王耀

（山西機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院材料工程系，山西長(zhǎng)治046000）

基于LabVIEW焊接數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)

王耀

（山西機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院材料工程系，山西長(zhǎng)治046000）

介紹了虛擬儀器領(lǐng)域中最具有代表性的圖形化編程開(kāi)發(fā)平臺(tái)LabVIEW，并對(duì)Labview驅(qū)動(dòng)普通數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行了研究。利用實(shí)驗(yàn)室已有的焊接信號(hào)采集系統(tǒng)及光譜儀，基于LabVIEW軟件進(jìn)行編程，開(kāi)發(fā)出了一套數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，將采集到的GMAW的電流、電壓波形信號(hào)及光譜信息進(jìn)行綜合分析，實(shí)現(xiàn)了在每個(gè)時(shí)刻都在LabVIEW的界面上進(jìn)行同步顯示，并且同步顯示此刻電壓和電流的具體數(shù)值，使得對(duì)光譜和電信號(hào)的研究觀察更加直觀。

LabVIEW；焊接；數(shù)據(jù)采集

0 引言

虛擬儀器（Virtual Instrument，簡(jiǎn)稱VI）就是利用高性能的模塊化硬件，結(jié)合高效靈活的軟件來(lái)完成各種測(cè)試、測(cè)量和自動(dòng)化的應(yīng)用［1］。它利用數(shù)據(jù)采集模塊完成測(cè)量?jī)x器的數(shù)據(jù)采集功能，利用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)完成測(cè)量?jī)x器的數(shù)據(jù)分析和輸出顯示等功能。而LabVIEW是一種圖形化的編程語(yǔ)言的開(kāi)發(fā)環(huán)境，且被視為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)采集和儀器控制軟件，是虛擬儀器領(lǐng)域中最具有代表性的圖形化編程開(kāi)發(fā)平臺(tái)［2－3］。LabVIEW是一個(gè)面向最終用戶的工具，它可以增強(qiáng)構(gòu)建自己的科學(xué)和工程系統(tǒng)的能力，提供了實(shí)現(xiàn)儀器編程和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的便捷途徑［4－5］。

對(duì)于焊接過(guò)程的分析，只依靠電流電壓等電信號(hào)往往很難徹底地解決問(wèn)題。為此，研究者多借助于光譜等手段進(jìn)行分析。但是這兩種測(cè)試方法往往是分別采樣，分析時(shí)也只能單獨(dú)進(jìn)行分析。實(shí)際上，電弧電信號(hào)的變化與電弧中實(shí)際物理過(guò)程變化直接相關(guān)，把這兩種信息甚至更多種信息融合在一塊，定能獲得更為全面的測(cè)試效果［6－8］。要實(shí)現(xiàn)這種信息的融合分析，首先必須保證測(cè)量對(duì)象為同一時(shí)刻同一物體，因此，測(cè)試時(shí)，各種測(cè)試項(xiàng)目要同時(shí)啟動(dòng)；其次，在進(jìn)行分析時(shí)，要把這些信息儀采集時(shí)刻前后同時(shí)動(dòng)態(tài)顯示。為此本文以焊接電弧的電壓、電流、光譜為信息源，開(kāi)發(fā)了一套可進(jìn)行信號(hào)采集、信號(hào)處理、信息提取的基于LabVIEW的采集分析系統(tǒng)。

1 采集系統(tǒng)簡(jiǎn)介

1.1 硬件

采集分析系統(tǒng)的硬件部分主要包括電弧電壓、焊接電流傳感器、PCI-1716系列數(shù)據(jù)采集卡、Avaspec-2048FT-2光纖式數(shù)字光譜儀和計(jì)算機(jī)及外設(shè)。硬件部分的作用主要是通過(guò)傳感器將焊接電弧光電信號(hào)轉(zhuǎn)換為幅值的電壓信號(hào)傳輸至采集卡，電壓模擬信號(hào)經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)后存儲(chǔ)于計(jì)算機(jī)內(nèi)，便于處理、顯示及信號(hào)分析。

1.2 軟件

圖1為采集系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)圖，由圖可見(jiàn)，系統(tǒng)包括信號(hào)采樣模塊、信號(hào)顯示模塊、數(shù)據(jù)分析模塊、數(shù)據(jù)保存模塊等幾大部分。

圖1 采集系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)圖

信號(hào)采樣模塊負(fù)責(zé)信號(hào)的采樣，采樣之前，先設(shè)置好信號(hào)采樣時(shí)間、觸發(fā)時(shí)間，然后調(diào)用采集卡的驅(qū)動(dòng)程序，就可進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。采集到的數(shù)據(jù)通過(guò)文本格式存儲(chǔ)到內(nèi)存，記錄信號(hào)的各瞬時(shí)值，同時(shí)還記錄本次采樣觸發(fā)信號(hào)等參數(shù)。

