基于LabVIEW的多传感器信息采集平台

进来之后, 对数据进行预处理, 通过格式的转换, 数
学计算等将原始数据转换为传感器实际测量信息, 并实现了 IM U 转动角度的实时测 量功能. 其 基本
原理就是将角速度进行时间积分, 得到角度的变化
值. 由于陀螺仪在不同的温度下有着不同程度的零
点漂移, 在积分的情况下其误差就会不断累加, 所以
在此模块中特别增加了一个实时计算陀螺仪各轴方
蔡伯根( 1966 ) ) , 男, 江苏如皋人, 教授.
第5期
孙二敬等: 基于 LabVI EW 的多传感器信息采集平台
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拟仪器的软件开发平台, 是美国国家仪器公司( Nat ional Instrument ) 推出的一 种基于图形 开发、调 试 和运行程序的集成化环境, 是目前国际上唯一的编 译型的图形化编程语言[ 1, 2] . 1. 1 系统硬件结构
( 3) 数据存储 在 LabVIEW 软件平台下, 可以采用 3 种格式 存储数据: 文本文件, 二进制文件和数据记录文件. 数据存储的 功能 由一个 写文 件子 V I 和 一个 Case 结构构成. 点击前 面板上的存储控制 按钮时, 系统就会将 IM U 或者 GPS 数据进行存储, 并且可 以随时终止存储 工作. 由于 IMU 信息 中没有实际 时间信息, 为了实现多传感器信息的同步, 以及存储 文件的后处理需 要, 特在 IMU 存储信 息中添加了 同步的 GPS 时间信息. 为了方便用其它的程序来读 取数据进行后处理工作, 本文采用的是文本文件的 存储格式. ( 4) 数据回放 进行数据的回放工作, 首先要将文件按照其存
一起, 解决了以往实现多传感器信息同步十分困难的问题, 为将来进一步研究利用虚拟仪器测量多
传感器信息及进行多传感器信息融合奠定了基础.
关键词: L abV IEW; 数据采集; 全球定位系统; 惯性测量单元
中图分类号: T P 212
文献标识码: B
Multi_Sensor Data Acquisition Platform Based on LabVIEW
向静止状态时平均漂移的子 VI, 用来对角速度积分
的误差进行补偿, 从而得到比较准确的角度变化值.
下面以 IMU 为例, 说明原始数据到实际 测量 值转换的实现过程.
每个 IMU 信息包含 18 个字节信息, 其定义如
表 1 所示.
表 1 IMU18 字 节定位信息
T ab. 1 18 bytes position information of IM U
Fig . 2 Software structure of the system
为传感器信息确定数据起始时间, 然后可以根据传
2 系统关键技术及其功能实现
送的数据量以及通信波特率来确定时间. 以 GP S 信 息与 惯 性 导 航 系 统 ( Inert ial Navig at ion Syst em,
图 1 系统的硬件结构 Fig . 1 Hardware structur e of the system
1. 2 系统软件结构 系统的软件结构图如图 2 所示. 由图 2 可以看
到, 整个系统完成了 GPS/ IM U 的数据采集、数据预 处理、信息的同一界面显示、数据存储、数据回放的 功能.
图 2 系统的软件结构图
台, 克服了传统仪器功能单一, 灵活性差, 更新和维 护费用高的缺点. 并且将数据采集、预处理、信息显 示、存储和回放集成在一起, 形成统一格式的数据文 件, 方便与其它数据分析软件的接口, 例如与 Matlab 的接口. 在这个多传感器信息采集平台, 各种传 感器信息可以显示在同一界面上, 可以很方便地在 其它传感器的信息中添加 GP S 时间信息, 解决了以 往实现多传感器信息同步困难的问题.
孙二敬, 蔡伯根
( 北京交通大学 电子信息工程学院, 北京 100044)
摘 要: 车辆定位中利用多传感器信息融合技术可以提高定位精度. 系统中的传感器数量急剧增
加, 传统仪器很难满 足整个系统的测量需求. 本 文开发了一种基于虚拟仪器 软件开发环境 L ab-
V IEW 的多传感器信息采集平台, 将多传感器数据采集、预处理、信息显示、存储及数据回放集成在
图 4 利用公式节点进行数据预处理框图 Fig . 4 Diag ram o f data preprocessing by using the for mula nodes
( 2) 信息显示 软件采用友好和直观的界面呈现来自传感器的 信息, 分别对来自 GPS 和 IMU 的数据信息进行呈
现. 其部分界面如图 5、图 6 所示. 我们在设 计过程中, 特别采用了 T ab 控件, 可
1 软件开发平台 LabVIEW 及结构
L abV IEW 全 称 是 L aborat ory Virt ual Instrument Engineering Workbench, 是目前十分流行的虚
收稿日期: 2005-05-30 作者简介: 孙二敬( 1981 ) ) , 女, 河北保定人, 硕士生. email : sunchen8888@ eyou. com
以将 IMU 和 GPS 信息同时显示在同一面板的不同 分页上, 使我们能够很方便地交互地察看两个传感 器的信息.
图 5 IMU 信息显示界面 Fig . 5 Display interface of I M U information
图 6 GPS 信息显示界面 Fig. 6 Display inter face of G PS information
2. 1 系统关键技术 ( 1) L abV IEW 的并行机制 LabVIEW 软件应用程序采用了并行程序结构,
分别实现对多传感器信息的测控. 如在多任务并行 处理中, 两个循环结构构成了两个并行的任务, 每个 任务体的执行顺序是互不相关的, 甚至这两个任务 执行的次数也是可以不一样的.
