基于LabVIEW和PCI板卡的多路数据采集专业系统设计精品.docx
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基于LabVIEW和PCI板卡的多路数据采集专业系统设计精品
题目:
基于LabVIEW和PCI-6221板卡多路数据采集系统设计
基于LabVIEW和PCI-6221板卡多路数据采集系统设计
摘要
在生产过程中,应用数据采集系统可对生产现场工艺参数进采集、监视和统计,为提升产品质量、降低成本提供信息和手段。
在科学研究中,应用数据采集系统可取得大量动态信息,是研究瞬间物理过程有力工具,也是获取科学奥秘关键手段之一。
总而言之,不管在哪个应用领域中,数据采集和处理越立即工作效率就越高,取得经济效益就越大。
文章关键内容就是在综合了虚拟仪器技术特点之上提出了一个基于LabVIEW和PCI-6221板卡多路数据采集系统实现方法,首先介绍了虚拟仪器总线及其标准、框架结构、数据采集相关理论,然后给出了数据采集系统硬件结构图。
在分析本系统功效需求基础上,介绍了程序模块化设计、数据库、Web、多线程等技术,最终关键介绍了应用LabVIEW8.5开发平台实现数据采集系统方法,给出了设计前面板及程序框图。
该系统含有多路数据采集、实时显示、历史数据回放和报警统计等功效,而且利用labSQL数据库访问技术,实现了采集数据存放。
另外,还使用Web技术实现了对系统远程访问及控制。
关键词:
虚拟仪器;数据采集;PCI-6221板卡;曲线显示;labSQL数据库
TheDesignOfMulti-channelDataAcquisitionSystemOnBasedOfLabVIEWAndPCI-6221AcquisitionBoard
Abstract
Intheproductionprocess,theapplicationofdataacquisitionsystematthesceneoftheproductionprocessparametersintothecollection,monitoringandrecording,inordertoimproveproductquality,reducecostsandmeansofprovidinginformation.Inscientificresearch,applieddataacquisitionsystemwillbealotofdynamicinformation,istoexaminethephysicalprocessesofthemomentapowerfultool,butalsoaccesstoscientificmysteriesofoneoftheimportantmeans.Inshort,regardlessofwhichapplications,dataacquisitionandprocessingmoreefficientandtimelyworkofthehigher,thegreatertheeconomicbenefitsyielded.
ThemaincontextofthedesignisacombinationofthecharacteristicsofvirtualinstrumenttechnologyontopofaLabVIEW-basedandPCI-6221dataacquisitionboardsystemapproach,firstintroduceditsvirtualinstrumentbusstandard,theframeworkstructure,datacollectedrelatedtothetheory,andthengivenadataacquisitionsystemhardwarestructure.Inanalyzingthefunctionalrequirementsofthesystemonthebasisoftheproceduresintroducedmodulardesign,database,multi-threadingtechnology,andfinallyfocusesontheLabVIEW8.5applicationdevelopmentplatformfortherealizationofthemethodofdataacquisitionsystem,giventhedesignofthefrontpaneldiagramandprocedures.
Thesystemhasmulti-channeldataacquisition,real-timedisplay,historicaldataplaybackandrecordingfeaturessuchasalarmandtotakeadvantageoflabSQLdatabaseaccesstechnology,toachievethecollectionofdatastorage.Inaddition,theuseofWebtechnologyonthesystemandcontrolofremoteaccess.
