利用LabVIEW软件的数据采集与处理系统设计

丁宗玲，吴明在，叶 柳，杨 群，孙 进，李爱霞

(安徽大学，安徽 合肥 230061)

LabVIEW是一种程序开发环境，由美国国家仪器(NI)公司研制开发，类似于C和BASIC开发环境，但是LabVIEW与其他计算机语言的显著区别是:其他计算机语言都是采用基于文本的语言产生代码，而LabVIEW使用的是图形化编辑语言G编写程序，产生的程序是框图的形式。它提供很多外观与传统仪器(如示波器、万用表、数码显示管、压力表、温度计等)类似的控件，可用来方便地创建用户界面［1-4］。LabVIEW软件最初是为测试测量而设计的，因而测试测量也正是目前LabVIEW最广泛的应用领域。经过多年的发展，LabVIEW在测试测量领域得到了广泛的应用和认可。目前，大多数主流的测试仪器、数据采集设备都拥有专门的LabVIEW驱动程序，使用Lab-VIEW可以非常便捷的控制这些硬件设备。

研究人员可以利用LabVIEW内部高性能的模块化硬件，结合高效灵活的软件和设计思想来完成各种测试、测量和自动化应用，与传统的测量仪器相比，使用LabVIEW软件编写程序具有成本低、功能强大、集成度高、可见即所得、质量可靠、维护方便等众多优点，能很方便地组建测试系统和处理系统，满足多种测量要求［5-8］。因此，基于虚拟仪器技术，利用LabVIEW语言进行信号采集系统的研制具有重要意义。

文章中采用北京双诺测控技术有限公司生产的USB系列的MP420采集卡为例，首先介绍了该采集卡的性能和操作事项;然后，采用厂家提供的.dll文件结合LabVIEW软件进行数据采集卡的驱动设计和采集程序设计;再次，以采集实验室运行过程中的高温炉温度进行采集实验，并且实时进行采集数据的某些平滑处理，并在.txt文件中保存处理前和处理后的数据进行对比。实验过程和对比结果表明，利用LabVIEW语言进行信号采集、处理系统是十分方便的，可以方便的移植到其他实验室信号采集过程中去。通过本虚拟仪器的编程，可以为高等学校学生的物理实验过程提供有效的技术手段，拓宽学生的视野和激发学生学习先进软件的兴趣。

1 硬件系统简介

1.1 试验系统

实验过程中，所需要的硬件设施为:MP420采集卡，电加热炉，电脑，同轴电缆线，直流24 V电源，K型热电偶，200 Ω电阻等。热电偶通过24 V直流电源供电，+24 V连接热电偶的“+”端，接地端通过200 Ω电阻连接热电偶的“-”端，MP420采集200 Ω电阻两端的电压值。因为采用的是K型热电偶其测量量程为0～600°，输出电流为4～20 mA值，因此其电压值为0.8～4 V之间，因此选择采集卡量程为0-+5 V档位。采集卡的USB接口连接笔记本电脑进行采集卡的供电和数据的采集、处理、显示与保存。热电偶采集装置距离电加热丝炉面约为15 mm。其系统示意图见图1。

图1 试验系统示意图

1.2 MP420-USB采集卡简介

在虚拟仪器LabVIEW中应用的数据采集卡有两种:NI公司生产的数据采集卡和非NI公司生产的数据采集卡，前者兼容性非常好，但是价格比较高。后者需要自己开发驱动程序等，但是价格相对低廉。根据本文实验要求，选择了北京双诺有限公司生产的MP420数据采集卡(外观见图2)。它是一款USB2.0总线12位中速采集模块，具有16路模拟输入(接线图见图3)，支持即插即用、实时采集，可以采用内、外部触发采集模式。控制接口采用Cypress公司的CY68013芯片，内置 512K Byte DFIFO，数据自动传输［9］。

图2 MP420采集卡外观照片

图3 MP420接口通道示意

MP420采集卡包括16个模拟输入通道和1个外触发通道，采集电压可以通过软件控制选择:5 V/10 V/±5 V。其转换精度为12位AD(Analog/Digital)，最大采样速度可达333KHz，系统精度为:±0.1%FSR(Full Scale Range)完全满足实验室日常实验过程中的数据采集情况。本实验过程中，所要采集的是实验室电炉丝温度从室温开始至稳定状态的温度，因此不存在负值，所以选择的量程为10 V。同时，采集卡内部已经定义了接口函数只需要按照步骤调用即可，各个控制参数的定义、控制量值意义及本实验中所选则的控制参数值如表1中所述。

表1 MP420采集卡参数定义及作用

需要注意的是AD采样的数据按从stch开始到endch结束的通道扫描顺序，循环存放，每一个16位采样结果按低8位在前，高8位在后的顺序排列，如下:

stch，stch+1，….，endch，…….stch，..，endch，…… 结束

实验中选择了gain=2，即:0-+5 V量程，因此采样对应的电压转化公式为:电压=data*5000.0/4095.0 mV，其中 data为采样读取的12位转换数组。系统采样频率为:f=4000/tdata kHz=4000/20000 kHz=0.2 kHz，即0.005 s采集一个数据点，1 s时间采集200个值，实验中设置1s出一次结果即200个采样数组值的平均值。

2 程序设计

数据采集系统的任务就是传感器从被测对象获取有用信息，并将其输出信号换算为计算机可以识别的数字信号，然后送入计算机进行处理得到所需的数据。同时，可以将数据进行显示、存储或打印，以便实现对某些物理量的监视。因此一个完整的数据采集系统需要包含:1)数据采集;2)信号调理;3)二次数据计算;4)数据显示;5)数据存储;6)打印输出;7)人机联系，等几个功能。本实验设计软件的思路流程，见图4。

