1、基于Labview的数据采集系统设计毕业设计 武汉工程大学邮电与信息工程学院毕业设计（论 文）说明书论文题目 基于Labview的数据采集系统设计 摘 要 本设计介绍了一种基于Labview编程软件的数据采集系统设计方案。Labview是一种图形化的编程语言和开发环境，它广泛地被工业界、学术界和研究实验室所接受，被公认为是标准的数据采集和仪器控制软件。Labview尽可能利用工程技术人员所熟悉的术语、图标和概念，是一种面向最终用户的开发工具，增强了工程人员构建自己的科学和工程系统的能力，为实现仪器编程和数据采集系统提供了方便的途径。该设计系统是以阿尔泰公司的数据采集卡PCI-8602为硬件平台
2、，对数据进行实时的高效保存。实验结果表明，该系统能够有效的完成对信号的实时采集，存储、信号分析和实时图形显示等功能，同时该实验结果也表明，该系统具有程序设计简单、通用性好、可移植性高、界面设计简单大方、易于操作等优点。关键词：Labview；数据采集；PCI-8062Abstract This design introduces a design scheme of data acquisition system based on Labview programming software. Labview is a graphical programming language and deve
3、lopment environment, it is widely accepted by the industry, academia and research laboratory, is recognized as the standard of data acquisition and instrument control software. Labview as far as possible using the engineering and technical personnel are familiar with the terms, ICONS and concepts, i
4、s a development tool for the end user, enhances the engineering personnels ability to build your own system of science and engineering, in order to realize instrument programming and data acquisition system provides a convenient way. The design system is based on the altai companys data acquisition
5、card PCI - 8602 for the hardware platform, the data stored in real-time and efficiently. The experimental results show that the system can effectively complete the signal of real-time acquisition, storage, signal analysis and real-time graphic display function, at the same time the experimental resu
6、lts also show that the system has a simple programming, good versatility, high portability, simple interface design generous, easy to operate, etc.Keywords：Labview；data collection；PCI-8602第一章 绪论1.1背景 随着计算机技术和智能仪器仪表的深入发展，数据采集处理技术作为数字信号处理的前期工作之一，被广泛应用于军事、工业、通信、消费电子、医疗等测控领域。然而当今的测控领域面临三大挑战:测控成本不断增加；测控系
7、统越来越庞大；对测控投资的保护要求越来越强烈。面对这些挑战，用户最可能的做法是选用标准化硬件平台。硬件的标准化可以部分降低测试成本，但作用是非常有限的，而使用虚拟仪器则可以大大缩短用户软件的开发周期，增加程序的可复用性，从而降低测控成本，而且由于虚拟仪器是基于模块化软件标准的开发系统，用户可以选择最合适于其应用要求的任何测试硬件。 而Labview作为第一个借助于虚拟面板用户界面和方框图建立虚拟仪器的图形程序设计系统，它广泛地被工业界、学术界和研究实验室所接受，被视为一个标准的数据采集仪器和仪器控制软件。Labview是美国国家一起公司开发的机遇图形编译语言（G语言）的实验室虚拟仪器集成环境，
