基于LabVIEW的USB数据采集系统设计，岳敏，，本数据采集系统由数据处理部分和数据采集两部分组成，以设计数据采集系统的上位机部分为目的，基于G语言的虚拟仪器软件开发工具La
国武技论文在线 PH T2 uy m Label LT下 的开 图数据读盘模块程序框图 数据处理模块的设计 信号产生 在模拟电路范围,信号频率以或周期来测量,但在数字系统中我们使用数字频率, 它是模拟频率与采样频率之比,在许多信号产生子程序模块中,我们使用数字频窣,因为难 以确定采样频率。为了得到模拟频率输出,我们必须确定采样频率。设计了一个产生指定频 率的正弦波发生器,如图、所小。 ◆前面板设计: ()前面板操作 五次,得 到五个输入型数字控件,分别标记为:采样点数、幅值、信号频率、初始相位和采样频凇。 个输出显示型图形控件,用米显示所宀生的正弦波波形,执行 不样 1.5 当5 初始相eaee 0.81.012 图虚拟正弦波发生器前面板 ◆框图程序设计: 在流程图中执行 。在本设计中,它以采样频率,产生有个采样点的止弦波 ()在流程图中执行 ()注意查看框图,可以看到在连接到 程序之前,信号频率已经被采样频率 相除。也就是说,需要输入信号的数字频率。 ()运行此稈序,在前面板缺省值的情况下,将岀现的正弦波。 国武技论文在线 样[2 黑率 后相位〔 图虚拟正弦波发生器框图程序 ◆采样与混频 在前面板把信号频率改为,「运行此程序。结果出现的信号频率却等于 种现象叫混频偏差( ),只在数字频率范围出现。著名的耐奎斯特釆样理论已经说 明,最高信号稳定颎率等于样频率的一半。在本改计中,釆样频率等于,所以最高 信号频率为,如果输入频率大」 如木例中的 它将会偏差到(() ,即为( ,也就是说,采样频率为 的数字系统不能区分 和 和 和 等等。 因此,在设计数字频谱系统时,我们必须保证不要让大于采样频率的信号进入系统。 旦进入了,就没有办法清除它们。为了防止偏差岀现,我们一般采用低通滤波器。在本设 计中,我们可以使用抗混频模拟低通滤波器滤除任何大于的信号。加了滤波器以后, 当采样频率为的系统内出现信号时,我们就可以肯定它是而非 滤波模块的设计 滤波是信号处理中的一种基本而重要的技术,它包括用电的、机械的和数学等技术手段 滤除信号的噪声或虚假信号。工程测试中常用的滤波是指在信号频域的选频加工,因为测试 指获取的信号往往含有多种频率成分,为了对其中某方面的特征有更深的认识,或有利于 对信号做进一步的分析和处理,需要将其中需要的频率戊分提取出来,而将不需要的频率成 分衰减掉。实际信号指频带帶宽、振幅也不尽相同。对于模拟生成的复杂信号,要实现对它 的处理,首先就要减少频率带宽,而这一点就要加入滤波器的装置。 库函数指自 带的库丽数基本能满足了以上要求。按处理信号不同,滤波器可分为模拟滤波器与数字滤波 器两人类。模拟滤波器是用来处理模拟信号或连续时间信号,数字滤波器是用来处理离散的 数字信号。 数字滤波器用于改变或消除不需要的波形。它是应用最广泛的信号处理工具之一。两种 数字滤波器分别是:(有限脉冲响应)和(无限脉冲响应)滤波器。滤波器可以 看成一般移动平均值,它也可以被设计成线性相位滤波器。滤波器有很好的幅值响应, 但是无线性相位响应。 在 中存在各种数字滤波器,它们的主要功能是把输入序列通过一定的运算变 成输出序列,同时起到滤波的作用。这些滤波器可以直接调用而不用考虑它的内部设计。用 巴特沃斯低通滤波器(如图所示)设计一个数字滤波器消除不需要的频率分量,从输入信 号中滤除分量,如图、所 国武技论文在线 王i1tert Filt hieh= utoff frec:五h Hat是erT。r是hrte正.可】 T9十sdiz-1tt“ worth fi1 ter hy 图巴特沃斯低通滤波器节点图标及连接端口 ◆前面板设计: )前面板操作 十次,得到 十个输入型数字控件,分别标记为:采样、采样频率、幅度、幅度、频率、频率、初 始相位、初始相位、低截频率和阶数。 ()两个输出显示型图形控件,用来显示滤波后的波形。 滤汝 低在率组 ¨F0 3C.34 图巴特沃斯低通滤波器前面板 ◆框图程序设计 ()在流稈图中执行 。在本例中,采用巴特沃斯滤波器,指定滤波器的阶数和截止频率,滤除输入正弦 波中的高频分量,把输出波形在屏幕上显示。 ()运行该程序,改变滤波器阶数,观察滤波器的效果。 焖率 十,E回一 4+Lowpass 欧率2画 Arpl: tude and Phase Spe 图巴特沃斯低通滤波器后面板 虽然在 中使用数字滤波器很简便,但还是需要你对数字信号处理的理论有 个基本了解。为此,公司提供了一个附加的工只软仵,叫做数字滤波器设计工只箱 国武技论文在线 。该软件用 开发,有很好的交互式图形用户界面。可以把所 设计的滤波器集成到 或者其他的编程环境 频谱分析模块的设计 将时域信号变换成频域信号再分析称为频谱分析。由于时域信号分为连续信号和离散信 号,连续信号又可分为绝对可积、平方可积和均方可积;离散信号又分为绝对可积、平方可 积和均方可积,故对应的频谱也可以分为多种。 在实用的信号采样系统中,即使考虑采样定理及采样条件,也只能取得一部分局限的信 号记录。但是在实时系统中,局狠的信号记录将产生与原始的连续信号具有不同谱特征的短 而粗的波形。这些不相符的特征产生的谱信息的泄露,造成了实时系统的谱特征对于原始的 连续吋间谱特征所形成的假象。谱泄露的数量取决于信号不连贯的程度。不连贯程度越晑, 泄露越严重,反之亦然。可以用加窗模块,减少每个采样周期边界上信号不连贯的程度。频 域加窗可以去除波形中毛刺(平滑),时域加窗可限制观察时间、减少谱泄露、用于频率相 近的大幅值信号与效幅值信号的分离,注意每种窗都是既有优点,又有缺点 下面的设计讲述使用 子程序来测量两个频率分量,如 图 所 ◆前面板设计: ()在前面板放置八个输入型数字控件,分别标记为:采样、采样频率、幅度、幅度、 频率、频率、初始相位、初始相位。 ()输入信号混合了两个止弦波,·个为,另个为 釆样频率为 ,采样 点为个 的信号幅值为伏。的信号幅值为伏。 11 图频谱分析模块前面板显小 ◆框图程序设计 ()在流稈图中执行 。在本例中,它计算信号的幅度有效佰()。 ()运行程序。频谱图显示两个峰值,一个在,另一个在波形电压有效值 为 波形电压有效值为伏,分别对应其峰值伏和伏。 国武技论文在线 孓颂型画 图频谱分析模块程序框图 通信模块系统设计 设备的软件般包括主机的驱动程序、应用程序和写进 里面的 提供了多种设备的驱动程序,但还没有一种专门针对数据采集 系统,所以必须针对特定的设备编制驱动程序。尽管系统已经提供了很多标准接口函数,但 编制驱动程序仍然是开发中最困难的一件事。本文研究的是如何高效地通过鼠标操作 设备,如何处理和分析采集进来的大量数据。因此必须有高质量的用户软件,本文采用的是 种方便灵活的虚拟仪器开发软件 有着友好的界面、强人的数据分析 和处理能力以及提供给用户进行再开发的接口。 的应用程序一般用 编写,较为复杂,花费的时间较长。由美国国家仪 器公司开发的 语言是一种基于图形程序的编程语言,内含丰富的数据采集 数据信号分析以及控制等了程序,用户利用创建和调用亍程序的方法编写程序,使创建的程 模块化,易于调试、理解和维护,而且程序编程简单、直观。因此它特别遹用于数据采集处 理系统。利用它编写应用程序,可以把 语言和总线紧密结合起米,使 数据采集系统集成两者的优点 总线可以实现对外部数据实时高速的采集,把采集的 数据传送到主机后再通过 的功能模垗顺利实现处理、数据显示、分析和存储。该 应用程序的设计实现有两种方法: 中调用 函数实现和 使用结点实现。本设计决定采用结点实现。 应用程序中设计一个 文件作为 与的驱动程序。山 开发系统中已经提供了底层驱动程序()接口函数,用户只需调用这些函数 即可与设备连接。因此在的编制中只需调用它提供的函数,大大节约了开发时间, 提高了廾发速度。木设计由时间关系没有完成的驱动程序,但做了结点的基木 调用,只要把用语言编写的的驱动程序根据此步骤设计就可实现。 