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2021-02-04 12:38:06酒店总结
长春理工论文 doc编号本科生毕业Multi-channelDataAcquisitionandP

长春理工论文..doc

编号

本科生毕业Multi-channel Data Acquisition and Processing System

Based on Virtual Instrument technique

学 生 姓名 田建洲 专 业 测控技术与仪器 学 号 0702114/03 指 导 教师 王凌云 学 院 光电工程学院

二〇一一年六月

毕业设计(论文)原创承诺书

1.本人承诺:所呈交的毕业设计(论文)《基于虚拟仪器技术的多通道数据采集与处理系统》,是认真学习理解学校的《长春理工大学本科毕业设计(论文)工作条例》后,在教师的指导下,保质保量独立地完成了任务书中规定的内容,不弄虚作假,不抄袭别人的工作内容。

2.本人在毕业设计(论文)中引用他人的观点和研究成果,均在文中加以注释或以参考文献形式列出,对本文的研究工作做出重要贡献的个人和集体均已在文中注明。

3.在毕业设计(论文)中对侵犯任何方面知识产权的行为,由本人承担相应的法律责任。

4.本人完全了解学校关于保存、使用毕业设计(论文)的规定,即:按照学校要求提交论文和相关材料的印刷本和电子版本;同意学校保留毕业设计(论文)的复印件和电子版本,允许被查阅和借阅;学校可以采用影印、缩印或其他复制手段保存毕业设计(论文),可以公布其中的全部或部分内容。

以上承诺的法律结果将完全由本人承担!

作 者 签 名: 年 月日

摘 要

本论文阐述了测控技术和虚拟仪器技术目前在国内外的发展状况及其未来的发展趋势,介绍了数据采集的相关理论,画出了数据采集系统的硬件结构图。结合数据采集与处理系统所要求的功能,进行软件设计,论文最后一章给出了数据采集与处理系统的程序框图,并介绍了程序所实现的功能。

本设计以三个通道进行设计,从传感器得到的模拟输入信号,经过信号调理,然后输入到一块基于PCI总线的数据采集卡上送入PC机,由软件进行数据处理,包括数据的平均值滤波,采样波形的实时显示,并以一定的时间间隔插入数据库进行历史数据保存,边采集边保存。

关键词:虚拟仪器 LabVIEW 数据采集与处理 数据采集卡

Abstract

This paper expounded the present development and future development trend of virtual instrument and measure and control technology at home and abroad, then introduced the related theory of data collection and drawn the picture of data acquisition system’s hardware structure. Combined with the required functions of data acquisition and processing system, this paper made the software design and given the program diagram of data acquisition and processing system in the last chapter .Besides, it introduced the function that the program can achieve.

Based on three channels, firstly, this system received the analog input signal from the sensor, then input to a piece of data acquisition card which was based on PCI bus, lastly, it input to PC. In this process, data processing can be done by software, it including data average filtering, real-time output of sampling waveform and interval insert database for historical data preservation, the collection and preservation was done at the same time.

Keywords: Virtual Instrument; LabVIEW; Data acquisition and processing ;Data acquisition card