8、它具有十分强大的功能，包括函数数值运算、数据采集、数据分析、信号生成、信号处理、输入/输出控制，以及图像获取、处理和传输等等。与传统编程编程采取的文本语言相比，Labview使用图形语言G语言，界面友好直观，都是人们熟悉的开关、旋钮、波形图等，是一种直觉式图形程序语言。传统的编程语言如C、Fortran等用于虚拟仪器控制，需要工程人员有相当丰富的编程经验，他们必须将自己有关仪器和应用的知识转化成一行行的程序代码，以形成程序测试。而Labview编程无须太多的编程经验，只要以很直觉的方式建立前面板人机界面和方块图程序，便可完成编程过程，这样就可以使没有丰富编程经验的工程师从繁重的程序文字编码中解
9、脱出来，把更多的精力放在试验和测试上。不像传统的编程语言程序必须逐行地执行，Labview的执行顺序是依方块图间数据的传递来决定的，因此可以设计出可同时执行多个程序的流程图。数据采集是Labview的核心技术之一。Labview提供了与NI公司的数据采集硬件相配的丰富软件资源，使得它能够方便地将现实世界中各种物理量数据采集到计算机中，从而为计算机在测量领域发挥其强大的功能奠定了基础。数据采集是所有测试测量的首要工作，实验测试产品的物理信号通过传感器转换为电压或者电流一流的电流号，然后通过数据采集卡将电信号采集传入PC机，借助软件控制数据采集卡进行数据分析、处理，Labview以其简便的程序编写
10、、不同数据采集卡的支持、强大的数据处理、友好的人机界面使其成为控制、开发数据采集卡的最佳软件。1.2国内外技术现状虚拟仪器的突出特点之一在于在很大程度上用系统软件的升级替代了仪器设备硬件的更换,这将节省大量的资金投入,代表了仪器仪表技术的发展方向。目前,虚拟仪器技术在国外已经得到了长足的发展,但是在国内,虚拟仪器技术的开发和应用尚属于起步阶段。如今,虚拟仪器已在超大规模集成电路测试、模拟/数字电路测试、现代家用电器测试、电子元件、电力电子器件测试以及军事、航天、生物医学、工厂测试、电工技术等领域的可移动式现场测试工作中得到应用。贾佳基于虚拟仪器的PCI8735数据采集系统，利用Labview提
11、供的动态链接库调用函数完成了数据采集卡的驱动，实现了数据实时显示、通道上限设定、超限报警指示灯和数据存储控制等功能。赵易彬等人利用NI公司的NI PCI-MIO-16E多功能数据采集卡对一种新型高效除雾器进行设置和测试。曾璐等人利用美国LabJack公司研发、生产的产品LabJack U12及仪器开发软件Labview开发出了一套性价比较高的数据采集系统。向科峰利用具有16路单端/8路差分模拟输入，采样率可达200K/V，转换精度为16位，输入范围可从（）（）V，具有8条（5V/TTL）数字I/O线，两个2位定时器的PCI6013完成了数据采集系统的研究与设计。任璐娟等人采用虚拟仪器（Labv
12、iew）和高速数字化仪NI PCI5124设计了一种可以长时间连续采集、实时存储的数据采集系统。孟武胜等人采用研华推出的一种高性能多功能的数据采集卡PCI818L及Labview的数据处理完成了对信号的采集、处理、显示、存储和回放。张军峰等人采用研华公司推出的具有16位高速ADC采样速率可达100KS/s的高速数据采集卡PCI816以及借助Labview软件实现了对模拟信号的高速数据采集，并将采集结果以图形显示出来。任何基于虚拟仪器技术的设备仍然需要利用数据采集卡实现数据的采集工作,以供系统进行进一步的分析处理。1.3数据采集技术的介绍 数据采集，是利用某种设备从系统外部采集数据并输入到系统内
13、部的某接口。该技术被广泛采用于各个领域。如摄像头，麦克风都是一种常用于日常生活的数据采集设备。被采集的数据是已被转换为电信号的各种物理量，如温度，水位，风速，压力等，其形式可以是模拟量，也可以是数字量。 数据采集过程的第一步是将连续变换的模拟线号在时域上离散化，也就是采样。采样过程中，由于对连续信号采样会出现频率混叠的问题，从而会导致得到的信号失真。第二步是将得到的时间离散，幅值连续的信号转变为时间幅度上均为离散的数字信号，即量化。量化，将引入量化噪声，当信噪比过小时，无法从量化后的信号内恢复原始信号。 要将数据采集到计算机里，并对其进行合理的组织，需要构建一个完整的数据采集（Data AcQ
