基于LabVIEW平台的数据采集与处理系统

Wavelet Analysis -Feature Extraction 来 方 便 地 调
出。
所 谓 小 波 就 是 “小 区 域 的 波 ”，“ 小 ”是 指 它 具 有
第 31 卷第 01 期 2010 年 01 月
煤矿机械 Coal Mine Machinery
Vol.31No.01 Jan. 2010
基于 LabVIEW 平台的数据采集与处理系统 *
刘世杰， 王雅萍， 朱目成， 赵冬梅， 唐 琳 （西南科技大学 制造科学与工程学院， 四川 绵阳 621010）
备的采样参数（包括通道的选择、信号输入范围、采 顶部再次填充同一个缓存区。 与此同时，缓存区中
样模式、采样频率以及每通道采样数等）进行设置， 的数据一块一块被读出， 这就形成了连续采集过
并对采集到的数据进行保存。 由于 NI 公司提供的 程。 在这个过程中，要保证程序从缓存区的某个位
数 据 采 集 卡 的 驱 动 程 序 自 动 携 带 可 以 嵌 入 Lab-
在本系统中把数据采集、数据分析以及结果显
心，也是系统主要组成部分。 本系统的软件设计采 示放在 3 个独立的线程中。 这样 3 个 While 循环是
用了图形化、模块化的设计方式。 按照功能来划分 并行运行的，可以保证数据采集程序不受其他 2 个
可以将本系统的软件部分分为数据采集模块，数据 程序的影响，从而可以采集到完整的数据。 而程序
硬件之间的数据通信，一般由数据采集硬件的生产 运行，处于等待状态中，这样势必会造成数据采集
厂家提供。 上层应用程序用来完成数据的分析、存 的不完整性。
储和显示等。 LabVIEW 作为一个极佳的开发上层应
为了解决这一传统的弊端，在编制程序时采用
用程序的平台，在安装时会自动安装 NI-DAQmx 软 多线程技术。 当运行多线程程序时，操作系统为每
Abstract: This Article introduces the preparation of procedures of data acquisition and Processing , using of multi-threading technology、Cycle cache、Notification and Wavelet analysis, tests combining with NI PCI-6013. The results show that this system can achieve high-speed data acquisition and processing and meet the requirements of design. Key words: LabVIEW； date Acquisition； date processing； multi -threading； cycle cache； wavelet analysis； PCI-6013
控制时间方面， 该数据采集卡具有两路 DAQ-STC
本系统采用 ADXL202E 传感器，它是美国 ADI 公司出品的低成本、低功耗、功能完善的双轴加速 度传感器，其测量范围为±2 gn，并具有以下特点：
（1）ADXL202E 是集双轴加速度传感器于一体的 单块集成电路。
（2）它 既 可 测 量 动 态 加 速 度, 又 可 测 量 静 态 加 速度。
术人员随时对测试数据进行分析，保证测试的准确 的数据重复或丢失，减少了计算机资源的浪费。
性。
为了实时高速地连续采集并保存数据，在这一
2.1 数据采集
环节采用了循环缓存技术和高速数据流技术。
数据采集是一切测试测量过程的第 1 步，在整
使用循环缓存时，每次数据只存放在缓存区的
个系统中占有重要的地位。 此模块主要是对采集设 一部分。 当到达缓存区的底部时，它就转向缓存区
置读取数据，同时新采集的数据存入缓存区的另外
VIEW 的 DAQ 程序模块库，因此在设计数据采集程 位 置，这 样 才 能 有 可 供 读 取 的 数 据 ，尚 未 读 取 的 数
序时可以直接使用此模块库进行编程。
据也不会被更新的数据覆盖掉。 这样就允许软件将
采样频率是信号采集过程中非常重要的一个 数据处理与数据采集并行展开。
分析、处理模块，数据回放模块。 数据采集模块负责 当中的 “获取通知器引用 VI”、“发送通知 VI”、“取
驱动仪器采集模拟信号，通过软件来控制和启动 A/ 消 通 知 VI”和 “释 放 通 知 器 引 用 VI”主 要 是 用 来 实
D 转换，并实时监控数据的采集过程；数据分析、处 现各线程之间的数据传递。 这类似于全局变量或局
