基于LabVIEW的多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

吳 建 裴 峰 王珺楠 李曉紅

(中北大學(xué)儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測(cè)試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 太原 030051)

0 引 言

近年來，以計(jì)算機(jī)為中心、以網(wǎng)絡(luò)為核心的網(wǎng)絡(luò)化測(cè)控系統(tǒng)得到越來越多的應(yīng)用，尤其是在航空航天等國防領(lǐng)域。網(wǎng)絡(luò)化的測(cè)控系統(tǒng)大體上由兩部分組成:測(cè)控終端與傳輸介質(zhì)，隨著個(gè)人計(jì)算機(jī)的高速發(fā)展，測(cè)控終端的位置越來越多的被個(gè)人計(jì)算機(jī)所占據(jù)。其中，軟件系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)的系統(tǒng)的核心，設(shè)置是整個(gè)測(cè)控系統(tǒng)的靈魂，應(yīng)用于測(cè)控領(lǐng)域的軟件系統(tǒng)稱為監(jiān)控軟件。傳輸介質(zhì)組成的通信網(wǎng)絡(luò)主要完成數(shù)據(jù)的通信與采集，這種數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是整個(gè)測(cè)控系統(tǒng)的主體，是完成測(cè)控任務(wù)的主力。因此，這種“監(jiān)控軟件－數(shù)據(jù)采系統(tǒng)”構(gòu)架的測(cè)控系統(tǒng)在很多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，并形成了一套完整的理論，而虛擬儀器是將儀器技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、總線技術(shù)和軟件技術(shù)緊密的融合在一起，利用計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的數(shù)字處理能力實(shí)現(xiàn)儀器的大部分功能，打破傳統(tǒng)儀器的框架，形成一種軟硬件結(jié)合的新模式，而本次所設(shè)計(jì)的多通道數(shù)據(jù)采集就是在這一測(cè)控領(lǐng)域的應(yīng)用。

1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的構(gòu)成

1.1 虛擬儀器采集系統(tǒng)的組成

虛擬儀器是基于計(jì)算機(jī)的儀器。計(jì)算機(jī)和儀器的密切結(jié)合是目前儀器發(fā)展的一個(gè)重要方向。這種結(jié)合基本有兩種方式，一種是將計(jì)算機(jī)裝入儀器，其典型的例子就是所謂智能化的儀器。隨著計(jì)算機(jī)功能的日益強(qiáng)大以及其體積的日趨縮小，這類儀器功能也越來越強(qiáng)大，目前已經(jīng)出現(xiàn)含嵌入式系統(tǒng)的儀器。另一種方式是將儀器裝入計(jì)算機(jī)。以通用的計(jì)算機(jī)硬件及操作系統(tǒng)為依托，實(shí)現(xiàn)各種儀器功能，虛擬儀器主要是指這種方式。虛擬儀器的組成與傳統(tǒng)儀器一樣，主要由數(shù)據(jù)采集與控制、數(shù)據(jù)分析和處理、結(jié)果顯示3 部分組成。如圖1 所示。

對(duì)于傳統(tǒng)儀器，這3 個(gè)部分幾乎均由硬件完成;對(duì)于虛擬儀器，前一部分由硬件構(gòu)成，后兩部分主要由軟件實(shí)現(xiàn)。與傳統(tǒng)儀器相比，虛擬儀器設(shè)計(jì)日趨模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化，設(shè)計(jì)工作量大大減小。

圖1 虛擬儀器的內(nèi)部功能的劃分

1.2 硬件結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖2 所示。系統(tǒng)硬件主要包括:工業(yè)PC 機(jī)，數(shù)據(jù)采集卡。數(shù)據(jù)采集卡采用NI 公司推出的M 系列NI PCI－6221 多功能數(shù)據(jù)采集卡，它可以直接插入PC機(jī)的PCI 插槽中，即插即用，使用方便。

本設(shè)計(jì)使用PCI－6221，被測(cè)對(duì)象通過傳感器轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，通過傳感器轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，經(jīng)過信號(hào)調(diào)理模塊進(jìn)行簡單的信號(hào)出來，比如SCC－RTD01 熱電阻調(diào)理模塊、SCC－TD02 熱電偶調(diào)理模塊、SCC－SG04 全橋應(yīng)變片調(diào)理模塊，將信號(hào)送至數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行采集，然后用軟件進(jìn)行處理。采集后將數(shù)據(jù)顯示在波形圖上。

圖2 多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 數(shù)據(jù)采集程序

系統(tǒng)欲采用的是NI PCI－6221 采集卡，由于該卡支持DAQmx 驅(qū)動(dòng)程序，所以本設(shè)計(jì)是直接使用DAQmx－Data Acquisition 開發(fā)的，在這部分中，主要是采集參數(shù)的設(shè)置，其中包括物理通道的選擇，采樣模式、采樣率、每通道采樣數(shù)、輸入方式的配置，采樣最大最小值的設(shè)置。具體程序見圖3 所示。

圖3 數(shù)據(jù)采集程序

2.2 通道配置

本設(shè)計(jì)的前面板由通道配置、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示2 個(gè)部分組成。體現(xiàn)了一個(gè)數(shù)據(jù)采集的功能和實(shí)際應(yīng)用。按照模塊化進(jìn)程，首先是通道參數(shù)配置。

通道參數(shù)配置界面是提供了采集卡的參數(shù)配置，主要包括通道的選擇，數(shù)據(jù)保存的時(shí)間間隔，數(shù)據(jù)保存開關(guān)，采集通道報(bào)警值的設(shè)定，采樣最大值和最小值設(shè)定，采集卡輸入方式的設(shè)置，采樣頻率值設(shè)置以及采集啟動(dòng)與停止開關(guān)。見圖4(a)通道配置界面。圖4(b)為通道配置程序框圖模塊。

2.3 系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

LabVIEW 提供了非常豐富的圖形界面來進(jìn)行前面板的設(shè)計(jì)，波形圖表能非常清晰的實(shí)時(shí)顯示采集波形。在該頁面中實(shí)現(xiàn)了多通道采集的波形以其所有通道采樣的波形的實(shí)時(shí)顯示，該面板靈活運(yùn)用采用了屬性節(jié)點(diǎn)來編程實(shí)現(xiàn)的。非常清楚的表達(dá)了采集波形的動(dòng)態(tài)曲線。見圖5(a)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示界面。圖5(b)為實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示程序框圖模塊。

圖4 (a)通道配置界面

3 結(jié) 論

本設(shè)計(jì)基于了LabVIEW 平臺(tái)，利用其內(nèi)部豐富的模塊化函數(shù)，采用了NI PCI－6221 數(shù)據(jù)采集卡，利用了NI 提供的DAQmx－Data Acquisition，開發(fā)的具有多通的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。研究表明，該多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)相對(duì)于傳統(tǒng)的測(cè)試儀表具有精度高、自動(dòng)化程度高的特點(diǎn)，并且能夠?qū)崟r(shí)具有多路數(shù)據(jù)能夠同時(shí)采集、采集數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯，可以滿足不同數(shù)據(jù)的采集要求。

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