基于labview的数据采集系统设计

基于labview的数据采集系统设计内容摘要：

次数，是数据采集卡的重要技术指标。 为了使采样后输出的离散时间序列信号能无失真地复现原输入信号，由 采样定理可知采样频率 maxf 的 2倍，否则会出现频率混淆误差。 实际系统为了保证数据采样精度，一般有下列关系： sf =（ 7~10） maxf N 式中， N为多通道采集系统的通道数。  分辨率与位数 n 分辨率是指 A/D 转换器所能分辨模拟输入信号的最小变化量。 设 A/D 转换器的位数n，满量程电 压为 FSR，则 A/D 转换器的分辨率定义为 分辨率 =1LSB=nFSR2 式中 1LSB 即为量化单位，可以看出 A/D 转换器分辨率的高低取决于位数的多少。 D/A 模数转换部分  分辨率：当输入数字发生单位数码变化，即 1LSB 时，所对应输出模拟量的变化量，通常也是用 D/A 转换数 n表示。  标称满量程：指相当于数字量标称值 2n 的模拟输出量。  响应时间。 指数字 量变化后，输出模拟量稳定到相应数值范围内（ LSB21 ） S所经历的时间。 数据采集卡的选择与使用 （ 1）数据采集卡的选择 现在市场上数据采集卡的种类繁多，如何选择一个适合测量要求的数据采集卡则成了首要的步骤，也是得到满意的测量结果的重要一步。 首先，选择数据采集卡接口方式。 从数据传输可靠性和速度角度考虑，首选 PCI 总线接口方式。 在工业领域，为了达到 ％的数据可靠性，需要选择 CompactPCI总线接口方式，常 有 3U和 5U 两种物理形式。 如果需要测量系统具有即插即用或者追求便携性，则可以考虑 USB 总线的接口类型。 其次，确定输入和输出指标。 这些指标包括：输入和输出的模拟量精度和速率；输入和输出的数字量电平和要求；输入和输出的数字传输协议方式。 模拟量采样有高精度和高速率两个方向，如果对测量系统的要求很高，可以将二者结合起来，选择高速率和高精度数据采集卡。 然而高精度和高速率在一块数据采集卡上往往不能兼顾其两者的性能，所以选择时要折中考虑。 武汉工程大学邮电与信息工程学院 毕业设计（论文） 8 这里还要讨论下选择时对数据采集卡精度的理解。 精度是反映一个实际 n位 A/D转换器 与一个理想 n位 A/D 转换器差距的重要指标之一。 为分绝对精度和相对精度两种。 通常以误差的形式来给出精度。 但是精度和分辨率是两个不太那个的概念。 精度是指转换后所得结果相对于实际值的准确度；分辨率是指转换器所能分辨的模拟信号的最小变化值。 如果对于同一 n 位分辨率的不同数据采集卡，其精度是不同的，这就是精度和分辨率概念不同的所在。 例如，一块具有 12 位 A/D 转换的数据采集卡，它的最佳分辨率就是 1221 = 40961 ，也就是说，当输入电压范围为  10V（即 PPV =20V）时，它能分辨的最小电压就是 409620V =。 理论上，分辨率越高，分割信号的点就越密，从而还原出来的信号也就越真事、越平滑。 而绝对精度的概念是指测量值和“真实”值之间的最大 偏差的绝对值，在待测信号进入模数转换器之前，它还必须经过数据采集板上的多路转换器（ MUX），可编程增益放大器等其他的器件。 在这个过程中都可能引入随即噪声，并且随着时间、温度变化参考源所发生的漂移，以及增益前后引入的非线性误差等，都会对测量结果产生影响，综合以上各种误差就是我们所说的绝对精度。 因此对于用户而言，选择时，除了 A/D 转换器的位数，更重要的是了解自己所选数据采集卡的绝对精度指标。 以免所选的具有高分辨率的数据采集卡的精度不如一块具有低分辨率的数据采集卡的精度。 最后，选择驱动软件和数据采集处理软件 的编程语言。 目前市场上的数据采集卡都有专门配套的驱动程序，甚至有的驱动程序可以在不同的高级语言中被调用，就可以实现数据采集卡的知识与数据传输。 这就在使用上大大减少了使用的难度以及复杂性。 而测量系统界面的开发可以使用 VB、 VC、 LabVIEW、 C/C++、 Bordland C++ Builder、 Java等来编写数据控制处理软件。 （ 2）数据采集卡的使用 数据采集卡使用是否得当，也是造成其使用寿命长短以及影响测量系统精度的一个重要方面。 