【文章內容簡介】 表示，或使用系統(tǒng)可分辨的實際電壓值來表示，有時也會用滿刻度值可以劃分的級數(shù)來表示。 采集速率又稱數(shù)據(jù)吞吐率，是指在滿足系統(tǒng)精度指標的前提下，系統(tǒng)對輸入模擬信號在單位時間內所能完成的 采樣次數(shù)，或者說是系統(tǒng)一個通道一秒鐘能夠采集的有效數(shù)據(jù)量。 非線性失真也稱諧波失真。給系統(tǒng)輸入一個頻率為 f0 的正弦波時，其輸出信號出現(xiàn)了很多頻率為 nf0（ n 為正整數(shù)）的新的頻率分量，這種現(xiàn)象稱為非線性失真。通?？梢杂弥C波失真系數(shù)來衡量系統(tǒng)產生非線性失真的程度。 動態(tài)范圍是從信號系統(tǒng)中引入的一個概念，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的動態(tài)范圍通常定義為所允許輸入的最大幅值 Umax 與最小幅值 U min 之比的分貝數(shù)。 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)平臺結構 圖 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)平臺結構 被測信號 數(shù)據(jù) 采集卡 計算機 傳感器 重慶科技學院本科生畢業(yè)設計 2 系統(tǒng)方案設計 6 如圖所示，被測信號經過傳感器的采集，并轉換為標準信號后傳送給數(shù)據(jù)采集卡，由信號采集卡采集，經過 USB 數(shù)據(jù)總線將信號傳送至計算機系統(tǒng)，最后由LabVIEW 軟件平臺實現(xiàn)信號處理。 系統(tǒng)硬件方案部分 本系統(tǒng)的硬件主要有 :NI 公司 USB— 6251 數(shù)據(jù)采集模塊和相關計算機設備等，數(shù)據(jù)采集卡的具體參數(shù)為 : 通道 :16 路單端或 8 路差分 分辨率 :16 位 最高采樣速率 :卡上 FIFO:4K 采樣 轉換時間 : 輸入范 圍 :雙極性 : ? ， ? ， ? ， ? 5V， ? 10V 單極性 :0— ， 0— ， 0— 5V， 0— 10V 最大輸入過載電壓 : ? 30V 線性誤差 : ? 1LSB 漂移 :30PPM/OC(0~60OC)典型值 輸入阻抗 :1GQ 通過本采集卡可實現(xiàn)最多犯通道信號的實時采集監(jiān)測，并且支持符合多種電壓標準的被測信號，具有一定的適用性，擴展性和可靠性。硬件部分要做的工作主要是將采集到的模擬信號經過 A/D 轉換傳送至 PC 機。 系統(tǒng)軟件方案設計 主菜單 數(shù)據(jù)采集 信號處理 存儲回放 報表打印 圖 系統(tǒng)功能結構 重慶科技學院本科生畢業(yè)設計 2 系統(tǒng)方案設計 7 軟件就是儀器，軟件是虛擬儀器測試系統(tǒng)的重要組成部分，所以軟件部分是課題研究的主要內容，如圖 ，就是本系統(tǒng)所設計的 4 個功能模塊。 在功能層上，包括參數(shù)設置、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、存儲回放、報表打印、 5個功能模塊。采集部分包括信號采集中設備，通道號，采樣率，采樣數(shù)量等進行設置。通過本模塊，可以根據(jù)不同信號采用不同的采樣率和采樣方式，從而使本系統(tǒng)能夠根據(jù)需要適用于工程技術領域的不同測量工作。例如在對液位等變換緩慢的信號可采用較低的采樣率節(jié)省存儲空間，而對于電力系統(tǒng)中涉及到突發(fā)測量則需要采用觸發(fā)采集高速采樣才能進行后期的信號的分析處理。 信號參數(shù)檢測部分包括信號周期，頻率，峰峰值，有效值，平均值，脈沖參數(shù)的測量。系統(tǒng)對信號參量 的檢測是比不可少的，本系統(tǒng)能夠以實時數(shù)據(jù)形式、 數(shù)據(jù)表格形式、圖形形式等多種方式形象直觀地向操作者顯示測試結果。 信號處理部分包括信號的平滑及濾波處理，頻譜分析，傅立葉變換等。從外界環(huán)境采集的信號難免會受到各種各樣的噪聲和干擾雜波的影響，這對必然降低系統(tǒng)的準確性和可靠性，所以設計了信號濾波等處理模塊，增強系統(tǒng)對外界環(huán)境的適用性。 信號存儲與查詢部分包括信號的存儲，以及歷史文件的查詢等。對于一個完整的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，我們經常需要將硬件的配置信息寫入配置文件或者將采集到的數(shù)據(jù)以一定格式存儲在文件中保存數(shù)據(jù)。本系統(tǒng) 設計了波形文件存儲和 tdms文件存儲數(shù)據(jù)。