利用LabVIEW软件的数据采集与处理系统设计_丁宗玲

利用 LabVIEW 软件的数据采集与处理系统设计
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编写的 LabVIEW 软件运行前面板见图 8，主 要包括了： 数据采集卡的基本量控制（ 起始通道、 终止通道、量程选择、采样频率、模式选择、触发设 置、触发 边 沿 等） ，采 样 数 据 处 理 前 后 的 框 图 显 示、温度计显示、高温报警上限、红灯报警和声音 报警，日期显示和开始采集、退出程序按钮等。
表 1 MP420 采集卡参数定义及作用
序号 参数名称
作用 序号 参数名称
作用
1
stch
起始通道号 5
2 endch 结束通道号 6
3 gain
增益选择 7
4 sammode AD 转换模式 8
trsl 触发模式控制
trpol 硬件触发极性
tdata 16 位定时器数据
rdata
采样数组
需要注意的是 AD 采样的数据按从 stch 开始 到 endch 结束的通道扫描顺序，循环存放，每一个 16 位采样结果按低 8 位在前，高 8 位在后的顺序 排列，如下：
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电和数据的采集、处理、显示与保存。热电偶采集 装置距离电加热丝炉面约为 15 mm。其系统示意 图见图 1。
图 1 试验系统示意图
1． 2 MP420-USB 采集卡简介 在虚拟仪器 LabVIEW 中应用的数据采集卡
有两种： NI 公司生产的数据采集卡和非 NI 公司 生产的数据采集卡，前者兼容性非常好，但是价格 比较高。后者需要自己开发驱动程序等，但是价 格相对低廉。根据本文实验要求，选择了北京双 诺有限公司生产的 MP420 数据采集卡（ 外观见图 2） 。它是一款 USB2． 0 总线 12 位中速采集模块， 具有 16 路模拟输入（ 接线图见图 3） ，支持即插即 用、实时采 集，可 以 采 用 内、外 部 触 发 采 集 模 式。 控制接口采用 Cypress 公司的 CY68013 芯片，内 置 512K Byte DFIFO，数据自动传输［9］。
DOI:10.14139/j.cnki.cn22-1228.2014.04.037
第 27 卷 第 4 期 2014 年 8 月
大学物理实验
PHYSICAL EXPEＲIMENT OF COLLEGE
文章编号： 1007-2934（ 2014） 04-0106-04
Vol． 27 No． 4 Aug． 2014
MP420 采集卡包括 16 个模拟输入通道和 1 个外触发通道，采集电压可以通过软件控制选择： 5 V /10 V / ± 5 V。其转换精度为 12 位 AD（ Analog / Digital） ，最大采样速度可达 333KHz，系统精 度为： ± 0． 1% FSＲ（ Full Scale Ｒange） 完全满足实 验室日常实验过程中的数据采集情况。本实验过 程中，所要采集的是实验室电炉丝温度从室温开 始至稳定状态的温度，因此不存在负值，所以选择 的量程为 10 V。同时，采集卡内部已经定义了接 口函数只需要按照步骤调用即可，各个控制参数 的定义、控制量值意义及本实验中所选则的控制 参数值如表 1 中所述。
3结 果
通过以上电加热丝温度采集系统采集到的数 据见图 9。其中点线为原始未经处理的温度数据， 实线为经过数据处理以后的温度数据，下部点直线 为两者的比较差值，其最小值为 － 9． 42，最大值为 8． 91，可以看出以上处理是合乎信号处理要求的， 并未对实际信号趋势造成影响。图中 1，2，3 为不 同的加热时长所对应的采样数据变化趋势，与电加 热炉通电即加热的过程基本分析是一致的。
信号平均方法一般是采用将 N 次信号做相 加后再除以 N，这样就可以有效的降低噪声的干 扰，而将信号中固有的成分凸显出来。平均的次 数越多，越能够显示固有的信号而降低噪声的成 分。在文章中所述的温度采集系统中所使用的是 对采样信号的 200 次平均。同时，为了消除系统 对周期性干扰的抑制作用，采样 13 个数据点的平 滑处理。把连续取 N 个采样值看成一个队列，队 列的长度固定为 N，每次采样到一个新数据放入 队尾，并扔掉原来队首的一次数据． （ 先进先出原 则） ，把队列中的 N 个数据进行算术平均运算，就 可获得新的滤波结果。图 7 为所使用的数据处理 框图，其中（ 1） 为采样信号经过数据转换为有效 数据，（ 2） 为采用的 200 次数据平均框图，（ 3） 为 采用的 13 点滑动平均框图。
