基于LabVIEW的數(shù)字采集儀在線校準(zhǔn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開發(fā)

楊慧玉，任 兵，合 燁，劉學(xué)明，李 平

（1.重慶建設(shè)工業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司，重慶 400050；2.重慶大學(xué)機(jī)械傳動(dòng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400044）

0 引 言

數(shù)字采集儀以及動(dòng)態(tài)信號(hào)分析儀種類繁多，在測(cè)控領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，各種數(shù)字采集儀的性能都有所提高。按照國家計(jì)量校準(zhǔn)規(guī)程對(duì)這類儀器進(jìn)行校準(zhǔn)，需要各種校準(zhǔn)儀器協(xié)調(diào)工作，同時(shí)對(duì)測(cè)試人員的要求很高，但校準(zhǔn)工作效率和校準(zhǔn)精度不高。尤其是由于校準(zhǔn)涉及一些重復(fù)操作，會(huì)使檢測(cè)人員出現(xiàn)疲勞，由此可能產(chǎn)生一些誤操作，影響校準(zhǔn)結(jié)果。針對(duì)這些問題，本文通過采用基于虛擬儀器的校準(zhǔn)系統(tǒng)取代人工校準(zhǔn)，能精確、迅速地完成儀器的校準(zhǔn)任務(wù)，具有很好的應(yīng)用前景。

基于虛擬儀器的測(cè)試系統(tǒng)近幾年在國內(nèi)外發(fā)展迅速，很多學(xué)者和單位都開發(fā)了相應(yīng)的產(chǎn)品[1]。在虛擬儀器的設(shè)計(jì)過程中，軟件平臺(tái)的選擇對(duì)于儀器功能的設(shè)計(jì)和開發(fā)至關(guān)重要。LabVIEW是美國國家儀器公司（NI）開發(fā)的面向測(cè)控領(lǐng)域的圖形化虛擬儀器開發(fā)平臺(tái)，它基于圖形化的編程語言，自身具有豐富的圖形控件和強(qiáng)大的函數(shù)庫，采用拖放圖標(biāo)和流程圖的形式進(jìn)行儀器的開發(fā)。此外，LabVIEW支持大量的儀器驅(qū)動(dòng)和通信協(xié)議，借助一致的驅(qū)動(dòng)API，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)儀器的底層命令控制[2-3]；因此，本文采用LabVIEW軟件，結(jié)合硬件平臺(tái)，開發(fā)出數(shù)字采集儀在線校準(zhǔn)系統(tǒng)。

1 校準(zhǔn)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

1.1 硬件總體設(shè)計(jì)

按照傳統(tǒng)的校準(zhǔn)方法，需要配置正弦信號(hào)發(fā)生器、頻率計(jì)、數(shù)字電壓表和白噪聲信號(hào)發(fā)生器等多臺(tái)儀器[4-5]，這些儀器相互獨(dú)立，不利于攜帶和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試。為更適合工程應(yīng)用，本校準(zhǔn)系統(tǒng)采用NI公司的基于PXI總線的硬件設(shè)備來取代傳統(tǒng)的儀器。

基于PXI總線的系統(tǒng)能勝任惡劣環(huán)境所要滿足的要求[6]：（1）能在嚴(yán)酷的工業(yè)環(huán)境下工作；（2）通過共享硬件資源以減小體積；（3）內(nèi)置定時(shí)和觸發(fā)信號(hào)，集成了定時(shí)和同步特性，減少不同儀器之間實(shí)現(xiàn)觸發(fā)和同步功能的復(fù)雜性；（4）使系統(tǒng)集成變得更簡(jiǎn)易。

校準(zhǔn)系統(tǒng)的組成框圖如圖1所示。

圖1 校準(zhǔn)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖

具體的硬件配置如下：

（1）NI PXIe-8108嵌入式控制器；

（2）NI PXIe-1082 8槽Express機(jī)箱；

（3）NI PXI-4461信號(hào)發(fā)生器；

（4）NI PXI-5122高速數(shù)字化儀；

（5）打印機(jī)。

1.2 機(jī)箱與控制器

采用嵌入式控制器PXIe-8108和機(jī)箱PXIe-1082結(jié)合的方式，作為虛擬儀器的硬件平臺(tái)基礎(chǔ)。NI公司的基于PXI總線嵌入式控制器和機(jī)箱體積小，性能好，攜帶方便，適合工程應(yīng)用。

