基于LabVIEW的數據采集系統在高職實驗中的設計與實現

摘 要：文章分析了大專院校的教學中的電子專業教學實踐特點，從實用性、靈活性、可擴展性等方面考慮，設計了基于LabVIEW的數據采集系統教學儀器，并介紹了該教學儀器的設計思路及使用特點。

關鍵詞：LabVIEW；教學儀器；數據采集

中圖分類號：TP302 文獻標識碼：A 文章編號：1674-7712 （2013） 20-0000-02

一、引言

數據采集系統在許多行業中得到了很好的應用，隨著計算機和總線技術的發展，越來越多地采用基于PC的數據采集（Data Acquisition，DAQ）系統來完成實驗室研究和工業控制中的測試及測量任務。現代大專院校內開設的電子信息、自動控制等等專業的課程中，都不可避免地會涉及數據采集系統的內容。

二、問題的提出

觀察高校，特別是在高職院校的教學中，往往使用昂貴的試驗箱配合專用軟件來進行該項目的教學。根據很多相關專業的高校教師的反映，在高校教學過程中，這種形式的系統無法兼容多種接口，它的功能無法定制這個缺點已經制約了教學效果。尤其是在信號分析與處理這一個知識點的教學上，教師無法利用現有設備直觀地將數學函數和波形的聯系展示給學生。若是能夠設計一種具有相當的智能化程度、性能價格比優良、可操作性強，功能可以自由定制的采集軟件，配合基于單片機的通用數據采集器完成數據采集的功能，這將為高校電信類專業的教學及實驗提供一種新的思路和方法。

三、虛擬儀器的引入

虛擬儀器這個概念由美國國家儀器公司（National Instrument，NI）于1986年首次提出。所謂虛擬儀器，是指在以通用計算機為核心的硬件平臺上，可由用戶設計定義，具有虛擬面板，其儀器的大部分測試功能由測試軟件實現的一種計算機儀器系統。儀器的面板由顯示在計算機上的軟面板來代替，信號的獲取和信號的分析、處理、存儲及打印等功能完全由軟件來實現。其實質是利用計算機顯示器的顯示功能來模擬傳統儀器的控制面板，以多種形式表達輸出檢測結果；利用計算機的軟件功能實現信號數據的運算、分析和處理；利用I/O接口通信設備完成信號的采集與傳輸。

美國國家儀器公司（NATIONALINSTRUMENTS，NI）的LabVIEW是目前最為流行的虛擬儀器的開發環境。它是一種基于圖形編程語言（G語言）的開發環境，在測試測量、數據采集、儀器控制、數字信號分析、工廠自動化過程控制、實驗室研究與自動化等領域得到了廣泛的應用。在LabVIEW環境下，結合單片機技術開發數據采集系統，這種基于LabVIEW的數據采集系統教學儀器，可以將教學與科研很好地結合起來，也能夠形象地為學生展示理論與實際的聯系，為高校教學提供了另一種思路。

四、基于LabVIEW的數據采集儀器的設計

（一）總體設計要求

設計開發這樣一種數據采集系統教學儀器，它包括、等基本功能。要求儀器能對四路輸入信號進行采集，將結果送入PC機進行顯示，并能夠將結果保存下來、能夠對采集到的信號進行離線分析。離線分析功能包括對信號的變換、濾波、頻譜分析等等處理?；贚abVIEW的數據采集系統教學儀器的總體設計要求可以概括為以下幾個方面：（1）虛擬儀器的開發技術。虛擬儀器利用軟件驅動PC機通信端口與采集儀器相連接，充分利用了計算機強大的數據處理能力來支撐測量數據的分析和顯示。虛擬儀器的開發最常用的是利用Windows平臺下的VC++進行開發，然而該方法存在的最大問題是開發周期過長。利用虛擬儀器圖形化編程開發平臺LabVIEW進行軟件開發具有周期短、使用簡單、擴展性好的特點。（2）數據采集器的研發技術。儀器以信號調理模塊與數據采集傳輸模塊各自獨立，單片機為核心控制器的方式來搭建。這種結構可以實現不同用戶和不同場合對不同信號進行采集，同時保留了一定的冗余度方便進行二次開發。（3）教學儀器的研制技術。本文開發的教學儀器用于大專院校的教學、實驗中，它有著其特殊性：用于教學時，該儀器在硬件反面應該能被拆分為各個功能模塊電路，方便教師講解；軟件方面應能直觀地控制數據流，并能以圖像的方式將課本上的公式形象地表達出來，方便學生掌握。而基于LabVIEW的數據采集系統教學儀器利用LabVIEW的G語言來開發，配合單片機開發數據采集器硬件，能夠滿足以上的要求。

（二）設計方案

基于LabVIEW的數據采集系統教學儀器從實用性、靈活性、可擴展性等方面考慮，采用了模塊獨立中心控制采集的方式來搭建平臺。即以上位機軟件為核心控制數據的采集、顯示、保存及離線分析；下位機各個功能模塊之間各自獨立，信號調理模塊與數據采集器模塊各自獨立的方式來設計。這種結構可以方便教師針對不同場合下對多種信號進行數據采集。

