吳忠鍇， 馬鐵華，梁志劍

（1. 中北大學(xué)電子測(cè)試技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西太原 030051；2. 儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測(cè)試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西太原 030051）

0 引言

LabVIEW是測(cè)控領(lǐng)域優(yōu)秀的圖形語(yǔ)言開發(fā)環(huán)境，摒棄了晦澀難懂的文本代碼，軟件開發(fā)周期短、易于維護(hù)。結(jié)合力學(xué)實(shí)驗(yàn)應(yīng)變采集系統(tǒng)，在LabVIEW2010平臺(tái)下設(shè)計(jì)了應(yīng)變數(shù)據(jù)采集軟件[1]。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

1.1 應(yīng)變測(cè)量原理

測(cè)試系統(tǒng)以電阻應(yīng)變片為傳感器件，將電阻應(yīng)變片粘貼在測(cè)試件表面，構(gòu)件在載荷作用下應(yīng)變片產(chǎn)生變形，電阻值也相應(yīng)變化，經(jīng)過(guò)電橋電路將電阻值變化轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，再經(jīng)放大濾波、模數(shù)轉(zhuǎn)換（A/D）和接口電路輸入計(jì)算機(jī)、進(jìn)行分析處理。假定被測(cè)試件長(zhǎng)度為L(zhǎng)、電阻阻值為R，變形后長(zhǎng)度（L+ΔL），物體受力后軸向變形為ε，則：

其中K為應(yīng)變片靈敏度系數(shù)，由公式可以看出，計(jì)算出電阻相對(duì)變化量就可以得到應(yīng)變值，但相對(duì)電阻變化難以測(cè)量，常用惠斯通電橋?qū)⑵滢D(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，電橋連接如圖1所示。

圖1 電橋連接圖

當(dāng)公式中R1R3=R2R4時(shí)，電橋平衡，輸出電壓Δe為零。在電橋平衡狀態(tài)時(shí)，橋臂電阻產(chǎn)生增量，U保持不變，輸出Δe僅與電阻增量有關(guān)，則電壓變化量就表征了應(yīng)變變化量[2-4]。

1.2 系統(tǒng)工作原理

力學(xué)實(shí)驗(yàn)臺(tái)金屬材料在受力時(shí)產(chǎn)生彈性變形，以電阻應(yīng)變片為傳感器，經(jīng)過(guò)電橋測(cè)量電路，將被測(cè)件的應(yīng)變變化轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，再通過(guò)A/D變換將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)，以FPGA為主控芯片，控制A/D的工作時(shí)序，將數(shù)據(jù)讀入內(nèi)部FIFO中，USB接口芯片再將FIFO中的數(shù)據(jù)傳到USB總線上。上位機(jī)程序調(diào)用動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)DLL實(shí)現(xiàn)USB通信，上位機(jī)界面實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、實(shí)時(shí)處理顯示等操作，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖 2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2 軟件設(shè)計(jì)

2.1 軟件流程設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)遵循模塊化、結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)方法，主要完成裝置選擇、參數(shù)設(shè)定、數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)回讀功能，軟件流程如圖3所示。

2.2 關(guān)鍵功能模塊設(shè)計(jì)

2.2.1 下位機(jī)與上位機(jī)通信

上位機(jī)與下位機(jī)之間使用USB接口進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，接口芯片選擇Cypress公司的CY7C68013A芯片，在Labview下應(yīng)用NI的板卡無(wú)需專門編寫驅(qū)動(dòng)程序，對(duì)于非NI公司出產(chǎn)的板卡就不能直接調(diào)用驅(qū)動(dòng)程序，自制板卡利用動(dòng)態(tài)鏈接函數(shù)庫(kù)DLL，DLL文件使用VC++高級(jí)語(yǔ)言程序編寫。在LabVIEW中“調(diào)用庫(kù)函數(shù)節(jié)點(diǎn)”模塊，完成數(shù)據(jù)通信[4-5]。

圖 3 軟件流程圖

2.2.2 電橋平衡

電橋平衡是軟件的重要環(huán)節(jié)，關(guān)系到測(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，如果不消除電橋不平衡因素的影響，應(yīng)變測(cè)試電路的輸出會(huì)在沒(méi)有應(yīng)變輸入時(shí)遠(yuǎn)離零位，造成測(cè)試數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確。軟件平衡原理：先采集數(shù)據(jù)判斷是否在平衡范圍內(nèi)，如果在范圍內(nèi)則提示已平衡，如果不在范圍內(nèi)，判斷電位器的移動(dòng)方向，并向硬件中發(fā)送命令向上或向下調(diào)節(jié)電位器，直到采集的數(shù)據(jù)處于平衡范圍。