1.3 信號(hào)發(fā)生模塊

采用PXI4461作為信號(hào)發(fā)生器，它可以實(shí)現(xiàn)2路同步更新模擬輸出通道，輸出標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)至被檢儀器。通過信號(hào)分線裝置，可以實(shí)現(xiàn)多路實(shí)時(shí)同步信號(hào)輸出，用于儀器多通道的功能指標(biāo)校準(zhǔn)。

通過軟件功能設(shè)計(jì)，PXI4461可產(chǎn)生任意波形的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，如正弦信號(hào)、白噪聲信號(hào)等。

校準(zhǔn)系統(tǒng)信號(hào)發(fā)生模塊達(dá)到的具體指標(biāo)為：

（1）24位分辨率，采樣率204.8kS/s，動(dòng)態(tài)范圍優(yōu)于110dB；

（2）配合信號(hào)分線裝置，輸出通道為16個(gè)；

（3）信號(hào)幅值范圍為-10～10 V，允許誤差優(yōu)于0.05%，幅值穩(wěn)定性優(yōu)于0.3%（8h）；

（4）信號(hào)頻率：

測(cè)量范圍 0.01～20kHz，允許誤差優(yōu)于 1×10-4；

測(cè)量范圍 0.02～1MHz，允許誤差優(yōu)于 5×10-5；

（5）穩(wěn)定性優(yōu)于0.05%；

（6）失真度≤0.03%。

1.4 數(shù)據(jù)采集與儀器控制模塊

實(shí)時(shí)信號(hào)采集和處理部分采用的是PXI-5122數(shù)字化儀，它可以取代電壓表和頻率計(jì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)本裝置信號(hào)發(fā)生器的頻率、幅度、動(dòng)態(tài)范圍等參數(shù)的測(cè)量，同時(shí)也可以控制并讀取被校準(zhǔn)儀器的測(cè)量結(jié)果，進(jìn)行校準(zhǔn)項(xiàng)目結(jié)果的計(jì)算。

它所能達(dá)到的主要指標(biāo)如下：

（1）垂直分辨率14位，采樣帶寬100MHz，采樣率100MS/s；

（2）頻率分辨率誤差≤1×10-4；

（3）交流電壓測(cè)量允許誤差≤±0.1%。

上述指標(biāo)都能達(dá)到JJG 834-2006《動(dòng)態(tài)信號(hào)分析儀檢定規(guī)程》和JJF 1048-1995《數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)校準(zhǔn)規(guī)范》的要求；因此，本校準(zhǔn)系統(tǒng)的硬件平臺(tái)在功能上完全可以代替國家檢定規(guī)程中所要求的檢定儀器。而且，該硬件平臺(tái)精度高，可控性好，模塊之間可以實(shí)時(shí)通信，可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的校準(zhǔn)工作。

2 校準(zhǔn)系統(tǒng)的軟件開發(fā)

為提高開發(fā)效率，縮短開發(fā)周期，本校準(zhǔn)系統(tǒng)是在NI公司的虛擬儀器開發(fā)平臺(tái)LabVIEW環(huán)境中開發(fā)的。

2.1 儀器界面與架構(gòu)設(shè)計(jì)

由于本校準(zhǔn)系統(tǒng)的功能是對(duì)數(shù)字采集儀器進(jìn)行校準(zhǔn)，校準(zhǔn)項(xiàng)目的制定是基于JJG 834-2006和JJF 1048-1995，校準(zhǔn)項(xiàng)目個(gè)數(shù)較多。若采用傳統(tǒng)的選項(xiàng)卡或按鈕進(jìn)行校準(zhǔn)項(xiàng)目的選擇會(huì)造成界面控件布局密集，影響美觀和舒適度。而且，從長(zhǎng)遠(yuǎn)角度考慮，如果對(duì)儀器功能進(jìn)行擴(kuò)充，采用傳統(tǒng)的方法，需要重新設(shè)計(jì)儀器界面；因此，本文在校準(zhǔn)系統(tǒng)的開發(fā)中，采用主界面和子界面獨(dú)立設(shè)計(jì)[7]。主界面及主程序，完成儀器校準(zhǔn)的初始化、儀器校準(zhǔn)項(xiàng)目的選擇和最終校準(zhǔn)報(bào)告的生成及打印。

