基于PXIe總線和LabVIEW數(shù)據(jù)采集

董鋒劍 何倞 張羽

中航貴州飛機有限責(zé)任公司，貴州 安順 561018

引言

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，各類試驗對測量數(shù)據(jù)的需求也在不斷增加，特別是在大型系統(tǒng)工程的實施和試驗階段，大量數(shù)據(jù)可以給工程技術(shù)人員提供理論基礎(chǔ)，通過分析確認(rèn)理論與實際之間的差異，再通過不斷修改設(shè)計方案，最終實現(xiàn)系統(tǒng)工程的最優(yōu)化。因此測量數(shù)據(jù)量從原來的幾十個提高到現(xiàn)在的幾百個甚至更多，測量的采樣率從原來的幾赫茲提高到現(xiàn)在的幾兆甚至幾十兆，測量參數(shù)的類型從原來的單一向多元轉(zhuǎn)變。PXIe總線將原來的PXI總線的帶寬提高了45倍，由原來的132MB/s提高到6GB/s；與此同時，還維持與PXI模塊間的軟件、硬件兼容性。正是由于此性能的增強，PXIe可以用于很多新型應(yīng)用領(lǐng)域，其中很多領(lǐng)域在以前只能由昂貴的專用硬件實現(xiàn)。

1 測量原理

在設(shè)計數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，通常采用信號調(diào)理配合數(shù)據(jù)采集卡實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的采集。一般信號調(diào)理使用傳感器來實現(xiàn)，對于特殊量時需要根據(jù)實際情況自制信號調(diào)理，目前可供選擇的各類傳感器眾多，完全可以滿足一般的測試需求。本文主要考慮到常用量的數(shù)據(jù)采集如壓力、交直流電壓、交直流電流、電阻、溫度。精度對于測量系統(tǒng)非常重要因此要根據(jù)測量精度來選擇相應(yīng)的傳感器和數(shù)據(jù)采集卡，采樣率對于數(shù)據(jù)采集也很重要，如果采樣率過低也會造成數(shù)據(jù)采集不準(zhǔn)確或精度下降，選用PIXe總線，可以將采樣率的影響降到最低。測試系統(tǒng)的搭建要充分考慮每一個環(huán)節(jié)的精度損失，因為系統(tǒng)精度不等于各硬件精度的簡單累加，所以要盡可能的降低每一點的誤差對總體誤差的影響。多通道同時測量對于相互干擾的問題不容忽視，特別是在強弱信號同時測量時。對于使用環(huán)境也應(yīng)進(jìn)行分析確認(rèn)，選擇抗干擾能力優(yōu)越的機箱。只有通過大量實踐不斷改進(jìn)才有可能設(shè)計出更好的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

2 系統(tǒng)方案設(shè)計

系統(tǒng)方案采用傳感器加數(shù)據(jù)采集卡方式,各參量精度要求是:壓力(±0.5%)、電壓(±1%)、電流(±2%)、電阻（±2%）、溫度（±1%），測量范圍是：壓力(0.2MPa～40MPa)、電壓(100mV～1000V)、電流:(10A～300A)、電阻(0.5Ω～100MΩ)、溫度(40℃～1000℃)，使用環(huán)境電磁情況不確定。根據(jù)以上信息進(jìn)行系統(tǒng)方案設(shè)計，首先是傳感器的選擇：

電壓傳感器：一般數(shù)據(jù)采集卡的輸入電壓為±10V、±5V、5V、±2.5V等，因此選擇了一款可以將1000V電壓調(diào)理到RMS5V的傳感器，精度為：

電流傳感器：電流測量到300A，所以量程分為兩個，精度為±1%，為了做到瞬態(tài)測量采用了霍爾原理[2]的傳感器，其轉(zhuǎn)換速度可以達(dá)到微秒級。

溫度傳感器：400℃以下采用鉑電阻，400℃以上采用熱電偶，這樣才可滿足精度指標(biāo)。

壓力傳感器：壓力測量范圍40MPa，精度±0.5%，而壓力傳感器通常30%起效，為了滿足精度使用了5個量程不等的精度在萬分之五的傳感器。

其次是數(shù)據(jù)采集卡的選擇：

PXIe-4071：7?數(shù)字萬用表(DMM)和1000V數(shù)字化儀，測量范圍±10nV到1000 VDC范圍內(nèi)的電壓測量(700 VAC)，采樣率1.8 MS/s波形采集。

PXIe-4065：6?位DMM測量功能，2線或4線電阻測量。

PXIe-4353：熱電偶輸入模塊，內(nèi)置冷端溫度補償通道，帶熱電偶開路檢測，精度0.3℃。

PXIe-4357：用于PT100 RTD的測量，精度0.09℃，支持2線、3線和4線RTD，每通道0.9 mA激發(fā)電流源。

PXIe-4300：8通道同步模擬輸入模塊，實現(xiàn)每通道250kS/s的同步采樣。

傳感器和采集卡選擇完成后進(jìn)行系統(tǒng)的搭建，測量原理接線關(guān)系如下：

（1）電壓測量

圖1 電壓測量圖

100mV～1000VDC/700Vrms信號直接連接至PXIe-4071模塊進(jìn)行測量，700Vrms～1000 Vrms的電壓信號經(jīng)過電壓傳感器轉(zhuǎn)換為0～5V電壓后連接至PXIe-4300模塊進(jìn)行測量。

