基于LabVIEW焊接数据采集分析系统的开发

王耀

（山西机电职业技术学院材料工程系，山西长治046000）

基于LabVIEW焊接数据采集分析系统的开发

王耀

（山西机电职业技术学院材料工程系，山西长治046000）

介绍了虚拟仪器领域中最具有代表性的图形化编程开发平台LabVIEW，并对Labview驱动普通数据采集卡进行了研究。利用实验室已有的焊接信号采集系统及光谱仪，基于LabVIEW软件进行编程，开发出了一套数据采集系统，将采集到的GMAW的电流、电压波形信号及光谱信息进行综合分析，实现了在每个时刻都在LabVIEW的界面上进行同步显示，并且同步显示此刻电压和电流的具体数值，使得对光谱和电信号的研究观察更加直观。

LabVIEW；焊接；数据采集

0 引言

虚拟仪器（Virtual Instrument，简称VI）就是利用高性能的模块化硬件，结合高效灵活的软件来完成各种测试、测量和自动化的应用［1］。它利用数据采集模块完成测量仪器的数据采集功能，利用计算机系统完成测量仪器的数据分析和输出显示等功能。而LabVIEW是一种图形化的编程语言的开发环境，且被视为一个标准的数据采集和仪器控制软件，是虚拟仪器领域中最具有代表性的图形化编程开发平台［2－3］。LabVIEW是一个面向最终用户的工具，它可以增强构建自己的科学和工程系统的能力，提供了实现仪器编程和数据采集系统的便捷途径［4－5］。

对于焊接过程的分析，只依靠电流电压等电信号往往很难彻底地解决问题。为此，研究者多借助于光谱等手段进行分析。但是这两种测试方法往往是分别采样，分析时也只能单独进行分析。实际上，电弧电信号的变化与电弧中实际物理过程变化直接相关，把这两种信息甚至更多种信息融合在一块，定能获得更为全面的测试效果［6－8］。要实现这种信息的融合分析，首先必须保证测量对象为同一时刻同一物体，因此，测试时，各种测试项目要同时启动；其次，在进行分析时，要把这些信息仪采集时刻前后同时动态显示。为此本文以焊接电弧的电压、电流、光谱为信息源，开发了一套可进行信号采集、信号处理、信息提取的基于LabVIEW的采集分析系统。

1 采集系统简介

1.1 硬件

采集分析系统的硬件部分主要包括电弧电压、焊接电流传感器、PCI-1716系列数据采集卡、Avaspec-2048FT-2光纤式数字光谱仪和计算机及外设。硬件部分的作用主要是通过传感器将焊接电弧光电信号转换为幅值的电压信号传输至采集卡，电压模拟信号经数模转换器转换成数字信号后存储于计算机内，便于处理、显示及信号分析。

1.2 软件

图1为采集系统软件结构图，由图可见，系统包括信号采样模块、信号显示模块、数据分析模块、数据保存模块等几大部分。

图1 采集系统软件结构图

信号采样模块负责信号的采样，采样之前，先设置好信号采样时间、触发时间，然后调用采集卡的驱动程序，就可进行数据采集。采集到的数据通过文本格式存储到内存，记录信号的各瞬时值，同时还记录本次采样触发信号等参数。

信号显示模块负责文件的显示，本系统要显示的曲线很多，包括直接采集到的瞬时数据曲线，也包括经过分析得到的各种分析曲线。由于计算机屏幕大小的限制，不能把所有曲线都在一屏上显示，否则所显示的图形太小，达不到分析的效果，并且显得凌乱。通过文件显示模块把它们进行有机地组合，不但能清晰地显示具体曲线图形，而且还能和其它曲线波形一起对比观察。

数据分析模块对所采集的焊接信息进行同步处理，给出电信号与光谱信号的同步数据，并给出之前的前后时刻状态。

数据保存模块将所采集到的数据以文件形式存储到计算机中。通常保存为文本形式，以便于本采集系统的文件能在其它系统中打开分析。

1.3 同步数据采集的实现

图2给出了同步采集的原理图。在该图中，计算机作为总控制器，控制启动光谱仪和采集各种焊接电弧信号。实验时，由电脑采集卡的数据输出口D/A输出脉冲信号，启动光谱仪并同时启动信号采集。采集结束后，将光谱信息传至计算机，这样就得到了同步采集的光谱信号和电信号波形。

图2 基于LabVIEW数据采集系统

2 采集程序设计

2.1 前面板

信号数据采集软件是在LabVIEW环境下编写的。本系统使用时，用户只需提供采样时间和触发时间，就可启动采样。

如图3所示，LabVIEW的前面板有菜单栏、参数调整区和试验数据显示区，以及LabVIEW本身的工具和控件模板。菜单栏主要是LabVIEW软件中的菜单命令：参数调整区主要是由Control控件组成，用于输入同步采集的参数（如采样时间、触发时间）；试验数据显示区主要由Indicator控件组成，用于显示波形数据。从图3中，可以看到运行程序进行试验时，只需要将电流、电压的采集数据的存储路径以及同步采集时的采样时间和触发时间输入，同时设置光谱采集软件为外接设备，就可以进行光谱与电信号的同步采集。

图3 软件前面板

2.2 主程序设计

Advantech（研华）为其多种板卡开发了通用的“Advantech DLL Driver”驱动软件，其中的ADSAPI32.DLL为用户提供了能对硬件设备直接I/O操作的函数，便于用户方便快速地开发程序［9～12］。下面简要介绍与本系统有关的几个关键函数：

