基于LabVIEW控制的多路传感信号采集系统 - 副本

河北工业大学毕业设计说明书

河北工业大学2013届本科毕业设计说明书

毕业设计（论文）中文摘要

毕业设计（论文）外文摘要

1 引言

应用广泛的测控技术在民生、国防许多领域都占有一席之地，它的现代化被认为是科学技术与国防现代化的重要的条件与明显标志。信息获取、通信与计算机技术被当作当今社会信息技术的三大支柱技术。这三个技术中，信息获取技术是必要的前提和基础，信息获取就是通过数据采集实现的。在以前的现场工作中实验的数据全部使用通过人报数并记录的方式，大量的实验数据的采集与分析完全不可能实现。而随着现代PC机和微电子(Microelectronics)一系列技术的飞速发展，再加上使用高精度、高性能的数据采集仪器，多路数据采集实现了智能化，并且由于大量数据采集和分析都由计算机自动完成，很大程度上提高了测量精度以及速度。伴随着测控技术的发展，智能仪器、VXI仪器、PC仪器以及虚拟仪器等自动测控系统也相继产生，而软件系统也逐渐成为了计算机系统的核心，LabVIEW就是一种计算机处理分析系统软件。其简单易懂的图形化编程方式也使它成为普及率仅次于C的编程语言。

1．1 研究背景

1.1.1 测控技术的现状

早期使用的测控系统都是利用大型的仪表来监视每个设备的状态，然后再通过操作盘进行集中操控；计算机系统则是在以计算机为主体基础上，配合检测装置、执行机构和被控对象组成一个整体，系统中的计算机用于实现生产过程的各种监控。然而，由于通信协议不开放，这种测控系统只是一个自封闭的系统，只能完成单一的测量与控制功能，却不能实现通用。

随着科学技术的不断发展，在国防、通信、航空、制造等科技领域应用中，要求测量和处理的信息数据量越来越大、而速度要求也越来越快；并且由于测试的对象的空间位置的日益分散，测试系统的日益庞大，测控现场化、远程化也成为了未来测控技术发展的方向。

测控技术最早起源于国外，它是在PC技术、通信技术等技术飞速发展，以及对大容量分布的测控终端的强烈需求的背景下发展起来，可以分为四个阶段,见表 1.1所示：

表1.1 测控技术发展四个阶段

1.1.2 虚拟仪器的现状

虚拟仪器一般都存在一个可视化界面，它的存在是通过在计算机基础上添加相关软件（software）与硬件（hardware）而成的。与传统仪器相比，用户可以通过使用鼠标与键盘操控虚拟仪器面板上的旋钮完成测试测量任务，同时用户可以根据自己需要选择不同的虚拟仪器，并且虚拟仪器的功能与规模也可以通过修改软件来加以改变或增减。与传统仪器相比虚拟仪器强大的生命力与竞争力就是由于其优越的“可扩展性”与“可开发性”。

Visual Basic、Visual C++以及HP公司的VEE和NI公司的Lab Windows/CVI、LabVIEW等都是虚拟仪器的主要开发环境。其中Visual Basic、Visual C++以及Lab Windows/CVI作为可视化的开发工具，要求开发人员有很高的编程能力并且开发周期长。拥有较多用户的HP公司的VEE虽然也是一种基于图形的编程环境，不过由于其生成的应用程序是用来解释执行的，所以运行速度较慢。

在这几种开发环境中，LabVIEW是当今世界上唯一的编译型图形数据流编程环境，它用简单图形替换繁琐、复杂、费时的语言，其编程方式则是用线路连线把各种图形连接起来，因此只要知道测试的要求和目的，技术人员就可以快速完成程序，做出仪器面板，既提高了工作效率，又减轻了科研工程人员工作量，综合以上优点，LabVIEW作为一种优秀软件开发平台受到广泛应用。

在仪器技术、PC技术和网络通信技术不断提高的今天，虚拟仪器(VI)的发展方向分为外挂式虚拟仪器、PXI型集成虚拟仪器、网络化虚拟仪器三类。

1.2 本设计相关理论

本次设计中主要研究如何利用虚拟仪器LabVIEW完成对传感信号数据采集，通过使用虚拟仪器、数字信号处理等技术进行多通道数据采集，实现实时采集、处理与存储的功能。由虚拟NI PXIE-6368数据采集卡采集信号，再经过PXIE总线输入PC机，通过软件处理完成数据实时采集与存储的功能。

