基于LabVIEW控制的多路传感信号采集系统-毕业论文(定稿)

毕 业 设 计 （ 论 文 ） 中 文 摘 要 题题目目基于 LabVIEW 控制的多路传感信号采集系统 摘要：摘要： 虚拟仪器是建立在计算机基础上，利用添加相关软件和硬件构成的、具有可 视化界面的仪器，是一种将仪器技术、总线技术、计算机技术以及软件技术紧密 结合在一起，并利用计算机的强大数字处理能力来实现仪器的诸多功能而形成的 一种新的仪器模式。 本文中首先阐述了测控技术以及虚拟仪器技术在国内外的发展状况及今后的 发展趋势,探讨了虚拟仪器的相关技术以及 LabVIEW 的相关知识,介绍了有关数据 采集的理论,给出数据采集系统的框图及硬件结构图。 本次设计通过采用 NI PXIE-6368 数据采集卡，使用虚拟仪器的相关技术来完 成多通道数据采集系统的设计。 关键词：虚拟仪器数据采集LabVIEW测控技术 毕 业 设 计 （ 论 文 ） 外 文 摘 要 TitleTitleMulti-channel sensor signal acquisition system based on LabVIEW AbstractAbstract Virtual instrument is based oncomputer related software and hardware by increasing the building made with a visual interface of instrument ,which combines the equipment technology, bus technology, computer technology and Software technology, use the computers powerful digital process ability to achieve the instruments many features; it formed a new instrument pattern. This article first describes the measurement and control technology and virtual instrument technology status and future development trend of related technology of virtual instrument, LabVIEW related knowledge, and then describes the theory of the data collection, Shows a block diagram of the data acquisition system and the hardware structure. This design uses a virtual NI-PXIE-6368 data acquisition card, Using virtual instruments related technology to complete the multi-channel data acquisition system design. KeyKeywordswords：Virtual InstrumentDAQLabVIEWMeasurement and Control Technology. 目目次次 1引言.1 11研究背景.1 1.1.1测控技术的现实状况.1 1.1.2虚拟仪器的现状.2 1.2本设计相关理论.3 1.3本设计目标与实现.3 2虚拟仪器.3 2.1虚拟仪器技术介绍.3 2.1.1虚拟仪器的概念.3 2.1.2虚拟仪器与传统仪器的比较.4 2.1.3虚拟仪器测试系统组成.5 2.2LabVIEW 相关技术.8 2.2.1LabVIEW 的基本概念.8 2.2.2LabVIEW 编程相关知识.8 3数据采集系统.9 3.1数据采集技术相关介绍.9 3.1.1数据采集的相关技术.9 3.1.2信号类型.11 