数据采集卡的售价较高，所以使用中对其保护也是应该考虑的。 在高电压测量中，脉冲电流会将数据采集卡打坏。 虽然数据采集卡本身带有一些保护电路，但从安全与保护方面考虑，还是应该采取一些保护措施。 可以在模拟信号的输入部分采用电压跟随器，以起到缓冲和隔离。 在数字信号的输出部分采用光电隔离，以免高电压串入，导致数据采集卡的损坏。 在测量时，各种内、外部因素都会影响到测量的精度。 测量误差的来源是很多方面的，内部因素除了数据采集卡 A/D 转换器本身的各种误差外，前端的信号调理和整个板卡的布局都会影响到总的测量精度。 此外，还有大量的外部因素，如：环境的噪声、工作温度、电磁干扰、数据采集卡进行多路采集 时各通道间信号的耦合等。 所以，在数据采集卡使用中，要做好系统的冷却和散热。 一些专业的测量总线标准，如 PXI 总线，在冷却和散热方面作了严格的规范。 另外，选择高质量的电缆，如屏蔽电武汉工程大学邮电与信息工程学院 毕业设计（论文） 9 缆或同轴电缆，和合适的连接方式，可以有效地去除电线源噪声、电磁干扰噪声以及可以减小因数据采集卡多路测量通道耦合所带来的信号失真。 数据采集卡的连接方式以及各种不同连接方式之间的差异。 当数据采集卡采用单端输入时，是判断信号与 GND 的电压差；采用差分输入时，是判断两个信号线的电压差。 信号受干扰时，差分输入的两线会同时受影响，但是电压差 变化不大，即抗干扰性较好。 而单端输入时，只有一条接线变化，而 GND 不变，所以电压变化较大，则抗干扰性差。 虚拟仪器的介绍 虚拟仪器的概念与特点 虚拟仪器 (Virtual Instruments)，简称 VI，是通用计算机平台上 ,根据用户需求定义和设计仪器的测试功能，使用户在操作这台仪器室。 随着计算机技术的飞速发展，计算机与传统的仪器仪表结合成为一种趋势，其强大的功能是传统仪器所无法比拟的；虚拟仪器是在通用计算机平台上，用户根据自己的需求来定义和设计测试功能的仪器系统。 也就是说虚拟仪器是由用 户利用一些基本硬件及软件编程技术组成的各种各样的仪器系统。 概括的说，它主要有一下特点： 软件是虚拟仪器的核心。 虚拟仪器的硬件确立后，它的功能，如抗混淆滤波、小波分析等软件就是仪器。 虚拟仪器的性价比高。 一方面，虚拟仪器能同时对多个参数进行实时高效的测量，同时，由于信号的传送和数据的处理几乎都是靠数字信号或软件来实现的，所以还大大降低了环境干扰和系统误差的影响。 此外，用户也可以随时根据需要调整虚拟仪器的功能，大大缩短了仪器在改变测量对象时的更新周期；另一方面，采用虚拟仪器还可以减少测试系统 的硬件环节，从而降低系统的开发成本和维护成本，一次，应用虚拟仪器比传统仪器经济。 虚拟仪器具有良好的人机界面。 虚拟仪器具有和其它设备互联的能力。 如和 VXI 总线或现场总线等的接口能力，此外，还可以将虚拟仪器接入网络，如 INTRANET 等，以实现对现场生产的监控和管理。 作为新型仪器，它有许多传统仪器无法比拟的地方。 这使得虚拟仪器的应用领域非常广泛。 虚拟仪器的优势 虚拟仪器相比于传统能够一起具有明显的优势，如下表 11： 武汉工程大学邮电与信息工程学院 毕业设计（论文） 10 表 11 传统仪器和虚拟仪器的对比 传统 仪器 虚拟仪器 功能由仪器厂商定义 功能由用户自己定义 与其它仪器设备的连接十分有限 可方便地与网络外设及各种仪器连接 图形界面小，人工读取数据信息量小 界面图形化，计算机直接读取数据并分析处理 数据无法编辑 数据可编辑、存储、打印 硬件是关键部分 软件是关键部分 价格昂贵 价格低廉，是串通一气的五至 十分之一 系统封闭、功能固定、可扩展性差 甚至计算机技术开放的功能模块可构成多种仪器 技术更新慢 技术更新快 开发和维护费用高 甚至软件体系的结构可大大 节省开发费用 虚拟仪器的组成原理 虚拟仪器充分利用了当代先进的科技产品和技术，如计算机、模块化的数据采集调理电路及总线技术等。 虚拟仪器主要由硬件和软件两大部分组成。 从 下图 可以看出它主要由硬件和软件两大部分组成。 图 武汉工程大学邮电与信息工程学院 毕业设计（论文） 11 （ 1）虚拟仪器的硬件 硬件是虚拟仪器工作的基础，它主要功能是完成对被测信号的采集、传输和显示测量的结果。 