（2）電流測量

圖2 電流測量圖

采用非接觸式霍爾電流傳感器[2]測量電流，傳感器有過線孔供導(dǎo)線穿越。10A～300A的電流信號導(dǎo)線穿越電流傳感器轉(zhuǎn)換為0～5V電壓后連接至PXIe-4300采集模塊進(jìn)行測量。

（3）電阻測量

圖3 電阻測量圖

直接連接到電阻測量模塊(PXIe-4065)進(jìn)行電阻阻值的測量。

（4）壓力測量

圖4 壓力測量原理圖

使用PXIe-4300模塊進(jìn)行測量。

（5）溫度測量

圖5 熱電偶測量原理圖

圖6 4線RTD測量原理圖

使用溫度測量接口連接至熱電偶（PXIe-4353）測量模塊和RTD（PXIe-4357）測量模塊進(jìn)行測量。

3 軟件設(shè)計

LabVIEW是通用的編程平臺，有完整的編程任務(wù)函數(shù)庫。LabVIEW函數(shù)庫包[1]括數(shù)據(jù)采集、GPIB、數(shù)據(jù)顯示、串口控制、數(shù)據(jù)分析及數(shù)據(jù)存儲等。LabVIEW也有傳統(tǒng)的程序調(diào)試工具，如設(shè)置斷點、以動畫方式顯示數(shù)據(jù)及其子程序（子VI）的結(jié)果、單步執(zhí)行等等，便于程序的調(diào)試。LabVIEW是一種用圖標(biāo)代替文本行創(chuàng)建應(yīng)用程序的圖形化編程語言[3]。傳統(tǒng)文本編程語言根據(jù)語句和指令的先后順序決定程序執(zhí)行順序，而LabVIEW則采用數(shù)據(jù)流編程方式，程序框圖中節(jié)點之間的數(shù)據(jù)流向決定了VI[4]及函數(shù)的執(zhí)行順序。VI是指虛擬儀器，是LabVIEW的程序模塊。LabVIEW提供很多外觀與傳統(tǒng)儀器[5]（如示波器、萬用表）類似的控件，可用來方便地創(chuàng)建用戶界面。用戶界面在LabVIEW中被稱為前面板。使用圖標(biāo)和連線，可以通過編程對前面板上的對象進(jìn)行控制。這就是圖形化源代碼，又稱G代碼。LabVIEW的圖形化源代碼在某種程度上類似于流程圖，因此又被稱作程序框圖代碼。

軟件系統(tǒng)設(shè)計包括主界面、開始、停止、查詢、退出，還有測量參數(shù)配置模塊，可同時對8路信號進(jìn)行測量，軟件框圖如圖7所示。

圖7 軟件框圖

各模塊功能介紹如下：

（1）開始：點擊后開始進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，此時數(shù)據(jù)同時顯示圖形和數(shù)據(jù)兩種方式，圖形顯示隨時間的推移在窗體中繪制曲線，同時對數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲；

（2）停止：即數(shù)據(jù)停止采集；

（3）查詢：數(shù)據(jù)回放功能入口，通過點擊可以對以前的采集數(shù)據(jù)進(jìn)行回放；

（4）圖形顯示：將采集到的數(shù)據(jù)以圖形方式實時顯示；

（5）數(shù)字顯示：以數(shù)字方式實時顯示當(dāng)前采集值；

（6）配置選擇：可以根據(jù)傳感器的不同選擇不同的測量通道或量程，達(dá)到對數(shù)據(jù)采集的目的；

（7）退出：即退出測量系統(tǒng)。

使用 LabVIEW編制好的軟件界面如圖8所示。

4 結(jié)束語

上述方法設(shè)計的基于PIXe總線與LabVIEW軟件實現(xiàn)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可以對各種信號進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，只要選用不同類型的數(shù)據(jù)采集卡配合不同的傳感器即可，如溫度傳感器（PT100、熱電偶）配溫度采集卡，壓力傳感器、電流傳感器、電壓傳感器、振動傳感器、噪聲傳感器等配電壓采集卡，流量傳感器、轉(zhuǎn)速傳感器配頻率采集卡等等，只要確定的需要測量的量，選擇對應(yīng)的傳感器和采集卡，即可對其進(jìn)行測量和數(shù)據(jù)采集。

[1]胡仁喜，高海濱.LabVIEW2010中文版虛擬儀器從入門到精通[M].北京：機械工業(yè)出版社，2012.

[2]丁俊鵬.磁通門電流傳感器使用說明書，2012.

[3]李江全等.LabVIEW虛擬儀器從入門到測控應(yīng)用130例[M].北京：電子工業(yè)出版社，2013.

[4]張桐，陳國順，王正林.精通LabVIEW程序設(shè)計[M].北京：電子工業(yè)出版社，2008.

[5]雷振山，魏麗，趙晨光等.LabVIEW高級編程與虛擬儀器工程應(yīng)用[M].北京：中國鐵道出版社，2009.