LABVIEW與資料擷取量測系統

LABVIEW是由美國NI公司於1986年發展出來，具有強大功能且為適用性極 高的儀器控制與分析軟體。與傳統程式語言所不同的是，期設計撰寫環境 為較容易使用的圖形化程式語言(Graphic Language)，使用圖示的方式取 代文字程式碼的撰寫，利用資料流的觀念呈現程式執行的順序。LABVIEW除 了使用簡單的圖示方式設計程式之外，所擁有之內建功能函數更可完成大 部分的程式設計，因此 不需像傳統程式一般，需要使用一些加入物件導向、

指標或記憶體管理等方式不易了解及使用的技術。另外，還有一些專為硬 體所撰寫的程式庫，如資料擷取、串並列通訊、資料儲存、網路連結、資 料分享等應用。[28]其整個應用程式包含三個主要部份：

1. 前置面板 2. 程式方塊視窗 3. 圖像與連接器

此三個部份建構出完整的LABVIEW應用程式。其中前置面板是屬於使用者 人機界面的部份，也就是最後使用者所操作的電腦面板視窗，在前置面板 中可以執行資料或是命令的輸入，以及顯示相關資料運算、監控或是擷取 的結果。

資料擷取量測系統

一般而言資料擷取量測系統之功能在於透過轉換器(Transducer)將物理

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現象轉成可量測的電訊號，接著經由訊號調節(signal conditioning)處理 轉換器轉換後的訊號，再經由類比轉數位(ADC)轉成數位訊號，並透過人機 介面或輸出介面呈現出訊息。因此資料擷取量測系統即包括轉換器，訊號 調節，資料擷取(Data Acquisition)之硬體與軟體。而在資料擷取方面可 分為硬體與軟體兩個部分，硬體的部分為資料擷取卡，簡稱DAQ卡，軟體的 部分則為驅動控制DAQ卡的程式。就DAQ卡而言，最重要的功能就是將類比 的訊號轉換為數位的值，以便電腦來解譯。在讀取類比時域訊號時，訊號 所傳送的資訊，其有用的部分不只在於訊號位準，還包括這個位準隨時間 變化的情況。當量測一個時域訊號(經常稱為〝波型〞)時，為了量測訊號 的形狀，必須要將個別的量測點擷取成準確的時間序列。量測時，必須使 用足以將波型復原的取樣速率。一張DAQ卡的取樣速率意指發生一次類比/

數位轉換的時間有多快。假設現在對一個模擬信號x(t)每隔一個Δt的時間 取樣一次，時間間隔Δt被稱為取樣間隔或者取樣週期。它的倒數1/Δt被 稱為取樣頻率，單位是取樣數/每秒。t=0 ,Δt ,2Δt ,3Δt..，x(t)的數 值就被稱為取樣值。當取樣速率不夠高的時候，會發生混疊(aliasing)現 象，使讀取到的訊號波型失真。那麼，取樣速率需要多高呢 ? 根據「奈逵 斯特定裡」(Nyquist’s theorem)，取樣速率至少要高於欲擷取訊號頻率 的兩倍以上，所擷取的訊號才不至於會失真。

圖5.7 足夠取樣頻率的取樣結果[29]

圖5.8 過低取樣頻率的取樣結果[29]

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所以資料擷取系統應該要具備以下規格：

(i)正確性與解析度—正確的量測訊號位準 (ii)高頻寬—以高的速率來對訊號取樣

(iii)正確的取樣計時器—以精確的時間間隔來對訊號取樣(需要與軟體 搭配)

解析度(Resolution)意指DAQ卡進行類比/數位轉換時，呈現類比訊號的位 元數。以圖5.9來舉例說明：

圖5.9 3-bit與16-bit解析度比較說明[29]

比較3-bit解析度與16-bit解析度的DAQ卡，其中3-bit可將10V切成2³=8個小 格來呈現，每個小格為1.25V；而16-bit則可將10V切成2¹⁶=65536個小格，

每個小格為0.000152V。由此可知，解析 度越高其轉換後的數位訊號越不容 易失真。解析度的解析能力亦與所需轉換的訊號範圍有關，如圖5.10所示：

圖5.10 訊號範圍與解析度說明[29]

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5.2 氣體軸承靜態實驗