【正文】 畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 )之 LabVIEW 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 1 緒論 課題研究背景及意義 以往工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的各種數(shù)據(jù)都是采用人工讀數(shù)和記錄，一直停留在手工和數(shù)字儀表的水平，無(wú)法做到對(duì)大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集和分析。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，結(jié)合高精度、高性能的數(shù)據(jù)采集儀的應(yīng)用，使得多路數(shù)據(jù)采集實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化，大量的數(shù)據(jù)采集和分析由計(jì)算機(jī)自動(dòng)完成，提高了測(cè)量精度。而計(jì)算機(jī)已經(jīng)與儀器結(jié)合得非常緊密，已成為整個(gè)系統(tǒng)的核心，許多傳統(tǒng)儀器正在逐漸被計(jì)算機(jī)部分、甚至全部取代。把各種傳感器與計(jì)算機(jī)連 接起來(lái)，首先需要有一個(gè)硬件接口電路把儀表輸出的信號(hào)變成能夠被計(jì)算機(jī)識(shí)別的數(shù)字信號(hào)，其次是要有軟件來(lái)管理。通過(guò)軟件、計(jì)算機(jī)、采集板、接口硬件和傳感器組成的系統(tǒng)叫儀器系統(tǒng)（也是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)）。 LabVIEW 就是計(jì)算機(jī)處理分析系統(tǒng)軟件之一。在 PC 機(jī)為基礎(chǔ)測(cè)量和工控軟件中， LabVIEW 的市場(chǎng)普及率僅次于 C++語(yǔ)言。 LabVIEW 開(kāi)發(fā)環(huán)境具有一系列優(yōu)點(diǎn)，從流程式的編程、不需預(yù)先編譯就存在語(yǔ)法檢查、調(diào)試過(guò)程使用的數(shù)據(jù)探針，到其豐富的函數(shù)功能、數(shù)值分析、信號(hào)處理和設(shè)備驅(qū)動(dòng)等功能，都令人稱道。 LabVIEW 是一種圖形化的 編程語(yǔ)言，它廣泛地被工業(yè)界、學(xué)術(shù)界和研究實(shí)驗(yàn)室所接受，視為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)采集和儀器控制軟件。 數(shù)據(jù)采集 (Data Acquisition) 是所有測(cè)試測(cè)量的首要工作，試驗(yàn)測(cè)試產(chǎn)生的物理信號(hào)通過(guò)傳感器轉(zhuǎn)換為電壓或者電流一類(lèi)的電信號(hào)，然后通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡將電信號(hào)采集傳入 PC機(jī)，借助軟件控制數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行數(shù)據(jù)分析、處理。 LabVIEW以其簡(jiǎn)便的程序編寫(xiě)、不同數(shù)據(jù)采集卡的支持、強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理、友好的人機(jī)界面使其成為控制、開(kāi)發(fā)數(shù)據(jù)采集卡的最佳軟件。 研究意義 : 隨著時(shí)代的發(fā)展，利用 LabVIEW 進(jìn)行數(shù)據(jù)采集面臨 著越來(lái)越新的任務(wù)和要求，將虛擬儀器引入到數(shù)據(jù)采集領(lǐng)域成為當(dāng)今數(shù)據(jù)采集的重要方法和手段。