1.3 本设计目标与实现

(1) 学习并掌握LabVIEW相关理论知识及图形化编程算法使用。

(2) 完成9通道传感信号数据采集系统。

本次设计中，所设计的程序实现了9通道数据采集，实时数据显示，数据保存等功能。

2 虚拟仪器

2.1 虚拟仪器技术概述

2.1.1 虚拟仪器概念与特点

虚拟仪器的概念是有美国国家仪器公司（National Instruments）最先提出的,它由测试技术与计算机技术结合而成,将测试原理技术、仪器原理与技术、高速总线技术、计算机接口技术以及图形编程软件技术融于一体。虚拟仪器技术的核心思想就是“软件即是仪器”，基于这一思想可以把虚拟仪器分为三个部分：PC机、仪器硬件（Instrument hardware）和应用软件（Application software）。

虚拟仪器是一种电子测试仪器，它是以计算机的功能化硬件和软件为基础构成

的，软件部分是虚拟仪器的核心，如图2.1所示，设备驱动软件是基础,因为这些设备驱动软件的作用，仪器硬件的变化并不会对系统的开发造成影响。

图2.1 虚拟仪器设计框图

2.1.2 虚拟仪器与传统仪器的比较

与传统独立仪器相比，虚拟仪器的优势有如表2.1所示。

表2.1 虚拟仪器与传统仪器的比较

2.1.3 虚拟仪器测试系统组成

前文中已多次提到，虚拟仪器（VI）是以计算机为基础的，仪器同计算机的联合使用与当今仪器发展的趋势相符合。仪器与计算机的结合方式可以分为两类，一种是把计算机安装在仪器里，制成智能化仪器，同时伴随着计算机逐渐强大的功能与不断减小的体积，使得这类仪器有了越来越强的功能。第二种方式就是把仪器安装在计算机里，利用可共用的计算机硬件和软件，使设备功能得以实现，虚拟仪器主要就是这种方式。与传统仪器一样虚拟仪器主要是由三部分组成，其一是数据的采集与控制，其二是数据的分析与处理，其三就是结果显示。其内部功能划分如图2.2所示。

数据采集与控制数据处理与分析结果显示

图2.2 虚拟仪器内部功能划分

虚拟仪器的硬件技术包括卡式仪器与总线（Bus）技术，两类具体介绍如下。

（1）卡式仪器

卡式仪器由于本身不存在仪器面板，所以必须配合PC机使用，充分利用已有的PC机资源，成本更低，性能更加强大，使用也更加方便。

（2）总线技术

总线技术可分为三大类，分别为仪器总线、PC总线和工业现场总线。

其中仪器总线又可以细分为通用接口总线（GPIB）、VXI总线以及PXI总线。

计算机总线可以分为ISA总线、PCI总线以及USB通用串行总线。

虚拟仪器(VI)硬件技术图形表示如图2.3所示。

图2.3 虚拟仪器(VI)硬件技术

软件是虚拟仪器的重要组成部分，虚拟仪器（VI）的软件技术又可分为三类，第一部分即软件开发平台，第二部分为设备的驱动程序，第三部分为设备I/O接口软件。

虚拟仪器的软件结构如图2.4所示。

图2.4 虚拟仪器(VI)软件结构

虚拟仪器构成方式如图2.5所示。

图2.5 虚拟仪器(VI)构成方式

2.2 LabVIEW相关技术

2.2.1 LabVIEW的基本概念

LabVIEW是由美国NI公司研发的一种程序开发环境，它与VC、VB开发环境相类似，但是在编程语言方面，LabVIEW使用的是G语言，即图形化编辑语言，编程过程中函数是通过图标形式来表示的，数据流向则通过连接线表示，很大程度上提高了工作效率。LabVIEW集成了满足VXI、通用接口总线（GPIB）、RS-232和RS-485协议的硬件以及数据采集卡通信的全部功能。它还内置了便于应用TCP/PI、ActiveX的软件标准的库函数，是一个功能强大且灵活的软件，LabVIEW最大特点是形象生动的发挥计算机功能，有强大的数据处理功能，可创造出功能更加强大的仪器。为了方便的创建用户使用界面，LabVIEW中包含许多与传统仪器外观一致的控件，如万用表，示波器等。LabVIEW中还包含了许多向导式的工具，通过帮助提示，用户即可完成仪器间的连接并设置参数。同时调取函数时只需按照函数名称选择图标并拖拽到程序框图即可。LabVIEW真正体现了软件即是仪器的虚拟仪器概念。

