裴清福

(陜西鐵路工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院,渭南 714000)

引言

隨著我國(guó)計(jì)算機(jī)技術(shù)以及智能儀器儀表的快速發(fā)展，數(shù)據(jù)采集以及數(shù)據(jù)處理技術(shù)已經(jīng)成為了對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理的前期工作之一，廣泛的應(yīng)用于生產(chǎn)生活的多個(gè)領(lǐng)域。由于受到測(cè)控成本的不斷增加、測(cè)控系統(tǒng)越來越復(fù)雜、測(cè)控投資的保護(hù)要求不斷增高等因素的影響，需要進(jìn)一步完善數(shù)據(jù)采集及處理系統(tǒng)。用戶可以選擇標(biāo)準(zhǔn)化的硬件平臺(tái)，能夠有效的降低測(cè)試成本，但是這種方法的作用有限。通過虛擬儀器的正確使用，能夠有效的縮短軟件開發(fā)的周期，增加程序的可重復(fù)性，最終達(dá)到降低測(cè)控成本的目的，虛擬儀器主要是基于模塊化的軟件標(biāo)準(zhǔn)來進(jìn)行開發(fā)，所以用戶可以選擇適合要求的任何測(cè)試硬件。LabVIEW屬于通過虛擬面板界面與方框圖建立虛擬儀器的圖形程序設(shè)計(jì)系統(tǒng)，目前已經(jīng)被視為標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)采集儀器和控制軟件，廣泛的應(yīng)用到學(xué)術(shù)界、工業(yè)界及研究室等，基于LabVIEW的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)簡(jiǎn)單易學(xué)、靈活便捷、人機(jī)交互界面比較直觀，本文以LabVIEW為基礎(chǔ)開發(fā)平臺(tái)，設(shè)計(jì)一套數(shù)據(jù)采集及處理系統(tǒng)，通過仿真實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集、處理、存儲(chǔ)、顯示以及回放功能。

1 LabVIEW的結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)

1.1 LabVIEW的結(jié)構(gòu)

LabVIEW的程序主要由3部分來組成，第一部分是程序的前面板，主要是為了對(duì)真實(shí)儀器的模擬，通過交互式圖形化的形式使界面用于用戶的輸出程序設(shè)計(jì)以及顯示程序輸出的代碼。第二部分是框圖程序，框圖程序主要是通過數(shù)據(jù)對(duì)象的圖形化來對(duì)前面板上的控制量以及指示量進(jìn)行控制，最終真實(shí)的反應(yīng)出前面板上的控制量以及知識(shí)量的輸出情況。第三部分是接線端口及圖標(biāo)，接線端口主要是通過將LabVIEW子程序化，從而方便LabVIEW在其他程序中的調(diào)動(dòng)。

1.2 LabVIEW的特點(diǎn)及運(yùn)用優(yōu)勢(shì)

LabVIEW具有便捷、高效、靈活的特點(diǎn)，在許多程序中都有非常重要的作用，LabVIEW的編輯語言與傳統(tǒng)的編輯語言之間的差別在于LabVIEW不需要將對(duì)象進(jìn)行文本化編輯，另外，通過圖形化編輯語言會(huì)使所編輯的程序更加的直觀、簡(jiǎn)潔。在實(shí)際應(yīng)用中的優(yōu)勢(shì)在于：用戶可以根據(jù)自己的需求來對(duì)虛擬儀器的功能進(jìn)行靈活定義，通過不同的功能模塊來組成多種儀器，不會(huì)受到儀器廠商提供功能的限制。虛擬儀器可以將所有控制信息集中在軟件模塊中，通過多種方式來顯示數(shù)據(jù)采集、處理、存儲(chǔ)的過程，提高了虛擬儀器使用的靈活性。虛擬儀器能夠隨時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行編輯，通過傳輸系統(tǒng)存儲(chǔ)到計(jì)算機(jī)，充分利用計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)功能，擴(kuò)大數(shù)據(jù)記錄的容量。虛擬儀器可以合理的利用圖形與用戶界面，根據(jù)實(shí)際需求，可以通過軟件編程來直接對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析與處理。

2 基于LabVIEW的數(shù)據(jù)采集及處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路

(1)根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)合來選擇適當(dāng)?shù)腄AQ設(shè)備，主要依據(jù)包括：通道數(shù)、采樣頻率、分辨率以及出發(fā)方式。

