仪器工程平台)的概念,是直观的前面板与流程图式的编程方法的结合,是构建虚拟仪器的理想工具。LabVIEW和仪器系统的数据采集、分析、显示部分一起协调工作, 是简化了而又更易于使用的基于图形化编程语言G的开发环境。前面板是一个传统的仪器概念,而软件前面板其实是自动化的拓展,因为它们保持了传统直观的视觉和感觉效果。同时,软件前面板创建了一个真正的接口,无论用户使用什么类型的硬件,并且,不像硬件前面板,软件前面板只包含了对于一个应用场合很重要的参数,用户能够很容易地从一个单一前面板控制多台,并把整个系统作为一台虚拟仪器来看待。流程图式的程序设计与科技工程人员较为熟悉的数据流和方块图的概念是一致的,而且由于流程图与传统程序设计语言的语法细节无关,构建和测试程序就可以少费时间。使用流程图方法可以实现内部的自我复制,采用前面板、流程图、图标等,用户就对整个系统实现图形化描述,同时,用户还能够重用虚拟仪器,可以随时改变虚拟仪器来满足自己的需要。LabVIEW集成了很多仪器硬件库,如GPIB/VXI/PXI/基于计算机的仪器、RS232/485协议、插入式数据采集、模拟/数字/计数器/、信号调理、分布式数据采集、图像获取和机器视觉、运动控制、PLC/数据日志等。与传统的编程方式相比,使用LabVIEW设计虚拟仪器,可以提高效率410倍。同时,利用其模块化和递归方式,用户可以在很短的时间内构建、设计和更改自己的虚拟仪器系统。所有的LabVIEW应用程序，即虚拟仪器（VI），它包括前面板（front panel）、流程图（block diagram）以及图标/连结器(icon/connector)三部分。1.8 用LabVIEW设计虚拟仪器的步骤LabVIEW编程一般要经过以下几个步骤。1、总体设计：根据用户需求，进行VI总体结构设计，确定面板布局与程序流程，并保证所使用的虚拟仪器硬件在LabVIEW函数库中有相应的驱动程序。2、前面板设计：在LabVIEW的前面板编辑窗口内，利用工具模板和控件模板进行VI前面板的设计。3、方框图编程：在LabVIEW的方框图编辑窗口内，利用工具模板和函数模板进行方框图编程。4、程序调试：单击前面板编辑窗口或方框图编辑窗口工具条中的运行按钮，执行VI程序；同时可利用LabVIEW工具模板中的断点工具和探针工具调试缩编程序。1.9 本章小结 本章主要介绍了照度的定义、照度计在日常生活中的作用以及虚拟仪器的简介、特点、发展和与常规仪器的比较。通过本章可以很好的了解虚拟仪器和照度计，也了解了LabVIEW和常见的虚拟仪器设计步骤。第2章 光电池2.1 光电池简介光电池是一种不需要加偏压就能把光能直接转换成电能的P-N结光电器件，按光电池的用途可分为两大类：太阳能光电池和测量光电池。5太阳能光电池主要用于做向负载提供电源，对它的主要要求是转换效率高、成本低，由于它具有体积小、重量轻、可靠性高、寿命长等特点，因而不仅成为航天工业上的重要电源，还被广泛用于供电困难的场所和人们的日常便携电器中。测量光电池的主要功能是作为光电探测用，即在不加偏置的情况下将光信号转变成电信号，对它的要求是线性范围宽、灵敏度高、光谱响应合适、稳定性好、寿命长，它被广泛应用于在光度、色度、光学精密计量和测试设备中。光电池的基本结构就是一个p-n结，由于制作p-n结的材料不同，目前有硒光电池、硅光电池、砷化镓光电池和锗光电池四大类，本章主要介绍测量光电池的硅光电池78。2.2 硅光电池的基本结构硅光电池按照基底材料不同分为2DR型和2CR型，图2-1为2DR型硅光电池的结构，它是以P型硅作基底（在本征型材料中掺入三价元素硼、镓等），然后在基底上扩散磷而形成n型并作为受光面。2CR型光电池则是以n型硅作基底（在本征型硅材料中掺入五价元素磷、砷等），然后在基底上扩散磷而形成p型并作为受光面。构成p-n结后，再经过各种工艺处理，分别在基底和光敏面上制作输出电极，涂上二氧化硅作保护膜，即成光电池。图2-1 硅光电池的结构2.3 硅光电池的工作原理 硅光电池的工作原理与光照p-n结开路状态时的物理过程相同，它的主要功能是在不加偏置的情况下能将光信号转变成电信号。硅光电池的工作原理示意图如下图所示。图2-2 光电池的工作原理示意图 2.4 硅光电池的特性参数 1、光照特性8 光电池的光照特性主要有伏安特性、照度电流电压特性和照度负载特性。 