基于LabVIEW的數(shù)據(jù)采集與信號(hào)處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

姚 麗，劉東東

(1.沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)信息學(xué)院，遼寧沈陽(yáng) 110870;2.沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)研究生院，遼寧沈陽(yáng) 110870)

美國(guó)國(guó)家儀器公司(NI)的創(chuàng)新軟件產(chǎn)品LabVIEW自1986年問(wèn)世以來(lái)，在研究、制造和開(kāi)發(fā)的多項(xiàng)領(lǐng)域得到應(yīng)用。從探索研究到技術(shù)集成，都可以發(fā)現(xiàn)LabVIEW應(yīng)用的成果和開(kāi)發(fā)的產(chǎn)品。LabVIEW是給予圖形化變成G語(yǔ)言的高效開(kāi)發(fā)軟件，包括用于數(shù)據(jù)采集、分析、表達(dá)和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的庫(kù)函數(shù)，編程簡(jiǎn)單，適合于數(shù)據(jù)采集和控制、數(shù)據(jù)分析以及數(shù)據(jù)表達(dá)。

1 數(shù)據(jù)采集卡PMD－1608介紹

數(shù)據(jù)采集卡PMD－1608是MCC產(chǎn)品，為USB接口是性價(jià)比較高的多功能數(shù)據(jù)采集控制器。它便于計(jì)算機(jī)與外部物理世界聯(lián)系起來(lái)，被廣泛地應(yīng)用于測(cè)試儀器、工業(yè)過(guò)程控制，數(shù)據(jù)監(jiān)視等各種數(shù)據(jù)采集和控制場(chǎng)合。其主要性能及特點(diǎn)有

(1)8路獨(dú)立A/D通道，16 bit分辨率，50 kHz的采樣速率。

(2)單通道連續(xù)采集模式時(shí)，任一通道最大連續(xù)采樣 50 ksample·s－1。

(3)多通道連續(xù)采集模式時(shí)，單通道最大連續(xù)采樣100 ksample·s－1，雙通道連續(xù)采樣 50 ksample·s－1，四通道連續(xù)采樣25 ksample·s－1，依此類(lèi)推。

(4)觸發(fā)模式工作時(shí)，8通道都能以50 ksample·s－1采樣速率同時(shí)采集。

(5)觸發(fā)模式工作時(shí)，每通道緩存32 kB。

(6)輸入電壓范圍:±10 V，±5 V，±2 V，±1 V。

(7)8個(gè)數(shù)字量輸入，有外部數(shù)字觸發(fā)輸入。

(8)USB2.0接口兼容USB1.1，即插即用，無(wú)需外接電源。

2 LabVIEW簡(jiǎn)介

由美國(guó)NI公司研制的LabVIEW(Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench)是一種基于圖形編程語(yǔ)言的開(kāi)發(fā)環(huán)境。LabVIEW功能強(qiáng)大、靈活方便。與傳統(tǒng)編程語(yǔ)言有諸多相似之處，如相似的數(shù)據(jù)類(lèi)型、數(shù)據(jù)流控制結(jié)構(gòu)、程序調(diào)試工具等。但兩者最大的區(qū)別在于傳統(tǒng)編程語(yǔ)言是用文本語(yǔ)言編程，而LabVIEW用圖形語(yǔ)言編程。編程簡(jiǎn)單方便、界面形象直觀、具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)可視化分析和儀器控制能力等特點(diǎn)。

一個(gè)LabVIEW程序主要包括3個(gè)部分:前面板、框圖程序、圖標(biāo)/接線端口。前面板是LabVIEW程序的交互式圖形化用戶界面，用于設(shè)置用戶輸入和顯示程序輸出，目的是模擬真實(shí)儀器的前面板?？驁D程序則是利用圖形語(yǔ)言對(duì)前面板上的控制量和指示量進(jìn)行控制。圖標(biāo)/接線端口用于把LabVIEW程序定義成一個(gè)子程序，以便在其它程序中調(diào)用，這使LabVIEW得以實(shí)現(xiàn)層次化、模塊化編程。

