基于LabVIEW焊接數據采集分析系統的開發

王耀

（山西機電職業技術學院材料工程系，山西長治046000）

基于LabVIEW焊接數據采集分析系統的開發

王耀

（山西機電職業技術學院材料工程系，山西長治046000）

介紹了虛擬儀器領域中最具有代表性的圖形化編程開發平臺LabVIEW，并對Labview驅動普通數據采集卡進行了研究。利用實驗室已有的焊接信號采集系統及光譜儀，基于LabVIEW軟件進行編程，開發出了一套數據采集系統，將采集到的GMAW的電流、電壓波形信號及光譜信息進行綜合分析，實現了在每個時刻都在LabVIEW的界面上進行同步顯示，并且同步顯示此刻電壓和電流的具體數值，使得對光譜和電信號的研究觀察更加直觀。

LabVIEW；焊接；數據采集

0 引言

虛擬儀器（Virtual Instrument，簡稱VI）就是利用高性能的模塊化硬件，結合高效靈活的軟件來完成各種測試、測量和自動化的應用［1］。它利用數據采集模塊完成測量儀器的數據采集功能，利用計算機系統完成測量儀器的數據分析和輸出顯示等功能。而LabVIEW是一種圖形化的編程語言的開發環境，且被視為一個標準的數據采集和儀器控制軟件，是虛擬儀器領域中最具有代表性的圖形化編程開發平臺［2－3］。LabVIEW是一個面向最終用戶的工具，它可以增強構建自己的科學和工程系統的能力，提供了實現儀器編程和數據采集系統的便捷途徑［4－5］。

對于焊接過程的分析，只依靠電流電壓等電信號往往很難徹底地解決問題。為此，研究者多借助于光譜等手段進行分析。但是這兩種測試方法往往是分別采樣，分析時也只能單獨進行分析。實際上，電弧電信號的變化與電弧中實際物理過程變化直接相關，把這兩種信息甚至更多種信息融合在一塊，定能獲得更為全面的測試效果［6－8］。要實現這種信息的融合分析，首先必須保證測量對象為同一時刻同一物體，因此，測試時，各種測試項目要同時啟動；其次，在進行分析時，要把這些信息儀采集時刻前后同時動態顯示。為此本文以焊接電弧的電壓、電流、光譜為信息源，開發了一套可進行信號采集、信號處理、信息提取的基于LabVIEW的采集分析系統。

1 采集系統簡介

1.1 硬件

采集分析系統的硬件部分主要包括電弧電壓、焊接電流傳感器、PCI-1716系列數據采集卡、Avaspec-2048FT-2光纖式數字光譜儀和計算機及外設。硬件部分的作用主要是通過傳感器將焊接電弧光電信號轉換為幅值的電壓信號傳輸至采集卡，電壓模擬信號經數模轉換器轉換成數字信號后存儲于計算機內，便于處理、顯示及信號分析。

1.2 軟件

圖1為采集系統軟件結構圖，由圖可見，系統包括信號采樣模塊、信號顯示模塊、數據分析模塊、數據保存模塊等幾大部分。

圖1 采集系統軟件結構圖

信號采樣模塊負責信號的采樣，采樣之前，先設置好信號采樣時間、觸發時間，然后調用采集卡的驅動程序，就可進行數據采集。采集到的數據通過文本格式存儲到內存，記錄信號的各瞬時值，同時還記錄本次采樣觸發信號等參數。

信號顯示模塊負責文件的顯示，本系統要顯示的曲線很多，包括直接采集到的瞬時數據曲線，也包括經過分析得到的各種分析曲線。由于計算機屏幕大小的限制，不能把所有曲線都在一屏上顯示，否則所顯示的圖形太小，達不到分析的效果，并且顯得凌亂。通過文件顯示模塊把它們進行有機地組合，不但能清晰地顯示具體曲線圖形，而且還能和其它曲線波形一起對比觀察。