(2)了解驅(qū)動(dòng)的具體功能，根據(jù)相應(yīng)的目的來選出適合應(yīng)用程序的驅(qū)動(dòng)。

(3)在LabVIEW中編制數(shù)據(jù)采集控制程序，利用LabVIEW對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，在LabVIEW中對(duì)各種設(shè)備進(jìn)行控制來完成特定的功能。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

基于LabVIEW數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集硬件具有多種形式。要根據(jù)相應(yīng)的環(huán)境來選擇合適的硬件資源，驅(qū)動(dòng)程序?yàn)長(zhǎng)abVIEW中的數(shù)據(jù)采集硬件驅(qū)動(dòng)程序，通過操作命令完成各個(gè)接口之間的數(shù)據(jù)傳遞，用戶可以通過驅(qū)動(dòng)程序的用戶接口對(duì)硬件進(jìn)行設(shè)置，并且對(duì)相應(yīng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。其具體流程,如圖1所示。

圖1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件程序

該設(shè)計(jì)的硬件資源采用插卡式低價(jià)位數(shù)據(jù)采集卡PCI-6013，該采集卡具有16路單端/8路差分模擬輸入，采樣路能夠達(dá)到200K/V，轉(zhuǎn)換精度為16位，輸入范圍能夠從(±0. 5)～(±10)V，具有2位計(jì)數(shù)器與8條(5V/TTL)數(shù)字I/O線。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

4.1 功能設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)是數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)核心,該系統(tǒng)采用模塊化與層次化的設(shè)計(jì)理念，模塊化設(shè)計(jì)可以使整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)清晰，并且便于系統(tǒng)維護(hù)，基于LabVIEW的數(shù)據(jù)采集及處理系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)功能，如圖2所示。

在軟件結(jié)構(gòu)中，主要包括數(shù)據(jù)的采集、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)顯示等。能夠完成測(cè)試系統(tǒng)中常用任務(wù)。其中，信號(hào)的產(chǎn)生主要是利用LabVIEW中的信號(hào)發(fā)生函數(shù)庫(kù)來實(shí)現(xiàn)，通過等時(shí)間間隔來取得函數(shù)值，最終獲得離散時(shí)間序列信號(hào)。數(shù)據(jù)采集主要是運(yùn)用Acquisition子模板。數(shù)據(jù)處理主要是對(duì)所采集到信號(hào)的加窗、濾波功能，加窗主要是為了減少頻譜的泄露，而濾波主要是為了從信號(hào)中對(duì)期望值進(jìn)行提取，數(shù)據(jù)分析主要是對(duì)數(shù)據(jù)的時(shí)域分析以及頻域分析。時(shí)域分析包含自相關(guān)分析、波峰檢測(cè)等。頻域分析包括幅值譜以及相位分析。

圖2 數(shù)據(jù)收集系統(tǒng)軟件功能結(jié)構(gòu)圖

4.2 系統(tǒng)界面設(shè)計(jì)

根據(jù)軟件系統(tǒng)的6個(gè)功能模塊對(duì)其相應(yīng)的界面進(jìn)行設(shè)計(jì)如下。

4.2.1 系統(tǒng)啟動(dòng)界面：系統(tǒng)啟動(dòng)界面包括簡(jiǎn)單的用戶信息、系統(tǒng)啟動(dòng)條、系統(tǒng)啟動(dòng)進(jìn)度顯示。當(dāng)系統(tǒng)加載成功之后，點(diǎn)擊登錄界面按鈕便可以進(jìn)入用戶登錄界面，點(diǎn)擊退出按鈕便可退出系統(tǒng)。

4.2.2 用戶登錄界面：用戶登錄界面設(shè)計(jì),如圖3所示。

圖3 用戶登錄界面

該界面需要輸入用戶名與密碼，主要功能在于對(duì)用戶身份的驗(yàn)證，驗(yàn)證通過之后顯示登錄成功，從而用戶可以進(jìn)入到系統(tǒng)的菜單界面，如果驗(yàn)證失敗，則需通過退出按鈕退出系統(tǒng)，重新登錄。

4.2.3 系統(tǒng)菜單界面：菜單界面,如圖4所示。

通過一系列功能按鈕組成，在進(jìn)入菜單界面之后，按鈕被激活，分別點(diǎn)擊數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)回收按鈕便可跳轉(zhuǎn)到相應(yīng)界面，點(diǎn)擊退出按鈕可以返回激活前狀態(tài)。

