LabVIEW中DAQ數據采集系統設計

Design of the Data Acquisition System Based on LabVIEW DAQ

王　平　楊　濤　侯守全　李廣義

(內蒙古工業大學機械學院，內蒙古 呼和浩特　010051)

LabVIEW中DAQ數據采集系統設計

Design of the Data Acquisition System Based on LabVIEW DAQ

王平楊濤侯守全李廣義

(內蒙古工業大學機械學院，內蒙古 呼和浩特010051)

摘要：針對模擬火箭噴管堵蓋打開試驗難模擬、難控制、難測量等特點，采用LabVIEW軟件中DAQ數據采集系統。考慮到模擬火箭噴管堵蓋打開時的壓力上升速率，且要求壓力上升速率可調可測，提出基于NI-cDAQ9174機箱、數字量NI9421 NI9472 模塊和模擬量NI9221 NI9227模塊的程序平臺。開發了一套包含數字量組合與模擬量混合的壓力信號采集、靶線電壓記錄的數據采集系統，最終實現了模擬火箭噴管堵蓋打開時壓力數據的采集與靶線電壓信號的記錄。

關鍵詞：LabVIEWNI-cDAQ9174數據采集噴管堵蓋數字量模擬量

Abstract：The open test for rocket nozzle closure is difficult to simulate, control and measure, by using DAQ data acquisition module in LabVIEW software, the pressure rising rate can be easily simulated when the closure is opened, and this rising rate can be adjustable and measured. Based on platform of NI-cDAQ9174 chassis, digital modules NI9421, NI9472 and analog modules NI9221, NI9227, the data acquisition system including pressure signal acquisition with digital combination and analog combination, and target line voltage record has been developed, to implement pressure data acquisition and target voltage signal record when the closure of rocket nozzle is opened.

Keywords：LabVIEWNI-cDAQ9174Data acquisitionNozzle closureDigitalAnalog

0引言

LabVIEW是虛擬儀器領域中具有代表性的圖形化編程軟件。借助NI LabVIEW，用戶可通過各種方法快速輕松采集實際信號、分析確定有用的數據、通信或存儲結果。

虛擬儀器是在計算機為核心的平臺上，具有虛擬面板，測試功能由測試軟件實現的一種計算機儀器系統[1]。國內虛擬儀器的研究也是從引進消化NI的產品開始。如863項目“虛擬儀器關鍵技術的研究及其產業化”，所研制的“一體化虛擬儀器”就是一種不同于歐美虛擬儀器的技術[9]。LabVIEW是虛擬儀器領域中具有代表性的圖形化編程開發平臺，主要應用于數據采集、儀器控制、數據顯示等領域，并適用于多種不同的操作系統平臺[4]。

本文闡述了噴管堵蓋打開系統數據采集系統的設計方法。基于LabVIEW軟件的試驗系統完成了數據采集、處理、顯示等功能。

1試驗總體設計思路

本次試驗主要目的在于能夠模擬發動機噴管堵蓋打開時的壓力上升速率，該壓力上升速率可調。其中涉及機械部分主要為充壓容器與安裝容器,軟件部分設計基于LabVIEW數據采集平臺。充壓容器內是一種恒定的氣源，壓力不變，需要配置高壓泵源；安裝容器可以在充壓容器中獲得氣源,用于模擬發動機噴管堵蓋的氣壓環境。從充壓容器到安裝容器的控制閥采用氣動控制球閥。由于球閥開啟后在閥口不會產生節流效應，因此初始設計采用4個氣動球閥并聯組合，實現閥有效面積的變化，從而改變充氣時間，間接改變充壓速率。

由于NIC 系列模塊在單個模塊內集成了A/D轉換器、信號調理和信號連接功能，所以本次試驗選擇NIC系列模塊。

本次試驗基于NI-cDAQ9174，對某火箭噴管堵蓋打開試驗進行實時數據采集。NI-cDAQ-9174為四插槽可熱插拔模塊,為數據采集提供了更高效的混合傳感器測試性能。通過LabVIEW中NI-cDAQ9174平臺設計程序,使得前面板的開關控制器控件與控制柜上按鈕指示燈達到開閉一致的目的，最后實現數據采集與記錄。

2采集系統硬件設計思路

本試驗采集系統的硬件主要通過工業顯示器、工控機、壓力變送器、NI-cDAQ9174機箱以及NI9421 NI9472 NI9221 NI9227模塊實現。采集過程流程如圖1所示。

圖1　采集過程流程圖

2.1　壓力變送器

系統選用4個壓力變送器，型號為HP1000型鈦/硅藍寶石超高壓壓力變送器。先進的硅藍寶石技術保證了在高壓下變送器優良的穩定性、滯后性。使用標準的工業接口，保證了在超高壓下的安全性和可靠密封，并能保持高精度輸出，輸出信號為4~20 mA。