數據分析模塊對所采集的焊接信息進行同步處理，給出電信號與光譜信號的同步數據，并給出之前的前后時刻狀態。

數據保存模塊將所采集到的數據以文件形式存儲到計算機中。通常保存為文本形式，以便于本采集系統的文件能在其它系統中打開分析。

1.3 同步數據采集的實現

圖2給出了同步采集的原理圖。在該圖中，計算機作為總控制器，控制啟動光譜儀和采集各種焊接電弧信號。實驗時，由電腦采集卡的數據輸出口D/A輸出脈沖信號，啟動光譜儀并同時啟動信號采集。采集結束后，將光譜信息傳至計算機，這樣就得到了同步采集的光譜信號和電信號波形。

圖2 基于LabVIEW數據采集系統

2 采集程序設計

2.1 前面板

信號數據采集軟件是在LabVIEW環境下編寫的。本系統使用時，用戶只需提供采樣時間和觸發時間，就可啟動采樣。

如圖3所示，LabVIEW的前面板有菜單欄、參數調整區和試驗數據顯示區，以及LabVIEW本身的工具和控件模板。菜單欄主要是LabVIEW軟件中的菜單命令：參數調整區主要是由Control控件組成，用于輸入同步采集的參數（如采樣時間、觸發時間）；試驗數據顯示區主要由Indicator控件組成，用于顯示波形數據。從圖3中，可以看到運行程序進行試驗時，只需要將電流、電壓的采集數據的存儲路徑以及同步采集時的采樣時間和觸發時間輸入，同時設置光譜采集軟件為外接設備，就可以進行光譜與電信號的同步采集。

圖3 軟件前面板

2.2 主程序設計

Advantech（研華）為其多種板卡開發了通用的“Advantech DLL Driver”驅動軟件，其中的ADSAPI32.DLL為用戶提供了能對硬件設備直接I/O操作的函數，便于用戶方便快速地開發程序［9～12］。下面簡要介紹與本系統有關的幾個關鍵函數：

1）DeviceOpen：打開指定的設備并返回一個驅動句柄，之后所有執行相應I/O操作的子VI都應基于該句柄參數所獲得的配置數據。

2）DeviceGetFeatures：該函數從DeviceOpen打開的設備中獲取相關的設備信息，指明設備特征信息的存儲地址和存儲空間大小等。

3）AIGetConfig：該函數從DeviceOpen打開的設備中獲得模擬量輸入的配置數據，并將其放入緩存。

4）AllocDSPBuf：為用戶緩沖區分配參數Count指定大小的空間。該子VI的輸出用作FAITransfer子VI的輸入，通過MemoryType參數可以選擇以電壓形式或二進制形式顯示數據。

5）FAIDmaExStart：該函數啟動總線控制下的DMA方式數據采集，并將A/D轉換數據從FIFO轉移到內部緩沖區中。

6）WaitFastAIEvent：使程序進入等待狀態，直到設定的事件發生或等待時間超出用戶通過Timeout參數設定的值。

7）FAITransfer：將數據從內部緩沖區傳送到用戶緩沖區。要實現連續數據采集，程序中需要反復調用該子VI。

8）DeviceClose：關閉由DeviceOpen打開的設備，在程序結尾需調用此子VI。

圖4 采集系統后面板

SelectDevicePop.vi用于選擇數據采集卡，DeviceOpen. vi加載設備驅動程序到內存，并確定設備的類型，完成對設備的初始化，使設備做好 I/O準備工作，利用MAIConfig.vi配置多通道模擬輸入所需的參數；利用一個While循環以及MAIVoltageIn.vi將采集到的數據不停地從設備的緩存中讀出。并利用另一個While循環對光譜儀進行觸發；完成數據采集后，利用DeviceClose.vi關閉打開的設備，如果程序出錯，提示信息顯示在Errmsg中。

2.3 信號顯示及分析方法

由于電信號為持續采集，而光譜信號需要觸發信號觸發進行采集。為了得到光譜信號與電信號的同步數據，這就需要根據觸發信號將電信號與光譜信號對應起來，圖5為電信號與光譜信號的分析系統。

