基于LabVIEW的数据采集与处理系统设计

1、基于LabVIEW的数据采集与处理系统设计LG GROUP SyStem OffiCe room【LGA16H-LGYY-LGUA8Q8-LGA162 J基于LabVlEW的数据釆集与处理系统设计摘要：虚拟仪器作为一种基于图形化编程的新型概念仪器，以讣算机作为运行媒 介，节省了大量的显示、控制硬件，越来越显示出它独有的优势。基于LabVIEW的数 据采集与处理系统，整体采用了循环结构与顺序结构相结合的形式，实现了模拟信号 的采集与实时动态显示，并且仿真出了对数据的采集和报警功能，并且能够存储数 据，进行各种自定义设置，显示效果良好，对现实中的数据采集与处理系统具有很大 的借鉴作用。关键词:虚拟

2、仪器；数据釆集：数据处理；LabVIEWThe DeSign Of Data ACqUiSitiOn and PrOCeSSing SyStem BaSed OnLabVlEWAbStract： AS a kind Of VirtUaI instrument based OrI graphical PrOgranillIing the new COnCePt Of instruments, run at the COmPUter as a medium, SaVe a Iarge amount Of display, COntrOI hardware, more and more ShOWS

3、its UniqUe advantages Data acquisition and PrOCeSSing SyStem based On LabVlEW, and the OVeralI adopted IOOP StrUCtUre and Order StrUCtUreJ in the form Of the COmbinatiOn Of the dynamic analog SignaI acquisition and real-time display, and the SimUlatiOn Of the data COlleCtiOn and alarm function, and

4、the ability to StOre data, for a Variety Of SettingSJ display effect is good, the reality Of the data acquisition and PrOCeSSing SyStem has a great referenceKeyWOrdS: VirtUaI InStrUment;Ddta COlIeCtion;Data PrOCeSSing:LabVlEW;目录1. 引言课题研究的盘义课题设计的目的和内容2. 研究现状及设计目标3. 系统方案与关键技术介绍系统总体方案简介虚拟仪器与LABVlEW简介系统

5、关键技术4. 方案实现前面板绘制程序框图功能实现5. 结束语6. 谢辞7. 参考文献I-引言课题研究的意义虚拟仪器是现如今非常流行的一种计算机技术，它的应用面很广，山于釆用了 计算机界面代替了传统的硕件显示器，乂可以利用计算机的处理器去实现硕件的处 理功能，所以只需要将需要处理的各种类型的数据通过统一的接口传输到计算机 中，这样就能实现各种显示、处理与控制功能。虚拟仪器作为一种非常便捷和灵活 的人机交互手段，能够和许多不同的学科和内容相结合。本次课题就是将虚拟仪器 与数据采集与处理系统相结合，利用LabVlEW软件平台强大的数据处理能力和多样 化的结果显示方式，仿真模拟信号的数据釆集与处理过程

6、，能够实现对信号的动态 显示、异常报警和数据存储功能，对于实际中测控领域的其他系统具有一定的借鉴 意义，提供了另一种不同的方法。课题设计的目的和内容本次课题拟借助虚拟仪器的平台，采用LabVieW应用软件模拟仿真一种模拟信 号采集与处理控制系统，要求能够实现： 实现模拟信号的釆集； 实现3通道的数据AD转换的功能； 设置显示界面，能动态显示数据的釆集结果； 根据设定阈值，对于超过阈值，有相应的提示功能。2. 研究现状及设计目标LabVlEW是一种釆用图形化编程语言的平台环境，含有多样化的数据处理工具 和强大的信号分析与结果展示功能，并且能够显示与实际相同的按钮，开关等布尔 空间，因此，广泛地应

7、用于自动化行业、科硏机构和研究实验室，被视为一个标准 的数据采集和仪器控制软件。虚拟仪器通过应用程序将通用计算机与功能化硕件结合起来，完成对被测信号 的采集、分析、处理、显示、存储、打印等功能，硬件部分包含多种I/O接口电路 和数据采集卡等，包含插卡式虚拟仪器、并行口虚拟仪器和总线方式的虚拟仪器等 形式，I/O接口设备主要实现对被测信号的放大、滤波、调制、模数转换等处理， 可以根据不同情况釆用不同的I/O接口硬件设备，其中数据采集卡(DAQ)充分利用 了计算机的总线、机箱、电源以及软件的便利，但是受机箱、总线的一些限制，存 在电源功率不足、机箱内电平噪声较高、无屏蔽等缺点；并行口虚拟仪器最大的

