基于LabVIEW的传感器实验平台数据采集系统.docx

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基于LabVIEW的传感器实验平台数据采集系统

基于LabVIEW的传感器实验平台数据采集系统

2011届毕业生

毕业论文

题目:

基于LabVIEW的传感器实验平台数据采集系统

院系名称：

电气工程学院专业班级：

自动FXXXX

学生姓名：

学号：

2007XXXXXXX

指导教师：

XXXXXX教师职称：

讲师

2011年06月01日

摘要

目前，我国部分高校测试类课程存在着实验设备陈旧、教学方式呆板等问题。

对教学硬件进行更新则需投入大量资金，且维护较困难。

传统仪器的缺陷和不足日益凸显。

为了改善实验条件、改革试验教学方法，本文把虚拟仪器引入实验教学，创建虚拟实验平台，用一台计算机取代多台传统仪器，添加少量辅助硬件即可完成过去需多台仪器才可完成的教学实验工作。

本文着重于适应教学需求这一角度，叙述了基于虚拟仪器的教学实验平台的设计思想、总体结构，并结合现有的硬件资源，利用LabVIEW软件开发出教学试验平台。

该教学平台采用模块化设计方法，具有开放性、灵活性、易用性等特点，可应用于工程测试技术、数字信号处理、传感器原理等专业基础课程的实验教学。

系统主要包括三部分：

信号分析仪、信号发生器和演示实验单元。

信号分析仪可根据确定性信号和随机信号的不同特点进行分析，获取不同数据特征；信号发生器可向外界产生多种常用信号；演示实验单元提供了多个常用实验，不借助其他硬件，可完成实验演示教学。

文章介绍了各模块的实现原理和方法，并利用开发出的虚拟仪器，给出具体实验应用。

关键词：

教学实验；虚拟仪器；数据采集；LabVIEW

TitleLabVIEW-basedExperimentalPlatformForSensorDataAcquisitionSystem

Abstract

Nowadays,someofourcountry’suniversitiesarefacedwithmanyproblemsintestingcourses.Theproblemsincludetheuseofoldtestinstrumentsanduninspiringcoursework.Updatingthehardwareisexpensiveandit’sdifficulttomaintainthem.Theshortcomingoftraditionalexperimentalinstrumentsisincreasinglyobvious.Toimprovethefacilitiesforuseinthesecoursesandprovideinnovationtoteachingmethods,thethesisintroducesVisualInstrumenstoexperimentteaching.Here,acomputertakestheplaceofmanytraditionalinstruments,andcancompletethetesttaskwithminimalaccessorialhardware.

Focusingonthedemandofteaching,thethesisgivesthedesignideaandstructureoftheteachingplatformbasedonVisualInstruments,andconstructstheplatformusingLabVIEWwithexistinghardware.

Theteachingplatformusesmodularizationwhichprovidesthecharacteristicsofopeningarchitecture,flexibilityandconvenience.Thesystemiscomposedofthreeparts:

theSignalAnalyzer,theSignalGeneratorandtheDemonstrationUnit.TheSignalAnalyzermayanalyzedeterministicsignalandstochasticsignalaccordingtotheirdiferentcharacteristics.TheSignaGeneratorwillgeneratemanyusefulsignals.TheDemonstrationUnitprovidessomecommonexperimentswhichcanhelptofinishteachingtaskwithoutotherhardware.Thethesisdesctibestheelementsandmethodofrealizationofthethreeparts,andprovidesexamplesofthetypicalexperimentsforwhichtheplatformcanbeused.

