基于LabVIEW多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)*

于亞萍，董桂梅，楊仁杰，李留安，靳 皓

（1.天津農(nóng)學(xué)院工程技術(shù)學(xué)院，天津 300384；2.天津農(nóng)學(xué)院學(xué)報編輯部，天津 300384）

0 引言

多路采集系統(tǒng)在許多應(yīng)用場合得到廣泛的應(yīng)用[1-2]，如地震參數(shù)[3]、機(jī)床參數(shù)[4]、智能化農(nóng)業(yè)[5]、虛擬信號發(fā)生裝置[6]等。對多通道數(shù)據(jù)采集的實現(xiàn)方法有多種，可以通過FPGA或多路數(shù)據(jù)采集卡[7]，單片機(jī)與LabVIEW相結(jié)合實現(xiàn)的多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)多有單片機(jī)完成數(shù)據(jù)采集并通過RS232口傳送給上位機(jī)，設(shè)計復(fù)雜，且信號傳送速度慢[8-10]。本文針對USB-6211結(jié)合LabVIEW軟件，采用數(shù)據(jù)采集DAQmx專用模塊設(shè)計了一套實用的多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。LabVIEW是一個圖形化軟件，通過畫圖可以設(shè)計出直觀、豐富的人機(jī)交互界面，在信號測試與分析處理方面功能尤其強(qiáng)大[11-13]。本文設(shè)計了一種LabVIEW多路數(shù)據(jù)采集測試系統(tǒng)，實現(xiàn)了對多路數(shù)據(jù)的采集以及采集后信號的拆分、處理與顯示，并能實現(xiàn)對下位機(jī)的數(shù)字控制作用，以一個共射極放大電路信號的采集與處理作為測試對象，本測試系統(tǒng)實現(xiàn)了多路數(shù)據(jù)采集和多路數(shù)據(jù)的控制功能。

1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計

通用的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)要求多個被測模擬數(shù)據(jù)量，通過傳感器轉(zhuǎn)換為電信號，然后通過信號調(diào)理對有用信號進(jìn)行處理，再將模擬信號通過數(shù)據(jù)采集信號的模擬通道由數(shù)據(jù)采集卡傳送給上位機(jī)，上位機(jī)接收信號后，可以將采集來的信號進(jìn)行拆分，然后對每一個通道的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，完成對多通道數(shù)據(jù)的采集。根據(jù)任務(wù)的要求，可以通過數(shù)字開關(guān)對下位機(jī)電路進(jìn)行控制。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 多路數(shù)據(jù)采集測試系統(tǒng)框圖

2 LabVIEW程序設(shè)計

LabVIEW主要優(yōu)勢是信號的測量與信號分析，數(shù)據(jù)采集卡結(jié)合LabVIEW軟件既是硬件的強(qiáng)大功能，測試的整個設(shè)計核心在LabVIEW程序設(shè)計上。

2.1 多路模擬數(shù)據(jù)采集程序

圖2 多路模擬數(shù)據(jù)采集程序框圖

USB-6211數(shù)據(jù)采集卡有16個模擬輸入口，2個模擬信號輸出口，4個數(shù)字信號輸入口和4個數(shù)字信號輸出口。輸入信號電壓范圍可以是-10～10 V，非常適合多路數(shù)據(jù)測試與多路控制系統(tǒng)。多路數(shù)據(jù)采集和單通道數(shù)據(jù)采集具有很大的相似之處，按先后順序，需要設(shè)定物理通道、采樣時鐘、任務(wù)開始、讀模塊和任務(wù)結(jié)束及任務(wù)清除，程序如圖2所示。

物理通道設(shè)定多個采樣通道，通過點擊DAQmx圖標(biāo)，選擇“瀏覽”顯示所有的輸入通道，然后結(jié)合ctrl鍵定義自己的多個采集通道，采樣時鐘設(shè)定信號采集的范圍和采樣模式及采樣率，如果信號不規(guī)律，則采用“連續(xù)采樣模式”，如果信號是按周期重復(fù)信號，則設(shè)定“有限采樣”模式即可，為使采樣信號良好，采樣率一般是被測對象的8～10倍，可以設(shè)定每個通道的采樣數(shù)，確定每次采集信號的波形周期個數(shù)。讀數(shù)據(jù)模塊設(shè)定為“N通道N采樣”，其輸出信號是多路采集數(shù)據(jù)的信號，要想對每一路信號進(jìn)行分析，需要對信號進(jìn)行拆分處理。

