淺談NI-LabVIEW開發測量系統

摘 要 隨著人們生活質量需求越來越高，科技的進步也迅速發展，更多的智能化設備在需求中誕生，但高額的費用讓人望而卻步，其中很大一部分原因為人工成本，如何降低成本是每個廠商的首要考慮問題。因此高效的測量系統就顯得尤為重要，它既能高效地完成既定任務量，又能極大減輕人工成本，并且具有可改動性，可勝任多樣性的測試任務，極大地縮短了研發、測量以及量產周期。National Instruments公司為各種測量、控制系統提供支持，在工業中得到廣泛應用。

關鍵詞 LabVIEW;數據采集;測量系統

1LabVIEW及虛擬儀器概述

LabVIEW（Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench）是圖形化編程語言，采用數據流編程方式，數據在程序框圖節點中的流動決定了VI和函數的執行順序。VI（virtual instruments）指虛擬儀器，是可模擬物理儀器的LabVIEW程序模塊。程序框圖、前面板和圖形化代碼共同構成一個完整VI。虛擬儀器將硬件、軟件與工業標準的計算機技術相結合，使用虛擬儀器可創建整套集成了不同硬件和軟件的系統，進行多樣化的測試、測量、工業自動化任務。LabVIEW提供很多外觀與傳統儀器（如示波器、萬用表）類似的控件，可用來方便地創建用戶界面。本文主要是介紹利用NI-DAQmx來完成測量系統構建的過程以及常用的測量方法[1]。

2測量系統概述

數據采集（Data AcQuisition，DAQ）是指從傳感器和其他待測設備等模擬或數字被測單元中自動采集信息的過程，數據采集是LabVIEW的核心技術之一。測量系統其主要任務是，將實際的物理現象轉化為可度量的量，或者產生物理信號。使用以DAQ為核心的數據采集系統，能快速開發適合于各種場合的測量系統，被廣泛應用于現代生產、制造等過程中。

測量系統包括傳感器部分、信號調理部分、數據采集部分、計算機、驅動程序與應用軟件，以及測量應用部分，具體如圖1所示。整個測量系統一般可分為上位機與下位機。上位機即廣義上的計算機，包括計算機的系統配置、驅動程序、應用程序及應用軟件，其他部分為下位機。而隨著集成化程度的提高，很多廠商將傳感器、信號調理、數據采集集成到一個模塊，可統稱傳感器模塊，所以整個系統可簡化為三個模塊：傳感器部分、PC機上層應用部分、測量應用部分。LabVIEW儀器通信方式包括GPIB通信、串行通信、USB通信、以太網通信等。計算機通過合適的總線實現對儀器的控制，既能發送測量命令，也能實現數據的回傳。用戶只需了解總線通信以及如何開發上層應用軟件即可。

國標中傳感器的定義為：“能夠感受規定的被測量，并按照一定的規律轉換成可用輸出信號的器件或裝置，通常由敏感元件和轉換元件組成”。在工業中一般將其轉化為電信號，電壓或電流。常見的溫度傳感器就是由敏感元件組成，如熱電偶、電阻式溫度傳感器（RTD）和熱敏電阻。而測量力、壓力、轉矩的傳感器則需要借助轉換單元，內部核心基于惠斯通電橋。

使信號適合數字化的過程稱為信號調理。信號調理組件用于調理物理現象，其方法通常包括：放大、衰減、濾波、線性化、傳感器激勵、隔離等。濾波調理適用于對噪聲環境要求高的設備。放大調理適用于小信號測量時，通過增大信號相對于噪聲的幅度，提高數字化信號的精度，使最大電壓變化等于ADC或數字化儀的最大輸入范圍，可提高準確性，衰減與此相反。隔離信號調理技術可防止人體和測量設備接觸過大的電壓，可降低較高的共模電壓，獲取測量設備可處理的電壓信號，也可避免接地電勢差對設備的影響。線性化是用于調理電信號與物理量不呈線性關系的傳感器。激勵類似于收音機用于接收和解碼音頻信號所需的電源，許多測量設備可為傳感器提供激勵。

