基于LabVIEW的多种通讯方式数采系统*

刘景峰，岳凤英*，冯晓斌，张登山

(1.中北大学计算机与控制工程学院，太原030051; 2.神华神东煤炭集团大柳塔煤矿，陕西榆林719315)



基于LabVIEW的多种通讯方式数采系统*

刘景峰1，岳凤英1*，冯晓斌2，张登山2

(1.中北大学计算机与控制工程学院，太原030051; 2.神华神东煤炭集团大柳塔煤矿，陕西榆林719315)

摘要:在数据采集过程中，采集系统的稳定、高速和远距离可控制等性能是非常重要的。针对该多功能性的要求，对以LabVIEW为软件开发平台的数据采集系统进行了研究。通过以太网和无线两种通讯方式完成了上位机与多路采集系统的数据传输和对采集系统的远程控制，并且系统能够对数据进行预览、存储、回放、预处理等操作。系统还具有自检、复位、存储体擦除等功能。实际应用证明系统可以准确的完成各项功能。

关键词:数据采集系统; LabVIEW;以太网通讯;无线通讯

项目来源:山西省青年基金项目(2012021013－6)

随着测控技术的不断发展，数采系统也在逐渐地发生着变化。传统的数据采集系统由于通讯方式单一、数据传输速度慢、存储体容量小、可控性差、测量精度低以及软件串行通讯编程等缺点已经无法满足现代测控系统的要求［1］。本系统以LabVIEW为上位机开发平台，以FPGA为下位机控制核心，通过上下位机合理的交互控制完成了一套多功能的数采系统［2］。此外，以LabVIEW为软件开发平台，其界面友好、功能丰富、可控性强等优点提高了系统的可控性、可靠性及灵活性，从而增强了测控系统的实际可用性［3］。

1　总体设计

本系统由基于LabVIEW为开发平台的上位机系统与基于FPGA为控制核心的下位机系统两部分组成，系统总体结构如图1所示。由示意图可以看出下位机主要由主控模块、采集模块和存储模块组成，并且所有与上位机的通讯指令均通过主控模块来完成。

图1　系统总体结构

2　系统硬件设计

下位机硬件系统采用型号为EP3C120F484I7 的FPGA芯片作为控制核心，与上位机配合完成整个系统的操作控制。此型号的FPGA具有高性能、低功耗的特点，有助于本系统完成对大数据量的采集。下位机的存储模块采用了8块型号为MT29F128G的FLASH芯片通过和FPGA的配合完成存储体的操作，此芯片单片16 Gbyte的大存储空间也符合系统对大数据量采集的要求。

采集模块各通道根据所测信号的不同通过上位机的配置选择对应的调理电路，然后经过MAX295芯片进行滤波，利用A/D转换器ADS8330完成模数转换，将转换后数据传输至控制器进行数据处理。通讯模块分为以太网通讯和无线通讯两个模块［4－5］，以太网通讯模块采用型号为88E1111的芯片实现数据的高速传输。无线通讯模块通过型号为SI4432的射频收发芯片和型号为MAX485的串口芯片完成了射频通讯与串口通讯的转换，无线模块传输的有效距离为500 m，且传输稳定，达到了系统的要求，保证了系统的远程操控。系统下位机的整体结构如图2所示。

图2　硬件结构图

3　系统软件设计

上位机是采用图形化编程语言LabVIEW开发的系统，主要由通讯方式设置模块、系统标定、数据采集、存储体数据读取、文件格式转换、系统功能操作和数据回放与分析7个功能模块组成，上位机系统设计流程如图3所示。

