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

李琳芳,賈蕓芳,李國厚

（1.河南科技學(xué)院,河南新鄉(xiāng)453003；2南開大學(xué),天津300071）

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

李琳芳1,賈蕓芳2,李國厚1

（1.河南科技學(xué)院,河南新鄉(xiāng)453003；2南開大學(xué),天津300071）

為了提高數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的開發(fā)效率,減少開發(fā)成本,以LabVIEW為開發(fā)平臺,設(shè)計(jì)了一套數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng).系統(tǒng)以NI-PCI6221作為采集仿真設(shè)備,采用模塊化和層次化思想,進(jìn)行了LabVIEW程序設(shè)計(jì)和界面設(shè)計(jì),模擬實(shí)驗(yàn)了電壓和溫度兩路信號的數(shù)據(jù)采集、實(shí)時(shí)顯示、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)處理、歷史回放功能.實(shí)驗(yàn)仿真結(jié)果表明,基于LabVIEW的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)能夠有效地實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集以及在線分析處理,此外借助LabVIEW豐富的函數(shù)庫,易于進(jìn)行系統(tǒng)功能擴(kuò)展.

虛擬儀器；LabVIEW；數(shù)據(jù)采集；NI-PCI6221

數(shù)據(jù)采集作為信息獲取的主要方法,被廣泛應(yīng)用于電力監(jiān)測、航空航天、生物醫(yī)學(xué)、電子通信等測控領(lǐng)域.隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的普及和智能儀器儀表的深入發(fā)展,虛擬儀器成為測試領(lǐng)域發(fā)展的新興方向[1].虛擬儀器的概念是由美國NI公司提出來的,它是指用戶利用模塊化硬件,在通用的計(jì)算機(jī)平臺上,借助軟件編程技術(shù),根據(jù)自己的需求定義和設(shè)計(jì)的具有測試功能的儀器系統(tǒng)[2].虛擬儀器的核心思想是“軟件即儀器”[3],使用虛擬儀器測控成本低、軟件開發(fā)周期短、軟件功能易于擴(kuò)展、程序可復(fù)用性好.

LabVIEW（Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench）全稱實(shí)驗(yàn)室虛擬儀器工程平臺,是目前應(yīng)用最廣的虛擬儀器開發(fā)軟件,它是由NI公司在1986年首次推出[4],最新版本為LabVIEW2014. LabVIEW使用圖形化編程語言（G語言）編寫程序[5],用框圖代替了傳統(tǒng)的程序代碼,編程簡單易學(xué)、便捷靈活、開發(fā)效率高、人機(jī)交互交互界面直觀友好,是測試工程師進(jìn)行開發(fā)測量和控制的理想選擇.本文以LabVIEW為開發(fā)平臺,研究設(shè)計(jì)了一套數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng),通過仿真實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集、存儲、處理、顯示、回放功能.

1 系統(tǒng)模型

1.1 系統(tǒng)整體架構(gòu)

基于LabVIEW的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示.

圖1 LabVIEW數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)Fig.1 LabVIERW data acquisition system

數(shù)據(jù)采集硬件主要指DAQ設(shè)備,硬件驅(qū)動程序是連接硬件設(shè)備和計(jì)算機(jī)的特殊程序,保證硬件設(shè)備和計(jì)算機(jī)之間可以進(jìn)行正常通信,NI公司對旗下的DAQ設(shè)備都開發(fā)有相應(yīng)的驅(qū)動程序,封裝后稱為NI-DAQmx.驅(qū)動程序用戶接口MAX（Measurement and Automation Explorer）,又稱測量與自動化管理軟件,主要用于對硬件進(jìn)行配置與測試,本文就是在MAX中配置了硬件仿真設(shè)備PCI6221.應(yīng)用程序LabVIEW提供給用戶一個(gè)開發(fā)平臺,用戶借此平臺完成整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì).

1.2 PCI-6221簡介

NI-PCI6221是一款低價(jià)位多功能M系列數(shù)據(jù)采集板卡,具有單端16路/差分8路模擬輸入,分辨率高達(dá)16 bit,采樣速率為250 KS/s,輸入最小電壓范圍為±200 mV,最大電壓范圍為±10 V,板上自帶4 095字節(jié)內(nèi)存.