數據采集是將調理好的信號，進行收集整理，并通過合適的總線將數據傳遞給計算機。驅動程序是硬件的應用程序編程接口（API），可以直接對數據采集硬件的寄存器進行編程，一般驅動程序由廠商提供;軟件用于控制測量系統，通知設備何時通過哪個通道獲取或生成數據，也可用于分析數據，將原始數據經曲線擬合、統計分析、頻率響應或其他數值運算后被轉化為有意義的信息，并能通過圖形或圖表顯示數據，或生成報表，以及數據的存儲。

應用軟件控制測量應用的過程即為控制應用。控制應用中包含一個或多個需控制的過程變量。比例積分微分（PID）算法是儀器控制中常用的處理方法，常用于加熱和冷卻系統、液面監控和壓力控制應用，其過程如圖2所示。傳感器可測量系統中的過程變量，設定值為過程變量的預期值。比較器實時計算過程變量與設定值的差值，補償器通過執行輸出來減少差值，使系統趨近設定值[2]。

3NI-DAQmx應用過程

通用DAQ設備用于采集或生成數據，生成模擬信號（如正弦波）和數字信號（如脈沖），可包含多個通道;DAQ軟件通常包括驅動程序和應用程序。NI-DAQmx是最新的NI-DAQ驅動程序，帶有控制測量設備所需的最新VI、函數和開發工具，性能更佳，單點模擬I/O速度更快且支持多線程開發。NI-DAQmx驅動軟件可用于對NI測量設備編程，通過驅動程序發送命令至設備，同時也能對采集所得的數據進行顯示和分析。

安裝NI-DAQmx模塊后，可以使用NI MAX或者DAQ助手配置測量設備。NI MAX可以虛擬測量設備，方便開發者在無設備時驗證方案的可行性，并能方便地移植到實際設備上。DAQ助手在測量I/O選板和Express的輸入選板上均可找到。在NI-DAQmx中，任務是一個或多個通道以及定時、觸發等屬性的集合，可將所有配置信息設置保存在一個任務中并用于某個應用程序。任務的創建包括：配置測量硬件（應用程序）、創建任務和通道、（可選）配置通道、定時和觸發、讀取或寫入采樣、清除任務。根據應用程序的需要，靈活調整配置并進行讀寫。任務中可加入起始、停止和清除等步驟，規范程序的開發過程。

4數據顯示

完成數據采集后，在MAX中可用圖形、圖表或表格看到運行結果。對數據有更細致要求時，可使用內置的數學VI、信號處理和報表生成等函數塊，對采集到的數據進行數學運算、分析和報表制作。數據按需求處理完后，可按數據類型分別進行顯示，常用的圖形顯示包括：波形圖表、波形圖、XY圖、數字波形圖等。使用波形圖時需要注意，它由起始時間（t0）、時間間隔（dt）、波形數據和屬性組成，波形數據表示波形的值，波形VI中的函數用于訪問和操作波形的各個組成部分。

5結束語

熟練應用LabVIEW的各類函數，根據實際需求進行定制，快速組建測試系統，驗證方案可行性。當然實際應用中還有很多的因素需要考慮，如通道的分配，模擬量的采樣率、精度，程序是否需要用到觸發，選擇哪種觸發類型，數字量的相關操作，計數器的相關使用等。NI提供了多樣的采集、分析設備，可適用于不同的測試任務中，相信隨著技術的日益更新，測試系統的開發將更便捷、快速、高效，更好地服務于智能化工業制造。

參考文獻

[1] 丁業昌，徐利明，李建林.虛擬儀器技術在實驗室測量中的應用[J].軟件，2013，34（2）：168-170.

[2] 韓可強，裴軍偉，黃家剛，等.基于LabVIEW診斷自動化實現[J].汽車電器，2018，362（10）：60-61，64.

作者簡介

侯光輝（1990-），男，河南省安陽市;畢業院校：哈爾濱石油學院，專業：通信工程，學歷：本科，職稱：軟件工程師，現就職單位：北京航天萬達高科技有限公司，研究方向：通信工程。