( 2) 串行口通信子 VI
字节
0 1- 6 7- 12 13- 14 15- 16
17
定
义
字头信息 0XFF 陀螺仪信息( 1- 2: X 轴方向; , 3- 4: Y 轴; 5- 6: Z 轴) 加速度计信息( 1- 2: X 轴方向; , 3- 4: Y 轴; 5- 6: Z 轴) 温度信息 时间信息 校验和
图 4 为利用公式节点进行数据预处理框图. 其 中x 和 y 是输入的原始数据, z 为输出的实际测量 值. 程序将 18 字节的字符串数 据转换为数字 数组 后, 在框图上可直接在公式节点中输入公式, 完成原 始信息到实际测量值的转换.
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北京交通大学学报
第 29 卷
到正确的时间并完成更新, 取 t 1+ $t 为两个传感器 的数据起始时间, 这样 IMU / INS 信息和 GPS 信息 就达到了时间上的匹配, 此后的时间信息就可以通 过传送的数据量以及通信波特率来确定. 2. 2 系统功能实现
( 1) 数据的采集和预处理 此部分将传感器原始数据从串口连续正确地读
串行口通信的子 VI 针对计算机标准的串行口.
LabVIEW 提供了一组( 共 5 个) 串行口通信子 VI 控
件来承担对编程的支持, 它们依次是: ¹ 串口初始化
( Serial Port Init) ; º 串口读( Serial Port Read) ; » 串口
写( Serial Port Write) ; ¼串 口字 节数 ( Bytes at Serial
Port) ; ½ 串口中断( Serial Port Break) .
( 3) 数据同步机制原理
多传感器信息融合中, 要使误差最小, 两个传感 器数据的时间应该相匹配. 然而在实际的传送到车 辆中的基本定位信息只需要有限的时间信息, 只要
图 3 INS/ GPS 数据同步原理 Fig . 3 Principle of IN S/ GPS data synchronization
车辆定位导航技术是智能交通系统( IT S) 中一 个重要技术, 而定位精度、定位数据的连续性和可靠 性是导航系统性能的三个重要因素. 车辆定位导航 的精度直接取决于各个传感器的精度, 而传感器精 度的提高往往受技术、价格等因素的影响. 目前广泛 采用的基于多传感器融合的组合导航系统, 能够有 效提高导航定位精度, 增强导航系统的可靠性, 进而 充分保证导航数据的连续性和可用性. 传感器数量 在系统中的需求增加, 传统仪器不再适应系统要求. 本文作者 利用 NI 公司 的虚拟仪器编程 软件 LabV IEW 所设计的多传感器信息采集平台, 为组合导 航中的多传感器信息采集工作提供了一个通用的平
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INS) 的组合为例, 由于 INS 与 GPS 的采样率不同, INS 采 样 率 一 般 为 10 H z, 而 GPS 的 采 样 率 为 1 H z[ 3] . 如图 3 所示, 设 t 1 时刻为 IM U / IN S及 G PS 信息开始可用时刻, 首先从 t 1 开始向缓存器中存储 一系列的 IM U/ INS 信息, 由于 GPS 采样率较低, 此 时的 GPS 信息可能并不是 t 1 时刻而是前一秒内的 信息. 假设 GPS 信息在 t 1 + $t 时刻更新, 当接收到 GP S 的 t 1 + $t 时间信息后, 将缓存器的信息恢复
S UN Er _j ing, CA I Bai_gen
( Schoo l of Electronics and I nformation Engineer ing , Beijing Jiaotong U niversity, Beijing 100044, China)
Abstract: T he applicat ion of multi_sensor data fusion in vehicle positioning can improve the precision. Sensors used in positioning have increased sharply, but conventional instruments are difficult to meet the need of t he w hole system. T his paper introduced a mult i_sensor data acquisition plat form based on L abVIEW. The dat a acquisit ion, dat a preprocessing, display, storage and data playback are integrated wit hin this platform, and data synchronizat ion realization is no longer a difficult problem. It laid t he foundations of measuring multi_sensor information and multi_sensor data fusion by using virtual instrument . Key words: laboratory virt ual inst rament engineering w orkbench( L abVIEW) ; data acquisition; global posit ion syst em ( GPS) ; inert ial m easurement unit ( IMU )
实现此平台的硬件结构如图 1 所示. 各种传感器通过串行接口与计算机相连, 实现 与计算机的通信, 计算机利用 系统的 LabVIEW 程 序对各种传感器发送控制命令, 多传感器信息通过 串口送入计算机, 供 L abV IEW 程序进行数 据的识 别, 读取, 存储以及后处理工作. 各种传感器信息分 别通过各自接口与计算机通信之间是并行的. 由于 实验室条件有限, 多传感器仅以 IMU 和 GPS 为例 完成了系统的设计工作.
第 29 卷 第 5 期 2005 年 10 月
北京交通大学学 报 JOU RN AL O F BEIJIN G JIAOT O NG U N IV ERSI T Y
文章编号: 1673- 0291( 2005) 05-0068- 04
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基于 LabVIEW 的多传感器信息采集平台