2.2.2 LabVIEW编程相关知识

LabVIEW编写的程序由三部分组成，分别为前面板、程序流程图以及图标连接端口。三部分的介绍如表2.2所示。

表2.2 LabVIEW 编程组成简介

虚拟仪器概念正是LabVIEW 的精髓所在，也是图形化G 语言区别于其他高级语言的最为显著的特征。正是由于LabVIEW 和虚拟仪器的交互作用，才给予了二者更长远的发展空间。

3 数据采集系统

3.1 数据采集技术相关介绍

3.1.1 数据采集的相关技术

数据采集的重要性在计算机大量应用的当今显得更加重要，它成为了沟通计算机与外部物理世界的媒介。在数据采集过程中，由于采集内部或外部干扰的原因，需要注意一些基本的概念。

如果对一个模拟信号()t x 进行采样，每隔一段间隔t ?进行一次采样，那么就称t ?为采样间隔（或采样周期），其倒数t 1?则被称为采样频率，在0t =，Δt t =，t 2t ?=……等时刻的()t x 值就被是采样值，所有的()0x ，()()t 2x t x ??，都是采样值，这样可以用一组分散的采样值来表示被采样信号()t x ：

{()()()()()} ，，，，，，t k x t 3x t 2x t x 0x ????

图3.1显示的是一个模拟信号以及它被采样后的采样值，采样周期为t ?，需要

注意的是在时域上采样点是离散的。

图3.1 模拟信号采样图

若信号()t x 采样点数为N ，那么信号()t x 可由一个被称为信号()t x 的数字化采样数列表示，这个数列为：

[]{[][][][]} ，，，，，1-N x 3x 2x 1x 0x X =

由采样定理可知被采样信号频率必须是最低采样频率的一半。奈奎斯特频率就是在不发生畸变的前提下能够正确显示信号最大频率。若信号中包含有频率超过奈奎斯特频率的成分，信号会发生畸变。图3.2与图3.3分别显示了一个信号在适合采样率以及采样率过低情况下采样的结果。

图3.2 采样频率合适的采样结果

图3.3 采样频率过低的采样结果

混叠是指信号在过低采样频率下采样造成的畸变，为避免这种状况的发生，通常会在信号被采集(A/D)之前加装一个低通滤波器，过滤并除去被测信号中高于奈奎斯特频率的信号成分。理论上，只需设置采样率为被采样信号最高频率的2倍，而实际

工程中常选用5至10倍，甚至为了更好地还原波形，有时会选用更高一些[12]。

3.1.2 信号类型

数字信号与连续时间信号（或模拟信号）是数据采集领域被测信号的两个种类，其划分图如图3.4所示：

图3.4 信号种类

（1）数字信号（Digital）

第一类数字信号开关信号如图3.5所示。开关信号包含的信息与信号的瞬时值有关。TTL信号就是开关信号的一类，其逻辑高电平被定义为V

0.2至V

0.5之间，逻辑

低电平则被定义为0V到0.8V之间。

图3.5 开关信号

脉冲信号就是第二类数字信号，如图3.6所示，信号中包括一系列的状态转化信

号就存在于状态转变过程中产生的数量、转换的速度、一个或多个转换时段时间里。

图3.6 脉冲信号

（2）模拟信号

模拟信号中直流信号是静止不变的或缓慢转变的模拟信号，如图3.7所示。

图3.7 直流信号

模拟时域信号中承载的信号包括信号的电平以及电平随时间的变化如图 3.8所示。

图3.8 时域信号

模拟频域信号与时域信号相差不大，不过与时域信号不同的是提取的是信号的频域内容，如图3.9所示。

图3.9 频域信号

现实中的信号并非相互排斥，一个信号可能承载着不只一种信息，可以通过几种方式来定义并测量信号，用不同类型的系统来测量同一个信号，从信号中提取所需的各种信息。

3.1.3 输入信号的连接方式

进入采集卡的信号中，接地信号与浮动信号是根据参考点的不同而划分的。接地信号就是以系统地为参考点的信号，又称参考信号，与数据采集设备共地。浮动信号即不与任何地相连接的电压信号，浮动信号的每个端口都与系统地独立。

