數據采集及處理系統的LabVIEW程序設計和界面設計

裴清福

(陜西鐵路工程職業技術學院,渭南 714000)

引言

隨著我國計算機技術以及智能儀器儀表的快速發展，數據采集以及數據處理技術已經成為了對數字信號進行處理的前期工作之一，廣泛的應用于生產生活的多個領域。由于受到測控成本的不斷增加、測控系統越來越復雜、測控投資的保護要求不斷增高等因素的影響，需要進一步完善數據采集及處理系統。用戶可以選擇標準化的硬件平臺，能夠有效的降低測試成本，但是這種方法的作用有限。通過虛擬儀器的正確使用，能夠有效的縮短軟件開發的周期，增加程序的可重復性，最終達到降低測控成本的目的，虛擬儀器主要是基于模塊化的軟件標準來進行開發，所以用戶可以選擇適合要求的任何測試硬件。LabVIEW屬于通過虛擬面板界面與方框圖建立虛擬儀器的圖形程序設計系統，目前已經被視為標準的數據采集儀器和控制軟件，廣泛的應用到學術界、工業界及研究室等，基于LabVIEW的數據采集系統簡單易學、靈活便捷、人機交互界面比較直觀，本文以LabVIEW為基礎開發平臺，設計一套數據采集及處理系統，通過仿真實現了系統數據采集、處理、存儲、顯示以及回放功能。

1 LabVIEW的結構及特點

1.1 LabVIEW的結構

LabVIEW的程序主要由3部分來組成，第一部分是程序的前面板，主要是為了對真實儀器的模擬，通過交互式圖形化的形式使界面用于用戶的輸出程序設計以及顯示程序輸出的代碼。第二部分是框圖程序，框圖程序主要是通過數據對象的圖形化來對前面板上的控制量以及指示量進行控制，最終真實的反應出前面板上的控制量以及知識量的輸出情況。第三部分是接線端口及圖標，接線端口主要是通過將LabVIEW子程序化，從而方便LabVIEW在其他程序中的調動。

1.2 LabVIEW的特點及運用優勢

LabVIEW具有便捷、高效、靈活的特點，在許多程序中都有非常重要的作用，LabVIEW的編輯語言與傳統的編輯語言之間的差別在于LabVIEW不需要將對象進行文本化編輯，另外，通過圖形化編輯語言會使所編輯的程序更加的直觀、簡潔。在實際應用中的優勢在于：用戶可以根據自己的需求來對虛擬儀器的功能進行靈活定義，通過不同的功能模塊來組成多種儀器，不會受到儀器廠商提供功能的限制。虛擬儀器可以將所有控制信息集中在軟件模塊中，通過多種方式來顯示數據采集、處理、存儲的過程，提高了虛擬儀器使用的靈活性。虛擬儀器能夠隨時對數據進行編輯，通過傳輸系統存儲到計算機，充分利用計算機的存儲功能，擴大數據記錄的容量。虛擬儀器可以合理的利用圖形與用戶界面，根據實際需求，可以通過軟件編程來直接對數據進行分析與處理。

2 基于LabVIEW的數據采集及處理系統設計思路

(1)根據應用場合來選擇適當的DAQ設備，主要依據包括：通道數、采樣頻率、分辨率以及出發方式。

(2)了解驅動的具體功能，根據相應的目的來選出適合應用程序的驅動。

(3)在LabVIEW中編制數據采集控制程序，利用LabVIEW對數據進行采集，在LabVIEW中對各種設備進行控制來完成特定的功能。

3 系統硬件設計

基于LabVIEW數據采集系統采集硬件具有多種形式。要根據相應的環境來選擇合適的硬件資源，驅動程序為LabVIEW中的數據采集硬件驅動程序，通過操作命令完成各個接口之間的數據傳遞，用戶可以通過驅動程序的用戶接口對硬件進行設置，并且對相應的數據進行處理。其具體流程,如圖1所示。

圖1 數據采集系統硬件程序

該設計的硬件資源采用插卡式低價位數據采集卡PCI-6013，該采集卡具有16路單端/8路差分模擬輸入，采樣路能夠達到200K/V，轉換精度為16位，輸入范圍能夠從(±0. 5)～(±10)V，具有2位計數器與8條(5V/TTL)數字I/O線。

4 系統軟件設計

4.1 功能設計

系統的軟件設計是數據采集與處理系統的設計核心,該系統采用模塊化與層次化的設計理念，模塊化設計可以使整個系統結構清晰，并且便于系統維護，基于LabVIEW的數據采集及處理系統軟件結構功能，如圖2所示。

