周子龍，王兆豐，王舒弘

(1.哈爾濱工程大學(xué)信息與通信工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱 150001;2.西安航空動(dòng)力股份有限公司經(jīng)理部，陜西西安 710021;3.吉林供電公司吉電集團(tuán)送電分公司，吉林吉林 132001)

物體的特征有多種，如溫度、壓力、流量、液位等，本文以溫度為例。通過(guò)獲知部分特征，可以確定其當(dāng)前狀況。因此特征的獲知尤為重要。通常用專業(yè)的儀器測(cè)量這些信號(hào)，所需儀器較昂貴。虛擬儀器利用高性能的模塊化硬件，加上高效靈活的軟件完成測(cè)試。目前國(guó)內(nèi)、國(guó)際虛擬儀器市場(chǎng)，主要采用LabView軟件，但LabView作為一款圖形化的開(kāi)發(fā)工具，不夠靈活。因此NI公司推出了面向測(cè)控領(lǐng)域的LabWindows/CVI軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)，這款測(cè)量軟件將控件和編程結(jié)合在一起，靈活高效［1］。

1 總體架構(gòu)

首先通過(guò)傳感器測(cè)量物體的特征，以溫度為例，將模擬溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換為相應(yīng)大小的電壓信號(hào)，對(duì)電壓信號(hào)進(jìn)行調(diào)理放大并去噪，然后通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡對(duì)電壓信號(hào)進(jìn)行采集，實(shí)現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換，處理所采信號(hào)，將之轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄳?yīng)的溫度信號(hào)加以顯示，如圖1所示。

圖1 溫度采集系統(tǒng)

1.1 硬件方面

處理器用 PXI-8106。PXI-8106是2.16 GHz IntelCore 2 Duo雙核處理器。PXI-8106插在PXI機(jī)箱的0號(hào)插槽上，通過(guò)機(jī)箱上的高速PXI總線與插在1號(hào)插槽上的PXI數(shù)據(jù)采集卡相連接。LabWindows/CVI與NI［2］的數(shù)據(jù)采集卡配套使用靈活方便，但考慮到成本，選用了凌華公司的PXI-2005數(shù)據(jù)采集卡。其是一款4通道16位并行多功能數(shù)據(jù)采集卡，最高采樣速率為500 ksample/s，滿足項(xiàng)目需要。

1.2 軟件方面

使用NI公司的LabWindows/CVI編寫(xiě)上位機(jī)界面，對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和顯示。

LabWindows/CVI是NI公司推出的面向計(jì)算機(jī)測(cè)控領(lǐng)域的虛擬儀器軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)，能夠在多操作系統(tǒng)下運(yùn)行。LabWindows/CVI將用于測(cè)控的專業(yè)工具與C語(yǔ)言平臺(tái)結(jié)合，利用測(cè)控專業(yè)工具的集成化開(kāi)發(fā)環(huán)境、交互式編程方法、函數(shù)面板和豐富的庫(kù)函數(shù)大幅增強(qiáng)了C語(yǔ)言的功能，為開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)人員編寫(xiě)檢測(cè)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、過(guò)程監(jiān)控系統(tǒng)等應(yīng)用軟件提供了一個(gè)理想的軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境［3］。

LabWindows/CVI適用于測(cè)試盒測(cè)量的ANSI C開(kāi)發(fā)環(huán)境，提高了生產(chǎn)效率，廣泛用于制造測(cè)試、軍事/航天、通訊、設(shè)計(jì)驗(yàn)證和汽車工業(yè)等領(lǐng)域［3］。

2 測(cè)量系統(tǒng)

測(cè)量系統(tǒng)首先要驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)采集卡［4-6］，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，最后將處理結(jié)果顯示到界面上。

2.1 數(shù)據(jù)采集卡的驅(qū)動(dòng)

在驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)采集的過(guò)程如下:數(shù)據(jù)采集卡首先要經(jīng)過(guò)硬件初始化，這個(gè)過(guò)程多數(shù)由生產(chǎn)商提供的驅(qū)動(dòng)程序完成。初始化完成以后，在工程內(nèi)加入D2KDask.lib，就可使用生產(chǎn)商提供的軟件操作語(yǔ)句對(duì)數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行控制。

數(shù)據(jù)采集卡的硬件驅(qū)動(dòng)一般由硬件生產(chǎn)廠家提供的驅(qū)動(dòng)完成。硬件生產(chǎn)廠家會(huì)提供函數(shù)庫(kù)以供使用該數(shù)據(jù)采集卡。