目 录

摘 要 I

Abstract II

第一章 绪 论 1

1.1 研究数据采集与处理系统的背景和意义 1

1.1.1 虚拟仪器的国内外发展现状 2

1.1.2虚拟仪器技术发展趋势 3

1.2主要研究内容 3

第二章 虚拟仪器 4

2.1虚拟仪器技术概述 4

2.1.1 什么是虚拟仪器 4

2.1.2虚拟仪器的特点及优势 4

2.1.3虚拟仪器测试系统的组成 5

2.1.4 虚拟仪器的软件结构 6

2.2虚拟仪器的开发软件 7

2.2.1图形化的开发平台—LabVIEW 7

2.2.2 基于LabVIEW的虚拟仪器程序设计 7

第三章 系统设计理论及硬件平台的实现 9

3.1数据采集理论 9

3.1.1数据采集技术概论 9

3.1.3传感器 11

3.2数据采集卡的选择 12

3.2.1数据采集卡的主要性能指标 12

3.2.2数据采集卡(DAQ卡)的组成 12

3.2.3 NI PCI-6221数据采集卡 13

3.3 多通道数据采集系统总体硬件框图 14

第四章 系统软件的具体实现 15

总 结 20

参 考 文 献 21

致 谢 22

1.1 研究数据采集与处理系统的背景和意义

当今信息技术的三大支柱技术是信息获取技术、通信技术和计算机技术。其中,信息获取技术是信息技术的基础和前提,而数据采集技术是信息获取的主要手段和方法,由此可见数据采集技术是信息技术的重要组成部分之一。数据采集是以传感器技术、测试技术、电子技术和计算机技术等技术为基础的一门综合应用技术。随着计算机技术的发展,数字设备正逐渐取代模拟设备,在生产过程控制和科学研究等领域中,计算机测控技术正发挥着越来越重要的作用。然而,外部世界的大部分信息是连续变化的物理量,如温度、压力、位移、速度等。要将这些信息送入计算机进行处理,必须先将这些连续变化的物理量离散化,并进行量化编码,从而变成数字量,这个过程就是数据采集。计算机的发展赋予数据采集新的意义,被测对象的各物理量经信号调理、采样、量化、编码、传输等步骤,最后送到控制器进行数据处理或存储,此控制器一般均由计算机来承担,计算机成了数据采集系统的核心,它对整个系统进行控制,并对采集的数据进行加工处理。这种用于数据采集的成套设备即称为数据采集系统。数据采集技术是信息科学的一个重要分支,它研究信息数据的采集,存储,处理及控制等工作,它与传感器技术,信号处理技术,计算机技术一起构成了现代检测技术的基础。随着科学技术的发展和数据采集技术的广泛应用,对数据采集许多技术指标,如采样率,分辨率,存储深度,数字信号处理速度,抗干扰能力等方面提出了越来越高的要求。

计算机技术的发展和普及提升了数据采集系统的技术水平。在生产过程中,应用这一系统可对生产现场的工艺参数进行采集、监视和记录,为提高产品质量、降低成本提供信息和手段。在科学研究中,应用数据采集系统可获得大量的动态信息,是研究瞬间物理过程的有力工具。总之,不论在哪个应用领域中,数据的采集与处理越及时,工作效率就越高,取得的经济效益就越大。

数据采集系统的任务,具体地来说,就是采集传感器输出的模拟信号并转换成计算机能识别的数字信号,然后送入计算机进行相应的计算和处理,得到所需的数据。与此同时,将计算得到的数据进行显示和打印,以便实现对某些物理量的监视,其中一部分数据还将被生产过程的计算机控制系统用来控制某些物理量。数据采集系统性能的好坏,主要取决于它的精度和速度。在保证精度的条件下,应有尽可能高的采样速度,以满足实时采集、实时处理和实时控制对速度的要求。

集渗透过程中,与测试技术、仪器仪表技术密切结合孕育出的成果。20世纪80

年代,美国国家仪器公司(National Instruments Corporation 简称NI)首先提出了虚拟仪器的概念。NI提出的“软件就是仪器”的口号,彻底打破了传统仪器只能由生产厂家定义,用户无法改变的局面。虚拟仪器的出现是仪器发展史上的一场革命,代表着仪器发展的最新趋势和新方向,并且是信息技术的重要领域扩充,对科学技术的发展和工业生产将产生不可估量的影响。

从1986年虚拟仪器概念的提出至今,可以分为四个阶段,而这四个阶段又是同步进行的。

第一阶段:

利用计算机增强传统仪器的功能。由于GPIB总线标准的确定,计算机与外部通信成为可能,只需要把传统仪器通过GPIB与RS-232同计算机连接起来,用户就可以用计算机控制仪器。随着计算机系统性价比的不断上升,用以计算机控制测控仪器成为一种趋势。这一阶段虚拟仪器的发展几乎是直线前进的。

第二阶段:

开放式仪器的结构。在一起硬件上出现了两大技术进步,一是插入式的计算机数据采集卡,二是VXI总线标准的确立。这些技术使仪器的构成得以开放,消除了第一阶段内在的由用户定义和供应商定义仪器功能的区别,此阶段是网络化测控系统的初步发展阶段。

第三阶段:

虚拟仪器框架得到了广泛的认同和采用。软件领域面向对象技术把任何用户构建虚拟仪器需要知道的东西封装起来。许多行业标准在硬件和软件领域已产生,几个虚拟仪器平台已经得到认可并逐渐成为虚拟仪器行业的标准工具发展到这一阶段人么也认识到了虚拟仪器软件框架才是数据采集和仪器控制实现自动化的关键。

第四阶段:

在对现代化要求极高的领域,传统的测控系统已经逐渐无法满足用户的要求。许多部门或大型企业迫切要求构建基于Internet或大型局域网的网络化测控系统,即通常所说的分布式测控网络,此阶段是网络化测控系统发展的成熟阶段[2]。