3 系統(tǒng)整體方案設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)測(cè)試平臺(tái)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)以LabVIEW為軟件設(shè)計(jì)平臺(tái)，由電極、數(shù)據(jù)采集模塊PMD－1608和計(jì)算機(jī)組成。電極分為激勵(lì)電極和測(cè)量電極，在測(cè)量電極上采集到的同步實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)直接通過(guò)數(shù)據(jù)采集的USB口傳入計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)對(duì)傳入數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、顯示，并保存處理結(jié)果。系統(tǒng)還為用戶提供了良好的人機(jī)交互界面，界面主要分為3部分:(1)采集設(shè)置窗口，用戶可以實(shí)時(shí)在面板上設(shè)置系統(tǒng)的采樣率、采樣點(diǎn)數(shù)以及濾波方式、濾波階次和截止頻率設(shè)定等。(2)數(shù)據(jù)波形顯示窗口，用戶可以在該面板上看到采集的數(shù)據(jù)波形以及各通道各點(diǎn)電壓值。(3)濾波波形顯示窗口，用戶可以在該面板上看到經(jīng)切比雪夫?yàn)V波器濾波后數(shù)據(jù)波形以及各通道各點(diǎn)電壓值。

3.1 數(shù)據(jù)采集程序設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集程序的主要功能是:對(duì)數(shù)據(jù)采集模塊的采樣率、采樣點(diǎn)數(shù)、采樣形式和采樣通道等進(jìn)行設(shè)置，并將采集到的數(shù)字量轉(zhuǎn)換成信號(hào)電壓值。數(shù)據(jù)采集參數(shù)設(shè)置窗口如圖1所示。

圖1 數(shù)據(jù)采集參數(shù)設(shè)置窗口

數(shù)據(jù)采集程序框圖如圖2所示。該程序框圖中包括的函數(shù)有:AlnScFg、OptAln、SelChan、ToEng 等。

AlnScFg該函數(shù)節(jié)點(diǎn)的主要作用是對(duì)采集卡的模擬通道進(jìn)行掃描采樣，并將預(yù)先設(shè)定的采集點(diǎn)以向量形式儲(chǔ)存，當(dāng)全部采集結(jié)束后，停止工作。

OptAln該函數(shù)節(jié)點(diǎn)主要作用是對(duì)數(shù)據(jù)采集模塊的時(shí)鐘、觸發(fā)、采集、儲(chǔ)存等方式進(jìn)行設(shè)置，其輸出須與AlnScFg函數(shù)節(jié)點(diǎn)相連接，文中只對(duì)采樣形式進(jìn)行了設(shè)置，其它輸入量皆為默認(rèn)值，可不連接變量。

SelChan該函數(shù)節(jié)點(diǎn)主要作用是將指定的模擬采集通道采集到的數(shù)據(jù)從AlnScFg函數(shù)節(jié)點(diǎn)鎖輸出的向量中分離出來(lái)。

圖2 數(shù)據(jù)采集程序框圖

ToEng該函數(shù)節(jié)點(diǎn)主要作用是將采集到的數(shù)字量轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)顯示界面上的等效電壓值。

3.2 采集波形顯示窗口設(shè)計(jì)

采集波形顯示窗口前面板顯示如圖3所示。采集波形顯示窗口程序框圖如圖4所示。8個(gè)通道采集到的8組數(shù)據(jù)電壓幅值可以直接以文本的形式實(shí)時(shí)保存。

3.3 濾波波形顯示窗口設(shè)計(jì)

濾波波形顯示程序功能是將濾波后的數(shù)據(jù)及波形進(jìn)行顯示，并將數(shù)據(jù)保存為文本文件，濾波波形顯示程序框圖如圖7所示。8個(gè)通道的信號(hào)波形經(jīng)濾波后各通道電壓幅值可以直接以文本的形式實(shí)時(shí)保存。

圖7 濾波波形顯示程序框圖

4 實(shí)驗(yàn)

通過(guò)函數(shù)發(fā)生器向發(fā)射電極發(fā)射振幅為2.5 V，頻率為10 Hz的正弦信號(hào)，接收電極通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡的8通道同時(shí)采集接收，接收到的信號(hào)如圖8所示。

圖8 數(shù)據(jù)采集卡采集到的波形

由圖8可以看出，采集到的波形存在干擾，會(huì)對(duì)后期數(shù)據(jù)處理產(chǎn)生誤差，因此需要濾波處理。濾波器在參數(shù)設(shè)置窗口可以任意設(shè)置，先選用低通濾波器對(duì)波形進(jìn)行處理，濾波后的波形如圖9所示，經(jīng)濾波處理后的波形變得平滑。

圖9 濾波后波形圖

5 結(jié)束語(yǔ)

利用采集卡PMD－1608與LabVIEW開(kāi)發(fā)的數(shù)據(jù)采集與信號(hào)處理系統(tǒng)完成了信號(hào)的采集設(shè)置、顯示、濾波以及對(duì)信號(hào)的實(shí)時(shí)保存等功能。該系統(tǒng)與傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)相比，價(jià)格低廉、使用性強(qiáng)、開(kāi)發(fā)周期短、數(shù)據(jù)處理簡(jiǎn)便，縮短了開(kāi)發(fā)的周期。

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