韓 濤，段世慧

(中國飛機強度研究所，陜西 西安710065)

基于NI數據采集卡的虛擬儀器面板設計

韓 濤，段世慧

(中國飛機強度研究所，陜西 西安710065)

以計算機和NI DAQPad-6016數據采集卡為主要硬件，以LabVIEW為軟件開發(fā)平臺，調用NI-DAQmx庫函數，設計了一種能夠實現應變數據的采集與分析的多功能虛擬儀器系統，實現了對結構強度試驗的關鍵應變測量點進行單通道、多通道數據的采集，應變數據處理等功能，為結構強度試驗的應變測量方法提供了新的思路。該方法將為結構強度試驗測試技術發(fā)展提供有力的技術支撐。

虛擬儀器；LabVIEW；NI-DAQmx；數據采集

1 引 言

隨著結構強度試驗不斷發(fā)展和新的結構強度問題的出現，試驗過程中的應變測量技術不斷改進。首先，在物理試驗開始之前，通過計算分析獲得試驗件危險點的應變位置坐標。然后，在物理試驗過程中對該關鍵部位的應變進行重點監(jiān)測，考慮到傳統硬件測量儀器的靈活性較差，本文采用功能強大、操作簡單的計算機軟件開發(fā)虛擬儀器，進行關鍵應變測量，用戶可以通過軟件的程序編寫，針對不同的數據采集卡的功能，合理利用計算機的通信、數據處理、接口擴展等功能進行測量儀器的升級和維護。美國國家儀器公司(National Instructions,NI)在推出LabVIEW的同時，也推出了一系列基于LabVIEW驅動程序的數據采集卡。其中，NI DAQPad-6016數據采集卡是NI公司推出的基于USB通信協議的即插即用型數據采集卡，其驅動程序為NI-DAQmx。結合LabVIEW軟件，調用NI-DAQmx編寫相應的數據采集程序是本文研究的重要內容。

2 數據采集系統的硬件選型

本文采用NI DAQPad-6016數據采集卡作為外圍數據采集輸入設備，其外觀如圖1所示。

圖1 NI DAQPad-6016數據采集卡外觀圖

NI公司推出的DAQ Pad-6016數據采集卡的更新速率達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條數字I/O線，2路模擬輸出，2個32位計數器/定時器，可提供OEM版，兼容NI-DAQmx測量服務軟件并帶有擴展數字I/O，其與PC機通信接口采用即插即用的USB 2.0，便于快速安裝和設置，內置信號連接，但需外部供電，其驅動軟件與LabVIEW、LabWindows/CVI和Measurement studio for Visual Studio.NET緊密集成。

3 數據采集系統的輸入模式

對于結構強度試驗而言，試驗現場的電磁噪聲以及環(huán)境變化對測量儀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通道。差分輸入可以有效抑制接地回路產生的感應誤差，同時可以最大程度地屏蔽測量場中的電磁、振動等環(huán)境噪聲。在實際測量時，NI DAQPad-6016數據采集卡的端口1、2作為第一通道，端口4、5作為第二通道，但試驗中發(fā)現，差分接法有明顯漂移，所以實際應用時，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數據采集卡差分接法

差分接法只讀取兩極信號之間的電勢差，不會測量共模電壓，即對儀器放大器輸入端相對儀器接地端之間的電壓具有很強的屏蔽作用。對于結構強度試驗的應變測量，該接法可以最大程度保證測量精度。

4 虛擬儀器設計及調試

4.1 面板設計

面板設計需考慮操作簡單、系統易實現、人機對話友好等方面。功能實現需考慮在界面上調整數據采集卡的參數及相關的數據處理、數據存儲和生成報表，其前面板如圖3所示。

圖3 關鍵應變采集與處理前面板框圖

NI DAQPad-6016數據采集卡提供了16通道模擬輸入，而且采集的數據以2D數組的形式返回，故數據采集的通道擴展很靈活。本文以雙通道數據測量實現為目標，逐步實現數據采集與處理。

4.2 采集觸發(fā)

在LabVIEW中，測量時的觸發(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)具有獨立性，可以不通過硬件進行操作；還具有靈活性，可以應用于觸發(fā)采集的各種場合。所以，本文采用軟件觸發(fā)，其觸發(fā)采集過程只是對所測量的數據按照一定的設置截取一部分可用信號。在虛擬儀器面板上，除了可以設置與數據采集相關的參數外，還可以設置觸發(fā)方式和預觸發(fā)采樣點數等，如圖4所示，設置的觸發(fā)方式為上升沿觸發(fā)，預觸發(fā)采樣點數為0。試驗結果表明，本程序實現了對采集數據進行軟件觸發(fā)的功能。由于試驗過程中采樣時間較短，觸發(fā)過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

對于結構強度試驗測量而言，環(huán)境噪聲對測量結果的影響無處不在。為保證測量精度，對測量結果的濾波處理顯得尤為重要。數字濾波器具有較高準確度和穩(wěn)定性，其系統函數可以根據濾波要求進行相應的改變，靈活性較高。與模擬濾波器相比，不存在阻抗匹配問題，便于大規(guī)模集成。對于多通道數據采集，具有擴展方便、可實現多位濾波等優(yōu)點。因而，本文采用數字濾波器，直接調用LabVIEW庫函數中的數字濾波器，如圖5所示，根據對正弦波加巴特沃斯濾波器的結果，明顯看到方波經過巴特沃斯濾波器后有明顯的幅值截止，說明本程序能夠實現對數據采集過程進行濾波處理的功能，能夠滿足結構強度試驗數據測量的噪聲屏蔽要求。

圖5 濾波器處理前(左)后(右)波形圖

4.4 數據回調

結構強度試驗測量結果要進行實時處理，與此同時，對于試驗結果的回調分析也是數據采集處理的必要環(huán)節(jié)。LabVIEW提供了兩個Express VI用來完成對數據測試的讀寫，使用時只要進行簡單的設置即可實現。Read LabVIEW Measurement File和Write LabVIEW Measurement File的框圖程序調用圖標如圖6所示。

圖6 Read和 Write程序調用圖標

數據回調程序運行時，分別彈出文件命名和選擇對話框。如圖7所示，根據對正弦波數據報表的試驗結果，明顯看到正弦波數據回調的結果。

圖7 數據報表前(左)后(右)波形圖

5 結 論

本文針對采用虛擬儀器技術對結構強度試驗關鍵應變點進行測量的問題進行了研究探索，研究結果表明，虛擬儀器可使結構強度測試系統功能更完善、適應性更強。無論是數據采集和數據處理，還是實時測量和數據回調，采用虛擬儀器都能提供理想而高效的解決方案。但是，本文所設計的虛擬儀器要在實際中進行應用，還有很多技術問題亟待解決，故本文只用于學術研究。綜上所述可以預見，隨著計算機技術的不斷發(fā)展，虛擬儀器將會在結構強度試驗測試技術中發(fā)揮重要作用。

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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，吉林九臺人，漢族，碩士，工程師，主要從事計算力學與結構試驗仿真技術方向的研究工作。

TP274+.2

B

10.3969/j.issn.1674-3407.2016.04.018