2.1.1 PXI-2005編程所用主要函數(shù)

(1)D2K_Register_Card。

該函數(shù)用于初始化凌華的板卡，函數(shù)原型為:D2K_Register_Card(U16 CardType，U16card_num)。

CardType是板卡類型，如使用 PXI-2005即添DAQ_2005;card_num為板卡所插插槽，只用一塊板卡就添0，有兩塊板卡則用0、1區(qū)分開(kāi)。

(2)D2K_AI_ContBufferSetup。

為連續(xù)采集數(shù)據(jù)分配內(nèi)存，函數(shù)原型為:D2K_AI_ContBufferSetup(U16 CardNumber，void*Buffer，U32 ReadCount，U16*BufferId)。

CardNumber是所操作板卡的ID;*Buffer即分配內(nèi)存的名稱;ReadCount為所需內(nèi)存的大小;*BufferId是分配好內(nèi)存返回的序列。

(3)D2K_AI_ContScanChannels。

開(kāi)始連續(xù)的A/D轉(zhuǎn)換，函數(shù)原型為:D2K_AI_ContScanChannels(U16 CardNumber，U16 Channel，U16 BufId，U32 ReadScans，U32 ScanIntrv，U32 SampIntrv，U16 SyncMode)。

Channel為使用的最多的通道數(shù)，如PXI-2005可以使用0，1，2，3這4個(gè)通道;BufId為數(shù)據(jù)存放的內(nèi)存位置;ReadScans為每通道采樣數(shù);最大掃描速率除以ScanIntrv即為當(dāng)前掃描速率;SampIntrv為A/D轉(zhuǎn)換最小間隔，最大采樣速率除以SampIntrv即為當(dāng)前采樣速率。

(4)D2K_Release_Card。

釋放使用中的數(shù)據(jù)采集卡，函數(shù)原型為:D2K_Release_Card(U16 CardNumber)。

2.1.2 PXI-2005數(shù)據(jù)采集卡驅(qū)動(dòng)實(shí)例

驅(qū)動(dòng)凌華PXI-2005數(shù)據(jù)采集卡，進(jìn)行4通道、采樣速率為500 kHz、每通道采樣點(diǎn)數(shù)為60 000的采樣。

2.2 軟件整體設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)總體框圖［7-8］如圖2所示。

圖2 測(cè)量系統(tǒng)框架圖

LabWindows/CVI由自行選用的插件以及C代碼組成，除此之外，系統(tǒng)還配有各類豐富的軟件包，從而更方便地構(gòu)建軟件系統(tǒng)，界面如圖3所示。

圖3 測(cè)量系統(tǒng)界面

2.2.1 顯示界面

將采集到的數(shù)據(jù)顯示到界面上，有兩種方式:(1)靜態(tài)方式。將所采集到的點(diǎn)一次性顯示在界面上，如果要繼續(xù)顯示，則要將之前界面上的點(diǎn)擦除后才可以繼續(xù)。(2)動(dòng)態(tài)方式。以帶狀圖實(shí)時(shí)顯示圖形數(shù)據(jù)，可以包含一個(gè)或多個(gè)同時(shí)刷新的曲線，每一條曲線代表一個(gè)連續(xù)量的數(shù)據(jù)通道［3］。為顯示處理過(guò)的數(shù)據(jù)，要選用靜態(tài)顯示。而靜態(tài)顯示只能顯示一次，因此需要使用CVI內(nèi)置時(shí)鐘Timer隔幾秒刷新顯示數(shù)據(jù)。某一區(qū)間的數(shù)據(jù)可以以橫軸為時(shí)間、縱軸為幅度顯示，也可以其他方式顯示。這里選擇環(huán)形圖顯示。

2.2.2 環(huán)形圖顯示

環(huán)形圖顯示如圖4所示，顯示的是溫度信號(hào)，單位℃。圖中有兩個(gè)圓。大圓代表最大量程值，小圓代表最小量程值。圖中共有86條線段，代表這一段時(shí)間被平分為86段，每條線段代表一個(gè)時(shí)間點(diǎn)。測(cè)量到的數(shù)據(jù)依照時(shí)間先后在這86個(gè)線段上逆時(shí)針標(biāo)出，數(shù)據(jù)越大越靠近大圓，數(shù)據(jù)越小越靠近小圓。將這些點(diǎn)依次連接，易看到哪一時(shí)間點(diǎn)上的數(shù)據(jù)較大，而哪一時(shí)間點(diǎn)上的數(shù)據(jù)較小。直觀地顯示出所測(cè)時(shí)間內(nèi)數(shù)據(jù)的大小變化。左下角最大量程顯示的是大圓代表的值，最小量程顯示著小圓代表的值，這兩個(gè)量程可以重新輸入設(shè)置，以便觀察數(shù)據(jù)在更小量程里的變化［9-10］。

