基于LabVIEW的传感器实验平台数据采集系统

X 2011 届毕业生届毕业生 毕毕业业论论文文 题题 目目 基于基于 LabVIEW 的传感器实验平台数据采集系统的传感器实验平台数据采集系统 院系名称 院系名称 电气工程学院电气工程学院 专业班级 专业班级 自动自动 FXXXXFXXXX 学生姓名 学生姓名 学学 号 号 2007XXXXXXX2007XXXXXXX 指导教师 指导教师 XXXXXXXXXXXX 教师职称 教师职称 讲师讲师 2011 年年 06 月月 01 日日 I 摘 要 目前 我国部分高校测试类课程存在着实验设备陈旧 教学方式呆板等问 题 对教学硬件进行更新则需投入大量资金 且维护较困难 传统仪器的缺陷 和不足日益凸显 为了改善实验条件 改革试验教学方法 本文把虚拟仪器引 入实验教学 创建虚拟实验平台 用一台计算机取代多台传统仪器 添加少量 辅助硬件即可完成过去需多台仪器才可完成的教学实验工作 本文着重于适应 教学需求这一角度 叙述了基于虚拟仪器的教学实验平台的设计思想 总体结 构 并结合现有的硬件资源 利用 LabVIEW 软件开发出教学试验平台 该教 学平台采用模块化设计方法 具有开放性 灵活性 易用性等特点 可应用于 工程测试技术 数字信号处理 传感器原理等专业基础课程的实验教学 系统 主要包括三部分 信号分析仪 信号发生器和演示实验单元 信号分析仪可根 据确定性信号和随机信号的不同特点进行分析 获取不同数据特征 信号发生 器可向外界产生多种常用信号 演示实验单元提供了多个常用实验 不借助其 他硬件 可完成实验演示教学 文章介绍了各模块的实现原理和方法 并利用 开发出的虚拟仪器 给出具体实验应用 关键词 教学实验 虚拟仪器 数据采集 LabVIEW II Title LabVIEW based Experimental Platform For Sensor Data Acquisition System Abstract Nowadays some of our country s universities are faced with many problems in testing courses The problems include the use of old test instruments and uninspiring coursework Updating the hardware is expensive and it s difficult to maintain them The shortcoming of traditional experimental instruments is increasingly obvious To improve the facilities for use in these courses and provide innovation to teaching methods the thesis introduces Visual Instrumens to experiment teaching Here a computer takes the place of many traditional instruments and can complete the test task with minimal accessorial hardware Focusing on the demand of teaching the thesis gives the design idea and structure of the teaching platform based on Visual Instruments and constructs the platform using LabVIEW with existing hardware The teaching platform uses modularization which provides the characteristics of opening architecture flexibility and convenience The system is composed of three parts the Signal Analyzer the Signal Generator and the Demonstration Unit The Signal Analyzer may analyze deterministic signal and stochastic signal according to their diferent characteristics The Signa Generator will generate many useful signals The Demonstration Unit provides some common experiments which can help to finish teaching task without other hardware The thesis desctibes the elements and method of realization of the three parts