信號(hào)顯示模塊負(fù)責(zé)文件的顯示，本系統(tǒng)要顯示的曲線很多，包括直接采集到的瞬時(shí)數(shù)據(jù)曲線，也包括經(jīng)過(guò)分析得到的各種分析曲線。由于計(jì)算機(jī)屏幕大小的限制，不能把所有曲線都在一屏上顯示，否則所顯示的圖形太小，達(dá)不到分析的效果，并且顯得凌亂。通過(guò)文件顯示模塊把它們進(jìn)行有機(jī)地組合，不但能清晰地顯示具體曲線圖形，而且還能和其它曲線波形一起對(duì)比觀察。

數(shù)據(jù)分析模塊對(duì)所采集的焊接信息進(jìn)行同步處理，給出電信號(hào)與光譜信號(hào)的同步數(shù)據(jù)，并給出之前的前后時(shí)刻狀態(tài)。

數(shù)據(jù)保存模塊將所采集到的數(shù)據(jù)以文件形式存儲(chǔ)到計(jì)算機(jī)中。通常保存為文本形式，以便于本采集系統(tǒng)的文件能在其它系統(tǒng)中打開(kāi)分析。

1.3 同步數(shù)據(jù)采集的實(shí)現(xiàn)

圖2給出了同步采集的原理圖。在該圖中，計(jì)算機(jī)作為總控制器，控制啟動(dòng)光譜儀和采集各種焊接電弧信號(hào)。實(shí)驗(yàn)時(shí)，由電腦采集卡的數(shù)據(jù)輸出口D/A輸出脈沖信號(hào)，啟動(dòng)光譜儀并同時(shí)啟動(dòng)信號(hào)采集。采集結(jié)束后，將光譜信息傳至計(jì)算機(jī)，這樣就得到了同步采集的光譜信號(hào)和電信號(hào)波形。

圖2 基于LabVIEW數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

2 采集程序設(shè)計(jì)

2.1 前面板

信號(hào)數(shù)據(jù)采集軟件是在LabVIEW環(huán)境下編寫(xiě)的。本系統(tǒng)使用時(shí)，用戶只需提供采樣時(shí)間和觸發(fā)時(shí)間，就可啟動(dòng)采樣。

如圖3所示，LabVIEW的前面板有菜單欄、參數(shù)調(diào)整區(qū)和試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示區(qū)，以及LabVIEW本身的工具和控件模板。菜單欄主要是LabVIEW軟件中的菜單命令：參數(shù)調(diào)整區(qū)主要是由Control控件組成，用于輸入同步采集的參數(shù)（如采樣時(shí)間、觸發(fā)時(shí)間）；試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示區(qū)主要由Indicator控件組成，用于顯示波形數(shù)據(jù)。從圖3中，可以看到運(yùn)行程序進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，只需要將電流、電壓的采集數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)路徑以及同步采集時(shí)的采樣時(shí)間和觸發(fā)時(shí)間輸入，同時(shí)設(shè)置光譜采集軟件為外接設(shè)備，就可以進(jìn)行光譜與電信號(hào)的同步采集。

圖3 軟件前面板

2.2 主程序設(shè)計(jì)

Advantech（研華）為其多種板卡開(kāi)發(fā)了通用的“Advantech DLL Driver”驅(qū)動(dòng)軟件，其中的ADSAPI32.DLL為用戶提供了能對(duì)硬件設(shè)備直接I/O操作的函數(shù)，便于用戶方便快速地開(kāi)發(fā)程序［9～12］。下面簡(jiǎn)要介紹與本系統(tǒng)有關(guān)的幾個(gè)關(guān)鍵函數(shù)：

1）DeviceOpen：打開(kāi)指定的設(shè)備并返回一個(gè)驅(qū)動(dòng)句柄，之后所有執(zhí)行相應(yīng)I/O操作的子VI都應(yīng)基于該句柄參數(shù)所獲得的配置數(shù)據(jù)。

2）DeviceGetFeatures：該函數(shù)從DeviceOpen打開(kāi)的設(shè)備中獲取相關(guān)的設(shè)備信息，指明設(shè)備特征信息的存儲(chǔ)地址和存儲(chǔ)空間大小等。

3）AIGetConfig：該函數(shù)從DeviceOpen打開(kāi)的設(shè)備中獲得模擬量輸入的配置數(shù)據(jù)，并將其放入緩存。

4）AllocDSPBuf：為用戶緩沖區(qū)分配參數(shù)Count指定大小的空間。該子VI的輸出用作FAITransfer子VI的輸入，通過(guò)MemoryType參數(shù)可以選擇以電壓形式或二進(jìn)制形式顯示數(shù)據(jù)。

5）FAIDmaExStart：該函數(shù)啟動(dòng)總線控制下的DMA方式數(shù)據(jù)采集，并將A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)從FIFO轉(zhuǎn)移到內(nèi)部緩沖區(qū)中。

