基于Labview的多通道数据采集系统设计

孙春虎，方愿捷



基于Labview的多通道数据采集系统设计

孙春虎，方愿捷

围绕多通道数据采集系统，提出了基于Labview的多通道数据采集系统设计，该采集系统主要由硬件系统和Labview软件系统组成。硬件系统主要介绍了调理电路与数据采集卡选型；软件系统重点介绍了数据采集、滤波与存储，通道波形回放，模拟信号输出三个模块的Labview程序设计。所设计的系统能够为各种现场的多通道数据采集系统提供一定的指导作用与实践参考。

DAQ-mx数据采集; Butterworth滤波;TDMS存储; TDMS读取; Labview编程

传统的多通道数据采集系统数据采集模块通常通道数较少，上位机控制与读写较复杂，而且上位机程序设计也较难。针对这些问题，美国NI公司生产的数据采集卡和Labview软件很好的解决了这些问题。NI公司的数据采集卡提供了PCI、USB、PXI三种接口和NI-DAQ-mx以及NI-VISA工具包以供上位机进行采样控制与读写。Labview作为一种图形化的编程语言，编程简单，利用DAQ-mx函数和VISA函数可实现数据的采样与读写控制[1]；内置的巴特沃斯滤波器具有数字滤波作用；利用TDMS文件可以进行快速而简单的数据文件读写且占用存储空间较二进制文件小；内置的波形生成模块经数据采集卡模拟量输出口可输出任意的控制波形；Labview所提供的编程工具极大的简化了上位机程序的设计。因此，本文数据采集模块选用NI公司的数据采集卡，上位机程序采用Labview进行编程。本文为多通道数据采集系统设计提供了一定的参考，具有一定的应用价值。

1 硬件系统设计

所设计的多通道数据采集系统硬件框图[2]如图1所示，该系统主要由传感器部分、多路模拟开关、调理电路、数据采集卡和上位机组成。其中调理模块和数据采集卡的选择是硬件设计的重点。

图1 多通道数据采集系统硬件框图

1．1 调理电路设计

通常不同的传感器需要专门的信号调理电路，当系统传感器较多时，对应的信号调理电路数量必定增多，从而使系统变得庞大、可靠性低、成本高。为了简化调理电路的设计，美国NI公司开发出了一套能够调理多种传感器信号、通用性较强的信号调理模块(SCXI系列模块和SCC系列模块)。SCXI[3]是用于测量和自动化系统的高性能信号调理和开关平台，无论是测量传感器或原始信号、产生电压或电流、监控数字线，SCXI数据采集硬件都可为所有信号调理和切换需求提供一个简单、集成的平台。SCC[4]是针对基于PC测量和自动化系统所使用的高度模块化、低成本的信号调理系统。SCC提供了一个紧凑、便携式的系统，以便进行单/双通道信号调理和连接。SCC系统可以调节热电偶信号、RTD、加速计、应变片、隔离模拟输入、0-20mA电流以及高电压输入,还提供光隔离数字I/O，低通滤波器和频率-电压转换模块，具有较好的信号放大与滤波效果[3]。结合调理需求和成本，本文选用NI-SCC系列调理模块。

1．2 数据采集卡选型

数据采集卡的作用有：A/D转换、D/A转换、I/O数字通信和计数功能，其中最主要的作用还A/D转换。NI公司的数据采集卡按接口类型的不同可分为PXI、PCI、USB三种系列。前两种主要侧重台式计算机程序设计，USB接口主要方便笔记本程序开发。比如USB-6008含有8路模拟输入(12位,10 kS/s)、2路模拟输出 (12位,150S/s)、12路数字I/O和32位计数器。本文选用低成本的USB接口数据采集卡。

2 软件系统设计

2．1 数据采集

关于数据采集，Labview提供了多种数据采集方式，如In Port和Out Port vi方式、CIN方式、CLF方式、DAQ-mx函数方式。这里采用应用最广泛的DAQ-mx采集方式。DAQ-mx函数模块主要包含创建虚拟通道vi、读取vi、写入vi、定时vi、配置输入缓冲区vi、开始任务vi、清除任务vi。数据采集与滤波的前面板如图2所示。通过图2可以选择输入通道、设置采样最大值和最小值、设置采样率、设置每通道采样数、设置输入缓冲区大小。数据采集[5]、滤波与存储的程序框图如图3所示。首先，创建虚拟通道vi根据采集信号的类型设置为模拟电压输入，定时vi设为采样时钟；接着应用配置输入缓冲区vi对输入缓冲区进行设置；然后采集任务开始；任务开始后，通过While循环结构和读取vi不停的进行采样，这里读取vi属性设置为模拟1D波形N通道N采样，这样采样所得的数据类型将是包含多种波形数据的簇数据，借助索引数据函数对簇数据进行分解，即可得到各通道的波形数据。