8、方 便在于可以与笔记本计算机相连，方便外出携带；VXI总线具有稳定的电源、强力 的冷却能力和严格的屏蔽效果，并且标准开放，数据呑吐能力强，模块可重复利 用，现在应用越来越广泛，已成为主流的虚拟仪器接口硕件，但是其造价较高。虚拟仪器总体结构划分为数据釆集、数据分析处理、结果表达三大功能模块。构成方 式如下图1虚拟仪器构成方式在Nl LabVlEW的图形化开发环境中，用户不需要采用传统的开发平台去编写、 编译成行的文本代码，而是通过各种不同的图标工具与函数选框去开发数据采集系 统。使用Nl LabVIEW,即便用户不具备编程经验，也能在数小时内完成传统语言编 写需要数周的程序。直观的流程图所显示的

9、代码便于用户开发、维护和理解。只需 点击两次鼠标，便能传递功能代码块之间的数据。用户无需从头创建整个数据采集 系统。NI LabVIEW包含全套范例，适合各项常规的丈量任务。这些可立即执行的程 序覆盖了各类应用，从简单的单通道丈量，到多个设备利用先进的定时、触发与同 步技术实现高性能多通道系统。只需从自动更新的下拉菜单中选择硕件，并单击运 行。NI LabVIEW包含数千个特别为工程师和科学家创建的高级分析函数，所有函数 均配有具体的帮助文件与文档。这些强大的工具可实现高级信号处理、频率分析、 概率与统计.曲线拟合、插值、数字信号处理等功能。用户还可将Nl LabVIEW扩展 至特定的应用处理

10、，如：声音和振动丈量、机器视觉、RF/通讯、瞬时/短时信号分 析等。需要更高灵活性的用户，可将Nl LabVlEW同第三方软件开发的算法进行集 成。3. 系统方案与关键技术介绍系统总体方案简介修饰控牛布尔控件图表件顺序结构循环结构属性节点调安钮ew简介架图图数据米集与处1本次基于LabVieW的数据采集与处理系统的设讣与实现，采用图形化的编程语言 对系统进行开发、调试和运行，在自定义前面板中，除了与程序框图中对应的布尔 控件、图表控件以外，釆用不同形状的修饰模块和工具选板中的颜色设置来做出监 控面板的效果，对信号的采集和处理上，总体采用顺序结构与While循环相结合的 形式，实现对计算机声卡信

11、号的采集和动态显示并进行功率谱分析并显示，另外， 模拟对温度信号的釆集过程，并且对超过限值的信号做出报警，并且能够实现对采 集信号的存储。系统总体框架图如下图所示：义就是一种“虚拟”的操作面板，T%J实际操作仪器。虚拟仪器实际上趁来模拟了传统仪器的控制和显示面板，用户可以利用开发工具，自定义人机交互界 面，并且通过编程，实现数据的处理和控制效果的实现。虚拟仪器不仅可以制作控 制面板，通过鼠标键盘来控制，还能够与不同的接口总线相结合，构成功能强大的 测量测试系统，这是它一个显着的特点。虚拟仪器(VirtuaPInstrument)是基于汁算机的仪器。虚拟仪器通常具有一 个或多个友好的虚拟面板(人

12、机界面)，用户可通过虚拟面板很方便地进行操作。 用户可对虚拟仪器的功能和用途进行定义、组合和扩展，从而更快、更省和更方便 的解决测试、测量和自动化的应用问题。忖前对于虚拟仪器的开发主要山以下两种 语言：文本式编程语言：如C, VisualC+, ViSUaIBaSiC等图形化编程语言：如LabVIEW, HPVEE等本次设计中采用的是LabVlEW应用软件。LabVlEW (LabOratOryVirtUaIinStrUmentEngineering)是一种图形化的编程语 言乂称为“G”语言，它广泛地被工业界、学术界和研究实验室所接受，编程相对 简单。像许多重要的软件一样，LabVlEW提供了