圖2 主界面動(dòng)態(tài)調(diào)用子程序

本校準(zhǔn)系統(tǒng)主界面設(shè)計(jì)以子面板為核心，將不同的校準(zhǔn)項(xiàng)目調(diào)至子面板界面中執(zhí)行，通過枚舉選擇控件完成校準(zhǔn)項(xiàng)目的選擇。采用這種方式的主界面極為精簡(jiǎn)，并且子程序的改變都不會(huì)影響到主界面，有利于系統(tǒng)的維護(hù)和升級(jí)。圖2為主程序動(dòng)態(tài)調(diào)用子程序，在主界面的子面板中顯示的程序圖。圖3為校準(zhǔn)系統(tǒng)的主程序流程圖。

圖3 校準(zhǔn)系統(tǒng)的主程序流程圖

如圖3所示，初始化主要完成界面數(shù)據(jù)、控件狀態(tài)的初始化?？紤]到被檢儀器生產(chǎn)廠家各不相同，儀器的級(jí)別也不相同，為了具有通用性，本校準(zhǔn)系統(tǒng)分為手動(dòng)校準(zhǔn)和自動(dòng)校準(zhǔn)。對(duì)于自動(dòng)校準(zhǔn)，校準(zhǔn)系統(tǒng)采用全局變量選擇儀器驅(qū)動(dòng)子程序進(jìn)行通信，完成相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)程序的調(diào)用。手動(dòng)校準(zhǔn)是針對(duì)一些生產(chǎn)廠家的老型號(hào)儀器，這類儀器無法實(shí)現(xiàn)程序控制和數(shù)據(jù)通信，因此在儀器校準(zhǔn)過程中需要手動(dòng)輸入一些儀器的參數(shù)和讀數(shù)。

2.2 被檢儀器的程序設(shè)計(jì)

自動(dòng)校準(zhǔn)適用于可以進(jìn)行程序控制和數(shù)據(jù)通信的儀器，通過對(duì)儀器的控制可以自動(dòng)完成每個(gè)校準(zhǔn)項(xiàng)目，減少人為干預(yù)，提高校準(zhǔn)精度。

對(duì)于被檢儀器的控制，主要分為兩類：一類是LabVIEW驅(qū)動(dòng)庫支持，還有一類是通過動(dòng)態(tài)鏈接庫調(diào)用。NI公司開發(fā)的用來與各種儀器總線進(jìn)行通信的高級(jí)應(yīng)用編程接口-VISA，不受平臺(tái)、總線和環(huán)境的限制，可用來對(duì) USB、GPIB、串口、VXI、PXI和以太網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行配置、編程和調(diào)試。通過LabVIEW對(duì)VISA進(jìn)行配置，就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)儀器的控制[6]。

LabVIEW為更好地支持普通數(shù)據(jù)采集卡等硬件，提供了調(diào)用庫函數(shù)節(jié)點(diǎn)（call library function node，CLFN）和代碼接口節(jié)點(diǎn)（code interface node，CIN）兩種實(shí)現(xiàn)方法。LabVIEW平臺(tái)下調(diào)用動(dòng)態(tài)連接庫的方法，比研究利用CIN節(jié)點(diǎn)的方法更有意義[8]。采用CLFN節(jié)點(diǎn)，LabVIEW可以較容易地實(shí)現(xiàn)訪問動(dòng)態(tài)連接庫（DLL）。本校準(zhǔn)系統(tǒng)在開發(fā)過程中，對(duì)于國產(chǎn)的采集儀器采用DLL調(diào)用的方法，如采用DLL調(diào)用方式讀取北京優(yōu)采公司的UA300中數(shù)據(jù)。通過調(diào)用采集器DLL文件，嚴(yán)格按照數(shù)據(jù)匹配類型配置CLFN的輸入和輸出節(jié)點(diǎn)，并且按照采集器的量程進(jìn)行轉(zhuǎn)換，以此得到采集的數(shù)據(jù)?？梢园l(fā)現(xiàn)，該方法可以充分利用采集器的DLL文件資源，無需重新編寫采集程序，很大地縮減了開發(fā)周期。

2.3 校準(zhǔn)系統(tǒng)中校準(zhǔn)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)

校準(zhǔn)系統(tǒng)中每個(gè)校準(zhǔn)項(xiàng)目的界面和功能設(shè)計(jì)是系統(tǒng)開發(fā)的核心。在校準(zhǔn)項(xiàng)目子程序界面的設(shè)計(jì)中，充分考慮工業(yè)用戶界面的設(shè)計(jì)要求。通過選用合適的LabVIEW控件，或者自行設(shè)計(jì)自定義控件，達(dá)到較好的界面效果。校準(zhǔn)項(xiàng)目子程序設(shè)計(jì)采用狀態(tài)機(jī)模式[7，9]。狀態(tài)機(jī)是最高級(jí)的LabVIEW設(shè)計(jì)模式，它具有極大的靈活性和可擴(kuò)展性，可以允許代碼從任意一個(gè)狀態(tài)跳轉(zhuǎn)到另一個(gè)狀態(tài)，同時(shí)保證了程序的可讀性。圖5為校準(zhǔn)項(xiàng)目的程序流程圖。