and provides examples of the typical experiments for which the platform can be used Keywords Teching experiment Virtual Instruments Data III Acquisition LabVIEW 目 次 1 绪论绪论 1 1 1 课题的研究背景 1 1 2 课题的研究目的及意义 2 1 3 课题的发展现状 3 1 4 本文主要研究内容 5 2 系统方案论证系统方案论证 6 2 1 系统设计要求 6 2 2 系统构建 6 2 3 数据采集的基本理论 6 3 系统方案设计系统方案设计 11 3 1 系统总体设计 11 3 2 数据采集系统硬件组成 12 4 系统软件设计系统软件设计 16 4 1 编程软件平台 LABVIEW 概述 16 4 2 系统软件总体程序设计 18 4 3 整体结构 19 4 3 系统软件各模块设计 20 5 实验验证及说明实验验证及说明 25 5 1 测试实验题目及实验原理 25 5 2 测试实验设备 步骤及结果分析 25 结结 论论 27 致致 谢谢 28 参考文献参考文献 29 1 1 绪论绪论 1 1 课题的研究背景课题的研究背景 数据采集系统是对传感器或所需测量或处理的信号进行采集 数字化 存 储 分析和显示的一个完整信号处理链路 数据采集的任务就是采集传感器输 出的模拟信号并转化成计算机能识别的数字信号 然后送入计算机进行或相应 的信号处理系统 根据不同需要进行相应的计算和处理 得出所需的数据 1 与此同时 将计算机得到的数据进行显示或打印 以便实现对某些物理量的检 测 数据采集几乎无孔不入 它已渗透到了地质 医学器械 雷达 通讯 遥 感遥测等各个领域 为我们更好的获取信息提供了良好的基础 另外 我们在 评估一个信号源的质量时 也可以通过数据采集的手段将信号采集存入计算机 再通过各种处理方式来评价信号源的好坏 传感器技术与应用课程是测控技术与仪器 自动化 机械电子等专业的专 业基础核心课程之一 其教学内容与实验密切相关 随着测试仪器的数字化 计算机化的发展 传统的实验仪器不断地暴露出其不足之处 教师和学生容易 受到固定的现成仪器的束缚 难以综合各门学科运用到具体的工程项目中 不 能充分发挥自己的积极性和创造性及工程实践能力 很难跟上时代科技发展的 步伐 传统的传感器实验教学的问题主要反映在两个方面 一是教学内容陈旧 验证性实验为主 缺乏设计性综合性要求 与工程实践脱节严重 二是教学方 式单调枯燥 实验手段和设备落伍 另外 由于学校的试验设备有限 4 5 人 的实验组 在实验当中往往一个学生做 同组其他学生旁观 教学效果很不理 想 目前 新的智能化传感器层出不穷 微处理器和网络与传感器的融合技术 快速发展 这些不仅在课堂教学中较少出现 在实验课程上更未涉及 将虚拟 仪器技术引入传感器实验教学 既提升了实验设备的水平 又大大节约了学校 更新实验设备所需的投资 而且通过综合性实验 为提高学生全面运用所学知 识的能力创造了良好的实验条件 再者 从新实验环节中可以看到 虚拟仪器 实验具有传统仪器不具备的独特优势 如无需再给每个实验组配备示波器 用 软件方法计算电机旋转频率和转速等 2 1 2 课题的研究目的及意义课题的研究目的及意义 众所周知 仪器是实验的基础 要保证这些实验的开设 就要同时购置多 套先进而昂贵的仪器 而且随着技术的不断发展 新技术新原理不断出现 使 仪器更新的步伐加快 旧的设备面临着被淘汰的处境 而且随之而来的场地 经费问题 教育资源配置问题 资金投入与人才培养之间的矛盾等问题成为困 扰各大高校的主要问题 虚拟技术 计算机通讯技术与网络技术 被称为 2l 世 纪科学技术中的三大核心技术 谁掌握了三大技术并向周边技术实现有利的渗 透 谁就可能率先进入信息社会 虚拟技术作为三大核心技术之首 足见它在 广义上已经不仅是一种技术 而是一个有着影响人类社会发展 改变人类生活 的具有深层含义的领域 早在 20 世纪 80 年代 美国国家仪器公司 National Instruments Corporation 简称 NI 首先提出了虚拟仪器的概念 它以计算机为基 础 配以相应测试功能的硬件作为信号输入输出的接口 利用虚拟仪器软件开 发平台 如 LabVIEW LabWindows 等 在计算机屏幕上虚拟出仪器的面板 包 括显示器 指示器 旋钮 开关 按键等 以及相应的功能 由于传统测控设备 一般只能独立完成一项具体的测控任务和功能 而在虚拟测试平台上通过接收 多个传感器信号 对应编制不同的应用软件可以完成多种测控功能 因此虚拟 测控平台是一个多输入多输出的开发平台 它可以将多种传统测控设备集中于 一套系统中 同时他的开放性与灵活性能使之与计算机技术保持同步发展 另外 它开放的系统可以方便地同外设网络进行连接 技术更新快 开发 和维护费用低 同传统仪器相比 价格较低而且可重复使用 从而可有效地利 用学校现有的计算机资源 节省了大量的设备购置费 同时又可缓解实验室空 间不足 因此 构建教学实验平台数据采集系统对于解决高校的困扰和发挥学 生的主动性和创造性提供了极为有效的途径 近 20 年来 与数据采集系统相关 的 PC 技术及数字信号处理技术得到了飞速的发展 处理速度提高了 