基于LabVIEW的數(shù)據(jù)采集及處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

宋佩利， 趙春祥， 連 蓉

（中車永濟(jì)電機(jī)有限公司， 陜西 西安 710018）

引言

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，對測量技術(shù)的要求越來越高。數(shù)據(jù)采集技術(shù)（Data Acquisition）是信息科學(xué)的一個(gè)重要分支，與傳感器技術(shù)、信號處理技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)一起構(gòu)成了現(xiàn)代檢測技術(shù)的基礎(chǔ)。在生產(chǎn)過程中，數(shù)據(jù)采集技術(shù)可對生產(chǎn)現(xiàn)場的參數(shù)進(jìn)行采集、監(jiān)視和記錄，為提高產(chǎn)品質(zhì)量、降低成本提供信息；在科學(xué)研究中，數(shù)據(jù)采集技術(shù)可獲得大量的動(dòng)態(tài)信息，是研究瞬間物理過程的有力工具，也是獲取科學(xué)奧秘的重要手段之一[1]。

1 軟件開發(fā)平臺及硬件設(shè)備介紹

虛擬儀器（Virtual Instrument）是基于計(jì)算機(jī)的儀器，主要是指將儀器裝入計(jì)算機(jī)，以計(jì)算機(jī)硬件及操作系統(tǒng)為依托，實(shí)現(xiàn)各種儀器功能。虛擬儀器技術(shù)相比傳統(tǒng)儀器，功能更強(qiáng)、處理速度更快、頻帶更寬、用途更廣、操作更簡單、體積更小、可擴(kuò)充性更好。目前在這一領(lǐng)域內(nèi)，使用較為廣泛的計(jì)算機(jī)語言和開發(fā)環(huán)境是美國NI公司的LabVIEW[2]。圖1反映了常見的虛擬儀器組建方案。

圖1 虛擬儀器組建方案

LabVIEW是一種圖形化的編程語言和開發(fā)環(huán)境，它的基本程序單位是VI，通過圖形編程的方法，建立一系列的VI，來完成用戶指定的測試任務(wù)。

PIO-821PGL/PGH是一塊適用于PC/AT兼容機(jī)的高性能多功能數(shù)據(jù)采集卡，PIO-821PGL/PGH包含一個(gè)12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC），提供最多16路單端模擬輸入通道或者8路差分模擬輸入通道，并且還包含12位數(shù)模轉(zhuǎn)換（DAC）電壓輸出和16通道的TTL兼容開關(guān)量輸入及開關(guān)量輸出，其中最大的A/D轉(zhuǎn)換采樣速率為45 Ks/s。

2 系統(tǒng)軟件的總體設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)要求

本系統(tǒng)軟件要求實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集、實(shí)時(shí)顯示、數(shù)據(jù)回放、數(shù)據(jù)分析處理以及數(shù)據(jù)存儲等功能。同時(shí)要求軟件系統(tǒng)界面友好，具有良好的可操作性、易維護(hù)、可靠性和安全性。

2.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)軟件的目標(biāo)要求，要實(shí)現(xiàn)一個(gè)通用的數(shù)據(jù)采集與處理軟件。在設(shè)計(jì)時(shí)需要進(jìn)行模塊劃分，確定每個(gè)模塊的功能。軟件結(jié)構(gòu)框圖是軟件開發(fā)的有效手段。圖2為系統(tǒng)軟件的結(jié)構(gòu)框圖。

圖2 系統(tǒng)軟件的結(jié)構(gòu)框圖

2.3 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件功能包括：數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)分析。基于PIO-821數(shù)據(jù)采集卡的數(shù)據(jù)采集及處理系統(tǒng)程序框圖如圖3所示。

3 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1 數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的基本任務(wù)是物理信號的產(chǎn)生與測量，通常被測物理信號需要利用信號調(diào)理電路轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)的電壓信號或電流信號才能接到數(shù)據(jù)采集卡上進(jìn)行測量。

采樣是進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換的主要環(huán)節(jié)，采樣頻率決定了模數(shù)轉(zhuǎn)換（A/D）的頻率。較高的采樣率可以更好地還原原始信號。而采樣率過低則可能會導(dǎo)致信號畸變。圖4和5顯示了一個(gè)信號分別用充分的采樣率和過低的采樣率進(jìn)行采樣的結(jié)果。