圖5 電信號與光譜信號分析系統前面板

本程序進行實驗分析時，只需將電參數的存儲路徑、光譜信號的存儲路徑輸入該模塊，該模塊可以快速地將光譜信號和其同步采集到的電信號對應起來，并以圖形的方式顯示，圖中電壓、電流圖形與光譜圖形就是一組同步數據。由于光譜采集時間較短，并不能清楚地知道所采集信號的物理狀態，為了更好地研究藥芯焊絲熔滴過渡與光譜之間的關系，分析系統還將電壓、電流信號的前后狀態標出，方便了對熔滴過渡光譜信息的研究。

如圖6，程序的后面板就是程序的圖形源代碼，即流程圖窗口。虛擬儀器從流程圖中接收命令；流程圖通過利用圖形語言控制前面板上的控件對象（分為控制量和指示量兩種）。在流程圖中，輸出、接收數據的對象通過連線連接起來，可以實現特定的功能，控制執行的流程。

圖6 電信號與光譜信號分析系統后面板

3 結論

本文概述了焊接過程多信息融合的方法，并基于LabVIEW開發了電信號與光譜信號采集和分析系統，實現了同步采集焊接電信號波形和光譜信號，同時實現了電信號和光譜信號在LabVIEW上同步顯示的功能，為焊接過程的評價分析提供了一種更全面、更有效的手段。

［1］ 邵華，朱丹平.虛擬儀器技術在焊接電弧-電源系統中的應用［J］.焊接技術，2005，34（1）：45-47.

［2］ 楊樂平，李海濤，肖相生，等.Labview程序設計與應用［M］.北京：電子工業出版社，2001.

［3］ 程學慶，房曉溪，薪莘.Labview圖形化編程與實例應用［M］.北京：中國鐵道出版社，2005.

［4］ 武嘉澍，陸勁昆.Labview圖形編程［M］.北京：北京大學出版社，2002.

［5］ 楊運強，張軍，宋永倫，等.應用Labview檢測與分析焊接過程［J］.電焊機，2003，33（6）：19-2l.

［6］ 楊運強，殷樹言，歐元漢，等．焊接電弧波形和圖像的同步采集與再現［J］．航空制造技術，2004（4）：71-73.

［7］ 柳剛．熔化極氣體保護焊熔滴過渡的光譜信息及其檢測的研究［D］．天津：天津大學，1998.

［8］ Amin N.Pulsed current Parameters for arc stability and controlled metal transfer in arc welding［J］.Metal Construction，1983，（5）：272-278.

［9］ 李永軍，李田，馬立元.PCI-1710數采卡在自動測試系統中的應用［J］.測控技術，2005，24（1）：77-78.

［10］ PC-LabCard/PCI-1714 User′s Manual［M］.Advantech Inc，2003.

［11］ Advantech DLL Drivers User′s Manual and Programmer′s Reference［M］.Advantech Inc，2004.

［12］ 于鋒，侯永海，王建國.基于PCI-1714的高速數據采集系統方案設計［J］.微計算機信息，2005（12）：60-63.

（編輯立 明）

Development of Welding Data Acquisition and Analysis System Based on LabVIEW

WANG Yao
（Department of Materials Engineering,Shanxi Institute of Mechanical&Electrical Engineering,Changzhi 046000,China）

The labview that is tipical Graphical programming development platform is introduced and LabVIEW driver general data acquisition card are investigated.In this study,a data acquisition system were developed using the welding signal acquisition system and spectrometer in laboratory based on LabVIEW software program for analyzing collected GMAW current,voltage waveform signal and spectral information.LabVIEW interface synchronized display will be realized at each moment.And values of voltage and current can be simultaneous displayed which make the research and observation of spectral electrical signals getting more intuitive.

LabVIEW;welding;DAQ

TG 409

A

1002－2333（2014）05－0158－03

王耀（1984—），男，助教，碩士，主要從事焊接技術方面的研究。

2014-03-06