3.1.4 测量系统分类

（1）差分测量系统（DEF）

信号的正极与负极各与一个模拟输入通道相连接，数据采集设备配置上仪器放大器可以构成差分测量系统(DEF)，理想的DEF系统可以准确地测量出正负极输入端之间的电位差并完全抑制共模电压。若输入超过允许范围的共模电压，会使测量系统的共模抑制比下降。测量误差可以通过降低信号地与数据采集卡的地之间的伏地电压来避免。图3.10为八通道差分测量系统。

图3.10 八通道差分测量系统

（2）参考地单端测量系统（RSE）

参考地单端测量系统，又称接地测量系统，测量过程中模拟输入信号与系统地分别接在被测信号的两端。图3.11是十六通道RSE测量系统。

图3.11 十六通道RSE测量系统

(3)无参考地单端测量系统（NRSE）

在此系统中，模拟信号输入和公用参考端分别接在信号的两端，相对于测量系统地来说此参考端电压是持续改变的。图3.12是一个十六通道NRSE测量系统。

图3.12 十六通道NRSE测量系统

3.1.5 测量系统的选择

两种信号源和三种测量系统一共可以组成六种连接方式，如表4所示。

表3.1 测量系统连接方式

根据设计所需的设计目标，以及多通道数据采集的技术因素，其总体结构框图如图3.13所示

图3.13 数据采集系统框图

图3.14表示了数据采集结构图

图3.14数据采集结构图

数据采集前，采集板卡需要经过程序的初始化，板卡上和内存中的缓冲是数据采集存储的中间环节，有两个问题值得注意，分别为是否使用缓冲与是否使用外触发启动停止或同步操作。

（1）缓冲（Buffer）

缓冲指的是计算机内存的一个区域，是否使用缓冲的情形如表3.2所示。

表3.2缓冲使用情形

（2）触发（Triggering）

触发涉及了采集事件中初始化、终止和同步的任何方式。触发信号一般为一个数字或一个模拟信号，动作的发生可由此状态确定。触发可分为软件触发与硬件触发，软件触发即直接通过软件触发，这种触发最容易。硬件触发即通过电路管理触发器，达到控制采集事件的时间分配的目的，精密度很高。触发方式情况如表3.3所示。

表3.3 触发使用情况

3.2 数据采集卡

3.2.1 数据采集卡的选择指标

（1）采样频率

在一段时间内获取原始信号的信息的多少由采样频率的高低决定，为了较好的使原始信号再现，不使波形失真需要采用足够高的采样频率。实际工程中，采样频率一般为原信号的5至10倍。

（2）采样方式

采集卡一般都有数个数据通道，在对时间不是很重要的场合，为了更加节约，可以使所有的数据通道都轮流使用同一个放大器与A/D转换器。若是采样系统对事件要求比较严格，就必须采用同时采集，每个数据通道都需配备自己的放大器与A/D转换器。

（3）分辨率

ADC的位数越多，分辨率越高可区分的电压就越小。

（4）电压动态范围

电压范围就是指ADC能扫描到的电压的最高与最低值

（5）I/O通道数

I/O通道数就是指数据采集卡能够采集的最大的信号路数。

3.2.2 NI PXIE-6368数据采集卡简介

NI PXIE-6368 数据采集卡是美国国家仪器公司推出的同步X系列数据采集卡。

此数据采集卡主要性能指标如表3.4所示。

表3.4 NI PXIE-6368数据采集卡指标

3.3 多通道数据采集系统总体硬件框图

被测对象先通过传感器转换成电信号，再通过信号调理模块进行简单调理，之后送入数据采集卡进行数据采集，最后利用软件进行处理。具体框图如图3.15所示：