数据采 集领域正在发生着重要的变化 首先 分布式控制应用场合中的智能数据采集 系统正在发展 其次 总线兼容型数据采集插件的数量正在增大 与个人计算 机兼容的数据采集系统的数量也在增加 数据采集与控制数据采集已长时间地 被认为与数据记录及其他数据收集系统相等同 因此 对数据采集系统的研究 具有重要且深远的意义 3 1 3 课题的发展现状课题的发展现状 目前国内高等院校机械类和电气类专业普遍开设测试技术课程 该课程主 要讲授工程领域常见的各种物理量的测试与分析方法 由于工程测试技术课程 丰富的实践性 它的一个重要教学环节是实验课 工程测试实验教学的目的不 仅在于对理论教学的验证 更重要的是训练学生测试实际应用能力 传统的测 试实验方法已不能满足现在的教学要求 随着计算机技术和电子仪器技术的进 步 测试技术实验教学也面临新的问题 使用传统仪器进行测试实验教学 主 要存在以下问题 1 仪器功能单一 传统实验设备一般只能独立完成一项具体的测量任务和 功能 不同实验所用仪器也不尽相同 对于综合性实验所需的仪器较多 势必 增加仪器投资 而且现场使用很不方便 降低了实验教学的效率 2 仪器功能是封闭的 由于传统仪器功能的封闭性 学生难以了解其工作 原理 影响对实验内容的理解 3 学生只能按照教师事先设计好的实验方案被动的进行操作 没有体现出 在实验课中的主体地位 LabVIEW 作为高效的虚拟仪器开发平台 以其灵活 紧凑 功能强和图形 编程方式使系统软件开发更省时 更省力 无论是测量 测试 计量或是工业 过程控制和分析处理 还是更为广泛的测控领域 虚拟仪器都是理想的高效率 的解决方案 该软件作为一个比较完整和性能优异的图形化软件开发环境 被 越来越多的工科大学作为课堂和实验室教学内容 作为工程师素质培养的一个 方面 使用者用图形语言开发出各种仪器 综合应用所学过的各学科知识 像 搭积木一样 在普通的计算机上构建一个个人实验室 完成机械工程测试实验 使教师和学生摆脱了功能单一 固定的现成仪器的束缚 充分发挥学生的积极 性和创造性 有利于培养学生在实验课中的主动性 有利于培养学生的创造性 思维和工程实践能力 虚拟仪器的突出特点之一在于在很大程度上用系统软件 的升级替代了仪器设备硬件的更换 这将节省大量的资金投入 代表了仪器仪表 技术的发展方向 目前 虚拟仪器技术在国外已经得到了长足的发展 但是在国 内 虚拟仪器技术的开发和应用尚属于起步阶段 如今 虚拟仪器已在超大规模 集成电路测试 模拟 数字电路测试 现代家用电器测试 电子元件 电力电子 4 器件测试以及军事 航天 生物医学 工厂测试 电工技术等领域的可移动式 现场测试工作中得到应用 目前 很多科研机构已将虚拟仪器应用于实验平台的开发与研究 国内外 也已有相应的产品 国内目前综合实验平台的设计原则是将 LabVIEW 软件与 专业课实验结合 二次开发出适合本专业特点的实验程序及实验装置 2 设计 思路是要求学生学习用软件搭建自己的实验平台 给出典型示例 了解测试程 序的基本设计原理 并结合工程测试对象进行测试 该实验平台系统在基于 LabVIEW 软件平台上开发 设计有标定平台 测试平台及控制平台 系统采 用 PCI 6221 型插入式数据采集与控制卡 该型号的数据采集卡各项性能指标大 体能满足实验教学与科研要求 实验模型中的传感器可测试位移 力 温度 速度等物理参量 在综合实验台上设计有电风扇 测量转速装置 直流电机 继电器控制电路 位移测量装置 滑块等 3 但它在对实验环境的适应能力方 面具有局限性 降低了实验精度 而且容易受温度的影响 价格仍然偏贵 结 构复杂 虚拟仪器技术在我国的研究刚起步 还有许多问题需要去探索 如智能化 软件开发平台的研究 采用人工智能技术降低 VI 的设计难度 使用户简洁地构 成 VI 系统 帮助用户对测试结果进行分析和判断 完成复杂的测试任务等 国 内虚拟仪器行业至今还没有形成具有自主知识产权的虚拟仪器核心开发技术 也没有相关的行业标准 虚拟仪器产业无论在规模还是在质量上都难以与国外 同行匹敌 国外虚拟仪器产品几乎垄断了国内的市场 总之 随着计算机 网 络 通信 微电子等相关技术的不断发展 VI 技术也会不断向前发展 微型化 智能化和网络化将成为今后 VI 研究发展的主导方向 伴随网络技术的高速发展 出现了以网络为基础 虚拟仪器为核心的 虚拟实验室 的概念 4 目前 虚 拟实验室已成功地用于许多大型实验室的实验研究和高等学校的实验教学 在 人工智能研究的影响下 人们开始关注如何提高虚拟仪器的智能化水平 虚拟仪器的发展主要取决于三个重要因素 计算机是动力 软件是主宰 高质量的 A D 采集卡及调理放大器与传感器是关键 无论哪种 VI 系统 都是 将硬件仪器 传感器 调理放大器 A D 搭载到各种计算机平台上 加上应 用软件面板构成 实现使用计算机的全数字采集测试分析 5 VI 的发展完全跟 5 计算机的发展同步 所以显示出 VI 的灵活性和强大的生命力 虚拟仪器的兴起 是测试技术的一次革命 1 4 本文主要研究内容本文主要研究内容 本课题的主要研究内容就是在综合了虚拟仪器技术的特点之上提出了一种 基于 LabVIEW 和 PIC 6221 板卡实现一个用于传感器实验平台的数据采集系统 即利用 NI 公司的数据采集卡 PCI 6221 板卡搭建出数据采集系统的硬件平台 