韓 濤，段世慧

(中國(guó)飛機(jī)強(qiáng)度研究所，陜西 西安710065)

基于NI數(shù)據(jù)采集卡的虛擬儀器面板設(shè)計(jì)

韓 濤，段世慧

(中國(guó)飛機(jī)強(qiáng)度研究所，陜西 西安710065)

以計(jì)算機(jī)和NI DAQPad-6016數(shù)據(jù)采集卡為主要硬件，以LabVIEW為軟件開發(fā)平臺(tái)，調(diào)用NI-DAQmx庫(kù)函數(shù)，設(shè)計(jì)了一種能夠?qū)崿F(xiàn)應(yīng)變數(shù)據(jù)的采集與分析的多功能虛擬儀器系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度試驗(yàn)的關(guān)鍵應(yīng)變測(cè)量點(diǎn)進(jìn)行單通道、多通道數(shù)據(jù)的采集，應(yīng)變數(shù)據(jù)處理等功能，為結(jié)構(gòu)強(qiáng)度試驗(yàn)的應(yīng)變測(cè)量方法提供了新的思路。該方法將為結(jié)構(gòu)強(qiáng)度試驗(yàn)測(cè)試技術(shù)發(fā)展提供有力的技術(shù)支撐。

虛擬儀器；LabVIEW；NI-DAQmx；數(shù)據(jù)采集

1 引 言

隨著結(jié)構(gòu)強(qiáng)度試驗(yàn)不斷發(fā)展和新的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度問(wèn)題的出現(xiàn)，試驗(yàn)過(guò)程中的應(yīng)變測(cè)量技術(shù)不斷改進(jìn)。首先，在物理試驗(yàn)開始之前，通過(guò)計(jì)算分析獲得試驗(yàn)件危險(xiǎn)點(diǎn)的應(yīng)變位置坐標(biāo)。然后，在物理試驗(yàn)過(guò)程中對(duì)該關(guān)鍵部位的應(yīng)變進(jìn)行重點(diǎn)監(jiān)測(cè)，考慮到傳統(tǒng)硬件測(cè)量?jī)x器的靈活性較差，本文采用功能強(qiáng)大、操作簡(jiǎn)單的計(jì)算機(jī)軟件開發(fā)虛擬儀器，進(jìn)行關(guān)鍵應(yīng)變測(cè)量，用戶可以通過(guò)軟件的程序編寫，針對(duì)不同的數(shù)據(jù)采集卡的功能，合理利用計(jì)算機(jī)的通信、數(shù)據(jù)處理、接口擴(kuò)展等功能進(jìn)行測(cè)量?jī)x器的升級(jí)和維護(hù)。美國(guó)國(guó)家儀器公司(National Instructions,NI)在推出LabVIEW的同時(shí)，也推出了一系列基于LabVIEW驅(qū)動(dòng)程序的數(shù)據(jù)采集卡。其中，NI DAQPad-6016數(shù)據(jù)采集卡是NI公司推出的基于USB通信協(xié)議的即插即用型數(shù)據(jù)采集卡，其驅(qū)動(dòng)程序?yàn)镹I-DAQmx。結(jié)合LabVIEW軟件，調(diào)用NI-DAQmx編寫相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集程序是本文研究的重要內(nèi)容。

2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的硬件選型

本文采用NI DAQPad-6016數(shù)據(jù)采集卡作為外圍數(shù)據(jù)采集輸入設(shè)備，其外觀如圖1所示。

圖1 NI DAQPad-6016數(shù)據(jù)采集卡外觀圖

NI公司推出的DAQ Pad-6016數(shù)據(jù)采集卡的更新速率達(dá)300S/s，具有16位的分辨率，200kS/s的采樣速率，配備16路模擬輸入，32條數(shù)字I/O線，2路模擬輸出，2個(gè)32位計(jì)數(shù)器/定時(shí)器，可提供OEM版，兼容NI-DAQmx測(cè)量服務(wù)軟件并帶有擴(kuò)展數(shù)字I/O，其與PC機(jī)通信接口采用即插即用的USB 2.0，便于快速安裝和設(shè)置，內(nèi)置信號(hào)連接，但需外部供電，其驅(qū)動(dòng)軟件與LabVIEW、LabWindows/CVI和Measurement studio for Visual Studio.NET緊密集成。