1）DeviceOpen：打开指定的设备并返回一个驱动句柄，之后所有执行相应I/O操作的子VI都应基于该句柄参数所获得的配置数据。

2）DeviceGetFeatures：该函数从DeviceOpen打开的设备中获取相关的设备信息，指明设备特征信息的存储地址和存储空间大小等。

3）AIGetConfig：该函数从DeviceOpen打开的设备中获得模拟量输入的配置数据，并将其放入缓存。

4）AllocDSPBuf：为用户缓冲区分配参数Count指定大小的空间。该子VI的输出用作FAITransfer子VI的输入，通过MemoryType参数可以选择以电压形式或二进制形式显示数据。

5）FAIDmaExStart：该函数启动总线控制下的DMA方式数据采集，并将A/D转换数据从FIFO转移到内部缓冲区中。

6）WaitFastAIEvent：使程序进入等待状态，直到设定的事件发生或等待时间超出用户通过Timeout参数设定的值。

7）FAITransfer：将数据从内部缓冲区传送到用户缓冲区。要实现连续数据采集，程序中需要反复调用该子VI。

8）DeviceClose：关闭由DeviceOpen打开的设备，在程序结尾需调用此子VI。

图4 采集系统后面板

SelectDevicePop.vi用于选择数据采集卡，DeviceOpen. vi加载设备驱动程序到内存，并确定设备的类型，完成对设备的初始化，使设备做好 I/O准备工作，利用MAIConfig.vi配置多通道模拟输入所需的参数；利用一个While循环以及MAIVoltageIn.vi将采集到的数据不停地从设备的缓存中读出。并利用另一个While循环对光谱仪进行触发；完成数据采集后，利用DeviceClose.vi关闭打开的设备，如果程序出错，提示信息显示在Errmsg中。

2.3 信号显示及分析方法

由于电信号为持续采集，而光谱信号需要触发信号触发进行采集。为了得到光谱信号与电信号的同步数据，这就需要根据触发信号将电信号与光谱信号对应起来，图5为电信号与光谱信号的分析系统。

图5 电信号与光谱信号分析系统前面板

本程序进行实验分析时，只需将电参数的存储路径、光谱信号的存储路径输入该模块，该模块可以快速地将光谱信号和其同步采集到的电信号对应起来，并以图形的方式显示，图中电压、电流图形与光谱图形就是一组同步数据。由于光谱采集时间较短，并不能清楚地知道所采集信号的物理状态，为了更好地研究药芯焊丝熔滴过渡与光谱之间的关系，分析系统还将电压、电流信号的前后状态标出，方便了对熔滴过渡光谱信息的研究。

如图6，程序的后面板就是程序的图形源代码，即流程图窗口。虚拟仪器从流程图中接收命令；流程图通过利用图形语言控制前面板上的控件对象（分为控制量和指示量两种）。在流程图中，输出、接收数据的对象通过连线连接起来，可以实现特定的功能，控制执行的流程。

图6 电信号与光谱信号分析系统后面板

3 结论

本文概述了焊接过程多信息融合的方法，并基于LabVIEW开发了电信号与光谱信号采集和分析系统，实现了同步采集焊接电信号波形和光谱信号，同时实现了电信号和光谱信号在LabVIEW上同步显示的功能，为焊接过程的评价分析提供了一种更全面、更有效的手段。

［1］ 邵华，朱丹平.虚拟仪器技术在焊接电弧-电源系统中的应用［J］.焊接技术，2005，34（1）：45-47.

［2］ 杨乐平，李海涛，肖相生，等.Labview程序设计与应用［M］.北京：电子工业出版社，2001.

［3］ 程学庆，房晓溪，薪莘.Labview图形化编程与实例应用［M］.北京：中国铁道出版社，2005.

［4］ 武嘉澍，陆劲昆.Labview图形编程［M］.北京：北京大学出版社，2002.

［5］ 杨运强，张军，宋永伦，等.应用Labview检测与分析焊接过程［J］.电焊机，2003，33（6）：19-2l.

［6］ 杨运强，殷树言，欧元汉，等．焊接电弧波形和图像的同步采集与再现［J］．航空制造技术，2004（4）：71-73.

［7］ 柳刚．熔化极气体保护焊熔滴过渡的光谱信息及其检测的研究［D］．天津：天津大学，1998.

［8］ Amin N.Pulsed current Parameters for arc stability and controlled metal transfer in arc welding［J］.Metal Construction，1983，（5）：272-278.

［9］ 李永军，李田，马立元.PCI-1710数采卡在自动测试系统中的应用［J］.测控技术，2005，24（1）：77-78.

［10］ PC-LabCard/PCI-1714 User′s Manual［M］.Advantech Inc，2003.

［11］ Advantech DLL Drivers User′s Manual and Programmer′s Reference［M］.Advantech Inc，2004.

［12］ 于锋，侯永海，王建国.基于PCI-1714的高速数据采集系统方案设计［J］.微计算机信息，2005（12）：60-63.

（编辑立 明）

Development of Welding Data Acquisition and Analysis System Based on LabVIEW

WANG Yao
（Department of Materials Engineering,Shanxi Institute of Mechanical&Electrical Engineering,Changzhi 046000,China）

The labview that is tipical Graphical programming development platform is introduced and LabVIEW driver general data acquisition card are investigated.In this study,a data acquisition system were developed using the welding signal acquisition system and spectrometer in laboratory based on LabVIEW software program for analyzing collected GMAW current,voltage waveform signal and spectral information.LabVIEW interface synchronized display will be realized at each moment.And values of voltage and current can be simultaneous displayed which make the research and observation of spectral electrical signals getting more intuitive.

LabVIEW;welding;DAQ

TG 409

A

1002－2333（2014）05－0158－03

王耀（1984—），男，助教，硕士，主要从事焊接技术方面的研究。

2014-03-06