利用LabVIEW軟件的數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)設計

丁宗玲，吳明在，葉 柳，楊 群，孫 進，李愛霞

(安徽大學，安徽 合肥 230061)

LabVIEW是一種程序開發(fā)環(huán)境，由美國國家儀器(NI)公司研制開發(fā)，類似于C和BASIC開發(fā)環(huán)境，但是LabVIEW與其他計算機語言的顯著區(qū)別是:其他計算機語言都是采用基于文本的語言產(chǎn)生代碼，而LabVIEW使用的是圖形化編輯語言G編寫程序，產(chǎn)生的程序是框圖的形式。它提供很多外觀與傳統(tǒng)儀器(如示波器、萬用表、數(shù)碼顯示管、壓力表、溫度計等)類似的控件，可用來方便地創(chuàng)建用戶界面［1-4］。LabVIEW軟件最初是為測試測量而設計的，因而測試測量也正是目前LabVIEW最廣泛的應用領域。經(jīng)過多年的發(fā)展，LabVIEW在測試測量領域得到了廣泛的應用和認可。目前，大多數(shù)主流的測試儀器、數(shù)據(jù)采集設備都擁有專門的LabVIEW驅動程序，使用Lab-VIEW可以非常便捷的控制這些硬件設備。

研究人員可以利用LabVIEW內部高性能的模塊化硬件，結合高效靈活的軟件和設計思想來完成各種測試、測量和自動化應用，與傳統(tǒng)的測量儀器相比，使用LabVIEW軟件編寫程序具有成本低、功能強大、集成度高、可見即所得、質量可靠、維護方便等眾多優(yōu)點，能很方便地組建測試系統(tǒng)和處理系統(tǒng)，滿足多種測量要求［5-8］。因此，基于虛擬儀器技術，利用LabVIEW語言進行信號采集系統(tǒng)的研制具有重要意義。

文章中采用北京雙諾測控技術有限公司生產(chǎn)的USB系列的MP420采集卡為例，首先介紹了該采集卡的性能和操作事項;然后，采用廠家提供的.dll文件結合LabVIEW軟件進行數(shù)據(jù)采集卡的驅動設計和采集程序設計;再次，以采集實驗室運行過程中的高溫爐溫度進行采集實驗，并且實時進行采集數(shù)據(jù)的某些平滑處理，并在.txt文件中保存處理前和處理后的數(shù)據(jù)進行對比。實驗過程和對比結果表明，利用LabVIEW語言進行信號采集、處理系統(tǒng)是十分方便的，可以方便的移植到其他實驗室信號采集過程中去。通過本虛擬儀器的編程，可以為高等學校學生的物理實驗過程提供有效的技術手段，拓寬學生的視野和激發(fā)學生學習先進軟件的興趣。

1 硬件系統(tǒng)簡介

1.1 試驗系統(tǒng)

實驗過程中，所需要的硬件設施為:MP420采集卡，電加熱爐，電腦，同軸電纜線，直流24 V電源，K型熱電偶，200 Ω電阻等。熱電偶通過24 V直流電源供電，+24 V連接熱電偶的“+”端，接地端通過200 Ω電阻連接熱電偶的“-”端，MP420采集200 Ω電阻兩端的電壓值。因為采用的是K型熱電偶其測量量程為0～600°，輸出電流為4～20 mA值，因此其電壓值為0.8～4 V之間，因此選擇采集卡量程為0-+5 V檔位。采集卡的USB接口連接筆記本電腦進行采集卡的供電和數(shù)據(jù)的采集、處理、顯示與保存。熱電偶采集裝置距離電加熱絲爐面約為15 mm。其系統(tǒng)示意圖見圖1。

圖1 試驗系統(tǒng)示意圖

1.2 MP420-USB采集卡簡介

在虛擬儀器LabVIEW中應用的數(shù)據(jù)采集卡有兩種:NI公司生產(chǎn)的數(shù)據(jù)采集卡和非NI公司生產(chǎn)的數(shù)據(jù)采集卡，前者兼容性非常好，但是價格比較高。后者需要自己開發(fā)驅動程序等，但是價格相對低廉。根據(jù)本文實驗要求，選擇了北京雙諾有限公司生產(chǎn)的MP420數(shù)據(jù)采集卡(外觀見圖2)。它是一款USB2.0總線12位中速采集模塊，具有16路模擬輸入(接線圖見圖3)，支持即插即用、實時采集，可以采用內、外部觸發(fā)采集模式。控制接口采用Cypress公司的CY68013芯片，內置 512K Byte DFIFO，數(shù)據(jù)自動傳輸［9］。

