計算機遠程數據采集系統的設計與實現

摘要:隨著計算機軟件技術的發展，采用虛擬儀器實現計算機遠程數據的采集成為數據采集的發展趨勢。該文主要介紹以虛擬儀器軟件平臺LabVIEW和PCI插槽的數據采集卡以及個人計算機為基礎，建立一個遠程數據采集與分析的虛擬儀器系統。

關鍵詞:虛擬儀器;LabVIEW;遠程數據采集

中圖分類號:TP274文獻標識碼:A文章編號:1009-3044(2010)01-101-03

Design and Comply the Computer Remote Data Acquisition System

LI Hai， RAO Wei-dong， ZHANG Xiao-dan

(College of Mathematics and Computer Science， Jishou University， Jishou 416000， China)

Abstract: With the development of computer software technology， Using Virtual Instrument Computer Remote data collection to become the development trend of the data collection， This paper introduces the LabVIEW virtual instrument software platform and the PCI slot of the data acquisition card and a personal computer based on the establishment of a remote data collection and analysis of the virtual instrument system.

Key words: virtual instrument; LabVIEW; Remote Data Acquisition

隨著現代控制技術的發展， 在工業控制領域需要對現場數據進行實時采集、控制， 例如在發電廠、鋼鐵廠、化工領域的生產中都需要對大量數據進行現場采集。在極端惡劣工作環境下，數據的測量技術難度大，同時遠程數據傳送抗干擾性能也比較差。目前，常用的數據采集系統絕大部分是由集成傳感器和單片機以及通信電路構成的，這種方式人機界面不友好、調試期長、修改不方便，因此采用效率和自動化水平更高的新的測量手段，是遠程數據采集系統的發展趨勢。

LabVIEW是美國國家儀器公司(National Instrument)開發的一種虛擬儀器平臺，是一種用圖標代碼來代替文本式編程語言創建應用程序的開發工具。LabVIEW功能強大，提供了豐富的數據采集、分析和存儲庫函數以及包括DAQ，GPIB，PXI，VXI，RS 232/485在內的各種儀器通信總線標準的所有功能函數。利用LabVIEW設計的數據采集系統，可模擬采集各種信號，可以用功能強大的計算軟件代替某些傳統的測量儀器，從而使測試系統更為簡潔、靈活、方便[1]。

本文設計了一種基于LabVIEW的計算機遠程數據采集系統，并對其系統的組成、實現給出了詳細描述。

1 系統總體方案

系統總體設計框圖如圖1所示。

遠程數據采集系統設計可以分為兩部分:現場數據采集系統設計和遠程控制任務的實現。

現場數據包括溫度、壓力、位移等各種物理量，通過傳感器可以將被測信號轉換為電信號，經過傳感器感測出來的電信號都很微弱，需經過信號調理電路對電信號進行放大、濾波、隔離等處理，經過處理的信號要經過數據采集板卡處理后傳送給現場采集計算機。數據采集板卡采用U18數據采集卡。現場數據采集的主要工作就是利用數據采集板卡提供的底層功能函數節點組合搭建數據采集程序。

遠程控制的任務就是要實現處于遠端的計算機通過網絡能夠觀察到現場采集的數據以及控制數據采集程序的執行等。在LabVIEW中進行遠程傳輸采用的是TCP/IP協議，直接利用NI 公司提供的網絡傳輸技術DataSocket技術，在發送端進行相關的網絡設置以及程序發布，在接受端登陸相應的網頁通過請求獲得控制權進行程序運行控制，這樣就能夠實現遠程控制這一目的。

2 系統硬件設計與選取

系統由傳感器電路、信號調理電路、數據采集卡和PC機組成。

傳感器將被測信號變換為mA級電流，信號調理板將傳感器輸出的信號(mA級電流)變換為電壓，并進行抗混疊濾波。

信號調理電路的功能主要有:將傳感器輸出的信號，經隔離轉化為標準的電壓、電流信號。圖2為交流電壓信號調理電路的原理，其作用包括電平調整、濾波、隔離等。

數據采集板卡采用U18模板。U18模板是USB總線兼容的數據采集板，可經USB電纜接入計算機，構成實驗室、產品質量檢驗中心、特別是野外測控、醫療設備等領域的數據采集、波形分析和處理系統，也可構成工業生產過程控制監控系統。它具有體積小，即插即用等特點。U18板上設計有12Bit分辨率的A/D轉換器和D/A轉換器，提供了16路單端或8路雙端的模擬輸入通道和4路D/A輸出通道，A/D轉換器輸入信號范圍:±5V、±10V、0～10V，D/A轉換器輸入信號范圍:0～5V、0～10V、±5V、±10V。16路開關量輸入，16路開關量輸出且均能上電清零。

PC計算機用于提供圖形化的軟件操作界面，實現對系統的硬件配置、通訊和對用戶界面和控制參數的設置，實時更新各參數量相對于時間的波形顯示以及記錄測試數據。

3 現場數據采集系統軟件設計

LabVIEW是美國國家儀器公司開發出的一種基于G語言的圖形化的開發語言，可用來進行數據采集和控制、數據分析和數據表達。一個完整的G語言應用程序(VI)由兩部分組成:儀器前面板(在LABVIEW中稱為Front Panel)和程序流程圖(block diagram)，其中前面板主要用于測試控制和顯示，相當于傳統儀器的控制面板和顯示面板，程序流程圖則是程序的結構和各種功能模塊的連接，也是整個程序的核心部分[2]。