1.1.2虚拟仪器技术发展趋势

虚拟仪器是利用PC 计算机强大的图形环境和在线帮助功能,建立虚拟仪器仪表面板,完成对仪器的控制、数据分析和显示,因而能大幅度降低仪器的价格,同时用户还可以根据自己的需要定义仪器的功能,具有很强的灵活性。虚拟仪器可以广泛应用于电子测量、电力工程、矿产勘探、医疗、振动分析、声学分析、故障诊断及教学科研等方面,市场潜力非常大,是仪器发展的新趋势。

虚拟仪器虽然是新兴的仪器仪表技术,但因为其区别于传统仪器的突出优点,并且由于在昂贵的精密高档仪器方面国内主要依靠进口,因此虚拟仪器已经在国内各个领域得到了越来越广泛应用。

虚拟仪器经过 20 多年的发展,而今正沿着总线与驱动程序标准化、软硬件模块化、编程图形化和硬件模块的即插即用方向发展,以开放式模块化仪器标准为基础的虚拟仪器标准正越来越完善。虚拟仪器技术的发展与计算机技术的发展是同步的,由于计算机技术以及网络技术的飞快发展,所以虚拟仪器一定可以显示出强大的活力。基于目前虚拟仪器的出色表现,我们有理由相信,虚拟仪器技术将在科学技术的各个领域可以更大的作为,在科学发展和工业生产方面将发挥更重要的作用。

1.2主要研究内容

本设计以3个通道进行设计,从传感器来的模拟输入信号,经过信号调理后,输入到一块基于PCI总线的数据采集卡上送入PC机,由软件进行数据处理,包括数据的平均值滤波,采样波形的实时显示,并以一定的时间间隔插入数据库进行历史数据保存,边采集边保存。

第二章 虚拟仪器

2.1虚拟仪器技术概述

2.1.1 什么是虚拟仪器

“虚拟仪器”最先是由美国国家仪器公司(National Instruments)提出的,虚拟仪器是新一代测量仪器。虚拟仪器(Virtual Instrument,简称VI)是基于计算机系统的数字化的测量测试仪器,虚拟仪器充分利用现有计算机资源,并配以独特设计的专用软件和仪器硬件,可以实现普通仪器的全部功能和一些在普通仪器无法实现的特殊功能,经常被称作“软件仪器”[3]。

虚拟仪器是由若干个专门的子单元、多用途计算机、软件结合一定的技术组成的。它在通用计算机上添加一系列软件和必要的仪器硬件模块,使用户操作这台通用计算机就和操作一台专门为自己设计的传统电子仪器一样。它可以利用数据采集模块实现一般测量测试仪器的数据采集功能,利用计算机系统实现一般测量测试仪器的数据分析、输出、显示等功能。虚拟仪器是现代测量技术、计算机技术共同发展的结晶,代表了当今仪器发展的最新趋势。

2.1.2虚拟仪器的特点及优势

和传统相比具有个特点不强调物理上的实现形式虚拟仪器通过软件功能来实现数据采集控制、数据处理分析及数据的显示这部分的物理功能。充分利用计算机系统强大的数据处理能力,在基本的硬件支持下,利用软件完成数据的采集、数据分析和处理以及测试结果的显示等,通过软、硬件的合来实现传统仪器的各种功能 (3)由于虚拟仪器关键在软件,硬件的局限性比较小,所以与其他仪器设备连接比较容易实现。并且虚拟仪器可以方便地与网络、外设及其它应用连接,还可利用网络来进行多用户数据的共享。

 (4)虚拟仪器可实时对数据进行编辑,也可通过计算机总线将数据传输到硬盘或打印机。这样做既解决了数据的传输问题,又充分利用了计算机的存储能力,从而使虚拟仪器几乎具有无限的数据记录容量。

(5)虚拟仪器利用计算机十分强大的图形用户界面,用计算机直接读取数据。根据工程的实际需要,操作人员可以通过软件编程或者采用现有分析软件,实时的对测试数据进行各种数据分析与处理。

(6)虚拟仪器价格较低,而且其基于软件的体系结构大大节省了开发与维护费用。

表1-1 传统仪器与虚拟仪器的比较

传统仪器 虚拟仪器 开发维护费用高 开发维护费用低 技术更新周期长(5~10年) 技术更新周期短(0.5~1年) 硬件是关键 软件是关键 价格昂贵 价格便宜 配置固定、单一 灵活、开放和计算机同步,可重复配置 只可连有限的设备 可用网络联络周边各仪器 功能单一,操作不便 自动化、智能化、多功能、远距离传输 2.1.3虚拟仪器测试系统的组成