图4 软件系统运行流程图

2.1 信号采集程序设计

非NI公司生产的数据采集卡往往需要解决LabVIEW软件与数据采集卡的兼容性问题，利用LabVIEW驱动普通数据采集卡可以分为以下三种方法，即:直接调LabVIEW的端口操作图标、利用CIN图标调用C语言驱动程序及动态数据交换(DDE)技术。在本实验中，采用了调用CIN图标进行编程(见图5)，该操作可以方便的设置每一个函数的输入、输出参数。设置完成以后的各个函数，见图6:(1)打开采集卡设备;(2)设置采集卡属性参数;(3)读取采集数组;(4)停止采集卡采集;(5)退出数据采集卡。

图5 调用CIN图标驱动编程

图6 根据MP420.dll完成的子vi

根据以上分析，数据采集是按照以上(1)到(5)的步骤进行的，因此采用“平铺式顺序结构”子控件进行采集与处理的顺序进行。“平铺式顺序结构”控件分为三步走，第一步是打开MP420采集卡设备;第二步是进行采集卡的设置、采样、读取和处理，读取完毕以后要暂停采集卡读取;第三步是运行完毕关闭采集卡设备。如需继续进行数据采集过程则一直处于第二步运行过程中直到点击按钮退出程序。

2.2 信号处理程序设计

在系统数据采集过程中，噪声是不可避免的现象。消除噪声的方法:一种是可以通过硬件滤波卡滤除特定频率以上的信号噪声［10］，使其不会干扰到数据的采集，但是其使用存在要求。另一种是通过数字信号处理技术降低噪声干扰，其可靠性高，无需硬件及阻抗匹配［11］，如:信号平均方法，滑动滤波方法，小波变换等。

信号平均方法一般是采用将N次信号做相加后再除以N，这样就可以有效的降低噪声的干扰，而将信号中固有的成分凸显出来。平均的次数越多，越能够显示固有的信号而降低噪声的成分。在文章中所述的温度采集系统中所使用的是对采样信号的200次平均。同时，为了消除系统对周期性干扰的抑制作用，采样13个数据点的平滑处理。把连续取N个采样值看成一个队列，队列的长度固定为N，每次采样到一个新数据放入队尾，并扔掉原来队首的一次数据.(先进先出原则)，把队列中的N个数据进行算术平均运算，就可获得新的滤波结果。图7为所使用的数据处理框图，其中(1)为采样信号经过数据转换为有效数据，(2)为采用的200次数据平均框图，(3)为采用的13点滑动平均框图。

图7 数据处理框图

图8 基于MP420的LabVIEW软件系统前面板

编写的LabVIEW软件运行前面板见图8，主要包括了:数据采集卡的基本量控制(起始通道、终止通道、量程选择、采样频率、模式选择、触发设置、触发边沿等)，采样数据处理前后的框图显示、温度计显示、高温报警上限、红灯报警和声音报警，日期显示和开始采集、退出程序按钮等。

3 结 果

通过以上电加热丝温度采集系统采集到的数据见图9。其中点线为原始未经处理的温度数据，实线为经过数据处理以后的温度数据，下部点直线为两者的比较差值，其最小值为-9.42，最大值为8.91，可以看出以上处理是合乎信号处理要求的，并未对实际信号趋势造成影响。图中1，2，3为不同的加热时长所对应的采样数据变化趋势，与电加热炉通电即加热的过程基本分析是一致的。

图9 温度采集的原始数据和处理后的数据对比(其中1、2、3为电加热丝通电加热不同时间的状态)

4 结 论

以LabVIEW为平台，开发完成了以国产数据采集卡为例的电加热丝温度采集测量处理系统。通过实验证明所涉及的软件系统是完全满足实验室测量要求的。因此，通过LabVIEW图形化编程和传统实验教学相结合，不仅可使课堂教学更加生动，效果更好，更直观，而且可以充分发挥学生的积极性和创造性，提高学生的动手能力，达到提高教学质量的目的。此外，还可以让学生在利用LabVIEW在现有的实验基础上自行设计新的实验，增强动手能力和开阔思维，培养学生自主学习和创新能力。

［1］曹卫彬.虚拟仪器典型测控系统编程实践［M］.北京:电子工业出版社，2012.

［2］张桐，陈国顺，王正林.精通 LabVIEW 程序设计［M］.北京:电子工业出版社，2008.

［3］王亚丽，黄勇坚.LabVIEW在电子线路实验教学中的应用［J］.电子技术，2010，29(11):63，69-70.

［4］林君，谢宣松.虚拟仪器原理及应用［M］.北京:科学出版社，2006.

［5］王建中，黄林，王伶俐，等.基于LabVIEW 的“马吕斯定律验证”实验［J］.大学物理实验，2011(4):66-69.

［6］刘科，周晓林，万德志，等.基于LabVIEW的大学物理虚拟实验设计［J］.大学物理实验，2011(6):81-85.

［7］管婉青，郭明俊，刘尧，等.基于LabVIEW声速测量系统研究声速与温湿度的关系［J］.物理实验，2013(8):7-10.

［8］刘建苹，林勇，倪志波.基于LabVIEW的烟气流速数据处理方法研究［J］.物理实验，2013(8):10-13.

［9］北京双诺测控技术有限公司，MP420说明书［DB/OL］.http://www.wwlab.com.cn/product/detail.aspx.

［10］范逸之，廖锦棋.Visual Basic硬件设计与开发［M］.北京:清华大学出版社，2004.

［11］张报建，刘淑梅，李名尧，等.基于LabVIEW的打击力测量系统［J］.热加工工艺，2014，43(1):163-165.