與傳統(tǒng)數(shù)據(jù)采集相比，利用 LabVIEW 進(jìn)行數(shù)據(jù)采集的意義在于 : (1)打破了傳統(tǒng)數(shù)據(jù)采集“線纜密布”的形象，大大簡(jiǎn)化了測(cè)試系統(tǒng)的復(fù)雜程度，簡(jiǎn)化了現(xiàn)場(chǎng)的布置，節(jié)省了物力、人力。 (2)強(qiáng)調(diào)“軟件就是儀器”。通過(guò)基于虛擬儀器的數(shù)據(jù)采集環(huán)境，同樣能夠“身臨其境”地觀察數(shù)據(jù)采集過(guò)程和進(jìn)行“實(shí)際”操作。 (3)LabVIEW圖形化編程方式簡(jiǎn)明快捷，易學(xué)易用，可節(jié)省大量的學(xué)習(xí)程序設(shè)計(jì)及進(jìn)行程序開(kāi)發(fā)的時(shí)間，尤其適合從事科研、開(kāi)發(fā)的科學(xué)工 作者、工程技術(shù)人員。 國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀 虛擬儀器的起源可以追溯到 20 世紀(jì) 70 年代，那時(shí)計(jì)算機(jī)測(cè)控系統(tǒng)在國(guó)防、航天等領(lǐng)域已經(jīng)有了相當(dāng)?shù)陌l(fā)展。 PC 出現(xiàn)以后，儀器的計(jì)算機(jī)化成為可能，甚至在微軟公司的 Windows 誕生之前，國(guó)家儀器公司已經(jīng)在 Macintosh 計(jì)算機(jī)上推出了LabVIEW 以前的版本。對(duì)虛擬儀器和 LabVIEW 長(zhǎng)期、系統(tǒng)、有效的研究開(kāi)發(fā)使得該公司成為業(yè)界公認(rèn)的權(quán)威。 自 20 世紀(jì) 90 年代以來(lái)，在計(jì)算機(jī)技術(shù)的推動(dòng)下，以虛擬儀器為標(biāo)志的通用化、智能化和網(wǎng)絡(luò)化測(cè)量?jī)x器及測(cè)試系統(tǒng)得到了迅猛發(fā)展， 新的測(cè)試?yán)碚摗y(cè)試方法、測(cè)試領(lǐng)域以及新的儀器結(jié)構(gòu)不斷出現(xiàn)，在許多方面已經(jīng)突破了傳統(tǒng)儀器的概念，電子測(cè)量?jī)x器的功能和作用己經(jīng)發(fā)生了質(zhì)的變化。虛擬儀器利用現(xiàn)有的計(jì)算機(jī)，加上特殊設(shè)計(jì)的儀器硬件和專(zhuān)用軟件，形成既有普通儀器的基本功能，又有一般儀器所沒(méi)有的特殊功能的高檔低價(jià)的新型儀器。虛擬儀器的出現(xiàn)是儀器發(fā)展史上的一場(chǎng)革命，代表著儀器發(fā)展的最新方向和潮流，對(duì)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和工業(yè)生產(chǎn)的進(jìn)步產(chǎn)生了不可估量的影響?，F(xiàn)代化生產(chǎn)要求電子儀器品種多、功能強(qiáng)、精度高、自動(dòng)化程度高，而且要求測(cè)試速度快、實(shí)時(shí)性好、具有良好的人機(jī)界面。 與傳統(tǒng)儀器相比，虛擬儀器則可以在較低的成本下較好的實(shí)現(xiàn)這些要求，這正是虛擬儀器相對(duì)于傳統(tǒng)儀器巨大的優(yōu)勢(shì)所在。依靠其自身的優(yōu)勢(shì)虛擬儀器在儀器市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)力不斷增強(qiáng)。許多大型儀器公司均在虛擬儀器市場(chǎng)上占有一席之地。 1988年國(guó)際上開(kāi)始有虛擬儀器產(chǎn)品面市，當(dāng)時(shí)只有五家制造商推出的 30 種產(chǎn)品。此后，虛擬儀器產(chǎn)品每年成倍增加，到 1994 年底，虛擬儀器制造廠己達(dá) 95 家，共生產(chǎn)100 多種虛擬儀器產(chǎn)品，銷(xiāo)售額達(dá) 億美元，占整個(gè)儀器銷(xiāo)售額 73 億的 4%。目前，我國(guó)正處于科學(xué)技術(shù)蓬勃發(fā)展的新時(shí)期，對(duì)儀器設(shè)備的需求將更加強(qiáng)勁。