虚拟仪器是基于计算机系统的仪器。计算机和仪器的紧密结合是仪器发展的一个主流方向。这种结合共有两种方式,一种是把计算机装入仪器,其典型的例子就是智能化仪器。随着计算机功能的逐渐强大以及其体积的逐渐缩小,此类仪器功能也越来越强大,目前已出现含嵌入式系统的仪器。另一种方式是把仪器装入计算机。以通用的计算机硬件及操作系统为母体,实现各种仪器的功能,虚拟仪器主要指的是这种方式。虚拟仪器的组成和传统仪器一样,主要是由数据采集与控制、数据分析与处理、结果显示这三部分组成,如图2-1所示。

图2-1 虚拟仪器的内部功能划分

对传统仪器而言,这三个部分几乎是由硬件完成的。对于虚拟仪器而言,前一部分是由硬件构成,后两部分主要是由软件实现。与传统仪器相比,虚拟仪器的设计朝着模块化、标准化方向发展,设计需要的工作量大大减小[4]。

通常虚拟仪器测试系统的硬件组成部分是由传感器部件、信号调理以及信号采集部件(如外置或者内置数据采集卡、图形图像的采集卡及摄像机及用于辅助测量的并能与计算机通讯的常规仪器等)、通用计算机和打印机等构成。系统软件部分通常由专用的虚拟仪器的开发语言(如LabVIEW)编写而成,并且可以通过Internet实现网络扩展。

2.1.4 虚拟仪器的软件结构

虚拟仪器技术的核心是软件,其软件基本结构如图2-2所示。用户可以采用各种编程软件来开发自己所需要的应用软件。以美国NI公司的软件产品LabVIEW和LabWindows/CVI为代表的虚拟仪器专用开发平台是当前流行的集成化开发工具。这些软件开发平台提供了强大的仪器软面板设计工具和各种数据处理工具,再加上虚拟仪器硬件厂商提供的各种硬件的驱动程序模块,简化了虚拟仪器的设计工作。随着软件技术的迅速发展,软件开发的模块化、复用化,和各种硬件仪器驱动软件的模块化、标准化,虚拟仪器软件开发将变得更加快速、方便。

图2-2虚拟仪器软件结构

2.2虚拟仪器的开发软件

2.2.1图形化的开发平台—LabVIEW

LabVIEW(Laboratory Virtual Instrument Engineering)是一种图形化的编程语言,它广泛地被学术界、工业界和研究实验室所接受,被视为一个标准的数据采集和仪器控制的软件。LabVIEW集成了与满足GPIB、VXI、RS-232和RS-485等协议的硬件以及数据采集卡通讯的全部功能。它还内置了方便于应用TCP/PI、ActiveX等软件标准的库函数,是一个功能强大并且灵活的软件。利用它可以便捷地建立自己的虚拟仪器,其图形化的界面使编程及使用过程都更形象化[5]。

传统的文本式编程是那种顺序的设计思路,设计者必须写出执行语句。而LabVIEW是基于数据流的工作方法,同时是基于图形化的编程方式,这使得设计者不需要掌握大量的编程语言和程序设计技巧就可以设计出虚拟仪器系统。

目前,在以PC为基础的测试和工控软件中,LabVIEW的市场普及率仅次于C++/C语言。LabVIEW具有一系列独特的优点:首先,LabVIEW作为图形化语言编程,运用流程图式的编程,采用的设备图标与科学家、工程师们习惯的大部分图标几乎一致,这使得编程过程和思维过程十分相似; LabVIEW还提供了专门用于程序开发的工具箱,使得用户可以设置断点,调试过程中能够使用数据探针和动态执行程序来观察数据传输过程,更加便于程序调试。因此,LabVIEW受到越来越多工程师、科学家的普遍青睐。

2.2.2 基于LabVIEW的虚拟仪器程序设计

所有LabVIEW应用程序,即虚拟仪器(VI),包括了前面板(Front Panel)、流程图(Block Diagram)以及图标/连结器(Icon/Connector)这三部分。

(1)前面板。前面板就是图形用户界面,也就是VI的虚拟仪器得面板,这一界面里有用户输入/显示输出两类对象,具体表现有旋钮、开关、图形及其他控制和显示对象。但并不是画出两个控件后程序就可以直接运行,在前面板后还有一个与之对应的程序流程图。

