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基于LabWindows/CVI的光纖高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計

2017-07-05 17:29鄭魯平陳連忠董永暉
電子技術(shù)與軟件工程 2017年12期
關(guān)鍵詞:虛擬儀器

鄭魯平++陳連忠++董永暉

摘 要介紹了虛擬儀器開發(fā)平臺圖形化編程語言LabWindows/CVI為基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成, 并基于光纖通信網(wǎng)絡(luò)對一種高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計。多路數(shù)據(jù)采集與光纖通信網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合,使得高速數(shù)據(jù)采集能力得到大幅提高,具有操作方便, 采集精度高等特點。

【關(guān)鍵詞】LabWindows/CVI 虛擬儀器 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) 光纖通信網(wǎng)絡(luò)

虛擬儀器主要由計算機(jī)、虛擬儀器軟件及儀器硬件3 部分組成。虛擬儀器應(yīng)用軟件集成了信息采集、測試控制、數(shù)據(jù)分析、結(jié)果顯示輸出和用戶界面等功能, LabWindows/CVI是NI 公司推出的交互式C 語言開發(fā)平臺。它的交互式開發(fā)平臺、交互式編程方法、豐富的功能面板和函數(shù)庫為C 語言的開發(fā)人員建立自動化檢測系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和過程等系統(tǒng)控制提供了理想的軟件開發(fā)環(huán)境,它具有十分強大的功能,如數(shù)值運算、信號處理、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)采集以及圖形獲取和傳輸?shù)取?光纖通信即以光纖為傳輸介質(zhì),通過光波復(fù)用手段提高數(shù)據(jù)采集及傳輸速率,且放大光波有效實現(xiàn)傳輸距離的增長。本文介紹了用LabWindows/CVI 結(jié)合光纖通信系統(tǒng)開發(fā)高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的方法和步驟。

1 數(shù)據(jù)采集的原理

數(shù)據(jù)采集是指將溫度、壓力、流量、位移等模擬量采集轉(zhuǎn)換成數(shù)字量后,再由計算機(jī)進(jìn)行存儲、處理、顯示或打印的過程。首先由傳感器感測到要采集的物理信號,然后把感測到的信號傳給變送器,由變送器把物理信號轉(zhuǎn)換成采集卡可以采集的電壓或電流信號,采集卡經(jīng)過放大、采樣保持、A/D轉(zhuǎn)換等過程后發(fā)給計算機(jī),計算機(jī)經(jīng)過LabWindows/CVI的軟件編程后把采集到的信號顯示出來。

2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

2.1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的工作流程

(1)將傳感器測量的被測信號轉(zhuǎn)換為電信號;

(2)信號處理電路將傳感器輸出的電信號進(jìn)行整形、轉(zhuǎn)換、濾波處理,變成標(biāo)準(zhǔn)信號;

(3)數(shù)據(jù)采集卡采集信號處理電路的電壓或電流信號,并轉(zhuǎn)換為計算機(jī)能處理的數(shù)字信號;

(4)通過設(shè)備驅(qū)動程序,數(shù)字信號進(jìn)入計算機(jī);

(5)LabWindows/CVI平臺下,調(diào)用信號處理子模板,編寫儀器功能流程、功能算法,設(shè)計虛擬儀器前面板;

(6)形成具有不同儀器功能的應(yīng)用程序。

2.2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件組成

設(shè)備的基本結(jié)構(gòu)包括數(shù)模轉(zhuǎn)換(D/A)、數(shù)字(I/O)、定時器(timer)和計數(shù)器( counter)。數(shù)據(jù)采集卡由多路開關(guān)、放大器、采樣/保持器、A/D 轉(zhuǎn)換器組成。在數(shù)據(jù)采集之前,程序?qū)Σ杉蹇ǔ跏蓟?,板卡上和?nèi)存中的Buffer 是數(shù)據(jù)采集存儲的中間環(huán)節(jié)。采集卡都有多個模入通道,但共用一套A/D,在A/D之前有一個多路開關(guān)以及放大器、采樣保持器等,通過這個開關(guān)的掃描切換,實現(xiàn)多通道的采樣。多通道的采樣方式有3種:循環(huán)采樣、同步采樣和間隔采樣。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件開發(fā)選用LabWindows/CVI ,該平臺提供的控制庫(包括開關(guān)、旋鈕、圖表等)可以很容易地設(shè)計出符合實際要求、界面新穎美觀的操作界面。另外,LabWindows/CVI 提供了豐富的庫函數(shù)用于數(shù)據(jù)獲取、數(shù)據(jù)處理和顯示等功能,這為開發(fā)不同的應(yīng)用軟件帶來了極大的方便。當(dāng)用戶為采集過程編寫程序時并不需要了解復(fù)雜的硬件知識和控制細(xì)節(jié), 用戶可以直接使用廠商提供的上層用戶函數(shù),例如創(chuàng)建設(shè)備對象句柄的函數(shù)、初始化設(shè)備的函數(shù)、讀取AD數(shù)據(jù)函數(shù)等等,這些函數(shù)也就是數(shù)據(jù)采集卡的驅(qū)動程序。