并介绍了数据采集系统的软件结构 在此基础上以 LabVIEW8 5 为平台 阐述 了利用虚拟仪器技术实现数据采集 数据动态曲线显示的方法 6 传感器实验中部分实验项目的实验结果需要做进一步处理分析 因此要将 实验数据进行采集 课题的主要内容是设计一个基于 LabVIEW 的数据采集系 统 利用数据采集卡和接线端子盒 完成信号放大 数据采集 A D 转换 数 据传输等功能 从而将采集到的数据送入计算机进行进一步分析处理 论文共分 5 部分 各部分主要内容如下 第 1 部分 绪论 包括课题的背景 意义以及相关技术的研究现状 第 2 部分 系统方案论证 首先介绍基于 LabVIEW 的传感器试验平台数 据采集系统的设计要求 然后根据要求进行方案论证 最后提出本系统的总体 设计方案 系统模块技术方案的确立 为设计工作奠定了基础 第 3 部分 系统硬件设计 首先分析数据采集卡工作原理 然后围绕数据 采集卡详细讨论系统各部分进行设计 第 4 部分 系统软件设计 在软件设计中 首先对系统程序进行整体设计 然后采用模块化设计思想 分别对系统的数据采集模块 波形输出模块 计算 及存储模块的程序进行了软件设计 第 5 部分 实验验证及说明 通过实验验证 证明系统的可行性 最后对全文进行总结 指出系统不足之处 6 2 系统方案论证系统方案论证 2 1 系统设计要求系统设计要求 传感器采集实验台的重量 位移等信号 利用数据采集卡和接线端子盒 完成信号放大 数据采集 A D 转换 数据传输等功能 将采集到的数据送入 计算机进行进一步分析处理 通过数据采集卡输入计算机 在基于 LabVIEW 的虚拟仪器平台上进行信号调理 分析并显示结果 直观的反应出实验所需结 果 根据试验的要求 可以通过实验平台相关系统调整 减小误差 以达到最佳 实验结果 2 2 系统构建系统构建 按照系统设计要求 实验平台数据采集系统由硬件和软件两部分组成 系 统设计采用模块化思想 该系统硬件构成主要由传感器 前端信号调理电路和 PCI 622l 数据采集卡三部分组成 在软件构成上 需要进行设备驱动程序的设 计和运用虚拟仪器开发环境进行虚拟面板的开发 工作过程中 整个系统从被测对象开始 通过传感器转换成电信号 经过 信号调理模块进行简单的信号处理 将信号送至数据采集卡进行采集 然后用 软件进行处理 在采集过程中将数据保存到数据库里 实现了历史数据的访问 2 3 数据采集的基本理论数据采集的基本理论 2 3 1 输入信号的类型和连接方式 1 输入信号的类型 在进行数据采集前 必须要对采集的信号有所了解 因为不同信号的测量 方式和对采集系统的要求是不同的 只有了解被测信号 才能选择合适的测量 方式和采集系统 根据信号运载信息方式的不同 可以将信号分为模拟信号和 数字信号 数字信号又可以分为开关信号和脉冲信号 模拟信号则可以分为直 流 时域 频域信号 7 7 2 输入信号的连接方式 一个电压信号可以分为接地信号和浮动信号两种类型 测量系统输入信号 的连接方式可以分为差分输入 参考地单端输入 无参考地单端输入三种类型 差分测量系统中 信号输入端与一个模拟输入通道相连接 具有放大器的 数据采集卡可配置成差分测量系统 一个理想的差分测量系统仅能测出 和 输入端口之间的电位差 完全不会测量到共模电压 然而 实际应用的板卡却 限制了差分测量系统抵抗共模电压的能力 数据采集卡的共模电压范围限制了 相对与测量系统地的输入电压的波动范围 8 共模电压的范围关系到一个数据 采集卡的性能 需要限制信号地与数据采集卡的地之间的浮动地电压 以避免 测量数据错误 参考地单端测量系统 也叫做地测量系统 被测信号的一端接模拟输入通 道 另一端接系统地 无参考地单端测量系统中 信号的一端接模拟输入通道 另一端接一个公 用参考端 但这个参考端电压相对于测量系统的地来说是不断变化的 2 3 2 信号调理 传感器部分是跟外界沟通的门户 是测量系统中的一种前置部件 负责把 外界的各种物理信息 如光 压力 温度 声音等物理信号变成可供测量的电 信号 传感器通常由敏感元件 传感元件和转换电路三部分组成 其中 敏感 元件用于直接感受被测量 并以确定关系输出某一物理量 传感元件用于将敏 感元件输出的非电物理量转换成电路参数或电量 转换电路用于将电路参数转 换成便于测量的电量 因为被测试对象的信号来源已经是变换好了的电信号 所以传感器部分在设计中没有得到具体体现 但是这部分是设计过程中必需要 考虑的 9 从传感器得到的信号大多要经过调理才能进入数据采集设备 信号调理单 元作为数据采集设备和传感器之间的接口 具有重要地位 信号调理功能包括 放大 隔离 滤波等 由于不同传感器有不同的特性 除通用功能外 还要根 据具体传感器的特性和要求来设计特殊的信号调理功能 信号调理的通用功能 如下 8 1 放大 虚拟仪器为了实现对实际物理量的准确测量 通常先由传感器 把被测的非电量转换成电量 传感器输出的信号一般比较微弱 需要对它们进 行放大 常见的放大电路主要由运算放大器构成 微弱信号都要进行放大以提 高分辨率和降低噪声 使凋理后信号的电压范围和 A D 的电压范围相匹配 信 号调理模块应尽可能靠近信号源或传感器 使得信号在受到传输信号的环境噪 声影响之前已被放大 使信噪比得到改善 2 隔离 隔离是指使用变压器 光或电容耦合等方法在被测系统和测试 