儀器總體上分兩大部分：（1）上位機數據采集軟件；（2）下位機多通道通用數據采集器。其中上位機數據采集軟件又包括實時采集軟件和離線分析軟件；下位機多通道通用數據采集器又包括信號調理模塊、數據采集和傳輸模塊兩部分。本文將就這兩個部分分別進行設計。儀器的總體框圖如圖1所示。

下面對圖中教學儀器的功能模塊作簡要的說明：（1）LabVIEW數據采集軟件：該軟件可以完成實時采集、顯示的功能。它包括通信模塊、數據處理模塊、顯示模塊與控制模塊。通信模塊負責串口通信，與下位機交換數據；數據處理模塊負責將下位機發送的數據進行識別與還原，再將數據送入顯示模塊；顯示模塊負責將數據以波形表的方式顯示出來；控制模塊負責對下位機的工作方式進行控制，也可控制程序將一段時間內的數據保存為Excel表格文件。（2）LabVIEW離線分析軟件：該軟件可以實現對采集到的信號進行離線分析的功能。它包括對信號進行變換、濾波、頻譜分析等操作。（3）信號調理模塊：包括傳感器電路與抗混疊濾波器電路。用鎧裝溫度傳感器熱電阻作為例子，設計了一路溫度數據采集，并以電壓量的采集作為例子，設計三路通用數據采集通道，它們可以用于擴展，只需要外接不同的傳感器便可實現不同物理量的數據采集。加入抗混疊濾波器的作用是為了防止高頻噪聲進入而導致混疊失真，采用通用運算放大器進行設計。（4）采集和傳輸模塊：包括單片機電路與串口通信電路。單片機采用MICROCHIP公司的PIC24H系列高性能16位單片機：PIC24HJ64GP506，它集成一個模數轉換器模塊，該模塊配置在10bit精度時，支持4路同時采樣。在單片機與PC機進行串口通信時，必須設計一個電平轉換電路。

總結以上所述設計思想，基于LabVIEW的數據采集系統教學儀器主要有以下一些特點：（1）單片機使用MICROCHIP公司的PIC24H系列高性能16位單片機：PIC24HJ64GP506，它集成一個模數轉換器（Analog-to-DigitalConverter，A/D）模塊，該模塊配置在10bit精度時，支持4路同時采樣，轉換速度高達1.1Msps，該模塊配置在12bit精度時，支持單路采樣，轉換速度高達500ksps。板上集成四路數據采集通道，第一路通道通過熱敏電阻采集溫度值作為設計范例，其余三路通道采集電壓值，保留了一定的冗余度，方便進行二次開發，有很好的擴展性，并預留設計范例，方便教師講解。（2）每通道頻率響應為 ，采樣率為 ，采樣精度10bit（4路同時采樣）或12bit（單通道采樣）。串口波特率為每秒115200bits，能夠滿足高職院校平時的教學應用。（3）信號調理模塊主要設計包括傳感器與抗混疊濾波器的電路設計，濾波器的設計中主要使用TI公司生產的通用運算放大器芯片OPA2335，它是一款超低溫漂，單電源供電的CMOS工藝通用運放芯片，它的超低漂移值與超低偏置電壓值使得其可以廣泛應用于數據采集儀器或手持設備領域。（4）軟件設計包括數據采集軟件和離線分析軟件。本文將采用LabVIEW8.5作為開發平臺，通過串口接收數據并對下位機發送來的數據進行保存、濾波、采集，并實時地將結果顯示在計算機的軟面板上，上位機還要能夠對下位機的采集進行控制；離線分析軟件的功能可以實現對信號的變換、濾波、頻譜分析等等處理。（5）通過具有可視化編程特點的LabVIEW，教師能夠很好地將公式與實際波形聯系起來進行講解；最后，采集到的數據可以保存在計算機上，統計后的數據可以Office電子表格或文本文件的格式保存，并可采用Windows Office的Excel軟件或Windows自帶的記事本程序打開。

五、結論

LabVIEW在一般信號處理時基本上不需要C語言程序的編程，在教學中，教師可以通過LabVIEW的界面把數學函數和波形聯系起來，教學過程直觀易懂。因此用LabVIEW設計的數據采集系統成本低廉，可擴展性強，功能豐富，可以在高職院校電子實驗中推廣應用。

參考文獻：

[1]范凱，傅志中，梁峰.LabVIEW平臺下第三方硬件的DAQ系統實現方案[J].自動化儀表，2004，25（3）：18-20.

[2]候國屏.LabVIEW7.1編程與虛擬儀器設計[M].北京：清華大學出版社，2005，2.

[3]魏燕，馬偉順.LabVIEW在《信號處理》教學中的應用[J].長春師范學院學報，2005，24（2）：12-14.