基于LabVIEW多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)*

于亞萍，董桂梅，楊仁杰，李留安，靳 皓

（1.天津農(nóng)學(xué)院工程技術(shù)學(xué)院，天津 300384；2.天津農(nóng)學(xué)院學(xué)報(bào)編輯部，天津 300384）

0 引言

多路采集系統(tǒng)在許多應(yīng)用場(chǎng)合得到廣泛的應(yīng)用[1-2]，如地震參數(shù)[3]、機(jī)床參數(shù)[4]、智能化農(nóng)業(yè)[5]、虛擬信號(hào)發(fā)生裝置[6]等。對(duì)多通道數(shù)據(jù)采集的實(shí)現(xiàn)方法有多種，可以通過(guò)FPGA或多路數(shù)據(jù)采集卡[7]，單片機(jī)與LabVIEW相結(jié)合實(shí)現(xiàn)的多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)多有單片機(jī)完成數(shù)據(jù)采集并通過(guò)RS232口傳送給上位機(jī)，設(shè)計(jì)復(fù)雜，且信號(hào)傳送速度慢[8-10]。本文針對(duì)USB-6211結(jié)合LabVIEW軟件，采用數(shù)據(jù)采集DAQmx專用模塊設(shè)計(jì)了一套實(shí)用的多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。LabVIEW是一個(gè)圖形化軟件，通過(guò)畫圖可以設(shè)計(jì)出直觀、豐富的人機(jī)交互界面，在信號(hào)測(cè)試與分析處理方面功能尤其強(qiáng)大[11-13]。本文設(shè)計(jì)了一種LabVIEW多路數(shù)據(jù)采集測(cè)試系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)多路數(shù)據(jù)的采集以及采集后信號(hào)的拆分、處理與顯示，并能實(shí)現(xiàn)對(duì)下位機(jī)的數(shù)字控制作用，以一個(gè)共射極放大電路信號(hào)的采集與處理作為測(cè)試對(duì)象，本測(cè)試系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了多路數(shù)據(jù)采集和多路數(shù)據(jù)的控制功能。

1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

通用的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)要求多個(gè)被測(cè)模擬數(shù)據(jù)量，通過(guò)傳感器轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，然后通過(guò)信號(hào)調(diào)理對(duì)有用信號(hào)進(jìn)行處理，再將模擬信號(hào)通過(guò)數(shù)據(jù)采集信號(hào)的模擬通道由數(shù)據(jù)采集卡傳送給上位機(jī)，上位機(jī)接收信號(hào)后，可以將采集來(lái)的信號(hào)進(jìn)行拆分，然后對(duì)每一個(gè)通道的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，完成對(duì)多通道數(shù)據(jù)的采集。根據(jù)任務(wù)的要求，可以通過(guò)數(shù)字開(kāi)關(guān)對(duì)下位機(jī)電路進(jìn)行控制。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 多路數(shù)據(jù)采集測(cè)試系統(tǒng)框圖

2 LabVIEW程序設(shè)計(jì)

LabVIEW主要優(yōu)勢(shì)是信號(hào)的測(cè)量與信號(hào)分析，數(shù)據(jù)采集卡結(jié)合LabVIEW軟件既是硬件的強(qiáng)大功能，測(cè)試的整個(gè)設(shè)計(jì)核心在LabVIEW程序設(shè)計(jì)上。

2.1 多路模擬數(shù)據(jù)采集程序

圖2 多路模擬數(shù)據(jù)采集程序框圖

USB-6211數(shù)據(jù)采集卡有16個(gè)模擬輸入口，2個(gè)模擬信號(hào)輸出口，4個(gè)數(shù)字信號(hào)輸入口和4個(gè)數(shù)字信號(hào)輸出口。輸入信號(hào)電壓范圍可以是-10～10 V，非常適合多路數(shù)據(jù)測(cè)試與多路控制系統(tǒng)。多路數(shù)據(jù)采集和單通道數(shù)據(jù)采集具有很大的相似之處，按先后順序，需要設(shè)定物理通道、采樣時(shí)鐘、任務(wù)開(kāi)始、讀模塊和任務(wù)結(jié)束及任務(wù)清除，程序如圖2所示。

物理通道設(shè)定多個(gè)采樣通道，通過(guò)點(diǎn)擊DAQmx圖標(biāo)，選擇“瀏覽”顯示所有的輸入通道，然后結(jié)合ctrl鍵定義自己的多個(gè)采集通道，采樣時(shí)鐘設(shè)定信號(hào)采集的范圍和采樣模式及采樣率，如果信號(hào)不規(guī)律，則采用“連續(xù)采樣模式”，如果信號(hào)是按周期重復(fù)信號(hào)，則設(shè)定“有限采樣”模式即可，為使采樣信號(hào)良好，采樣率一般是被測(cè)對(duì)象的8～10倍，可以設(shè)定每個(gè)通道的采樣數(shù)，確定每次采集信號(hào)的波形周期個(gè)數(shù)。讀數(shù)據(jù)模塊設(shè)定為“N通道N采樣”，其輸出信號(hào)是多路采集數(shù)據(jù)的信號(hào)，要想對(duì)每一路信號(hào)進(jìn)行分析，需要對(duì)信號(hào)進(jìn)行拆分處理。