管 理 ，LabVIEW 的 数 据 采 集 VI 按 Measurement& 给下一个线程，多处理器系统在多个处理器上都能
Automntion Explorer 中的设置进行数据采集。
够同时运行多个独立的线程，减少了线程切换所带
2 系统软件设计
来的时间消耗，从而极大地提高系统的执行速度。
系统软件设计是整个数据采集系统设计的核
而程序当中的获取通知器引用i发送通知消通知i和释放通知器引用i主要是用来实现各线程之间的数据传递这类似于全局变量或局部变量不同的是对于变量用户需要通过一个循环不断地查询变量的值而对于通知器在没有通知消息产生时程序框图处于等待状态这就避免了无休止的循环检测和检测周期过快或过慢导致的数据重复或丢失减少了计算机资源的浪费为了实时高速地连续采集并保存数据在这一环节采用了循环缓存技术和高速数据流技术使用循环缓存时每次数据只存放在缓存区的一部分当到达缓存区的底部时它就转向缓存区顶部再次填充同一个缓存区与此同时缓存区中的数据一块一块被读出这就形成了连续采集过在这个过程中要保证程序从缓存区的某个位置读取数据同时新采集的数据存入缓存区的另外位置这样才能有可供读取的数据尚未读取的数据也不会被更新的数据覆盖掉这样就允许软件将数据处理与数据采集并行展开要使数据能够被连续地采集必须保证程序从缓冲区读取数据的速度不能比数据放进缓存区的速度快当然也不能太慢要解决这个问题就需要合理地设置缓存区的大小扫描率和一次读取扫描个参数经过大量实验证明缓冲区的大小至少应该是扫描率的倍最好是10倍而扫描率即每通道采样率一般来说应为输入信号最高频率的1022信号分析与处理信号的分析与处理是构成测试系统必不可少第31卷第01ol3no0基于labiew平台的数据采集与处理系统56第31卷第01vol31no01基于labview平台的数据采集与处理系统的重要组成部分它的主要目的是从采集到的信号中提取出表征被测对象运动与状态的某种特征与属性的有用信息
现 灵 活 的 、 用 户 自 定 义 的 测 量 系 统 。 一 个 完 整 的 个差分双端的模拟输入通道（A/D）,R 输入量程为士
DAQ 系统包括 传感器、信号 调理设备 、数据采集和 10 V，8 个数字 I/O 分析硬件、计算机、驱动程序和应用软件等。
System of Date Acquisition and Processing Based on LabVIEW
LIU Shi-jie, WANG Ya-ping, ZHU Mu-cheng, ZHAO Dong-mei, TANG Lin (Southwest University of Science and Technology, Manufacturing Science and Engineering, Mianyang 621010， China)
件可以分为驱动程序和上层应用程序。 驱动程序是 155
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基于 LabVIEW 平台的数据采集与处理系统— ——刘世杰，等
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连接系统硬件与软件的纽带，可以直接对数据采集 析、 显示 3 个任务在同一线程上按照顺序依次执
硬件的寄存器编程，主要实现硬件与软件、硬件与 行，即当 1 个任务运行的同时其他 2 个任务就不能
与采集卡相 连端采 用 NI 公 司 的 SCB-68 接 口 端子板， 用来实现测试信号与采集卡的直接通信， 完成信号的传输。
软件使 PC 机与数据采集硬件形成了一个完整 的数据采集、分析和显示系统，安装在 PC 机中的软
* 四 川 省 科 技 厅 科 技 支 撑 计 划 项 目 （2008FZ0007 ）
集。 经过大量实验证明，采样率一般设置为输入信 的 7~10 倍。
号最高频率的 7~10 倍，就可以正确地还原波形。
2.2 信号分析与处理
传统测试系统的工作流程是数据的采集、分 156
信号的分析与处理是构成测试系统必不可少
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基于 LabVIEW 平台的数据采集与处理系统— ——刘世杰，等
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的重要组成部分，它的主要目的是从采集到的信号
中提取出表征被测对象运动与状态的某种特征与
属性的有用信息。
对于稳态信号可以采用传统的时域和频域分
析方法，但是本系统检测到的振动信号中包含有大
量的非平稳动态信号，如果只靠单一的时域和频域