14、uisition，DAQ）系统。它包括：传感器和变换器、信号调理设备、数据采集卡（或装置）、驱动程序、硬件配置管理软件、应用软件和计算机等。使用不同的传感器和变换器可以测量各种不同的物理量，并将它们转换为电信号；信号调理设备可以对采集到的电信号进行加工，使它们适合数据采集卡等设备的需求；计算机通过数据采集卡等获得测量数据；软件则控制着整个测量系统，它告诉采集设备什么时候从哪个通道获取数据，同时还对原始数据作分析处理，并将最后结果表示成容易理解的方式，例如图表或文件等等。1.3.1数据采集系统的构成数据采集系统的基本构成：数据采集是模拟信号经过低通滤波后，经由多路模拟通道进入程控放大器，后送入A
15、D转换器进行模数转换。转换后的结果进入FIFO送给EZ_USB FX芯片，最后经过USB接口传输给上位机进行显示处理。 据此，我们可以画出数据采集系统的基本构成图如下图1.1： 图1.1 数据采集系统构成图 信号调节 信号调节包括模拟信号的放大，滤波，阻抗变换等，使得输入模拟信号适合于模数变换。一般有如下几部分： 低通滤波：滤去高频噪声，提高信噪比 程控放大器：扩大数据采集系统的动态范围 信号变换：阻抗变换，电流一电压变换等 多路切换 多路切换的主要作用是提高模数转换电路的效率。当多路信号同时输入时，模数转换器分时复用，从而实现对多路模拟信号的处理。一般的，对信号变化慢，数据高精度系统，模拟多
16、路切换可用继电器实现，而信号变化快，数据精度又无特殊要求的应用系统，采取模拟电子开关来切换较合适。 采样保持 对模拟信号采样并进行转换的过程中，为了保证输入信号在采样时刻暂时稳定，在电路中加入保持电路。现常用的AD转换芯片，都集成有该电路，无需单独设计。 模拟数字转换 模拟数字转换器(Analog Digital Converter)简称ADC，是数据采集系统的核心电路，采集速度，转换精度等关键技术指标取决于此。 数据采集过程 模拟信号f(t)通过开关K，K只在特定时刻瞬时导通(t=T，2T,3T,) 这样开关输出端得到的采样信号，。若K按周期闭合，即等周期采样，则采样信号为一脉冲序列f（T）
17、，f（2T），f（3T），其中T为采样周期。当开关K导通时间与采样周期相比可以忽略小计时，采样信号可看成是模拟信号f（T）对开关K产生的理想脉冲序列进行幅度调制的结果。 采样定理 从采样信号中，要无失真的恢复原始信号f(t)，则采样频率必需满足以下条件： 限带为的信号f(t)，若以2进行均匀抽样，则可与失真的恢复原信号f(t)。这就是奈奎斯定理。理论上，采样频率为被采信号中最高频率的2倍时就不会发生混叠，但是，实际应用中为了更好的还原波形，选用更高的倍数，一般为510倍。另外为了提高频谱分析的分辨率，根据频率分辨率，在确定的采样频率下，增加采样长度N。 高的采样率系统开销大，因此，需根据实际情
18、况选择合适的采样频率及采样点数N。 测量系统 一般的，有两种不同的测量系统：差分测量系统(differential，DIFF)和单端测量系统(signle-ended，SE)。 1差分测量系统 差分测试系统中，信号的正负极分别接入两个通道，且有各自的参考值。这是一种较为理想的的测试系统，不仅能抑制接地回感应误差，而且能在一定程度上抑制环境噪声。理想的差分测量系统只读取两极信号的势差，不会受共模电压的影响。但是，差分测试系统所要求的端口数是单端测量的两倍。 一般的，当被采样信号电平偏低时或者噪声比较大或者有一个输入信号要求单独的参考点时选择差分测试的方法来对信号进行测量。 2单端测量系统 单端测
19、试系统所有信号所有信号都参考一个公共的参考值也即是设备放大器的负极。 若信号满足一下条件，则一般选取单端测量系统：信号电平比较高，通常大于lV；环境噪声较小：所有信号可共享一个公共参考值。 1.3.2数据采集卡简介数据采集卡是虚拟仪器进行必不可少的核心硬件设备，它将出入进来的标准模拟信号经过一系列的信号调理，数据转换输入到虚拟仪器的采集系统。（1）数据采集卡的结构原理 数据采集卡作为虚拟仪器的核心硬件设备，其主要功能有三：一是由衰减器和增益可控放大器进行量程自动变换；二是由多路转换（MUX）完成对多点通道信号的分时采样；三是将信号的采样值由A/D转换器转换为幅值离散化的数字量，或由V/F转换器
20、转换为脉冲频率，以适应计算机工作，或者由D/A转换器输出控制信号。数据采集卡的基本结构框图如图1.2所示。与数据采集系统相对应，数据采集卡本身将模拟输入通道、信号调理电路、采样/保持、A/D转换以及控制逻辑单元的时钟、总线接口和控制器集为一体，从而实现了一个完整测量系统的硬件电路。下面分别介绍这些组成单元的原理和作用。图1.2 数据采集卡的结构框图 模拟输入通道：数据采集卡的模拟输入通道也叫多路转换器（MUX），它是由一类受控制而将模拟信号接通或断开的模拟开关构成的。一般采用的是半导体器件构成的无触电式电子模拟开关。通过模拟开关的控制电路可以来选择任意通道的开合。从而实现多路或单路采集的功能。
