基于labview的远程数据采集系统设计 毕业论文 - 图文(5)

Diagram)以及图标/连结器(Icon/Connector)三部分。

1）前面板：前面板是图形用户界面，也就是VI的虚拟仪器面板，这一界面上有用户输入和显示输出两类对象，具体表现有开关、旋钮、图形以及其他控制和显示对象。但并非画出两个控件后程序就可以运行，在前面板后还有一个与之对应的流程图。

2）流程图：流程图提供VI的图形化源程序。在流程图中对VI编程，以控制和操纵定义在前面板上的输入和输出功能。流程图中包括前面板上的控件连线端子，还有一些前面板上没有，但编程必须有的东西，例如函数、结构和连线等。

如果将VI与传统仪器相比较，那么前面板上的控件对应的就是传统仪器上的按钮、显示屏等控件，而流程图上的连线端子相当于传统仪器箱内的硬件电路。在许多情况下，使用VI可以仿真传统仪器，不仅在屏幕上出现一个惟妙惟肖的标准仪器面板，而且其功能也与传统标准仪器相差无几。这种设计思想的优点体现在两方面：

① 类似流程图的设计思想，很容易被工程人员接受和掌握，特别是那些没有很多程序设计经验的工程人员。

② 设计的思路和运行过程清晰而且直观。如通过使用数据探针、高亮执行调试等多种方法，程序以较慢的速度运行，使没有执行的代码显示灰色，执行后的代码会高亮显示，同时在线显示数据流线上的数据值，完全跟踪数据流的运行。这为程序的调试和参数的设定带来诸多的方便。

3）图标/连接设计：这部分的设计突出体现了虚拟仪器模块化程序设计的思想。在设计大型自动检测系统时一步完成一个复杂系统的设计是相当有难度的。而在LabVIEW中提供的图标/连接工具正是为实现模块化设计而准备的。设计者可把一个复杂自动检测系统分为多个子系统，每一个都可完成一定的功能。这样设计的优点体现在如下几方面：

① 把一个复杂自动检测系统分为多个子系统，程序设计思路清晰，给设计者调试程序带来了诸多的方便。同时也对于将来系统的维护提供了便利。

② 一个复杂自动检测系统分为多个子系统，每一个子系统都是一个完整的功能模块，这样把测试功能细节化，便于实现软件复用，大大节省软件研发周期，提高系统设计的可靠性。

③ 便于实现“测试集成”和虚拟仪器库的思想。同时为实现虚拟仪器设计的灵活性提供了前提。

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第三章 系统设计理论及硬件平台的实现

3.1 PC机

虚拟仪器就是用通用计算机强大的数据处理能力代替以往需要硬件电路才能完成的功能，所以数据采集系统软件运行的计算机平台的选择至关重要。考虑到数据采集设备通常运行在工业现场，常常有较强的振动、电源干扰和电磁干扰。为了保证记录仪可靠的运行，设计时选定工业计算机。工业计算机采取了抗干扰措施，有利于计算机平台的可靠运行。另一方面的考虑是工业计算机通常具有很多类型的接口有利于功能进一步扩展的需要。

推荐配置：

处理器：Intel (R) Core (TM)2 Duo CPU E6550 @ 2.33GHz 内存：1GB 硬盘：160GB 显卡：128M

3.2 数据采集理论

该部分主要包括数据采集技术概述，传感器，输入信号的分析、调理以及测量系统的选择，下面分别予以说明。 3.2.1 数据采集技术概论

在计算机广泛应用的今天，数据采集的重要性是十分显著的。它是计算机与外部物理世界连接的桥梁。各种类型信号采集的难易程度差别很大。实际采集时，噪声也可能带来一些麻烦。数据采集时，有一些基本原理要注意，还有更多的实际的问题要解决。

假设现在对一个模拟信号x(t)每隔△t时间采样一次。时间间隔△t被称为采样间隔或者采样周期。它的倒数l/△t被称为采样频率，单位是采样数/每秒。t＝0，△t，2△t，3△t??等等，x(t)的数值就被称为采样值。所有x(0)，x(△t)，x(2△t)都是采样值。这样信号x(t)可以用一组分散的采样值来表示：

