基于LABVIEW的32通道汇总.docx
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基于LABVIEW的32通道汇总
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NIPCI-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NIPCI-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
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“triggerout”）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（PulseTrain）。
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，但这个参考端电压相对于测量系统的地来说是不断变化的。
下图说明了一个NRSE测量系统，其中AISENSE是测量的公共参考端，AIGND是系统的地。
十六通道NRSE测量系统
三选择合适的测量系统
两种信号源和三种测量系统一共可以组成的六种连接方式：
测量系统连接方式
接地信号
浮动信号
DEF
☆
☆
RSE
☆☆
NRSE
☆
☆
其中，推荐使用带☆号的方式。
从上表可以看出，浮动信号和差分连接方式的系统较好。
1测量接地信号
测量接地信号最好采用差分或NRSE测量系统。
如果采用RSE测量系统时，将会给测量结果带来较大的误差。
用RSE测量系统去测量一个接地信号源的弊端。
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的电位差，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的交流和偏置直流干扰。
一种避免接地回路形成的办法就是在测量信号前使用隔离方法，测量隔离之后的信号。
2测量浮动信号
测量浮动信号可以采用DEF、RSE、NRSE方式测量浮动信号。
在差分测量系统中，应首先保证相对于测量地的信号的共模电压在测量系统设备允许的范围之内。
如果采用差分或NRSE测量系统，放大器输入偏置电流会导致浮动信号电压偏离数据采集卡的有效范围。
总的来说，不论测量接地还是浮动信号，差分测量系统是很好的选择，因为它不但避免了接地回路干扰，还避免了环境干扰。
相反，RSE系统却允许两种干扰的存在，在所有输入信号都满足以下指标时，可以采用RSE测量方式：
输入信号是高电平（一般要超过1V）；连线比较短（一般小于5米）并且环境干扰很小或屏蔽良好；所有输入信号都与信号源共地。
当有一项不满足要求时，就要考虑使用差分测量方式。
四数据采集卡的选择
数据采集板卡的性能与众多因素相关，要根据具体情况来具体分析。
所以在选择数据采集卡构成系统时，首先必须对数据采集卡的性能指标有所了解。
1.数据采集卡的主要性能指标
采样频率、采样方法、分辨率、电压动态范围、I/O通道数。
2.数据采集卡（DAQ卡）的组成
由多路开关、放大器、采样保持器、A/D转换器组成。
目前，通常将采样保持器和A/D转换器集成在同一块芯片上。
以上四个部分是数据采集卡的重要组成部分，与其他的电路如定时/计数器、总线接口等电路仪器组成DAQ。
3.NIPCI-6221数据采集卡
NIPCI-6221是NI公司的M系列多功能数据采集卡，采用的是一个A/D转换器，虽然是多路采集，实际上是分时工作的，所有在多路同时工作时采样率会成倍降低。
该板卡的主要性能如下：
◆16路模拟信号输入通道，采样率为250kS/s，输入范围为-10V～+10V；
◆2路模拟量输出通道，分辨率为16位；
◆24路数字I/O，数字触发；
◆2个32位定时计数器；
◆NI-DAQmx测试软件和硬件配置支持；
◆NI-MCal校准支持；
◆NIST校准证书和多于70多种的信号调理模块选择。
基于以上原因，本设计选择了NIPCI-6221数据采集卡。
五多通道数据采集系统总体硬件框图
整个系统从被测对象开始，通过传感器转换成电信号，经过信号调理模块进行简单的信号出来，比如SCC-RTD01热电阻调理模块、SCC-TD02热电偶调理模块、SCC-SG04全桥应变片调理模块，将信号送至数据采集卡进行采集，然后用软件进行处理。
在采集过程中将数据保存到数据库里，实现了历史数据的远程访问。
下面框图为多通道数据采集系统硬件结构图。
多通道数据采集系统硬件结构图
软件是虚拟仪器的关键。
设计一个虚拟仪器系统，在硬件平台确定之后，就可以通过设计不同的软件，实现不同的仪器功能。
在设计、实现虚拟仪器的软件系统时，需要考虑众多因素，如硬件需求、计算机硬件、操作系统；软件是否建立在开放的结构上，是否需要编程经验？
利用此软件程序是否能在不同的计算机平台上移植?
