丁宗玲，吳明在，葉 柳，楊 群，孫 進(jìn)，李愛霞

(安徽大學(xué)，安徽 合肥 230061)

LabVIEW是一種程序開發(fā)環(huán)境，由美國(guó)國(guó)家儀器(NI)公司研制開發(fā)，類似于C和BASIC開發(fā)環(huán)境，但是LabVIEW與其他計(jì)算機(jī)語(yǔ)言的顯著區(qū)別是:其他計(jì)算機(jī)語(yǔ)言都是采用基于文本的語(yǔ)言產(chǎn)生代碼，而LabVIEW使用的是圖形化編輯語(yǔ)言G編寫程序，產(chǎn)生的程序是框圖的形式。它提供很多外觀與傳統(tǒng)儀器(如示波器、萬(wàn)用表、數(shù)碼顯示管、壓力表、溫度計(jì)等)類似的控件，可用來(lái)方便地創(chuàng)建用戶界面［1-4］。LabVIEW軟件最初是為測(cè)試測(cè)量而設(shè)計(jì)的，因而測(cè)試測(cè)量也正是目前LabVIEW最廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域。經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，LabVIEW在測(cè)試測(cè)量領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用和認(rèn)可。目前，大多數(shù)主流的測(cè)試儀器、數(shù)據(jù)采集設(shè)備都擁有專門的LabVIEW驅(qū)動(dòng)程序，使用Lab-VIEW可以非常便捷的控制這些硬件設(shè)備。

研究人員可以利用LabVIEW內(nèi)部高性能的模塊化硬件，結(jié)合高效靈活的軟件和設(shè)計(jì)思想來(lái)完成各種測(cè)試、測(cè)量和自動(dòng)化應(yīng)用，與傳統(tǒng)的測(cè)量?jī)x器相比，使用LabVIEW軟件編寫程序具有成本低、功能強(qiáng)大、集成度高、可見即所得、質(zhì)量可靠、維護(hù)方便等眾多優(yōu)點(diǎn)，能很方便地組建測(cè)試系統(tǒng)和處理系統(tǒng)，滿足多種測(cè)量要求［5-8］。因此，基于虛擬儀器技術(shù)，利用LabVIEW語(yǔ)言進(jìn)行信號(hào)采集系統(tǒng)的研制具有重要意義。

文章中采用北京雙諾測(cè)控技術(shù)有限公司生產(chǎn)的USB系列的MP420采集卡為例，首先介紹了該采集卡的性能和操作事項(xiàng);然后，采用廠家提供的.dll文件結(jié)合LabVIEW軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)采集卡的驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)和采集程序設(shè)計(jì);再次，以采集實(shí)驗(yàn)室運(yùn)行過(guò)程中的高溫爐溫度進(jìn)行采集實(shí)驗(yàn)，并且實(shí)時(shí)進(jìn)行采集數(shù)據(jù)的某些平滑處理，并在.txt文件中保存處理前和處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比。實(shí)驗(yàn)過(guò)程和對(duì)比結(jié)果表明，利用LabVIEW語(yǔ)言進(jìn)行信號(hào)采集、處理系統(tǒng)是十分方便的，可以方便的移植到其他實(shí)驗(yàn)室信號(hào)采集過(guò)程中去。通過(guò)本虛擬儀器的編程，可以為高等學(xué)校學(xué)生的物理實(shí)驗(yàn)過(guò)程提供有效的技術(shù)手段，拓寬學(xué)生的視野和激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)先進(jìn)軟件的興趣。

1 硬件系統(tǒng)簡(jiǎn)介

1.1 試驗(yàn)系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，所需要的硬件設(shè)施為:MP420采集卡，電加熱爐，電腦，同軸電纜線，直流24 V電源，K型熱電偶，200 Ω電阻等。熱電偶通過(guò)24 V直流電源供電，+24 V連接熱電偶的“+”端，接地端通過(guò)200 Ω電阻連接熱電偶的“-”端，MP420采集200 Ω電阻兩端的電壓值。因?yàn)椴捎玫氖荎型熱電偶其測(cè)量量程為0～600°，輸出電流為4～20 mA值，因此其電壓值為0.8～4 V之間，因此選擇采集卡量程為0-+5 V檔位。采集卡的USB接口連接筆記本電腦進(jìn)行采集卡的供電和數(shù)據(jù)的采集、處理、顯示與保存。熱電偶采集裝置距離電加熱絲爐面約為15 mm。其系統(tǒng)示意圖見圖1。