硅光电池的伏安特性，表示输出电流和电压随负载电阻变化的曲线。伏安特性曲线是在某一光照度下（或光通量），取不同的负载电阻值所测得的输出电流和电压画成的曲线。它的光照特性如图2-3：图2-3 硅光电池伏安特性曲线 光电池的短路光电流与入射光照度成正比，而开路电压与光照度的对数成正比，如图2-4所示。图2-4 硅光电池的、与照度的关系2、光谱特性8 一般硅光电池的光谱响应特性表示在入射光能量保持一定的条件下，光电池所产生的短路电流与入射光波长之间的关系。一般用相对响应表示，器件的长波限取决于材料的禁带宽度，短波则受材料表面反射损失的限制，其峰值不仅与材料有关，而且随制造工艺及使用环境不同而有所不同。3、 频率特性9 对于结型光电器件，由于载流子在p-n结区内的扩散、飘移、产生与复合都要有一定的时间，所以当光照变化很快时，光电流就滞后于光照变化。对于矩形脉冲光照，可以用光电流上升时间和下降时间来表征光电流滞后于光照的程度，国内生产的几种2CR型硅光电池时间响应见表2-1。由表中看出：要得到短的响应时间，必须选用小的负载电阻RL；光电池的面积越大则响应时间越大，因为光电池面积越大则结电容越大，在给负载时，时间常数就越大，故要求短的响应时间，必须选用小面积光电池。表2-1 国内生产的几种2CR型硅光电池时间响应型号面积/mm负载 =100 负载 =500 负载 =1000 /us/us/us/us/us/us2CR215*51515202025252CR4110*101517354060702CR4110*2030406080150150 负载越大时频率特性变差，减小负载可以减小时间常数、提高频响。但是负载电阻的减小会使输出电压降低，实际使用时视具体要求而定。 总体来说，由于硅光电池光敏面大，结电容大，频响较低。为了提高频响，光电池可在光电导模式下使用。 4、温度特性9 光电池的温度特性曲线主要指光照光电池时开路电压与短路电流随温度变化的情况，在室温（2530度）下，开路电压具有负温度系数，即随温度的升高开路电压值反而减小，短路电流具有正温度系数，即随着温度的升高，短路电流值增大。 当光电池受强光照射时，可能会因为晶格受到破坏而导致器件损坏，因而光电池作为探测器使用时，为保证测量精度应考虑温度变化对它的影响。2.5 本章小结本章主要介绍了光电池的结构、分类、工作原理以及它的一些光电特性。通过它的光电特性可以很好的利用它的特性来设计照度计。第3章 数据采集 数据采集就是将被测对象（外部世界、现场）的各种参量（可以是物理量，也可以是化学量、生物量等）通过各种传感元件做适当转换后，再经信号调理、采样、量化、编码、传输等步骤，最后送到计算机进行数据处理或存储记录的过程。用于数据采集的成套设备称为数据采集系统，它是虚拟仪器与外部世界联系的桥梁，是获取信息的重要途径。3.1 数据采集系统的基本组成数据采集系统框图如图2-1所示，它的输入信号分为模拟信号和数字信号两类。模拟信号由模拟类的传感器输出的信号经调理后等到，数字信号则由数字类传感器输出的数字信号或开关信号得到10。图3-1 数据采集系统框图传感器的作用是把非电量转变为电量（如电压、电流或频率），通常把传感器输出到A/D转换器输出的这一段信号通道称为模拟信号。放大器用来放大和缓冲输入信号。由于传感器输出的信号较小，因此需要加以放大，以满足大多数A/D转换器的满量程输入的要求。此外，某些传感器内阻比较大，输出功率较小，这样放大器还起到了阻抗变换器的作用来缓冲输入信号。由于各类传感器输出信号的情况各不相同，所以放大器的种类也很复杂。本设计主要才用的是集成反向放大器，电路图如下：图3-2 放大电路传感器和电路中的器件常会产生噪声，人为的发射源也可以通过各种耦合渠道使信号通道感染上噪声，例如，工频信号可以成为一种人为的干扰源。这种噪声可以用滤波器来衰减，以提高模拟输入信号的信噪比。本设计采用的是一阶有源低通滤波器8。如图3-3：图3-3 一阶有源低通滤波器在数据采集系统中，往往对多个物理量进行采集，即所谓多路巡回检测，这可通过多路模拟开关来实现。多路模拟开关之后是模拟通道的转换部分，它包括采样/保持和A/D转换电路。