2.2　數據采集卡

數據采集卡將外界的模擬信號采集到計算機中。NI公司對其全部的DAQ產品提供了專門的驅動程序庫[5]。NI-cDAQ9174是一款可熱插拔4槽NICompactDAQUSB機箱，適用于小巧便攜的混合測量測試系統。其可連續讀寫波形測量數據,最多可測量128路通道的電子、物理、機械或聲音信號；可與最多4個NIC系列I/O模塊結合，用于構建自定義的模擬輸入、模擬輸出、數字I/O測量系統。

由于NIC系列內置信號調理，不需要再對信號進行處理，對于信號的準確性至關重要，所以本次板卡選取C系列。表1為本次試驗所選用的NIC系列模塊參數。

表1　模塊參數

3采集系統軟件設計思路

本次試驗的軟件設計部分基于LabVIEW平臺。設計主要包括兩部分內容：一是數字量部分設計，這部分主要是通過NI9421和NI9472在軟件中的開關控制器控件或者在控制柜中按鈕指示燈控制繼電器，進而控制并聯組合的氣動控制球閥的啟閉，以實現沖壓時間的間接控制；二是模擬量部分設計，這部分主要在實現第一部分功能的基礎上通過壓力變送器實現壓力信號的采集，NI9221、NI9227模塊分別實現電流信號采集與靶線電壓的記錄。

3.1　數字量開關設計

數字I/O功能用途相當廣泛，可以用來實現數據采集的觸發、控制及記數等功能，它按照TTF邏輯電平設計，其邏輯低電平在0~0.7 V之間，高電平在3.4~5.0 V之間。本次試驗主要運用數字I/O的觸發功能，實現在LabVIEW前面板中的開關控制器控件與控制柜上的按鈕指示燈形成對應統一的控制，即前面板上的開關控制器控件或者控制柜上的按鈕指示燈都可以啟動或者關閉4個并聯組合氣動控制球閥。

3.1.1前面板與控制柜的設計

本設計程序中的前面板與控制柜上分別包括控制氣動控制球閥1啟閉的閥1按鈕(指程序前面板上開關控制器控件和控制柜上的按鈕指示燈。如果沒有特別強調是前面板還是控制柜上的按鈕，即為兩者中的任一)、控制氣動控制球閥2啟閉的閥2按鈕、控制氣動球控制閥3啟閉的閥3按鈕、控制氣動控制球閥4啟閉的閥4按鈕、控制4個氣動控制球閥任意并聯組合開啟的閥開啟按鈕、閥關閉急按鈕、急停按鈕。預設功能為任意組合按下4個閥按鈕后再按下閥啟動按鈕，即可實現任意組合球的閥開啟，按下閥關閉按鈕即可實現氣動控制球閥的關閉。按下急停按鈕后進行物理上的斷電。

3.1.2單個閥的開閉程序設計

在程序設計過程中，首先設計單個閥的啟動與關閉，然后設計并聯組合閥的開閉。預設功能為按下閥1按鈕后，再按下閥啟動按鈕，氣動控制球閥開啟。在設計單個閥的開閉時，LabVIEW中的“異或”控件和Case結構起到了很大的作用，實現了同步開閉。其創建過程如下：使用DAQmx Create Virtuai Channel.vi創建一個數字通道；使用DAQmx Start Task.vi啟動數字輸入任務；使用DAQmx Read.vi讀取；使用DAQmx Clear Task.vi停止并清除任務。

設計程序時開始使用“或”控件，當按下閥1控制柜或者前面板上閥1按鈕執行Case結構中的“真”時，寫入通道信號，經過“讀取”控件讀取緩存中的數字量“1”，使程序面板中閥1按鈕燈亮，繼電器得電后使得閥1按鈕指示燈同時也亮，繼而氣動控制球閥1開啟。又由于Case結構“真”中的閥1的局部變量與“布爾真”相連，使得閥1一直處于邏輯“真”狀態，即程序面板上的閥1按鈕與控制柜上的閥1按鈕指示燈一直亮，所以一直執行Case結構中“真”，從而無法跳出Case結構中的“真”執行Case結構中的“假”狀態，繼而無法關閉閥1。改進后使用“異或”控件和嵌套的Case結構控件，通過異或邏輯關系和嵌套的Case結構可以實現同步開閉以及用閥啟動啟動閥1。

在Case結構中作“真真”，按下閥1按鈕后，經Case結構中的“條件選擇”，進入Case結構中的“真”；再經Case結構中的“條件選擇”，進入Case結構中的“真”，此時再按下閥啟動按鈕，閥1按鈕亮，繼電器得電，氣動控制球閥打開。