收稿日期： 2014-04-17 基金项目： 安徽大学第三批青年骨干教师项目资助（ 2013GGJS40） ； 固体物理学安徽省精品资源共享课（ 2012gxk016） ； 安徽大学教学
研究项目资助课题（ JYXM201329，JYXM201231，SJKC2013001，JYXM201234）
利用 LabVIEW 软件的数据采集与处理系统设计
stch，stch + 1，…． ，endch，……． stch，． ． ， endch，…… 结束
实验中选择了 gain = 2，即： 0 － + 5 V 量程，因 此采样 对 应 的 电 压 转 化 公 式 为： 电 压 = data * 5000． 0 /4095． 0 mV，其 中 data 为 采 样 读 取 的 12 位转换数组。系统采样频率为： f = 4000 / tdata kHz = 4000 /20000 kHz = 0． 2 kHz，即 0． 005 s 采集一个 数据点，1 s 时间采集 200 个值，实验中设置 1s 出 一次结果即 200 个采样数组值的平均值。
图 5 调用 CIN 图标驱动编程
序结构”控件分为三步走，第一步是打开 MP420 采集卡设备； 第二步是进行采集卡的设置、采样、 读取和处理，读取完毕以后要暂停采集卡读取； 第 三步是运行完毕关闭采集卡设备。如需继续进行 数据采集过程则一直处于第二步运行过程中直到 点击按钮退出程序。 2． 2 信号处理程序设计
进行信号采集、处理系统是十分方便的，可以方便的移植到其他实验室数据采集过程中。
关 键 词： LabVIEW； MP420 数据采集卡； 数据采集； 信号处理
中图分类号： TP273
文献标志码： A
LabVIEW 是一种程序开发环境，由美国国家 仪器（ NI） 公司研制开发，类似于 C 和 BASIC 开发 环境，但是 LabVIEW 与其他计算机语言的显著区 别是： 其他计算机语言都是采用基于文本的语言 产生代码，而 LabVIEW 使用的是图形化编辑语言 G 编写程序，产生的程序是框图的形式。它提供 很多外观与传统仪器（ 如示波器、万用表、数码显 示管、压力表、温度计等） 类似的控件，可用来方 便地创建用户界面［1-4］。LabVIEW 软件最初是为 测试 测 量 而 设 计 的，因 而 测 试 测 量 也 正 是 目 前 LabVIEW 最广泛的应用领域。经过多年的发展， LabVIEW 在测试测量领域得到了广泛的应用和 认可。目前，大多数主流的测试仪器、数据采集设 备都拥有专门的 LabVIEW 驱动程序，使用 LabVIEW 可以非常便捷的控制这些硬件设备。
图 9 温度采集的原始数据和处理后的数据对比 （ 其中 1、2、3 为电加热丝通电加热不同时间的状态）
4结 论
以 LabVIEW 为平台，开发完成了以国产数据
采集卡为例的电加热丝温度采集测量处理系统。 通过实验证明所涉及的软件系统是完全满足实验 室测量要求的。因此，通过 LabVIEW 图形化编程 和传统实验教学相结合，不仅可使课堂教学更加 生动，效果更好，更直观，而且可以充分发挥学生 的积极性和创造性，提高学生的动手能力，达到提 高教学质量的目的。此外，还可以让学生在利用 LabVIEW 在现有的实验基础上自行设计新的实 验，增强动手能力和开阔思维，培养学生自主学习 和创新能力。
图 2 MP420 采集卡外观照片
2 程序设计
图 3 MP420 接口通道示意
数据采集系统的任务就是传感器从被测对象 获取有用信息，并将其输出信号换算为计算机可 以识别的数字信号，然后送入计算机进行处理得 到所需的数据。同时，可以将数据进行显示、存储 或打印，以便实现对某些物理量的监视。因此一 个完整的数据采集系统需要包含： 1） 数据采集； 2） 信号调理； 3） 二次数据计算； 4） 数据显示； 5） 数 据存储； 6） 打印输出； 7） 人机联系，等几个功能。 本实验设计软件的思路流程，见图 4。