(2)流程图。流程图提供VI的图形化的源程序。在流程图中对VI进行编程,来控制和操纵定义在前面板上的输入与输出功能。流程图中包括前面板中的控件连线端子,还有一些前面板中没有,但编程必须要有的东西,如函数、结构和连线等。

如果把VI与传统仪器相比较,那么前面板中的控件对应的就是传统仪器中的按钮、显示屏之类的控件,而流程图上的连线端子则相当于传统仪器中的硬件电路。在多数情况下,运用VI可以仿真传统仪器,不仅在屏幕上出现一个十分生动的标准仪器面板,而且其功能也和传统标准仪器相差无几。这种设计思想的独特之处体现在两方面:

① 类似流程图的设计理念,很容易被工程人员所接受和掌握,特别是那些缺少程序设计经验的工程人员。

② 设计思路和运行过程清晰且直观。比如通过使用数据探针、高亮执行调试等方法,让程序以较慢的速度运行,使没有执行过的代码显示灰色,执行后的代码会高亮显示,同时实时显示数据流线上的数据值,全程跟踪数据流的运行。这给程序的调试和参数的设定带来许多的方便。

(3)图标/连接设计。这部分的设计更加体现了虚拟仪器的模块化程序设计思想。在设计大型自动检测系统时想一步完成一个复杂系统的设计是十分困难的。而在LabVIEW中提供图标/连接工具,正是为实现模块化设计而准备的。设计者可把一个复杂的系统分为多个子系统,每一个都可完成特定的功能。这样设计的优点体现在以下几方面:

① 把一个复杂系统分为多个简单的子系统,使程序设计思路清晰,给设计者得调试程序带来许多方便。同时也给将来系统的维护提供便利。

② 一个复杂的程序分为多个子系统,每个子系统都是个完整的功能模块,这样就可以把测试功能细节化,便于实现软件的复用,大大节省了软件研发周期,以提高系统设计的可靠性。

③ 便于实现“测试的集成”和“虚拟仪器库”的思想,同时为实现虚拟仪器设计的灵活性提供了有利条件。

第三章 系统设计理论及硬件平台的实现

3.1数据采集理论

虚拟仪器就是利用通用计算机强大的数据处理能力来代替以往需要硬件电路才能完成的功能,所以运行数据采集系统软件的计算机平台的选择十分重要。考虑到数据采集设备通常工业现场运行,常常有比较强的振动、电源干扰与电磁干扰。为了保证系统可靠的运行,设计时选定工业计算机。工业计算机采取了抗干扰措施,有利于计算机平台可靠的运行。另一方面的考虑是工业计算机具有很多类型的接口有利于进一步扩展功能的需要[6]。

本章将主要介绍数据采集技术,传感器,输入信号的分析、调理以及测量系统的选择,下面分别予以说明。

3.1.1数据采集技术概论

在计算机普遍应用的今天,数据采集的重要性是十分显著。它是计算机世界与外部物理世界连接的桥梁。各种类型信号的采集难易程度差别很大。在实际采集时,噪声也会带来一些麻烦。数据采集时,有一些基本原理要明了,还有更多的实际的问题要解决。

近年来,新技术的兴起推进测试技术蓬勃发展,特别在以下几个方面的发展尤为突出:

(1)电路设计的改进。广泛的采用运算放大器和集成电路,大大的简化了测试系统,提高了系统特性。如有效地减小负载效应,线性误差,等等。

(2)新型的传感器层出不穷,可测量增多。当今世界己经拥有极高水平的各种信息技术的电子设备。传感器是信息的源头,只有拥有良好而合适的传感器,才能在非电量的自然界中有效的使用这些设备和技术。有人提出把握了传感器技术,就能把握住新时代。能不能开发出一流的测试装置,关键在于传感器的开发和应用。

(3)广泛应用的信息技术。信息技术,特别是计算机技术与信息处理技术,使测试技术产生了巨大的变化,大幅度的提高了测试系统的精确度、测量能力与工作效率,引进新的分析手段和方法,使测试系统具有实时分析、记忆、校准、自动适应控制和某些补偿能力,朝着智能化方向发展。

(4)多参量测量系统开发。由于各种廉价传感器和实时处理装置的出现,为开发出多传感器和多种参量测试系统提供了可能。这种测量系统能实现多自变量函数的测量,是自动控制系统必不可少的装置,也广泛用于设备的监测和组成或场量的测试。