系统之间传递信号 避免直接的电连接 使用隔离的原因 一是从安全的角度 考虑 二是隔离可使从数据采集卡读出来的数据不受地电位和输入模式的影响 如果数据采集卡的地与信号地之间有电位差 而又不进行隔离 那么就有可能 形成接地回路 引起误差 3 滤波 实际测量系统中的信号含有多种频率成分 信号调理系统可以从 被测试信号中滤除不需要的成分或噪声 大多数信号调理模块都包含低通滤波 器 以滤除截止频率以上的所有干扰信号频率成分 10 4 激励 信号调理也能够为某些传感器提供所需的激励信号 比如应变片 式传感器 热敏电阻等就需要外界电源或电流激励信号 很多信号调理模块都 提供电流源和电压源以便给传感器提供激励 5 线性化 许多传感器对被测量的响应是非线性的 因而需要对其输出信 号进行线性化 以补偿传感器带来的误差 目前 数据采集系统也可以利用软 件来解决这一问题 6 数字信号调理 即使传感器直接输出数字信号 有时也有必要进行调理 其作用是将传感器输出的数字信号进行必要的整形或电平调整 11 2 3 3 采样定理 采样定理说明采样频率与信号频谱之间的关系 是连续信号离散化的基本 依据 采样定理具体描述如下 模拟 数字信号的转换过程中 当采样频率 Fs max大于信号中最高频率 fmax的 2 倍时 即 Fs max 2fmax 则采样之后的数字 信号完整地保留了原始信号中的信息 一般取 2 4 倍的信号最大频率 但一般 实际应用中保证采样频率为信号最高频率的 5 10 倍 12 采样定律又称奈奎斯 特定律 采样率 也称为采样速度或者采样频率 定义了每秒从连续信号中 9 提取并组成离散信号的采样个数 采样频率的常用的表示符号为 Fs 2 3 4 数据采集及处理过程 数据采集的核心过程就是将连续的模拟信号转换成离散的数字信号 采样 点太多 会占用大量内存单元 采样点太少 会使模拟信号的某些信息被丢失 出现失真现象 利用仪器测量的物理量大都以连续的模拟信号形式存在 对于 这些信号 在利用微处理器进行分析和处理之前必须首先转换成数字信号 这 个过程由数据采集系统完成 对于数据采集来说 采样频率 采样间隔的倒数 是一个非常重要的参数 假设现在对一个模拟信号 x t 每隔 t 时间采样一次 时间间隔 t 被称为采样间 隔或者采样周期 它的倒数 1 t 被称为采样频率 单位是采样数 每秒 t 0 t 2 t 3 t 等等 x t 的数值就被称为采样值 所有 x 0 x t x 2 t 都是采样值 这样信号 x t 可以用一组分散的采样值来表示 x 0 x t x 2 t x 3 t x k t 一个模拟信号和它采样后的采样值 采样间隔是 t 采样点在时域上是离 散的 如果对信号 x t 采集 N 个采样点 那么 x t 就可以用以下数列表示 x x 0 x 1 x 2 x 3 x N 1 该数列被称为信号 x t 的数字化显示 或者采样显示 此数列中仅仅用下标变量编制索引 不含有任何关于采样率 或 t 的信息 所以如果已知该信号的采样值和采样率 就能得出信号 x t 的频率 根据采样定理 最低采样频率必须是信号频率的两倍 由恩奎斯特频率可 知 如果信号中包含频率高于奈奎斯特频率的成分 信号将在直流和恩奎斯特 频率之间畸变 采样率过低的结果是还原的信号的频率看上去与原始信号不同 这种信号畸变叫做混叠 出现的混频偏差是输入信号的频率和最靠近的采样率 整数倍的差的绝对值 为了避免这种情况的发生 通常在信号被采集之前 经 过一个低通滤波器 将信号中高于奈奎斯特频率的信号成分滤去 实际上工程 中选用 5 倍 10 倍 有时为了较好地还原波形 甚至更高一些 15 2 3 5 数据采集系统的一般组成及相关部分的功能描述 1 基本数据采集系统 数据采集与转换的结构形式可以是单通道的也可以是多通道的 一个基本 10 的单通道数据采集系统包括传感器 信号调理电路 采样 保持电路 模数转换 电路 逻辑控制电路 微处理器或计算机 PC 以及数 模转换电路 D A 等 2 基于 PC 的 DAQ 系统 A D缓冲 驱 动 程 序 内存 缓冲 Labview 程序 显示 信 号 外触发 数据采集卡 图 2 1 基于 PC 的 DAQ 系统结构图 图 2 1 表示了基于 PC 的 DAQ 系统结构图 17 在数据采集之前 程序将对 采集板卡初始化 板卡上和内存中的缓冲是数据采集存储的中间环节 在这里 需要注意的两个问题是 是否使用缓冲 是否使用外触发启动 停止或同步一 个操作 1 缓冲 这里的缓冲指的是 PC 内存的一个区域 不是数据采集卡上的 FIFO 缓冲 它用来临时存放数据 例如 需要每秒采集几千个数据 在一秒 内显示或图形化所有的数据是困难的 但是将采集卡的数据先送入缓冲 就可 以先将它们快速存储起来 稍后再重新找回它们显示或分析 需要注意的是缓 冲与采集操作的速度及容量有关 如果所用的卡有 DMA Direct Memory Access 直接内存存取 性能 模拟输入操作就有一个通向计算机内存的高速 硬件通道 这就意味着所采集的数据可以直接送到计算机的内存 如果不使用 缓冲意味着对所采集的每一个数据你都必须及时处理 图形化 分析等 20 下列情况需要使用缓冲 I O 需要采集或生成许多样本 其速率超过了实际显示 存储到硬件 或实时 分析的速度 需要连续采集 