Keywords:
Virtualinstrument;dataacquisition;PCI-6221board;curveshows;labSQLdatabase
第一章绪论
1.1数据采集系统研究背景及意义
数据采集系统是对传感器或所需测量或处理信号进行采集、数字化、存放、分析和显示一个完整信号处理链路。
数据采集任务就是采集传感器输出模拟信号并转换成计算机能识别数字信号,然后送入计算机或对应信号处理系统,依据不一样需要进行对应计算和处理,得出所需数据。
和此同时,将计算机得到数据进行显示或打印,方便实现对一些物理量监视,其中一部分数据还将反馈回生产过程中计算机控制系统用来控制一些物理量。
数据采集几乎无孔不入,它已渗透到了地质、医学器械、雷达、通讯、遥感遥测等各个领域,为我们愈加好获取信息提供了良好基础。
另外,我们在评定一个信号源质量时,也能够经过数据采集手段将信号采集存入计算机,再经过多种处理方法来评价信号源好坏。
这时,该数据采集系统就类似一台测试仪器。
数据采集系统性能好坏,关键取决于它精度和速度。
在确保精度条件下,应有尽可能高采样速度,以满足实时采集、实时处理和实时控制对速度要求。
精度是经过有效位数来反应,有效位数越高,要求系统噪声就越低,这在实际工作中实现起来不太轻易很好克服系统噪声,现在从采集精度上看,有效位数能做到12位就很不错了。
速度是经过采样速率来反应,速度太高,传统TTL逻辑常常不能满足需求,通常高速采集芯片输出逻辑全部为ECL逻辑。
这么对应地增加了功耗。
所以,在高速数据采集芯片设计上是用大功耗来换取高速度,同时也减小了逻辑摆幅。
依据现在芯片市场来看,速度最高A/D转换芯片己经达成了1.5GHz。
数据采集系统对模拟器件提出挑战众所周知,近20年来,和数据采集系统相关PC技术及数字信号处理技术得到了飞速发展,处理速度提升了。
数据采集领域正在发生着关键改变。
首先,分布式控制应用场所中智能数据采集系统正在发展;其次,总线兼容型数据采集插件数量正在增大,和个人计算机兼容数据采集系统数量也在增加。
数据采集和控制数据采集已长时间地被认为和数据统计及其它数据搜集系统相等同。
所以,对数据采集系统研究含相关键且深远意义。
1.2虚拟仪器技术介绍
1.2.1虚拟仪器概念和特点
虚拟仪器是仪器技术、计算机技术、总线技术、软件技术及其它技术相结合产物,它利用计算机强大数字处理能力实现仪器大部分功效,打破了传统仪器框架,形成了一个新仪器模式。
美国NI企业于20世纪70年代中期提出了虚拟仪器概念。
虚拟仪器是在以通用计算机为关键硬件平台上,利用计算机强大软件功效实现信号数据运算、分析和处理,利用I/O接口设备完成信号采集、测量和调理,从而完成多种测试功效一个计算机仪器系统。
是计算机技术和仪器技术相结合产物,其基础是计算机系统,关键是软件技术。
是一个测试自动化系统高性能、低成本运载平台。
同时,NI企业在虚拟仪器概念出现以后,推出了图形化虚拟仪器专用开发平台LabVIEW。
为了兼顾其它高级语言软件开发者习惯,NI还推出了LabWindows/CVI、Componentworks等交互式开发平台。
虚拟仪器含有以下特点:
●软件是虚拟仪器关键;
●性价比高;
●缩小了仪器厂商和用户之间距离;
●含有良好人机界面;
●含有方便、灵活互联;
●开发周期短;
●可靠性高;
●含有开放性、模块化、可反复使用及交换性等特点;
●维护、维修方便。
1.2.2虚拟仪器分类及结构
虚拟仪器伴随微机发展和采取总线方法不一样,可分为五种类型:
第一类:
PCI总线-插卡型虚拟仪器这种方法借助于插入计算机内数据采集卡和专用测试软件(如LabVIEW、HPVEE等)相结合,完成测试任务。
它充足利用了计算机总线、机箱、电源及软件便利,但它关键取决于A/D转换技术。
这类仪器受PC机机箱和总线限制,并存在电源功率不足、机箱内部噪声电平较高、插槽数目不多,插槽尺寸较小,机箱内无屏蔽等缺点。
插卡式仪器最廉价,因个人计算机数量很庞大,用途广泛,尤其适合于教学部门和多种试验室使用。
第二类:
并行口式虚拟仪器最新发展一系列可连接到计算机并行口测试装置,它们把硬件集成在一个采集盒里或一个探头上,软件安装在计算机上。
经典产品有LWK企业DSO-ZIXX系列数字示波器。
它们最大好处是能够和笔记本电脑相连,方便野外作业,又可和台式电脑相连,实现台式和便携式两用。
第三类:
GPIB总线方法虚拟仪器GPIB技术是EIEE488标准虚拟仪器早期发展阶段。