{x(0)，x(△t)，x(2△t)，x(3△t)，?，x(k△t)，?}

图3.1显示了一个模拟信号和它采样后的采样值。采样间隔是△t，注意，采样点在时域上是离散的。

图3.1 模拟信号采样图

如果对信号x(t)采集N个采样点，那么x(t)就可以用下面这个数列表示： X={x[0]，x[l]，x[2]，x[3]，?，x[N－l]}

这个数列被称为信号x(t)的数字化显示或者采样显示。这个数列中仅仅用下标变量编

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制索引，而不含有任何关于采样率(或△t)的信息。所以如果只知道该信号的采样值，并不能知道它的采样率，缺少了时间尺度，也不可能知道信号x(t)的频率。

根据采样定理，最低采样频率必须是信号频率的两倍。反过来说，如果给定了采样频率，那么能够正确显示信号而不发生畸变的最大频率叫做恩奎斯特频率，它是采样频率的一半。如果信号中包含频率高于奈奎斯特频率的成分，信号将在直流和恩奎斯特频率之间畸变。图3.2和图3.3显示了一个信号分别用合适的采样率和过低的采样率进行采样的结果。

图3.2 合适采样率采样波形

图3.3 采样率过低采样波形

采样率过低的结果是还原的信号的频率看上去与原始信号不同。这种信号畸变叫做混叠。出现的混频偏差是输入信号的频率和最靠近的采样率整数倍的差的绝对值。为了避免这种情况的发生，通常在信号被采集(A/D)之前，经过一个低通滤波器，将信号中高于奈奎斯特频率的信号成分滤去。理论上设置采样频率为被采集信号最高频率成分的2倍就够了，但

实际上工程中选用5-10倍，有时为了较好地还原波形，甚至更高一些。

3.2.2采集系统的一般组成及各部分功能描述

内存BufferDAQ板卡A/D信号Buffer(FIFO)驱动程序Labview程序硬件外触发图 3.4 数据采集结构图

显示

图3.4表示了数据采集的结构。在数据采集之前，程序将对采集板卡初始化，板卡上和内存中的Buffer是数据采集存储的中间环节。需要注意的两个问题是：

是否使用缓冲？是否使用外触发启动、停止或同步一个操作？

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1）缓冲(Buffers)

这里的缓冲指的是PC内存的一个区域(不是数据采集卡上的FIFO缓冲)，它用来临时存放数据。例如，你需要采集每秒采集几千个数据，在一秒内显示或图形化所有数据是困难的。但是将采集卡的数据先送到Buffer，你就可以先将它们快速存储起来，稍后再重新找回它们显示或分析。需要注意的是Buffer与采集操作的速度及容量有关。如果你的卡有DMA性能，模拟输入操作就有一个通向计算机内存的高速硬件通道，这就意味着所采集的数据可以直接送到计算机的内存。

不使用Buffer意味着对所采集的每一个数据你都必须及时处理(图形化、分析等)。 下列情况需要使用Buffer I/O：

① 需要采集或产生许多样本，其速率超过了实际显示、存储到硬件，或实时分析的速度。

② 需要连续采集或产生AC数据(>10样本/秒)，并且要同时分析或显示某些数据。 ③ 采样周期必须准确、均匀地通过数据样本。 下列情况可以不使用Buffer I/O：

① 数据组短小，例如每秒只从两个通道之一采集一个数据点。 ② 需要缩减存储器的开支。 2）触发(Triggering) 触发涉及初始化、终止或同步采集事件的任何方法。触发器通常是一个数字或模拟信号，其状态可确定动作的发生。软件触发最容易，你可以直接用软件，例如使用布尔面板控制去启动/停止数据采集。硬件触发让板卡上的电路管理触发器，控制了采集事件的时间分配，有很高的精确度。硬件触发可进一步分为外部触发和内部触发。当某一模拟入通道发生一个指定的电压电平时，让卡输出一个数字脉冲，这是内部触发。采集卡等待一个外部仪器发出的数字脉冲到来后初始化采集卡，这是外部触发。许多仪器提供数字输出(常称为“trigger out”)用于触发特定的装置或仪器，在这里，就是数据采集卡。