3 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的輸入模式

對(duì)于結(jié)構(gòu)強(qiáng)度試驗(yàn)而言，試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)的電磁噪聲以及環(huán)境變化對(duì)測(cè)量?jī)x器的可靠性提出了較高的要求。鑒于此，本文選用差分輸入方式，其接法如圖2所示，紅色接頭和黑色接頭分別接入兩個(gè)通道。差分輸入可以有效抑制接地回路產(chǎn)生的感應(yīng)誤差，同時(shí)可以最大程度地屏蔽測(cè)量場(chǎng)中的電磁、振動(dòng)等環(huán)境噪聲。在實(shí)際測(cè)量時(shí)，NI DAQPad-6016數(shù)據(jù)采集卡的端口1、2作為第一通道，端口4、5作為第二通道，但試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，差分接法有明顯漂移，所以實(shí)際應(yīng)用時(shí)，將2口與3口連接，5口與6口連接，有效消除漂移。

圖2 NI DAQPad-6016數(shù)據(jù)采集卡差分接法

差分接法只讀取兩極信號(hào)之間的電勢(shì)差，不會(huì)測(cè)量共模電壓，即對(duì)儀器放大器輸入端相對(duì)儀器接地端之間的電壓具有很強(qiáng)的屏蔽作用。對(duì)于結(jié)構(gòu)強(qiáng)度試驗(yàn)的應(yīng)變測(cè)量，該接法可以最大程度保證測(cè)量精度。

4 虛擬儀器設(shè)計(jì)及調(diào)試

4.1 面板設(shè)計(jì)

面板設(shè)計(jì)需考慮操作簡(jiǎn)單、系統(tǒng)易實(shí)現(xiàn)、人機(jī)對(duì)話友好等方面。功能實(shí)現(xiàn)需考慮在界面上調(diào)整數(shù)據(jù)采集卡的參數(shù)及相關(guān)的數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和生成報(bào)表，其前面板如圖3所示。

圖3 關(guān)鍵應(yīng)變采集與處理前面板框圖

NI DAQPad-6016數(shù)據(jù)采集卡提供了16通道模擬輸入，而且采集的數(shù)據(jù)以2D數(shù)組的形式返回，故數(shù)據(jù)采集的通道擴(kuò)展很靈活。本文以雙通道數(shù)據(jù)測(cè)量實(shí)現(xiàn)為目標(biāo)，逐步實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集與處理。

4.2 采集觸發(fā)

在LabVIEW中，測(cè)量時(shí)的觸發(fā)方法有兩種，即軟件觸發(fā)和硬件觸發(fā)。其中，軟件觸發(fā)具有獨(dú)立性，可以不通過(guò)硬件進(jìn)行操作；還具有靈活性，可以應(yīng)用于觸發(fā)采集的各種場(chǎng)合。所以，本文采用軟件觸發(fā)，其觸發(fā)采集過(guò)程只是對(duì)所測(cè)量的數(shù)據(jù)按照一定的設(shè)置截取一部分可用信號(hào)。在虛擬儀器面板上，除了可以設(shè)置與數(shù)據(jù)采集相關(guān)的參數(shù)外，還可以設(shè)置觸發(fā)方式和預(yù)觸發(fā)采樣點(diǎn)數(shù)等，如圖4所示，設(shè)置的觸發(fā)方式為上升沿觸發(fā)，預(yù)觸發(fā)采樣點(diǎn)數(shù)為0。試驗(yàn)結(jié)果表明，本程序?qū)崿F(xiàn)了對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行軟件觸發(fā)的功能。由于試驗(yàn)過(guò)程中采樣時(shí)間較短，觸發(fā)過(guò)程只截取了部分波形。

圖4 觸發(fā)前(左)后(右)波形圖

4.3 濾波處理

對(duì)于結(jié)構(gòu)強(qiáng)度試驗(yàn)測(cè)量而言，環(huán)境噪聲對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響無(wú)處不在。為保證測(cè)量精度，對(duì)測(cè)量結(jié)果的濾波處理顯得尤為重要。數(shù)字濾波器具有較高準(zhǔn)確度和穩(wěn)定性，其系統(tǒng)函數(shù)可以根據(jù)濾波要求進(jìn)行相應(yīng)的改變，靈活性較高。與模擬濾波器相比，不存在阻抗匹配問(wèn)題，便于大規(guī)模集成。對(duì)于多通道數(shù)據(jù)采集，具有擴(kuò)展方便、可實(shí)現(xiàn)多位濾波等優(yōu)點(diǎn)。因而，本文采用數(shù)字濾波器，直接調(diào)用LabVIEW庫(kù)函數(shù)中的數(shù)字濾波器，如圖5所示，根據(jù)對(duì)正弦波加巴特沃斯濾波器的結(jié)果，明顯看到方波經(jīng)過(guò)巴特沃斯濾波器后有明顯的幅值截止，說(shuō)明本程序能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)采集過(guò)程進(jìn)行濾波處理的功能，能夠滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度試驗(yàn)數(shù)據(jù)測(cè)量的噪聲屏蔽要求。

