数据采集及处理系统的LabVIEW程序设计和界面设计

裴清福

(陕西铁路工程职业技术学院,渭南 714000)

引言

随着我国计算机技术以及智能仪器仪表的快速发展，数据采集以及数据处理技术已经成为了对数字信号进行处理的前期工作之一，广泛的应用于生产生活的多个领域。由于受到测控成本的不断增加、测控系统越来越复杂、测控投资的保护要求不断增高等因素的影响，需要进一步完善数据采集及处理系统。用户可以选择标准化的硬件平台，能够有效的降低测试成本，但是这种方法的作用有限。通过虚拟仪器的正确使用，能够有效的缩短软件开发的周期，增加程序的可重复性，最终达到降低测控成本的目的，虚拟仪器主要是基于模块化的软件标准来进行开发，所以用户可以选择适合要求的任何测试硬件。LabVIEW属于通过虚拟面板界面与方框图建立虚拟仪器的图形程序设计系统，目前已经被视为标准的数据采集仪器和控制软件，广泛的应用到学术界、工业界及研究室等，基于LabVIEW的数据采集系统简单易学、灵活便捷、人机交互界面比较直观，本文以LabVIEW为基础开发平台，设计一套数据采集及处理系统，通过仿真实现了系统数据采集、处理、存储、显示以及回放功能。

1 LabVIEW的结构及特点

1.1 LabVIEW的结构

LabVIEW的程序主要由3部分来组成，第一部分是程序的前面板，主要是为了对真实仪器的模拟，通过交互式图形化的形式使界面用于用户的输出程序设计以及显示程序输出的代码。第二部分是框图程序，框图程序主要是通过数据对象的图形化来对前面板上的控制量以及指示量进行控制，最终真实的反应出前面板上的控制量以及知识量的输出情况。第三部分是接线端口及图标，接线端口主要是通过将LabVIEW子程序化，从而方便LabVIEW在其他程序中的调动。

1.2 LabVIEW的特点及运用优势

LabVIEW具有便捷、高效、灵活的特点，在许多程序中都有非常重要的作用，LabVIEW的编辑语言与传统的编辑语言之间的差别在于LabVIEW不需要将对象进行文本化编辑，另外，通过图形化编辑语言会使所编辑的程序更加的直观、简洁。在实际应用中的优势在于：用户可以根据自己的需求来对虚拟仪器的功能进行灵活定义，通过不同的功能模块来组成多种仪器，不会受到仪器厂商提供功能的限制。虚拟仪器可以将所有控制信息集中在软件模块中，通过多种方式来显示数据采集、处理、存储的过程，提高了虚拟仪器使用的灵活性。虚拟仪器能够随时对数据进行编辑，通过传输系统存储到计算机，充分利用计算机的存储功能，扩大数据记录的容量。虚拟仪器可以合理的利用图形与用户界面，根据实际需求，可以通过软件编程来直接对数据进行分析与处理。

2 基于LabVIEW的数据采集及处理系统设计思路

(1)根据应用场合来选择适当的DAQ设备，主要依据包括：通道数、采样频率、分辨率以及出发方式。

(2)了解驱动的具体功能，根据相应的目的来选出适合应用程序的驱动。

(3)在LabVIEW中编制数据采集控制程序，利用LabVIEW对数据进行采集，在LabVIEW中对各种设备进行控制来完成特定的功能。

3 系统硬件设计

基于LabVIEW数据采集系统采集硬件具有多种形式。要根据相应的环境来选择合适的硬件资源，驱动程序为LabVIEW中的数据采集硬件驱动程序，通过操作命令完成各个接口之间的数据传递，用户可以通过驱动程序的用户接口对硬件进行设置，并且对相应的数据进行处理。其具体流程,如图1所示。

图1 数据采集系统硬件程序

该设计的硬件资源采用插卡式低价位数据采集卡PCI-6013，该采集卡具有16路单端/8路差分模拟输入，采样路能够达到200K/V，转换精度为16位，输入范围能够从(±0. 5)～(±10)V，具有2位计数器与8条(5V/TTL)数字I/O线。

4 系统软件设计

4.1 功能设计

系统的软件设计是数据采集与处理系统的设计核心,该系统采用模块化与层次化的设计理念，模块化设计可以使整个系统结构清晰，并且便于系统维护，基于LabVIEW的数据采集及处理系统软件结构功能，如图2所示。