2.2 數(shù)據(jù)分析

對(duì)采集來(lái)的信號(hào)進(jìn)行分析，需要提取出每一個(gè)通道的信號(hào)，信號(hào)拆分可以將讀取的多通道的數(shù)據(jù)拆分成單通道數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，如圖3所示，將波形拆分后，通過(guò)單頻測(cè)量模塊來(lái)讀取了每個(gè)通道波形的幅值、周期及放大倍數(shù)。注意拆分后不同通道所對(duì)應(yīng)的信號(hào)，并將幅值和頻率都設(shè)定為浮點(diǎn)型。

2.3 多路數(shù)字輸出

根據(jù)任務(wù)要求，可以實(shí)現(xiàn)多路數(shù)字控制功能，如圖4所示，多路數(shù)字開(kāi)關(guān)控制常用的方法為采用”DAQ助手”或“DAQmx”，USB6211的低電平為0，高電平為4.95 V。物理通道設(shè)置默認(rèn)為模擬通道，需要將此處改為數(shù)字輸出狀態(tài)。輸出一個(gè)數(shù)字狀態(tài)，只需要一個(gè)布爾量開(kāi)關(guān)。當(dāng)多個(gè)數(shù)字狀態(tài)輸出時(shí)，需要將多個(gè)布爾開(kāi)關(guān)量，將前面板中的布爾開(kāi)關(guān)保存在一個(gè)數(shù)組。物理通道默認(rèn)為模擬輸入通道，通過(guò)“過(guò)濾I/O名稱”去設(shè)置數(shù)字輸出線或輸出端口，將讀取數(shù)據(jù)模塊設(shè)定為“1D布爾N線”。

圖3 對(duì)單個(gè)信號(hào)的分析處理

2.4 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)一般除用于保存數(shù)據(jù)外，還能將存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)與其它程序共享。在測(cè)試測(cè)量領(lǐng)域，TDMS文件是NI通用數(shù)據(jù)文件格式之一，在圖2中數(shù)據(jù)采集任務(wù)開(kāi)始前，加有“DAQmx configure logging.vi”模塊，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)采集數(shù)據(jù)的TDMS格式存儲(chǔ)。

3 系統(tǒng)性能測(cè)試

為測(cè)試多通道模擬數(shù)據(jù)采集性能，通過(guò)一個(gè)模擬電子技術(shù)中的共射極單管放大電路作為被測(cè)對(duì)象進(jìn)行測(cè)試，模擬輸入信號(hào)采集通道分別測(cè)試輸入、輸出信號(hào)的波形及參數(shù)，基極分壓電阻可調(diào)，通過(guò)數(shù)字口去控制多路模擬開(kāi)關(guān)CD4502來(lái)選擇不同電阻值，調(diào)整電路靜態(tài)工作點(diǎn)位置。

人機(jī)交互界面測(cè)試結(jié)果如圖5所示。用信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生一個(gè)幅值為0.5 V、頻率為1 kHz的正弦波信號(hào)作為輸入信號(hào)，Dev1為USB-6211數(shù)據(jù)采集卡，ai0:1為分別設(shè)定的0和1兩個(gè)輸入通道，用于采集實(shí)驗(yàn)電路的輸入、輸出信號(hào)。信號(hào)輸入方式為“RSE”，即單端信號(hào)輸入模式。

圖4 多路數(shù)字信號(hào)控制程序圖

圖5 人機(jī)交互界面

根據(jù)測(cè)試結(jié)果可以看出，符合共射極單管放大特點(diǎn)，輸出信號(hào)與輸入信號(hào)反相，且能測(cè)試出輸入輸出信號(hào)幅值，獲取電路的電壓放大倍數(shù)，測(cè)試結(jié)果不低于數(shù)字示波器GDS-1052-U測(cè)試精度。

4 結(jié)束語(yǔ)

采用LabVIEW軟件與USB-6211實(shí)現(xiàn)了多路模擬數(shù)據(jù)采集與數(shù)字控制系統(tǒng)，利用本數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，分別實(shí)現(xiàn)了2通道模擬數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)顯示和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和數(shù)字控制的功能，能應(yīng)用于高精度的多通道信號(hào)采集測(cè)試系統(tǒng)中。