1 硬件系统简介
1． 1 试验系统 实验 过 程 中，所 需 要 的 硬 件 设 施 为： MP420
采集卡，电加热炉，电脑，同轴电缆线，直流 24 V 电源，K 型热电偶，200 Ω 电阻等。热电偶通过 24 V 直流电源供电，+ 24 V 连接热电偶的“ + ”端， 接地端通 过 200 Ω 电 阻 连 接 热 电 偶 的“ － ”端， MP420 采集 200 Ω 电阻两端的电压值。因为采用 的是 K 型热电偶其测量量程为 0 ～ 600°，输出电 流为 4 ～ 20 mA 值，因此其电压值为 0． 8 ～ 4 V 之 间，因此选择采集卡量程为 0 － + 5 V 档位。采集 卡的 USB 接口连接笔记本电脑进行采集卡的供
利用 LabVIEW 软件的数据采集与处理系统设计
丁宗玲，吴明在，叶 柳，杨 群，孙 进，李爱霞
（ 安徽大学，安徽 合肥 230061）
摘
要： 以北京双诺测控技术有限公司生产的 MP420-USB 数据采集卡为例，系统的介绍了基于
LabVIEW 语言的温度数据采集与信号处理的主要流程和处理结果比较。结果表明，利用 LabVIEW 语言
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利用 LabVIEW 软件的数据采集与处理系统设计
图 4 软件系统运行流程图
2． 1 信号采集程序设计 非 NI 公司生产的数据采集卡往往需要解决
LabVIEW 软件与数据采集卡的兼容性问题，利用 LabVIEW 驱动普通数据采集卡可以分为以下三 种方法，即： 直接调 LabVIEW 的端口操作图标、利 用 CIN 图标调用 C 语言驱动程序及动态数据交 换（ DDE） 技术。在本实验中，采用了调用 CIN 图 标进行编程（ 见图 5） ，该操作可以方便的设置每 一个函数的输入、输出参数。设置完成以后的各 个函数，见图 6： （ 1） 打开采集卡设备； （ 2） 设置采 集卡属性参数； （ 3） 读取采集数组； （ 4） 停止采集 卡采集； （ 5） 退出数据采集卡。
研究人员可以利用 LabVIEW 内部高性能的 模块化硬件，结合高效灵活的软件和设计思想来 完成各种测试、测量和自动化应用，与传统的测量 仪器相比，使用 LabVIEW 软件编写程序具有成本 低、功能强大、集成度高、可见即所得、质量可靠、 维护方便等众多优点，能很方便地组建测试系统 和处理系统，满 足 多 种 测 量 要 求［5-8］。 因 此，基 于 虚拟仪器技术，利用 LabVIEW 语言进行信号采集 系统的研制具有重要意义。
文章中采用北京双诺测控技术有限公司生产 的 USB 系列的 MP420 采集卡为例，首先介绍了该
采集卡的性能和操作事项； 然后，采用厂家提供 的． dll 文件结合 LabVIEW 软件进行数据采集卡 的驱动设计和采集程序设计； 再次，以采集实验室 运行过程中的高温炉温度进行采集实验，并且实 时进行采集数据的某些平滑处理，并在． txt 文件 中保存处理前和处理后的数据进行对比。实验过 程和对比结果表明，利用 LabVIEW 语言进行信号 采集、处理系统是十分方便的，可以方便的移植到 其他实验室信号采集过程中去。通过本虚拟仪器 的编程，可以为高等学校学生的物理实验过程提 供有效的技术手段，拓宽学生的视野和激发学生 学习先进软件的兴趣。
在系统数据采集过程中，噪声是不可避免的 现象。消除噪声的方法： 一种是可以通过硬件滤 波卡滤除特定频率以上的信号噪声［10］，使其不会 干扰到数据的采集，但是其使用存在要求。另一 种是通过数字信号处理技术降低噪声干扰，其可 靠性高，无需硬件及阻抗匹配［11］，如： 信号平均方 法，滑动滤波方法，小波变换等。
图 7 数据处理框图 （ 1） 为数据转换； （ 2） 为数据平均处理； （ 3） 滑动平均处理
图 6 根据 MP420． dll 完成的子 vi
根据以上分析，数据采集是按照以上（ 1） 到 （ 5） 的步骤进行的，因此采用“平铺式顺序结构” 子控件进行采集与处理的顺序进行。“平铺式顺
图 8 基于 MP420 的 LabVIEW 软件系统Байду номын сангаас面板