6）WaitFastAIEvent：使程序進(jìn)入等待狀態(tài)，直到設(shè)定的事件發(fā)生或等待時(shí)間超出用戶通過(guò)Timeout參數(shù)設(shè)定的值。

7）FAITransfer：將數(shù)據(jù)從內(nèi)部緩沖區(qū)傳送到用戶緩沖區(qū)。要實(shí)現(xiàn)連續(xù)數(shù)據(jù)采集，程序中需要反復(fù)調(diào)用該子VI。

8）DeviceClose：關(guān)閉由DeviceOpen打開(kāi)的設(shè)備，在程序結(jié)尾需調(diào)用此子VI。

圖4 采集系統(tǒng)后面板

SelectDevicePop.vi用于選擇數(shù)據(jù)采集卡，DeviceOpen. vi加載設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序到內(nèi)存，并確定設(shè)備的類型，完成對(duì)設(shè)備的初始化，使設(shè)備做好 I/O準(zhǔn)備工作，利用MAIConfig.vi配置多通道模擬輸入所需的參數(shù)；利用一個(gè)While循環(huán)以及MAIVoltageIn.vi將采集到的數(shù)據(jù)不停地從設(shè)備的緩存中讀出。并利用另一個(gè)While循環(huán)對(duì)光譜儀進(jìn)行觸發(fā)；完成數(shù)據(jù)采集后，利用DeviceClose.vi關(guān)閉打開(kāi)的設(shè)備，如果程序出錯(cuò)，提示信息顯示在Errmsg中。

2.3 信號(hào)顯示及分析方法

由于電信號(hào)為持續(xù)采集，而光譜信號(hào)需要觸發(fā)信號(hào)觸發(fā)進(jìn)行采集。為了得到光譜信號(hào)與電信號(hào)的同步數(shù)據(jù)，這就需要根據(jù)觸發(fā)信號(hào)將電信號(hào)與光譜信號(hào)對(duì)應(yīng)起來(lái)，圖5為電信號(hào)與光譜信號(hào)的分析系統(tǒng)。

圖5 電信號(hào)與光譜信號(hào)分析系統(tǒng)前面板

本程序進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析時(shí)，只需將電參數(shù)的存儲(chǔ)路徑、光譜信號(hào)的存儲(chǔ)路徑輸入該模塊，該模塊可以快速地將光譜信號(hào)和其同步采集到的電信號(hào)對(duì)應(yīng)起來(lái)，并以圖形的方式顯示，圖中電壓、電流圖形與光譜圖形就是一組同步數(shù)據(jù)。由于光譜采集時(shí)間較短，并不能清楚地知道所采集信號(hào)的物理狀態(tài)，為了更好地研究藥芯焊絲熔滴過(guò)渡與光譜之間的關(guān)系，分析系統(tǒng)還將電壓、電流信號(hào)的前后狀態(tài)標(biāo)出，方便了對(duì)熔滴過(guò)渡光譜信息的研究。

如圖6，程序的后面板就是程序的圖形源代碼，即流程圖窗口。虛擬儀器從流程圖中接收命令；流程圖通過(guò)利用圖形語(yǔ)言控制前面板上的控件對(duì)象（分為控制量和指示量?jī)煞N）。在流程圖中，輸出、接收數(shù)據(jù)的對(duì)象通過(guò)連線連接起來(lái)，可以實(shí)現(xiàn)特定的功能，控制執(zhí)行的流程。

圖6 電信號(hào)與光譜信號(hào)分析系統(tǒng)后面板

3 結(jié)論

本文概述了焊接過(guò)程多信息融合的方法，并基于LabVIEW開(kāi)發(fā)了電信號(hào)與光譜信號(hào)采集和分析系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了同步采集焊接電信號(hào)波形和光譜信號(hào)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了電信號(hào)和光譜信號(hào)在LabVIEW上同步顯示的功能，為焊接過(guò)程的評(píng)價(jià)分析提供了一種更全面、更有效的手段。

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（編輯立 明）

Development of Welding Data Acquisition and Analysis System Based on LabVIEW

WANG Yao
（Department of Materials Engineering,Shanxi Institute of Mechanical&Electrical Engineering,Changzhi 046000,China）

The labview that is tipical Graphical programming development platform is introduced and LabVIEW driver general data acquisition card are investigated.In this study,a data acquisition system were developed using the welding signal acquisition system and spectrometer in laboratory based on LabVIEW software program for analyzing collected GMAW current,voltage waveform signal and spectral information.LabVIEW interface synchronized display will be realized at each moment.And values of voltage and current can be simultaneous displayed which make the research and observation of spectral electrical signals getting more intuitive.

LabVIEW;welding;DAQ

TG 409

A

1002－2333（2014）05－0158－03

王耀（1984—），男，助教，碩士，主要從事焊接技術(shù)方面的研究。

2014-03-06