基于LabVIEW的高速非接觸式位移數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

□ 劉薇娜 □ 劉榮榮

長(zhǎng)春理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院 長(zhǎng)春 130000

隨著現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)和儀器技術(shù)的發(fā)展，虛擬儀器（Virtual Instrument）技術(shù)已被廣泛應(yīng)用到科研、工業(yè)生產(chǎn)和生活等各個(gè)領(lǐng)域，更是成為測(cè)試測(cè)量行業(yè)的主流［1］。 多年來(lái)，美國(guó)國(guó)家儀器（National Instruments）一直處于行業(yè)的領(lǐng)先地位，開(kāi)辟了虛擬儀器嶄新的測(cè)量模式［2］，將軟件和各種不同的測(cè)量?jī)x器硬件及計(jì)算機(jī)集成在一起，開(kāi)發(fā)出滿足市場(chǎng)需要的測(cè)試測(cè)量系統(tǒng)。

1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成

數(shù)據(jù)采集DAQ是使用計(jì)算機(jī)測(cè)量電流、電壓、壓力、 溫度等電子或物理現(xiàn)象的過(guò)程［3，4］。 基于PC的DAQ系統(tǒng)利用行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的計(jì)算機(jī)處理、顯示、連通和處理能力，與傳統(tǒng)的測(cè)量系統(tǒng)相比具有更為靈活、強(qiáng)大且具有成本效益的優(yōu)越性。

DAQ系統(tǒng)主要由傳感器和執(zhí)行器、信號(hào)調(diào)理設(shè)備、數(shù)據(jù)采集設(shè)備、計(jì)算機(jī)等組成，如圖1所示。

圖1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

1.1 傳感器

傳感器把被測(cè)量的位移物理量轉(zhuǎn)換成為電量，是整個(gè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的基礎(chǔ)。為了保證測(cè)量精度，本文采用高速、高精確激光位移傳感器LK-G系列，傳感器、傳感器控制器及專用電源分別如圖2所示。

圖2 傳感器、傳感器控制器和專用電源

其主要性能參數(shù)：反應(yīng)延遲時(shí)間約10 μs（在測(cè)量值被更新后），最小顯示單位0.01 μm，參照距離400 mm，測(cè)量范圍±100 mm，點(diǎn)直徑大約 290 μm，重復(fù)精度 2 μm， 線性：±100 mm±0.05%， 取樣率 20/50/100/200/500/1 000 μs（可在 6 個(gè)當(dāng)中任意選擇），反應(yīng)（頻率）最大可達(dá)50 kHz；

除此之外，還具有自動(dòng)歸零功能、自動(dòng)線性功能、傳感器測(cè)頭相互干擾的預(yù)防功能等，由于其優(yōu)越的性能，被廣泛應(yīng)用到數(shù)據(jù)采集領(lǐng)域。

1.2 數(shù)據(jù)采集設(shè)備

考慮到實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)信號(hào)處理對(duì)數(shù)據(jù)采集卡的高速度、高精度、穩(wěn)定性等性能要求，因而采用阿爾泰公司出品的PCI2005數(shù)據(jù)采集卡，基于PCI總線的數(shù)據(jù)采集卡可直接應(yīng)用在任一款與之兼容的計(jì)算機(jī)PCI插槽中，同時(shí)可實(shí)現(xiàn)在LabVIEW環(huán)境中得到軟硬件無(wú)縫集成［2］，提高了開(kāi)發(fā)效率。