Keywords：

Techingexperiment；VirtualInstruments；DataAcquisition；LabVIEW

目次

1绪论

1.1课题的研究背景

数据采集系统是对传感器或所需测量或处理的信号进行采集、数字化、存储、分析和显示的一个完整信号处理链路。

数据采集的任务就是采集传感器输出的模拟信号并转化成计算机能识别的数字信号，然后送入计算机进行或相应的信号处理系统，根据不同需要进行相应的计算和处理，得出所需的数据[1]。

与此同时，将计算机得到的数据进行显示或打印，以便实现对某些物理量的检测。

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，为我们更好的获取信息提供了良好的基础。

另外，我们在评估一个信号源的质量时，也可以通过数据采集的手段将信号采集存入计算机，再通过各种处理方式来评价信号源的好坏。

传感器技术与应用课程是测控技术与仪器、自动化、机械电子等专业的专业基础核心课程之一，其教学内容与实验密切相关。

随着测试仪器的数字化、计算机化的发展，传统的实验仪器不断地暴露出其不足之处，教师和学生容易受到固定的现成仪器的束缚，难以综合各门学科运用到具体的工程项目中，不能充分发挥自己的积极性和创造性及工程实践能力，很难跟上时代科技发展的步伐。

传统的传感器实验教学的问题主要反映在两个方面。

一是教学内容陈旧，验证性实验为主，缺乏设计性综合性要求，与工程实践脱节严重。

二是教学方式单调枯燥，实验手段和设备落伍。

另外，由于学校的试验设备有限，4~5人的实验组，在实验当中往往一个学生做，同组其他学生旁观，教学效果很不理想。

目前，新的智能化传感器层出不穷，微处理器和网络与传感器的融合技术快速发展。

这些不仅在课堂教学中较少出现，在实验课程上更未涉及。

将虚拟仪器技术引入传感器实验教学，既提升了实验设备的水平，又大大节约了学校更新实验设备所需的投资，而且通过综合性实验，为提高学生全面运用所学知识的能力创造了良好的实验条件。

再者，从新实验环节中可以看到，虚拟仪器实验具有传统仪器不具备的独特优势，如无需再给每个实验组配备示波器，用软件方法计算电机旋转频率和转速等。

1.2课题的研究目的及意义

众所周知，仪器是实验的基础，要保证这些实验的开设，就要同时购置多套先进而昂贵的仪器，而且随着技术的不断发展，新技术新原理不断出现，使仪器更新的步伐加快，旧的设备面临着被淘汰的处境。

而且随之而来的场地、经费问题、教育资源配置问题、资金投入与人才培养之间的矛盾等问题成为困扰各大高校的主要问题。

虚拟技术、计算机通讯技术与网络技术，被称为2l世纪科学技术中的三大核心技术。

谁掌握了三大技术并向周边技术实现有利的渗透，谁就可能率先进入信息社会。

虚拟技术作为三大核心技术之首，足见它在广义上已经不仅是一种技术，而是一个有着影响人类社会发展、改变人类生活的具有深层含义的领域。

早在20世纪80年代，美国国家仪器公司（NationalInstrumentsCorporation简称NI）首先提出了虚拟仪器的概念。

它以计算机为基础，配以相应测试功能的硬件作为信号输入输出的接口，利用虚拟仪器软件开发平台（如LabVIEW，LabWindows等），在计算机屏幕上虚拟出仪器的面板（包括显示器、指示器、旋钮、开关、按键等）以及相应的功能。

由于传统测控设备一般只能独立完成一项具体的测控任务和功能，而在虚拟测试平台上通过接收多个传感器信号，对应编制不同的应用软件可以完成多种测控功能。

因此虚拟测控平台是一个多输入多输出的开发平台，它可以将多种传统测控设备集中于一套系统中，同时他的开放性与灵活性能使之与计算机技术保持同步发展。

另外，它开放的系统可以方便地同外设网络进行连接，技术更新快，开发和维护费用低，同传统仪器相比，价格较低而且可重复使用。

从而可有效地利用学校现有的计算机资源，节省了大量的设备购置费，同时又可缓解实验室空间不足。

因此，构建教学实验平台数据采集系统对于解决高校的困扰和发挥学生的主动性和创造性提供了极为有效的途径。

近20年来，与数据采集系统相关的PC技术及数字信号处理技术得到了飞速的发展，处理速度提高了。

数据采集领域正在发生着重要的变化。

首先，分布式控制应用场合中的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的数量正在增大，与个人计算机兼容的数据采集系统的数量也在增加。