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)是整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心,軟件設(shè)計(jì)部分采用層次化和模塊化思想,將整個(gè)系統(tǒng)劃分分若干模塊,模塊化的程序結(jié)構(gòu)不但使整個(gè)系統(tǒng)清晰明了,而且方便進(jìn)行程序維護(hù).基于LabVIEW的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)如圖2所示.該系統(tǒng)軟件部分包含了系統(tǒng)啟動、用戶登錄、系統(tǒng)菜單、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)回放6個(gè)功能模塊.

圖2 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)Fig.2 System software architecture

2.2 系統(tǒng)界面設(shè)計(jì)

本文針對6個(gè)功能模塊分別開發(fā)了相應(yīng)的界面.

2.2.1 系統(tǒng)啟動界面 系統(tǒng)啟動界面如圖3所示.它包含了簡單個(gè)人信息,綠色橫條是系統(tǒng)啟動條,顯示啟動進(jìn)度,系統(tǒng)100%加載成功后,單擊進(jìn)入登錄界面按鈕可以跳轉(zhuǎn)到用戶登錄界面,單擊退出啟動界面按鈕則直接退出系統(tǒng).

圖3 系統(tǒng)啟動界面Fig.3 System startup interface

2.2.2 用戶登錄界面 用戶登錄界面如圖4所示.它要求輸入用戶名和密碼,功能是進(jìn)行身份認(rèn)證,認(rèn)證通過后顯示登錄成功,一旦登錄成功會自動進(jìn)入到系統(tǒng)菜單界面,如果不能通過認(rèn)證,只能通過退出按鈕來退出系統(tǒng).

圖4 用戶登錄界面Fig.4 User login interface

2.2.3 系統(tǒng)菜單界面 系統(tǒng)菜單界面如圖5所示.它由一列按鈕構(gòu)成,菜單程序運(yùn)行后按鈕被激活,分別單擊數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)回放按鈕可跳轉(zhuǎn)到對應(yīng)界面,單擊退出按鈕返回到菜單按鈕被激活前狀態(tài).

圖5 系統(tǒng)菜單界面Fig.5 System menu interface

2.2.4 數(shù)據(jù)采集界面 數(shù)據(jù)采集界面如圖6所示.它模擬實(shí)現(xiàn)了兩路信號的采集,一路是電壓信號,一路是溫度信號.信號選擇開關(guān)用于進(jìn)行信號選擇,通過信號選擇開關(guān)既可以采集單路信號數(shù)據(jù),也可以同時(shí)采集雙路信號數(shù)據(jù).針對溫度信號設(shè)計(jì)了溫度表盤,可精確顯示溫度值,另外還設(shè)定了溫度下限和上限值,將溫度限定在一個(gè)范圍內(nèi),一旦超出這個(gè)范圍,報(bào)警指示燈就會亮起來.

數(shù)據(jù)采集界面包含了一些基本參數(shù)設(shè)置,此外還有返回和暫停兩個(gè)按鈕,單擊暫停按鈕,系統(tǒng)暫停連續(xù)采集數(shù)據(jù),暫停中狀態(tài)表現(xiàn)為數(shù)據(jù)信息停留在某一刻,單擊返回按鈕,可返回至系統(tǒng)菜單界面.

圖6 數(shù)據(jù)采集界面Fig.6 Data acquisition interface

2.2.5 數(shù)據(jù)處理界面 數(shù)據(jù)處理界面如圖7所示.它包含了電壓和溫度兩路信號,對電壓信號分別進(jìn)行了濾波、頻譜分析、峰值壓縮,對溫度信號進(jìn)行了均值壓縮.此外還有溫度表盤、一列選擇開關(guān)、系統(tǒng)參數(shù)配置信息、暫停和返回按鈕.

圖7 數(shù)據(jù)處理界面Fig.7 Data processing interface

濾波處理是信號處理中常用的一種手段,對于濾波處理,觀察圖7,可發(fā)現(xiàn)濾波后的電壓信號清晰平滑,便于觀察.

頻譜分析主要是求出信號的頻域描述,有助于更全面地認(rèn)知信號信息,進(jìn)行信號特征提取.根據(jù)奈奎斯特準(zhǔn)則,信號帶寬小于采樣頻率的1/2,便能防止出現(xiàn)頻譜混疊現(xiàn)象,恢復(fù)出原始信號,本文設(shè)置采樣頻率為1 000 Hz.觀察圖7發(fā)現(xiàn)電壓幅度譜主要集中在0～50 Hz,這是因?yàn)樵趯?shí)際工程中,為了恢復(fù)出高保真信號,要求信號帶寬小于采樣頻率的1/10,加之軟件仿真環(huán)境理想,因此信號幅度譜主要處于50 Hz頻段內(nèi).