圖2 MP420采集卡外觀照片

圖3 MP420接口通道示意

MP420采集卡包括16個模擬輸入通道和1個外觸發(fā)通道，采集電壓可以通過軟件控制選擇:5 V/10 V/±5 V。其轉換精度為12位AD(Analog/Digital)，最大采樣速度可達333KHz，系統(tǒng)精度為:±0.1%FSR(Full Scale Range)完全滿足實驗室日常實驗過程中的數(shù)據(jù)采集情況。本實驗過程中，所要采集的是實驗室電爐絲溫度從室溫開始至穩(wěn)定狀態(tài)的溫度，因此不存在負值，所以選擇的量程為10 V。同時，采集卡內部已經(jīng)定義了接口函數(shù)只需要按照步驟調用即可，各個控制參數(shù)的定義、控制量值意義及本實驗中所選則的控制參數(shù)值如表1中所述。

表1 MP420采集卡參數(shù)定義及作用

需要注意的是AD采樣的數(shù)據(jù)按從stch開始到endch結束的通道掃描順序，循環(huán)存放，每一個16位采樣結果按低8位在前，高8位在后的順序排列，如下:

stch，stch+1，….，endch，…….stch，..，endch，…… 結束

實驗中選擇了gain=2，即:0-+5 V量程，因此采樣對應的電壓轉化公式為:電壓=data*5000.0/4095.0 mV，其中 data為采樣讀取的12位轉換數(shù)組。系統(tǒng)采樣頻率為:f=4000/tdata kHz=4000/20000 kHz=0.2 kHz，即0.005 s采集一個數(shù)據(jù)點，1 s時間采集200個值，實驗中設置1s出一次結果即200個采樣數(shù)組值的平均值。

2 程序設計

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的任務就是傳感器從被測對象獲取有用信息，并將其輸出信號換算為計算機可以識別的數(shù)字信號，然后送入計算機進行處理得到所需的數(shù)據(jù)。同時，可以將數(shù)據(jù)進行顯示、存儲或打印，以便實現(xiàn)對某些物理量的監(jiān)視。因此一個完整的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)需要包含:1)數(shù)據(jù)采集;2)信號調理;3)二次數(shù)據(jù)計算;4)數(shù)據(jù)顯示;5)數(shù)據(jù)存儲;6)打印輸出;7)人機聯(lián)系，等幾個功能。本實驗設計軟件的思路流程，見圖4。

圖4 軟件系統(tǒng)運行流程圖

2.1 信號采集程序設計

非NI公司生產(chǎn)的數(shù)據(jù)采集卡往往需要解決LabVIEW軟件與數(shù)據(jù)采集卡的兼容性問題，利用LabVIEW驅動普通數(shù)據(jù)采集卡可以分為以下三種方法，即:直接調LabVIEW的端口操作圖標、利用CIN圖標調用C語言驅動程序及動態(tài)數(shù)據(jù)交換(DDE)技術。在本實驗中，采用了調用CIN圖標進行編程(見圖5)，該操作可以方便的設置每一個函數(shù)的輸入、輸出參數(shù)。設置完成以后的各個函數(shù)，見圖6:(1)打開采集卡設備;(2)設置采集卡屬性參數(shù);(3)讀取采集數(shù)組;(4)停止采集卡采集;(5)退出數(shù)據(jù)采集卡。

圖5 調用CIN圖標驅動編程

圖6 根據(jù)MP420.dll完成的子vi

根據(jù)以上分析，數(shù)據(jù)采集是按照以上(1)到(5)的步驟進行的，因此采用“平鋪式順序結構”子控件進行采集與處理的順序進行?！捌戒伿巾樞蚪Y構”控件分為三步走，第一步是打開MP420采集卡設備;第二步是進行采集卡的設置、采樣、讀取和處理，讀取完畢以后要暫停采集卡讀取;第三步是運行完畢關閉采集卡設備。如需繼續(xù)進行數(shù)據(jù)采集過程則一直處于第二步運行過程中直到點擊按鈕退出程序。

