基于LabVIEW的數字采集儀在線校準系統設計與開發

楊慧玉，任 兵，合 燁，劉學明，李 平

（1.重慶建設工業集團有限責任公司，重慶 400050；2.重慶大學機械傳動國家重點實驗室，重慶 400044）

0 引 言

數字采集儀以及動態信號分析儀種類繁多，在測控領域應用廣泛。隨著電子技術的發展，各種數字采集儀的性能都有所提高。按照國家計量校準規程對這類儀器進行校準，需要各種校準儀器協調工作，同時對測試人員的要求很高，但校準工作效率和校準精度不高。尤其是由于校準涉及一些重復操作，會使檢測人員出現疲勞，由此可能產生一些誤操作，影響校準結果。針對這些問題，本文通過采用基于虛擬儀器的校準系統取代人工校準，能精確、迅速地完成儀器的校準任務，具有很好的應用前景。

基于虛擬儀器的測試系統近幾年在國內外發展迅速，很多學者和單位都開發了相應的產品[1]。在虛擬儀器的設計過程中，軟件平臺的選擇對于儀器功能的設計和開發至關重要。LabVIEW是美國國家儀器公司（NI）開發的面向測控領域的圖形化虛擬儀器開發平臺，它基于圖形化的編程語言，自身具有豐富的圖形控件和強大的函數庫，采用拖放圖標和流程圖的形式進行儀器的開發。此外，LabVIEW支持大量的儀器驅動和通信協議，借助一致的驅動API，可以實現對儀器的底層命令控制[2-3]；因此，本文采用LabVIEW軟件，結合硬件平臺，開發出數字采集儀在線校準系統。

1 校準系統的硬件設計

1.1 硬件總體設計

按照傳統的校準方法，需要配置正弦信號發生器、頻率計、數字電壓表和白噪聲信號發生器等多臺儀器[4-5]，這些儀器相互獨立，不利于攜帶和現場測試。為更適合工程應用，本校準系統采用NI公司的基于PXI總線的硬件設備來取代傳統的儀器。

基于PXI總線的系統能勝任惡劣環境所要滿足的要求[6]：（1）能在嚴酷的工業環境下工作；（2）通過共享硬件資源以減小體積；（3）內置定時和觸發信號，集成了定時和同步特性，減少不同儀器之間實現觸發和同步功能的復雜性；（4）使系統集成變得更簡易。

校準系統的組成框圖如圖1所示。

圖1 校準系統的結構圖

具體的硬件配置如下：

（1）NI PXIe-8108嵌入式控制器；

（2）NI PXIe-1082 8槽Express機箱；

（3）NI PXI-4461信號發生器；

（4）NI PXI-5122高速數字化儀；

（5）打印機。

1.2 機箱與控制器

采用嵌入式控制器PXIe-8108和機箱PXIe-1082結合的方式，作為虛擬儀器的硬件平臺基礎。NI公司的基于PXI總線嵌入式控制器和機箱體積小，性能好，攜帶方便，適合工程應用。

1.3 信號發生模塊

采用PXI4461作為信號發生器，它可以實現2路同步更新模擬輸出通道，輸出標準信號至被檢儀器。通過信號分線裝置，可以實現多路實時同步信號輸出，用于儀器多通道的功能指標校準。

通過軟件功能設計，PXI4461可產生任意波形的標準信號，如正弦信號、白噪聲信號等。

校準系統信號發生模塊達到的具體指標為：

（1）24位分辨率，采樣率204.8kS/s，動態范圍優于110dB；

（2）配合信號分線裝置，輸出通道為16個；

（3）信號幅值范圍為-10～10 V，允許誤差優于0.05%，幅值穩定性優于0.3%（8h）；

（4）信號頻率：

測量范圍 0.01～20kHz，允許誤差優于 1×10-4；

測量范圍 0.02～1MHz，允許誤差優于 5×10-5；

（5）穩定性優于0.05%；

（6）失真度≤0.03%。

1.4 數據采集與儀器控制模塊

實時信號采集和處理部分采用的是PXI-5122數字化儀，它可以取代電壓表和頻率計，實現對本裝置信號發生器的頻率、幅度、動態范圍等參數的測量，同時也可以控制并讀取被校準儀器的測量結果，進行校準項目結果的計算。

它所能達到的主要指標如下：

（1）垂直分辨率14位，采樣帶寬100MHz，采樣率100MS/s；

（2）頻率分辨率誤差≤1×10-4；

（3）交流電壓測量允許誤差≤±0.1%。

上述指標都能達到JJG 834-2006《動態信號分析儀檢定規程》和JJF 1048-1995《數據采集系統校準規范》的要求；因此，本校準系統的硬件平臺在功能上完全可以代替國家檢定規程中所要求的檢定儀器。而且，該硬件平臺精度高，可控性好，模塊之間可以實時通信，可以實現自動化的校準工作。