波形文件專門用于存儲波形數(shù)據(jù)類型， Tdms 文件是對 tdm 文件的改進，他比 tdm 文件讀寫速度更快使用更簡單方便，因此非常適合用來存儲數(shù)量龐大的測試數(shù)據(jù)。本系統(tǒng)編寫了波形存儲 VI、波形文件讀取 VI、 TDMS 存儲 VI、TDMS 文件讀取 VI 四個子 VI 實現(xiàn)信號的存儲與回放功能。 報表打印是測控系統(tǒng)普遍要求的一項基本功能，例如對產品進行測試要有測試報告，長期檢測一個生產過程要求有生產日報表等，對報表的實時性提出了要求。目前，幾種用于生成報表的軟件有 Visual Basic、 Matlab Report Generator 等。LabVIEW 是 NI 公司退出的一種基于 G 語言的虛擬儀器軟件開發(fā)工具。利用LabVIEW 可以很方便地生成一個虛擬儀器系統(tǒng)，完成信號的采集、數(shù)據(jù)處理等任務構成一個完整的測試系統(tǒng)。 LabVIEW 本身帶有強大的報表生成功能，能與多種應用程序的通訊成為報表生成技術中首選的工具。目前已大量用于測試系統(tǒng)的后期數(shù)據(jù)處理中 。 報表生成方法可以通過這么幾種方法： 1） 直接使用 NI 公司的 Report Generation Toolkit 生成報表 。 2） 使用 生成報表 。 重慶科技學院本科生畢業(yè)設計 2 系統(tǒng)方案設計 8 3） 使用 Report Generation 類函數(shù)生成報表 。 4） 利用 Excel 生成報表。 然而，由于 Report Generation Toolkit 模塊沒有集成在 LabVIEW 中，須額外購買，性價比不高 。 通過比較我采用了編程 類函數(shù) 里面的報表生成函數(shù)直接 生成報 表，雖然它的可讀性不是很強，樣式比較簡單，但是他使用方便，能滿足本設計的基本要求，所以我采用了文件 I/O 函數(shù)的生成報表模塊。其能將前面板控件圖像波形或者某個指定子 VI 的前面板加入報表，也能設置字體頁面距等。重慶科技學院本科生畢業(yè)設計 3 硬件參數(shù)設置 9 3 硬件參數(shù)設置 USB6251 采集模 塊概述 NI USB6251 數(shù)據(jù)采集卡 是一款 USB 高性能 M 系列多功能 DAQ 模塊，在高采樣率下也能保持高精度。 NI USB6251 數(shù)據(jù)采集卡 是數(shù)據(jù)記錄類應用和臺式傳感器測量的理想選擇。它具有 8 路模擬輸入、 2 路模擬輸出、 8 個 DIO、 1 個 APFI和 2 個用戶自定義 BNC 端子。 NI USB6251 BNC 為移動應用或空間上有限制的應用專門設計。其即插即用的安裝最大程度地降低了配置和設置時間，同時它能直接與螺絲端子相連，從而削減了成本并簡化了信號的連接。該模塊還具有新的 NI 信號讀寫技術，實現(xiàn)了USB 總線上類似 DMA 的雙向高速數(shù)據(jù)流操作。 儀器控制是建立在儀器驅動 (NIDAQ)的基礎上的，工作組件提供一種高級的編程接口，這樣可以方便的建立虛擬儀器 (VI)。對于工作組件，可以使用所有的配置工具，資源管理工具，控制平臺，還有 NIDAQ。 LabVIEW 可以提供圖形的，更人性化的用戶接口和強大的圖形化編程語言。 NIDAQ 驅動包括在 NI 的硬件工具包里面，但 NIDAQ 軟件不是 USB6251 的附帶品。 NIDAQ 有擴展的功能庫，從這些庫函數(shù)中可以根據(jù)編程環(huán)境任意的調用，這些庫函數(shù)包括模擬的輸入，帶緩存的數(shù)據(jù) 采集 (高速 A/D 轉換 )、模擬輸出、波形發(fā)生、數(shù)字 I/0、計數(shù)操作等。NIDAQ 具有高端和低端的輸入輸出功能， NIDAQ 也定義了地址，這些地址區(qū)別了計算機和 DAQ 硬件，例如編程接口和 DMA 控制器。 NIDAQ 保持了一些軟件接口在它的不同版本中，所以我們可以不用改變代碼，在不同的平臺上編程，無論使用的是傳統(tǒng)的編程語言還是 NI 提供的應用軟件，測量應用都會使用 NIDAQ驅動程序。所以說， NIDAQ 儀器驅動在應用軟件 (LabVIEW)和硬件 USB6251 之間起著關鍵的作用，也為用戶開發(fā)帶來了方便 。 這里數(shù)據(jù) 采集卡 USB6251采用 NIDAQmx驅動程序和測量服務軟件提供了簡單易用的配置和編程界面， DAQ Assistant 等功能可幫助用戶縮短開發(fā)時間。 USB6251 具有以下特點 1） 8 路差分 BNC 模擬輸入 (16 位 ),單通道 MS/s 采樣率 (總計 1 MS/s) 2） 2路 BNC模擬輸出 (16位 , MS/s)。