在软件结构中，主要包括数据的采集、数据分析、数据显示等。能够完成测试系统中常用任务。其中，信号的产生主要是利用LabVIEW中的信号发生函数库来实现，通过等时间间隔来取得函数值，最终获得离散时间序列信号。数据采集主要是运用Acquisition子模板。数据处理主要是对所采集到信号的加窗、滤波功能，加窗主要是为了减少频谱的泄露，而滤波主要是为了从信号中对期望值进行提取，数据分析主要是对数据的时域分析以及频域分析。时域分析包含自相关分析、波峰检测等。频域分析包括幅值谱以及相位分析。

图2 数据收集系统软件功能结构图

4.2 系统界面设计

根据软件系统的6个功能模块对其相应的界面进行设计如下。

4.2.1 系统启动界面：系统启动界面包括简单的用户信息、系统启动条、系统启动进度显示。当系统加载成功之后，点击登录界面按钮便可以进入用户登录界面，点击退出按钮便可退出系统。

4.2.2 用户登录界面：用户登录界面设计,如图3所示。

图3 用户登录界面

该界面需要输入用户名与密码，主要功能在于对用户身份的验证，验证通过之后显示登录成功，从而用户可以进入到系统的菜单界面，如果验证失败，则需通过退出按钮退出系统，重新登录。

4.2.3 系统菜单界面：菜单界面,如图4所示。

通过一系列功能按钮组成，在进入菜单界面之后，按钮被激活，分别点击数据采集、数据处理、数据回收按钮便可跳转到相应界面，点击退出按钮可以返回激活前状态。

4.2.4 数据采集界面：数据采集界面设计,如图5所示。

数据采集界面主要是模拟与实现两路信号的采集：电压信号与温度信号。通过信号选择开关对信号进行选择，通过信号开关可以对单路与双路信号进行采集，根据温度信号来

图4 系统菜单界面

设计温度表盘，并且精确的实现温度值，当温度超过限值就会通过报警指示灯进行提示。在数据采集界面中，会包含一些基本参数的设置，另外还包括暂停和返回按钮，单机暂停按钮，系统会暂停对数据的采集，单机返回按钮，便可返回系统的菜单界面。

4.2.5 数据处理界面设计：数据处理界面设计,如图6所示。

主要对电压以及温度两路信号的处理，对电压进行滤波、频谱分析、峰值压缩等处理。对温度信号进行均值压缩，除此之外还包括温度表盘、选择开关、参数配置、暂停与返回按钮。由于经过滤波后的电压信号比较清晰平滑，更便于观察，所以运用滤波处理是对信号处理比较常用的手段。关于频谱分析主要是得到信号的频域描述，能够对信号的认知信息了解的更加全面，信号宽带在小于采样频率的1/2时，就可以防止频谱混叠的现象发生，本文所设计的信息采样频率为1 000 HZ，电压幅度谱主要集中在0-50 HZ之间，由于在实际工程中，为了信号保真，信号的宽带要小于采样频率的1/10，再加上软件仿真环境理想，所以信号的幅度谱主要在50 HZ频段之内。

图5 系统数据采集界面

图6 系统数据处理界面

关于对数据的压缩采样主要是对信号信息保留的同时对其进行压缩，通过对数据的压缩可以减小数据的体积，有利于数据传输。本文所设计的数据采集及处理系统主要是对电压信号进行峰值压缩，对温度信号进行均值压缩，将压缩因子设置为10，对所采集到的电压信号，每10个标记出最大值，对于温度信号，每10个标记出平均值，通过对电压信号峰值进行压缩之后便可以得到准确的峰值信息，将温度信号压缩之后便可以得到平均温度。

5 总结

目前，虚拟仪器技术已经成为了计算机测量领域的前沿技术，将虚拟仪器技术运用到测试相关的教学以及工程实践已经成为必然趋势。通过对信号源、信号采集系统的合理设计以及LabVIEW程序的运行，能够大幅度的提高仿真信号的强度，提高频谱研究的效率，加强信号的保存度，根据模拟发生器的信号采集与处理能够更加直观的为真实仪器提供各方面有效的信息，所以在实际运用中具有一定的推广意义。