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基于LabVIEW的數據采集系統分析與設計

0 引言
??? 現代技術的進步，特別是以計算機技術為代表的不斷革新的計算機技術，正從各個層面上影響并引導著各行各業的技術革新，基于計算機技術的虛擬儀器系統技術也正以不可逆轉的力量推動著測量控制技術、數據采集和分析等技術的發展。傳統儀器主要由信號采集與控制模塊、分析與處理模塊、以及測量結果的表達與輸出模塊這三大功能模塊組成。傳統儀器的這些功能都是以硬件(或固化的軟件)形式存在的。而虛擬儀器則是將這些功能移植到計算機上完成。它在計算機上插上數據采集卡，然后利用軟件在屏幕上生成儀器面板，并利用軟件進行信號的分析與處理。相對于傳統儀器，虛擬儀器具有性能高、擴展性強、開發時間少、完美的集成功能等特點。
??? LabVIEW是一款優秀的虛擬儀器軟件開發平臺。LabVIEW以其直觀、簡便的編程方式，眾多的源碼級設備驅動程序，多種多樣的分析和表達支持功能，可為用戶快捷地構建實際生產中所需要的儀器系統創造有力的基礎條件。其中數據采集與儀器控制是LabVIEW最具競爭力的核心技術。

1 系統整體方案設計
??? 一個完整的LabVIEW程序主要包括前面板、程序框圖、連接器三部分。前面板是一種交互式圖形化用戶界面，用于設置輸入數值和觀察輸出：框圖是定義VI功能的圖形化源代碼，可利用圖形語言對前面板的控制量和指示量進行控制；圖標和連接器窗格用于把程序定義成一個子程序，以便在其他程序中加以調用。本系統包括波形信號采集、保存標準信號、信號處理和分析、采集數據回放四個部分。圖1是信號采集與分析系統框圖。

1．1 波形信號的采集
??? 該部分主要利用外部觸發方式發出觸發信號，以使發出信號和通道的采集達到同步。以信號發生器發出信號為例；為了分析有限個波形的數據，必須保證采集卡采集的數據是發出的全部信號并且只有一個發出信號。本系統通過采集卡輸出一個脈沖信號來觸發信號發生器，以使采集卡的輸入通道和脈沖輸出通道同步。實際上，正是基于這一點，其發出的任意信號才必須被無遺漏的同步采集過來。本設計正好滿足了此要求。該部分的前面板控件包括采集信號參數的設置控件、脈沖輸出端口、信號輸入端口以及存放信號處理后峰值點位置的三個數組。其中采樣率的設置比較重要，例如根據需要發出的信號周期是0．4ms，每個周期采集200個點，采5個周期就需要rate=l MHz，那么，每個點之間的時間間隔就是lμs，這樣推理便于后面的信號處理。

?程序中可利用數據采集的工具DAQmx中的各種子vi來實現數據的通信，并可通過Get Terminal Name with Device Prefix．vi來實現輸入與輸出之間的同步。最后通過波形圖顯示所采集到的信號，同時通過Waveform Peak Detection for l Chan．vi獲得信號超過閾值的峰值點。其數據采集程序框圖如圖2所示。

1．2 信號處理與分析
??? 此部分首先選擇以前保存過的標準信號作為信號處理的標準。選擇路徑后，相應的標準會存放到處理中的位置。然后點擊前面板中的“信號處理”按鈕，這樣，相應的處理結果就會顯示出來。標準信號和采集信號峰值點的位置和個數相應的顯示出來，最后的相減結果也以數組的形式給出。其中無論是重新選擇的標準信號還是以前默認的信號，都可以通過波形再次回放出來。通過一個選擇結構來實現用什么樣的標準信號來處理，其信號處理子模塊的程序框圖如圖3所示。

l.3 信號的保存
??? 在信號采集模塊中，每次采集都默認保存，而且采集信號每次保存后都會覆蓋上一個，這樣，在程序運行過程中，用戶可以隨機地保存標準信號。其方法是把默認目錄下的test．1vb文件復制到想要保存的路徑下，然后通過讀取測量文件把該目錄下的波形提取出來。在此，標準信號的回放在信號處理的過程中已經用波形圖的形式顯示出來，但要用到此處保存路徑的屬性節點。其保存標準信號的程序框圖如圖4所示。

2 設計模式的選擇
??? 該程序的設計模式是基于事件結構的人機界面(UI EventLoop)，即用控件的事件結構來響應用戶操作。它可以避免因輪詢導致的CPU浪費，而且會自動產生事件隊列，從而避免丟失事件。

事件結構不僅使程序變得簡單，提高了CPU的利用率，而且可以使幾個子程序同時運行，從而在LabVIEW中實現多線程操作。這一性能取決于LabVIEW是一種自動多線程語言，它可自動根據用戶編寫的程序決定線程的數目、分配、管理和切換等。而該線程的執行系統則可在VI的屬性對話框中直接進行配置。一般來說，一個獨立的循環或者子VI就是一個獨立的線程。前面板上的一個單擊事件響應一個線程的執行，但多個線程可以并行運行，互不影響。

3 整體結構
??? 本系統中各個部分的模塊均可通過事件結構來實現，單擊前面板中相應的操作程序，可相應地運行有關事件。前面板的整體結構如圖5所示。

4 結束語
??? 本系統可通過采集卡采集到由傳感器感知到的波形信號，并進行相應的處理，同時對信號進行分析，以得出信號異變情況。事實上，基于LabVIEW平臺開發的系統具有體積小巧，功能強大，處理速度快等優點，可用于各種結構的檢測工程中。當然，本系統還存在著某些需要改進之處，由于是首次獨立開發，主要功能模塊只是初步通過調試，故在系統的糾錯能力和信息提示等方面還需完善。