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LabVIEW 简述

虚拟仪器（virtual instrumention）是仪器需求组织的数据采集系统基于计算机的仪器。

计算机和仪器的密切结合是目前仪器发展的一个重要方向。粗略地说这种结合有两种方式，

一种是将计算机装入仪器，其典型的例子就是所谓智能化的仪器。随着计算机功能的日益强

大以及其体积的日趋缩小，这类仪器功能也越来越强大，目前已经出现含嵌入式系统的仪器。

另一种方式是将仪器装入计算机。以通用的计算机硬件及操作系统为依托，实现各种仪器功

能。虚拟仪器主要是指这种方式。

LabVIEW（Laboratory Virtual instrument Engineering）是一种图形化的编程语言，它广

泛地被工业界、学术界和研究实验室所接受，视为一个标准的数据采集和仪器控制软件。

LabVIEW 集成了与满足 GPIB、VXI、RS-232 和 RS-485 协议的硬件及数据采集卡通讯的全

部功能。它还内置了便于应用TCP/IP、ActiveX 等软件标准的库函数。这是一个功能强大且

灵活的软件。利用它可以方便地建立自己的虚拟仪器，其图形化的界面使得编程及使用过程

都生动有趣。

虚拟仪器的主要特点有：

尽可能采用了通用的硬件，各种仪器的差异主要是软件。

可充分发挥计算机的能力，有强大的数据处理功能，可以创造出功能更强的仪器。

用户可以根据自己的需要定义和制造各种仪器。

利用 LabVIEW，可产生独立运行的可执行文件，它是一个真正的３２位编译器。

本设计以 32 个通道进行设计，从传感器来的模拟输入信号，经过信号调理后，输入

到 NI PCI-6221 数据采集卡，然后经过 PCI 总线送入 PC 机，由软件进行数据处理，包括数

据的平均值滤波，采样波形的实时显示，并以一定的时间间隔插入数据库进行历史数据保存，

边采集边保存，然后通过数据库技术实现了历史数据的检索。本设计采用 NI PCI-6221 数

据采集卡，运用虚拟仪器及其相关技术于多通道数据采集系统的设计。该系统具有数据同时

采集、采集数据实时显示、存储与管理、报警记录等功能，最后使用 Web 技术实现了采集

数据的远程访问。

关于远程数据检索部分，因为数据已保存到数据库里，通过网络很容易进行访问。本

设计采用 Apache＋PHP＋MySQL 服务器套件来实现了采集数据的远程访问。

第二节系统设计理论及硬件平台的实现

一数据采集

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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。

数据采集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。

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。

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。

1.采集系统的组成及各部分功能

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。

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。需要注意的是 Buffer 与采集操作的速度及容量有关。

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。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。

（1）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。

（2）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

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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：放大、隔

离、滤波、激励、线性化、数字信号调理。

2.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。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)。第二类数字信号是脉冲信号(Pulse Train)。

2）模拟信号(Analog)

3.输入信号的连接方式

一个电压信号可以分为接地和浮动两种类型。测量系统可以分为差分(Differential)、参

考地单端(RSE)、无参考地单端(NRSE)三种类型。

1）接地信号

接地信号，就是将信号的一端与系统地连接起来，如大地或建筑物的地。因为信号用的

是系统地，所以与数据采集卡是共地的。

2）浮动信号

一个不与任何地(如大地或建筑物的地)连接的电压信号称为浮动信号，浮动信号的每个

端口都与系统地独立。

二测量系统分类

1 差分测量系统(DEF)

差分测量系统中，信号输入端与一个模拟入通道相连接。具有放大器的数据采集卡可配

置成差分测量系统。差分测量系统，用一个放大器通过模拟多路转换器进行通道间的转换。

标有 AIGND(模拟输入地)的管脚就是测量系统的地。

2 参考地单端测量系统(RSE)

一个 RSE 测量系统，也叫做接地测量系统，被测信号的一端接模拟输入通道，另一端

连接系统地 AIGND。下图表示了一个 16 通道的 RSE 测量系统。

十六通道 RSE 测量系统

3 无参考地单端测量系统(NRSE)

在 NRSE 测量系统中，信号的一端接模拟输入通道，另一端接一个公用参考端，但这

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