圖3 系統(tǒng)的程序框圖

圖4 充分采樣

圖5 不充分采樣

根據(jù)采樣定理，為防止發(fā)生混頻，最低采樣頻率必須是信號最高頻率的兩倍。在實(shí)際上工程中選用5～10倍，有時(shí)為了較好地還原波形，甚至更高一些。

3.2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要包括數(shù)據(jù)采集、波形顯示、數(shù)據(jù)存儲。

該設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)采集及處理系統(tǒng)，采用單端或差分輸入、軟件觸發(fā)、多通道循環(huán)掃描方式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采樣，所獲得的數(shù)據(jù)以動(dòng)態(tài)波形在窗口顯示，并可存儲原始數(shù)據(jù)。

采集程序首先調(diào)用動(dòng)態(tài)鏈接庫PIO821_TotalBo ard()函數(shù)，獲得PCI總線上的數(shù)據(jù)采集卡總數(shù)。然后調(diào)用動(dòng)態(tài)鏈接庫PIO821_ActiveBoard()函數(shù)，驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)采集卡；調(diào)用PIO821_SetChannelConfig()函數(shù)，設(shè)置模擬輸入通道的配置，包括AD轉(zhuǎn)換通道數(shù)和通道增益；調(diào)用PIO821_ADPsPacer()函數(shù)，從模擬輸入通道中讀入現(xiàn)時(shí)的AD轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)；調(diào)用PIO821_Cl oseBoard()函數(shù)結(jié)束程序，停止并關(guān)閉PIO821的內(nèi)核驅(qū)動(dòng)，釋放出設(shè)備占用的系統(tǒng)資源，退出應(yīng)用程序，框圖如圖6所示。

圖6 數(shù)據(jù)采集程序的框圖

數(shù)據(jù)采集程序前面板，可手動(dòng)選擇采集類型和 增益模式，設(shè)置好采樣通道、采樣點(diǎn)數(shù)和采樣頻率，然后點(diǎn)擊運(yùn)行按鈕即可運(yùn)行程序。

4 數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

4.1 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理程序的功能主要包括：數(shù)據(jù)回放、濾波、窗函數(shù)、頻譜分析和功率譜分析。

4.2 數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

4.2.1 數(shù)據(jù)回放程序設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)回放程序采用Express VI（Read LabVIEW Measurement File），這個(gè)Express VI的功能是從測試數(shù)據(jù)文件中讀取以.lvm文件格式存盤的數(shù)據(jù)。

4.2.2 濾波程序設(shè)計(jì)

在LabVIEW中存在各種數(shù)字濾波器，它們的主要功能是把輸入序列通過一定的運(yùn)算變成輸出序列，同時(shí)起到濾波的作用。

4.2.3 數(shù)據(jù)頻域分析程序設(shè)計(jì)

1）窗函數(shù)。窗函數(shù)采用海寧窗（Hanning Window.vi）函數(shù)。

2）頻譜分析。頻譜分析采用Express VI中的Spectral Measurement.vi，通過參數(shù)設(shè)置對話框?qū)?shù)進(jìn)行設(shè)置，實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)的頻譜分析。

3）功率譜分析。功率譜分析采用Auto Power Spectrum.vi（即自功率譜函數(shù)節(jié)點(diǎn)），自功率譜函數(shù)可計(jì)算出一個(gè)輸入時(shí)域序列的單邊功率譜[3]。

4.2.4 數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)

數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的程序框圖如圖7所示。

5 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

圖7 數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的程序框圖

在組建了數(shù)據(jù)采集及處理系統(tǒng)后，通過實(shí)驗(yàn)，對標(biāo)準(zhǔn)信號和實(shí)際信號進(jìn)行采集和處理。

