基于PXIe總線和LabVIEW數據采集

董鋒劍 何倞 張羽

中航貴州飛機有限責任公司，貴州 安順 561018

引言

隨著科學技術的發展，各類試驗對測量數據的需求也在不斷增加，特別是在大型系統工程的實施和試驗階段，大量數據可以給工程技術人員提供理論基礎，通過分析確認理論與實際之間的差異，再通過不斷修改設計方案，最終實現系統工程的最優化。因此測量數據量從原來的幾十個提高到現在的幾百個甚至更多，測量的采樣率從原來的幾赫茲提高到現在的幾兆甚至幾十兆，測量參數的類型從原來的單一向多元轉變。PXIe總線將原來的PXI總線的帶寬提高了45倍，由原來的132MB/s提高到6GB/s；與此同時，還維持與PXI模塊間的軟件、硬件兼容性。正是由于此性能的增強，PXIe可以用于很多新型應用領域，其中很多領域在以前只能由昂貴的專用硬件實現。

1 測量原理

在設計數據采集系統中，通常采用信號調理配合數據采集卡實現對數據的采集。一般信號調理使用傳感器來實現，對于特殊量時需要根據實際情況自制信號調理，目前可供選擇的各類傳感器眾多，完全可以滿足一般的測試需求。本文主要考慮到常用量的數據采集如壓力、交直流電壓、交直流電流、電阻、溫度。精度對于測量系統非常重要因此要根據測量精度來選擇相應的傳感器和數據采集卡，采樣率對于數據采集也很重要，如果采樣率過低也會造成數據采集不準確或精度下降，選用PIXe總線，可以將采樣率的影響降到最低。測試系統的搭建要充分考慮每一個環節的精度損失，因為系統精度不等于各硬件精度的簡單累加，所以要盡可能的降低每一點的誤差對總體誤差的影響。多通道同時測量對于相互干擾的問題不容忽視，特別是在強弱信號同時測量時。對于使用環境也應進行分析確認，選擇抗干擾能力優越的機箱。只有通過大量實踐不斷改進才有可能設計出更好的數據采集系統。

2 系統方案設計

系統方案采用傳感器加數據采集卡方式,各參量精度要求是:壓力(±0.5%)、電壓(±1%)、電流(±2%)、電阻（±2%）、溫度（±1%），測量范圍是：壓力(0.2MPa～40MPa)、電壓(100mV～1000V)、電流:(10A～300A)、電阻(0.5Ω～100MΩ)、溫度(40℃～1000℃)，使用環境電磁情況不確定。根據以上信息進行系統方案設計，首先是傳感器的選擇：

電壓傳感器：一般數據采集卡的輸入電壓為±10V、±5V、5V、±2.5V等，因此選擇了一款可以將1000V電壓調理到RMS5V的傳感器，精度為：

電流傳感器：電流測量到300A，所以量程分為兩個，精度為±1%，為了做到瞬態測量采用了霍爾原理[2]的傳感器，其轉換速度可以達到微秒級。

溫度傳感器：400℃以下采用鉑電阻，400℃以上采用熱電偶，這樣才可滿足精度指標。

壓力傳感器：壓力測量范圍40MPa，精度±0.5%，而壓力傳感器通常30%起效，為了滿足精度使用了5個量程不等的精度在萬分之五的傳感器。

其次是數據采集卡的選擇：

PXIe-4071：7?數字萬用表(DMM)和1000V數字化儀，測量范圍±10nV到1000 VDC范圍內的電壓測量(700 VAC)，采樣率1.8 MS/s波形采集。

PXIe-4065：6?位DMM測量功能，2線或4線電阻測量。

PXIe-4353：熱電偶輸入模塊，內置冷端溫度補償通道，帶熱電偶開路檢測，精度0.3℃。

PXIe-4357：用于PT100 RTD的測量，精度0.09℃，支持2線、3線和4線RTD，每通道0.9 mA激發電流源。

PXIe-4300：8通道同步模擬輸入模塊，實現每通道250kS/s的同步采樣。

傳感器和采集卡選擇完成后進行系統的搭建，測量原理接線關系如下：

（1）電壓測量

圖1 電壓測量圖

100mV～1000VDC/700Vrms信號直接連接至PXIe-4071模塊進行測量，700Vrms～1000 Vrms的電壓信號經過電壓傳感器轉換為0～5V電壓后連接至PXIe-4300模塊進行測量。