虛擬儀器賴以生存的 PC 計(jì)算機(jī)近幾年正以迅猛的勢(shì)頭席卷全國(guó)，這為虛擬儀器的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)，虛擬儀器作為傳統(tǒng)儀器的替代品，市場(chǎng)容量巨大。虛擬儀器在儀器中所占地位越來(lái)越高也是與虛擬儀器性能的飛速提高分不開(kāi)的。虛擬儀器經(jīng)歷了由模擬儀器、帶 IEEE488 接口的智能儀器到全部可編程的發(fā)展歷程，其中每一次飛越無(wú)不以高性能計(jì)算機(jī)的發(fā)展為動(dòng)力。近年來(lái)，計(jì)算機(jī)的處理能力提高很快，發(fā)展的速度已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)的把傳統(tǒng)儀器拋在了后面，高分辨率的圖形顯示與幾百千兆的硬盤(pán)也己經(jīng)成為了標(biāo)準(zhǔn)配置。同時(shí)，計(jì)算機(jī)生產(chǎn)廠商之間的激烈競(jìng)爭(zhēng)保證了計(jì)算機(jī)在顯示 、存儲(chǔ)能力與處理性能等方面仍將高速發(fā)展。由于計(jì)算機(jī)技術(shù)、特別是計(jì)算機(jī)總線標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展導(dǎo)致 Vl在 PXI和 VXI兩個(gè)領(lǐng)域中得到了快速的發(fā)展，它們將成為未來(lái)儀器行業(yè)的兩大主流產(chǎn)品。具有上 GHz 采樣率，高達(dá) 24bits 精度的 DAQ 板己經(jīng)面世。 AD 轉(zhuǎn)換技術(shù)、儀器放大器、抗混疊濾波器與信號(hào)調(diào)理技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展使 DAQ 板成為最具吸引力的 VI 選件之一。模塊化的 Delta 一 sigma A/D轉(zhuǎn)換器的儀器放大器可在 3us 內(nèi)完成 12bits 精度下的參數(shù)設(shè)置，抗混疊濾波器可按 1/6 倍頻程衰減 90dB，多通道、完全可編程的信號(hào)調(diào)理等性 能與功能指標(biāo)僅僅是 DAQ 板先進(jìn)技術(shù)性能中的幾個(gè)例子。虛擬儀器技術(shù)經(jīng)過(guò)十余年的發(fā)展，正沿著總線與驅(qū)動(dòng)程序的標(biāo)準(zhǔn)化、軟件的模塊化、編程平臺(tái)的圖形化和硬件模塊的即插即用化等方向發(fā)展。 虛擬儀器系統(tǒng)作為本世紀(jì)內(nèi)電子測(cè)量?jī)x器發(fā)展過(guò)程中出現(xiàn)的最新高峰，有著極其廣闊的發(fā)展前景。它的出現(xiàn)為國(guó)家各個(gè)行業(yè)科研的發(fā)展提供了更新式的測(cè)試手段，它所具有的得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)，是目前任何儀器都不能替代的。我們有理由相信，隨著我國(guó)科技水平的不斷提高，虛擬儀器必將以其卓越的性能在我國(guó)的測(cè)試行業(yè)及高等工科院校實(shí)驗(yàn)室教學(xué)及科研中得到更為廣泛的應(yīng)用。 本文主要內(nèi)容 本文共分為六個(gè)部分，第一部分對(duì)國(guó)內(nèi)外虛擬實(shí)驗(yàn)室的研究狀況作了回顧，同時(shí)介紹了 LabVIEW 數(shù)據(jù)采集的開(kāi)發(fā)背景和意義；第二部分對(duì) DAQ 數(shù)據(jù)采集做了簡(jiǎn)單介紹，闡述了數(shù)據(jù)采集卡的原理和一些性能參數(shù)；第三部分對(duì)利用聲卡實(shí)現(xiàn)聲音的數(shù)據(jù)采集做了詳細(xì)的闡述，用來(lái)說(shuō)明 LabVIEW 數(shù)據(jù)采集的靈活與容易，在此基礎(chǔ)上，用信號(hào)發(fā)生器輸出一定的信號(hào)，經(jīng)音頻數(shù)據(jù)線進(jìn)入聲卡進(jìn)行采集處理，將獲得的信號(hào)與信號(hào)發(fā)生器的輸出相比較，然后得出自己的結(jié)論；第四部分對(duì)用PCI6014 數(shù)據(jù)采集卡實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集做了詳細(xì)的闡述，可以 仔細(xì)體會(huì)用 MAX 來(lái)配置板卡的簡(jiǎn)單和易用性；第五部分對(duì)這次畢業(yè)設(shè)計(jì)做最后的總結(jié)。 