基于LabVIEW的力學(xué)應(yīng)變采集軟件設(shè)計

吳忠鍇， 馬鐵華，梁志劍

（1. 中北大學(xué)電子測試技術(shù)重點實驗室，山西太原 030051；2. 儀器科學(xué)與動態(tài)測試教育部重點實驗室，山西太原 030051）

0 引言

LabVIEW是測控領(lǐng)域優(yōu)秀的圖形語言開發(fā)環(huán)境，摒棄了晦澀難懂的文本代碼，軟件開發(fā)周期短、易于維護(hù)。結(jié)合力學(xué)實驗應(yīng)變采集系統(tǒng)，在LabVIEW2010平臺下設(shè)計了應(yīng)變數(shù)據(jù)采集軟件[1]。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

1.1 應(yīng)變測量原理

測試系統(tǒng)以電阻應(yīng)變片為傳感器件，將電阻應(yīng)變片粘貼在測試件表面，構(gòu)件在載荷作用下應(yīng)變片產(chǎn)生變形，電阻值也相應(yīng)變化，經(jīng)過電橋電路將電阻值變化轉(zhuǎn)換為電信號，再經(jīng)放大濾波、模數(shù)轉(zhuǎn)換（A/D）和接口電路輸入計算機(jī)、進(jìn)行分析處理。假定被測試件長度為L、電阻阻值為R，變形后長度（L+ΔL），物體受力后軸向變形為ε，則：

其中K為應(yīng)變片靈敏度系數(shù)，由公式可以看出，計算出電阻相對變化量就可以得到應(yīng)變值，但相對電阻變化難以測量，常用惠斯通電橋?qū)⑵滢D(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘枺姌蜻B接如圖1所示。

圖1 電橋連接圖

當(dāng)公式中R1R3=R2R4時，電橋平衡，輸出電壓Δe為零。在電橋平衡狀態(tài)時，橋臂電阻產(chǎn)生增量，U保持不變，輸出Δe僅與電阻增量有關(guān)，則電壓變化量就表征了應(yīng)變變化量[2-4]。

1.2 系統(tǒng)工作原理

力學(xué)實驗臺金屬材料在受力時產(chǎn)生彈性變形，以電阻應(yīng)變片為傳感器，經(jīng)過電橋測量電路，將被測件的應(yīng)變變化轉(zhuǎn)化為電信號，再通過A/D變換將模擬信號轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號，以FPGA為主控芯片，控制A/D的工作時序，將數(shù)據(jù)讀入內(nèi)部FIFO中，USB接口芯片再將FIFO中的數(shù)據(jù)傳到USB總線上。上位機(jī)程序調(diào)用動態(tài)鏈接庫DLL實現(xiàn)USB通信，上位機(jī)界面實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、實時處理顯示等操作，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖 2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2 軟件設(shè)計

2.1 軟件流程設(shè)計

軟件設(shè)計遵循模塊化、結(jié)構(gòu)化設(shè)計方法，主要完成裝置選擇、參數(shù)設(shè)定、數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)回讀功能，軟件流程如圖3所示。

2.2 關(guān)鍵功能模塊設(shè)計

2.2.1 下位機(jī)與上位機(jī)通信

上位機(jī)與下位機(jī)之間使用USB接口進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，接口芯片選擇Cypress公司的CY7C68013A芯片，在Labview下應(yīng)用NI的板卡無需專門編寫驅(qū)動程序，對于非NI公司出產(chǎn)的板卡就不能直接調(diào)用驅(qū)動程序，自制板卡利用動態(tài)鏈接函數(shù)庫DLL，DLL文件使用VC++高級語言程序編寫。在LabVIEW中“調(diào)用庫函數(shù)節(jié)點”模塊，完成數(shù)據(jù)通信[4-5]。

