基于LabVIEW的四通道多參數(shù)測試系統(tǒng)軟件設(shè)計

楊 磊，馬鐵華，崔 敏，馬佰振

（中北大學(xué)儀器科學(xué)與動態(tài)測試教育部重點實驗室，山西太原 030051）

隨著工業(yè)控制技術(shù)與計算機技術(shù)的發(fā)展，基于計算機硬件和軟件的數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)已成為工業(yè)控制的主流。基于LabVIEW開發(fā)的測控系統(tǒng)，在工程和科研的各個領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。LabVIEW是美國國家儀器公司推出的一個圖形化編程的軟件開發(fā)環(huán)境［1］。是一個標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)采集和儀器控制軟件。由于LabVIEW功能強大且靈活，利用它可以方便快捷地建立自己的虛擬儀器，成為測試、測量和控制設(shè)計的專用工具，其范圍可從溫度監(jiān)控到復(fù)雜的仿真和控制系統(tǒng)。本文主要介紹了基于LabVIEW測試系統(tǒng)軟件，該軟件具有數(shù)據(jù)采集、處理、分析和電路編程能力，能夠提供豐富的數(shù)據(jù)信息，生成信號曲線，具有較高的實時性、準(zhǔn)確性和可擴展性。通過軟件可以幫助實驗人員實時觀察要測量的壓力、加速度、溫度、電量;確定系統(tǒng)的正常運行，對于及時發(fā)現(xiàn)和解決問題具有重要作用。

1 系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)

四通道多參數(shù)測試系統(tǒng)采用均勻采樣策略，對被測信號進行等時間間隔采樣，在測試過程中采樣的頻率為一常數(shù)。均勻采樣頻率確定的基礎(chǔ)是采樣定理，它至少要大于被測信號最大頻率的兩倍，同時，還要考慮測量時間T及存儲容量M 等因素，應(yīng)滿足 2fa≤fs≤M/T［2］。

系統(tǒng)采用壓力傳感器、加速度計等對四路信號進行采集，采集后的數(shù)據(jù)經(jīng)信號調(diào)理電路進行濾波及放大處理后送入MSP430單片機［2］，利用單片機中自帶的A/D轉(zhuǎn)換器將模擬信號轉(zhuǎn)變成數(shù)字信號。該系統(tǒng)的采樣頻率為1 kHz，單片機通過片選（STE）信號控制按順序接收四個通道轉(zhuǎn)化的數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)通過單片機SPI口以100 Hz發(fā)送。采集的數(shù)據(jù)一方面存入FLASH中，另一方面通過計算機軟件進行控制把數(shù)據(jù)經(jīng)USB接口電路讀入計算機中實時保存，并在軟件中實時顯示出四個通道的溫度曲線。系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 系統(tǒng)的軟件設(shè)計

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

軟件部分是整個引信測試系統(tǒng)設(shè)計的核心，軟件的設(shè)計使得用戶可以通過計算機實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集、顯示、分析處理和存儲，并且可以對測試電路進行編程來改變測試電路的工作參數(shù)。本系統(tǒng)的軟件部分主要包括:采樣讀數(shù)、電路編程、數(shù)據(jù)定標(biāo)、多通道顯示等。

2.1 采樣讀數(shù)

引信測試系統(tǒng)軟件的核心是采樣讀數(shù)，采樣讀數(shù)模塊是通過連接USB接口來采集獲取測試儀器的數(shù)據(jù)。采樣讀數(shù)包含兩部分:讀取存儲數(shù)據(jù)和實時數(shù)據(jù)。

讀取實時數(shù)據(jù)就是在測試過程中對數(shù)據(jù)進行實時的采集并通過USB接口傳遞給上位機軟件，軟件接收到數(shù)據(jù)后對數(shù)據(jù)進行實時的處理、保存，并動態(tài)顯示信號曲線。測試實時曲線顯示用波形圖作為容器，波形圖控件包括圖形工具選板和游標(biāo)圖例［3］，通過波形工具選板可以實現(xiàn)對波形的放大、縮小和平移;游標(biāo)圖例可以實現(xiàn)對信號曲線定點坐標(biāo)的獲取。這些功能可以幫助實驗人員實時分析信號參數(shù)及發(fā)現(xiàn)問題。讀取存儲數(shù)據(jù)就是在試驗結(jié)束之后通過USB接口將數(shù)據(jù)從儀器中的FLASH中讀出，然后將數(shù)據(jù)以文件形式保存在計算機中并在屏幕上顯示出信號曲線。采樣讀數(shù)的部分程序如圖2所示。