圖4 采用DLL方式讀取UA300數(shù)據(jù)

圖5 校準(zhǔn)項(xiàng)目子程序流程圖

信號(hào)發(fā)生器與采集控制設(shè)計(jì)：信號(hào)發(fā)生器采用軟件輸出標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)源，通過硬件PXI4461的AO口輸出，以此作為信號(hào)發(fā)生器。在軟件設(shè)計(jì)的過程中，不同校準(zhǔn)項(xiàng)目所要求的信號(hào)源不盡相同，而且，在一個(gè)校準(zhǔn)項(xiàng)目的操作過程中，信號(hào)也是根據(jù)需要進(jìn)行自動(dòng)調(diào)整。本校準(zhǔn)系統(tǒng)在設(shè)計(jì)信號(hào)發(fā)生器的過程中，通過信號(hào)發(fā)生與數(shù)據(jù)采集相互協(xié)調(diào)、制約來完成。

（1）當(dāng)信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生該校準(zhǔn)項(xiàng)目所需的信號(hào)時(shí)，觸發(fā)采集模塊進(jìn)行采集，這就保證了采集信號(hào)的有效性。

（2）當(dāng)對(duì)該類型信號(hào)采集完成時(shí)，采集模塊給信號(hào)發(fā)生器模塊一個(gè)觸發(fā)信號(hào)，則進(jìn)行信號(hào)參數(shù)的自動(dòng)調(diào)整。

（3）根據(jù)校準(zhǔn)項(xiàng)目的需求，當(dāng)采集模塊采集夠所需的全部數(shù)據(jù)時(shí)，觸發(fā)信號(hào)發(fā)生器關(guān)閉，然后程序跳轉(zhuǎn)至數(shù)據(jù)處理模塊。

對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，主要是基于JJG 834-2006和JJF 1048-1995。它們針對(duì)的是傳統(tǒng)校準(zhǔn)方法，在某些條目上不適合自動(dòng)校準(zhǔn)；因此，本校準(zhǔn)系統(tǒng)在開發(fā)過程中，充分利用計(jì)算機(jī)的優(yōu)勢(shì)，在算法上進(jìn)行了一定程度的優(yōu)化，比如，對(duì)于最高采集速率的校準(zhǔn)項(xiàng)目中，按照校準(zhǔn)規(guī)程，需要人工統(tǒng)計(jì)出N個(gè)信號(hào)周期內(nèi)采集數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)n，然后以此計(jì)算出最高采集速率。而在自動(dòng)校準(zhǔn)過程中，對(duì)一個(gè)信號(hào)進(jìn)行采集時(shí)，首先要規(guī)定采集的個(gè)數(shù)n，而不是統(tǒng)計(jì)出n；因此，該規(guī)程在此實(shí)用性較差。本校準(zhǔn)系統(tǒng)在實(shí)現(xiàn)該算法時(shí)，先規(guī)定采集個(gè)數(shù)n，然后通過計(jì)算信號(hào)過零點(diǎn)的次數(shù)，統(tǒng)計(jì)出信號(hào)周期N，以此計(jì)算最高采樣速率。同樣，在其他項(xiàng)目的校準(zhǔn)過程中，由于校準(zhǔn)規(guī)程針對(duì)的是手動(dòng)校準(zhǔn)與人工讀數(shù)，為降低測(cè)試人員工作量，在多次讀值的過程中對(duì)平均次數(shù)的要求較低，而在自動(dòng)化校準(zhǔn)系統(tǒng)的開發(fā)過程中，可以通過提高平均次數(shù)進(jìn)行多次采集，提高讀值的精度。

2.4 報(bào)表生成的設(shè)計(jì)

報(bào)表的生成采用Word模板設(shè)計(jì)，這種方法適合規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化的報(bào)表生成。采用這種方法進(jìn)行報(bào)表設(shè)計(jì)，只需要設(shè)計(jì)好報(bào)表模板，然后將每次檢定的結(jié)果填入到報(bào)表中相應(yīng)的位置即可。

首先根據(jù)需求設(shè)計(jì)好標(biāo)準(zhǔn)化的模板，對(duì)于模板中需要填入的數(shù)據(jù)，采用Word中的“書簽”進(jìn)行位置標(biāo)記。

