基于LabWindows/CVI的光纖高速數據采集系統設計

鄭魯平++陳連忠++董永暉

摘 要介紹了虛擬儀器開發平臺圖形化編程語言LabWindows/CVI為基礎的數據采集系統組成， 并基于光纖通信網絡對一種高速數據采集系統進行了設計。多路數據采集與光纖通信網絡相結合，使得高速數據采集能力得到大幅提高，具有操作方便， 采集精度高等特點。

【關鍵詞】LabWindows/CVI 虛擬儀器 數據采集系統 光纖通信網絡

虛擬儀器主要由計算機、虛擬儀器軟件及儀器硬件3 部分組成。虛擬儀器應用軟件集成了信息采集、測試控制、數據分析、結果顯示輸出和用戶界面等功能， LabWindows/CVI是NI 公司推出的交互式C 語言開發平臺。它的交互式開發平臺、交互式編程方法、豐富的功能面板和函數庫為C 語言的開發人員建立自動化檢測系統、數據采集系統和過程等系統控制提供了理想的軟件開發環境，它具有十分強大的功能，如數值運算、信號處理、數據分析、數據采集以及圖形獲取和傳輸等。 光纖通信即以光纖為傳輸介質，通過光波復用手段提高數據采集及傳輸速率，且放大光波有效實現傳輸距離的增長。本文介紹了用LabWindows/CVI 結合光纖通信系統開發高速數據采集系統的方法和步驟。

1 數據采集的原理

數據采集是指將溫度、壓力、流量、位移等模擬量采集轉換成數字量后，再由計算機進行存儲、處理、顯示或打印的過程。首先由傳感器感測到要采集的物理信號，然后把感測到的信號傳給變送器，由變送器把物理信號轉換成采集卡可以采集的電壓或電流信號，采集卡經過放大、采樣保持、A/D轉換等過程后發給計算機，計算機經過LabWindows/CVI的軟件編程后把采集到的信號顯示出來。

2 數據采集系統

2.1 數據采集系統的工作流程

（1）將傳感器測量的被測信號轉換為電信號；

（2）信號處理電路將傳感器輸出的電信號進行整形、轉換、濾波處理，變成標準信號；

（3）數據采集卡采集信號處理電路的電壓或電流信號，并轉換為計算機能處理的數字信號；

（4）通過設備驅動程序，數字信號進入計算機；

（5）LabWindows/CVI平臺下，調用信號處理子模板，編寫儀器功能流程、功能算法，設計虛擬儀器前面板；

（6）形成具有不同儀器功能的應用程序。

2.2 數據采集系統硬件組成

設備的基本結構包括數模轉換（D/A）、數字（I/O）、定時器（timer）和計數器（ counter）。數據采集卡由多路開關、放大器、采樣/保持器、A/D 轉換器組成。在數據采集之前，程序將對采集板卡初始化，板卡上和內存中的Buffer 是數據采集存儲的中間環節。采集卡都有多個模入通道，但共用一套A/D，在A/D之前有一個多路開關以及放大器、采樣保持器等，通過這個開關的掃描切換，實現多通道的采樣。多通道的采樣方式有3種：循環采樣、同步采樣和間隔采樣。

3 系統軟件設計

系統軟件開發選用LabWindows/CVI ，該平臺提供的控制庫（包括開關、旋鈕、圖表等）可以很容易地設計出符合實際要求、界面新穎美觀的操作界面。另外，LabWindows/CVI 提供了豐富的庫函數用于數據獲取、數據處理和顯示等功能，這為開發不同的應用軟件帶來了極大的方便。當用戶為采集過程編寫程序時并不需要了解復雜的硬件知識和控制細節， 用戶可以直接使用廠商提供的上層用戶函數，例如創建設備對象句柄的函數、初始化設備的函數、讀取AD數據函數等等，這些函數也就是數據采集卡的驅動程序。

數據采集軟件的主要功能可以分為：采集數據、顯示數據、記錄數據、分析數據和數據回放。采集數據主要完成數據采集的控制，包括觸發控制、通道控制、時基控制等；顯示數據是將采集到的信號實時顯示到軟件界面，包括信號的幅度、頻率信息等；記錄數據是將實時采集到的信號數據記錄到硬盤上并自動生成數據文件進行保存；分析數據是在采集結束后，將采集到的信號數據根據實際要求進行處理、運算和圖表顯示；數據回放是在任意時間可以將數據采集生成的相關數據文件調用，生成與采集時相同的曲線和報表。

4 數據的光纖傳輸

光纖通信網絡與數據采集模塊共同組成高速數據采集系統，光纖通信網絡的主要作用是將采集模塊所采集的相關數據信息及時向上位機傳輸。數據高速傳輸，需有較大的總線傳輸容量，且還必須保證外界噪聲不會影響到該系統。應用光纖通信網絡可以完成以上數據采集及傳輸的需求。光纖通信網絡在高速數據采集系統中的應用優勢主要包括：

（1）光波傳輸容量較大、頻率較高。

（2）具有良好保密性，不會受到電磁干擾。

（3）信號不輕易衰減，具有較長的中繼距離。

（4）低廉、豐富的光纖材料來源，能夠節省眾多有色金屬，且光纖材料重量輕、直徑小，并具有良好地可撓性。

光纖通信網絡前端采集模塊在模擬濾波、采樣完成后，通過處理器實現信號的傳輸，處理器按照系統自帶的通信協議指令函數庫將數據以以太網數據的形式輸出，采用電光調制模塊將采集到的數字信號進行成光信號的轉換，并于光纖通信網絡中實施加載，再采用光纖通信網絡將所采集的數據傳輸至高速數據主控制系統中。

5 結束語

在本數據采集系統的設計中，用LabWindows/CVI 開發的應用程序實現了計算機與采集卡之間的通信，為搭建全自動的大規模測試與控制系統奠定了基礎，節省了工作時間與成本，提高了測量準確率與系統的可靠性，有利于設備的生產和調試。系統通過多路數據采集方式，并與光纖通信網絡相結合，使得高速數據采集能力得到大幅提高。結果顯示，高速數據采集系統可完成多通道高速的數據采集，通過光纖通信網絡還可對系統上機位完成數據的采集與傳輸工作。

參考文獻

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作者單位

中國航天空氣動力技術研究院 北京市 100074