3.1通讯方式选择模块

当启动系统后首先需要根据整个系统工作环境的具体需要进行通讯方式设置，本系统包括以太网通讯和无线通讯两种通讯方式。

图3　软件设计流程图

3.1.1以太网通讯设计

系统应用的以太网通讯只能是基于底层网络的通讯，但是LabVIEW提供的网络化通讯函数都是经过高度封装化的，所以无法直接对底层网络获取的数据进行解析，也无法监控设备间的数据传输。由于WinPcap作为集成于Windows操作系统的设备驱动程序，可以对从底层网络捕获数据和发送底层数据，所以采用LabVIEW提供的CLF功能通过对WinPcap生成的动态链接库的调用实现了对网络底层的数据通讯。LabVIEW对WinPcap驱动调用的接口函数主要包括以下几种: pcap_findalldevs，用于监听调用函数查找本机可用的网络接口，当不需要时用pcap_freealldevs函数释放空间; pcap_open_ live，用于打开设备进行监听; pcap_next_ex，用于数据包的捕获; pcap_sendpacket，用于数据包的发送。获取以太网端口、以太网数据的发送与接收程序分别如图4～图6所示。此外在网口打开时，通过对pcap_setfilter函数的设置实现了数据过滤功能，使上位机系统只接受符合本系统特定帧格式的数据，这样不但可以提高数据传输的准确性而且也大大提升了上位机处理数据的速度。

图4　获取以太网端口

图5　以太网数据发送

图6　以太网数据接收

3.1.2系统的无线通讯设计

由于下位机的无线通讯模块经过转换以RS485的方式与上位机进行通讯，所以上位机采用LabVIEW自带的串口通讯函数便可完成与无线模块的数据传输［6］。

图7　标定界面

3.2系统标定与数据采集

3.2.1系统标定

系统在对信号进行采集时，由于期间的离散性、电器噪声的影响，难免会引入误差，因此，需要对各通道的实际特性进行标定，然后通过标定系数对采集数据进行补偿来确保采集数据的准确性。但是由于本系统的数据通路很多，所以用传统的标定方法往往耗时很大，为解决此问题，本系统提供了软件标定方法，标定软件界面如图7所示。进行标定时，首先启动程序，对应配置好标定信息，然后将采集模块的输入值对应的输入到软件界面的第一行，然后双击界面，系统会自动的对所有标定通道采集5 ms的数据，然后取平均值显示在输入值下对应的各通道上，同理便可完成所有点的标定，标定完成后通过软件操作自动地计算出各通道的标定系数并将其保存在文件中。实际应用证明此方法不但提高了标定效率，而且保证了标定的准确性。

3.2.2数据采集

在进行数据采集时首先需要对各通道进行配置，配置主要包括对传感器类型、激励源、采样时钟、采样模式、触发方式等进行设置，并且每次配置后下位机可以将配置状态返回给上位机系统并显示在配置界面上［7］，从而实现了整个系统的检测，配置完成后便可进行数据采集，采集后的数据根据采样模式存储到FLASH中或是进行上位机预览。

3.3数据读取和文件转换

由于系统是对大数据量数据进行高速传输，所以数据传输的稳定性至关重要，其直接决定了系统工作的稳定性。为了满足数据的高速传输，系统采用了多线程的编程方式，即数据的读取和保存分别在两个线程中完成，然后由事件结构对其进行控制。在进行数据保存时，系统采用了TDMS格式文件，由于此文件兼顾了高速和易管理的特性［8－9］，所以既保证了数据读取的速度也便于对文件的管理，数据读取的主要程序框图如图8所示。在数据读取过程中，为了保证数据读取的速度和稳定性，未对数据帧进行解析和补偿，所以在数据读取完毕后，可以根据需要对原始数据进行解析和补偿并将其保存成TDMS文件。此外，为了使本系统保存的数据文件与其他软件系统可以通用，还提供了文件格式转换功能，通过转换界面可以将TDMS文件转换成文本文件或二进制文件，并且在转换界面上可以根据需要对通道号和各通道转换时间段进行选择性设置。

图8　数据读取程序框图

3.4系统功能操作

为了在采集过程中有效完成对下位机的控制和上下位机可靠的交互性，系统提供了对下位机进行系统自检、软件复位、存储体擦除等操作功能，从而提高了系统的可靠性与灵活性。

3.5数据回放与分析

3.5.1数据回放

系统可以对TDMS、TXT和DAT 3种格式的数据文件进行回放，通过拖曳的方式可以将需要回放的文件显示在回放界面上。此外，可以根据需要对回放的文件范围、回放速度进行设定，回放过程中可以暂停和停止。若需要对某段数据进行详细查看［10］，系统也提供了放大、缩小、平移和将此段数据保存成文件的功能。

3.5.2数据分析

在进行数据分析时，系统提供了加窗、滑动平均、滤波、重采样、去趋势、拟合、积分和微分等数据预处理方法，根据信号的不同特性采用合适的预处理方法，然后再进行时频域分析，从而保证数据分析的准确性［11］。