分析很难提取信号的特征信息。而小波变换具有许
多传统的处理手段所不具备的优良特性， 如正交
1 系统整体结构设计
通过调理后的信号就可以与数据采集卡连接
数据采集是 指从传感器 和 其 他 待 测 设 备 等 模 了。 本系统的数据采集卡采用 NI 公司的低价位 B
拟或数字被测单元中自动采集信息的过程。 数据采 系列 16 位多功能数据采集卡 PCI-6013， 主要性能
集 系 统 是 结 合 基 于 计 算 机 的 测 量 软 硬 件 产 品 来 实 参数是：具有一个 68 针的连接总线，16 个单端或 8
参数。 如何正确地设置采样频率是一个关键问题，
要使数据能够被连续地采集必须保证程序从
采样率过低或过高都会对信号采集产生一定的负 缓冲区读取数据的速度不能比数据放进缓存区的
面影响。 采样率过低可能导致采集的信号频率发生 速度快，当然也不能太慢。 要解决这个问题就需要
畸变，从而产生混频现象。 根据奈奎斯特定理，为了 合理地设置缓存区的大小、扫描率和一次读取扫描
计数器/定时器，实现数字触发。 在 PCI-6013 的使用中， 数据采集卡和信号源
之间可以有 3 种不同的信号连接方式： 单端方式 （RSE）、差 分 方 式 （Differential）以 及 非 参 考 单 端 方 式 （NRSE）。 单端（RSE）方式接线时，测量的是信号与 板卡地之间的电位差。 差分（Differential）方式 接线 时，测量系统没有固定的参考地，测量 2 个通道之 间的电位差。 非参考单端（NRSE）方式接线时，所有 通 道 在 测 量 时 参 考 同 一 个 通 道 （AISENSE） 这 一 点 类 似于单端方式，而这 一参考通 道（AISENSE）与板卡 地无关，这一点又类似于差分方式。 选择接线方式 时，需要考虑输出信号的类型，通常情况下，根据输 出信号的参考地不同来选择采集卡的接线方式。
防止发生混频， 最低采样频率必须是信号频率的 2 数这 3 个参数。 经过大量实验证明，缓冲区的大小
倍，即 fs≥2 f。 而采样率过高又可能会导致没有足够 至少应该是扫描率的 2 倍，最好是 10 倍，而扫描率
的内存或者硬盘存储数据， 不利于系统长时间采 即每通道采样率一般来说应为输入信号最高频率
件，它包含 NI 公司各种数据采集硬件的驱动程序。 个独立线程安排 CPU 时间，单处理器系统以轮转方
在 驱 动 程 序 的 用 户 接 口 Measurement&Automntion 式按线程的优先级别提供时间片，每个线程在使用
Explorer 中用户可以对硬件进行各种必要的设置与 完时间片后交出控制权，系统再将 CPU 时间片分配
摘 要： 主要介绍了在 LabVIEW 环境下数据采集与处理相关程序的编制，创新集成采用了多 线程技术、循环缓存技术、通知技术以及小波分析等技术，并利用 NI 公司的 PCI-6013 数据采集卡 采集数据进行相关的实验验证，结果表明本系统能实现数据的高速采集处理，满足设计要求。
关键字： LabVIEW； 数据采集； 数据处理； 多线程； 循环缓存； 小波分析； PCI-6013 中图分类号： TP274 文献标志码： A 文章编号： 1003 － 0794（2010）01 － 0155 － 04
（3）具有脉宽占空比输出。 （4）低功耗(< 0.6 mA) 。 （5）每根轴的带宽均可通过电容调整。 （6）60Hz 带宽时的分辨率为 5 mg。 （7）直流工作电压为+3～+5.25 V。 （8）可承受 1 000 gn 的剧烈冲击。 从传感器得到的信号可能会很微弱，或者含有 大量噪声，或者是非线性等，这种信号在进入采集 卡之前必须经过信号调理。 信号调理的方法主要包 括放大、衰减、隔离、多路复用、滤波、激励和数字信 号调理等。
理模块对采集来的数据进行专业处理，实现对设备 部变量，不同的是，对于变量，用户需要通过一个循
有用信息的特征提取；数据回放模块是将高速采集 环不断地查询变量的值，而对于通知器，在没有通
得到的并以一定的文件格式保存的数据在必要的 知消息产生时，程序框图处于等待状态。 这就避免
时候利用数据回放程序重新回放显示，便于工程技 了无休止的循环检测和检测周期过快或过慢导致
性、方向选择性、可变的时频分辨率、可调节的局部
支撑等。 鉴于此，本系统主要采用小波分析来处理
非平稳信号。 NI 公司为 用户提供了 一种高级 信号
处理工具包，内含时间序列分析、时频分析、小波分
析等丰富的信号 分析处理 VI， 可 以极大地方 便编
程人员的操作，缩短编程周期。 本系统所用到的小
波 分 析 VI 可 以 通 过 Function -Signal Processing -