當按下閥關閉按鈕后，由于第一個Case結構中的“條件選擇”，所以只能跳出“真真”結構，進入Case結構中的“假”。由于“異或控件”，所以進入嵌套的Case結構中的“真”。在Case結構 “假真”中的局部變量使得閥1與閥啟動一直處于關閉狀態，即邏輯“假”，閥關閉一直處于開啟狀態，即邏輯“真”，實現預設功能。其余3個氣動控制球閥的開閉同理，這樣4個氣動控制球閥的并聯組合開閉就可以實現。急停開閉的設計同樣采用嵌套的Case結構與邏輯控件組合達到預設目的。通過數字量的合理設計，開發了數據采集中開關量需求部分。

3.2　模擬量設計

這部分程序設計主要是在完成了控制并聯組合的氣動控制球閥啟閉后，實現壓力信號的采集、電流信號與靶線電壓信號的記錄。壓力變送器采集壓力信號并且通過NI9227模塊轉換為電流信號。4個壓力變送器中2個分別安裝在安裝容器1和安裝容器2上，分別用于采集充壓壓力實時變化情況和堵蓋爆破時的峰值壓力。其余2個分別安裝在2個70 L的充壓容器上，用于顯示向安裝容器充壓過程中壓力容器中的壓力值。靶線電壓信號是通過NI9227模塊記錄壓力變送器的電流信號。電流信號采集程序設計過程中，讀取壓力變送器的壓力信號后，使用信號拆分控件使得4路電流信號分別用波形圖表控件顯示，這樣可以更直觀、清楚地觀察信號的變化。為了方便試驗記錄，在拆分信號后首先需要記錄安裝容器1上的壓力變送器的壓力信號最大值，這一過程可以使用中間變量將最大值進行傳遞，最后在安裝容器壓力1峰值壓力顯示控件中記錄。記錄安裝容器2上的壓力變送器的壓力信號最大值，其最大值信號最后保存在安裝容器壓力2峰值壓力顯示控件。最后再通過中間變量比較安裝容器壓力1峰值壓力信號與安裝容器壓力2峰值壓力大小，最終將壓力最大值記錄在充壓峰值壓強控件中。同時在充壓時記錄時間，在充壓結束后記錄時間，作差可以得到時間差，用充壓峰值壓強控件記錄的最大壓力值除以時間，可以得到充壓速率(單位MPa/s)。通過調節4個閥的組合可以調節閥打開的流量，從而調節充壓時間，達到調節充壓速率的要求。

兩路靶線分別連接NI9227模塊端子，采用5 VDC供電，串聯精密電阻，使通過每根靶線的電流在5 mA左右。NI9227模塊記錄兩路靶線在通電時的信號,以監測堵蓋是否可以在爆破時打開。

4結束語

數據采集一直在行業中扮演著重要角色，本次試驗基于圖形化編程軟件LabVIEW平臺中的DAQ數據采集功能，通過機械部分氣動控制球閥、安裝容器、充壓容器等，利用NI-cDAQ9174機箱和數字量NI9421、NI9472 模塊，模擬量NI9221、NI9227模塊，實現壓力信號的采集與靶線電壓的記錄，以及發動機噴管堵蓋打開時壓力上升速率的模擬。本次基于LabVIEW軟件的試驗系統，已經實現預設功能，完成了對數據的采集、處理、顯示、儲存，最終達到試驗目的。

參考文獻

[1] 龍華偉,顧永剛.LabVIEW8.21與DAQ數據采集[M].北京:清華大學出版社,2008.

[2] 楊高科.LabVIEW虛擬儀器項目開發與管理[M]. 北京:機械工業出版社，2012.

[3] 吳成東,孫秋野. LabVIEW虛擬儀器程序設計及應用[M].北京：人民郵電出版社,2008.

[4] 楊忠仁，饒程.基于LabVIEW數據采集系統[J].重慶大學學報,2004，27(2):32-34.

[5] 石川，張琳娜.基于LabVIEW數據采集與信號處理系統的設計[J].機械設計與制造,2009(5):21-23.

[6] 張軍峰，王燕燕.基于PLC-816和LabVIEW的高速數據采集系統設計[J].機械設計與制造,2007(7).

[7] 陳真,王延江.基于LabVIEW的遠程數據采集系統開發[J].儀表技術與傳感器,2006(6):16-19.

[8] 張丙才,劉琳.基于LabVIEW的數據采集和信號處理[J].儀表技術與傳感器,2007(12):74-75.

[9] 李震,柯旭貴.虛擬儀器的發展歷史、研究現狀與展望[J].安徽工程科技學院學報， 2003,18(4):1-3.

[10]閆玲，方開翔.基于LabVIEW的多功能數據采集與信號處理系統[J].江蘇科技大學學報，2006,20(3)：50-54.

中圖分類號：TH7；TP273

文獻標志碼：A

DOI:10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201507009

內蒙古自治區高等學科科學基金資助項目(編號：NJZY13117)；

內蒙古工業大學科學基金資助項目(編號：ZD201303)。

修改稿收到日期：2015-01-09。

第一作者王平(1989-)，男，現為內蒙古工業大學機械制造及其自動化專業在讀碩士研究生；主要從事機電控制設計與研究。