3.1.3输入信号的连接种类.13 3.1.4测量系统分类.13 3.1.5测量系统的选择.15 3.2数据采集卡.17 3.2.1数据采集卡的选择指标.17 3.2.2NI PXIE-6368 数据采集卡简介.18 3.3多通道数据采集系统总体硬件框图.18 4具体的多通道数据采集系统的实现.19 4.1图形语言简介.19 4.1.1基础函数简介.19 4.1.2DAQmx 函数简介.20 4.2多通道数据采集系统程序.20 4.2.1 应用 DAQ 助手设计采集程序.20 4.2.2数据采集程序子模块.21 4.3最终程序设计.22 结论.27 参 考 文 献.28 致谢.30 第 1页 1 1引言引言 应用广泛的测控技术在民生、国防许多领域都占有一席之地，它的现代化被认为 是国家科技研发，民生使用的科技发展程度的重要的条件与明显标志。信息获取、通 信与计算机技术被当作当今社会信息技术的三大支柱技术。这三个技术中，信息获取 技术是必要的前提和基础， 信息获取就是通过数据采集实现的。 在以前的现场工作中， 实验的数据全部使用通过人报数并记录的方式， 大量的实验数据的采集与分析完全不 可能实现。而随着现代 PC 机和微电子(Microelectronics)一系列技术的飞速发展， 再加上使用高精度、高性能的数据采集仪器，多路数据采集实现了智能化，并且由于 大量数据采集和分析都由计算机自动完成，很大程度上提高了测量精度以及速度。伴 随着测控技术的发展，智能仪器、VXI 仪器、PC 仪器以及虚拟仪器等自动测控系统也 相继产生，而软件系统也逐渐成为了计算机系统的核心，LabVIEW 就是一种计算机处 理分析系统软件。 其简单易懂的图形化编程方式也使它成为普及率仅次于 C 的编程语 言。 1 11 1研究背景研究背景 1.1.1测控技术的现实状况 在测量控制系统刚刚起步的阶段， 工程中技术人员只能通过笨拙的仪器表盘完成 对仪器设备的简单地监控，之后再集中起来完成数据信号的操作；计算机系统则是在 基于 PC 机为主体基础的前提下，配合检验仪器设备、运行仪器设备以及被控制组件 组成的一个统一的整体，PC 机在这个整体中起到了在实际生产过程中监视控制各种 仪器设备的功能。不过受制于系统的开放性因素，这种测量控制系统注定只能是闭塞 的。只能够做出单纯的测量与控制功能，却不能实现通用。 当今世界正处在科技飞度发展的时期，在地质地理测控、航空航天测控、电气机 械测控等许多的科技领域里，对信息的测量和处理的要求愈来愈高、对信息的数据量 的要求也愈来愈大，对测控的速度的要求也愈来愈快；并且目前随着测试的对象的位 置变得越来越分散，测量控制系统的结构也变得越来越大，使得实现测量控制的实地 第 2页 化、远程化成为了未来测控技术发展的方向。 测控技术最早起源于国外，它是在 PC 技术、无线网络技术、机械设计技术等技 术的飞速发展过程中， 以及对大容量的测控仪器服务器的强烈的期望和需求的前提下 逐渐发展起来的，总的来说，测控技术可以分为四个阶段,见表 1.1 所示： 表 1.1 测控技术发展四个阶段 第一阶段通用的测量设备总线技术最早出现在上个世纪 70 年代，它的出现使 测量控制仪器真正的实现了PC机技术和用于测量控制的服务器系统第一 次有机的结合起来，因此这就初步的完成了从繁琐复杂的人工手工操作 一台仪器到通过测量仪器服务器方便的控制多台仪器设备完成对被测目 标测控的转变。此阶段也是测量控制系统的刚刚起步的发展阶段。 第二阶段在上个世纪 80 年代，此时测控仪器系统已经可以把大型的高功率计 算机外部设备装置，电子器件的板卡等硬件设备和大型的数据存储库等 软件材料集中置于网络中，因此测控系统能够实现这些大量的资源共享 的目标。这一阶段就是测量控制系统的初步发展阶段。 第三阶段随着高端前沿科学技术的快速发展，总线技术中实地测量控制系统 也在相关技术的不断发展完善的背景下得到了飞速的发展，在一个特定 的范围内我们使用的测量控制系统可以通过总线技术将许多类似于感应 器的检测装置的智能化仪器设备共同构成了一个整体集成的、无线化连 通的测控系统，这一阶段是测量控制系统的无线连通化快速发展阶段。 