圖5 濾波器處理前(左)后(右)波形圖

4.4 數(shù)據(jù)回調(diào)

結(jié)構(gòu)強(qiáng)度試驗(yàn)測(cè)量結(jié)果要進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，與此同時(shí)，對(duì)于試驗(yàn)結(jié)果的回調(diào)分析也是數(shù)據(jù)采集處理的必要環(huán)節(jié)。LabVIEW提供了兩個(gè)Express VI用來(lái)完成對(duì)數(shù)據(jù)測(cè)試的讀寫，使用時(shí)只要進(jìn)行簡(jiǎn)單的設(shè)置即可實(shí)現(xiàn)。Read LabVIEW Measurement File和Write LabVIEW Measurement File的框圖程序調(diào)用圖標(biāo)如圖6所示。

圖6 Read和 Write程序調(diào)用圖標(biāo)

數(shù)據(jù)回調(diào)程序運(yùn)行時(shí)，分別彈出文件命名和選擇對(duì)話框。如圖7所示，根據(jù)對(duì)正弦波數(shù)據(jù)報(bào)表的試驗(yàn)結(jié)果，明顯看到正弦波數(shù)據(jù)回調(diào)的結(jié)果。

圖7 數(shù)據(jù)報(bào)表前(左)后(右)波形圖

5 結(jié) 論

本文針對(duì)采用虛擬儀器技術(shù)對(duì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度試驗(yàn)關(guān)鍵應(yīng)變點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量的問(wèn)題進(jìn)行了研究探索，研究結(jié)果表明，虛擬儀器可使結(jié)構(gòu)強(qiáng)度測(cè)試系統(tǒng)功能更完善、適應(yīng)性更強(qiáng)。無(wú)論是數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理，還是實(shí)時(shí)測(cè)量和數(shù)據(jù)回調(diào)，采用虛擬儀器都能提供理想而高效的解決方案。但是，本文所設(shè)計(jì)的虛擬儀器要在實(shí)際中進(jìn)行應(yīng)用，還有很多技術(shù)問(wèn)題亟待解決，故本文只用于學(xué)術(shù)研究。綜上所述可以預(yù)見，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，虛擬儀器將會(huì)在結(jié)構(gòu)強(qiáng)度試驗(yàn)測(cè)試技術(shù)中發(fā)揮重要作用。

[1]袁淵,古軍,等.虛擬儀器教程[M].北京:電子工業(yè)出版社,2002.

[2]汪敏生.LabVIEW基礎(chǔ)教程[M].北京:電子工業(yè)出版社,2002.

[3]張易知,等.虛擬儀器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[M].西安:西安電子科技大學(xué)出版社,2002.

[4]劉君華.基于LabVIEW的虛擬儀器設(shè)計(jì)[M].北京:電子工業(yè)出版社,2003.

[5]楊樂(lè)平,李海濤,等.虛擬儀器概論[M].北京:電子工業(yè)出版社,2003.

[6]門愛(ài)東,蘇菲,王雷,等.數(shù)字信號(hào)處理[M].北京:科學(xué)出版社,2005.

[7]柏林,王見.虛擬儀器及其在機(jī)械測(cè)試中的應(yīng)用[M].北京:科學(xué)出版社,2007.

[8]尹念東.虛擬儀器技術(shù)及其應(yīng)用前景[J].計(jì)量與測(cè)試技術(shù),2002,(6):34-36.

[9]林正盛.虛擬儀器技術(shù)及其發(fā)展[J].現(xiàn)代計(jì)量測(cè)試,1997,(4):10-15.

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

Design of Virtual Instrument Panel based on NI Data Acquisition Card

Han Tao, Duan Shihui

(Aircraft Strength Research Institute of China, Xi′an 710065, Shaanxi, China)

With the computer and NI DAQPad-6016 data acquisition card as the main hardware, LabVIEW as the software development platform, NI-DAQmx library function is used to construct the multi-functional virtual instrument system which can realize the data acquisition and analysis of strain data. The system can accomplish the single channel and multi-channel data acquisition of the key point of strain measurement of structural strength test, the strain data processing and other functions. It provides a new way for the strain measurement of structural strength test, and this method will provide strong technical support for the development of test technology in structure strength test.

virtual instrument; LabVIEW; NI-DAQmx; data acquisition

2016-11-10

韓 濤(1986-)，男，吉林九臺(tái)人，漢族，碩士，工程師，主要從事計(jì)算力學(xué)與結(jié)構(gòu)試驗(yàn)仿真技術(shù)方向的研究工作。

TP274+.2

B

10.3969/j.issn.1674-3407.2016.04.018