数据采集与控制数据采集已长时间地被认为与数据记录及其他数据收集系统相等同。

因此，对数据采集系统的研究具有重要且深远的意义。

1.3课题的发展现状

目前国内高等院校机械类和电气类专业普遍开设测试技术课程，该课程主要讲授工程领域常见的各种物理量的测试与分析方法。

由于工程测试技术课程丰富的实践性，它的一个重要教学环节是实验课。

工程测试实验教学的目的不仅在于对理论教学的验证，更重要的是训练学生测试实际应用能力。

传统的测试实验方法已不能满足现在的教学要求，随着计算机技术和电子仪器技术的进步，测试技术实验教学也面临新的问题。

使用传统仪器进行测试实验教学，主要存在以下问题：

（1）仪器功能单一。

传统实验设备一般只能独立完成一项具体的测量任务和功能，不同实验所用仪器也不尽相同，对于综合性实验所需的仪器较多，势必增加仪器投资，而且现场使用很不方便，降低了实验教学的效率；

（2）仪器功能是封闭的。

由于传统仪器功能的封闭性，学生难以了解其工作原理，影响对实验内容的理解；

（3）学生只能按照教师事先设计好的实验方案被动的进行操作，没有体现出在实验课中的主体地位。

LabVIEW作为高效的虚拟仪器开发平台，以其灵活、紧凑、功能强和图形编程方式使系统软件开发更省时、更省力。

无论是测量、测试、计量或是工业过程控制和分析处理，还是更为广泛的测控领域，虚拟仪器都是理想的高效率的解决方案。

该软件作为一个比较完整和性能优异的图形化软件开发环境，被越来越多的工科大学作为课堂和实验室教学内容，作为工程师素质培养的一个方面。

使用者用图形语言开发出各种仪器，综合应用所学过的各学科知识，像搭积木一样，在普通的计算机上构建一个个人实验室，完成机械工程测试实验。

使教师和学生摆脱了功能单一、固定的现成仪器的束缚，充分发挥学生的积极性和创造性，有利于培养学生在实验课中的主动性，有利于培养学生的创造性思维和工程实践能力。

虚拟仪器的突出特点之一在于在很大程度上用系统软件的升级替代了仪器设备硬件的更换,这将节省大量的资金投入,代表了仪器仪表技术的发展方向。

目前,虚拟仪器技术在国外已经得到了长足的发展,但是在国内,虚拟仪器技术的开发和应用尚属于起步阶段。

如今,虚拟仪器已在超大规模集成电路测试、模拟/数字电路测试、现代家用电器测试、电子元件、电力电子器件测试以及军事、航天、生物医学、工厂测试、电工技术等领域的可移动式现场测试工作中得到应用。

目前，很多科研机构已将虚拟仪器应用于实验平台的开发与研究，国内外也已有相应的产品。

国内目前综合实验平台的设计原则是将LabVIEW软件与专业课实验结合，二次开发出适合本专业特点的实验程序及实验装置[2]。

设计思路是要求学生学习用软件搭建自己的实验平台，给出典型示例，了解测试程序的基本设计原理，并结合工程测试对象进行测试。

该实验平台系统在基于LabVIEW软件平台上开发，设计有标定平台、测试平台及控制平台，系统采用PCI-6221型插入式数据采集与控制卡，该型号的数据采集卡各项性能指标大体能满足实验教学与科研要求。

实验模型中的传感器可测试位移、力、温度、速度等物理参量。

在综合实验台上设计有电风扇、测量转速装置、直流电机、继电器控制电路、位移测量装置、滑块等[3]。

但它在对实验环境的适应能力方面具有局限性，降低了实验精度，而且容易受温度的影响，价格仍然偏贵，结构复杂。

虚拟仪器技术在我国的研究刚起步，还有许多问题需要去探索，如智能化软件开发平台的研究，采用人工智能技术降低VI的设计难度，使用户简洁地构成VI系统，帮助用户对测试结果进行分析和判断，完成复杂的测试任务等。

