淺談NI-LabVIEW開發(fā)測量系統(tǒng)

摘 要 隨著人們生活質(zhì)量需求越來越高，科技的進步也迅速發(fā)展，更多的智能化設(shè)備在需求中誕生，但高額的費用讓人望而卻步，其中很大一部分原因為人工成本，如何降低成本是每個廠商的首要考慮問題。因此高效的測量系統(tǒng)就顯得尤為重要，它既能高效地完成既定任務(wù)量，又能極大減輕人工成本，并且具有可改動性，可勝任多樣性的測試任務(wù)，極大地縮短了研發(fā)、測量以及量產(chǎn)周期。National Instruments公司為各種測量、控制系統(tǒng)提供支持，在工業(yè)中得到廣泛應(yīng)用。

關(guān)鍵詞 LabVIEW;數(shù)據(jù)采集;測量系統(tǒng)

1LabVIEW及虛擬儀器概述

LabVIEW（Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench）是圖形化編程語言，采用數(shù)據(jù)流編程方式，數(shù)據(jù)在程序框圖節(jié)點中的流動決定了VI和函數(shù)的執(zhí)行順序。VI（virtual instruments）指虛擬儀器，是可模擬物理儀器的LabVIEW程序模塊。程序框圖、前面板和圖形化代碼共同構(gòu)成一個完整VI。虛擬儀器將硬件、軟件與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的計算機技術(shù)相結(jié)合，使用虛擬儀器可創(chuàng)建整套集成了不同硬件和軟件的系統(tǒng)，進行多樣化的測試、測量、工業(yè)自動化任務(wù)。LabVIEW提供很多外觀與傳統(tǒng)儀器（如示波器、萬用表）類似的控件，可用來方便地創(chuàng)建用戶界面。本文主要是介紹利用NI-DAQmx來完成測量系統(tǒng)構(gòu)建的過程以及常用的測量方法[1]。

2測量系統(tǒng)概述

數(shù)據(jù)采集（Data AcQuisition，DAQ）是指從傳感器和其他待測設(shè)備等模擬或數(shù)字被測單元中自動采集信息的過程，數(shù)據(jù)采集是LabVIEW的核心技術(shù)之一。測量系統(tǒng)其主要任務(wù)是，將實際的物理現(xiàn)象轉(zhuǎn)化為可度量的量，或者產(chǎn)生物理信號。使用以DAQ為核心的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，能快速開發(fā)適合于各種場合的測量系統(tǒng)，被廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代生產(chǎn)、制造等過程中。

測量系統(tǒng)包括傳感器部分、信號調(diào)理部分、數(shù)據(jù)采集部分、計算機、驅(qū)動程序與應(yīng)用軟件，以及測量應(yīng)用部分，具體如圖1所示。整個測量系統(tǒng)一般可分為上位機與下位機。上位機即廣義上的計算機，包括計算機的系統(tǒng)配置、驅(qū)動程序、應(yīng)用程序及應(yīng)用軟件，其他部分為下位機。而隨著集成化程度的提高，很多廠商將傳感器、信號調(diào)理、數(shù)據(jù)采集集成到一個模塊，可統(tǒng)稱傳感器模塊，所以整個系統(tǒng)可簡化為三個模塊：傳感器部分、PC機上層應(yīng)用部分、測量應(yīng)用部分。LabVIEW儀器通信方式包括GPIB通信、串行通信、USB通信、以太網(wǎng)通信等。計算機通過合適的總線實現(xiàn)對儀器的控制，既能發(fā)送測量命令，也能實現(xiàn)數(shù)據(jù)的回傳。用戶只需了解總線通信以及如何開發(fā)上層應(yīng)用軟件即可。

國標(biāo)中傳感器的定義為：“能夠感受規(guī)定的被測量，并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號的器件或裝置，通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成”。在工業(yè)中一般將其轉(zhuǎn)化為電信號，電壓或電流。常見的溫度傳感器就是由敏感元件組成，如熱電偶、電阻式溫度傳感器（RTD）和熱敏電阻。而測量力、壓力、轉(zhuǎn)矩的傳感器則需要借助轉(zhuǎn)換單元，內(nèi)部核心基于惠斯通電橋。

使信號適合數(shù)字化的過程稱為信號調(diào)理。信號調(diào)理組件用于調(diào)理物理現(xiàn)象，其方法通常包括：放大、衰減、濾波、線性化、傳感器激勵、隔離等。濾波調(diào)理適用于對噪聲環(huán)境要求高的設(shè)備。放大調(diào)理適用于小信號測量時，通過增大信號相對于噪聲的幅度，提高數(shù)字化信號的精度，使最大電壓變化等于ADC或數(shù)字化儀的最大輸入范圍，可提高準(zhǔn)確性，衰減與此相反。隔離信號調(diào)理技術(shù)可防止人體和測量設(shè)備接觸過大的電壓，可降低較高的共模電壓，獲取測量設(shè)備可處理的電壓信號，也可避免接地電勢差對設(shè)備的影響。線性化是用于調(diào)理電信號與物理量不呈線性關(guān)系的傳感器。激勵類似于收音機用于接收和解碼音頻信號所需的電源，許多測量設(shè)備可為傳感器提供激勵。

