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

摘要 為了有效地進行數(shù)據(jù)的采集和處理，發(fā)揮LabVIEW的可視化優(yōu)點，介紹了一種利用數(shù)據(jù)采集卡PMD-1608基于LabVIEW進行多通道數(shù)據(jù)采集和處理的系統(tǒng)設(shè)計方法。該系統(tǒng)可實現(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。

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接口是性價比較高的多功能數(shù)據(jù)采集控制器。它便于計算機與外部物理世界聯(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。其主要性能及特點有
    (1)8路獨立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，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，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，8通道都能以50 ksample·s-1采樣速率同時采集。
    (5)觸發(fā)模式工作時，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、具有強大的數(shù)據(jù)可視化分析和儀器控制能力等特點。
    一個LabVIEW程序主要包括3個部分：前面板、框圖程序、圖標／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，目的是模擬真實儀器的前面板。框圖程序則是利用圖形語言對前面板上的控制量和指示量進行控制。圖標／接線端口用于把LabVIEW程序定義成一個子程序，以便在其它程序中調(diào)用，這使LabVIEW得以實現(xiàn)層次化、模塊化編程。

3 系統(tǒng)整體方案設(shè)計
    實驗測試平臺的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)以LabVIEW為軟件設(shè)計平臺，由電極、數(shù)據(jù)采集模塊PMD-1608和計算機組成。電極分為激勵電極和測量電極，在測量電極上采集到的同步實時數(shù)據(jù)直接通過數(shù)據(jù)采集的USB口傳入計算機，計算機對傳入數(shù)據(jù)進行處理、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，用戶可以實時在面板上設(shè)置系統(tǒng)的采樣率、采樣點數(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)切比雪夫濾波器濾波后數(shù)據(jù)波形以及各通道各點電壓值。
3．1 數(shù)據(jù)采集程序設(shè)計
    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、采樣點數(shù)、采樣形式和采樣通道等進行設(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)點的主要作用是對采集卡的模擬通道進行掃描采樣，并將預(yù)先設(shè)定的采集點以向量形式儲存，當全部采集結(jié)束后，停止工作。

    OptAln該函數(shù)節(jié)點主要作用是對數(shù)據(jù)采集模塊的時鐘、觸發(fā)、采集、儲存等方式進行設(shè)置，其輸出須與AlnScFg函數(shù)節(jié)點相連接，文中只對采樣形式進行了設(shè)置，其它輸入量皆為默認值，可不連接變量。
    SelChan該函數(shù)節(jié)點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)點鎖輸出的向量中分離出來。
    ToEng該函數(shù)節(jié)點主要作用是將采集到的數(shù)字量轉(zhuǎn)換成計算機顯示界面上的等效電壓值。
3．2 采集波形顯示窗口設(shè)計
    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時保存。

3．3 濾波波形顯示窗口設(shè)計
    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時保存。

4 實驗
    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時保存等功能。該系統(tǒng)與傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)相比，價格低廉、使用性強、開發(fā)周期短、數(shù)據(jù)處理簡便，縮短了開發(fā)的周期。