它出现使电子测量由独立单台手工操作向大规模自动测试系统发展,经典GPIB系统由一台PC机、一块GPIB接口卡和若干台GPIB式仪器经过GPIB电缆连接而成。
在标准情况下,一块GPIB接口卡可带多达14台仪器,电缆长度可达20米。
GPIB技术可用计算机实现对仪器操作和控制,替换传统人工操作方法,形成大型自动测量系统。
GPIB测量系统结构和操作命令简单,造价较低,适合在要求高精度,但不要求对计算机高速传输情况下应用。
第四类:
VXI总线方法虚拟仪器VXI总线是一个高速计算机总线VME总线在VI领域中扩展。
因为它含有标准开放、结构紧凑,数据吞吐能力强,定时和同时正确,模块可反复利用,众多仪器厂家支持等优点,很快得到了广泛应用。
经过十多年发展,VXI系统组建和使用越来越方便,尤其是组建大、中规模自动化测量系统,和对速度、精度要求较高场所,有其它仪器无法比拟优势。
但组建成VXI总线要求有机箱、零槽管理器及嵌入式控制器,造价比较高。
第五类:
PXI总线方法虚拟仪器PXI总线方法是在PCI总线内核技术上增加了成熟技术规范和要求而形成。
PXI含有8个扩展槽,而台式PCI系统只有3-4个扩展槽,经过使用PCI-PCI桥接技术,可扩展到256个扩展槽,台式PC性价比和PCI总线向仪器领域扩展优势结合起来,将形成未来关键虚拟仪器平台。
1.2.3虚拟仪器技术现实状况及前景展望
虚拟仪器技术在中国研究刚起步,还有很多问题需要去探索,如智能化软件开发平台研究,采取人工智能技术降低VI设计难度,使用户简练地组成VI系统,帮助用户对测试结果进行分析和判定,完成复杂测试任务等。
中国虚拟仪器行业至今还没有形成含有自主知识产权虚拟仪器关键开发技术,也没有相关行业标准。
虚拟仪器产业不管在规模还是在质量上全部难以和国外同行匹敌,国外虚拟仪器产品几乎垄断了中国市场。
总而言之,伴随计算机、网络、通信、微电子等相关技术不停发展,VI技术也会不停向前发展,微型化、智能化和网络化将成为以后VI研究开发主导方向。
伴随网络技术高速发展,出现了以网络为基础、虚拟仪器为关键“虚拟试验室”概念。
现在,虚拟试验室已成功地应用于很多大型试验室试验研究和高等学校试验教学。
在人工智能研究影响下,大家开始关注怎样提升虚拟仪器智能化水平。
虚拟仪器发展关键取决于三个关键原因。
计算机是动力,软件是主宰,高质量A/D采集卡及调理放大器和传感器是关键。
无沦哪种VI系统,全部是将硬件仪器(传感器、调理放大器、A/D)搭载到多种计算机平台上,加上应用软件面板组成,实现使用计算机全数字采集测试分析。
VI发展完全跟计算机发展同时,所以显示出VI灵活性和强大生命力。
虚拟仪器兴起是测试仪器技术一次“革命”,是仪器领域一个新里程碑,未来VI完全能够覆盖计算机辅助测试全部领域。
标准化、通用化、系列比、模块化和开放式体系结构等,VXI系统观念将成为电子测量仪器仪表变革关键方向。
数据采集、测试、过程控制、信息传输和通信等现代信息技术汇聚在一起,将最终造成标准化、规范化卡式仪器和软件化仪器更广泛流行。
虚拟仪器发展将本着跟随通用计算机走、跟着通用软件走、跟着网络走指导思想。
继“软件就是仪器”概念以后,很可能出现“网络就是仪器”新观念。
1.3本文关键内容
本文关键内容就是在综合了虚拟仪器技术特点之上提出了一个基于LabVIEW和PCI-6221板卡数据采集系统实现,即利用NI企业数据采集卡PCI-6221板卡搭建出数据采集系统硬件平台。
并介绍了数据采集系统软件结构,在此基础上以LabVIEW8.5为平台,叙述了利用虚拟仪器技术实现多通道数据实时采集,数据动态曲线显示方法,在对数据管理方面,利用LabSQL工具包使得采集数据能够利用数据库进行管理,方便用户进行数据查询,很好提升了数据管理功效。
第二章数据采集基础理论
2.1输入信号类型
在进行数据采集前,必需要对采集信号有所了解,因为不一样信号测量方法和对采集系统要求是不一样,只有了解被测信号,才能选择适宜测量方法和采集系统。
任意一个信号全部是随时间而改变物理量。
通常情况下,信号所运载信息是很广泛,比如:
状态、速率、电平、形状、频率成份。
依据信号运载信息方法不一样,能够将信号分为模拟信号和数字信号。
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
第一类数字信号是开关信号,图2.1所表示。
一个开关信号运载信息和信号瞬间状态相关。