在整個程序設計中，首先完成了各子功能的程序，單個的模塊是由更小的模塊組成的，每一級的模塊均可以圖標形式放置在程序流程圖中，這樣不但增加了程序的可維護性，也增加了程序的可讀性，使程序流程圖更加清晰，同時也避免了大量的重復編程工作。

3.1 U18板卡的應用接口函數

U18 板卡提供了LABVIEW內嵌驅動程序，應用三個至四個過程就可以完成AD數據采集，DA輸出、開關量測試或計數器的操作，它真正的體現了LABVIEW的簡便性以及快速組建工程的特性。U18板卡提供的主要的接口函數包括設備對象操作函數、AD采樣操作函數、輔助函數和DA輸出函數等。

系統軟件設計:

1)模擬數據采集程序面板的設計

數據采集程序流程如圖3所示。首先初始化USB設備，利用USB口可以高速的傳輸數據，在安裝了驅動程序后，U18板卡就可以即插即用了;然后初始化AD部件;完成以上的工作，就可以調用ReadDeviceAD函數將采集來的數據送入計算機中，為了讓AD不停的采集數據可以連續的調用ReadDeviceAD函數。

用G語言編寫的數據采集處理的程序如圖4所示。如圖所示，在框圖中設置了兩個Case結構，在這個結構有量程選擇的控制器件作為Case 結構的選擇條件，量程屬性的編輯是±10V對應的值為0，±5V 對應的為1，0~10V對應的值為2。它的處理過程是當量程為±5V或者0~10v 的時候它們的范圍都為10V這樣它們所對應的精度應該是一樣的，所乘的基數也是一樣的都是10000/4096。

2)數據采集結果的分析

利用函數發生器為數據采集板卡的0通道送正弦波形，正弦信號的接入方式為單端輸入，占用一個模擬輸入通道和模擬地AGND 在程序的前面板也同樣設置好。采樣結果如圖5所示。

在波形顯示的器件的屬性設置上選擇自動定義坐標，這樣在波形顯示的時候，波形顯示器的坐標就會自動調節到最為合適的刻度，改變波形，讓函數發生器產生方波送入數據采集板卡的通道，在程序的前面板可以看見采集到的波形發生了變化。

4 數據采集的遠程控制

DataSocket 是NI 公司提供的一種網絡的傳輸技術，它建立在TCP/IP協議的基礎之上，不用編寫TCP程序，就可以通過計算機網絡向多個遠端的終端同時廣播現場的測量數據，極大地簡化了應用程序之間的以及計算機之間進行數據傳輸的過程。使用DataSocket 技術傳輸數據對于用戶來說就像在墻上的電源插座插上的插頭就能用電一樣的方便，無論是通過程序的編程還是通過前面板的鏈接的方法使用DataSocket 的技術傳輸數據，都可以在程序運行后自動的查找計算機中的網絡硬件，局域網上的計算機會通過網做過Internet設置的計算機會通過調制解調器連接到網絡服務器上。

DataSocket 技術專門為滿足測試與自動化的需求而設計，它不必像TCP/IP編程那樣把數據轉化成為非結構化的字節流，而是以自己特有的編碼格式傳輸各種類型的數據，包括字符串、數字、布爾量以及波形等還可以在現場數據和用戶自定義屬性之間建立聯系一起傳輸。

DataSocket 由DataSocket API和DataSocket Server 兩部分組成。使用DataSocket傳輸數據的過程如圖6所示。

數據發布的VI和數據訂戶的VI都是DataSocket 的客戶，數據發布VI和數據訂戶的VI傳輸數據有兩種形式，一種是使用圖形程序代碼，另一種是前面板對象鏈接。其中的前面板對象的鏈接是一種不需要任何編程的網絡數據傳輸的方法，通過DataSocket將兩個程序的前面板對象鏈接起來，一個對象發送數據，一個對象接受數據，就可以實現對程序的遠程控制，數據的遠程采集等諸多功能。

完成上面所有的工作以后，網絡上的任何的計算機不管是否安裝了Labview，只要按規定格式在Web瀏覽器中輸入正確的URL，就可以查看Web服務器所在計算機內存中程序的前面板。

瀏覽網頁的計算機上如果沒有安裝Labview，要安裝Labview運行引擎lvruntimeeng.msi， 才能對程序進行瀏覽和控制。查看保存的Web網頁，還要按照規定的規格在Web瀏覽器中輸入URL，例如發布網頁的計算機的IP地址是10.201.3.21 那么查看文件的輸入格式應該http://10.201.3.21/daq.htm 如果發布網頁的程序在計算機的內存中被設置為可見，則在Web網頁中將包含前面板的圖像和文本的說明，否則只有文本的內容。圖7為遠端計算機上顯示的數據采集系統的網頁。

一個程序可以發布多個不同的網頁，同在一個網頁各個計算機就可以分別的瀏覽。

5 結論

虛擬儀器技術實現了工業測控領域測量儀器的集成化、智能化、多樣化及可編程化，從而為工業測試提供了有效、便捷的手段。將虛擬儀器技術應用于計算機遠程數據采集系統，大大簡化了測試系統硬件設備，并縮短了開發周期。試驗結果表明，基于虛擬儀器技術的計算機遠程數據采集系統具有很強的數據分析處理能力和良好的通用性。

參考文獻:

[1] 候國屏，趙偉.LabVIEW7.1編程與虛擬儀器設計[M].北京:清華大學出版社，2005.

[2] 陳敏，湯曉安.虛擬儀器開發環境LabVIEW及其數據采集[J].計算機工程與設計，2001，22(5).