采样/保持电路的作用是快速拾取多路模拟开关输出的子样脉冲，并保持幅值恒定，以提高A/D转换器的精度，如果把采样/保持电路多路模拟开关之前（每道一个），还可以实现对瞬时信号进行同步采样。采样/保持器输出的信号送至模数转换器，模数转换器是模拟输入通道的关键电路。由于输入信号变化速度不同，系统对分辨力、精度、转换速率及成本的要求也不同，所以A/D转换器种类也较多，早期的采样/保持器和模数转换器需要数据采集系统设计人员自行设计，目前普遍采用单片集成电路，有的单片A/D转换器内还包含有采样/保持电路、基准电源和接口电路，这为系统设计提供了较大方便。3.2 数据采集系统的主要性能指标 数据采集系统的性能指标和具体应用目的与应用环境密切相关，以下给出的是主要和常用的几个指标的含义8。（1） 系统分辨率 是指数据采集系统可以分辨的输入信号最小变化量。通常用最低有效位（LSB）占系统满度信号的百分比表示，或用系统可分辨的实际电压数值来表示，有时也用满度信号可以分的级数来表示。（2） 系统精度 是指系统工作在额定采集速率下，每个离散子样的转换精度。模数转换器的精度是指系统精度的极限值。实际的情况是，系统精度达不到模数转换器的精度，这是因为系统精度取决于系统的各个环节（部件）的精度。这里还应注意系统精度与系统分辨率的区别，系统精度是系统的实际输出值与理论输出值之差，它是系统各项误差的总和，通常表示为满度值的百分数。（3）采集速率又称为系统通过速率、吞吐率等，是指在满足系统精度指标的前提下，系统对输入模拟信号在单位时间内所完成的采集次数，或者说是系统每个通道。每秒钟可采集的子样数目，这里所说的“采集”包括对被测物理量进行采样、量化、编码、传输、存储等的全部过程。在时间域上，与采集速率对应的指标是采样周期，它是采样速率的倒数，它表示了系统每采集一个有效数据所需的时间。（4）动态范围 是指每个物理量的变化范围。信号的动态范围是指信号的最大幅值和最小幅值之比的分贝数，数据采集系统的动态范围通常定义为所允许输入的最大幅值与最小幅值之比的分贝数。（5）非线性失真 也称谐波失真，即当给系统输入一个频率为f的正弦波时，其输出中出现很多频率kf（k为正整数）的新的频率分量的现象，称为非线性失真。谐波失真系数用来衡量系统产生非线性失真的程度。3.3 数据采集原理将连续的模拟信号转换成计算机可以接受的离散数字信号，需要两个环节：首先是采样，由连续模拟信号得到离散信号；然后再通过A/D转换，变为数字信号。3.4 采样定理香农采样定理：对一个有限频谱（）的连续信号，当采样频率时，采样函数才能不失真地恢复到原来的连续信号。采样定理为设计数据采集系统时确定采样频率奠定了理论基础，采样定理所规定的最低的采样频率，是数据采集系统必须遵守的规则。在实际应用时，由于：1） 信号f（t）的最高频率难以确定，特别是当f（t）中有噪声时，则更为困难。2）采样理论要求在取得全部采样值后才能求得被采样函数，而实际上在某一采样时刻，计算机只取得本次采样值和以前各次采样值，而必须在以后的采样值尚未取得的情况下进行计算分析。因此，实际的采样频率取值高于理论值，一般为信号最高频率的510倍。3.5 NI ELVIS 原型设计面板 美国国家仪器公司的教学实验室虚拟仪器套件 (NI ELVIS)可用于动手设计及原型设计，平台集成了12款最常用仪器，包括示波器、数字万用表、函数发生器、波特分析仪等，紧凑的结构是实验室及课堂教学的理想选择。NI ELVIS可通过USB接口与PC连接，实现快速易用的测量采集及显示。作为基于NI LabVIEW图形化系统设计软件，NI ELVIS能够发挥虚拟仪器技术的灵活性及自定义功能。同时，NI ELVIS也是NI电子教育平台中的重要部分，结合NI Multisim采集及仿真环境实现NI ELVIS板载电路的测量及仿真。NI ELVIS的设计以教学为目标，是一款全面的教学工具，用于电路设计、仪器控制、无线通信、嵌入式/MCU 理论等教学。图3-4 NI ELVIS 平台3.5.1 NI ELVIS的特点1、性价比高 NI ELVIS 在单一平台上提供12款常用桌面仪器，避免在同一应用中购买多台仪器。现在也不必担心需要购买各种不同仪器，从而顾虑他们的协同工作能力。数字万用表(DMM)、函数发生器、示波器、及波特分析仪，还有其它许多仪器都可在同一平台上实现。