基于LabVIEW的数据采集与处理系统设计

李琳芳,贾芸芳,李国厚

（1.河南科技学院,河南新乡453003；2南开大学,天津300071）

基于LabVIEW的数据采集与处理系统设计

李琳芳1,贾芸芳2,李国厚1

（1.河南科技学院,河南新乡453003；2南开大学,天津300071）

为了提高数据采集系统的开发效率,减少开发成本,以LabVIEW为开发平台,设计了一套数据采集与处理系统.系统以NI-PCI6221作为采集仿真设备,采用模块化和层次化思想,进行了LabVIEW程序设计和界面设计,模拟实验了电压和温度两路信号的数据采集、实时显示、数据存储、数据处理、历史回放功能.实验仿真结果表明,基于LabVIEW的数据采集系统能够有效地实现数据采集以及在线分析处理,此外借助LabVIEW丰富的函数库,易于进行系统功能扩展.

虚拟仪器；LabVIEW；数据采集；NI-PCI6221

数据采集作为信息获取的主要方法,被广泛应用于电力监测、航空航天、生物医学、电子通信等测控领域.随着计算机技术的普及和智能仪器仪表的深入发展,虚拟仪器成为测试领域发展的新兴方向[1].虚拟仪器的概念是由美国NI公司提出来的,它是指用户利用模块化硬件,在通用的计算机平台上,借助软件编程技术,根据自己的需求定义和设计的具有测试功能的仪器系统[2].虚拟仪器的核心思想是“软件即仪器”[3],使用虚拟仪器测控成本低、软件开发周期短、软件功能易于扩展、程序可复用性好.

LabVIEW（Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench）全称实验室虚拟仪器工程平台,是目前应用最广的虚拟仪器开发软件,它是由NI公司在1986年首次推出[4],最新版本为LabVIEW2014. LabVIEW使用图形化编程语言（G语言）编写程序[5],用框图代替了传统的程序代码,编程简单易学、便捷灵活、开发效率高、人机交互交互界面直观友好,是测试工程师进行开发测量和控制的理想选择.本文以LabVIEW为开发平台,研究设计了一套数据采集与处理系统,通过仿真实现了系统的数据采集、存储、处理、显示、回放功能.

1 系统模型

1.1 系统整体架构

基于LabVIEW的数据采集系统结构如图1所示.

图1 LabVIEW数据采集系统Fig.1 LabVIERW data acquisition system

数据采集硬件主要指DAQ设备,硬件驱动程序是连接硬件设备和计算机的特殊程序,保证硬件设备和计算机之间可以进行正常通信,NI公司对旗下的DAQ设备都开发有相应的驱动程序,封装后称为NI-DAQmx.驱动程序用户接口MAX（Measurement and Automation Explorer）,又称测量与自动化管理软件,主要用于对硬件进行配置与测试,本文就是在MAX中配置了硬件仿真设备PCI6221.应用程序LabVIEW提供给用户一个开发平台,用户借此平台完成整个系统的设计.

1.2 PCI-6221简介

NI-PCI6221是一款低价位多功能M系列数据采集板卡,具有单端16路/差分8路模拟输入,分辨率高达16 bit,采样速率为250 KS/s,输入最小电压范围为±200 mV,最大电压范围为±10 V,板上自带4 095字节内存.

2 系统软件设计

2.1 系统功能设计

软件设计是整个系统设计的核心,软件设计部分采用层次化和模块化思想,将整个系统划分分若干模块,模块化的程序结构不但使整个系统清晰明了,而且方便进行程序维护.基于LabVIEW的数据采集系统软件结构如图2所示.该系统软件部分包含了系统启动、用户登录、系统菜单、数据采集、数据处理、数据回放6个功能模块.

图2 系统软件结构Fig.2 System software architecture

2.2 系统界面设计

本文针对6个功能模块分别开发了相应的界面.

2.2.1 系统启动界面 系统启动界面如图3所示.它包含了简单个人信息,绿色横条是系统启动条,显示启动进度,系统100%加载成功后,单击进入登录界面按钮可以跳转到用户登录界面,单击退出启动界面按钮则直接退出系统.

图3 系统启动界面Fig.3 System startup interface

2.2.2 用户登录界面 用户登录界面如图4所示.它要求输入用户名和密码,功能是进行身份认证,认证通过后显示登录成功,一旦登录成功会自动进入到系统菜单界面,如果不能通过认证,只能通过退出按钮来退出系统.

图4 用户登录界面Fig.4 User login interface

2.2.3 系统菜单界面 系统菜单界面如图5所示.它由一列按钮构成,菜单程序运行后按钮被激活,分别单击数据采集、数据处理、数据回放按钮可跳转到对应界面,单击退出按钮返回到菜单按钮被激活前状态.

图5 系统菜单界面Fig.5 System menu interface

2.2.4 数据采集界面 数据采集界面如图6所示.它模拟实现了两路信号的采集,一路是电压信号,一路是温度信号.信号选择开关用于进行信号选择,通过信号选择开关既可以采集单路信号数据,也可以同时采集双路信号数据.针对温度信号设计了温度表盘,可精确显示温度值,另外还设定了温度下限和上限值,将温度限定在一个范围内,一旦超出这个范围,报警指示灯就会亮起来.