假设现在对某一模拟信号x(t)每隔△t时间采样一次。时间间隔△t则被称为采样间隔或采样周期。其倒数l/△t被称为采样频率,单位为采样数/每秒。t=0,△t,2△t,3△t……,x(t)的值就被称为采样值。所有x(0),x(△t),x(2△t)都为采样值。这样信号x(t)就可以用一组分散的采样值来表示:

{x(0),x(△t),x(2△t),x(3△t),…,x(k△t),…}

图3-1显示了一个模拟信号与它采样后的采样值。采样间隔是△t,采样点在时域上是离散的。

图3-1 模拟信号采样图

如果对信号x(t)采样N个采样点,那么x(t)就可以用下面的数列表示:

X={x[0],x[l],x[2],x[3],…,x[N-l]}

这个数列被称为信号x(t)的数字化显示或采样显示。这个数列中仅仅用下标变量编制索引,而不含有任何关于采样率(或△t)的信息。所以如果只知道该信号的采样值,并不能知道它的采样率,缺少了时间尺度,也不可能知道信号x(t)的频率。

根据采样定理,最低采样频率必须是信号频率的两倍。反过来说,如果给定采样频率,那么能够正确显示信号而不发生畸变的最大的频率叫做奈奎斯特频率,它是采样频率的一半。如果信号中包含的频率高于奈奎斯特频率的成分,信号将在直流和恩奎斯特频率之间畸变。图3-2和图3-3显示了一个信号分别用合适的采样率与过低的采样率进行采样的结果。

图3-2 合适采样率采样波形

图3-3 采样率过低采样波形

采样率过低的结果是还原的信号的频率看上去和原始信号不同。这种信号畸变叫做混叠。出现的混频偏差是输入信号的频率和最靠近的采样率整数倍的差的绝对值。为避免这种情况的发生,通常在信号被采集(A/D)之前,加入一个低通滤波器,把信号中高于奈奎斯特频率的信号滤去。理论上说,设置采样频率为被采集的信号最高频率成分的2倍就够了,但在实际上工程中选用5-10倍,有时为了更好地还原波形,甚至更高一些。

图 3-4 数据采集结构图

3.1.3传感器

传感器部分是与外界沟通的门户,负责把外界的各种物理信息,例如光、压力、温度、声音等物理信号转变为电信号。因为被测对象的信号来源已经是变换好了的电信号,所以传感器部分在设计中没有得到具体体现,但是传感器部分是设计过程中必需要考虑的。

从传感器得到的信号大部分要经过调理才能进入数据采集设备,信号调理功能包括了放大、隔离、滤波、激励、线性化等等。由于不同传感器有不同的特性,除了一些通用功能外,还要根据具体传感器的特性和要求来设计特殊的信号调理功能。

3.2数据采集卡的选择

数据采集板卡的性能与诸多因素相关,要根据具体情况进行具体分析。所以在选择数据采集卡时,必须对数据采集卡的性能指标有所了解。

3.2.1数据采集卡的主要性能指标

(1)采样频率

采样频率的高低,决定了在一定的时间内获取原始信号信息的多少,为了能够较好的再现原信号,不产生波形失真,采样率必须足够高才行。根据奈奎斯特理论采样频率至少是原信号的2倍,但实际中,一般都需要5~10倍。

(2)采样方法

采集卡通常都有好多数据通道,如果所有的通道都轮流使用同一个放大器和A/D转换器,要比每个通道单独使用各自的通道经济的多,但这仅适用于对时间不是很重要的场合。如果采样系统对时间要求严格,则必须同时采集,这就需要每个通道都有自己的放大和A/D转换器。但是出于成本的考虑,现在普遍流行的是各个数据通道共用一套放大器和A/D转换器。

(3)分辨率

ADC位数越多,分辨率则越高,可区分的电压则越小。例如,三位的A/D转换把模拟电压的范围分成23(8)段,每段用二进制代码在000到111之间表示。因而,数字信号不能真实的反映原始信号,因为一部分信息被漏掉了。如果增加到十二位,代码数会从8增加到212(4096),这样就可以获得十分精确的模拟信号数字化表示。

(4)电压动态范围

电压范围是指ADC能扫描到的最高与最低电压。一般最好能够使进入采集卡的电压范围恰好与其符合,以便利用其可靠的分辨率范围。例如,一个12位多功能DAQ卡,其可选的范围从0到10V,或-5到+5V,其可选增益有1,2,5,10,20,50或100。电压取值范围从0到10V,增益为50,则理想分辨电压是48.8uV。