每個(gè)檢定項(xiàng)目產(chǎn)生的檢定結(jié)果，可以通過全局變量和配置文件的形式保存在程序中，當(dāng)檢定完所有的項(xiàng)目后，點(diǎn)擊“報(bào)表”按鈕，程序會(huì)讀取所有檢定項(xiàng)目的結(jié)果，填入到報(bào)表中相應(yīng)的“書簽”位置。采用“書簽”形式，可以方便快捷地在報(bào)表中填入單個(gè)數(shù)據(jù)、數(shù)組表格以及圖形。對(duì)于生成的報(bào)表，可以直接通過打印機(jī)打印。

3 實(shí) 驗(yàn)

圖6 采用數(shù)字采集儀在線校準(zhǔn)系統(tǒng)對(duì)UA300進(jìn)行采集線性度校準(zhǔn)界面圖

圖6為采用本文開發(fā)的數(shù)字采集儀在線校準(zhǔn)系統(tǒng)對(duì)UA300進(jìn)行采集線性度的校準(zhǔn)時(shí)的操作界面。

系統(tǒng)界面的左下角是校準(zhǔn)項(xiàng)目選擇區(qū)，圖6中顯示選擇采集線性度校準(zhǔn)項(xiàng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，該檢定項(xiàng)目為自動(dòng)檢定。系統(tǒng)界面中間部分為線性度測(cè)量子程序的界面，就是采用本文中提到的動(dòng)態(tài)調(diào)用子程序方法嵌入到子面板中。

由于本檢定項(xiàng)目為自動(dòng)檢定，當(dāng)用戶點(diǎn)擊“開始”按鈕時(shí)，系統(tǒng)首先進(jìn)行自檢，通過查詢?cè)O(shè)備之間的通信是否正常完成自檢。當(dāng)自檢成功后，其對(duì)應(yīng)的標(biāo)志燈會(huì)亮。系統(tǒng)進(jìn)入信號(hào)發(fā)生模塊控制區(qū)，按照預(yù)先設(shè)定好的信號(hào)發(fā)出信號(hào)，系統(tǒng)確認(rèn)發(fā)出的信號(hào)為標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)后，啟動(dòng)采集模塊，按照預(yù)先設(shè)定好的采集次數(shù)和采集數(shù)據(jù)的個(gè)數(shù)完成采集任務(wù)。當(dāng)完成當(dāng)前信號(hào)的采集后，系統(tǒng)再次控制信號(hào)發(fā)生器，更改信號(hào)的參數(shù)，然后再次進(jìn)行采集。按照該實(shí)驗(yàn)的校準(zhǔn)規(guī)程，需要在被檢儀器量程范圍內(nèi)選擇11個(gè)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。當(dāng)系統(tǒng)采集到所需的所有數(shù)據(jù)后，關(guān)閉信號(hào)發(fā)生模塊和信號(hào)采集模塊，程序跳轉(zhuǎn)至線性度結(jié)果計(jì)算模塊，得到線性度的檢定結(jié)果，并保存至主程序的結(jié)果變量中。

這樣就完成了線性度的檢定，然后選擇其他的檢定項(xiàng)目進(jìn)行檢定。當(dāng)所有的檢定項(xiàng)目都完成后，可以點(diǎn)擊“報(bào)表”按鈕，生成報(bào)表。

圖6中的圖形顯示控件以及界面右側(cè)的校準(zhǔn)過程數(shù)據(jù)可以實(shí)時(shí)顯示采集的數(shù)據(jù)，右上角的實(shí)時(shí)幫助可以提供當(dāng)前自動(dòng)校準(zhǔn)的狀態(tài)，當(dāng)采用手動(dòng)校準(zhǔn)時(shí)，它可以提供提示幫助。

4 結(jié)束語

采用虛擬儀器技術(shù)，應(yīng)用LabVIEW平臺(tái)開發(fā)數(shù)字采集儀在線校準(zhǔn)系統(tǒng)，取代傳統(tǒng)的校準(zhǔn)儀器，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，滿足國家校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)的同時(shí)，提高了精度。采用本校準(zhǔn)系統(tǒng)對(duì)儀器進(jìn)行校準(zhǔn)，速度快，數(shù)據(jù)記錄完整，報(bào)表生成規(guī)范，實(shí)用性強(qiáng)，且系統(tǒng)軟件架構(gòu)合理，安全性好，易于維護(hù)和擴(kuò)展。

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