图2 数据采集与滤波前面板

图3 数据采集、滤波与存储程序框图

2.2 数据滤波

通过数据采集卡采集的数据难免会含有高频干扰信号，因此我们必须设置滤波模块以滤除高频干扰信号。关于数据滤波文献6[6]提出了图4所示的数据采集、滤波与存储的程序框图，主要采用的滤波原理为计数滤波。该程序框图的确简洁且易于设计，但也存在一定的局限性。首先计数滤波的采样对象必须为方波信号，若是其他类型的信号，此滤波方法将无效；其次图中计数器只能对单通道进行计数采样而不能实现多通道采样，这意味着当采样通道数较多时，程序框图也将变得复杂起来。由于Labview自带了巴特沃斯滤波器，从而可以简化滤波电路的设计，滤波电路前面板和程序框图见图2、图3。通过图2可以设置滤波器的滤波阶数、采样频率、滤波器类型、高截止频率和低截止频率；由图3可以看出，读取vi所采样的数据直接送入巴特沃斯滤波器，滤波后的数据一方面用于数据实时的监测显示，另一方面用于存储以便进行数据波形的回放。

图4 数据采集、滤波与存储程序框图

2.3 数据存储

Labview为用户提供了二进制、文本和TDMS三种文件存储方式。文本文件通用、简单且易用，但读写速度比较慢慢，不适合于高速数据记录；二进制文件由于其高速、高效的特点在高速流盘、安全存取方面应用广泛，但由于其无法被常用的字符处理程序直接读取，因此无法便捷地查看数据，而只能通过专用的应用程序读取，编程复杂； TDMS文件是如今NI公司主推的一种二进制记录文件，它具有高速、易存取、方便、占用存储空间较二进制文件小等多种优势，能够在NI的各种数据分析或挖掘软件之间进行无缝交互，此外还提供一系列API函数，极大地简化了数据存储的编程[7]。这里数据存储采用TDMS文件方式。

两通道的TDMS文件存储的程序框图如图3所示。 首先通过文件对话框设置文件存储的路径， 然后TDMS打开函数准备文件存储， 接着通过TDMS写函数向TDMS文件写入数据。由于DAQmx读取函数属性设置的是N通道N采样，因此，必须借助索引函数将所得簇数据进行分解，从而得到对应的两通道的数据并同时送入TDMS写函数数据口。

2.4 通道波形回放

通道波形回放程序的主要目的是回放某一通道的历史波形数据，以便进行数据分析与处理，其前面板和程序框图如图5、图6所示。图5通道波形回放按钮控制波形回放的开和关，通过输入变量tdms文件名可以对任意通道的变量波形进行回放。

图5 通道波形回放前面板

图6中当波形回放按钮打开时，可对指定的变量tdms文件进行读取并回放波形，当发生读错误或通道波形回放按钮关闭时，该程序将停止运行。

图6 通道波形回放程序框图

2.5 模拟信号输出

实际应用中，有时上位机需要产生模拟信号用于控制一些特定的设备，那么上位机必须产生对应的数字信号。数据采集卡利用D/A转换将上位机发送的数字信号转换为实际的模拟控制信号，再通过模拟量输出口输出给设备的控制部分。模拟信号输出程序的前面板如图7、图8所示。由图7可以设置输出模拟量的最大值和最小值，模拟量输出通道的选择以及模拟量停止输出。

图7 模拟信号输出前面板

图8中的仿真信号模块可以产生控制设备所需的各种信号，该程序框图[8]根据设定的大小输出值，将给定的仿真信号送到指定模拟输出通道口内，再通过D/A转换，变为所需的模拟控制信号输出。

图8 模拟信号输出程序框图

3 结论

本文所设计的多通道数据采集系统能实现对多通道的采样，能对任一通道数据进行实时波形显示；滤波器的引入消除了高频干扰对采样波形的影响；同时可以对所有通道的数据进行TDMS文件存储并实现任一通道数据的波形回放功能；该系统还可以输出模拟控制信号以控制外部设备。所设计的多通道数据采集系统具有一定的参考与应用价值。

[1] 张重雄.虚拟仪器技术分析与设计[M].北京:电子工业出版社,2008.

[2] 王建华.基于Labview的多通道数据采集系统的设计[D].镇江:江苏科技大学,2009:6-7.

[3] NI官网. SCXI高性能信号调理模块[EB/OL].http://sine.ni.com/np/app/main/p/bot/no/ap/daq/lang/zhs/pg/1/sn/n17:daq,n21:11,n24:SCXI/

[4] NI官网. SCC高性能信号调理模块[EB/OL].http://www.cechina.cn/Company/40017_20227/productdetail.aspx

[5] 张荣.基于DAQmx驱动与Labview的数据采集系统设计[J].计算机应用与软件,2011,28(3):180-182.

[6] 张楠,杨建武.Labview计数滤波器在信号降噪中的应用[J].微计算机信息,2009,25(10):77-79.

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

[8] 石川,张林娜.基于Labview的数据采集与信号处理系统的设计[J].机械设计与制造,2009,5(5):21-23.

责任编辑：刘海涛

TP274

A

1673-1794(2016)05-0075-03

孙春虎，巢湖学院机械与电子工程学院助教，硕士；方愿捷，巢湖学院机械与电子工程学院(安徽 巢湖 238000)。

2014-07-18