2 校準系統的軟件開發

為提高開發效率，縮短開發周期，本校準系統是在NI公司的虛擬儀器開發平臺LabVIEW環境中開發的。

2.1 儀器界面與架構設計

由于本校準系統的功能是對數字采集儀器進行校準，校準項目的制定是基于JJG 834-2006和JJF 1048-1995，校準項目個數較多。若采用傳統的選項卡或按鈕進行校準項目的選擇會造成界面控件布局密集，影響美觀和舒適度。而且，從長遠角度考慮，如果對儀器功能進行擴充，采用傳統的方法，需要重新設計儀器界面；因此，本文在校準系統的開發中，采用主界面和子界面獨立設計[7]。主界面及主程序，完成儀器校準的初始化、儀器校準項目的選擇和最終校準報告的生成及打印。

圖2 主界面動態調用子程序

本校準系統主界面設計以子面板為核心，將不同的校準項目調至子面板界面中執行，通過枚舉選擇控件完成校準項目的選擇。采用這種方式的主界面極為精簡，并且子程序的改變都不會影響到主界面，有利于系統的維護和升級。圖2為主程序動態調用子程序，在主界面的子面板中顯示的程序圖。圖3為校準系統的主程序流程圖。

圖3 校準系統的主程序流程圖

如圖3所示，初始化主要完成界面數據、控件狀態的初始化。考慮到被檢儀器生產廠家各不相同，儀器的級別也不相同，為了具有通用性，本校準系統分為手動校準和自動校準。對于自動校準，校準系統采用全局變量選擇儀器驅動子程序進行通信，完成相應的驅動程序的調用。手動校準是針對一些生產廠家的老型號儀器，這類儀器無法實現程序控制和數據通信，因此在儀器校準過程中需要手動輸入一些儀器的參數和讀數。

2.2 被檢儀器的程序設計

自動校準適用于可以進行程序控制和數據通信的儀器，通過對儀器的控制可以自動完成每個校準項目，減少人為干預，提高校準精度。

對于被檢儀器的控制，主要分為兩類：一類是LabVIEW驅動庫支持，還有一類是通過動態鏈接庫調用。NI公司開發的用來與各種儀器總線進行通信的高級應用編程接口-VISA，不受平臺、總線和環境的限制，可用來對 USB、GPIB、串口、VXI、PXI和以太網系統進行配置、編程和調試。通過LabVIEW對VISA進行配置，就可以實現對儀器的控制[6]。

LabVIEW為更好地支持普通數據采集卡等硬件，提供了調用庫函數節點（call library function node，CLFN）和代碼接口節點（code interface node，CIN）兩種實現方法。LabVIEW平臺下調用動態連接庫的方法，比研究利用CIN節點的方法更有意義[8]。采用CLFN節點，LabVIEW可以較容易地實現訪問動態連接庫（DLL）。本校準系統在開發過程中，對于國產的采集儀器采用DLL調用的方法，如采用DLL調用方式讀取北京優采公司的UA300中數據。通過調用采集器DLL文件，嚴格按照數據匹配類型配置CLFN的輸入和輸出節點，并且按照采集器的量程進行轉換，以此得到采集的數據。可以發現，該方法可以充分利用采集器的DLL文件資源，無需重新編寫采集程序，很大地縮減了開發周期。

2.3 校準系統中校準項目的設計

校準系統中每個校準項目的界面和功能設計是系統開發的核心。在校準項目子程序界面的設計中，充分考慮工業用戶界面的設計要求。通過選用合適的LabVIEW控件，或者自行設計自定義控件，達到較好的界面效果。校準項目子程序設計采用狀態機模式[7，9]。狀態機是最高級的LabVIEW設計模式，它具有極大的靈活性和可擴展性，可以允許代碼從任意一個狀態跳轉到另一個狀態，同時保證了程序的可讀性。圖5為校準項目的程序流程圖。

圖4 采用DLL方式讀取UA300數據

圖5 校準項目子程序流程圖

信號發生器與采集控制設計：信號發生器采用軟件輸出標準信號源，通過硬件PXI4461的AO口輸出，以此作為信號發生器。在軟件設計的過程中，不同校準項目所要求的信號源不盡相同，而且，在一個校準項目的操作過程中，信號也是根據需要進行自動調整。本校準系統在設計信號發生器的過程中，通過信號發生與數據采集相互協調、制約來完成。