壓縮采樣是利用算法在保留信號信息的同時(shí)進(jìn)行壓縮處理,壓縮處理可縮減數(shù)據(jù)體積,有利于傳輸.本文對電壓信號進(jìn)行了峰值壓縮,對溫度信號進(jìn)行了均值壓縮,設(shè)置壓縮因子均為10,即對于電壓信號,每10個(gè)采樣值中標(biāo)記出最大值,對于溫度信號,每10個(gè)采樣值中標(biāo)記出平均值.電壓信號峰值壓縮后方便獲取峰值信息,溫度信號均值壓縮后方便獲取平均溫度.

2.2.6 數(shù)據(jù)回放界面 數(shù)據(jù)回放界面如圖8所示.可以讀取之前存儲的數(shù)據(jù),實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)再現(xiàn).通過文件路徑找到之前數(shù)據(jù)所在位置,并通過選擇開關(guān)按鈕選擇回放的信號,接著運(yùn)行系統(tǒng)回放程序,便可觀察回放的數(shù)據(jù).數(shù)據(jù)回放界面包含了電壓和溫度兩路信號的回放,回放的數(shù)據(jù)結(jié)果以波形和表格數(shù)值兩種形式呈現(xiàn).觀察圖8發(fā)現(xiàn)在電壓和溫度波形始端有段空白區(qū)域,這是由于之前存儲的文件中包含一些非數(shù)值的說明信息,是不能夠被讀取的.

圖8 數(shù)據(jù)回放界面Fig.8 Data playback interface

3 小結(jié)

虛擬儀器技術(shù)是計(jì)算機(jī)測控領(lǐng)域的前沿技術(shù),本文參閱大量LabVIEW實(shí)例,以LabVIEW為平臺,進(jìn)行了虛擬儀器開發(fā).系統(tǒng)硬件部分以NI-PCI6221采集卡作為仿真設(shè)備,軟件部分借助LabVIEW編寫程序模塊,模擬實(shí)現(xiàn)了兩路信號的采集、處理、存儲和回放功能.整個(gè)設(shè)計(jì)流暢合理,系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)為工程應(yīng)用實(shí)踐提供了參考價(jià)值和技術(shù)指導(dǎo).

[1]陳慶協(xié).基于LabVIEW的電動機(jī)控制保護(hù)器遠(yuǎn)程監(jiān)控結(jié)構(gòu)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析[J].赤峰學(xué)院學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2014,30（11上）：32-33.

[2]Goldberg H.What is virtual instrumentation?[J].Instrumentation&Measurement Magazine,2000（4）：10-13.

[3]李云飛.一種普適虛擬儀器設(shè)計(jì)方法研究[D].蘇州：蘇州大學(xué),2009.

[4]陳錫輝,張銀鴻.LabVIEW8.20程序設(shè)計(jì)從入門到精通[M].北京：清華大學(xué)出版社,2007：2-5.

[5]Whitley K N,Blackwell A F.Visual programming in the wild：A survey of LabVIEW programmers[J].Journal of Visual Languages &Computing,2001,12（4）：435-472.

（責(zé)任編輯：盧奇）

The design of data acquisition and processing system based on LabVIEW

Li Linfang1,Jia Yunfang2,Li Guohou1
（1.Henan Institute of Science and Technology,Xinxiang 453003,China；2.Nankai University,Tianjin 300071,China）

In order to improve the efficiency of data acquisition system and reduce development cost,a data acquisition and processing system was designed based on LabView.The idea of modularization and layering was utilized in this paper,by the use of NI PCI-6221 as a simulator of the data acquiring equipment,dual-channel signal including voltage and the thermocouple temperature,data acquisition,real-time display,data processing,storage and playback can be realized.Simulation results indicated that the data acquisition system based on LabVIEW can effectively implement data acquisition and online analysis.In addition,with the aid of the LabVIEW function library, it's easy to extend system function.

virtual instrument；LabVIEW；data acquisition；NI-PCI6221

TP274

A

：1008-7516（2015）02-0051-05

10.3969/j.issn.1008-7516.2015.02.012

2015-03-09

國家自然科學(xué)基金（61371028）；天津市自然科學(xué)基金（12JCZDJC22400）

李琳芳（1988―）,女,河南新鄉(xiāng)人,碩士,助教.主要從事信號與信息處理研究.

賈蕓芳（1974―）,女,天津人,教授,博士生導(dǎo)師.主要從事傳感器技術(shù)與智能系統(tǒng)研究.