由于NI ELVIS集成了12款仪器，并能在统一平台上实现多用户多应用，因此降低了成本。可移动的开发板允许在上午和下午的课堂上使用相同的平台，免去了麻烦且耗时的重构设计过程。NI ELVIS可实现各类应用，从而帮助各学科中不同学习进度的学生。从电路基础学习到进行研究工作，都可在同一平台上实现。2、故障排除时间短，将更多时间用于学习 NI ELVIS可通过USB与PC快速连接，使耗时的硬件连接成为过去。此外，USB连接性提高了NI ELVIS的便携性，可满足不同实验室及课堂的使用。Kensington安全电缆通过连接端口将ELVIS锁在工作站上，确保了安全性。 NI ELVIS平台上安装了NI ELVISmx驱动及NI ELVISmx Instrument Launcher软件，可快速连接全部12款仪器。通过Instrument Launcher软件及软前面板，用户可以快速配置仪器。3、使用LabVIEW及软件的灵活性 NI ELVIS平台中的所有12款仪器可通过NI ELVISmx Instrument Launcher软件来获得使用。这些仪器基于工业领先的LabVIEW图形化系统设计软件，提供基于虚拟仪器技术的灵活性及自定义应用的能力，并且是开源、可自定义的。 LabVIEW图形化流程图及数据流的编程模式提供可自定义的应用及灵活的测量模式。NI ELVISmx驱动的安装以及NI ELVIS 硬件使NI ELVIS系列仪器具有与LabVIEW Express VI及LabVIEW SignalExpress相关联的规范，从而使用户可交互式地对每个仪器进行配置，无需太多编程经验即可开发LabVIEW应用。此外，NI ELVIS中集成的数据采集设备可通过NI DAQmx API进行编程。4、使用插件板提升扩展性 NI ELVIS平台可用于各类应用及学科，并采用NI ELVIS插入板及第三方课件（如Emona Instruments、Freescale Semiconductors、及三方课件（如Emona Instruments、Freescale Semiconductors、及Quanser）来教授无线电通信、微控制器、及控制概念，扩展了实验室功能。NI还在平台中添加了数字电路板及FPGA插入板。用户可在同一实验室中开展各类学科的介绍性课程及高年级课程，从而拓展实验室能力并节省场地。以上都可通过NI ELVIS设计建模平台及其套装中的12款仪器以及系列插入板来实现。3.6 高速率M系列PCI-6251NI PCI-6251是一款高速M系列多功能DAQ板卡，在高采样率下也能保持高精度。 如需更高测量精度，可选择高精度M系列设备，该设备采用18位模数转换器，使分辨率提高了4倍。 高速M系列设备包括了一些高级特色，如NI-STC 2系统控制器、NI-PGIA 2可编程放大器和NI-MCal校准技术，从而提高了性能和精度。 高速M系列设备的版载NI-PGIA 2放大器专为高速扫描速率下的快速稳定时间而设计，它可确保即使以最快速度测量所有通道时也可达到16位精度。 了解更多关于M系列的技术、设备规范、推荐使用的电缆及附件，请查看数据表和规格。 驱动软件：M系列设备可在多种操作系统上使用，有三个驱动软件可供选择，包括NI-DAQmx、NI-DAQmx Base和测量硬件DDK。 浏览资源栏，了解驱动软件的更多信息或下载驱动程序。 NI M系列设备与传统的NI-DAQ(Legacy)驱动程序不兼容。 M系列数据采集设备与下列NI应用软件版本（或更高版本）兼容LabVIEW 7.x、LabWindows/CVI 7.x、或Measurement Studio 7.x；LabVIEW SignalExpress 1.x；或带 LabVIEW 实时模块7.1的LabVIEW。 NI M系列数据采集设备也与Visual Studio .NET、C/C+和Visual Basic 6兼容。图3-5 高速率M系列PCI-62513.7本章小结 本章主要介绍了数据采集系统的组成、主要性能指标和原理，以及数据采集中要运用的平台NI ELVIS的特点和PCI-6251数据采集板的特点。通过对它们的了解才可以正确的运用它们来进行数据采集。第4章 系统设计4.1 设计的要求 要求前面板显示照度的值和照度表盘，以及对应的电压值及