(5)I/O通道数

该参数表明了数据采集卡所能够采集的最多的信号路数。

3.2.2数据采集卡(DAQ卡)的组成

(1)多路开关。将各路信号轮流切换到放大器的输入端,实现多参数多路信号分时采集。

(2)放大器。将切换进入采集卡的信号放大至需要的量程范围内。通常放大器都是增益可调的,使用者可根据需要来选择不同的增益倍数。

(3)采样保持器。把采集到的信号的瞬时值,保持在A/D转换的过程中不变化。

(4)A/D转换器。将模拟的输入信号转化为数字量进行输出,完成信号幅值的量化。

目前,通常将采样保持器和A/D转换器集成在同一块芯片上。以上四个部分是数据采集卡的重要组成部分,与其他的电路如定时/计数器、总线接口等电路仪器组成DAQ。

那么,在选定了系统平台和传输总线的基础上,面对种类繁多的数据采集设备,我们要针对自己的应用进行硬件选型,选型时我们需要重点考虑如下几个参数。

首先,通道数目,能否满足应用需要。

其次,待测信号的幅度是否在数据采集板卡的信号幅度范围以内。

除此以外,采样率和分辨率也是非常重要的两个参数。采样率决定了数据采集设备的ADC 每秒钟迚行模数转换的次数。采样率越高,给定时间内采集到的数据越多,就能越好地反应原始信号。

根据奈奎斯特采样定理,要在频域还原信号,采样率至少是信号最高频率的2 倍;而要在时域还原信号,则采样率至少应该是信号最高频率的5~10 倍。我们可以根据这样的采样率标准,来选择数据采集设备。分辨率对应的是ADC用来表示模拟信号的位数。分辨率越高,整个信号范围被分割成的区间数目越多,能检测到的信号变化就越小。

因此,当检测声音或振动等微小变化的信号时,通常会选用分辨率高达24bit的数据采集产品。除此以外,动态范围、稳定时间、噪声、通道间转换速率等等,也可能是实际应用中需要考虑的硬件参数。这些参数都可以在产品的规格说明书中查找到。

3.2.3 NI PCI-6221数据采集卡

NI PCI-6221是NI公司的M系列多功能数据采集卡,采用一个A/D转换器,虽然是多路采集,但实际上是分时工作的,所有在多路同时工作时采样率会成倍的降低。该板卡的主要性能如下:

(1) 16路模拟信号的输入通道,采样率(每秒钟采集多少个样点)为250kS/s,电压输入范围为-10V~+10V;

(2) 2路模拟量输出通道,分辨率16位;

(3) 24路数字I/O,数字式触发;

(4) 2个32位的定时计数器;

(5) NI-DAQmx测试软件和硬件配置支持;

(6) NIST校准证书和多于70多种的信号调理模块选择。

本设计选择NI PCI-6221数据采集卡有以下几方面原因:

(1)本设计所采集信号为低频信号,所需的采样率小于250kS/s,所以此数据采集卡能够满足要求;

(2)本设计只采集3路信号,而此数据采集卡所支持的最大通道数是16路,所以此数据采集卡能够满足要求;

(3)本设计所配置的电压输入范围为-5V~+5V,在此数据采集卡所能承受的电压输入范围之内。

基于以上几个原因本设计选择了NI PCI-6221数据采集卡。

3.3 多通道数据采集系统总体硬件框图

整个系统从被测对象开始,通过传感器后转换成电信号,经过信号调理模块进行简单的信号调理,将信号送至数据采集卡进行采集,然后利用软件进行处理。在采集过程中将数据保存,实现了历史数据存储。具体框图见图3-6多通道数据采集系统硬件结构图。

图3-6 多通道数据采集系统硬件结构图

第四章 系统软件的具体实现

本设计以三个通道进行信号采集,从传感器得到的模拟输入信号,经过信号调理,然后输入到一块基于PCI总线的数据采集卡上送入PC机,由软件进行数据处理,包括数据的平均值滤波,采样波形的实时显示,并以一定的时间间隔插入数据库进行历史数据保存,边采集边保存。基于虚拟仪器技术的多通道数据采集与处理系统软件界面如图4-1所示。

图4-1数据采集与处理系统软件界面

数据采集与处理系统的总程序框图如图4-2所示。程序框图中从上到下分别采集三路信号,其中在通道1中采集到正弦信号夹杂着均匀噪声。程序中安放两个示波器,一个显示采集到的波形包含频率和幅值,另一个是显示经过滤波器滤波后的波形,两个示波器加以比较,感性的表现出滤除杂波的效果。滤波后的信号经单频测量vi,信号分离出滤波后的幅值和频率并实时以数字的形式显示,最后存入电子表格,以便以后查看数据。