第四阶段在一些对测量控制仪器要求结果精度显示很高的技术领域，使用者 们已经不再满足于传统测量控制系统提供的落后的、不准确的功能，许 多大型企业部门对构建以互联网或大型局域网为基础的网络化测控系统 要求日益迫切，这一阶段是网络化测控系统发展的成熟阶段。 1.1.2虚拟仪器的现状 虚拟仪器一般都存在一个可视化界面， 它的存在是通过在计算机基础上添加相关 软件（software）与硬件（hardware）而成的。与传统仪器相比，用户可以通过使用 鼠标与键盘操控虚拟仪器面板上的旋钮完成测试测量任务， 同时用户可以根据自己需 要选择不同的虚拟仪器， 并且虚拟仪器的功能与规模也可以通过修改软件来加以改变 或增减。与传统仪器相比虚拟仪器强大的生命力与竞争力就是由于其优越的“可扩展 第 3页 性”与“可开发性” 。 Visual Basic、Visual C+以及 HP 公司的 VEE 和 NI 公司的 Lab Windows/CVI、 LabVIEW 等都是虚拟仪器的主要开发环境。其中 Visual Basic、Visual C+以及 Lab Windows/CVI 作为可视化的开发工具，要求开发人员有很高的编程能力并且开发周期 长。拥有较多用户的 HP 公司的 VEE 虽然也是一种基于图形的编程环境，不过由于其 生成的应用程序是用来解释执行的，所以运行速度较慢。 在这几种开发环境中，LabVIEW 是当今世界上唯一的编译型图形数据流编程环 境，它用简单图形替换繁琐、复杂、费时的语言，其编程方式则是用线路连线把各种 图形连接起来，因此只要知道测试的要求和目的，技术人员就可以快速完成程序，做 出仪器面板，既提高了工作效率，又减轻了科研工程人员工作量，综合以上优点， LabVIEW 作为一种优秀软件开发平台受到广泛应用。 在仪器技术、PC 技术和网络通信技术不断提高的今天，虚拟仪器(VI)的发展方 向分为外挂式虚拟仪器、PXI 型集成虚拟仪器、网络化虚拟仪器三类。 1.21.2本设计相关理论本设计相关理论 本次设计中主要研究如何利用虚拟仪器 LabVIEW 完成对传感信号数据采集， 通过 使用虚拟仪器、数字信号处理等技术进行多通道数据采集，实现实时采集、处理与存 储的功能。由虚拟 NI PXIE-6368 数据采集卡采集信号，再经过 PXIE 总线输入 PC 机， 通过软件处理完成数据实时采集与存储的功能。 1.31.3本设计目标与实现本设计目标与实现 (1) 学习并掌握 LabVIEW 相关理论知识及图形化编程算法使用。 (2) 完成 9 通道传感信号数据采集系统。 本次设计中，所设计的程序实现了 9 通道数据采集，实时数据显示，数据保存等 功能。 2 2虚拟仪器虚拟仪器 2.12.1虚拟仪器技术介绍虚拟仪器技术介绍 2.1.1虚拟仪器的概念 第 4页 美国国家仪器公司是最早提出虚拟仪器（Virtual Instrument,简称 VI）的概念 的机构,它由测试技术与计算机技术结合而成,将测试原理技术、仪器原理与技术、高 速总线技术、计算机接口技术以及图形编程软件技术融于一体。虚拟仪器技术的核心 思想就是“软件即是仪器” ，基于这一思想可以把虚拟仪器分为三个部分：PC 机、仪 器硬件（Instrument hardware）和应用软件（Application software） 。 虚拟仪器(VI)是一种电子测试仪器， 它是以计算机的功能化硬件和软件为基础构 成的，因此软件(software)是虚拟仪器（VI）的重中之重，在图 2.1 中，设备仪器的 软件功能是实现虚拟仪器功能的必要前提,因为这些虚拟设备仪器软件的功能，仪器 硬件的变化并不会对系统的开发造成影响。 图 2.1 虚拟仪器(VI)设计图 2.1.2虚拟仪器与传统仪器的比较 与传统独立仪器相比，大致可以将虚拟仪器的特点总结为四类： （1）性能高 我们都知道，虚拟仪器是依托于逐渐强大的计算机技术而生成的，可以通过使用 计算机强大的、快速的各种数据处理功能来完成数据处理分析任务。并且在互联网技 术，无线网技术等技术的不断发展基础上，虚拟仪器的功能也越来越完善与强大。 （2）扩展性强 各种仪器设备硬件与软件的不断开发使得， 人们各种测量分析仪器技术的发掘越 第 5页 来越多，有的时候，只需要将软件进行简单地更新就可以依托原来的硬件实现新的功 能。 （3）开发时间少 不同于硬件技术， 软件技术的开发更为方便， 因此虚拟仪器的开发时间大大缩短。 只需要下载相应的工具，掌握一定的编程知识，以及设计任务目标，就可以设计出满 足一定功能需求的软件，并且，互联网的开发使得人们可以快速的共享需要的软件技 术。 （4）无缝集成 随着科技的发展，单纯的操作已经不能满足人们的需求，很多时候人们需要仪器 同时完成好几种功能，这就使得测试测量仪器能够自由的组合来满足要求。因此各种 仪器的接口标准就被统一规定，在现实中真正的实现了无缝集成。 表 2.1 显示的就是虚拟仪器的优点。 表 2.1 虚拟仪器的优点 比较的内容虚拟仪器传统仪器 系统的构成软件和硬件通用，软件是关键专用硬件系统 开发周期时间开发时间短、技术要求低、系统通 用性强 开发时间长、技术要求高、系统 功能较专一 研发费用软件使开发和维护费用降至最低开发与维修开销高 技术换代时间技术更新周期短，约为 12 年技术更新周期长，约为 510 年 成本价格低、可复用和重配置性强价格昂贵 功能的可调节性仪器功能由用户定义，柔性仪器功能由厂商定义，刚性 系统的开放性灵活、开放，与计算机同步发展封闭、固定 构成复杂系统能力与网络和其他周边仪器互连方便独立设备、功能单一的 人机交互显示选项无限、界面友好显示选项有限 2.1.3虚拟仪器测试系统组成 前文中已多次提到，虚拟仪器（VI）是以计算机为基础的，仪器同计算机的联合 使用与当今仪器发展的趋势相符合。 仪器与计算机的有机的结合方式大致的可以分为 两种类型，第一种类型就是把计算机巧妙地安装在用于测量控制的仪器装置中，于是 就组成了智能化的功能强大的仪器， 同时随着计算机技术快速的发展和大量功能的发 第 6页 掘以及不断减小的体积，使得这类仪器有了越来越强的功能。第二种类型就是把测量 控制仪器通过一定手段装进计算机里，利用可以共用共享的计算机设备的硬件和软 件，使测量控制仪器设备的功能可以得到实现，并且虚拟仪器主要就是这种方式。与 传统仪器相同，虚拟仪器设备的结构也主要是由三个部分构成，第一个就是对被测数 据信号的采集与控制，第二个是对测量数据的准确的分析与处理，第三个就是对测量 结果的显示。它的功能结构划分如图 2.2 所示。 图 2.2 虚拟仪器内部功能划分 虚拟仪器的硬件技术包括卡式仪器与总线（Bus）技术，两类具体介绍如下。 （1）卡式仪器 卡式仪器由于本身不存在仪器面板，所以必须配合 PC 机使用，充分利用已有的 PC 机资源，成本更低，性能更加强大，使用也更加方便。 （2）总线技术 总线技术可分为三大类，分别为仪器总线、PC 总线和工业现场总线。 其中仪器总线又可以细分为通用接口总线（GPIB） 、VXI 总线以及 PXI 总线。 计算机总线可以分为 ISA 总线、PCI 总线以及 USB 通用串行总线。 虚拟仪器(VI)硬件技术图形表示如图 2.3 所示。 第 7页 图 2.3 虚拟仪器的硬件划分 软件在虚拟仪器设备中是一个十分重要的组成部分，一般的在虚拟仪器（VI）中 软件技术又可分为三类，第一部分即软件开发平台，第二部分为设备的驱动程序，第 三部分为设备 I/O 接口软件。 虚拟仪器的软件结构如图 2.4 所示。 图 2.4 虚拟仪器(VI)软件结构 虚拟仪器构成方式如图 2.5 所示。 第 8页 图 2.5 虚拟仪器的构成 2.22.2LabVIEWLabVIEW 相关技术相关技术 2.2.1LabVIEW 的基本概念 LabVIEW 是由美国 NI 公司研发的一种程序开发环境，它与 VC、VB 开发环境相类 似，但是在编程语言方面，LabVIEW 使用的是 G 语言，即图形化编辑语言，编程过程 中函数是通过图标形式来表示的，数据流向则通过连接线表示，很大程度上提高了工 作效率。LabVIEW 集成了满足总线技术和一些仪器设备数据采集协议的硬件以及数据 采集卡信息传递的所有的功能。 