图9为原始数据经过滑动平均和加窗预处理后的幅频谱。

图9　数据分析

4　系统测试

由于是对多种信号进行测试，所以在对系统计量时，需要对电压、温度和应变3种信号进行测试。测试的输入值采用计量单位提供的多种高精度装置作为系统的输入真值，测试的数据通过上位机利用系统标定系数对其进行补偿，将补偿后的值作为系统最终的输出值［12］。表1～表3为一个通道对3种信号测试的计量结果。

表1　电压测试数据

表2　温度测试数据

表3　应变测试数据

通过测试结果可以看出，所有信号的测试误差都远在5‰以下，并且用相同的方法对所有通道进行测试，结果均达到了本系统的精度要求。

5　结束语

本系统以LabVIEW为软件开发平台，设计并完成了一套可以同时对多路多种大数据量信号进行采集的数采系统。通过实际应用证明，本系统工作稳定，可以准确地完成对多种信号的采集、存储、分析等功能。此外，本系统采用的两种通讯方式也保证了系统可以实现数据的高速传输和远程控制。

参考文献:

［1］张宇，黄伟志，郝岩.基于LabVIEW的多功能数据采集系统的设计与实现［J］.自动化仪表，2013，34(8) : 24－26.

［2］徐菲，梁志剑，裴东兴，等.基于LabVIEW的多通道数据采集系统［J］.电子测试，2012，(8) : 56－58.

［3］周松，曲兴华，张福民，等.断路器机械磨合试验台测试方法及软件设计［J］.传感技术学报，2007，20(4) : 949－952.

［4］刘龙启，李银.基于LabVIEW的以太网数据监听与通信［J］.国外电子测量技术，2012，31(7) : 62－65.

［5］刘湖平，麦云飞，王静悦.基于LabVIEW和MSP430的CO气体无线监测系统设计［J］.计算机测量与控制，2010，18(9) : 1999－2004.

［6］朱文发，柴晓东，郑树彬，等.基于LabVIEW的惯性测量单元信号采集及处理系统设计［J］.计算机测量与控制，2012，20(6) : 1697－1698.

［7］王恒升，张西伟，胡军科.基于LabVIEW的减振器试验台测控系统设计［J］.电子器件，2006，29(3) : 926－929.

［8］徐航，罗巍.基于嵌入式的多通道高速数据采集系统［J］.自动化与仪器仪表，2013，(1) : 148－150，56－58.

［9］陈树学，刘萱.LabVIEW宝典［M］.北京:电子工业出版社，2011: 162－165.

［10］王力.基于LabVIEW的高速数据采集系统的软硬件设计［D］.南京:南京理工大学，2013.

［11］张宇.基于LabVIEW数据采集与多功能分析系统研究［D］.天津:天津工业大学，2013.

［12］张华，郑宾，武晓栋.基于LabVIEW的温度测试系统［J］.电子器件，2013，36(2) : 243－246.

刘景峰(1988－)，男，满族，辽宁鞍山市人，中北大学硕士研究生，主要研究方向为动态测试与智能仪器，liujingfeng1988@ 126.com;

岳凤英(1977－)，女，汉族，山西省太原市人，中北大学副教授，博士，主要研究方向为测试计量技术及仪器、传感器与微机电技术(MEMS)、惯性导航，yuefy_2008@ 163.com。

Design and Implementation of Storage System Based on FPGA*

LI Jiachao，MENG Lingjun*，ZHOU Zhili，HAN Zhaohui
(North University of China，National Key Laboratory for Electronic Measurement Technology，Taiyuan 030051，China)

Abstract:In order to solve the technical problems about NAND Flash in telemetry field，the design of Interleave Two-Plane page program and the feature of the three common methods of the remaining capacity measurement were explicated in detail.A method of the remaining capacity measurement based on the dichotomy was introduced.And then a data storage system with the function of continuous recording when power is resumed was presented.The design method with the feasibility，high efficiency and precision up to 10－4must have a good promotional value.

Key words:NAND Flash; Interleave Two-Plane; Page Program; dichotomy; storage system

中图分类号:TP274

文献标识码:A

文章编号:1005－9490(2015) 03－0582－06

收稿日期:2014－07－11修改日期: 2014－08－07

doi:EEACC: 128510.3969/j.issn.1005－9490.2015.03.022