PCI2005數(shù)據(jù)采集卡的主要特點(diǎn)有：16位轉(zhuǎn)換精度，最高采樣速率為 250 kHz（約 4μs/點(diǎn)），最低采樣速率為1Hz（約1s/點(diǎn)），物理通道數(shù)為16通道 （單端SE）、8通道（本文采用雙端DI），模擬量輸入方式為單端模擬輸入和雙端模擬輸入，連續(xù)采集，采用輸入量程為±10 V，模擬輸入阻抗10 MΩ，A/D轉(zhuǎn)換時(shí)間小于1.25 μs，非線性誤差±3LSB，系統(tǒng)測(cè)量精度為0.01%（滿量程，增益為1），觸發(fā)模式有外觸發(fā)和內(nèi)觸發(fā)兩種；觸發(fā)類型為模擬點(diǎn)評(píng)邊沿觸發(fā)（上升沿和下降沿觸發(fā)），除此之外還可實(shí)現(xiàn)任意通道切換等功能。

PCI2005板卡模擬電壓雙端輸入連接方式和輸入輸出連接器中各管腳定義如圖3所示，其中AI0～AI15為模擬信號(hào)輸入正端，AI16～AI31為模擬信號(hào)輸入負(fù)端。

圖3 雙端輸入連接方式和輸入輸出連接器管腳定義

采用A/D雙端輸入連接方式：雙端輸入方式是指使用正負(fù)兩個(gè)通路實(shí)現(xiàn)信號(hào)的輸入，也稱差分輸入方式，主要應(yīng)用在通道數(shù)較少、外界干擾較大的場(chǎng)合。此種輸入方式的好處主要有：（1）能夠識(shí)別很小的信號(hào)。（2）單端輸入方式通過(guò)保證系統(tǒng)內(nèi)對(duì)“地”的一致性來(lái)保證測(cè)量信號(hào)的精確性，當(dāng)信號(hào)源和信號(hào)接收器的距離較遠(yuǎn)時(shí)，可能存在電壓差。而差分輸入方式取決于兩個(gè)信號(hào)線上信號(hào)之間的差值，在外接條件相同的情況下，差分信號(hào)具有更高的信噪比及更高的可靠性。（3）對(duì)外部電磁干擾具有較高的免疫力。（4）可以提高采集精度、抑制共模干擾信號(hào)。

同時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備（即本文涉及到的位移傳感器）與板卡共用模擬地AGND，可以消除測(cè)量信號(hào)的干擾誤差。圖4為傳感器沒(méi)有接入模擬地和接入模擬地時(shí)的測(cè)量數(shù)據(jù)對(duì)比圖，從兩組數(shù)據(jù)的比較中可以分析出，接入模擬地的位移傳感器測(cè)量數(shù)據(jù)要明顯好于沒(méi)有接入模擬地的測(cè)量數(shù)據(jù)。

圖4 設(shè)備測(cè)量數(shù)據(jù)對(duì)比圖

1.3 計(jì)算機(jī)

由于此系統(tǒng)的應(yīng)用場(chǎng)合可能產(chǎn)生沖擊、振動(dòng)、灰塵等，故而選用研華工控機(jī)，采用無(wú)源底板的方式降低死機(jī)的概率，可長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。所有的電子組件均采用模塊化設(shè)計(jì)，維修簡(jiǎn)便。

軟件采用NI公司的圖形化測(cè)量程序開(kāi)發(fā)環(huán)境LabVIEW，采用強(qiáng)大的圖形化編程語(yǔ)言更加利于編程人員進(jìn)行編程，用圖標(biāo)代替文本編程語(yǔ)言，縮減了編程工作量，不僅可以快速建立小型的測(cè)試測(cè)量系統(tǒng)，還可以開(kāi)發(fā)大型的多通道數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)［1］。

LabVIEW的優(yōu)點(diǎn)主要有：直觀的圖標(biāo)和連線的編程方式提高了編程效率；運(yùn)行軟件時(shí)可直接顯示出錯(cuò)誤點(diǎn)；可以集成數(shù)千款不同的硬件設(shè)備，通過(guò)上百個(gè)內(nèi)置庫(kù)與數(shù)學(xué)和信號(hào)處理函數(shù)可實(shí)現(xiàn)高級(jí)的數(shù)據(jù)分析與處理；可實(shí)現(xiàn)與MATLAB、ActiveX等其他編程語(yǔ)言的混合編程；可以根據(jù)反饋進(jìn)行優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)異步引用調(diào)用等。