在軟件結構中，主要包括數據的采集、數據分析、數據顯示等。能夠完成測試系統中常用任務。其中，信號的產生主要是利用LabVIEW中的信號發生函數庫來實現，通過等時間間隔來取得函數值，最終獲得離散時間序列信號。數據采集主要是運用Acquisition子模板。數據處理主要是對所采集到信號的加窗、濾波功能，加窗主要是為了減少頻譜的泄露，而濾波主要是為了從信號中對期望值進行提取，數據分析主要是對數據的時域分析以及頻域分析。時域分析包含自相關分析、波峰檢測等。頻域分析包括幅值譜以及相位分析。

圖2 數據收集系統軟件功能結構圖

4.2 系統界面設計

根據軟件系統的6個功能模塊對其相應的界面進行設計如下。

4.2.1 系統啟動界面：系統啟動界面包括簡單的用戶信息、系統啟動條、系統啟動進度顯示。當系統加載成功之后，點擊登錄界面按鈕便可以進入用戶登錄界面，點擊退出按鈕便可退出系統。

4.2.2 用戶登錄界面：用戶登錄界面設計,如圖3所示。

圖3 用戶登錄界面

該界面需要輸入用戶名與密碼，主要功能在于對用戶身份的驗證，驗證通過之后顯示登錄成功，從而用戶可以進入到系統的菜單界面，如果驗證失敗，則需通過退出按鈕退出系統，重新登錄。

4.2.3 系統菜單界面：菜單界面,如圖4所示。

通過一系列功能按鈕組成，在進入菜單界面之后，按鈕被激活，分別點擊數據采集、數據處理、數據回收按鈕便可跳轉到相應界面，點擊退出按鈕可以返回激活前狀態。

4.2.4 數據采集界面：數據采集界面設計,如圖5所示。

數據采集界面主要是模擬與實現兩路信號的采集：電壓信號與溫度信號。通過信號選擇開關對信號進行選擇，通過信號開關可以對單路與雙路信號進行采集，根據溫度信號來

圖4 系統菜單界面

設計溫度表盤，并且精確的實現溫度值，當溫度超過限值就會通過報警指示燈進行提示。在數據采集界面中，會包含一些基本參數的設置，另外還包括暫停和返回按鈕，單機暫停按鈕，系統會暫停對數據的采集，單機返回按鈕，便可返回系統的菜單界面。

4.2.5 數據處理界面設計：數據處理界面設計,如圖6所示。

主要對電壓以及溫度兩路信號的處理，對電壓進行濾波、頻譜分析、峰值壓縮等處理。對溫度信號進行均值壓縮，除此之外還包括溫度表盤、選擇開關、參數配置、暫停與返回按鈕。由于經過濾波后的電壓信號比較清晰平滑，更便于觀察，所以運用濾波處理是對信號處理比較常用的手段。關于頻譜分析主要是得到信號的頻域描述，能夠對信號的認知信息了解的更加全面，信號寬帶在小于采樣頻率的1/2時，就可以防止頻譜混疊的現象發生，本文所設計的信息采樣頻率為1 000 HZ，電壓幅度譜主要集中在0-50 HZ之間，由于在實際工程中，為了信號保真，信號的寬帶要小于采樣頻率的1/10，再加上軟件仿真環境理想，所以信號的幅度譜主要在50 HZ頻段之內。

圖5 系統數據采集界面

圖6 系統數據處理界面

關于對數據的壓縮采樣主要是對信號信息保留的同時對其進行壓縮，通過對數據的壓縮可以減小數據的體積，有利于數據傳輸。本文所設計的數據采集及處理系統主要是對電壓信號進行峰值壓縮，對溫度信號進行均值壓縮，將壓縮因子設置為10，對所采集到的電壓信號，每10個標記出最大值，對于溫度信號，每10個標記出平均值，通過對電壓信號峰值進行壓縮之后便可以得到準確的峰值信息，將溫度信號壓縮之后便可以得到平均溫度。

5 總結

目前，虛擬儀器技術已經成為了計算機測量領域的前沿技術，將虛擬儀器技術運用到測試相關的教學以及工程實踐已經成為必然趨勢。通過對信號源、信號采集系統的合理設計以及LabVIEW程序的運行，能夠大幅度的提高仿真信號的強度，提高頻譜研究的效率，加強信號的保存度，根據模擬發生器的信號采集與處理能夠更加直觀的為真實儀器提供各方面有效的信息，所以在實際運用中具有一定的推廣意義。