圖1 試驗(yàn)系統(tǒng)示意圖

1.2 MP420-USB采集卡簡(jiǎn)介

在虛擬儀器LabVIEW中應(yīng)用的數(shù)據(jù)采集卡有兩種:NI公司生產(chǎn)的數(shù)據(jù)采集卡和非NI公司生產(chǎn)的數(shù)據(jù)采集卡，前者兼容性非常好，但是價(jià)格比較高。后者需要自己開發(fā)驅(qū)動(dòng)程序等，但是價(jià)格相對(duì)低廉。根據(jù)本文實(shí)驗(yàn)要求，選擇了北京雙諾有限公司生產(chǎn)的MP420數(shù)據(jù)采集卡(外觀見圖2)。它是一款USB2.0總線12位中速采集模塊，具有16路模擬輸入(接線圖見圖3)，支持即插即用、實(shí)時(shí)采集，可以采用內(nèi)、外部觸發(fā)采集模式。控制接口采用Cypress公司的CY68013芯片，內(nèi)置 512K Byte DFIFO，數(shù)據(jù)自動(dòng)傳輸［9］。

圖2 MP420采集卡外觀照片

圖3 MP420接口通道示意

MP420采集卡包括16個(gè)模擬輸入通道和1個(gè)外觸發(fā)通道，采集電壓可以通過(guò)軟件控制選擇:5 V/10 V/±5 V。其轉(zhuǎn)換精度為12位AD(Analog/Digital)，最大采樣速度可達(dá)333KHz，系統(tǒng)精度為:±0.1%FSR(Full Scale Range)完全滿足實(shí)驗(yàn)室日常實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的數(shù)據(jù)采集情況。本實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，所要采集的是實(shí)驗(yàn)室電爐絲溫度從室溫開始至穩(wěn)定狀態(tài)的溫度，因此不存在負(fù)值，所以選擇的量程為10 V。同時(shí)，采集卡內(nèi)部已經(jīng)定義了接口函數(shù)只需要按照步驟調(diào)用即可，各個(gè)控制參數(shù)的定義、控制量值意義及本實(shí)驗(yàn)中所選則的控制參數(shù)值如表1中所述。

表1 MP420采集卡參數(shù)定義及作用

需要注意的是AD采樣的數(shù)據(jù)按從stch開始到endch結(jié)束的通道掃描順序，循環(huán)存放，每一個(gè)16位采樣結(jié)果按低8位在前，高8位在后的順序排列，如下:

stch，stch+1，….，endch，…….stch，..，endch，…… 結(jié)束

實(shí)驗(yàn)中選擇了gain=2，即:0-+5 V量程，因此采樣對(duì)應(yīng)的電壓轉(zhuǎn)化公式為:電壓=data*5000.0/4095.0 mV，其中 data為采樣讀取的12位轉(zhuǎn)換數(shù)組。系統(tǒng)采樣頻率為:f=4000/tdata kHz=4000/20000 kHz=0.2 kHz，即0.005 s采集一個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，1 s時(shí)間采集200個(gè)值，實(shí)驗(yàn)中設(shè)置1s出一次結(jié)果即200個(gè)采樣數(shù)組值的平均值。

2 程序設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的任務(wù)就是傳感器從被測(cè)對(duì)象獲取有用信息，并將其輸出信號(hào)換算為計(jì)算機(jī)可以識(shí)別的數(shù)字信號(hào)，然后送入計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理得到所需的數(shù)據(jù)。同時(shí)，可以將數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示、存儲(chǔ)或打印，以便實(shí)現(xiàn)對(duì)某些物理量的監(jiān)視。因此一個(gè)完整的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)需要包含:1)數(shù)據(jù)采集;2)信號(hào)調(diào)理;3)二次數(shù)據(jù)計(jì)算;4)數(shù)據(jù)顯示;5)數(shù)據(jù)存儲(chǔ);6)打印輸出;7)人機(jī)聯(lián)系，等幾個(gè)功能。本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)軟件的思路流程，見圖4。

圖4 軟件系統(tǒng)運(yùn)行流程圖

2.1 信號(hào)采集程序設(shè)計(jì)

非NI公司生產(chǎn)的數(shù)據(jù)采集卡往往需要解決LabVIEW軟件與數(shù)據(jù)采集卡的兼容性問(wèn)題，利用LabVIEW驅(qū)動(dòng)普通數(shù)據(jù)采集卡可以分為以下三種方法，即:直接調(diào)LabVIEW的端口操作圖標(biāo)、利用CIN圖標(biāo)調(diào)用C語(yǔ)言驅(qū)動(dòng)程序及動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)交換(DDE)技術(shù)。在本實(shí)驗(yàn)中，采用了調(diào)用CIN圖標(biāo)進(jìn)行編程(見圖5)，該操作可以方便的設(shè)置每一個(gè)函數(shù)的輸入、輸出參數(shù)。設(shè)置完成以后的各個(gè)函數(shù)，見圖6:(1)打開采集卡設(shè)備;(2)設(shè)置采集卡屬性參數(shù);(3)讀取采集數(shù)組;(4)停止采集卡采集;(5)退出數(shù)據(jù)采集卡。