并且要同时分析或显示某些数据 采样周期必须 准确 均匀地通过数据样本 2 触发 触发涉及初始化 终止或同步采集事件的任何方法 触发器通常是一个数 字或模拟信号 其状态可确定动作的发生 软件触发最容易 可以直接用软件 例如使用布尔面板控制去启动 停止数据采集 硬件触发让板卡上的电路管理触 11 发器 控制了采集事件的时间分配 有很高的精确度 硬件触发可进一步分为 外部触发和内部触发 当某一模拟输入通道发生一个指定的电压电平时 让采 集卡输出一个数字脉冲 这是内部触发 采集卡等待一个外部仪器发出的数字 脉冲到来后初始化采集卡 这是外部触发 许多仪器提供数字输出用于触发特 定的装置或仪器 在这里就是数据采集卡 当用户需要对所有采集操作有明确的控制 并且事件定时不需要非常准确 时 可用软件触发 下列情况要使用硬件触发 采集事件定时需要非常准确 需要削减软件开 支 采集事件需要与外部装置同步 3 系统方案设计系统方案设计 3 1 系统总体设计系统总体设计 在实验平台数据采集系统设计方案上 该系统硬件构成主要由传感器 前 端信号调理电路板和 PCI 622l 数据采集卡三部分组成 在软件构成上 需要进 行设备驱动程序的设计和运用虚拟仪器开发环境进行虚拟面板的开发 工作过程中 整个系统从被测对象开始 通过传感器转换成电信号 经过 信号调理模块进行简单的信号处理 将信号送至数据采集卡进行采集 然后用 软件进行处理 在采集过程中将数据保存到数据库里 实现了历史数据的访问 总体设计框图如图 3 1 所示 被测对象 温度传感器 压力传感器 流量传感器 信号调理模块 数据采集卡 NI 6221 计算机 虚拟 仪器 软件 图 3 1 系统的总体方案框图 本实验系统采用模块化编程的设计思路 每个功能的实现由一个模块完成 由主控模块调用各个子模块 实现数据采集 输出 处理 记录等功能 总体 功能框图如图 3 2 所示 12 实验平台主控模块 数 据 采 集 模 块 波 形 输 出 模 块 频 率 计 算 模 块 记 录 存 储 模 块 图 3 2 总体功能框图 其中 信号采集与分析系统框图如图 3 3 所示 信号采集与分析 波形信号采集信号处理与分析保存标准信号 外部发送触发脉冲 同步采集信号 接收触发并发出信号 选择信号路径 找出采集信号波形的峰值点 信号比较并计算 判断波形是否合适确定保存 对保存的数据进行回访 找出标准波形的峰值点 图 3 3 信号采集与分析系统框图 3 2 数据采集系统硬件组成数据采集系统硬件组成 3 2 1 信号调理模块 信号调理是数据采集系统中最重要也是最易被忽视的一部分 许多传感器 都要求使用专门信号调理技术 而没有哪种设备能为所有的传感器提供各种类 型的信号调理功能 例如 热电偶产生的是低电压信号 它还需要进一步的放 大 过滤 以及线性化等处理 3 2 2 数据采集卡简介 1 虚拟仪器的硬件平台由计算机和 I O 接口设备两部分组成 I O 接口 13 设备主要执行信号的输入采集 放大与模 数或数 模转换的任务 对于单台虚拟 仪器而言 Labwindows CVI 所涉及的 I O 接口设备是数据采集卡 I O 接口设 备的驱动是虚拟仪器系统的重要环节 对 I O 接口设备的驱动是通过相应的库 函数来实现的 Labwindows CVI 获取数据的方法是通过 I O 接口设备的驱动来 完成的 通过数据采集卡获取数据是虚拟仪器获取数据的渠道之一 也是构成 虚拟仪器的最基本方式 通过数据采集卡获取数据的虚拟仪器称为 PC DAQ Data Acquisition 数据采集 简称 DAQ 卡式仪器 22 数据采集卡为 I O 接口设备 对 I O 接口设备的驱动是通过相应的库函数来实现的 2 数据采集卡主要由以下四部分组成 1 多路开关 多路开关将多路信号轮流切换到放大器输入端 以实现多路信号分时采集 2 放大器 放大器将待采集的信号放大或衰减至采样环节的量程范围内 在实际系统 中 放大器的增益通常是可调的 可根据输入信号幅值的大小选择不同的增益 倍数 3 采样保持器 采样保持器取出待测信号在某一时刻的瞬时值 即实现信号的时间离散化 并在 A D 转换过程中保持信号不变 如果被测信号变化很慢 也可不用采样保 持器 4 A D 转换器 A D 转换器是将输入的模拟量转化为数字量输出 并完成信号幅值的量化 随着电子技术的发展 通常将采样保持器同 A D 转换器集成在一块芯片上 以上四个部分都处在计算机的前向通道上 是组成数据采集卡的主要部分 其他相关电路 如定时 计数器 总线接口电路等 也集成在一块电路板上 以 完成对信号的采集 放大 及模 数转换任务 很多数据采集卡电路板上还装有数 模转换器 D A 它处在计算机的后向 输出通道上 用于将计算机输出的数字量转换为模拟量 从而实现控制功能 3 数据采集卡的参数设置 14 要使数据采集卡正确地实现数据采集的功能 必须根据实际测量的需要对 一些参数进行设置 这就是数据采集卡的软件驱动 待设置的参数主要由采集 卡的设备号及地址码 此外还有如下的设置项 1 模拟信号输入部分的设置 a 设置输入信号的输入方式 确定输入信号是单端输入还是双端输入 输 入信号是单极性信号还是双极性信号等 b 选择增益 根据输入信号幅值变化范围和分辨率的要求 选择增益 c 选择量程 一般根据输入信号是单极性还是双极性 