基于LabWindows/CVI的數據采集系統(tǒng)設計

繆 韡

青海大學機械工程學院，青海西寧 810016

虛擬儀器（Virtual Instrument，簡稱VI）是現(xiàn)代計算機技術和儀器技術深層次結合的產物，是當今計算機輔助測試（CAT）領域的一項重要技術。它解決了傳統(tǒng)儀器設備面臨的許多難題，改善了傳統(tǒng)儀器設備配套固定、應用狹窄、功能單一的缺點，虛擬儀器系統(tǒng)可以靈活地應用于各種測量控制環(huán)境，而且實現(xiàn)了功能用途多元化，可以從軟件方面改善許多傳統(tǒng)儀器設備無法實現(xiàn)的功能[2]。本文應用虛擬儀器開發(fā)平臺LabWindows 開發(fā)了一種數據采集系統(tǒng)，本系統(tǒng)不僅具有一定的實用價值，也有很大的功能擴展性，只需知道采集板卡的基本參數，用戶就可以自行設計程序，實現(xiàn)其他功能。

1 系統(tǒng)總體方案選擇

綜觀目前國內外虛擬儀器開發(fā)的現(xiàn)狀，虛擬儀器總體結構有以下兩種形式：

1）系統(tǒng)集成式虛擬儀器系統(tǒng)：將測試儀器儀表設計成為PC 機的I/O 插卡，直接插入計算機的I/O 擴展槽中，這樣可將不同儀器儀表集成在一個系統(tǒng)內，從而大大降低成本。所有的這些儀器插卡均在符合統(tǒng)一標準的軟件支持下供用戶操作，共享計算機資源。因此這樣的系統(tǒng)具有成本上的優(yōu)勢，儀器插卡具有很強的抗干擾能力，在虛擬儀器系統(tǒng)設計中應用十分廣泛；

2）基于總線技術式虛擬儀器系統(tǒng)：此類虛擬儀器則是做成具有總線結構的測試儀器的主機板，在總線底板插槽上插入模擬量輸入/輸出、數字量輸入/輸出、頻率或脈沖量輸入/輸出等功能插件，可組成具有不同規(guī)模和功能的測試系統(tǒng)，測控機箱與計算機通過互連總線相連，各測試設備與計算機網絡通過現(xiàn)場總線相連，從而構成一個自動測控系統(tǒng)。這類虛擬儀器由于采用標準的總線結構，系統(tǒng)比較靈活方便，可以連接多種設備，而且其測控機箱獨立，可以減少干擾，具有較高的精度。但系統(tǒng)成本較高并且在跨總線連接設備時會增加軟件開發(fā)的工作量。

綜合比較上述兩種方案的優(yōu)缺點，考慮到設計要求和成本等因素，本次虛擬儀器系統(tǒng)的設計采用plug-in DAQ 的硬件平臺，即以標準的PC 機為基本框架平臺，通過插入數據采集卡獲得具有信號的輸入/輸出功能的硬件平臺，利用不同的軟件模塊實現(xiàn)不同的功能。本方案的優(yōu)點是成本較低，軟件決定系統(tǒng)的功能，真正體現(xiàn)了虛擬儀器的靈活性和成本較低的優(yōu)勢。

2 系統(tǒng)硬件設計

數據采集及處理系統(tǒng)的總體結構如圖1 所示，硬件平臺選用PC 機為總體框架，數據采集卡為UN105N 型A/D 多功能數據采集卡，虛擬儀器系統(tǒng)運行環(huán)境為WINDOWS XP，開發(fā)語言選擇為LabWindows。

圖1 數據采集系統(tǒng)結構框圖

3 系統(tǒng)軟件設計

數據采集系統(tǒng)程序主要是利用C 語言進行編程，借助Labwindows 進行界面設計，實現(xiàn)了三路數據的高速采集，各通道數據和波形顯示，數據存儲及打印的功能。系統(tǒng)軟件程序采用模塊化設計思想，主要由四個部分組成，分別是采集函數、顯示函數、儲存函數以及打印函數。

數據采集系統(tǒng)設計中，硬件選用的是優(yōu)采公司UA105N型多功能數據采集卡，由于該卡未帶WINDOWS 下驅動，沒有Win32 接口函數供調用。故在編程時需要自己編寫采集代碼。數據采集系統(tǒng)的采集控制有多種方法，分別說明如下：