圖5 調(diào)用CIN圖標(biāo)驅(qū)動(dòng)編程

圖6 根據(jù)MP420.dll完成的子vi

根據(jù)以上分析，數(shù)據(jù)采集是按照以上(1)到(5)的步驟進(jìn)行的，因此采用“平鋪式順序結(jié)構(gòu)”子控件進(jìn)行采集與處理的順序進(jìn)行?！捌戒伿巾樞蚪Y(jié)構(gòu)”控件分為三步走，第一步是打開MP420采集卡設(shè)備;第二步是進(jìn)行采集卡的設(shè)置、采樣、讀取和處理，讀取完畢以后要暫停采集卡讀取;第三步是運(yùn)行完畢關(guān)閉采集卡設(shè)備。如需繼續(xù)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集過(guò)程則一直處于第二步運(yùn)行過(guò)程中直到點(diǎn)擊按鈕退出程序。

2.2 信號(hào)處理程序設(shè)計(jì)

在系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集過(guò)程中，噪聲是不可避免的現(xiàn)象。消除噪聲的方法:一種是可以通過(guò)硬件濾波卡濾除特定頻率以上的信號(hào)噪聲［10］，使其不會(huì)干擾到數(shù)據(jù)的采集，但是其使用存在要求。另一種是通過(guò)數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)降低噪聲干擾，其可靠性高，無(wú)需硬件及阻抗匹配［11］，如:信號(hào)平均方法，滑動(dòng)濾波方法，小波變換等。

信號(hào)平均方法一般是采用將N次信號(hào)做相加后再除以N，這樣就可以有效的降低噪聲的干擾，而將信號(hào)中固有的成分凸顯出來(lái)。平均的次數(shù)越多，越能夠顯示固有的信號(hào)而降低噪聲的成分。在文章中所述的溫度采集系統(tǒng)中所使用的是對(duì)采樣信號(hào)的200次平均。同時(shí)，為了消除系統(tǒng)對(duì)周期性干擾的抑制作用，采樣13個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)的平滑處理。把連續(xù)取N個(gè)采樣值看成一個(gè)隊(duì)列，隊(duì)列的長(zhǎng)度固定為N，每次采樣到一個(gè)新數(shù)據(jù)放入隊(duì)尾，并扔掉原來(lái)隊(duì)首的一次數(shù)據(jù).(先進(jìn)先出原則)，把隊(duì)列中的N個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行算術(shù)平均運(yùn)算，就可獲得新的濾波結(jié)果。圖7為所使用的數(shù)據(jù)處理框圖，其中(1)為采樣信號(hào)經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為有效數(shù)據(jù)，(2)為采用的200次數(shù)據(jù)平均框圖，(3)為采用的13點(diǎn)滑動(dòng)平均框圖。

圖7 數(shù)據(jù)處理框圖

圖8 基于MP420的LabVIEW軟件系統(tǒng)前面板

編寫的LabVIEW軟件運(yùn)行前面板見圖8，主要包括了:數(shù)據(jù)采集卡的基本量控制(起始通道、終止通道、量程選擇、采樣頻率、模式選擇、觸發(fā)設(shè)置、觸發(fā)邊沿等)，采樣數(shù)據(jù)處理前后的框圖顯示、溫度計(jì)顯示、高溫報(bào)警上限、紅燈報(bào)警和聲音報(bào)警，日期顯示和開始采集、退出程序按鈕等。

3 結(jié) 果

通過(guò)以上電加熱絲溫度采集系統(tǒng)采集到的數(shù)據(jù)見圖9。其中點(diǎn)線為原始未經(jīng)處理的溫度數(shù)據(jù)，實(shí)線為經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理以后的溫度數(shù)據(jù)，下部點(diǎn)直線為兩者的比較差值，其最小值為-9.42，最大值為8.91，可以看出以上處理是合乎信號(hào)處理要求的，并未對(duì)實(shí)際信號(hào)趨勢(shì)造成影響。圖中1，2，3為不同的加熱時(shí)長(zhǎng)所對(duì)應(yīng)的采樣數(shù)據(jù)變化趨勢(shì)，與電加熱爐通電即加熱的過(guò)程基本分析是一致的。

圖9 溫度采集的原始數(shù)據(jù)和處理后的數(shù)據(jù)對(duì)比(其中1、2、3為電加熱絲通電加熱不同時(shí)間的狀態(tài))

4 結(jié) 論

以LabVIEW為平臺(tái)，開發(fā)完成了以國(guó)產(chǎn)數(shù)據(jù)采集卡為例的電加熱絲溫度采集測(cè)量處理系統(tǒng)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明所涉及的軟件系統(tǒng)是完全滿足實(shí)驗(yàn)室測(cè)量要求的。因此，通過(guò)LabVIEW圖形化編程和傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)相結(jié)合，不僅可使課堂教學(xué)更加生動(dòng)，效果更好，更直觀，而且可以充分發(fā)揮學(xué)生的積極性和創(chuàng)造性，提高學(xué)生的動(dòng)手能力，達(dá)到提高教學(xué)質(zhì)量的目的。此外，還可以讓學(xué)生在利用LabVIEW在現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上自行設(shè)計(jì)新的實(shí)驗(yàn)，增強(qiáng)動(dòng)手能力和開闊思維，培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)和創(chuàng)新能力。

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