4.2.4 數(shù)據(jù)采集界面：數(shù)據(jù)采集界面設(shè)計(jì),如圖5所示。

數(shù)據(jù)采集界面主要是模擬與實(shí)現(xiàn)兩路信號(hào)的采集：電壓信號(hào)與溫度信號(hào)。通過信號(hào)選擇開關(guān)對(duì)信號(hào)進(jìn)行選擇，通過信號(hào)開關(guān)可以對(duì)單路與雙路信號(hào)進(jìn)行采集，根據(jù)溫度信號(hào)來

圖4 系統(tǒng)菜單界面

設(shè)計(jì)溫度表盤，并且精確的實(shí)現(xiàn)溫度值，當(dāng)溫度超過限值就會(huì)通過報(bào)警指示燈進(jìn)行提示。在數(shù)據(jù)采集界面中，會(huì)包含一些基本參數(shù)的設(shè)置，另外還包括暫停和返回按鈕，單機(jī)暫停按鈕，系統(tǒng)會(huì)暫停對(duì)數(shù)據(jù)的采集，單機(jī)返回按鈕，便可返回系統(tǒng)的菜單界面。

4.2.5 數(shù)據(jù)處理界面設(shè)計(jì)：數(shù)據(jù)處理界面設(shè)計(jì),如圖6所示。

主要對(duì)電壓以及溫度兩路信號(hào)的處理，對(duì)電壓進(jìn)行濾波、頻譜分析、峰值壓縮等處理。對(duì)溫度信號(hào)進(jìn)行均值壓縮，除此之外還包括溫度表盤、選擇開關(guān)、參數(shù)配置、暫停與返回按鈕。由于經(jīng)過濾波后的電壓信號(hào)比較清晰平滑，更便于觀察，所以運(yùn)用濾波處理是對(duì)信號(hào)處理比較常用的手段。關(guān)于頻譜分析主要是得到信號(hào)的頻域描述，能夠?qū)π盘?hào)的認(rèn)知信息了解的更加全面，信號(hào)寬帶在小于采樣頻率的1/2時(shí)，就可以防止頻譜混疊的現(xiàn)象發(fā)生，本文所設(shè)計(jì)的信息采樣頻率為1 000 HZ，電壓幅度譜主要集中在0-50 HZ之間，由于在實(shí)際工程中，為了信號(hào)保真，信號(hào)的寬帶要小于采樣頻率的1/10，再加上軟件仿真環(huán)境理想，所以信號(hào)的幅度譜主要在50 HZ頻段之內(nèi)。

圖5 系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集界面

圖6 系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理界面

關(guān)于對(duì)數(shù)據(jù)的壓縮采樣主要是對(duì)信號(hào)信息保留的同時(shí)對(duì)其進(jìn)行壓縮，通過對(duì)數(shù)據(jù)的壓縮可以減小數(shù)據(jù)的體積，有利于數(shù)據(jù)傳輸。本文所設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)采集及處理系統(tǒng)主要是對(duì)電壓信號(hào)進(jìn)行峰值壓縮，對(duì)溫度信號(hào)進(jìn)行均值壓縮，將壓縮因子設(shè)置為10，對(duì)所采集到的電壓信號(hào)，每10個(gè)標(biāo)記出最大值，對(duì)于溫度信號(hào)，每10個(gè)標(biāo)記出平均值，通過對(duì)電壓信號(hào)峰值進(jìn)行壓縮之后便可以得到準(zhǔn)確的峰值信息，將溫度信號(hào)壓縮之后便可以得到平均溫度。

5 總結(jié)

目前，虛擬儀器技術(shù)已經(jīng)成為了計(jì)算機(jī)測(cè)量領(lǐng)域的前沿技術(shù)，將虛擬儀器技術(shù)運(yùn)用到測(cè)試相關(guān)的教學(xué)以及工程實(shí)踐已經(jīng)成為必然趨勢(shì)。通過對(duì)信號(hào)源、信號(hào)采集系統(tǒng)的合理設(shè)計(jì)以及LabVIEW程序的運(yùn)行，能夠大幅度的提高仿真信號(hào)的強(qiáng)度，提高頻譜研究的效率，加強(qiáng)信號(hào)的保存度，根據(jù)模擬發(fā)生器的信號(hào)采集與處理能夠更加直觀的為真實(shí)儀器提供各方面有效的信息，所以在實(shí)際運(yùn)用中具有一定的推廣意義。