基于LabVIEW可視化數據采集處理系統探討

摘 要:研究了LabVIEW圖形化編程軟件在可視化數據采集處理系統設計中的應用。在光學實驗中采用帶有庫函數的數據采集卡。通過LabVIEW自帶調用庫函數功能實現對數據采集卡的控制程序的快速設計和實現，創建了集激光器控制、數據采集卡數據的采集、微位移爬行器控制和數據顯示四種功能為一體的可視化數據采集處理系統。

關鍵詞:LabVIEW;數據采集;可視化

中圖分類號:TP31文獻標識碼:A文章編號:16723198(2010)01029802

1 可視化數據采集處理系統的實現

本數據采集處理系統是一個虛擬儀器系統，它的任務是實現在激光多光路混頻實驗中對多路光強度、波長、相位信號的采集和處理。由于處理三種信號來自不同的傳感器或設備反饋，不僅需要進行多種設備的控制，而且要對三種信號之間的時序進行協調，使其實現同步顯示。本系統的光源選用美國continuum公司生產的ND6000可調諧染料激光器，光的相位移動采用自制擁有專利技術的微位移爬行器實現，數據采集卡選擇北京阿爾泰科技發展公司USB2815，軟件開發平臺用LabVIEW。

1.1 LabVIEW軟件開發平臺簡介

LabVIEW是一種實現虛擬儀器技術的圖形化語言，具有系統實現簡單、構建靈活、層次體系明晰等特點。利用它可以方便地建立自己的虛擬儀器，其圖形化的界面使得編程及使用過程都生動有趣。使用圖形化語言編程時，不用寫程序代碼，取而代之的是流程圖。采用LabVIEW進行數據采集處理系統的開發，可產生獨立運行的可執行文件，具有編程快速、可讀性強，修改方便等功能，而且該軟件通過兩種方式可以實現外部程序調用。用“代碼接口節點”功能實現對LabVIEW程序的調用;用“調用庫函數節點”節點功能，實現對動態鏈接庫函數“.DLL”后綴文件的調用。使用LabVIEW進行原理研究、設計、測試時，可以大大提高工作效率。

1.2 數據采集卡USB2815簡介

本文中應用的數據采集卡為北京阿爾泰科技發展公司的USB2815。本卡基于USB總線，其主要性能參數如下:

250KS/s 16位16路 模擬量輸入;

帶DA、DIO等功能;

16位AD精度 250KS/s采樣頻率;

AD緩存:8K字FIFO存儲器;

數字量輸入/輸出各8路;

該數據采集卡提供了采用C、C++、LabVIEW等多種編程語言編寫的庫函數，方便使用者編程時調用。

1.3 染料激光器和微位移爬行器簡介

1.3.1 染料激光器

ND6000染料激光器用來產生實驗需要的波長連續可調的激光。在實驗過程中，通過計算機對激光器進行控制，激光器反饋給計算機波長數據。染料激光器硬件部分主要分三部分:光學系統、計算機控制系統和輸入輸出系統。

光學系統主要由步進電機及其驅動系統、保護開關、正弦驅動絲桿及回位飛輪三部分組成。其中步進電機負責精確改變光學腔的長度來改變激光器的波長，保護開關負責保證步進電機不要移動超出界限，當其超出時會觸動保護開關切斷步進電機的電源，正弦驅動絲桿及回位飛輪負責配合步進電機的移動并保證精確性。

在激光器中有自帶的控制模塊并支持串口通信，因此可以實現可編程操作，不僅可以用自帶的控制軟件控制激光器工作，也可自編程序實現相應的控制。

輸入輸出系統是指電腦鍵盤、鼠標、顯示器和染料激光器上的工作觸發口。

1.3.2 微位移爬行器

微位移器的運動是由三個PZT模塊一系列順序的動作生成。如圖1所示為微位移爬行器移動一步的過程。最外面的兩個PZT模塊(圖1中1和3)扮演著夾具的角色。中間的PZT模塊(圖1中2)在電壓的作用下沿著電機的軸做伸縮運動。盡管三個PZT模塊是獨立工作的，但是卻是連為一體的整體。

當對PZT模塊1加電壓，它夾緊軸。然后對PZT模塊2加一變化速率一定的階梯狀電壓，引起其產生不連續的納米量級形變。模塊2完成形變后，對PZT模塊3加一電壓，使其夾緊軸。然后去掉PZT模塊1上的電壓，使其釋放軸。梯狀電壓開始向下直到達到它的最低值，使模塊2恢復形變前狀態，完成一個循環，即一步，如圖1顯示過程。

1.4 系統的設計與實現

Labview可以將大程序分解為多個子程序，稱為子VI。每個子VI實現一個小功能，最后用一個主程序實現對每個子VI的調用，形成最后的控制程序。

各控制部分如圖2所示，單獨進行自控制程序編寫，通過主控制程序進行調用，實現整個系統的控制。

1.4.1 激光器控制和反饋信號采集

激光器采用固定格式的命令進行控制和參數設定，并對掃描開始和結束動作進行反饋。對激光器寫入字母和數字混合的字符串，激光器的掃描開始和結束動作以脈沖的形式進行反饋。為了實現對激光器的控制，我們采用了軟件自帶Basic Serial Write and read.VI子程序并對其進行簡單修改，就可實現對激光器命令的寫入。

1.4.2 微位移爬行器控制的實現

我們通過在常溫(25°)下反復測量爬行器一萬步前進和后退位移距離，精確計算出爬行器前進和后退的步進距離。通過將圖1所以得循環過程程序化，編寫微位移爬行器控制子VI，實現對微位移爬行器的控制。

1.4.3 數據采集實現

我們通過Labview的調用動態鏈接庫方式(DLF)，調用數據采集卡的動態鏈接庫，編寫數據采集卡初始化子VI，實現對數據采集卡采樣頻率、增益等參數的設置;編寫數據采集卡寫入命令子VI，實現對數據采集卡連接的激光器和信號采集傳感控制命令寫入和參數設定;編寫數據采集卡讀取數據子VI，實現對激光器和傳感器反饋信號的實時讀取和判斷。

利用激光器產生波長連續可調的特點，用波長信號作為參照，將通過數據采集卡得到的波長、相位和光強三者信號進行同步，得到波長—光強圖，或者相位—光強圖，方便實驗分析。也可以建立矩陣數組，顯示為三維曲面圖。

2 結論

通過對Labview軟件在激光器控制、數據采集和數據顯示方面的應用研究可見， Labview是一款非常好的圖形編程軟件和虛擬實驗平臺軟件，能夠快速實現可視化數據采集系統的創建，相信隨著學習的深入，會對今后的研究工作帶來更大的幫助。

參考文獻

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