2 數(shù)據(jù)采集卡驅(qū)動(dòng)程序及接口

采用虛擬儀器技術(shù)的測(cè)控系統(tǒng)在硬件方面不需要底層的開(kāi)發(fā)，可直接調(diào)用硬件（如數(shù)據(jù)采集卡）相對(duì)應(yīng)的底層函數(shù)，以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集及數(shù)據(jù)處理等功能。

由于使用的數(shù)據(jù)采集卡不是NI公司的產(chǎn)品，需要安裝相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)程序 （由阿爾泰公司提供）才能在LabVIEW軟件中使用。安裝驅(qū)動(dòng)之后有與LabVIEW相通的接口單元模塊，可以將接口單元加入到軟件中使用。本文采用的是動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)（DLL）函數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)與采集卡的通信，也是工程中最常用的接口方式，動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)可以將所有的功能都封裝為單個(gè)函數(shù)，在LabVIEW中只需要調(diào)用這些函數(shù)即可。

在LabVIEW中Call Library Function節(jié)點(diǎn)可以實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)的調(diào)用，當(dāng)調(diào)用某一個(gè)函數(shù)文件時(shí)，只需編寫(xiě)相應(yīng)的接口，同時(shí)編寫(xiě)程序時(shí)也可以設(shè)置DLL的調(diào)用方式、參數(shù)、路徑和回調(diào)等參數(shù)。采用動(dòng)態(tài)鏈接方式時(shí)所調(diào)用的函數(shù)只是在程序中描述了調(diào)用函數(shù)的信息，而所調(diào)用的函數(shù)并沒(méi)有包含在可執(zhí)行文件中，無(wú)論調(diào)用多少DLL文件，內(nèi)存中只有一個(gè)該函數(shù)的復(fù)本，如一個(gè)DLL被多個(gè)程序調(diào)用時(shí)，每個(gè)程序收到的也只是DLL的一個(gè)映像而已，因此動(dòng)態(tài)鏈接調(diào)用相對(duì)于靜態(tài)鏈接更省內(nèi)存空間。

3 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)軟件編程實(shí)現(xiàn)

3.1 實(shí)現(xiàn)原理

如果要實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)采集卡所有功能的訪問(wèn)，必須使用CresteDevice函數(shù)創(chuàng)建設(shè)備對(duì)象，并返回設(shè)備對(duì)象句柄。CresteDevice函數(shù)原型如圖5所示。

圖5 CresteDevice函數(shù)原型

數(shù)據(jù)采集卡PCI2005獲取A/D數(shù)據(jù)方式主要有非空查詢方式、半滿查詢方式、中斷方式等，本文采用半滿查詢方式取得A/D數(shù)據(jù)，半滿程序獲取數(shù)據(jù)函數(shù)原型為ReadDeviceProAD-Half，當(dāng)所有硬件參數(shù)和設(shè)備狀態(tài)初始化后，即可啟動(dòng)A/D部件開(kāi)始采樣，調(diào)用GetDevStatusProAD函數(shù)查詢存儲(chǔ)器FIFO是否到達(dá)半滿狀態(tài)，如果到達(dá)半滿狀態(tài)即可調(diào)用函數(shù)讀取此半滿長(zhǎng)度（或半滿以下）的A/D數(shù)據(jù)，即可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)批量采集。如果需要暫停A/D設(shè)備，需釋放設(shè)備上的A/D部件。數(shù)據(jù)采集的主要步驟流程圖如圖6所示。

