基于LabVIEW的實時數(shù)據(jù)采集和濾波處理設(shè)計

徐杰楠，傅艦艇，詹惠琴

(電子科技大學(xué)自動化工程學(xué)院，成都，611731)

0 引言

在線磨粒監(jiān)測技術(shù)已成為當(dāng)今油液監(jiān)測領(lǐng)域的研究熱點，實施油液在線監(jiān)控不僅可以減少采樣和實驗室分析的巨額費用，還便于構(gòu)成診斷和預(yù)防性維修系統(tǒng)，及時發(fā)現(xiàn)突發(fā)性故障和對機器狀態(tài)進行趨勢分析。完成信息采集工作是對信號進行處理和分析的關(guān)鍵。本文根據(jù)測試信號的特征，在LabVIEW環(huán)境下設(shè)計一個實時采集系統(tǒng)完成對信號的實時采集，并進行了簡單的濾波處理。

1 系統(tǒng)組成

該數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件包括傳感器、調(diào)理電路、PCI-1200數(shù)據(jù)采集卡和PC幾個部分，如圖1所示。

傳感器將非電信號轉(zhuǎn)換為電信號，經(jīng)調(diào)理電路放大到適當(dāng)?shù)碾妷悍纫詽M足PCI-1200輸入電壓的要求，PCI-1200將采集到的信號交給PC處理。PCI-1200卡是美國NI公司生產(chǎn)的PCI總線的多功能數(shù)據(jù)采集卡，可用于實驗室測試、生產(chǎn)測試和工業(yè)過程監(jiān)控等應(yīng)用領(lǐng)域進行高性能數(shù)據(jù)采集與控制。PC是整個系統(tǒng)的核心，它在LabVIEW平臺下控制PCI-1200以實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集，并對采集到的數(shù)據(jù)進行分析處理。

2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計

2.1 PCI-1200數(shù)據(jù)采集卡

PCI-1200是一款美國NI公司生產(chǎn)的多功能PCI總線數(shù)據(jù)采集卡。其性能參數(shù)如下：8路單端輸入或4路雙端輸入，DC耦合；信號輸入方式有單端輸入方式（有參考地和無參考地兩種）和差分輸入方式；12位A/D轉(zhuǎn)換器（逐次逼近型），最大采樣頻率100KS/s；信號輸入范圍（±5V，0～10V）；采用FIFO緩存，F(xiàn)IFO緩存容量可以存儲4096次采樣值。

2.2 程序設(shè)計

數(shù)據(jù)采集卡的驅(qū)動方式分為內(nèi)置式驅(qū)動和外掛式驅(qū)動兩種。對于NI公司生產(chǎn)的各種專用數(shù)據(jù)采集卡，可使用LabVIEW內(nèi)的DAQ庫直接對端口進行各種操作，即內(nèi)置式驅(qū)動。NI數(shù)據(jù)采集卡提供對LabVIEW豐富且完備的支持，驅(qū)動函數(shù)在底層的基礎(chǔ)函數(shù)上進行高度封裝，用戶無需深入了解采集卡的具體工作，只要掌握驅(qū)動函數(shù)輸入/輸出端口的意義，就能進行數(shù)據(jù)采集開發(fā)。因此用戶使用NI PCI-1200時，只需將所需接口從程序中直接調(diào)用至系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境中，即可實現(xiàn)采集，存儲以及回放等功能。

數(shù)據(jù)采集是從傳感器和其他待測設(shè)備等模擬和數(shù)字被測單元中自動采集各種參量（物理、化學(xué)、生物量等）信息的過程。數(shù)據(jù)采集的結(jié)果直接影響后續(xù)數(shù)據(jù)處理、分析。

為了實時高速地連續(xù)采集數(shù)據(jù)，在這一環(huán)節(jié)采用了循環(huán)緩存技術(shù)和高速數(shù)據(jù)流技術(shù)。使用循環(huán)緩存時，每次數(shù)據(jù)只存放在緩存區(qū)的一部分。當(dāng)?shù)竭_緩存區(qū)的底部時，它就轉(zhuǎn)向緩存區(qū)頂部再次填充同一個緩沖區(qū)。與此同時，緩存區(qū)中的數(shù)據(jù)一塊一塊被讀出，這就形成了連續(xù)采集過程。在這個過程中，要保證程序從緩存區(qū)的某個位置讀取數(shù)據(jù)，同時新采集的數(shù)據(jù)存入緩存區(qū)的另外位置，這樣才能有可供讀取的數(shù)據(jù)，尚未讀取的數(shù)據(jù)也不會被更新的數(shù)據(jù)覆蓋掉。這樣就允許軟件將數(shù)據(jù)處理與數(shù)據(jù)采集并行展開。要使數(shù)據(jù)能夠被連續(xù)地采集必須保證程序從緩沖區(qū)讀取數(shù)據(jù)的速度不能比數(shù)據(jù)放進緩存區(qū)的速度快，當(dāng)然也不能太慢。要解決這個問題就需要合理地設(shè)置緩存區(qū)的大小、掃描率和一次讀取掃描數(shù)這3個參數(shù)。

圖2是數(shù)據(jù)采集程序。在程序的前面板設(shè)置采樣頻率、采集通道、緩存大小、一次讀取掃描數(shù)等參數(shù)。

2.3 數(shù)據(jù)濾波

因采集到的信號扔夾雜著噪聲，甚至在信號幅度較小的情況下噪聲淹沒了信號，無法看到信號，因此對信號進行濾波是必要的。本設(shè)計采用的是IIR型的5階巴特沃茲濾波器，在前面板對濾波器的參數(shù)進行設(shè)置。圖3顯示了不同濾波頻率帶寬下的信號。如圖3所示：a圖是直接采集到的信號，未經(jīng)濾波處理，可以看出仍然夾雜著噪聲。b圖是經(jīng)過了截止頻率為60Hz的低通濾波后的信號，與a圖相比，噪聲幅度明顯下降，但信號也有少許的衰減。c圖是經(jīng)過了截止頻率為30Hz的低通濾波后的信號，噪聲已經(jīng)很小，接近于一條直線，但是信號衰減也較大。

由圖3可以看出不同濾波帶寬下信號的差別。由于信號帶寬與噪聲帶寬相近，所以在濾波帶寬比較窄的時候噪聲大幅度被濾去，提高了信噪比，但是信號幅度也有很大衰減。所以在設(shè)計中要根據(jù)所需來設(shè)置濾波帶寬。

圖2 數(shù)據(jù)采集程序

圖3 濾波前后的波形顯示

3 結(jié)語

LabVIEW是一個功能強大的虛擬儀器編程環(huán)境，其簡單的編寫語言和易于編寫的控制控件，簡化了編程過程，可以減少系統(tǒng)的開發(fā)時間，同時也提高了編程效率。LabVIEW將逐漸成為虛擬儀器技術(shù)軟件的工業(yè)標準，虛擬儀器的思想將更多地滲透到未來電子測量儀器和自動化測試技術(shù)的發(fā)展中。

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