2.2 電路編程

根據(jù)每次試驗的不同情況，需要根據(jù)實驗的環(huán)境和實驗要求對硬件電路進行重新設(shè)置，電路編程模塊通過USB讀數(shù)口可以方便快捷地對硬件電路進行重新設(shè)置，電路編程模塊實現(xiàn)了設(shè)定電路的存儲器容量、延遲時間、環(huán)境控制和采樣策略選擇等。

2.3 定標(biāo)讀值

定標(biāo)讀值是指通過事先對電路和傳感器標(biāo)定的靈敏度將各通道的數(shù)字量轉(zhuǎn)換成其具有物理意義的信號量，使波形圖顯示的原始曲線轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的加速度-時間等曲線。在定標(biāo)界面中可以對標(biāo)定了的數(shù)據(jù)進行相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理，例如數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、打印等。

2.4 導(dǎo)出波形

通過導(dǎo)出波形模塊用戶可以將波形圖中顯現(xiàn)的曲線圖以圖片的形式保存在計算機中，方便用戶打印輸出、存檔保存以便日后查閱。該功能的實現(xiàn)通過波形圖的屬性節(jié)點調(diào)用實現(xiàn)［4］。

2.5 多通道顯示

多通道顯示模塊允許用戶通過對通道的選擇來顯示某一通道的數(shù)據(jù)曲線，也可以同時顯示四個通道的數(shù)據(jù)曲線并以不同的顏色來顯示各個通道的數(shù)據(jù)曲線，方便用戶對曲線進行觀察和對比，在LabVIEW中通過復(fù)選框?qū)崿F(xiàn)各個通道的選擇。

圖2 采樣讀數(shù)部分程序框圖

3 軟件的關(guān)鍵問題

3.1 通道數(shù)據(jù)分離和糾錯

在數(shù)據(jù)采集的過程中，四路信號是同時存儲的。當(dāng)在存儲數(shù)據(jù)和顯示數(shù)據(jù)曲線時，需要對數(shù)據(jù)進行處理，防止讀取或存儲的數(shù)據(jù)發(fā)生錯位現(xiàn)象，同時便于對錯誤進行跟蹤查找，最終能使各通道數(shù)據(jù)能夠完整地整合到一起［5］。因此采取了相應(yīng)的措施，在每個數(shù)據(jù)存儲的過程中給每個通道的信號加上通道信息。

當(dāng)多路信號采集完一個周期后，存儲一些通道信息作為區(qū)分每包數(shù)據(jù)的信號。這樣即使某包數(shù)據(jù)出了問題，也可以很容易地確定各個通道信號的數(shù)據(jù)，不會出現(xiàn)數(shù)據(jù)錯位現(xiàn)象。通過判斷數(shù)據(jù)的通道號來確定數(shù)據(jù)是否正確，當(dāng)出現(xiàn)錯誤時用相對應(yīng)的上一包的數(shù)據(jù)進行替換，具體步驟如圖3所示。

3.2 動態(tài)鏈接庫的調(diào)用

動態(tài)鏈接庫（DLL）是存放在.dll文件中編譯過的小型庫文件，該文件封裝了一些功能和代碼及一組接口函數(shù)供LabVIEW調(diào)用，應(yīng)用程序可以在運行時鏈接并使用它。在LabVIEW中提供了調(diào)用庫函數(shù)節(jié)點，通過該節(jié)點進行配置就可以調(diào)用 DLL［6］。