圖6 數(shù)據(jù)采集流程圖

按照半滿采集方式流程圖編寫(xiě)LabVIEW軟件程序，程序的部分截圖如圖7所示。外層采用層疊式順序結(jié)構(gòu)進(jìn)行編程，而函數(shù)調(diào)用的順序是①CreateDevice；②CreateSystemEvent； ③InitDeviceIntAD； ④Star tDeviceINtAD； ⑤ WaitforSingleObject； ⑥ Read DeviceIntAD； ⑦StopDeviceIntAD； ⑧ReleaseDevice DmaAD；⑨ReleaseSystemEvent；⑩ReleaseDevice。

圖7 LabVIEW數(shù)據(jù)采集程序部分截圖

3.2 誤差分析

經(jīng)電壓表實(shí)際測(cè)量之后發(fā)現(xiàn)，數(shù)據(jù)采集卡的段子板通道1兩端的實(shí)際電壓值（即傳感器輸出電壓值）與軟件測(cè)量值之間存在誤差，除了前面介紹的所有設(shè)備均接入模擬地以減少測(cè)量數(shù)據(jù)誤差方案外，還有一些方案可以減少測(cè)量數(shù)據(jù)誤差。

3.2.1 對(duì)數(shù)據(jù)采集卡A/D模擬量輸入進(jìn)行校準(zhǔn)

校準(zhǔn)分為零點(diǎn)校準(zhǔn)和滿度校準(zhǔn)，零點(diǎn)校準(zhǔn)時(shí)要選擇模擬輸入通道（例AI0），將其接入0V，運(yùn)行數(shù)據(jù)采集程序，調(diào)整數(shù)據(jù)采集卡上的RP3，使通道的數(shù)據(jù)采樣值為0V；滿度校準(zhǔn)時(shí)也是選擇要輸入的模擬通道(例AI0)，由于本文選擇的是±10V的量程，故此通道的正滿度電壓即為10V，同樣運(yùn)行數(shù)據(jù)采集程序，同時(shí)調(diào)整RP4使此通道的數(shù)據(jù)采樣值接近于9999.69 mV，反復(fù)調(diào)整，直至滿足條件為止。

3.2.2 使用LabVIEW編程加入濾波器

中值濾波器是一種非線性濾波器，它可以把數(shù)字序列中的一點(diǎn)值及其附近鄰域內(nèi)的各點(diǎn)值取中值代替。圖8是加入中值濾波器前后的測(cè)量數(shù)據(jù)對(duì)比圖，從兩幅圖中可以很明顯地看出，加入中值濾波器后的數(shù)據(jù)明顯好于未加入中值濾波器的數(shù)據(jù)。

3.2.3 取數(shù)據(jù)的平均值，采用增益和補(bǔ)償減小誤差

經(jīng)測(cè)量發(fā)現(xiàn)，傳感器的測(cè)量值處于不同范圍時(shí)的誤差值存在線性變化，利用軟件程序進(jìn)行補(bǔ)償，即可降低采集數(shù)據(jù)的誤差，使其更逼近真實(shí)值。

表1是測(cè)量數(shù)據(jù)中的一部分，選擇一個(gè)合適的線性方程形式進(jìn)行補(bǔ)償。其中顯示值為傳感器控制器輸出的數(shù)據(jù)值，采集值為軟件采集到的值，誤差=顯示值-采集值。

表1 測(cè)得的部分?jǐn)?shù)據(jù)差值

4 總結(jié)

本文實(shí)現(xiàn)了基于LabVIEW的高速、非接觸式位移數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，采用PCI總線，并對(duì)采集誤差做了分析，采用幾種合理方式在減小誤差的同時(shí)對(duì)誤差進(jìn)行了補(bǔ)償，可以應(yīng)用在不同工況的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中。

［1］ 雷振山，魏麗，趙晨光，等.LabVIEW高級(jí)編程與虛擬儀器工程應(yīng)用［M］.北京：中國(guó)鐵道出版社，2009.

［2］ 陳錫輝，張銀鴻.LabVIEW8.20程序設(shè)計(jì)從入門(mén)到精通［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2007.

［3］ 徐云峰，張世慶.基于聲卡的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2006（4）：46-47.

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