圖4 環(huán)形圖顯示界面

3 數(shù)據(jù)的處理

3.1 數(shù)據(jù)的分離

數(shù)據(jù)采集卡是將采集到的數(shù)據(jù)以交錯(cuò)方式存儲(chǔ)內(nèi)存當(dāng)中。所謂交錯(cuò)即內(nèi)存中的存儲(chǔ)依次是第1，2，3，4通道的數(shù)據(jù)。以4通道采集為例，把第一位數(shù)據(jù)和每隔3位后的第4位數(shù)據(jù)存放在一起，形成了第一通道數(shù)據(jù)，從第3位開(kāi)始，每隔3位數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在一起，則形成了第3通道數(shù)據(jù)。再將這些數(shù)據(jù)用于處理和顯示。

3.2 數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換

數(shù)據(jù)采集卡采集到的數(shù)據(jù)并不是10進(jìn)制的電壓數(shù)據(jù)，而是由某種對(duì)應(yīng)關(guān)系對(duì)應(yīng)得到的數(shù)字信號(hào)，需要進(jìn)行一次轉(zhuǎn)換得到10進(jìn)制電壓數(shù)據(jù)。轉(zhuǎn)換原理如下:PXI-2005這款數(shù)據(jù)采集卡是16位的，采集最大電壓范圍是-10～+10 V;基準(zhǔn)電壓是+10 V，因此數(shù)字0對(duì)應(yīng)-10 V，數(shù)字215對(duì)應(yīng)0 V，數(shù)字216對(duì)應(yīng)10 V。因此得出數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換公式為

這樣就將從模擬電壓上采集到的原始數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)(data_collect)轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的10進(jìn)制數(shù)字電壓數(shù)據(jù)(data_D)。

3.3 數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)

數(shù)據(jù)是以TDMS格式存儲(chǔ)，TDMS是NI公司主推的一種二進(jìn)制記錄文件，擁有高速、易存取等多種優(yōu)勢(shì)，能在NI的各種數(shù)據(jù)分析或軟件之間進(jìn)行無(wú)縫交互，而且提供一系列 API函數(shù)供 LabWindows/CVI使用。

存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)是采集轉(zhuǎn)換后的電壓數(shù)據(jù)。每通道內(nèi)的數(shù)據(jù)都是單獨(dú)存儲(chǔ)的，互不影響。存儲(chǔ)后的TDMS文件可以通過(guò)安裝CVI時(shí)同時(shí)安裝的一個(gè)插件—Excel Importer打開(kāi)，打開(kāi)效果如圖5和圖6所示。

圖5 TDMS打開(kāi)后的第一頁(yè)

圖6 TDMS打開(kāi)后的第二頁(yè)

PXI-2005這款數(shù)據(jù)采集卡是4通道的，本試驗(yàn)中只用到了兩通道，如圖6所示，只有1、3通道有數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，2、4通道的數(shù)據(jù)是0。

3.4 生成報(bào)表

將采集到的數(shù)據(jù)計(jì)算后整理到word文件上以供打印。報(bào)表如圖7所示。報(bào)表中存儲(chǔ)的是已經(jīng)轉(zhuǎn)換的溫度數(shù)據(jù)，單位℃。

圖7 報(bào)表頁(yè)面顯示

使用word的函數(shù)語(yǔ)句包含在wordreport.fp文件里，因此要先要在工程內(nèi)加載wordreport.fp，然后才能使用其中包含的函數(shù)來(lái)制作word文件。

4 結(jié)束語(yǔ)

由LabWindows/CVI搭建的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，具有快速測(cè)量、實(shí)時(shí)顯示等功能。搭配相應(yīng)的傳感器，容易制作成相應(yīng)領(lǐng)域的測(cè)量?jī)x器。同時(shí)CVI可以應(yīng)用到大多數(shù)操作系統(tǒng)上，具有良好的移植性、使用簡(jiǎn)單。相比MFC，CVI的研發(fā)，因?yàn)閾碛写罅繉I(yè)測(cè)控插件而顯得更加方便快捷;相比LabView，CVI的可編程性使其更加靈活，更能滿足研發(fā)人員的思想。同時(shí)，CVI插件的隨意放大縮小功能也適合移植到大小不一的觸摸屏上使用，適用于嵌入式系統(tǒng)。由此可見(jiàn)CVI在測(cè)量方面有著較大的優(yōu)勢(shì)，將成為虛擬儀器發(fā)展過(guò)程中的重要工具。

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