将来能否方便的扩展虚拟仪器的功能。
由于选用专用的开发软件，必须具有一定的仪器以及数据采集设备配合使用。
六程序模块化设计概述
数据采集系统的性能在很大程度上取决于其应用软件的研究与开发，所以在明确了系统设计目标之后，应该采用好的程序开发方法，如结构化设计方法、模块化思想、多线程以及软件系统的评价标准等等。
1.本设计的软件系统模块划分
系统程序的主要功能为模块划分的标准，其他包括系统管理，数据采集，数据保存，历史数据的查询等功能。
下图是具体结构多通道数据采集功能模块。
多通道数据采集功能模块图
2.远程数据访问系统
该部分设计是整个系统的附加设计部分，主要是为了实现数据的远程访问，通过数据库与数据采集系统连接为一体。
采集数据的远程访问体现了数据采集的网络化的延伸。
该远程访问系统是采用Apache+PHP+MySQL开发套件进行开发的。
当然，这部分需要配置服务器，网上很多资料可以参考。
主要是利用PHP建立数据库的连接，在本设计中主要实现了用户登录页面，检索条件输入页面，结果返回页面。
。
七多线程技术
为了实现多通道数据采集的功能，本设计的软件部分必须实现信号的采集、数据的分析处理、定时存储及实时显示等功能。
在用户看来，这些任务是同时进行着的。
实际上，信号采集、定时存储和主控模块放在不同的线程中，利用Windows操作系统的多线程机制，使得各个功能模块能够有条不紊的运行。
本设计把用户命令输入、信号动态显示和历史数据的查询、分析处理放在主线程中实现，而把信号采集和定时存储功能分别放到两个工作线程中。
1.LabVIEW与多线程
应用多线程技术，可以使得多个独立的任务并发执行，从而极大地提高程序的效率。
LabVIEW把线程管理、线程间的通信等复杂操作封装了起来，因此用户可以不用学习复杂的多线程编程就可以编写多线程程序。
在LabVIEW中，图形化编程为开发多线程代码带来了很大的好处，因为在数据流的编程环境中，用户可以很容易地“看到”并行代码，例如两个独立的循环或子VI就代表两段可以并发执行的代码。
多线程的优点：
1）更高的CPU利用率
2）更高的系统可靠性
3）提高在多处理器计算机上的执行速度
2.多线程技术在本设计中的应用
为了实现采集、显示、查询、报警和系统其他操作的并行执行，在程序中创建了两个工作线程：
一个是采样工作线程，专门负责数据采集和存储；一个是数据报警和系统其他功能线程，负责定时把缓冲区中的数据存盘。
在用户启动系统工作时，这两个工作线程被创建。
但不同的是，采样工作线程是在循环往复的工作着，直到退出程序；而数据存储线程则是在一定的时刻被唤醒，比如在数据缓冲区满、或程序结束等时候，更多的时候，存储模块是处于挂起的状态。
因为信号的采集工作和数据存储工作是长时间甚至长年累月运行着，这也是工业生产的实际情况所决定的。
通过采用多线程技术，实现了实时性要求高的数据采集与程序其它功能（如数据显示、读取、存储等）在时间上的相互独立，避免它们在时间上可能产生的冲突，提高了数据采集的稳定性[14]。
循环之间的数据传递即线程间的数据传递，可以由局部变量、全局变量、共享变量和队列等方式实现。
循环之间的同步即线程之间的同步，这可以由同步技术来实现。
如果需要为两个循环设置不同的优先级，可以通过定时循环来实现。
第三节系统具体应用程序的实现
一数据采集程序
系统采用的是NIPCI-6221采集卡，由于该卡支持DAQmx驱动程序，所以本设计是直接使用DAQmx-DataAcquisition开发的，在这部分中，主要是采集参数的设置，其中包括物理通道的选择，采样模式、采样率、每通道采样数、输入方式的配置，采样最大最小值的设置。
二数据保存程序
数据保存是把采集来的数据保存到MySQL数据库里，这部分工作首先进行的是数据库的选择以及数据库表格的建立，然后用LabSQL工具包将采集的数据按照一定的时间间隔保存到数据库的表格里。