它的内部还包含了可以应用于许多仪器设备中的软件 函数，是一个功能十分强大，使用方便灵活的软件，LabVIEW 最大特点是形象生动的 充分的实现了计算机的各种强大的功能，有很强大的数据信号处理分析能力，可以创 造出拥有更加强大功能的仪器。为了方便的创建用户使用界面，LabVIEW 中包含许多 与传统仪器外观一致的控件，如万用表，示波器等。LabVIEW 中还包含了许多向导式 的工具，通过帮助提示，用户即可完成仪器间的连接并设置参数。同时调取函数时只 需按照函数名称选择图标并拖拽到程序框图即可。LabVIEW 真正体现了软件即是仪器 的虚拟仪器概念。 2.2.2LabVIEW 编程相关知识 LabVIEW 编写的程序由三部分组成，分别为前面板、程序流程图以及图标连接端 第 9页 口。三部分的介绍如表 2.2 所示。 表 2.2 LabVIEW 编程组成简介 前面板 前面板是虚拟仪器的互通式用户接口，和真实物理仪器面板相同，前 面板中包含了旋钮、开关、刻度盘、图表以及别的界面工具，用户可以使 用鼠标或键盘获取数据显示结果。 程序流程图 VI 从数据流程图中接收指令，框图程序就是 VI 的程序代码，是一种 解决编程问题的图形化方法。 图标连接端口连接端口和 VI 图标的功能就像一个图形化参数列表，可在 VI 与 Sub VI 之间完成数据的传递。一个 VI 不但可以作为上层独立程序，还可以被 用作其他程序的子程序，作为子程序时，称作 Sub VI。 虚拟仪器概念正是 LabVIEW 的精髓所在， 也是图形化 G 语言区别于其他高级语言 的最为显著的特征。正是由于 LabVIEW 和虚拟仪器的交互作用，才给予了二者更长远 的发展空间。 3 3数据采集系统数据采集系统 3.13.1数据采集技术相关介绍数据采集技术相关介绍 3.1.1数据采集的相关技术 数据采集的重要性在计算机大量应用的当今显得更加重要， 它成为了沟通计算机 与外部物理世界的媒介。在数据采集过程中，由于采集内部或外部干扰的原因，需要 注意一些基本的概念。 如果对一个信号 tx 进行采样， 在预先设定的每一段时间间隔 t 时刻进行一次数 据信号采样，那么就称 t 为数据信号采样的采样间隔，时间间隔的倒数 t1 就被称 为数据信号采样的采样频率，在 0t ， tt ， t2t 等时刻的 tx 值就是采样 值，所有的 0 x ， t2xtx ， 都是采样值，这样可以用一组分散的采样值来表示被 采样信号 tx ： 第 10页 ，tkxt3xt2xtx0 x 如图 3.1 所示，是一个被测信号以及被测信号在被仪器采样后的采样显示结果， 信号采集的采样周期为 t 。 图 3.1 模拟信号采样图 若信号 tx 采样点数为 N，那么信号 tx 可由一个被称为信号 tx 的数字化采样 数列表示，这个数列为： ，1-Nx3x2x1x0 xX 由采样定理可知被采样信号的自身频率理论上应该是测量控制系统最小信号采 集采样频率的一半。 奈奎斯特频率就是在被测信号采集后结果显示不发生错误的前提 下的最大采样频率。若信号中包含有频率超过奈奎斯特频率的成分，信号会发生显示 错误。 图 3.2 与图 3.3 分别显示了被测采样信号在正确的符合规定的采样频率以及在 错误的过低采样频率情况下被采样的显示结果。 图 3.2 采样频率合适的采样结果 图 3.3 采样频率过低的采样结果 第 11页 混叠是指被采集信号在过低的不合适的采样频率下采样造成显示结果错误， 为避 免这种错误的发生， 一般会在被采集信号被采集之前让被采集信号先通过设定好的低 通滤波器， 过滤并除去被测信号中不符合采集频率标准的那一部分信号成分。 理论上， 只需设置设备的采样信号的采样频率为被采样信号最高频率的 2 倍即可，不过在，实 际的工程中一般会选则倍数为 5 至 10 倍，甚至一些特殊的情况下的，这个倍数还会 选用更高一些。 3.1.2信号类型 数字信号与连续时间信号（或模拟信号）是数据采集领域被测信号的两个种类， 其划分图如图 3.4 所示： 图 3.4 信号种类 （1）数字信号（Digital） 第一种类型数字信号就是开关信号。 