24路數(shù)字 I/O(其中 8路時鐘同步 ,8個 BNC)。32 位計數(shù)器 3） 配合使用 Mass 終端版和 SCC 信號調理 4） NI 信號讀寫實現(xiàn) USB 上的雙向高速數(shù)據(jù)流 5） 與 LabVIEW, ANSI C/C++, C, Visual Basic .NET 和 Visual Basic 兼容 NIDAQmx 驅動軟件和 NI LabVIEW SignalExpress LE 交互式數(shù)據(jù)記錄軟重慶科技學院本科生畢業(yè)設計 3 硬件參數(shù)設置 10 件 硬件結構原理 USB— 6251 數(shù)據(jù)采集卡 它具有 8 路模擬輸入、 2 路模擬輸出、 8 個 DIO、 1 個APFI 和 2 個用戶自定義 BNC 端子 ，以及 USB 傳輸總線，其接線面板圖如圖 圖 數(shù)據(jù)采集卡面板圖 當數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)至于現(xiàn)場中，拖過傳感器對模擬信號進行采樣、保持，并送入 AD 轉 換器編程數(shù)字信號，然后將信號送到 FIFO 中，當 FIFO 中存放的數(shù)據(jù)達到一定的數(shù)目時，再從 FIFO 中讀出然后將數(shù)據(jù)通過 USB 傳輸給上位機，此數(shù)據(jù)采集卡是多路采集，他們經過模擬開關后再進入 AD 轉換器， CPLD 是整個系統(tǒng)的控制核心，他控制采集通道的切換、 AD 轉換器的啟停、轉換后數(shù)據(jù)在 FIFO 中存重慶科技學院本科生畢業(yè)設計 3 硬件參數(shù)設置 11 放的地址、產生終端請求等等。其原理圖如圖 圖 數(shù)據(jù)采集卡工作原理 本次采集系統(tǒng)主要由被測信號、 DAQ 板卡、驅動程序、 LabVIEW 軟件以及 PC機資源構成。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是測試系統(tǒng)的 關鍵，而在采集系統(tǒng)中起關鍵作用的就是數(shù)據(jù)采集卡。它將外界被測信號轉化成計算機可接收處理的信號。此次系統(tǒng)的采集架構如圖 圖 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)框圖模擬信號 AD 轉換 FIFO 采樣頻率產生電路 控制芯片 USB 接口 重慶科技學院本科生畢業(yè)設計 4 軟件設計 12 4 軟件設計 軟件開發(fā)平臺 LabVIEW 是一種程序開發(fā)環(huán)境，由美國國家儀器（ NI）公司研制開發(fā)的，類似于 C 和 BASIC 開發(fā)環(huán)境，但是 LabVIEW 與其他計算機語言的顯著區(qū)別是：其他計算機語言都是采用基于文本的語言產生代碼，而 LabVIEW 使用的是圖形化編輯語言 G 編寫程序，產生的程序是框圖的形式。 圖形化的程序語言，又稱為 “ G” 語言。使 用這種語言編程時，基本上不寫程序代碼，取而代之的是流程圖或框圖。它盡可能利用了技術人員、科學家、工程師所熟悉的術語、圖標和概念，因此， LabVIEW 是一個面向最終用戶的工具。它可以增強你構建自己的科學和工程系統(tǒng)的能力，提供了實現(xiàn)儀器編程和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的便捷途徑。使用它進行原理研究、設計、測試并實現(xiàn)儀器系統(tǒng)時，可以大大提高工作效率。 與 C 和 BASIC 一樣， LabVIEW 也是通用的編程系統(tǒng)，有一個完成任何編程任務的龐大函數(shù)庫。 LabVIEW 的函數(shù)庫包括數(shù)據(jù)采集 、 GPIB、串口控制、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù) 處 理等。 LabVIEW 標志顯示及數(shù)據(jù)存儲，等等。 LabVIEW 也有傳統(tǒng)的程序調試工具，如設置斷點、以動畫方式顯示數(shù)據(jù)及其子程序（子 VI）的結果、單步執(zhí)行等等 ， 便于程序的調試 。 盡可能采用了通用的硬件，各種儀器的差異主要是軟件。可充分發(fā)揮計算機的能力，有強大的數(shù)據(jù)處理功能，可以創(chuàng)造出功能更強的儀器。用戶可以根據(jù)自己的需要定義和制造各種儀器。 系統(tǒng)調用 本系統(tǒng)有四個獨立的功能模塊，但他們都是獨立的 VI，沒有構成一個完整的系統(tǒng)，所以需要將他們整合起來，實現(xiàn)函數(shù)的調用，其框圖如圖 重慶科技學院本科生畢業(yè)設計 4 軟件設計 13 圖