国内虚拟仪器行业至今还没有形成具有自主知识产权的虚拟仪器核心开发技术，也没有相关的行业标准。

虚拟仪器产业无论在规模还是在质量上都难以与国外同行匹敌，国外虚拟仪器产品几乎垄断了国内的市场。

总之，随着计算机、网络、通信、微电子等相关技术的不断发展，VI技术也会不断向前发展，微型化、智能化和网络化将成为今后VI研究发展的主导方向。

伴随网络技术的高速发展，出现了以网络为基础、虚拟仪器为核心的“虚拟实验室”的概念[4]。

目前，虚拟实验室已成功地用于许多大型实验室的实验研究和高等学校的实验教学。

在人工智能研究的影响下，人们开始关注如何提高虚拟仪器的智能化水平。

虚拟仪器的发展主要取决于三个重要因素。

计算机是动力，软件是主宰，高质量的A/D采集卡及调理放大器与传感器是关键。

无论哪种VI系统，都是将硬件仪器（传感器、调理放大器、A/D）搭载到各种计算机平台上，加上应用软件面板构成，实现使用计算机的全数字采集测试分析[5]。

VI的发展完全跟计算机的发展同步，所以显示出VI的灵活性和强大的生命力。

虚拟仪器的兴起是测试技术的一次革命。

1.4本文主要研究内容

本课题的主要研究内容就是在综合了虚拟仪器技术的特点之上提出了一种基于LabVIEW和PIC-6221板卡实现一个用于传感器实验平台的数据采集系统。

即利用NI公司的数据采集卡PCI-6221板卡搭建出数据采集系统的硬件平台。

并介绍了数据采集系统的软件结构，在此基础上以LabVIEW8.5为平台，阐述了利用虚拟仪器技术实现数据采集，数据动态曲线显示的方法[6]。

传感器实验中部分实验项目的实验结果需要做进一步处理分析，因此要将实验数据进行采集。

课题的主要内容是设计一个基于LabVIEW的数据采集系统，利用数据采集卡和接线端子盒，完成信号放大、数据采集、A/D转换、数据传输等功能，从而将采集到的数据送入计算机进行进一步分析处理。

论文共分5部分，各部分主要内容如下：

第1部分，绪论。

包括课题的背景、意义以及相关技术的研究现状。

第2部分，系统方案论证。

首先介绍基于LabVIEW的传感器试验平台数据采集系统的设计要求，然后根据要求进行方案论证，最后提出本系统的总体设计方案。

系统模块技术方案的确立，为设计工作奠定了基础。

第3部分，系统硬件设计。

首先分析数据采集卡工作原理，然后围绕数据采集卡详细讨论系统各部分进行设计。

第4部分，系统软件设计。

在软件设计中，首先对系统程序进行整体设计，然后采用模块化设计思想，分别对系统的数据采集模块、波形输出模块、计算及存储模块的程序进行了软件设计。

第5部分，实验验证及说明。

通过实验验证，证明系统的可行性。

最后对全文进行总结，指出系统不足之处。

2系统方案论证

2.1系统设计要求

传感器采集实验台的重量、位移等信号,利用数据采集卡和接线端子盒，完成信号放大、数据采集、A/D转换、数据传输等功能，将采集到的数据送入计算机进行进一步分析处理，通过数据采集卡输入计算机,在基于LabVIEW的虚拟仪器平台上进行信号调理、分析并显示结果,直观的反应出实验所需结果,根据试验的要求，可以通过实验平台相关系统调整，减小误差，以达到最佳实验结果。

2.2系统构建

按照系统设计要求，实验平台数据采集系统由硬件和软件两部分组成，系统设计采用模块化思想。

该系统硬件构成主要由传感器、前端信号调理电路和PCI-622l数据采集卡三部分组成。

在软件构成上，需要进行设备驱动程序的设计和运用虚拟仪器开发环境进行虚拟面板的开发。

工作过程中，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处理，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，实现了历史数据的访问。