虚拟仪器的硬件主要由计算机和信号采集调理部件组成的，其中 计算机包括微处理器、存储器和显示器等，它主要用来提供实时高效的数据处理性能。 而信号采集调理部件可以是 GPIB 仪器模块、 VXI 仪器模块、 PXI 仪器模块或数据采集卡，它主要用来采集、传输信号。 目前用得比较多的是数据采集卡和 VXI 仪器模块，尤其是数据采集卡特别为广大科技人员所钟爱。 （ 2）虚拟仪器的软件 虚拟仪器软件组成有两部分：应用程序和 I／ O 接口仪器驱动程序。 其中应用程序包含两方面内容：一部分是实现虚拟面板功能和定义测试功能流程图软件程序。 另一部分是 I／ O接口仪器驱动程序实现特定外部硬件设备的扩展， 驱动和通信。 虚拟仪器软件开发工具有如下两类： 文本式编程语言：如 Visual C++， Visual Basic， LabWindows／ CVI等 图形化编程语言：如用 NI 公司的 labview（ Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench，实验室虚拟仪器工作平台）或 HP 公司的 VEE等这些软件开发工具为用户设计虚拟仪器应用软件提供了方便的条件和良好的开发环境。 本论文中采用LabVIEW 设计虚拟仪器。 采用图形化编程的优势是软件开发周 期短、编程容易，特别适合不具有专业编程水平的工程技术人员使用。 作为一种流行的 G语言，使用 LabVlEW 时，基本上不用编写程序代码，而是通过画程序流程图来实现具体功能。 它有如下特点： 丰富的数据采集，分析以及存储库函数 继承并发展了传统程序调试手段。 提供设置断点，单步运行等调试方法。 同时提 供动画式程序运行，便于观察运行时的细节。 提供支持 PCI， GPIB， PXI， VXI， RS,232／ 485， USB 等多种总线标准的功能函数， 使得驱动不同总线标准的设备接口更为简 便。 ④ 32位编译器编译生成 32 位编译程序，保证用户程序执行速度。 ⑤ 提供与外部代码或软件链接的机制，如 DLL， DDE 等。 ⑥ 支持常用网络协议，便于远程测控仪器的开发。 ⑦ 有运行于 Windows， UNIX 和 Linux 的多种版本。 LabVIEW 的开发环境 LabVIEW 设计的程序称为虚拟仪器程序 (Vietual Instrument，简称 VI)，主要由三部分组成：前面板 (Panel)，框图程序 (Diagram Programme)和图标／连接端口 (Icon／Terminal)。 武汉工程大学邮电与信息工程学院 毕业设计（论文） 12 （ 1）前面板设计窗口 前面板设计窗口是与用户直接接触的图形用户界面，即是 VI的虚拟仪器面板。 界面上有用户输入控制，输出显示两大类对象，用于模拟真实仪表的外观。 这些对象被称为控件 (Contr01)，指 示器 (Indicator)和装饰 (Decoration)。 控件：控件是用户设置和修改 VI 程序输入量的接口，用于设置输入数据。 在某种意义上可被类比于 C语言中的输入语句。 用户可以通过使用滑动条，开关，按钮等。 可通过鼠标和键盘更改控件中的数值，就像操作真实仪器一样。 指示器：指示器用于显示由 VI程序运行产生的数据，类似于 C语言的输出语句。 装饰：装饰没有实质性作用，只是让前面板更美观。 在装饰子模板中，有各种装饰图形。 也可以直接将外部图片（ JPEG 或者 BMP）粘贴到前面板中作 为装饰。 （ 2）框图程序编辑窗口 每一个前面板都是有一个框图程序与之对应的。 框图程序用图形化编辑语言 (G 语言 )进行编写。 可以理解成传统编程语言中的源代码。 框图程序由端口，节点，框图和连线构成。 端口：节点与节点之间，节点与前面板对象之间是通过数据端口和数据连线来进行数据传递的。 端口是数据在前面板对象与框图程序之间交换数据的接口，是数据在框图程序内节点之间传输的接口， LabVIEW 有三种类型的端口：前面板对象端口，全局变量与局部变量端口以及常量端口。 前面板对象端口用于 与前面板上控件和显示器传递数据，是前面板对像与程序框图之间交换数据的接口。 在程序框图中，每一个前面板对象又有一个唯一的端口且名称与前面板对象的名称相同。 当。