數(shù)據(jù)采集軟件的主要功能可以分為:采集數(shù)據(jù)、顯示數(shù)據(jù)、記錄數(shù)據(jù)、分析數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)回放。采集數(shù)據(jù)主要完成數(shù)據(jù)采集的控制,包括觸發(fā)控制、通道控制、時基控制等;顯示數(shù)據(jù)是將采集到的信號實時顯示到軟件界面,包括信號的幅度、頻率信息等;記錄數(shù)據(jù)是將實時采集到的信號數(shù)據(jù)記錄到硬盤上并自動生成數(shù)據(jù)文件進(jìn)行保存;分析數(shù)據(jù)是在采集結(jié)束后,將采集到的信號數(shù)據(jù)根據(jù)實際要求進(jìn)行處理、運算和圖表顯示;數(shù)據(jù)回放是在任意時間可以將數(shù)據(jù)采集生成的相關(guān)數(shù)據(jù)文件調(diào)用,生成與采集時相同的曲線和報表。

4 數(shù)據(jù)的光纖傳輸

光纖通信網(wǎng)絡(luò)與數(shù)據(jù)采集模塊共同組成高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),光纖通信網(wǎng)絡(luò)的主要作用是將采集模塊所采集的相關(guān)數(shù)據(jù)信息及時向上位機(jī)傳輸。數(shù)據(jù)高速傳輸,需有較大的總線傳輸容量,且還必須保證外界噪聲不會影響到該系統(tǒng)。應(yīng)用光纖通信網(wǎng)絡(luò)可以完成以上數(shù)據(jù)采集及傳輸?shù)男枨?。光纖通信網(wǎng)絡(luò)在高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的應(yīng)用優(yōu)勢主要包括:

(1)光波傳輸容量較大、頻率較高。

(2)具有良好保密性,不會受到電磁干擾。

(3)信號不輕易衰減,具有較長的中繼距離。

(4)低廉、豐富的光纖材料來源,能夠節(jié)省眾多有色金屬,且光纖材料重量輕、直徑小,并具有良好地可撓性。

光纖通信網(wǎng)絡(luò)前端采集模塊在模擬濾波、采樣完成后,通過處理器實現(xiàn)信號的傳輸,處理器按照系統(tǒng)自帶的通信協(xié)議指令函數(shù)庫將數(shù)據(jù)以以太網(wǎng)數(shù)據(jù)的形式輸出,采用電光調(diào)制模塊將采集到的數(shù)字信號進(jìn)行成光信號的轉(zhuǎn)換,并于光纖通信網(wǎng)絡(luò)中實施加載,再采用光纖通信網(wǎng)絡(luò)將所采集的數(shù)據(jù)傳輸至高速數(shù)據(jù)主控制系統(tǒng)中。

5 結(jié)束語

在本數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計中,用LabWindows/CVI 開發(fā)的應(yīng)用程序?qū)崿F(xiàn)了計算機(jī)與采集卡之間的通信,為搭建全自動的大規(guī)模測試與控制系統(tǒng)奠定了基礎(chǔ),節(jié)省了工作時間與成本,提高了測量準(zhǔn)確率與系統(tǒng)的可靠性,有利于設(shè)備的生產(chǎn)和調(diào)試。系統(tǒng)通過多路數(shù)據(jù)采集方式,并與光纖通信網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合,使得高速數(shù)據(jù)采集能力得到大幅提高。結(jié)果顯示,高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可完成多通道高速的數(shù)據(jù)采集,通過光纖通信網(wǎng)絡(luò)還可對系統(tǒng)上機(jī)位完成數(shù)據(jù)的采集與傳輸工作。

參考文獻(xiàn)

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[2]姜光.基于LabVIEW 原理數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的實現(xiàn)和研究[J].河北工程技術(shù)高等??茖W(xué)校學(xué)報,2012.

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[4]江楠,周鵬.光纖通信網(wǎng)絡(luò)在高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].電子科技,2015.

作者單位

中國航天空氣動力技術(shù)研究院 北京市 100074

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