基于LabVIEW的數(shù)據(jù)采集與信號處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要 為了有效地進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集和處理，發(fā)揮LabVIEW的可視化優(yōu)點(diǎn)，介紹了一種利用數(shù)據(jù)采集卡PMD-1608基于LabVIEW進(jìn)行多通道數(shù)據(jù)采集和處理的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法。該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)8通道數(shù)據(jù)采集，信號分析，以及對數(shù)據(jù)的同步存儲。
關(guān)鍵詞 PMD-1608；數(shù)據(jù)采集；LabVIEW；信號分析

    美國國家儀器公司(NI)的創(chuàng)新軟件產(chǎn)品LabVIEW自1986年問世以來，在研究、制造和開發(fā)的多項(xiàng)領(lǐng)域得到應(yīng)用。從探索研究到技術(shù)集成，都可以發(fā)現(xiàn)LabVIEW應(yīng)用的成果和開發(fā)的產(chǎn)品。LabVIEW是給予圖形化變成G語言的高效開發(fā)軟件，包括用于數(shù)據(jù)采集、分析、表達(dá)和數(shù)據(jù)存儲的庫函數(shù)，編程簡單，適合于數(shù)據(jù)采集和控制、數(shù)據(jù)分析以及數(shù)據(jù)表達(dá)。

1 數(shù)據(jù)采集卡PMD-1608介紹
    數(shù)據(jù)采集卡PMD-1608是MCC產(chǎn)品，為USB接口是性價(jià)比較高的多功能數(shù)據(jù)采集控制器。它便于計(jì)算機(jī)與外部物理世界聯(lián)系起來，被廣泛地應(yīng)用于測試儀器、工業(yè)過程控制，數(shù)據(jù)監(jiān)視等各種數(shù)據(jù)采集和控制場合。其主要性能及特點(diǎn)有
    (1)8路獨(dú)立A／D通道，16 bit分辨率，50 kHz的采樣速率。
    (2)單通道連續(xù)采集模式時(shí)，任一通道最大連續(xù)采樣50 ksample·s-1。
    (3)多通道連續(xù)采集模式時(shí)，單通道最大連續(xù)采樣100 ksample·s-1，雙通道連續(xù)采樣50 ksample·s-1，四通道連續(xù)采樣25 ksample·s-1，依此類推。
    (4)觸發(fā)模式工作時(shí)，8通道都能以50 ksample·s-1采樣速率同時(shí)采集。
    (5)觸發(fā)模式工作時(shí)，每通道緩存32 kB。
    (6)輸入電壓范圍：±10 V，±5 V，±2 V，±1 V。
    (7)8個(gè)數(shù)字量輸入，有外部數(shù)字觸發(fā)輸入。
    (8)USB2．0接口兼容USB1．1，即插即用，無需外接電源。

2 LabVIEW簡介
    由美國NI公司研制的LabVIEW(Laboratory Vinual Instrument Engineering Workbench)是一種基于圖形編程語言的開發(fā)環(huán)境。LabVIEW功能強(qiáng)大、靈活方便。與傳統(tǒng)編程語言有諸多相似之處，如相似的數(shù)據(jù)類型、數(shù)據(jù)流控制結(jié)構(gòu)、程序調(diào)試工具等。但兩者最大的區(qū)別在于傳統(tǒng)編程語言是用文本語言編程，而LabVIEW用圖形語言編程。編程簡單方便、界面形象直觀、具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)可視化分析和儀器控制能力等特點(diǎn)。
    一個(gè)LabVIEW程序主要包括3個(gè)部分：前面板、框圖程序、圖標(biāo)／接線端口。前面板是LabVIEW程序的交互式圖形化用戶界面，用于設(shè)置用戶輸入和顯示程序輸出，目的是模擬真實(shí)儀器的前面板?？驁D程序則是利用圖形語言對前面板上的控制量和指示量進(jìn)行控制。圖標(biāo)／接線端口用于把LabVIEW程序定義成一個(gè)子程序，以便在其它程序中調(diào)用，這使LabVIEW得以實(shí)現(xiàn)層次化、模塊化編程。