13、 WindOWs、IMX、Linux> MaCintoSh 的多种版本。所有的LabVlEW应用程序，即虚拟仪器(NI),它包括前面板(front?Panel) 流程图(block?diagram)以及图标/连接器(icon/COnneCtOr) 三部分。在LabVlEW中新建一个Vl (虚拟仪器)后，会出现两个WindOWS窗口，分别为 前面板和程序框图。前面板是虚拟仪器最终实现人机交互的界面，用来绘制界面和 放置控件，例如本次设计中用于绘制十字路口的修饰控件，用于表示信号灯和数码 管的布尔控件，以及一些自定义的控件都放置在前面板上，在实际操作中，通过右 键点击就可以调出控件选板来摆放

14、那个各种输入输出控件，并且可以对其进行修饰 和编辑操作，前面板具有非常大的灵活性，用户可以根据自己的实际需求去绘制非 常美观的仪器操作和显示界面。前面板如图所示：图3 LabVlEW前面板程序框图用于编程实现功能的界面，前面板上的各种输入输出控件在程序框图 中都有对应，通过连线和和中数据处理操作就可以实现想要的功能效果，编程时主 要通过函数选板来选取需要的控件进行编程。程序框图编程界面如图所示：图4 LabVlEW程序框图系统关键技术LabVieW中用于前面板制作和后面板程序编写的工具主要包括三个操作选板，分 别是工具选板、控件选板和函数选板。样式分别入下图所示：图5三种操作选板前面板控件选板

15、上的输入控件和显示控件可用于创建前面板。针对不同的数据 类型和不同的需要，可以选取多种类型的控件来满足实际的需要，同时也可以通过 选择控件来选取自定义的控件实现更加生动的控件运行效果。函数选板只能在编辑程序框图的时候使用，与控件选板的工作方式大体相同， 通过点击拖入并连线完成数据流的传输。函数选板在后面板上通过右键就可以调用 出来，也可以锁定在界面上。工具选板是在前面板和程序框图中都可以使用的工具选板，正常状态下被隐 藏，鼠标是自动识别的方式，工具选板可以通过查看工具选板调用出来，其中包 含了多种选取、编辑、修饰的按钮，通过点击就可以使用相应的功能按钮，同样也 可以插入指针调试程序，选板最上端

16、的自动选择工具，可以通过点击来切换工具选 板的工作方式，选择手动或者自动方式。本次设计中前面板中用到的控件包括制作十字路口背景图的修饰控件中的下凹 圆盒和平面盒，平面盒用来制作斑马线。除此以外，就是制作红黃绿信号灯的圆形 布尔控件和制作倒计时数码管的方形指示灯，布尔控件只有真假两种状态，可以通 过程序框图中的赋值来改变其状态。本次课题的设计中，编程结构用到了 WMle循环，顺序结构以及事件结构，编 程样式如下：图6 WhiIe循环、顺序结构、条件结构WhiIe循环山循环框，条件端口和计数端口组成，基本功能与C语言中的相同， 条件端口输入为真则循环执行程序，当条件端口输入为否时则终止程序的执行。

17、条件结构是一种常用的处理在不同条件下输岀不同的控制量来实现不同控制效 果的一种结构。条件结构的输入可以使布尔型的真假常量，也可以是整型的数据常 量，也就是说我们可以通过按钮的开关来控制选取不同的选框，也可以通过不同的 数字输入来选择不同的子框图，条件结构中可以设置多个子框图，每个子框图中需 要对应输出控制量到控制对象上。顺序结构有平铺式顺序结构和层叠式顺序结构两种，本次设计中用到的是层叠 式顺序结构，两种方式都可以在程序中通过右键点击然后选取相应的菜单栏来切 换，非常灵活方便。顺序结构初始时只有一个子框图，每一个框都是一帧，通过右 键可以在前面或者后面添加空口帧，程序执行的时候，会按照帧的顺序

18、来循环执 行，当一个帧的操作，数据传输完成以后，就会开始下一个帧的操作，依次循环， 当最后一个帧结束后再从第一个帧开始执行。除了运行结构以外，程序框图中还用到了颜色盒.属性节点等控件。颜色盒常 量对应于某一特定数值的颜色。颜色值以RRGGBB形式的十六进制数字表示。最前面 两位控制红色值。中间两位控制绿色值。最后两位控制蓝色值。样式如下：图7颜色盒常量选板在本次设计中颜色盒常量用来配合颜色属性节点的调用在不同的时刻对同一布 尔控件赋予不同的颜色。本次设计中还涉及了属性节点的调用，包括“可见”属性节点和“颜色”属性 节点，主要实现对报警灯颜色赋值，并对当前状态为“假”的布尔控件进行隐藏操 作，使