数据采集界面包含了一些基本参数设置,此外还有返回和暂停两个按钮,单击暂停按钮,系统暂停连续采集数据,暂停中状态表现为数据信息停留在某一刻,单击返回按钮,可返回至系统菜单界面.

图6 数据采集界面Fig.6 Data acquisition interface

2.2.5 数据处理界面 数据处理界面如图7所示.它包含了电压和温度两路信号,对电压信号分别进行了滤波、频谱分析、峰值压缩,对温度信号进行了均值压缩.此外还有温度表盘、一列选择开关、系统参数配置信息、暂停和返回按钮.

图7 数据处理界面Fig.7 Data processing interface

滤波处理是信号处理中常用的一种手段,对于滤波处理,观察图7,可发现滤波后的电压信号清晰平滑,便于观察.

频谱分析主要是求出信号的频域描述,有助于更全面地认知信号信息,进行信号特征提取.根据奈奎斯特准则,信号带宽小于采样频率的1/2,便能防止出现频谱混叠现象,恢复出原始信号,本文设置采样频率为1 000 Hz.观察图7发现电压幅度谱主要集中在0～50 Hz,这是因为在实际工程中,为了恢复出高保真信号,要求信号带宽小于采样频率的1/10,加之软件仿真环境理想,因此信号幅度谱主要处于50 Hz频段内.

压缩采样是利用算法在保留信号信息的同时进行压缩处理,压缩处理可缩减数据体积,有利于传输.本文对电压信号进行了峰值压缩,对温度信号进行了均值压缩,设置压缩因子均为10,即对于电压信号,每10个采样值中标记出最大值,对于温度信号,每10个采样值中标记出平均值.电压信号峰值压缩后方便获取峰值信息,温度信号均值压缩后方便获取平均温度.

2.2.6 数据回放界面 数据回放界面如图8所示.可以读取之前存储的数据,实现数据再现.通过文件路径找到之前数据所在位置,并通过选择开关按钮选择回放的信号,接着运行系统回放程序,便可观察回放的数据.数据回放界面包含了电压和温度两路信号的回放,回放的数据结果以波形和表格数值两种形式呈现.观察图8发现在电压和温度波形始端有段空白区域,这是由于之前存储的文件中包含一些非数值的说明信息,是不能够被读取的.

图8 数据回放界面Fig.8 Data playback interface

3 小结

虚拟仪器技术是计算机测控领域的前沿技术,本文参阅大量LabVIEW实例,以LabVIEW为平台,进行了虚拟仪器开发.系统硬件部分以NI-PCI6221采集卡作为仿真设备,软件部分借助LabVIEW编写程序模块,模拟实现了两路信号的采集、处理、存储和回放功能.整个设计流畅合理,系统的实现为工程应用实践提供了参考价值和技术指导.

[1]陈庆协.基于LabVIEW的电动机控制保护器远程监控结构系统设计与分析[J].赤峰学院学报:自然科学版,2014,30（11上）：32-33.

[2]Goldberg H.What is virtual instrumentation?[J].Instrumentation&Measurement Magazine,2000（4）：10-13.

[3]李云飞.一种普适虚拟仪器设计方法研究[D].苏州：苏州大学,2009.

[4]陈锡辉,张银鸿.LabVIEW8.20程序设计从入门到精通[M].北京：清华大学出版社,2007：2-5.

[5]Whitley K N,Blackwell A F.Visual programming in the wild：A survey of LabVIEW programmers[J].Journal of Visual Languages &Computing,2001,12（4）：435-472.

（责任编辑：卢奇）

The design of data acquisition and processing system based on LabVIEW

Li Linfang1,Jia Yunfang2,Li Guohou1
（1.Henan Institute of Science and Technology,Xinxiang 453003,China；2.Nankai University,Tianjin 300071,China）

In order to improve the efficiency of data acquisition system and reduce development cost,a data acquisition and processing system was designed based on LabView.The idea of modularization and layering was utilized in this paper,by the use of NI PCI-6221 as a simulator of the data acquiring equipment,dual-channel signal including voltage and the thermocouple temperature,data acquisition,real-time display,data processing,storage and playback can be realized.Simulation results indicated that the data acquisition system based on LabVIEW can effectively implement data acquisition and online analysis.In addition,with the aid of the LabVIEW function library, it's easy to extend system function.

virtual instrument；LabVIEW；data acquisition；NI-PCI6221

TP274

A

：1008-7516（2015）02-0051-05

10.3969/j.issn.1008-7516.2015.02.012

2015-03-09

国家自然科学基金（61371028）；天津市自然科学基金（12JCZDJC22400）

李琳芳（1988―）,女,河南新乡人,硕士,助教.主要从事信号与信息处理研究.

贾芸芳（1974―）,女,天津人,教授,博士生导师.主要从事传感器技术与智能系统研究.