开关信号所存储的信息与被测信号的即时的 状态有关。如下图所示的开关信号其逻辑高电平被定义为V0 . 2至V0 . 2之间，逻辑低 电平则被定义为V0到V8 . 0之间，如图 3.5 中所示。 第 12页 图 3.5 数字开关信号 第二种类型的数字信号就是脉冲信号， 脉冲信号里包括一系列的连续的实时状态 的转化，信号就是在状态转换这一时间段中产生的，如图 3.6 中所示。 图 3.6 数字脉冲信号 （2）模拟信号 模拟信号的直流信号是非交流的信号， 它是固定不变的或慢慢变化的， 如图 3.7。 图 3.7 直流信号 模拟时域信号里存储的信号包括信号的电平以及电平随时间的变化如图 3.8 所 示。 图 3.8 时域信号 第 13页 模拟频域信号与时域信号相差不大， 不过与时域信号不同的是提取的是信号的频 域内容，如图 3.9 所示。 图 3.9 频域信号 现实中的信号并非相互排斥的而是有可能是共同存在的， 一个信号中可能存储着 不只一种信息，可以通过多种不同的方式方法来定义区别并测量这些信号，我们可以 用各种不同的有效的系统对同一个信号进行信号采集与测量， 并从这些测量的结果中 提取出满足需求的信息。 3.1.3输入信号的连接种类 进入采集卡的信号中，接地信号与浮动信号是根据参考点的不同而划分的。接地 信号就是以系统地为参考点的信号，又称参考信号，与数据采集设备共地。浮动信号 即不与任何地相连接的电压信号，浮动信号的每个端口都与系统地独立。 3.1.4测量系统分类 （1）差分测量系统（DEF） 在差分测量系统中， 被测信号的正极与负极分别与一个模拟的输入通道相连接在 一起， 应用于数据采集的仪器设备装上仪器放大器就可以构成一个简单地差分测量系 统(DEF)，理想的 DEF 系统可以准确地测量出正负极输入端之间的电位差并完全抑制 共模电压。若输入超过允许范围的共模电压，会使测量系统的共模抑制比下降。测量 误差可以通过降低信号地与数据采集卡的地之间的伏地电压来避免。图 3.10 为八通 道差分测量系统。 第 14页 图 3.10 八通道差分测量系统 （2）参考地单端测量系统（RSE） 参考地单端测量系统，又称接地测量系统，测量过程中模拟输入信号与系统地分 别接在被测信号的两端。图 3.11 是十六通道 RSE 测量系统。 图 3.11 十六通道 RSE 测量系统 (3)无参考地单端测量系统（NRSE） 在这个系统中，模拟信号输入和公用参考端口分别连接在信号的两个端口，相对 于信号采集测量系统地来说这个参考端的电压是一直不停变化的。图 3.12 就是一个 十六通道的 NRSE 测量系统。 第 15页 图 3.12 十六通道 NRSE 测量系统 3.1.5测量系统的选择 通过两种信号源的类型和三种数据采集测量系统一共可以组成六种连接方式， 见 下表 3.1。 表 3.1 测量系统连接方式 连接方式接地信号浮动信号 差分系统 参考地单端系统 无参考地单端系统 根据设计所需的设计目标，以及多通道数据采集的技术因素，其总体结构框图如 图 3.13 所示 第 16页 图 3.13 数据采集系统框图 图 3.14 表示了数据采集结构图 图 3.14 数据采集的结构 在对各种信号进行采集前， 我们使用的采集板卡都需要经过特定的程序的来进行 初始化的操作， 在数据采集采集卡上以及计算机仪器内存中的缓冲就是指数据信号采 集与存储的中间过程，在这个过程中有两个问题需要我们注意，那就是是否需要使用 缓冲和触发 （1）缓冲 缓冲就是指是存在于计算机内存中的一个部分，是否使用缓冲的情形如表 3.2 所示。 表 3.2 缓冲使用情形 采集工作中需要使用 缓冲 I/O 的情况 在实际的采集工作过程中会产生大量的样本或者采集的速度超过 了仪器面板能显示的速度、 硬件存储的速度以及计算机对数据信号 分析的速度。 在实际的采集工作过程中， 需要采集设备仪器连续的采集信号并产 生采集的数据，并实时的对这些采集到的数据进行分析处理。 采样周期必须均匀、准确地通过样本数据。 采集工作中不适用缓 冲 I/O 的情况 数据组短小。 