圖 3 軟件流程圖

2.2.2 電橋平衡

電橋平衡是軟件的重要環(huán)節(jié)，關(guān)系到測量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，如果不消除電橋不平衡因素的影響，應(yīng)變測試電路的輸出會在沒有應(yīng)變輸入時遠(yuǎn)離零位，造成測試數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確。軟件平衡原理：先采集數(shù)據(jù)判斷是否在平衡范圍內(nèi)，如果在范圍內(nèi)則提示已平衡，如果不在范圍內(nèi)，判斷電位器的移動方向，并向硬件中發(fā)送命令向上或向下調(diào)節(jié)電位器，直到采集的數(shù)據(jù)處于平衡范圍。

2.2.3 實時數(shù)據(jù)采集

多線程指一個程序中執(zhí)行多個線程的能力，在一段時間內(nèi)，并行完成多個任務(wù)，LabVIEW對多線程提供了很好的支持，只需要將不同的模塊放在不同的while循環(huán)中并行運(yùn)行，這樣提高了程序運(yùn)行效率和系統(tǒng)的可靠性[6-7]。程序劃分為三個while循環(huán)，第一個循環(huán)響應(yīng)前面板的操作；第二個是數(shù)據(jù)采集循環(huán)，由于數(shù)據(jù)采集的耗時比較長，為了避免數(shù)據(jù)采集時與其他操作沖突，占用過多系統(tǒng)資源，造成程序癱瘓，將數(shù)據(jù)采集模塊放在單個while循環(huán)中；第三個循環(huán)是數(shù)據(jù)處理，對原始采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算，并通過波形圖表顯示出來。

3個循環(huán)之間運(yùn)用隊列技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。隊列是一種先進(jìn)先出（FIFO）的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，最常見的應(yīng)用是在多線程和多個VI之間傳遞數(shù)據(jù)），當(dāng)產(chǎn)生數(shù)據(jù)的速度比處理數(shù)據(jù)的速度快時，其緩沖作用保證數(shù)據(jù)不會丟失，也調(diào)節(jié)了各線程間的運(yùn)行速度[1,8]。

數(shù)據(jù)采集是軟件的核心，采集流程是：依次發(fā)送復(fù)位、采集通道、采樣頻率、開始讀數(shù)命令，之后進(jìn)入采集循環(huán)，調(diào)用DLL讀取硬件數(shù)據(jù)，采集停止跳出循環(huán)后發(fā)送關(guān)閉讀數(shù)命令，程序框圖如圖4所示。

圖 4 程序框圖

3 軟件前面板

參數(shù)設(shè)置界面主要包括測量通道選擇，橋路連接方式（全橋、半橋、1/4橋），顯示量程設(shè)定，裝置設(shè)置，靜態(tài)參數(shù)設(shè)置（靈敏度、應(yīng)變片阻值、載荷修正系數(shù)），設(shè)定好的參數(shù)會顯示在屏幕上。

數(shù)據(jù)采集包括掃描采樣和載荷采樣兩種方式，掃描采樣是顯示實時采集的數(shù)據(jù)，載荷采樣根據(jù)載荷值顯示應(yīng)變值，采樣前還需要設(shè)定采樣通道和采樣頻率，開始采樣后，變換不同的通道可以看到該通道實時采集的數(shù)據(jù)。采樣完成后，可以將數(shù)據(jù)以二進(jìn)制文件格式保存，便于以后分析查看，上位機(jī)界面如圖5所示。

圖5 上位機(jī)界面

4 實驗測試

實驗時例如選擇沖擊桿裝置，1kHz采樣率，數(shù)據(jù)波形如圖6所示，振幅較大的地方為沖擊時產(chǎn)生的波形。

圖6 沖擊桿測試數(shù)據(jù)

5 結(jié)束語

以力學(xué)實驗應(yīng)變采集系統(tǒng)為背景，遵循模塊化的設(shè)計思想，在LabVIEW平臺下設(shè)計了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)軟件，實現(xiàn)了參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)實時采集顯示、數(shù)據(jù)回放等功能，利用隊列、多線程技術(shù)提高了程序運(yùn)行效率和系統(tǒng)穩(wěn)定性。軟件接口簡單、開發(fā)周期短、易于維護(hù)。

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