動態(tài)鏈接庫的工作原理如下:當(dāng)它收到應(yīng)用程序的數(shù)據(jù)傳輸請求后，會創(chuàng)建兩個線程:數(shù)據(jù)傳輸線程和記錄、顯示線程，其中數(shù)據(jù)傳輸線程負責(zé)將數(shù)據(jù)寫到應(yīng)用程序要提交的內(nèi)存;而記錄、顯示線程則負責(zé)給應(yīng)用程序發(fā)送記錄和顯示消息。當(dāng)應(yīng)用程序接收到此消息后，便從它提交的內(nèi)存中讀取數(shù)據(jù)并存。

用戶應(yīng)用程序的主要功能是開啟或關(guān)閉USB設(shè)備、檢測USB設(shè)備、設(shè)置數(shù)據(jù)傳輸幀數(shù)、通過USB接口傳輸并顯示數(shù)據(jù)，本系統(tǒng)軟件調(diào)用DLL68013.dll庫文件對USB設(shè)備進行控制。下面就本系統(tǒng)信號采集關(guān)鍵DLL函數(shù)進行簡單的說明，這些都在調(diào)用庫函數(shù)節(jié)點的配置中進行設(shè)定，在配置過程中要注意調(diào)用規(guī)范，該系統(tǒng)采用stdcall（WINAPI）。

①TranVerCmmd（），該函數(shù)是向USB設(shè)備中發(fā)送控制命令，用于控制USB設(shè)備，該函數(shù)就一個參數(shù)，向這個函數(shù)發(fā)送HB4初始化讀數(shù)口控制命令。

②BulkWrite（），該函數(shù)是控制向設(shè)備中發(fā)送數(shù)據(jù)，包括三個參數(shù)，第一個參數(shù)是要操作的管道號，第二個參數(shù)是要寫入的數(shù)據(jù)，第三個參數(shù)是數(shù)據(jù)的大小。

③BulkRead（），該函數(shù)是控制向設(shè)備中發(fā)送數(shù)據(jù)，包括三個參數(shù)，第一個參數(shù)是要操作的管道號，第二個參數(shù)是要讀取的數(shù)據(jù)，第三個參數(shù)是數(shù)據(jù)的大小。

采樣模塊調(diào)用庫函數(shù)節(jié)點的部分程序如圖4所示。

圖3 數(shù)據(jù)判斷

圖4 調(diào)用庫函數(shù)節(jié)點部分程序框圖

4 測試結(jié)果及結(jié)論

4.1 測試結(jié)果

在一次測試的試驗中，對四個通道信號進行數(shù)據(jù)采集，其結(jié)果如圖5所示。從圖中可以清楚地觀察到各個參數(shù)的變化，測試數(shù)據(jù)保存在二進制文件中，數(shù)據(jù)還可以生成Excel報表文件以便用戶參考分析。

圖5 測試結(jié)果

4.2 測試結(jié)論

四通道多參數(shù)測試軟件通過了系統(tǒng)的聯(lián)合調(diào)試，成功地實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的接收、顯示、處理、存儲、回放等功能。聯(lián)合調(diào)試的結(jié)果充分說明系統(tǒng)可以在Windows的平臺上平穩(wěn)運行，數(shù)據(jù)接收與顯示的實時性完全滿足要求。由于系統(tǒng)有很強的數(shù)據(jù)回放能力，用戶可以在每次試驗后，反復(fù)研究本次試驗數(shù)據(jù)，這對及時發(fā)現(xiàn)、分析和排除故障、提高效率是非常有效的。

［1］LABVIEW User Manual［Z］.National Instruments Corporation，2000.

［2］張文棟.存儲測試系統(tǒng)的設(shè)計理論及其應(yīng)用［M］.北京:高等教育出版社，2004.

［3］Using External Code in LABVIEW［Z］.National Instruments Corporation，2000.

［4］Using DDE in LABVIEW［Z］.National Instruments Corporation，2000.

［5］郭四穩(wěn)，古樂野.多通道大容量高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)［J］.四川大學(xué)學(xué)報，2001，38（1）:29-32.

［6］Jeffrey Travis，Jim Kring.LABVIEW大學(xué)實用教程［M］.喬瑞萍，譯.北京:電子工業(yè)出版社，2008.