仪器设备中的存储器的开支需要减小。 第 17页 （2）触发 触发问题涉及到了数据信号采集事件中重置初始化、 采集任务终止和采集任务同 步进行的任何一种方式。触发信号在一般情况下就是一个数字或一个模拟信号，数据 采集中任务动作的发生都可以由这些状态来确定。触发可分为软件触发与硬件触发， 软件触发即直接通过软件触发，这种触发方法最简单和方便。硬件触发方法就是通过 电子电路等设备实现对触发器的管理， 达到操控采集中各个事件的时间段的分配的目 的，这种方式的精密度很高。触发方式情况如表 3.3 所示。 表 3.3 触发使用情况 选择触发方式 的情形 用户需要对所有采集操作有明确的控制，并且事件的定时不需要非常准 确使用软件触发。 采用事件定时需要十分准确，用户需要削减软件开支，采集事件需要与 外部装置同步时，需要使用硬件触发。 3.23.2数据采集卡数据采集卡 3.2.1数据采集卡的选择指标 （1）采样频率 在一段时间里通过采集得到的原始信号的信息的数量是根据采样频率的高低来 决定的，为了更好的使原始的被侧量的信号重现，不造成波形的失真，那就需要采用 足够高的采样频率。实际工程中，采样频率一般都是原始的信号的 5 至 10 倍。 （2）采样方式 数据采集的采集卡上一般都有多个数据通道，在对时间不是很重要的场合，为了 更加节约，可以使所有的数据通道都轮流使用同一个放大器与 A/D 转换器。若是采样 的系统对任务的要求比较严格，那就必须要采用同时采集的方法，每一个数据通道都 需要配上自己的放大器和数模转换器。 （3）分辨率 ADC 的位数越多，分辨率就越高，其中可区分的电压就越小。 （4）电压动态范围 电压的范围就是指 ADC 可以扫描到的电压的最高与最低值 （5）I/O 通道数 I/O 通道数就是指数据采集卡能够采集的最大的信号路数。 第 18页 3.2.2NI PXIE-6368 数据采集卡简介 NI PXIE-6368 数据采集卡是美国国家仪器公司推出的同步 X 系列数据采集卡。 此数据采集卡主要性能指标如表 3.4 所示。 表 3.4 NI PXIE-6368 数据采集卡指标 模拟输入16 个差分输入通道，16 位 ADC 分辨率，单个通道采样率最大值为 2.00MS/s，模拟输入最大工作电压为11V 全量程。 模拟输出4 个模拟输出通道，16 位 DAC 分辨率 数字 I/O共 48 个数字 I/O 通道 计数器/定时器4 个 32 位分辨率计数器/定时器 总线接口8 个 DMA 通道：模拟输入、模拟输出、数字输入、数字输出、计数 器/定时器 03 3.3多通道数据采集系统总体硬件框图 被测信号必须先通过传感器转换成电信号，再通过信号调理部分进行简单调理， 之后送入数据采集卡进行数据采集，最后利用软件进行处理。具体框图如图 3.15 所 示： 图 3.15 多通道数据采集系统硬件结构框图 第 19页 4 4具体的多通道数据采集系统的实现具体的多通道数据采集系统的实现 4.14.1图形语言简介图形语言简介 LabVIEW 使用的是一种图形化编程语言即“G 语言” ，以此来通过连接线连接图形 编程语言的方式完成流程框图。LabVIEW 为用户提供了许多用于数据采集的函数。 4.1.1基础函数简介 (1)数值函数 数值函数选板如图 4.1 所示 图 4.1 数值函数选板 （2）簇函数 簇函数选板如图 4.2 所示 图 4.2 簇函数选板 （3）结构函数 数据的流程控件是程序设计的重要内容之一，与程序的质量与执行效率息息相 关。在 LabVIEW 中程序流程尤为重要，程序流程控制的节点与重要因素就是结构。图 第 20页 4.3 即为结构函数选板。 图 4.3 结构函数选板 4.1.2DAQmx 函数简介 本设计是九通道数据采集，设计中使用了 DAQmx 函数来完成数据采集。DAQmx 数 据采集函数选板如图 4.4 所示。 图 4.4 DAQmx 数据采集选板 4.24.2多通道数据采集系统程序多通道数据采集系统程序 4.2.1 应用 DAQ 助手设计采集程序 在 LabVIEW 中提供了一个集成的函数控件，那就是 DAQ 助手，在这个控件里就包 含着对数据信号采集任务中的采样频率，采样数的设置的功能，同时物理数据通道的 选择也可以通过这个控件完成，图 4.5 就是通过这个控件完成的程序设计图。