选择合适量程 2 A D 转换部分的设置 a 设定信号输入通道号 b 设定采样点数 c 设定采样速率 采样频率的高低 决定了在一定时间内获取原始信号信 息的多少 为了能够较好的再现原始信号 不产生波形失真 采样率必须要足 够高 d 采样结果的输出方式 采样结果可放在一个数组中 也可放在某一缓冲 区中 e 采样触发方式 一般分外触发 定时触发及软件触发 3 D A 转换部分 a 模拟信号的输出通道号 b 模拟信号的输出幅值 此参数应设置在标称满量程范围内 c 刷新速率 该参数决定被生成的模拟信号波形的 光滑度 刷新速率 的倒数为响应时间 4 I O 接口设备 PIC 6221 数据采集卡 NI PIC 6221 37 针 数据采集卡 包括 NI DAQmx VI Logger Lite 数据记录 软件和其他测量服务 其基本规格如下 16 路模拟输入 16 位分辨率 250Ks s 采样速率 2 路 16 位模拟输出 更 新速率 833Ks s 24 路数字 I O 8 路高速可达 1M 2 个 32 位 80MHz 计数器 定 时器 AI AO 通道可承受的最大电压正负 10 伏 5 测控系统中常见的干扰 15 在系统中 由于内部或外部干扰的影响 在被测信号电压或电流上会叠加 干扰信号 通常会把这种干扰信号称为噪声 噪声对被测信号存在着严重的干 扰 当被测信号很微弱时 就会被干扰噪声 淹没 掉 导致数据采集误差 因此 噪声是数据采集的主要障碍 为了能精确地采集数据 需要消除和抑制 系统中的噪声 干扰源从干扰的来源划分 可分为内部干扰和外部干扰 从干 扰产生和传播的方式划分 可分静电干扰 磁场耦合干扰 电磁辐射干扰 电 导通路耦合干扰 漏电耦合干扰 从干扰输入信号的关系划分 可分为差模干 扰和共模干扰 模拟通道常用的的抗干扰措施有 采用隔离技术隔离干扰 又可分为光电 隔离和电磁隔离 采用滤波器滤除干扰 采用浮置措施抑制干扰 3 2 3 BNC 2120数据采集卡连接器 在使用采集卡之前 首先要进行采集卡的安装 将采集卡插入计算机的 PCI 插槽 由于是 NI 公司的数据采集卡 因此不需要再编写采集卡的驱动程序 只需重新启动计算机 放入采集卡的驱动光盘 按照提示就可以自动完成安装 安装完成后对设备号 模拟输入极性 模拟输入模式 模拟输出极性等参数进 行设置 另外 用 BNC 2120 作为数据采集卡的设备连接器 具有下列产品特 性 8 个用于模拟输入 AI 信号连接的 BNC 连接器 片内温度传感器 热电 偶连接器 电阻测量螺栓端子 2 个用于模拟输出 AO 信号连接的 BNC 连 接器 用与数字 I O DIO 连接的螺栓端子 带状态指示灯 用于定时 I O TIO 连接的螺栓端子 2 个用户自定义 BNC 连接器 1 个函数发生器 输出波形有 频率可调的 TTL 方波 频率和幅值均可调的正弦波 三角波 正 交编码器 连接多功能 DAQ 设备的 68 引脚 I O 连接器 可用于桌面或 DIN 导 轨安装 24 BNC 2120 的模拟输入 BNC 端子可实现下列功能 测量差分 AI 信号 测 量温度 测量电阻 连接差分模拟数输入信号 使用 BNC 2120 前面板的 BNC 接线端子连接 AI信号至 DAQ 设备 BNC 2120 仅用于连接差分模拟输入信号 所需接 线端子数取决与具体设备及应用 16 测量温度 通过 BNC 2120 设备的温度基准传感器和热电偶连接器可进行 温度测量 如要使用 BNC 2120 设备的集成电路温度基准传感器 AI0 BNC 接 线端子上方的 BNC 温度基准传感器开关需置于传感器位置 集成电路温度基准 传感器通过软件提供内置冷端温度补偿 如要使用 BNC 2120 设备的热电偶 AI1 BNC 接线端子的上方的 BNC 热电偶开关需置于热电偶位置 任意热电偶 可通过 2 线小型连接器或超小型公口连接器连至热电偶连接器 测量电阻 RES 经过内部电路连至 AI3 和 Vcc RES 经内部电路连至 AI11 AI11 通过一个 10K 欧电阻连接至 AI GND 4 系统软件设计系统软件设计 4 1 编程软件平台编程软件平台 LabVIEW 概述概述 实验平台要实现的任务有 信号采集与控制 信号分析与处理以及测试结 果的表达与输出三大功能模块 在传统的实验平台系统中 这三个模块只能面 对相对固定的对象 灵活性差 开发效率低 本实验的软件系统采用 LabVIEW 软件进行开发 LabVIEW 是美国 NI 公 司推出的一种虚拟仪器开发软件 其采用的是一种独特的图形化 G 语言编程模 式 G 语言使用图标代替常规的语句来实现一个功能 即其编程过程不是书写 语句 而是连线一个个代表一定功能的图标 因而直观易用 在开发虚拟仪器 方面具有较强的优势 它广泛地被工业界 学术界和研究实验室所接受 被公 认为是标准的数据采集和仪器控制程序 LabVIEW 具有灵活的数据流编程方式 和丰富的数字分析处理工具 使用 LabVIEW 开发数据采集 监控系统可以取 得事半功倍的效果 LabVIEW 将虚拟仪器分层次和模块化 即可以把任意一个 虚拟仪器当作顶层程序 也可将其当作自身的子程序 这样就可以把一个复杂 的任务分解为一系列多层次的子任务 通过为每一个子任务设置一个子虚拟仪 器 并运用方框图原理把这些子虚拟仪器进行组合 