1）軟件觸發(fā)，軟件通道選擇：這種方法是由程序指令觸發(fā)A/D 轉換板進行數據采集，由程序指令任意選擇A/D 轉換板采樣通道，是一種比較靈活的采集控制方法；

2）定時觸發(fā)，軟件通道選擇：這種方法是采用定時器定時觸發(fā)采集，即是通過對板上定時器8253 通道0 的控制編程，使之發(fā)出等間隔的脈沖觸發(fā)A/D 轉換板采集，可以在單通道采集時獲得準確的采樣頻率。但由于軟件轉換通道不能實現(xiàn)最佳時序，所以在多通道采集時不能達到采集要求；

3）手動觸發(fā)，自動通道掃描：可實現(xiàn)最高頻率下通道順序遞增快速循環(huán)采集，也可設置不連續(xù)的通道。

根據設計的要求，本程序采用了定時觸發(fā)，自動通道掃描的方式進行數據采集，為便于數據處理，通道設置為自動順序遞增。

對采集到的數據進行數據處理，最有效的方法是將其繪制成波形圖，從波形中直觀的看出數據變化規(guī)律，是否有明顯的干擾，是何種信號，還可以直觀的判斷出采集過程是否有誤。但這種方法顯示的波形圖不夠精確，因此，本程序設計中考慮到上述因素，選擇了在顯示波形的同時，也顯示采集到的數據。

虛擬儀器在測量領域的一大優(yōu)勢就是可以很方便的利用計算機方便且廉價的存儲能力，將大量數據以及波形存儲在磁盤中，不僅可以很方便的查找，還可以很方便的還原數據與波形，應用于其他處理。本采集程序中數據的存儲十分簡單易行，可以任意選擇通道進行數據與波形的保存，數據存儲格式采用ASCII 的存儲格式，可根據需要輸入相應的文件名，并可以自由選擇存儲路徑。

4 儀器前面板設計

圖2 數據采集系統(tǒng)操作界面

數據采集系統(tǒng)操作界面如圖2 所示，設計總體上包括兩個部分，參數設置部分及圖形數據顯示部分。參數設置部分包括起始通道號、各通道采集頻率、各通道采集點數及需要繪圖的通道設置。在設置好三個基本參量后，用戶可點擊【采集】按鈕開始采集。此時系統(tǒng)將在后臺進行操作，完成對各參量的初始化，以及數據的采集工作。在采集完成以前【繪圖】、【保存】、【打印】為隱藏按鈕，點擊也不起作用，當采集完成以后，彈出【采集完成】的提示對話并激活這三個按鈕。需要觀察波形和數據時，先在參數設置中選擇需要繪圖的通道，然后點擊【繪圖】按鈕，便可在右邊的圖表中繪制波形圖，并且在文本框中顯示采集的數據，不同通道的波形可用不同的顏色繪制。波形中，橫坐標表示采集到的點的順序，縱坐標表示相應點對應的電壓值，考慮到一般需要，繪圖和數據顯示時均顯示全部采集到的數據。圖3 為某此數據采集后得到的波形圖，圖4 為某次數據采集后得到的采集數據。

圖3 某次數據采集后得到的波形圖

圖4 某次數據采集后得到的采集數據

5 結論

本文設計的數據采集系統(tǒng)實現(xiàn)了多通道數據采集、顯示、存儲及打印的功能，并生成執(zhí)行文件，使得用戶不需在PC 機上安裝LabWindows/CVI 軟件，只需安裝并運行執(zhí)行文件即可進行數據的采集。實際應用表明，該數據采集系統(tǒng)具有成本低、功能強、操作簡單、使用方便等特點，同時虛擬儀器“軟件決定系統(tǒng)功能”的思想也使得本系統(tǒng)具有很高的靈活性和可擴展性，用戶可在本系統(tǒng)的基礎上通過改變或增加軟件程序，改變或者擴展系統(tǒng)的功能，可增加示波器、數據處理及濾波、標定等功能。

[1]張毅剛，喬力巖.LabWindows/CVI 6.0編程指南[M].北京：機械工業(yè)出版社，2002，8.

[2]王建新，隋美麗.LabWindows/CVI虛擬儀器測試技術及工程應用[M].北京：化學工業(yè)出版社，2011，9.