3 系統(tǒng)整體方案設(shè)計(jì)
    實(shí)驗(yàn)測試平臺的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)以LabVIEW為軟件設(shè)計(jì)平臺，由電極、數(shù)據(jù)采集模塊PMD-1608和計(jì)算機(jī)組成。電極分為激勵(lì)電極和測量電極，在測量電極上采集到的同步實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)直接通過數(shù)據(jù)采集的USB口傳入計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)對傳入數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、顯示，并保存處理結(jié)果。系統(tǒng)還為用戶提供了良好的人機(jī)交互界面，界面主要分為3部分：(1)采集設(shè)置窗口，用戶可以實(shí)時(shí)在面板上設(shè)置系統(tǒng)的采樣率、采樣點(diǎn)數(shù)以及濾波方式、濾波階次和截止頻率設(shè)定等。(2)數(shù)據(jù)波形顯示窗口，用戶可以在該面板上看到采集的數(shù)據(jù)波形以及各通道各點(diǎn)電壓值。(3)濾波波形顯示窗口，用戶可以在該面板上看到經(jīng)切比雪夫?yàn)V波器濾波后數(shù)據(jù)波形以及各通道各點(diǎn)電壓值。
3．1 數(shù)據(jù)采集程序設(shè)計(jì)
    數(shù)據(jù)采集程序的主要功能是：對數(shù)據(jù)采集模塊的采樣率、采樣點(diǎn)數(shù)、采樣形式和采樣通道等進(jìn)行設(shè)置，并將采集到的數(shù)字量轉(zhuǎn)換成信號電壓值。數(shù)據(jù)采集參數(shù)設(shè)置窗口如圖1所示。

    數(shù)據(jù)采集程序框圖如圖2所示。該程序框圖中包括的函數(shù)有：AlnScFg、OptAln、SelChan、ToEng等。
    AlnScFg該函數(shù)節(jié)點(diǎn)的主要作用是對采集卡的模擬通道進(jìn)行掃描采樣，并將預(yù)先設(shè)定的采集點(diǎn)以向量形式儲存，當(dāng)全部采集結(jié)束后，停止工作。

    OptAln該函數(shù)節(jié)點(diǎn)主要作用是對數(shù)據(jù)采集模塊的時(shí)鐘、觸發(fā)、采集、儲存等方式進(jìn)行設(shè)置，其輸出須與AlnScFg函數(shù)節(jié)點(diǎn)相連接，文中只對采樣形式進(jìn)行了設(shè)置，其它輸入量皆為默認(rèn)值，可不連接變量。
    SelChan該函數(shù)節(jié)點(diǎn)主要作用是將指定的模擬采集通道采集到的數(shù)據(jù)從AlnScFg函數(shù)節(jié)點(diǎn)鎖輸出的向量中分離出來。
    ToEng該函數(shù)節(jié)點(diǎn)主要作用是將采集到的數(shù)字量轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)顯示界面上的等效電壓值。
3．2 采集波形顯示窗口設(shè)計(jì)
    采集波形顯示窗口前面板顯示如圖3所示。采集波形顯示窗口程序框圖如圖4所示。8個(gè)通道采集到的8組數(shù)據(jù)電壓幅值可以直接以文本的形式實(shí)時(shí)保存。

3．3 濾波波形顯示窗口設(shè)計(jì)
    濾波波形顯示窗口如圖5所示。

     濾波程序功能主要是對采集的數(shù)據(jù)波形進(jìn)行濾波處理，濾波程序部分框圖如圖6所示。

     濾波波形顯示程序功能是將濾波后的數(shù)據(jù)及波形進(jìn)行顯示，并將數(shù)據(jù)保存為文本文件，濾波波形顯示程序框圖如圖7所示。8個(gè)通道的信號波形經(jīng)濾波后各通道電壓幅值可以直接以文本的形式實(shí)時(shí)保存。

4 實(shí)驗(yàn)
    通過函數(shù)發(fā)生器向發(fā)射電極發(fā)射振幅為2．5 V，頻率為10 Hz的正弦信號，接收電極通過數(shù)據(jù)采集卡的8通道同時(shí)采集接收，接收到的信號如圖8所示。

    由圖8可以看出，采集到的波形存在干擾，會對后期數(shù)據(jù)處理產(chǎn)生誤差，因此需要濾波處理。濾波器在參數(shù)設(shè)置窗口可以任意設(shè)置，先選用低通濾波器對波形進(jìn)行處理，濾波后的波形如圖9所示，經(jīng)濾波處理后的波形變得平滑。

5 結(jié)束語
    利用采集卡PMD-1608與LabVIEW開發(fā)的數(shù)據(jù)采集與信號處理系統(tǒng)完成了信號的采集設(shè)置、顯示、濾波以及對信號的實(shí)時(shí)保存等功能。該系統(tǒng)與傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)相比，價(jià)格低廉、使用性強(qiáng)、開發(fā)周期短、數(shù)據(jù)處理簡便，縮短了開發(fā)的周期。