一种基于LabVIEW的数据采集系统的实现∗

2019-03-01刘小虎

舰船电子工程 2019年2期

刘小虎唐勇

（1.海军工程大学电气工程学院武汉 430033）（2.武汉东湖学院机电工程学院武汉 430212）

1 引言

LaVIEW是一种图形化开发环境，在数据测量与分析以及控制领域使用十分广泛，它的功能十分强大且易于上手［1］。其功能包括数值运算、数据采集、数据处理、信号生成、信号分析、数据通信、图像生成等。与传统编程采取的文本相比，LabVIEW视同图形语言G语言编程，界面友好直观，是一种直觉式图形程序语言［2］。基于上述LabVIEW的特性，本文以LabVIEW作为开发环境设计制作了数据采集系统的上位机软件，并使用自主研发的采集设备作为相应的下位机系统。整个数据采集系统主要由上述两部分组成，本文主要介绍了上位机设计实现方法，并在实际测试中进行了性能检验。两者采用UDP协议进行数据通信。

2 上位机总体设计

根据分析地震数据所需的要求，上位机的主要功能包括数据显示、UDP网络通信、网络参数设置、采集参数设置、标定参数设置、数据存储位置设置、运行日志等。

图1 上位机主界面

其中数据存储和数据显示本上位机的核心功能，UDP网络通信实现上位机和下位机之间的数据交互，相关参数设置功能用来配置相关设备信息。本上位机数据显示的主要功能是用来实时显示地震波数据波形图，故在布局上分为两大部分，如图1所示，左侧为实时波形显示部分，右侧从上至下包括通信指示灯、摆位信号指针、GPS信息以及地震波形图调节按钮和旋钮。

3 UDP网络通信协议

目前网络运输层采用的主要传输控制协议（TCP）和用户数据报协议（UDP）［3］，其中TCP是面向连接的协议，两个使用TCP的应用在彼此交换数据之前需建立连接，传输延迟较大，同时TCP不支持广播和组播，不能满足本套数据采集系统的要求；而UDP是一个简单的面向数据报的运输协议，通信时直接向网络端发送数据，在传输过程中不关注网络状态，能够支持广播和组播。

为了实现多机同时监测一台地震仪，并且使接入到网络的上位机直接获取网络中的地震数据，本文采用UDP协议的方式来进行通信。本文使用的通信协议的一部分如图2所示。

图2 通信协议（部分）

4 地震数据存储协议

为了便于后期对地震数据的分析和处理，本文采用了由港震公司开发的数字遥测地震台网系统的地震波形数据格式EDAS。

图3 EDAS格式示意图

数据采用二进制进行存储，如图3所示，当只有一台地震仪时，数据从91D4开始记录：标志位91D4-91D7：0表示数据正常，1表示数据异常；91D8起分别是第一秒第一个通道的数据（块长为采样率×4字节），第二个通道数据，第三个通道数据；然后是第二秒的数据。

按照该数据格式，存储的地震数据可在后期使用特定的软件工具进行相关的数据分析和处理，从而节省自己编写分析软件的工作量。

5 FIR滤波器的设计

无限长单位抽样响应（FiniteImpulse Response，FIR）数字滤波器具有系统稳定性，易于满足线性相位、允许设计多通带或多阻带滤波器和硬件实现容易等特点，在通信、雷达、生物医学、地震勘探等领域得到广泛的应用［4］。Matlab是美国MathWorks公司推出的用于工程计算的功能强大的软件，是“数字信号处理”等学科技术实现和仿真的重要平台［5］。Matlab中fdatool工具箱可以简便快捷地设计出符合采集地震数据要求的FIR数字滤波器。

通过地震仪采集的地震数据是有环境等干扰因素的，故而会产生噪声。为了去掉噪声对实时波形图显示以及后期数据处理的影响，本文基于Matlab中fdatool工具箱，如图4所示，设计了一个FIR滤波器滤除高频噪声的影响。

图4 Fdatool工具箱

6 上位机软件

上位机主程序分为两个线程，一个是用于响应各个菜单、按钮、旋钮等事件的定时循环结构，另一个是用于接收数据并进行滤波、显示和存储的定时循环结构。其运行流程图如图5所示。

上位机运行后，当数据线程接收启动信号，将进行网络连接，连接成功进入5ms定时循环进行数据接收和处理，在数据处理时可以通过停止按钮来终止该5ms定时循环，否则重置上位机并报相应的错误，再次等待启动信号，数据线程LabVIEW程序图（部分）如图6所示；事件线程将等待按钮、菜单、旋钮等事件、事件发生后处理相应事件，并再次等待事件发生，事件线程LabVIEW程序图（部分）如图7所示。

图5 上位机结构

图6 数据线程

图7 事件线程

7 结语

为了使结果更加直观，本文使用信号发生器产生正弦波信号，通过采集设备采集发送给上位机实时显示波形，如图8所示。同时，本上位机还将采集的正弦波形进行了存储，图9为使用专用软件打开的存储文件所得到的正弦波形。最后，本文还测试了FIR滤波器的性能，先使用信号发生器产生一个低频正弦波，再产生一个高频正弦波，之后恢复到之前的低频正弦波，如图10所示，该FIR滤波器能有效的滤除信号中的高频信号。