5.1 標(biāo)準(zhǔn)信號實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

實(shí)驗(yàn)時(shí)，設(shè)定采樣頻率為1 000 Hz，采樣點(diǎn)數(shù)為1 024個(gè)點(diǎn)。

首先，使三臺信號發(fā)生器分別產(chǎn)生50 Hz的正弦波、50 Hz的方波和50 Hz的三角波，把三種波形分別接入PIO-821數(shù)據(jù)采集卡的三個(gè)不同的通道，在LabVIEW環(huán)境下運(yùn)行數(shù)據(jù)采集及處理系統(tǒng)，對三個(gè)不同通道的波型數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取，保存、顯示和處理，改變PIO-821采集卡的輸入通道，直到PIO-821數(shù)據(jù)采集卡的所有通道全部被驗(yàn)證完。其次，改變信號發(fā)生器產(chǎn)生信號的頻率，再驗(yàn)證系統(tǒng)的所有采集通道。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果：數(shù)據(jù)采集及處理系統(tǒng)采集信號發(fā)生器產(chǎn)生的50 Hz的正弦波、50 Hz的方波和50 Hz的三角波的采集波形如圖8所示；數(shù)據(jù)采集及處理系統(tǒng)對采集到的50 Hz的正弦波的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理的結(jié)果如圖9所示；數(shù)據(jù)采集及處理系統(tǒng)對采集到的50 Hz的方波的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理的處理結(jié)果如圖10所示；數(shù)據(jù)采集及處理系統(tǒng)對采集到的50 Hz的三角波的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理的處理結(jié)果如圖11所示。

經(jīng)過對PIO-821數(shù)據(jù)采集卡的所有采集通道進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)信號的數(shù)據(jù)采集和處理，驗(yàn)證了該系統(tǒng)具有較高的精確性和可靠性，達(dá)到預(yù)期的設(shè)計(jì)目標(biāo)。

圖8 采集波形圖

5.2 實(shí)際信號實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

實(shí)驗(yàn)中，設(shè)定的采樣頻率為1 000 Hz，采樣點(diǎn)數(shù)為1 024個(gè)點(diǎn)。首先，使振動(dòng)實(shí)驗(yàn)儀產(chǎn)生振動(dòng)，利用示波器測試振動(dòng)實(shí)驗(yàn)儀產(chǎn)生振動(dòng)的速度信號和加速度信號的頻率。然后把振動(dòng)實(shí)驗(yàn)儀產(chǎn)生振動(dòng)的速度信號接入PIO-821數(shù)據(jù)采集卡的某一個(gè)通道。運(yùn)行數(shù)據(jù)采集及處理系統(tǒng)，對該通道采集到的信號進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取，保存、顯示和處理。其次，用數(shù)據(jù)采集及處理系統(tǒng)的某一個(gè)通道采集加速度信號并進(jìn)行處理。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果：數(shù)據(jù)采集及處理系統(tǒng)采集由振動(dòng)實(shí)驗(yàn)儀產(chǎn)生振動(dòng)的速度信號的采集波形如圖12所示；數(shù)據(jù)采集及處理系統(tǒng)對采集到的速度信號的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理的處理結(jié)果如圖13所示。

圖9 0通道數(shù)據(jù)處理結(jié)果

圖10 1通道數(shù)據(jù)處理結(jié)果

圖11 2通道數(shù)據(jù)處理結(jié)果

圖12 采集速度數(shù)據(jù)波形圖

圖13 速度數(shù)據(jù)處理結(jié)果

經(jīng)過對PIO-821數(shù)據(jù)采集卡的某一采集通道進(jìn)行實(shí)際信號的數(shù)據(jù)采集和處理，由示波器測出振動(dòng)實(shí)驗(yàn)儀產(chǎn)生的速度和加速度信號的頻率大約在50 Hz左右，而經(jīng)實(shí)驗(yàn)處理得出的結(jié)果基本與實(shí)際相符合，說明該系統(tǒng)具有較高的實(shí)用性，達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)目標(biāo)。

6 結(jié)語

本設(shè)計(jì)完成數(shù)據(jù)采集及處理系統(tǒng)的整體構(gòu)建，應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)信號和實(shí)驗(yàn)信號對系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理功能的準(zhǔn)確性、可靠性和實(shí)用性進(jìn)行了驗(yàn)證，驗(yàn)證結(jié)果表明系統(tǒng)具有較高的準(zhǔn)確性、可靠性和實(shí)用性，達(dá)到預(yù)期的設(shè)計(jì)目標(biāo)。

[1]馬明建.數(shù)據(jù)采集與處理技術(shù)：第二版[M].西安：西安交通大學(xué)出版社，2005.

[2]侯國屏，王珅，葉齊鑫.LabVIEW7.1編程與虛擬儀器設(shè)計(jì)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2005.

[3]劉傳清.LabVIEW對數(shù)據(jù)采集卡DLL函數(shù)的調(diào)用[J].襄樊學(xué)院學(xué)報(bào)，2004（9）：77-79.