基于LabVIEW的力學應變采集軟件設計

吳忠鍇， 馬鐵華，梁志劍

（1. 中北大學電子測試技術重點實驗室，山西太原 030051；2. 儀器科學與動態測試教育部重點實驗室，山西太原 030051）

0 引言

LabVIEW是測控領域優秀的圖形語言開發環境，摒棄了晦澀難懂的文本代碼，軟件開發周期短、易于維護。結合力學實驗應變采集系統，在LabVIEW2010平臺下設計了應變數據采集軟件[1]。

1 系統總體結構

1.1 應變測量原理

測試系統以電阻應變片為傳感器件，將電阻應變片粘貼在測試件表面，構件在載荷作用下應變片產生變形，電阻值也相應變化，經過電橋電路將電阻值變化轉換為電信號，再經放大濾波、模數轉換（A/D）和接口電路輸入計算機、進行分析處理。假定被測試件長度為L、電阻阻值為R，變形后長度（L+ΔL），物體受力后軸向變形為ε，則：

其中K為應變片靈敏度系數，由公式可以看出，計算出電阻相對變化量就可以得到應變值，但相對電阻變化難以測量，常用惠斯通電橋將其轉變為電信號，電橋連接如圖1所示。

圖1 電橋連接圖

當公式中R1R3=R2R4時，電橋平衡，輸出電壓Δe為零。在電橋平衡狀態時，橋臂電阻產生增量，U保持不變，輸出Δe僅與電阻增量有關，則電壓變化量就表征了應變變化量[2-4]。

1.2 系統工作原理

力學實驗臺金屬材料在受力時產生彈性變形，以電阻應變片為傳感器，經過電橋測量電路，將被測件的應變變化轉化為電信號，再通過A/D變換將模擬信號轉變為數字信號，以FPGA為主控芯片，控制A/D的工作時序，將數據讀入內部FIFO中，USB接口芯片再將FIFO中的數據傳到USB總線上。上位機程序調用動態鏈接庫DLL實現USB通信，上位機界面實現數據采集、實時處理顯示等操作，系統結構框圖如圖2所示。

圖 2 系統結構框圖

2 軟件設計

2.1 軟件流程設計

軟件設計遵循模塊化、結構化設計方法，主要完成裝置選擇、參數設定、數據顯示、數據回讀功能，軟件流程如圖3所示。

2.2 關鍵功能模塊設計

2.2.1 下位機與上位機通信

上位機與下位機之間使用USB接口進行數據傳輸，接口芯片選擇Cypress公司的CY7C68013A芯片，在Labview下應用NI的板卡無需專門編寫驅動程序，對于非NI公司出產的板卡就不能直接調用驅動程序，自制板卡利用動態鏈接函數庫DLL，DLL文件使用VC++高級語言程序編寫。在LabVIEW中“調用庫函數節點”模塊，完成數據通信[4-5]。

圖 3 軟件流程圖

2.2.2 電橋平衡

電橋平衡是軟件的重要環節，關系到測量數據的準確性，如果不消除電橋不平衡因素的影響，應變測試電路的輸出會在沒有應變輸入時遠離零位，造成測試數據不準確。軟件平衡原理：先采集數據判斷是否在平衡范圍內，如果在范圍內則提示已平衡，如果不在范圍內，判斷電位器的移動方向，并向硬件中發送命令向上或向下調節電位器，直到采集的數據處于平衡范圍。

2.2.3 實時數據采集

多線程指一個程序中執行多個線程的能力，在一段時間內，并行完成多個任務，LabVIEW對多線程提供了很好的支持，只需要將不同的模塊放在不同的while循環中并行運行，這樣提高了程序運行效率和系統的可靠性[6-7]。程序劃分為三個while循環，第一個循環響應前面板的操作；第二個是數據采集循環，由于數據采集的耗時比較長，為了避免數據采集時與其他操作沖突，占用過多系統資源，造成程序癱瘓，將數據采集模塊放在單個while循環中；第三個循環是數據處理，對原始采集的數據進行運算，并通過波形圖表顯示出來。

3個循環之間運用隊列技術進行數據通信。隊列是一種先進先出（FIFO）的數據結構，最常見的應用是在多線程和多個VI之間傳遞數據），當產生數據的速度比處理數據的速度快時，其緩沖作用保證數據不會丟失，也調節了各線程間的運行速度[1,8]。

數據采集是軟件的核心，采集流程是：依次發送復位、采集通道、采樣頻率、開始讀數命令，之后進入采集循環，調用DLL讀取硬件數據，采集停止跳出循環后發送關閉讀數命令，程序框圖如圖4所示。

圖 4 程序框圖

3 軟件前面板

參數設置界面主要包括測量通道選擇，橋路連接方式（全橋、半橋、1/4橋），顯示量程設定，裝置設置，靜態參數設置（靈敏度、應變片阻值、載荷修正系數），設定好的參數會顯示在屏幕上。

數據采集包括掃描采樣和載荷采樣兩種方式，掃描采樣是顯示實時采集的數據，載荷采樣根據載荷值顯示應變值，采樣前還需要設定采樣通道和采樣頻率，開始采樣后，變換不同的通道可以看到該通道實時采集的數據。采樣完成后，可以將數據以二進制文件格式保存，便于以后分析查看，上位機界面如圖5所示。

圖5 上位機界面

4 實驗測試

實驗時例如選擇沖擊桿裝置，1kHz采樣率，數據波形如圖6所示，振幅較大的地方為沖擊時產生的波形。

圖6 沖擊桿測試數據

5 結束語

以力學實驗應變采集系統為背景，遵循模塊化的設計思想，在LabVIEW平臺下設計了數據采集系統軟件，實現了參數設置、數據實時采集顯示、數據回放等功能，利用隊列、多線程技術提高了程序運行效率和系統穩定性。軟件接口簡單、開發周期短、易于維護。

[1]陳樹學,劉萱.LabVIEW寶典[M].北京:電子工業出版社,2011.

[2]李新.基于虛擬儀器技術的程控動應變測試系統研究與開發[D].沈陽:東北大學,2008:7-9.

[3]謝銳.旋轉構件實驗臺動扭矩及扭振測試技術研究[D].太原:中北大學,2009:17-18,30-32.

[4]張浩茹,謝銳,崔冬梅.基于FPGA的應力應變測試系統設計[J].測試技術學報,2012,26(2):158-161.

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[6]馮林,李莉,吳振宇,等.基于 FPGA 的 USB 虛擬示波器[J].儀表技術與傳感器,2011(7):59-62.

[7]雷振山,魏麗,趙晨光,等.LabVIEW高級編程與虛擬儀器工程應用[M].北京:中國鐵道出版社,2009.

[8]唐進元,李松,邵文.基于LabVIEW生產者—消費者模式的齒輪傳動振動測試系統[J].機械傳動,2011,35(1):5-7.