數(shù)據(jù)采集是將調(diào)理好的信號，進行收集整理，并通過合適的總線將數(shù)據(jù)傳遞給計算機。驅(qū)動程序是硬件的應(yīng)用程序編程接口（API），可以直接對數(shù)據(jù)采集硬件的寄存器進行編程，一般驅(qū)動程序由廠商提供;軟件用于控制測量系統(tǒng)，通知設(shè)備何時通過哪個通道獲取或生成數(shù)據(jù)，也可用于分析數(shù)據(jù)，將原始數(shù)據(jù)經(jīng)曲線擬合、統(tǒng)計分析、頻率響應(yīng)或其他數(shù)值運算后被轉(zhuǎn)化為有意義的信息，并能通過圖形或圖表顯示數(shù)據(jù)，或生成報表，以及數(shù)據(jù)的存儲。

應(yīng)用軟件控制測量應(yīng)用的過程即為控制應(yīng)用?？刂茟?yīng)用中包含一個或多個需控制的過程變量。比例積分微分（PID）算法是儀器控制中常用的處理方法，常用于加熱和冷卻系統(tǒng)、液面監(jiān)控和壓力控制應(yīng)用，其過程如圖2所示。傳感器可測量系統(tǒng)中的過程變量，設(shè)定值為過程變量的預(yù)期值。比較器實時計算過程變量與設(shè)定值的差值，補償器通過執(zhí)行輸出來減少差值，使系統(tǒng)趨近設(shè)定值[2]。

3NI-DAQmx應(yīng)用過程

通用DAQ設(shè)備用于采集或生成數(shù)據(jù)，生成模擬信號（如正弦波）和數(shù)字信號（如脈沖），可包含多個通道;DAQ軟件通常包括驅(qū)動程序和應(yīng)用程序。NI-DAQmx是最新的NI-DAQ驅(qū)動程序，帶有控制測量設(shè)備所需的最新VI、函數(shù)和開發(fā)工具，性能更佳，單點模擬I/O速度更快且支持多線程開發(fā)。NI-DAQmx驅(qū)動軟件可用于對NI測量設(shè)備編程，通過驅(qū)動程序發(fā)送命令至設(shè)備，同時也能對采集所得的數(shù)據(jù)進行顯示和分析。

安裝NI-DAQmx模塊后，可以使用NI MAX或者DAQ助手配置測量設(shè)備。NI MAX可以虛擬測量設(shè)備，方便開發(fā)者在無設(shè)備時驗證方案的可行性，并能方便地移植到實際設(shè)備上。DAQ助手在測量I/O選板和Express的輸入選板上均可找到。在NI-DAQmx中，任務(wù)是一個或多個通道以及定時、觸發(fā)等屬性的集合，可將所有配置信息設(shè)置保存在一個任務(wù)中并用于某個應(yīng)用程序。任務(wù)的創(chuàng)建包括：配置測量硬件（應(yīng)用程序）、創(chuàng)建任務(wù)和通道、（可選）配置通道、定時和觸發(fā)、讀取或?qū)懭氩蓸?、清除任?wù)。根據(jù)應(yīng)用程序的需要，靈活調(diào)整配置并進行讀寫。任務(wù)中可加入起始、停止和清除等步驟，規(guī)范程序的開發(fā)過程。

4數(shù)據(jù)顯示

完成數(shù)據(jù)采集后，在MAX中可用圖形、圖表或表格看到運行結(jié)果。對數(shù)據(jù)有更細致要求時，可使用內(nèi)置的數(shù)學(xué)VI、信號處理和報表生成等函數(shù)塊，對采集到的數(shù)據(jù)進行數(shù)學(xué)運算、分析和報表制作。數(shù)據(jù)按需求處理完后，可按數(shù)據(jù)類型分別進行顯示，常用的圖形顯示包括：波形圖表、波形圖、XY圖、數(shù)字波形圖等。使用波形圖時需要注意，它由起始時間（t0）、時間間隔（dt）、波形數(shù)據(jù)和屬性組成，波形數(shù)據(jù)表示波形的值，波形VI中的函數(shù)用于訪問和操作波形的各個組成部分。

5結(jié)束語

熟練應(yīng)用LabVIEW的各類函數(shù)，根據(jù)實際需求進行定制，快速組建測試系統(tǒng)，驗證方案可行性。當(dāng)然實際應(yīng)用中還有很多的因素需要考慮，如通道的分配，模擬量的采樣率、精度，程序是否需要用到觸發(fā)，選擇哪種觸發(fā)類型，數(shù)字量的相關(guān)操作，計數(shù)器的相關(guān)使用等。NI提供了多樣的采集、分析設(shè)備，可適用于不同的測試任務(wù)中，相信隨著技術(shù)的日益更新，測試系統(tǒng)的開發(fā)將更便捷、快速、高效，更好地服務(wù)于智能化工業(yè)制造。

參考文獻

[1] 丁業(yè)昌，徐利明，李建林.虛擬儀器技術(shù)在實驗室測量中的應(yīng)用[J].軟件，2013，34（2）：168-170.

[2] 韓可強，裴軍偉，黃家剛，等.基于LabVIEW診斷自動化實現(xiàn)[J].汽車電器，2018，362（10）：60-61，64.

作者簡介

侯光輝（1990-），男，河南省安陽市;畢業(yè)院校：哈爾濱石油學(xué)院，專業(yè)：通信工程，學(xué)歷：本科，職稱：軟件工程師，現(xiàn)就職單位：北京航天萬達高科技有限公司，研究方向：通信工程。