19、显示效果更佳。4. 方案实现前面板绘制图8程序前面板效果如图所示，前面板主要分为两个大的模块，左边仿真模拟的是一种温度釆集与 报警处理系统，右边是实现了对声卡信号的釆集与动态显示。温度采集模块中，包括了：1）摄氏温度和华氏温度的模式选择开关。考虑到不同环境中，摄氏度的显示不一定能满足所有现实中温度釆集格式的要 求，本次设计中加入了华氏摄氏度的釆集与显示模式。系统可以在华度和摄氏度之 间自山切换来满足现实情况的不同需求，这一模式选择开关是通过“水平摇杆开 关”来实现的，这一样按开关与现实中的摇杆开关儿乎一样，能够左右拨动，实现 两个状态的转换。在本次设计中，拨到左边是摄氏度显示与釆集模式，拨到右

20、边是 华氏度显示与采集模式。2）自定义温度报警阈值的数字输入控件在现实中常用的温度采集系统中，除了采集温度观察系统的实时运行状态以 外，最重要的是能够通过温度的异常来实现对故障状态的报警，本次设计中，釆用 了数值输入控件，既可以通过按键的加减来输入数据也可以直接通过键盘输入，数 值输入控件作为温度报警的限值，当采集的温度超过这个数值的时候报警，计数器 加一。3）控制数据采集、程序暂停和停止的按钮控件程序的运行通过“开始采集”按钮和“暂停”按钮来控制，能够控制程序的开 始运行与中断处理，按钮通过前面板中的文本按钮拖入来实现，能够改变按钮上的 文本，显示不同按钮对应的功能。4）显示数据采集进度的水

21、平进度条本次设计中还釆用了进度条来显示数据釆集的进程，使用的是数值选版中的 “进度条控件”，这个控件是根据输入数值的大小，对应显示在进度条的对应位置 ±o这样通过数值的不停增加就能够表示出数据采集的进度。5）显示当前采集数据的温度计控件面板中温度计样式的控件采用的是“银色”选版中的“温度计控件”，通过属 性中可以设置温度计的最大值，本次设计将最大值设置为100,可以满足对温度显 示的额需求。6）表示运行状态的报警灯为了实现对故障状态的报警，本次设计中采用了 “银色”选版中的“LED灯” 来显示报警状态，开关两种状态的不同颜色可以通过LED灯的“属性”来设置，但 是本次设计中不是釆用开

22、关的两种状态，而是正常运行和报警状态，所以釆用了属 性节点的调用来实现对两种状态下的报警灯颜色的设置。7）对报警状态计数的累加器本次设讣还实现了对报警次数的计数，在程序运行时对报警的次数进行一个累 加，运行结束后就可以看出报警的总次数。前面板中通过文本显示控件中的“字符 串显示”控件来实现对数据的显示，除此之外，为了贴近实际的数码显示效果，本 次设计中添加了计数的LED灯显示效果，釆用七个方形布尔控件搭成七段数码管用 来显示数字，这种效果与实际的数码显示一致，仿真效果非常好，使界面更加美 观，贴近实际。8）显示、存储采集结果的一维数组控件本次设计中，釆用了一维数组存储采集到的数值，并在釆集结束

23、时全部输出显示 到前面板中，显示控件釆用的是数组显示控件，控件上的按键用来索引数组中对应 的数据。数据类型为双精度实型，保留六位有效数字。声卡信号采集与动态显示模块中，前面板的绘制内容包括：1）采样数、采样模式、声音格式等设置选项这些选项都是数值输入控件，用来设置声音采集和显示的模式等。可以设置每 个通道的釆样数，釆样模式（包括连续釆样和有限采样）,可以设置声音的釆样 率、采样比特数。2）显示声卡信号的波形控件声音信号的显示采用了图形显示控件中的波形图，能够实时显示声音信号的波 形，与现实中的示波器显示效果类似。3）显示声卡功率谱的波形控件声卡功率谱的显示与声音信号的显示控件相同，都是釆用的“