2.2 信號處理程序設計

在系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集過程中，噪聲是不可避免的現(xiàn)象。消除噪聲的方法:一種是可以通過硬件濾波卡濾除特定頻率以上的信號噪聲［10］，使其不會干擾到數(shù)據(jù)的采集，但是其使用存在要求。另一種是通過數(shù)字信號處理技術降低噪聲干擾，其可靠性高，無需硬件及阻抗匹配［11］，如:信號平均方法，滑動濾波方法，小波變換等。

信號平均方法一般是采用將N次信號做相加后再除以N，這樣就可以有效的降低噪聲的干擾，而將信號中固有的成分凸顯出來。平均的次數(shù)越多，越能夠顯示固有的信號而降低噪聲的成分。在文章中所述的溫度采集系統(tǒng)中所使用的是對采樣信號的200次平均。同時，為了消除系統(tǒng)對周期性干擾的抑制作用，采樣13個數(shù)據(jù)點的平滑處理。把連續(xù)取N個采樣值看成一個隊列，隊列的長度固定為N，每次采樣到一個新數(shù)據(jù)放入隊尾，并扔掉原來隊首的一次數(shù)據(jù).(先進先出原則)，把隊列中的N個數(shù)據(jù)進行算術平均運算，就可獲得新的濾波結果。圖7為所使用的數(shù)據(jù)處理框圖，其中(1)為采樣信號經(jīng)過數(shù)據(jù)轉換為有效數(shù)據(jù)，(2)為采用的200次數(shù)據(jù)平均框圖，(3)為采用的13點滑動平均框圖。

圖7 數(shù)據(jù)處理框圖

圖8 基于MP420的LabVIEW軟件系統(tǒng)前面板

編寫的LabVIEW軟件運行前面板見圖8，主要包括了:數(shù)據(jù)采集卡的基本量控制(起始通道、終止通道、量程選擇、采樣頻率、模式選擇、觸發(fā)設置、觸發(fā)邊沿等)，采樣數(shù)據(jù)處理前后的框圖顯示、溫度計顯示、高溫報警上限、紅燈報警和聲音報警，日期顯示和開始采集、退出程序按鈕等。

3 結 果

通過以上電加熱絲溫度采集系統(tǒng)采集到的數(shù)據(jù)見圖9。其中點線為原始未經(jīng)處理的溫度數(shù)據(jù)，實線為經(jīng)過數(shù)據(jù)處理以后的溫度數(shù)據(jù)，下部點直線為兩者的比較差值，其最小值為-9.42，最大值為8.91，可以看出以上處理是合乎信號處理要求的，并未對實際信號趨勢造成影響。圖中1，2，3為不同的加熱時長所對應的采樣數(shù)據(jù)變化趨勢，與電加熱爐通電即加熱的過程基本分析是一致的。

圖9 溫度采集的原始數(shù)據(jù)和處理后的數(shù)據(jù)對比(其中1、2、3為電加熱絲通電加熱不同時間的狀態(tài))

4 結 論

以LabVIEW為平臺，開發(fā)完成了以國產(chǎn)數(shù)據(jù)采集卡為例的電加熱絲溫度采集測量處理系統(tǒng)。通過實驗證明所涉及的軟件系統(tǒng)是完全滿足實驗室測量要求的。因此，通過LabVIEW圖形化編程和傳統(tǒng)實驗教學相結合，不僅可使課堂教學更加生動，效果更好，更直觀，而且可以充分發(fā)揮學生的積極性和創(chuàng)造性，提高學生的動手能力，達到提高教學質量的目的。此外，還可以讓學生在利用LabVIEW在現(xiàn)有的實驗基礎上自行設計新的實驗，增強動手能力和開闊思維，培養(yǎng)學生自主學習和創(chuàng)新能力。

［1］曹衛(wèi)彬.虛擬儀器典型測控系統(tǒng)編程實踐［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2012.

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［9］北京雙諾測控技術有限公司，MP420說明書［DB/OL］.http://www.wwlab.com.cn/product/detail.aspx.

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