下列情况使用软件触发：

用户需要对所有采集操作有明确的控制，并且事件定时不需要非常准确。 下列情况使用硬件触发：

① 采集事件定时需要非常准确。 ② 用户需要削减软件开支。

③ 采集事件需要与外部装置同步。 3.2.3传感器

传感器部分是跟外界沟通的门户，负责把外界的各种物理信息，如光、压力、温度、声音等物理信号变成电信号。因为被测试对象的信号来源已经是变换好了的电信号，所以传感器部分在设计中没有得到具体体现，但是这部分是设计过程中必需要考虑的。 3.2.4信号调理

从传感器得到的信号大多要经过调理才能进入数据采集设备，信号调理功能包括放大、隔离、滤波、激励、线性化等。由于不同传感器有不同的特性，除了这些通用功能外，还要根据具体传感器的特性和要求来设计特殊的信号调理功能。信号调理的通用功能如下[15] [16]：

1）放大 微弱信号都要进行放大以提高分辨率和降低噪声，使调理后信号的电压范围和A/D的电压范围相匹配。信号调理模块应尽可能靠近信号源或传感器，使得信号在受到传输信号的环境噪声影响之前已被放大，使信噪比得到改善。

2）隔离 隔离是指使用变压器、光或电容耦合等方法在被测系统和测试系统之间传递信号，避免直接的电连接。使用隔离的原因：是从安全的角度考虑；二是隔离可使从数据采

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集卡读出来的数据不受地电位和输入模式的影响。如果数据采集卡的地与信号地之间有电位差，而又不进行隔离，那么就有可能形成接地回路，引起误差。

3）滤波 滤波的目的是从所测量的信号中除去不需要的成分。大多数信号调理模块有低通滤波器，用来滤除噪声。通常还需要抗混叠滤波器，滤除信号中感兴趣的最高频率以上的所有频率的信号。另外，某些高性能的数据采集卡自身带有抗混叠滤波器。

4）激励 信号调理也能够为某些传感器提供所需的激励信号，比如应变传感器、热敏电阻等就需要外界电源或电流激励信号。很多信号调理模块都提供电流源和电压源以便给传感器提供激励。

5）线性化 许多传感器对被测量的响应是非线性的，因而需要对其输出信号进行线性化，以补偿传感器带来的误差。目前，数据采集系统也可以利用软件来解决这一问题。

6）数字信号调理 即使传感器直接输出数字信号，有时也有必要进行调理，其作用是将传感器输出的数字信号进行必要的整形或电平调整。大多数数字信号调理模块还提供其他一些电路模块，使得用户可以通过数据采集卡的数字I/O比直接控制电磁阀、电灯、电动机等外部设备。

3.2.5 输入信号的类型

在进行数据采集前，必须对要采集的信号有所了解，因为不同信号的测量方式和对采集系统的要求是不同的，只有了解被测信号，才能选择合适的测量方式和采集系统。

任意一个信号是随时间而改变的物理量。一般情况下，信号所运载信息是很广泛的，比如：状态(State)、速率(Rate)、电平(Level)、形状(Shape)、频率成分(Frequency Content)。根据信号运载信息方式的不同，可以将信号分为模拟或数字信号。数字信号又可分为开关信号和脉冲信号。模拟信号则可分为直流、时域、频域信号。

1）数字信号(Digital)

第一类数字信号是开关信号(On-Off)，如图3.5所示。一个开关信号运载的信息与信号的瞬间状态有关。TTL信号就是一个开关信号，一个TTL信号如果在2.0V到5.0V之间，就定义它为逻辑高电平，如果在0到0.8V之间，就定义为逻辑低电平。

OnOffStatet图 3.5 开关信号

第二类数字信号是脉冲信号(Pulse Train)，如图3.6所示。这种信号包括一系列的状态转换，信息就包含在状态转化发生的数目、转换速率、一个转换间隔或多个转换间隔的时间里。

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