通信驱动方式 对于公司以外开发的数据采集卡, 提供了种方式来实现通信驱动:直接 端口读写方式方式;动态链接库调用方式和语言调用方式。考虑到系统要求,本设 计利用第二种方式来进行驱动设计。同时也会简要介纽其他两种方式。 直接端口读写方式方式 利用 中的 模块即高级子模板提供库函数调用、代码接口节点 数据管理、内存管理和程序标志管理等髙级功能中的代码接口节点来实现 对 进行驱动。 国武技论文在线 中有两个直接访问底层设备的节点,即 和 这两个函数 分别完成从设备的物理地址直接读取和输出数据的功能,通过直接读写寄存器可以提高数据 的传输速率。 调用动态链接库 方式 动态链接是一种应用程序在运行时与库文件连接起来的技术。动态链接库是一个 包含许多函数的可执行模块,是在应用程序运行时被装入和链接的,而不是把源代码复制到 应用程序中去,因此使用动态链接可以实现多个应用程序之间代码和资源的共享 首先,我们要在环境下编写动态链接库格式 的驱动程序。在环境下新 建一个 工程文件,添加文件名,并对的工作环境进行配置 然后就可以在坏境下编写驱动程序。 通过调用语言的方式 中提供了与语言的编程接凵节点,由于语言是一种中间语言, 具有功能强大、快速、高效笭特点,这样当遇到某些 节点难以实现的功能时,就 可以通过接口节点来调用语言源代码来实现。 是一个位于 框图程序窗口的带有输入输出端口的节点输入、输出端口的 个数可中设计者根据实际需要确定,如图所示。用户可将需要调用的外部代码编译成 所能识别的格式后与此结点相连。当此结点执行时, 将自动调用与此结 点相连的外部代码,并向传递特定的数据结构,而且用户可向传递任意复合的数 据结构。通常情况下,使用可获得较高的程序效率,因为 中数据的存储格式 遵循了语言中数据的存储格式,二者完全相同。同时可以通过使用点来调用由 语言编写的采集卡驱动程序的方法来提高虚拟仪器的采集精度。 输入端口→ →输入返回值 效□辈口 图 节点示意图 从节点的快捷菜单中可以添加输入输出的参数,在快捷菜单中选择 会弹出文件存储对话框,键入文件名,则生成 文件的语言代码框,如下:我 们可以用任意一和文件编缉器将它打开,并在 ,的位置添入 数据釆集卡驱动栏序的语言代码。语言文件源代码的编译主要是在以语言为主的开 发系统中进行,编译完毕肜成一个可以和节点进行动态连接的工程文件,回到 流程图窗凵,在节点的快捷菜单中选择 ,即弹出一个选 择文件的对话框,选择编译完成的文件 中节点设计 )节点是 中用来调用 代码的功能节点。它与 动态链接库的不同之处在于,它能够将代码集成在中作为单独的一个发布,而不需 要多余的文件。另外,它提供了函数入口,它可以根据用户提供的输入输出自动生成函数入 口代码,从而使用户关注代码功能而不用为函数声明、定义等语句费心。因此节点与 在不同的场合有不同的优势,但是节点的使用比调用要复杂得多 当 的程序运行到节点时,数据有的输入端∏传递给源代码图标, 国武技论文在线 程序转去执行源代码,代码执行完后,得到的数据结果有的输出端冂返回给 结束语 本设计是基于 的数据采集系统在传统数据采集系统的基础上集成了 接口和 图肜化编程语言的优点,不仅提高了性价比和通用性,而且使得系 统更易于开发,数据处理简单,大大缩短了开发周期,还有波形可长期存储,有多种显示方 式,便于观测单次过程和缓慢变化的信号便于数据处理,用户编程模板,可任意组合用户的 数据处理和分析功能等优点,同时信号处理系统可将多个通道的实测信号同时映现在屏幕的 窗口中,这使系统可用于对多路信号进行实时监测 参考文献 雷振山 编程抆术实用教程.北京:屮国铁道出版社, 蔡春小.虚拟仪器技术及其软件开发平台 .重庆职业技术学院学报 张毅,周绍磊,杨秀圾,虚拟仪器技术分析与应用,北京:机械工业出版社, 杨乐平,李海涛,赵勇 高级稈序设计.北京:清华大学出版社, 稈学庆 佟形化编稈与实例应用.北京:中国铁道出版社 刘君华,郭会军.基于 的虚拟仪器设计.北京:电子业出版社,