21、 信号调理器：通常数据采集卡自身就带了信号调理电路，其主要包括：增益、偏移和滤波。传感器输入时提供激励电压，输入的模拟信号通过信号调理器，经过放大、滤波之后变成了标准信号，进入采样/保持和A/D转换器。 采样/保持和A/D转换：这是数据采集卡的核心电路，是数据采集系统的关键组成单元。采样/保持电路将输入的连续标准模拟信号变换成时间上离散的采样信号。A/D转换则是将经过了采样/保持后，将幅值仍然在采样时间内是连续的模拟信号转换成数字信号，将采样信号的幅值用二进制代码来表示。 FIFO（先进先出缓冲器）：经过A/D转换后，数字值先通过FIFO。FIFO保证了数据的完整性，有效地减小了在完成了A/D
22、变换后数据丢失的可能性。总线接口和控制器：总线接口是各种采集卡与PC相连接的方式，目前数据采集卡的接口方式有：PCI、PXI、SCXI、PCMCIA以及USB等。控制器是采样/保持、A/D转换器和D/A转换器等电路的核心。它完成采样/保持、A/D转换器和D/A转换器的控制 功能。根据对采样速率的要求，其控制方式为：无条件采样、中断方式、查询方式和直接存储器存取（DMA）方式。在高速率数据采集卡中，一般都采用DMA控制方式。 D/A转换器：将A/D转换后的数字信号转换成电压或电流等模拟信号，可将转换后的模拟信号融送入执行机构进行控制或调节。（2）数据采集卡的性能指标 由于不同的数据采集卡具有不同
23、的性能指标，在科学实验或工程测量中如何选择数据采集卡就成了测量的首要任务。数据采集卡的选择要考虑的因素很多，所以必须从信号处理的原理和电路原理上来考虑，根据应用经验，总结得出主要的数据采集卡的性能指标有：模拟输入部分；A/D转换和采样/保持部分；D/A转换部分。模拟信号输入部分： 模拟信号输入部分有五个性能参数：模拟输入通道数、信号输入方式、模拟信号的输入范围（量程）、放大器增益、模拟输入阻抗。 模拟输入通道数表明了数据采集卡所能采集的最多信号路数。 信号输入方式则一般可分为：单端输入（信号的其中一个端子接地）；差动输入（信号两端均浮地）；单极性（信号幅值范围为0,A，A为信号最大幅值）；双极
24、性（信号幅值范围为-A,A）。 模拟信号的输入范围一般根据信号输入极性而定。如单极性输入，典型值为010V；双极性输入，典型值为-55V。 增益放大器则用来增大或减小输入模拟信号，并且能够减小所有不同输入范围模拟信号的稳定时间，从而保证A/D转换器的分辨率得到最大的利用。 模拟输入阻抗是数据采集卡固有参数，一般不能自行设定。A/D转换和采样/保持部分： 采样速率它是指在单位时间内数据采集卡对模拟信号的采集次数，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
25、：=（710）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=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2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（）S所经历的时间。1.3.3数据采集卡的选择与使用（1）数据采集卡的选择现
26、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99.9999999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
27、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。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=，也就
28、是说，当输入电压范围为10V（即=20V）时，它能分辨的最小电压就是=4.88mV。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。
29、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
30、。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
31、。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。1.4虚拟仪器的介绍1.4.1虚拟仪器的概念与特点虚拟仪器(V
32、irtual 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： 1、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。 2、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