TTL信号就是一个开关信号,一个TTL信号假如在2.0V到5.0V之间,就定义它为逻辑高电平,假如在0到0.8V之间,就定义为逻辑低电平。
图2.1开关信号
第二类数字信号是脉冲信号,图2.2所表示。
这种信号包含一系列状态转换,信息就包含在状态转化发生数目、转换速率、一个转换间隔或多个转换间隔时间里。
图2.2脉冲信号
2)模拟信号
模拟直流信号(DC)是静止或改变很缓慢模拟信号,图2.3所表示。
直流信号最关键信息是它在给定区间内运载信息幅度。
常见直流信号有温度、流速、压力、应变等。
采集系统在采集模拟直流信号时,需要有足够精度来正确测量信号电平。
图2.3模拟直流信号
模拟时域信号(TimeDomain)运载信息不仅有信号电平,还有电平随时间改变,图2.4所表示。
在测量一个时域信号或说是波形时,需要关注波形形状特征,如斜度、峰值等。
为了测量一个时域信号,必需有一个正确时间序列,间隔也要适宜,以确保信号有用部分被采集到。
图2.4模拟时域信号
模拟频域信号(FrequencyDomain)和时域信号类似,但从频域信号中提取信息是信号频域内容,而不是波形形状,也不是随时间改变特征,图2.5所表示。
用于测量一个频域信号系统必需有必需分析功效,用于从信号中提取频域信息。
为了实现这么数字信号处理,能够使用应用软件或特殊DSP硬件来快速而有效地分析信号。
模拟频域信号也很多,比如声音信号、传输信号等。
图2.5模拟频域信号
现实中信号并不是相互排斥,一个信号可能运载有不只一个信息,能够用多个方法来定义信号并测量它,用不一样类型系统来测量同一个信号,从信号中取出需要多种信息。
2.2输入信号连接方法
一个电压信号能够分为接地信号和浮动信号两种类型。
测量系统输入信号连接方法能够分为差分(Differential)输入、参考地单端(RSE)输入、无参考地单端(NRSE)输入三种类型。
1)接地信
接地信号,就是将信号一端和系统地连接起来,如大地或建筑物地。
因为信号用是系统地,所以和数据采集卡是共地。
接地最常见例子是经过墙上接地引出线,如信号发生器和电源。
2)浮动信号
一个不和任何地(如大地或建筑物地)连接电压信号称为浮动信号,浮动信号每个端口全部和系统地独立。
部分常见浮动信号例子有电池、热电偶、变压器和隔离放大器。
2.2.1测量系统分类
1)差分测量系统(DEF)
差分测量系统中,信号输入端和一个模拟入通道相连接。
含有放大器数据采集卡可配置成差分测量系统。
图2.6描述了一个8通道差分测量系统,用一个放大器经过模拟多路转换器进行通道间转换。
标有AIGND(模拟输入地)管脚就是测量系统地。
一个理想差分测量系统仅能测出(+)和(-)输入端口之间电位差,完全不会测量到共模电压。
然而,实际应用板卡却限制了差分测量系统抵御共模电压能力,数据采集卡共模电压范围限制了相对和测量系统地输入电压波动范围。
共模电压范围关系到一个数据采集卡性能,能够用不一样方法来消除共模电压影响。
假如系统共模电压超出许可范围,需要限制信号地和数据采集卡地之间浮地电压,以避免测量数据错误。
图2.6八通道差分测量系统
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,被测信号一端接模拟输入通道,另一端连接系统地AIGND。
图2.7表示了一个16通道RSE测量系统。
图2.7十六通道RSE测量系统
3)无参考地单端测量系统(NRSE)
在NRSE测量系统中,信号一端接模拟输入通道,另一端接一个公用参考端,但这个参考端电压相对于测量系统地来说是不停改变。
图2.8说明了一个NRSE测量系统,其中AISENSE是测量公共参考端,AIGND是系统地。
图2.8十六通道NRSE测量系统
2.2.2选择适宜测量系统
两种信号源和三种测量系统一共能够组成如表1六种连接方法:
表1测量系统连接方法
接地信号
浮动信号
DEF
☆
☆
RSE
☆☆
NRSE
☆
☆
其中,推荐使用带☆号方法。
从上表1能够看出,浮动信号和差分连接方法系统很好。
但实际测量时还要看情况而定。
1)测量接地信号
测量接地信号最好采取差分或NRSE测量系统。
假如采取RSE测量系统时,将会给测量结果带来较大误差。
图2.9表现了一个用RSE测量系统去测量一个接地信号源弊端。
在本例中,测量电压Vm是测量信号电压Vs和电位差DVg之和,其中DVg是信号地和测量地之间电位差,这个电位差来自于接地回路电阻,可能会造成数据错误。
一个接地回路通常会在测量数据中引入频率为电源频率交流和偏置直流干扰。