（1）當信號發生器產生該校準項目所需的信號時，觸發采集模塊進行采集，這就保證了采集信號的有效性。

（2）當對該類型信號采集完成時，采集模塊給信號發生器模塊一個觸發信號，則進行信號參數的自動調整。

（3）根據校準項目的需求，當采集模塊采集夠所需的全部數據時，觸發信號發生器關閉，然后程序跳轉至數據處理模塊。

對采集到的數據進行處理，主要是基于JJG 834-2006和JJF 1048-1995。它們針對的是傳統校準方法，在某些條目上不適合自動校準；因此，本校準系統在開發過程中，充分利用計算機的優勢，在算法上進行了一定程度的優化，比如，對于最高采集速率的校準項目中，按照校準規程，需要人工統計出N個信號周期內采集數據個數n，然后以此計算出最高采集速率。而在自動校準過程中，對一個信號進行采集時，首先要規定采集的個數n，而不是統計出n；因此，該規程在此實用性較差。本校準系統在實現該算法時，先規定采集個數n，然后通過計算信號過零點的次數，統計出信號周期N，以此計算最高采樣速率。同樣，在其他項目的校準過程中，由于校準規程針對的是手動校準與人工讀數，為降低測試人員工作量，在多次讀值的過程中對平均次數的要求較低，而在自動化校準系統的開發過程中，可以通過提高平均次數進行多次采集，提高讀值的精度。

2.4 報表生成的設計

報表的生成采用Word模板設計，這種方法適合規范化、標準化的報表生成。采用這種方法進行報表設計，只需要設計好報表模板，然后將每次檢定的結果填入到報表中相應的位置即可。

首先根據需求設計好標準化的模板，對于模板中需要填入的數據，采用Word中的“書簽”進行位置標記。

每個檢定項目產生的檢定結果，可以通過全局變量和配置文件的形式保存在程序中，當檢定完所有的項目后，點擊“報表”按鈕，程序會讀取所有檢定項目的結果，填入到報表中相應的“書簽”位置。采用“書簽”形式，可以方便快捷地在報表中填入單個數據、數組表格以及圖形。對于生成的報表，可以直接通過打印機打印。

3 實 驗

圖6 采用數字采集儀在線校準系統對UA300進行采集線性度校準界面圖

圖6為采用本文開發的數字采集儀在線校準系統對UA300進行采集線性度的校準時的操作界面。

系統界面的左下角是校準項目選擇區，圖6中顯示選擇采集線性度校準項進行實驗，該檢定項目為自動檢定。系統界面中間部分為線性度測量子程序的界面，就是采用本文中提到的動態調用子程序方法嵌入到子面板中。

由于本檢定項目為自動檢定，當用戶點擊“開始”按鈕時，系統首先進行自檢，通過查詢設備之間的通信是否正常完成自檢。當自檢成功后，其對應的標志燈會亮。系統進入信號發生模塊控制區，按照預先設定好的信號發出信號，系統確認發出的信號為標準信號后，啟動采集模塊，按照預先設定好的采集次數和采集數據的個數完成采集任務。當完成當前信號的采集后，系統再次控制信號發生器，更改信號的參數，然后再次進行采集。按照該實驗的校準規程，需要在被檢儀器量程范圍內選擇11個點進行數據采集。當系統采集到所需的所有數據后，關閉信號發生模塊和信號采集模塊，程序跳轉至線性度結果計算模塊，得到線性度的檢定結果，并保存至主程序的結果變量中。

這樣就完成了線性度的檢定，然后選擇其他的檢定項目進行檢定。當所有的檢定項目都完成后，可以點擊“報表”按鈕，生成報表。

圖6中的圖形顯示控件以及界面右側的校準過程數據可以實時顯示采集的數據，右上角的實時幫助可以提供當前自動校準的狀態，當采用手動校準時，它可以提供提示幫助。

4 結束語

采用虛擬儀器技術，應用LabVIEW平臺開發數字采集儀在線校準系統，取代傳統的校準儀器，實現自動化，滿足國家校準標準的同時，提高了精度。采用本校準系統對儀器進行校準，速度快，數據記錄完整，報表生成規范，實用性強，且系統軟件架構合理，安全性好，易于維護和擴展。

[1]李海明，朱保安，王雙記.基于LabVIEW構建電子儀器自動測試[J].中國測試，2010，36（2）：63-65.

[2]陳樹學，劉萱.LabVIEW寶典[M].北京：電子工業出版社，2011.

[3]林靜，林振宇，鄭福仁.LabVIEW虛擬儀器程序設計從入門到精通[M].北京：人民郵電出版社，2010.

[4]JJG 834—2006動態信號分析儀檢定規程[S].北京：中國計量出版社，2006.

[5]JJF 1048—1995數據采集系統校準規范[S].北京：中國計量出版社，1995.

[6]黃松嶺，吳靜.虛擬儀器設計基礎教程[M].清華大學出版社，2008.

[7]劉章發，衣法臻.LabVIEW編程樣式[M].北京：電子工業出版社，2009.

[8]趙炯，劉力平.LabVIEW中的動態連接庫調用[J].中國工程機械學報，2007，5（1）：122-126.

[9]阮奇楨.我和LabVIEW[M].北京：北京航空航天大學出版社，2009.