2.2.3 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集

多線程指一個(gè)程序中執(zhí)行多個(gè)線程的能力，在一段時(shí)間內(nèi)，并行完成多個(gè)任務(wù)，LabVIEW對(duì)多線程提供了很好的支持，只需要將不同的模塊放在不同的while循環(huán)中并行運(yùn)行，這樣提高了程序運(yùn)行效率和系統(tǒng)的可靠性[6-7]。程序劃分為三個(gè)while循環(huán)，第一個(gè)循環(huán)響應(yīng)前面板的操作；第二個(gè)是數(shù)據(jù)采集循環(huán)，由于數(shù)據(jù)采集的耗時(shí)比較長(zhǎng)，為了避免數(shù)據(jù)采集時(shí)與其他操作沖突，占用過(guò)多系統(tǒng)資源，造成程序癱瘓，將數(shù)據(jù)采集模塊放在單個(gè)while循環(huán)中；第三個(gè)循環(huán)是數(shù)據(jù)處理，對(duì)原始采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算，并通過(guò)波形圖表顯示出來(lái)。

3個(gè)循環(huán)之間運(yùn)用隊(duì)列技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。隊(duì)列是一種先進(jìn)先出（FIFO）的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，最常見(jiàn)的應(yīng)用是在多線程和多個(gè)VI之間傳遞數(shù)據(jù)），當(dāng)產(chǎn)生數(shù)據(jù)的速度比處理數(shù)據(jù)的速度快時(shí)，其緩沖作用保證數(shù)據(jù)不會(huì)丟失，也調(diào)節(jié)了各線程間的運(yùn)行速度[1,8]。

數(shù)據(jù)采集是軟件的核心，采集流程是：依次發(fā)送復(fù)位、采集通道、采樣頻率、開始讀數(shù)命令，之后進(jìn)入采集循環(huán)，調(diào)用DLL讀取硬件數(shù)據(jù)，采集停止跳出循環(huán)后發(fā)送關(guān)閉讀數(shù)命令，程序框圖如圖4所示。

圖 4 程序框圖

3 軟件前面板

參數(shù)設(shè)置界面主要包括測(cè)量通道選擇，橋路連接方式（全橋、半橋、1/4橋），顯示量程設(shè)定，裝置設(shè)置，靜態(tài)參數(shù)設(shè)置（靈敏度、應(yīng)變片阻值、載荷修正系數(shù)），設(shè)定好的參數(shù)會(huì)顯示在屏幕上。

數(shù)據(jù)采集包括掃描采樣和載荷采樣兩種方式，掃描采樣是顯示實(shí)時(shí)采集的數(shù)據(jù)，載荷采樣根據(jù)載荷值顯示應(yīng)變值，采樣前還需要設(shè)定采樣通道和采樣頻率，開始采樣后，變換不同的通道可以看到該通道實(shí)時(shí)采集的數(shù)據(jù)。采樣完成后，可以將數(shù)據(jù)以二進(jìn)制文件格式保存，便于以后分析查看，上位機(jī)界面如圖5所示。

圖5 上位機(jī)界面

4 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

實(shí)驗(yàn)時(shí)例如選擇沖擊桿裝置，1kHz采樣率，數(shù)據(jù)波形如圖6所示，振幅較大的地方為沖擊時(shí)產(chǎn)生的波形。

圖6 沖擊桿測(cè)試數(shù)據(jù)

5 結(jié)束語(yǔ)

以力學(xué)實(shí)驗(yàn)應(yīng)變采集系統(tǒng)為背景，遵循模塊化的設(shè)計(jì)思想，在LabVIEW平臺(tái)下設(shè)計(jì)了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)軟件，實(shí)現(xiàn)了參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集顯示、數(shù)據(jù)回放等功能，利用隊(duì)列、多線程技術(shù)提高了程序運(yùn)行效率和系統(tǒng)穩(wěn)定性。軟件接口簡(jiǎn)單、開發(fā)周期短、易于維護(hù)。

[1]陳樹學(xué),劉萱.LabVIEW寶典[M].北京:電子工業(yè)出版社,2011.

[2]李新.基于虛擬儀器技術(shù)的程控動(dòng)應(yīng)變測(cè)試系統(tǒng)研究與開發(fā)[D].沈陽(yáng):東北大學(xué),2008:7-9.

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