2.2 數(shù)據(jù)分析

對采集來的信號進(jìn)行分析，需要提取出每一個通道的信號，信號拆分可以將讀取的多通道的數(shù)據(jù)拆分成單通道數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，如圖3所示，將波形拆分后，通過單頻測量模塊來讀取了每個通道波形的幅值、周期及放大倍數(shù)。注意拆分后不同通道所對應(yīng)的信號，并將幅值和頻率都設(shè)定為浮點型。

2.3 多路數(shù)字輸出

根據(jù)任務(wù)要求，可以實現(xiàn)多路數(shù)字控制功能，如圖4所示，多路數(shù)字開關(guān)控制常用的方法為采用”DAQ助手”或“DAQmx”，USB6211的低電平為0，高電平為4.95 V。物理通道設(shè)置默認(rèn)為模擬通道，需要將此處改為數(shù)字輸出狀態(tài)。輸出一個數(shù)字狀態(tài)，只需要一個布爾量開關(guān)。當(dāng)多個數(shù)字狀態(tài)輸出時，需要將多個布爾開關(guān)量，將前面板中的布爾開關(guān)保存在一個數(shù)組。物理通道默認(rèn)為模擬輸入通道，通過“過濾I/O名稱”去設(shè)置數(shù)字輸出線或輸出端口，將讀取數(shù)據(jù)模塊設(shè)定為“1D布爾N線”。

圖3 對單個信號的分析處理

2.4 數(shù)據(jù)存儲

數(shù)據(jù)存儲一般除用于保存數(shù)據(jù)外，還能將存儲的數(shù)據(jù)與其它程序共享。在測試測量領(lǐng)域，TDMS文件是NI通用數(shù)據(jù)文件格式之一，在圖2中數(shù)據(jù)采集任務(wù)開始前，加有“DAQmx configure logging.vi”模塊，即可實現(xiàn)對采集數(shù)據(jù)的TDMS格式存儲。

3 系統(tǒng)性能測試

為測試多通道模擬數(shù)據(jù)采集性能，通過一個模擬電子技術(shù)中的共射極單管放大電路作為被測對象進(jìn)行測試，模擬輸入信號采集通道分別測試輸入、輸出信號的波形及參數(shù)，基極分壓電阻可調(diào)，通過數(shù)字口去控制多路模擬開關(guān)CD4502來選擇不同電阻值，調(diào)整電路靜態(tài)工作點位置。

人機(jī)交互界面測試結(jié)果如圖5所示。用信號發(fā)生器產(chǎn)生一個幅值為0.5 V、頻率為1 kHz的正弦波信號作為輸入信號，Dev1為USB-6211數(shù)據(jù)采集卡，ai0:1為分別設(shè)定的0和1兩個輸入通道，用于采集實驗電路的輸入、輸出信號。信號輸入方式為“RSE”，即單端信號輸入模式。

圖4 多路數(shù)字信號控制程序圖

圖5 人機(jī)交互界面

根據(jù)測試結(jié)果可以看出，符合共射極單管放大特點，輸出信號與輸入信號反相，且能測試出輸入輸出信號幅值，獲取電路的電壓放大倍數(shù)，測試結(jié)果不低于數(shù)字示波器GDS-1052-U測試精度。

4 結(jié)束語

采用LabVIEW軟件與USB-6211實現(xiàn)了多路模擬數(shù)據(jù)采集與數(shù)字控制系統(tǒng)，利用本數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，分別實現(xiàn)了2通道模擬數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)顯示和數(shù)據(jù)存儲和數(shù)字控制的功能，能應(yīng)用于高精度的多通道信號采集測試系統(tǒng)中。