（2）電流測量

圖2 電流測量圖

采用非接觸式霍爾電流傳感器[2]測量電流，傳感器有過線孔供導線穿越。10A～300A的電流信號導線穿越電流傳感器轉換為0～5V電壓后連接至PXIe-4300采集模塊進行測量。

（3）電阻測量

圖3 電阻測量圖

直接連接到電阻測量模塊(PXIe-4065)進行電阻阻值的測量。

（4）壓力測量

圖4 壓力測量原理圖

使用PXIe-4300模塊進行測量。

（5）溫度測量

圖5 熱電偶測量原理圖

圖6 4線RTD測量原理圖

使用溫度測量接口連接至熱電偶（PXIe-4353）測量模塊和RTD（PXIe-4357）測量模塊進行測量。

3 軟件設計

LabVIEW是通用的編程平臺，有完整的編程任務函數庫。LabVIEW函數庫包[1]括數據采集、GPIB、數據顯示、串口控制、數據分析及數據存儲等。LabVIEW也有傳統的程序調試工具，如設置斷點、以動畫方式顯示數據及其子程序（子VI）的結果、單步執行等等，便于程序的調試。LabVIEW是一種用圖標代替文本行創建應用程序的圖形化編程語言[3]。傳統文本編程語言根據語句和指令的先后順序決定程序執行順序，而LabVIEW則采用數據流編程方式，程序框圖中節點之間的數據流向決定了VI[4]及函數的執行順序。VI是指虛擬儀器，是LabVIEW的程序模塊。LabVIEW提供很多外觀與傳統儀器[5]（如示波器、萬用表）類似的控件，可用來方便地創建用戶界面。用戶界面在LabVIEW中被稱為前面板。使用圖標和連線，可以通過編程對前面板上的對象進行控制。這就是圖形化源代碼，又稱G代碼。LabVIEW的圖形化源代碼在某種程度上類似于流程圖，因此又被稱作程序框圖代碼。

軟件系統設計包括主界面、開始、停止、查詢、退出，還有測量參數配置模塊，可同時對8路信號進行測量，軟件框圖如圖7所示。

圖7 軟件框圖

各模塊功能介紹如下：

（1）開始：點擊后開始進行數據采集，此時數據同時顯示圖形和數據兩種方式，圖形顯示隨時間的推移在窗體中繪制曲線，同時對數據進行存儲；

（2）停止：即數據停止采集；

（3）查詢：數據回放功能入口，通過點擊可以對以前的采集數據進行回放；

（4）圖形顯示：將采集到的數據以圖形方式實時顯示；

（5）數字顯示：以數字方式實時顯示當前采集值；

（6）配置選擇：可以根據傳感器的不同選擇不同的測量通道或量程，達到對數據采集的目的；

（7）退出：即退出測量系統。

使用 LabVIEW編制好的軟件界面如圖8所示。

4 結束語

上述方法設計的基于PIXe總線與LabVIEW軟件實現的數據采集系統可以對各種信號進行數據采集，只要選用不同類型的數據采集卡配合不同的傳感器即可，如溫度傳感器（PT100、熱電偶）配溫度采集卡，壓力傳感器、電流傳感器、電壓傳感器、振動傳感器、噪聲傳感器等配電壓采集卡，流量傳感器、轉速傳感器配頻率采集卡等等，只要確定的需要測量的量，選擇對應的傳感器和采集卡，即可對其進行測量和數據采集。

[1]胡仁喜，高海濱.LabVIEW2010中文版虛擬儀器從入門到精通[M].北京：機械工業出版社，2012.

[2]丁俊鵬.磁通門電流傳感器使用說明書，2012.

[3]李江全等.LabVIEW虛擬儀器從入門到測控應用130例[M].北京：電子工業出版社，2013.

[4]張桐，陳國順，王正林.精通LabVIEW程序設計[M].北京：電子工業出版社，2008.

[5]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.