24、波形图”控件， 能够实时显示信号的分析结果。程序框图功能实现实现两大功能模块的程序框图如下：图9程序面板框图1图10程序面板框图2程序整体放置在一个大的While循环里面，这样,WhiIe循环中的程序能够循环 运行，实时显示数据釆集与分析的结果。对于温度采集与处理模块，山于缺少硬件采集卡等设备，本次设计中采用了循 环结构和随机数搭配，模拟出了一组温度值，并对这组温度值进行处理，实现其越 限报警、数据存储展示等其他功能。程疗;设计为共釆集十组数据，采用FoR循环来 生成十足数据，摄氏和华氏的切换通过条件结构搭配按钮来实现，不同模式输出不 同格式的数值，同时传输到温度计中实时显示。对于报警讣数器，

25、采用的是WhiIe 循环中的移位寄存器，上一步的结算结果可以作为下一步计算的初始值，程序运行 时，首先将釆集到的温度值与设定的温度限值做比较，将结果输出到条件结构中， 如果结果为“真”，即，温度大于设定的温度限值，则利用颜色盒常量将报警灯的 状态设置为红色，然后对移位寄存器加一，结果输出到报警次数器上；如果结果为 “假”，即釆集到的温度值，比设定的温度限值小，则将报警灯的状态设置为绿 色，意为正常状态，移位寄存器原值输出。另外，除了报警灯的显示效果以外，程 序还设置了七段数码管的显示效果来显示报警次数的额累讣值，首先将讣数值输出 到条件结构中，设置10个条件分支，分别对应0-9的显示效果，数码

26、管对应的真假 常量设置在不同的选框中，输出端将七个真假常量输出到七段数码管对应的方形显 示灯的布尔控件上，这样设讣基本就能实现数码管的显示效果，但是为了更加贴近 现实，本次设计中，点用了七个布尔空间的属性节点中的“可见”节点，在不显示 的时候将对应的控件隐藏，这样更加能够与现实中的显示效果贴近。对于进度条的 显示，程序巧妙的将fo:T循环中的循环次数i输入到了进度条显示控件，这样就能 实时对应上采集程序的采集进度。对于程序的采集与暂停控制，本次设计中使用的 是时间结构和层叠式循环结构相结合的形式，当“开始釆集”按钮按下时，程序运 行条件为“真”的选框中的内容，即，层叠式循环结构，首先运行“0”

27、状态： 图11层叠式顺序结构“0"状态将计数处置设置为0,然后运行“：T状态，图12层叠式顺序结构状态 执行釆集数据的程序，此时如果“暂停”按钮按下，则运行事件结构中的程序：图13事件结构选框弹框显示“程序处于暂停状态”，按下“确定”后，程序继续运行状态“2”中的内 容：图14层叠式顺序结构状态“2”此时程序运行结束，弹框显示“10点采集完毕” o这样一个完整的数据采集与超限 报警的功能就实现了，并且能够存储釆集的结果。声卡信号的采集则是采用文件IO中的声音信号相关的模块进行数据采集：图15声音信号配置面板采集到的数据输出到波形图表进行动态显示，另外通过频谱测量对信号进行分 析，并输

28、出功率谱到波形图表。5.结束语本次毕业设计依据要求，设计了一种基于LabVlEW的数据采集与处理系统，包 括温度采集与声卡信号釆集两大部分，首先是温度数据采集，程序设计实现了可以 连续采样10组数据，可以在温度计控件中实时显示釆集的结果，可以对超过温度限 值的状态进行报警并计数，程序运行结束时能够将采集到的数据存储在一维数组中 显示出来，并且程序可以显示运行的进度，可以在华氏和摄氏温度模式中进行切 换，可以在数据采集过程中暂停程序运行并弹窗显示。程序的报警计数采用了七段 数码管的显示效果能够仿真出显示中的数码管显示效果，美化了界面。对于声卡的 信号釆集与处理，本次设计釆用了，程序自带的选版釆集声卡数据，并进行功率谱 分析，前面板中用波形图显示，完成了信号的实时釆集显示与分析。本次设计虽然功能基本实现，但仍然存在一些不足，希望以后能够逐步完善， 首先，为了运行效果，本次设计只釆集了 10组数据，对于现实中的自动化领域、实 验室等环境不符合需求，报警讣数也只设置了个位显示，另外，对温度数据的处理 中，本次设计只讲采集到的数据放在了一维数组中显示出来，没有存储到本地数据 库，不方便以后的查询与统汁。6.谢辞经过这段时间的研究和学习，该基于LabVieW的数据釆集与处理系统的设计已 经基本