图4-2数据采集与处理系统的总程序框图

在通道1中,想要对所采集的信号进行滤波处理和信号幅值与频率的分离,必须对其进行配置,配置滤波器的参数如图4-3所示,配置单频测量的参数如图4-4所示。

通道2采集的是三角波信号,我们需要对这个信号进行算术平均值和标准差的计算,找到NI中的数据统计功能,对其进行配置如图4-5所示,,很容易的进行我们所需要的算术运算,勾选其中的选项,接下来进行信号运算后的实时数据显示,方便观察。最后和通道1保存到同一个电子表格中,提供历史数据的查询功能。

在通道3中采集三角波信号,加入一个示波器,方便观察和调节输入信号的幅值和频率,对信号进行均值(直流)和均方根的计算,可以选择信号的幅值和电平测量vi,运算后进行所采集数据的实时显示,最后一起和通道1通道2的数据同时同步的存入到电子表格中。幅值和电平测量的配置如图4-6所示。

图4-3配置滤波器

图4-4 配置单频测量

图4-5配置统计

图4-6 配置幅值和电平测量

数据采集过程中能实时显示测量量,分析后的数据,还能进行数据的存储,本设计中数据存储在E盘data文件夹格式为excel文件名为111,图4-7为调试本设计时所采集和处理后的信号。

图4-7电子表格实时显示与存储

基于虚拟仪器的多通道数据采集与处理系统的功能很强大,操作很简便,图形化的语言使人便于理解,三个通道的数据采集与存储以示波器和电子表格形式表现,使人一目了然。

总 结

本设计在研究虚拟仪器技术的基础上,实现了数据的多通道数据采集与处理,并进行数据的实时显示和存储,本设计大部分工作是程序的编写,所涉及的硬件部分都有现成的,但是对硬件的了解也是必需要做的工作。

数据采集技术是当今信世界息技术的重要组成部分之一,随着科学技术的不断进步,数据采集电子测量技术逐步在各个领域得到了越来越广泛的应用,同时也对数据采集技术提出了越来越高的要求。基于LabVIEW 的数据采集系统是自动测量系统的发展方向。通过这个课题的研究,认识到了虚拟仪器技术在仪器控制、测量测试领域的地位和作用。

多通道数据采集整个系统构建在虚拟仪器的基础上,整个系统从硬件到软件非常合理的表现出了一个数据采集系统的功能和实际应用。

网络技术的飞速发展和远程测试的需要,驱动虚拟仪器网络化方向发展。以PC机或工作站为平台,运用虚拟仪器技术构成实用的测控系统将成为仪器和测试技术发展的一个重要方向。

通过本设计,深刻的认识到了虚拟仪器技术是仪器发展的重要发展方向。虚拟仪器以崭新的模式和强大的功能深入人心。伴随计算机技术和信息技术的发展虚拟仪器必将拓展到各个领域,引起测控仪器的深层次变革。

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致 谢

感谢我的导师王凌云老师的悉心指导。王老师在百忙之中对我的设计给予了热切的关心和指导,对于论文的形成自始至终都给予帮助及督促,万分谢谢!

感谢父母在物质与精神上的支持,对我在学习上的无条件的鼓励。

感谢开创了计算机时代的伟人们。如果没有你们先前的成果,我想我的设计根本是痴人说梦。

感谢学校的图书馆。图书馆为我们提供的丰富资源,节省了我们很多时间,而且创造了安逸的学习环境,非常具有人文气息。

感谢百度公司提供了如此优秀的搜索引擎。使得我设计的很多的问题都可以轻松的愉快的得到解决。

感谢打造了NI开发平台的NI的工程师们,为虚拟仪器设计出了如此完美的开发平台。你们的工作很伟大,很值得我尊敬。

感谢所有我注册的关于虚拟仪器的论坛。通过学习你们的帖子,我知道了怎么去编程,如何完成我的设计,在这里非常感谢版主们的热心帮助,谢谢你们认真的回答了我的每一个细小的问题。你们的业余工作真的很伟大!

感谢LabVIEW QQ交流群里热心的QQ好友,在群里,我认识了很多一起做设计的朋友,还有一些资深工程师,我们一起学习,一起探讨问题,然后一起解决问题,非常感谢你们。

最后感谢我的大学,在我人生的最关键阶段,给我提供了这么好的一个学习环境,让我在这里遇到了负责任有能力的老师,接受了四年的本科教育,丰富了自己的知识。

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