一个避免接地回路形成措施就是在测量信号前使用隔离方法,测量隔离以后信号。
假如信号电压很高而且信号源和数据采集卡之间连接阻抗很小,就能够采取RSE系统,因为此时接地回路电压相对于信号电压来说很小,信号源电压测量值受到接地回路影响能够忽略。
图2.9RSE测量系统测量浮动信号
2)测量浮动信号
测量浮动信号能够采取DEF、RSE、NRSE方法测量浮动信号。
在差分测量系统中,应首先确保相对于测量地信号共模电压在测量系统设备许可范围之内。
假如采取差分或NRSE测量系统,放大器输入偏置电流会造成浮动信号电压偏离数据采集卡有效范围。
为了稳住信号电压,需要在每个测量端和测量地之间连接偏置电阻,图2.10所表示。
这么就为放大器输入到放大器地提供了一个直流通路。
这些偏置电阻阻值应该足够大,这么使得信号源能够相对于测量地浮动。
对低阻抗信号源来说,10kΩ到100kΩ电阻比较适宜。
假如输入信号是直流,就只需要用一个电阻将(-)端和测量系统地连接起来。
然而假如信号源阻抗相对较高,从免去干扰角度而言,这种连接方法会造成系统不平衡。
在信号源阻抗足够高时候,应该选择两个等值电阻,一个连接信号高电平(+)到地,一个连接信号低电平(-)到地。
假如输入信号是交流,就需要两个偏置电阻,以达成放大器直流偏置通路要求。
图2.10测量浮动信号
总来说,不管测量接地还是浮动信号,差分测量系统是很好选择,因为它不仅避免了接地回路干扰,还避免了环境干扰。
相反,RSE系统却许可两种干扰存在,在全部输入信号全部满足以下指标时,能够采取RSE测量方法:
输入信号是高电平(通常要超出1V);连线比较短(通常小于5米)而且环境干扰很小或屏蔽良好;全部输入信号全部和信号源共地。
当有一项不满足要求时,就要考虑使用差分测量方法。
值得注意一点是信号源阻抗大小。
电池、RTD、应变片、热电偶等信号源阻抗很小,能够将这些信号源直接连接到数据采集卡上或信号调理硬件上。
直接将高阻抗信号源接到插入式板卡上会造成犯错。
为了愈加好测量,输入信号源阻抗和插入式数据采集卡阻抗相匹配。
2.3信号调理
传感器部分是跟外界沟通门户,负责把外界多种物理信息,如光、压力、温度、声音等物理信号变成电信号。
因为被测试对象信号起源已经是标准电信号,所以传感器部分在设计中没有得到具体表现,不过这部分是设计过程中必需要考虑。
从传感器得到信号大多要经过调理才能进入数据采集设备,信号调理功效包含放大、隔离、滤波、激励、线性化等。
因为不一样传感器有不一样特征,所以除了这些通用功效外,还要依据具体传感器特征和要求来设计特殊信号调理功效。
信号调理通用功效以下:
1)放大微弱信号全部要进行放大以提升分辨率和降低噪声,使调理后信号电压范围和A/D电压范围相匹配。
信号调理模块应尽可能靠近信号源或传感器,使得信号在受到传输信号环境噪声影响之前已被放大,使信噪比得到改善。
2)隔离隔离是指使用变压器、光或电容耦合等方法在被测系统和测试系统之间传输信号,避免直接电连接。
使用隔离原因:
是从安全角度考虑;二是隔离可使从数据采集卡读出来数据不受地电位和输入模式影响。
假如数据采集卡地和信号地之间有电位差,而又不进行隔离,那么就有可能形成接地回路,引发误差。
3)滤波滤波目标是从所测量信号中除去不需要成份。
大多数信号调理模块有低通滤波器,用来滤除噪声。
通常还需要抗混叠滤波器,滤除信号中感爱好最高频率以上全部频率信号。
另外,一些高性能数据采集卡本身带有抗混叠滤波器。
4)激励信号调理也能够为一些传感器提供所需激励信号,比如应变传感器、热敏电阻等就需要外界电源或电流激励信号。
很多信号调理模块全部提供电流源和电压源方便给传感器提供激励。
5)线性化很多传感器对被测量响应是非线性,所以需要对其输出信号进行线性化,以赔偿传感器带来误差。
现在,数据采集系统也能够利用软件来处理这一问题。
6)数字信号调理即使传感器直接输出数字信号,有时也有必需进行调理,其作用是将传感器输出数字信号进行必需整形或电平调整。
大多数数字信号调理模块还提供其它部分电路模块,使得用户能够经过数据采集卡数字I/O比直接控制电磁阀、电灯、电动机等外部设备。
2.4采样定理
采样定理说明采样频率和信号频谱之间关系,是连续信号离散化基础依据。
采样定理具体描述以下:
模拟/数字信号转换过程中,当采样频率fs.max大于
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