2 數(shù)據(jù)采集 DAQ 概述 數(shù)據(jù)采集（ data acquisition DAQ）的系統(tǒng)如圖 21 所示： 圖 21 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) Data acquisition system 數(shù)據(jù)采集硬件有很多種形式，本文主要對(duì)插卡形式的數(shù)據(jù)采集硬件做一個(gè)介紹。硬件驅(qū)動(dòng)程序是應(yīng)用軟件對(duì)硬件的編程接口，包含對(duì)硬件的操作命令，并完成與硬件之間的數(shù)據(jù)傳遞，一般由生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集硬件的廠 家提供。依靠模塊化硬件驅(qū)動(dòng)程序可以大大簡(jiǎn)化 LabVIEW 的編程工作，提高開(kāi)發(fā)效率，降低開(kāi)發(fā)成本。在驅(qū)動(dòng)程序的用戶接口 Measurementamp。Automation Explorer 中，用戶可以對(duì)硬件進(jìn)行必要的設(shè)置和測(cè)試。 LabVIEW 中的數(shù)據(jù)采集 VI 按照 Measurementamp。Automation Explorer 中的設(shè)置采集數(shù)據(jù)。 DAQ 的實(shí)際操作 在啟動(dòng)計(jì)算機(jī)時(shí)， Windows 操作系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)掃描計(jì)算機(jī)上安裝的設(shè)備，包括數(shù)據(jù)采集卡 DAQ， LabVIEW 中包含了 NI 公司生產(chǎn)的大多數(shù)數(shù)據(jù)采集卡的驅(qū)動(dòng)程序 ，因此會(huì)自動(dòng)加載，不需要用戶操作。 在使用數(shù)據(jù)采集卡之前，必須先進(jìn)行配置。數(shù)據(jù)采集卡一般具有多個(gè)通道，因此必須要對(duì)使用的通道進(jìn)行配置。可運(yùn)行 MAX（ Measurementamp。Automation Explorer）來(lái)對(duì)采集卡進(jìn)行通道配置，如設(shè)置通道名、輸入輸出類(lèi)型、測(cè)量類(lèi)型等等。 可以直接在桌面上雙擊 Measurementamp。Automation Explorer 圖標(biāo)，開(kāi)始我們的設(shè)置之旅。 進(jìn)行 DAQ 通道配置的步驟如下： （ 1）新建一個(gè)通道。在 MAX 窗口中，用鼠標(biāo)右擊 Data Neighborhood 項(xiàng)，選擇 Create New?項(xiàng)。 （ 2）選擇通道類(lèi)型。 （ 3）定義通道名。 （ 4）選擇測(cè)量類(lèi)型。 （ 5）定義單位和范圍。 （ 6）定義刻度模式。 （ 7）制定 DAQ 設(shè)備和通道號(hào)。 這樣建立好一個(gè)通道后，即可在 VI 程序中的數(shù)據(jù)采集函數(shù)中使用該通道來(lái)采集數(shù)據(jù)。 定義好硬件后，我們就要利用數(shù)據(jù)采集的軟件了。 LabVIEW 的數(shù)據(jù)采集函數(shù)位于函數(shù)模板的 Data Acquisition 子模板。如圖 22 所示： 圖 22 data acquisition 子模板 Fig. 22 the sub template of da