一種基于LabVIEW的數據采集系統的實現?

劉小虎 唐 勇

（1.海軍工程大學電氣工程學院 武漢 430033）（2.武漢東湖學院機電工程學院 武漢 430212）

1 引言

LaVIEW是一種圖形化開發環境，在數據測量與分析以及控制領域使用十分廣泛，它的功能十分強大且易于上手［1］。其功能包括數值運算、數據采集、數據處理、信號生成、信號分析、數據通信、圖像生成等。與傳統編程采取的文本相比，LabVIEW視同圖形語言G語言編程，界面友好直觀，是一種直覺式圖形程序語言［2］。基于上述LabVIEW的特性，本文以LabVIEW作為開發環境設計制作了數據采集系統的上位機軟件，并使用自主研發的采集設備作為相應的下位機系統。整個數據采集系統主要由上述兩部分組成，本文主要介紹了上位機設計實現方法，并在實際測試中進行了性能檢驗。兩者采用UDP協議進行數據通信。

2 上位機總體設計

根據分析地震數據所需的要求，上位機的主要功能包括數據顯示、UDP網絡通信、網絡參數設置、采集參數設置、標定參數設置、數據存儲位置設置、運行日志等。

圖1 上位機主界面

其中數據存儲和數據顯示本上位機的核心功能，UDP網絡通信實現上位機和下位機之間的數據交互，相關參數設置功能用來配置相關設備信息。本上位機數據顯示的主要功能是用來實時顯示地震波數據波形圖，故在布局上分為兩大部分，如圖1所示，左側為實時波形顯示部分，右側從上至下包括通信指示燈、擺位信號指針、GPS信息以及地震波形圖調節按鈕和旋鈕。

3 UDP網絡通信協議

目前網絡運輸層采用的主要傳輸控制協議（TCP）和用戶數據報協議（UDP）［3］，其中TCP是面向連接的協議，兩個使用TCP的應用在彼此交換數據之前需建立連接，傳輸延遲較大，同時TCP不支持廣播和組播，不能滿足本套數據采集系統的要求；而UDP是一個簡單的面向數據報的運輸協議，通信時直接向網絡端發送數據，在傳輸過程中不關注網絡狀態，能夠支持廣播和組播。

為了實現多機同時監測一臺地震儀，并且使接入到網絡的上位機直接獲取網絡中的地震數據，本文采用UDP協議的方式來進行通信。本文使用的通信協議的一部分如圖2所示。

圖2 通信協議（部分）

4 地震數據存儲協議

為了便于后期對地震數據的分析和處理，本文采用了由港震公司開發的數字遙測地震臺網系統的地震波形數據格式EDAS。

圖3 EDAS格式示意圖

數據采用二進制進行存儲，如圖3所示，當只有一臺地震儀時，數據從91D4開始記錄：標志位91D4-91D7：0表示數據正常，1表示數據異常；91D8起分別是第一秒第一個通道的數據（塊長為采樣率×4字節），第二個通道數據，第三個通道數據；然后是第二秒的數據。

按照該數據格式，存儲的地震數據可在后期使用特定的軟件工具進行相關的數據分析和處理，從而節省自己編寫分析軟件的工作量。

5 FIR濾波器的設計

無限長單位抽樣響應（FiniteImpulse Response，FIR）數字濾波器具有系統穩定性，易于滿足線性相位、允許設計多通帶或多阻帶濾波器和硬件實現容易等特點，在通信、雷達、生物醫學、地震勘探等領域得到廣泛的應用［4］。Matlab是美國MathWorks公司推出的用于工程計算的功能強大的軟件，是“數字信號處理”等學科技術實現和仿真的重要平臺［5］。Matlab中fdatool工具箱可以簡便快捷地設計出符合采集地震數據要求的FIR數字濾波器。

通過地震儀采集的地震數據是有環境等干擾因素的，故而會產生噪聲。為了去掉噪聲對實時波形圖顯示以及后期數據處理的影響，本文基于Matlab中fdatool工具箱，如圖4所示，設計了一個FIR濾波器濾除高頻噪聲的影響。

圖4 Fdatool工具箱

6 上位機軟件

上位機主程序分為兩個線程，一個是用于響應各個菜單、按鈕、旋鈕等事件的定時循環結構，另一個是用于接收數據并進行濾波、顯示和存儲的定時循環結構。其運行流程圖如圖5所示。

上位機運行后，當數據線程接收啟動信號，將進行網絡連接，連接成功進入5ms定時循環進行數據接收和處理，在數據處理時可以通過停止按鈕來終止該5ms定時循環，否則重置上位機并報相應的錯誤，再次等待啟動信號，數據線程LabVIEW程序圖（部分）如圖6所示；事件線程將等待按鈕、菜單、旋鈕等事件、事件發生后處理相應事件，并再次等待事件發生，事件線程LabVIEW程序圖（部分）如圖7所示。

圖5 上位機結構

圖6 數據線程

圖7 事件線程

7 結語

為了使結果更加直觀，本文使用信號發生器產生正弦波信號，通過采集設備采集發送給上位機實時顯示波形，如圖8所示。同時，本上位機還將采集的正弦波形進行了存儲，圖9為使用專用軟件打開的存儲文件所得到的正弦波形。最后，本文還測試了FIR濾波器的性能，先使用信號發生器產生一個低頻正弦波，再產生一個高頻正弦波，之后恢復到之前的低頻正弦波，如圖10所示，該FIR濾波器能有效的濾除信號中的高頻信號。

圖8 實時正弦波形

圖9 存儲的正弦波形

圖10 存儲的正弦波形

本文基于LabVIEW設計了上位機以網絡通信的方式與采集設備進行信息交互，實時濾波顯示并存儲了地震數據波形，滿足了地震教學使用儀器的要求，但要進行地震測定和更進一步的地震數據分析和預測還需建立一個數據網絡，形成一個數據集群，才能得到更加有意義的分析結論。