修改 交叉和合并等处理 17 最后建成的顶层虚拟仪器就成为一个包括所有应用功能的子虚拟仪器的集合 27 1 LabVIEW 的特点 与传统的仪器相比 虚拟仪器具有以下特点 1 虚拟仪器的软件和硬件具有开放性 模块化 互换性以及可重复使用 等特点 2 在通用硬件平台搭建后 由软件来实现仪器的具体功能 即软件在虚 拟仪器中具有重要的作用 3 虚拟仪器的功能是由用户根据实际需要通过软件来定义的 且性价比 较高 技术更新快 2 LabVIEW 中的模拟输入形式有 1 单点采集 采集设备从一个或多个输入通道分别获取一个信号值 然后 LabVIEW 立即返回这个值 这是一个即时 无缓冲的操作 效率和灵活性低 2 波形采集 在计算机内存中开辟一段缓冲区 设备将采集的数据存入其 中 当指定的数据采集完成后 LabVIEW 再将缓冲区中的数据一次读出 此时 输出的是一段有限长度的信号波形 3 连续采集 开辟一段循环缓冲区 设备连续采集数据并将数据向缓冲区 中存放的同时 LabVIEW 依据设置 将缓存中的数据一段一段地读取出来 最 常用的采集方式 需要注意的是 程序读取数据的速度要不慢于设备往缓冲区中存放数据的 速度 这样才能保证连续运行时 缓冲区中的数据不会溢出 3 LabVIEW 中的模拟输出有 1 单点模出 将一个数据直接写到模拟输出通道 产生一个模拟直流信号 是一个即时 无缓冲的操作 2 波形模出 在计算机内存中开辟一段缓冲区 LabVIEW 将一段数字波 形写入缓冲区中 然后设备将缓冲区中的数据通过 DAC 输出 就得到一段模 拟波形 3 连续模出 开辟一段循环缓冲区 LabVIEW 将数字波形写入缓冲区中 设备连续将缓冲区中的数据通过 DAC 输出 是最常用的采集方式 连续模拟 输出有两种形式 第一种就是在模拟输出之前 将数字信号写入缓冲区中 然 18 后设备连续不断地将缓冲区中的数据通过 DAC 重复输出 这种连续模出执行 效率很高 但是需要写入的数字信号必须是整周期的 不然输出模拟信号将会 不连续 在使用上不够灵活 第二种方式就是在设备将缓冲区中数据输出的同 时 不断地将数字信号写入缓冲区中 这种方式在编程上比较复杂 但是灵活 性比较高 只要保证这一次写入缓冲区的数字信号和上次是连续的就行 不需 要每次写入的信号是整周期的 4 LabVIEW 中的数字 I O 一般情况下 数字 I O 按照 TTL 逻辑电平设计 其逻辑低电平在 0 到 0 7V 之间 高电平在 3 4 到 5 0V 之间 在硬件设备上 多路数字 I O 组成一组后被 称为端口 一个端口由多少个数字通路组成是依据其设备而定的 在多数情况 下 8 个数字通路组成一个端口 在 LabVIEW 中对数字 I O 的操作非常简单 可 以对整个端口进行操作 也可以对端口中的一路或多路同时进行操作 5 本课题中 LabVIEW 的主要应用特点 针对数据采集 LabVIEW 提供给用户一个开放式的开发环境 用户可以将 其与测量硬件连接 LabVIEW 的交互式测量助手 自动代码生成以及与大量设 备的简易连接功能 使它能够方便快速地完成数据采集 针对数据分析处理 LabVIEW 带有超过 450 个内置函数 专门用于从采集 到的数据中提取信息 用于分析测量数据及处理信号 针对显示结果 LabVIEW 提供一系列工具用于数据显示 用户界面设计 报告生成 数据管理及软件连接 6 LabVIEW 程序的构成 在 LabVIEW 环境下开发的程序称为虚拟仪器 VI Virtual Instruments 文件 扩展名为 VI 一个完整的 LabVIEW 程序由前面板 程序框图和图标连接端口 组成 1 面板程序 Panel 前面板是 VI 的交互式用户接口 用户可以设置旋钮 按键 开关 图表等 工具 与真实的物理仪器面板相似 用户通过对前面板上工具的操作来使用虚 拟仪器 2 程序框图 Diagram Programme 19 程序框图是 VI 的程序代码 与文本语言不同的是 它的程序代码是控件端 口和连线构成的 VI 从程序框图中接收指令 执行操作 3 图标 连接端口 Icon Terminal VI 图标和连接端口就像一个图形化参数列 表 可在各个 VI 之间传递数据 4 2 系统软件总体程序设计系统软件总体程序设计 该程序的设计模式是基于事件结构的人机界面 UI EventLoop 即用控件的 事件结构来响应用户操作 它可以避免因轮询导致的 CPU 浪费 而且会自动产 生事件队列 从而避免丢失事件 事件结构不仅使程序变得简单 提高了 CPU 的利用率 而且可以使几个子 程序同时运行 从而在 LabVIEW 中实现多线程操作 这一性能取决于 LabVIEW 是一种自动多线程语言 它可自动根据用户编写的程序决定线程的数 目 分配 管理和切换等 而该线程的执行系统则可在 VI 的属性对话框中直接 进行配置 一般来说 一个独立的循环或者子 VI 就是一个独立的线程 29 前 面板上的一个单击事件响应一个线程的执行 但多个线程可以并行运行 互不 影响 使用 LabVIEW 进行图形化程序设计时 主要包括虚拟仪器前面板设计和 虚拟程序设计两个组成部分 LabVIEW 支持编辑和运行两种状态 在编辑状态 下 可创建 VI 并对前面板和方框图进行编辑 修改 在执行状态下 可以动态 调试运