三报警记录程序
这部分程序采用用户事件来编写的，当采样值大于设定的数值时，就会触发用户事件，从而使下面循环里的事件发生，进行记录数据，这部分是实时记录的，没有进行保存，每次重新启动系统时，会清空保存的记录。
该报警记录的时间间隔为1秒。
第四节系统软件的具体实现
本设计的前面板由登录系统、通道配置、实时数据、历史数据、报警记录、系统信息6个页面组成。
完整的体现了一个数据采集的功能和实际应用。
下面分别介绍各个部分。
一登录系统
每个系统都应该设置使用权限以便进行管理，本系统首先设计了一个登录界面，其中的功能有增加用户，删除用户，修改密码，系统权限分为管理员权限和普通用户权限，左图为用户登录界面，右图用户管理界面。
二通道参数配置
通道参数配置界面是提供了采集卡的参数配置，主要包括通道的选择，数据保存的时间间隔，数据保存开关，采集通道报警值的设定，采样最大值和最小值设定，采集卡输入方式的设置，采样频率值设置以及采集启动与停止开关。
下图为通道配置界面。
通道参数配置界面
三实时数据显示
LabVIEW提供了非常丰富的图形界面来进行前面板的设计，波形图表能非常清晰的实时显示采集波形。
在该页面中实现了单个通道采集的波形以其所有通道采样的波形的实时显示，该面板灵活运用采用了属性节点来编程实现的。
非常清楚的表达了采集波形的动态曲线。
下图为实时数据显示界面。
四历史数据查询
对采集数据的保存是本设计的一个突出特点，数据保存有着实际的意义，这样便于以后访问历史数据，还可以实现数据的远程访问。
查询的条件是输入要查询的时间段，然后选择要查询的参数类型，点击执行检索即可，具体的操作见系统说明。
本设计提供了对历史数据用表格和波形图2种不同的显示方式，表格显示还对历史数据进行了简单的统计分析。
图1为历史数据表格显示界面，图2为历史数据波形图显示界面。
图1历史数据表格显示界面
图2历史数据波形图显示界面
五报警记录
报警是实时数据采集系统一个必须的功能，报警有实时指示，如声音或光报警。
该系统使用了光报警，并实时记录报警时刻和报警值，记录的时间间隔为1秒。
具体报警记录界面。
报警记录界面
第五节总结
本设计在研究虚拟仪器技术、数据库技术、Web应用技术以及软件开发技术的基础上，使用虚拟仪器技术实现了32通道数据采集，通过数据库保存记录，进一步设计了一个远程数据访问系统。
实现了一个从物理信号到远程桌面访问的多通道数据采集系统。
本设计大部分工作是程序的编写，所涉及的硬件部分都有现成的。
但是对硬件的了解也是必需要做的工作，特别是对NIPCI-6221采集卡的了解。
其中包括采集率，采集通道，采样方式，然后根据实际情况选择合适的测量系统。
多通道数据采集整个系统构建在数据库的基础上，其中包括用户登录管理，采集的数据保存，历史数据的本地、远程的访问。
整个系统从硬件到软件到网络进行了全面的开发，非常完美的表现出了一个数据采集系统的功能和实际应用。
在设计过程中，是先设计各个子程序，测试其功能后再设计其他的子程序，所以程序调试阶段很顺利，在最后设计整个系统时，考虑了很多框架，比如主从结构，生产－消费结构。
实际的主程序框架为多种结构的混合，主要由事件结构构成。
网络技术的飞速发展和远程测试的需要，驱动虚拟仪器网络化方向发展。
以PC机或工作站为平台，运用虚拟仪器技术构成实用的测控系统将成为仪器和测试技术发展的一个重要方向，本设计的附加部分，历史数据远程的访问从另一方面体现了测控技术的网络化发展。
通过本设计，深刻的认识到了虚拟仪器技术是仪器发展的重要发展方向。
虚拟仪器以崭新的模式和强大的功能深入人心。
伴随计算机技术和信息技术的发展虚拟仪器必将拓展到各个领域，引起测控仪器的深层次变革。
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