程序中 可以完成数据采集的结果的显示与采集结果的保存。 第 21页 图 4.5 DAQ 助手编写的程序 4.2.2数据采集程序子模块 在设计过程中先将最终设计任务进行了模块划分， 设计出了具有单纯功能的子模 块程序，包括数据采集，文件保存以及数据输出模块，最后将这些子模块集成处理最 终完成数据采集的设计。 图 4.6 是通过 DAQmx 选板上的一些具有单独功能的函数编写 的程序，通过这些函数的编写程序，可以加深对数据采集流程的了解，在程序设计的 构成过程中，编写也更加的灵活。因此在最终设计时，选用这种方案来完成设计。 图 4.6 数据采集程序 程序中通过创建通道函数可以完成物理通道的选择， 在选定任务通道后将数据采 集任务通过时钟函数为数据采集任务设置采样模式以及采样率之后， 通过开始任务函 第 22页 数开始数据采集任务在 While 循环结构中利用读取函数循环读取采样结果并通过波 形显示控件实时显示采集结果。 在数据采集过程中， 必定会有大量的数据需要保存以便于在以后的工作中再次观 测数据或者分析数据，因此文件保存模块也是数据采集程序中必不可少的一部分。图 4.7 就是文件保存程序，通过这个程序可以把采集到的动态的数据转换成二维或一维 数组的类型的数据，并以 txt 格式保存至计算机中。 图 4.7 数据保存程序 程序中通过仿真信号产生一个正弦信号经过了从动态数据到数组的转换接入对 应的电子表格函数的接线端， 在这个函数中可以自己定义输出文件的格式并最终新建 文件输出采集的结果。 4.34.3最终程序设计最终程序设计 本次设计思想是通过 LabVIEW 构建一个九通道数据采集系统以此来绘制三维磁 特性曲线。 数据采集前期工作先把测量的磁特性试验检测数据通过信号调理环节处理 后以差分模式输入 NI PXIE-6368 数据采集卡，采集 zyxzyx BBBHHH，传感信 号以及 zyx III，三个方向的电流采样信号。 三个方向的 szsysx VVV，激磁信号在通过 调节电位器调节后以单端输出模式进入功率放大器输入端。 图 4.8 即为板卡数据采集 与信号生成的接线图。图 4.9 是本次设计的前面板，功能包括数据生成、设定数据采 集数据存储以及实验波形的显示等功能。图 4.10 为设计程序框图。 第 23页 图 4.8 磁特性多通道数据采集接线图 第 24页 图 4.9 设计前面板 第 25页 图 4.10 设计程序框图 第 26页 通过对待测样品加以单方向的正弦激磁信号即可实现一维的磁特性测量实验。 沿 X、Y、Z三个方向对立方体SMC材料施加激磁信号即可测的相应的磁场强度H与磁感应 强度B。图4.11即是在X、Z方向几次电流为0的情况下，只在Y方向施加8.5A正弦激磁 电流时的采集面板采集到的波形。受控的 y B感应电压信号显示为正弦波形，由于谐 波的叠加效果 y H感应电压信号呈现为非正弦波形， 此时SMC样品接近饱和磁化； 另外， X、Z方向也会产生微小感应电压信号，X、Z方向的感应电压信号应设置为相比于Y方 向很大的放大倍数以便于对比波形。 图 4.11 Y 方向正弦交变激磁信号采集面板 第 27页 结论 本次设计是在以研究了测控技术与虚拟仪器为前提的基础上， 通过虚拟仪器实现 了多通道传感信号数据采集。本次设计的内容主要是数据采集程序的编程，以此实现 数据采集。设计中主要采用 LabVIEW 中 DAQ 助手以完成设计任务。 开始设计前，先是通过阅读相关材料、书籍，请教老师与同学，初步了解了 LabVIEW 这个图形化编程语言的开发软件使用方法。之后通过自己的摸索，浏览相关 论坛，寻求老师指正，在大家的无私帮助下最终完成了本次毕业设计，设计的数据采 集程序包括数据实时采集，实时输出，数据存储等功能。 通过本次设计，加深了对数据采集的认知，并深切体会到了 LabVIEW 开发软件 的可实用性与发展前景，相信随着社会的进步，随着虚拟仪器技术的发展，