2.3数据采集的基本理论

输入信号的类型和连接方式

（1）输入信号的类型

在进行数据采集前，必须要对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，只有了解被测信号，才能选择合适的测量方式和采集系统。

根据信号运载信息方式的不同，可以将信号分为模拟信号和数字信号。

数字信号又可以分为开关信号和脉冲信号。

模拟信号则可以分为直流、时域、频域信号[7]。

（2）输入信号的连接方式

一个电压信号可以分为接地信号和浮动信号两种类型。

测量系统输入信号的连接方式可以分为差分输入、参考地单端输入、无参考地单端输入三种类型。

差分测量系统中，信号输入端与一个模拟输入通道相连接。

具有放大器的数据采集卡可配置成差分测量系统。

一个理想的差分测量系统仅能测出（+）和（-）输入端口之间的电位差，完全不会测量到共模电压。

然而，实际应用的板卡却限制了差分测量系统抵抗共模电压的能力，数据采集卡的共模电压范围限制了相对与测量系统地的输入电压的波动范围[8]。

共模电压的范围关系到一个数据采集卡的性能，需要限制信号地与数据采集卡的地之间的浮动地电压，以避免测量数据错误。

参考地单端测量系统，也叫做地测量系统，被测信号的一端接模拟输入通道，另一端接系统地。

无参考地单端测量系统中，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。

信号调理

传感器部分是跟外界沟通的门户，是测量系统中的一种前置部件。

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可供测量的电信号。

传感器通常由敏感元件、传感元件和转换电路三部分组成，其中，敏感元件用于直接感受被测量，并以确定关系输出某一物理量；传感元件用于将敏感元件输出的非电物理量转换成电路参数或电量；转换电路用于将电路参数转换成便于测量的电量。

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[9]。

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，信号调理单元作为数据采集设备和传感器之间的接口，具有重要地位。

信号调理功能包括放大、隔离、滤波等。

由于不同传感器有不同的特性，除通用功能外，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如下：

（1）放大虚拟仪器为了实现对实际物理量的准确测量，通常先由传感器把被测的非电量转换成电量。

传感器输出的信号一般比较微弱，需要对它们进行放大。

常见的放大电路主要由运算放大器构成。

微弱信号都要进行放大以提高分辨率和降低噪声，使凋理后信号的电压范围和A/D的电压范围相匹配。

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的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递信号，避免直接的电连接。

使用隔离的原因：

一是从安全的角度考虑；二是隔离可使从数据采集卡读出来的数据不受地电位和输入模式的影响。

如果数据采集卡的地与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，引起误差。

（3）滤波实际测量系统中的信号含有多种频率成分。

信号调理系统可以从被测试信号中滤除不需要的成分或噪声。

大多数信号调理模块都包含低通滤波器，以滤除截止频率以上的所有干扰信号频率成分[10]。

（4）激励信号调理也能够为某些传感器提供所需的激励信号，比如应变片式传感器、热敏电阻等就需要外界电源或电流激励信号。

很多信号调理模块都提供电流源和电压源以便给传感器提供激励。

（5）线性化许多传感器对被测量的响应是非线性的，因而需要对其输出信号进行线性化，以补偿传感器带来的误差。

目前，数据采集系统也可以利用软件来解决这一问题。

（6）数字信号调理即使传感器直接输出数字信号，有时也有必要进行调理，其作用是将传感器输出的数字信号进行必要的整形或电平调整[11]。

采样定理

采样定理说明采样频率与信号频谱之间的关系，是连续信号离散化的基本依据。

采样定理具体描述如下：

模拟/数字信号的转换过程中，当采样频率Fs.max大于信号中最高频率fmax的2倍时，即：

Fs.max>=2fmax，则采样之后的数字信号完整地保留了原始信号中的信息，一般取2-4倍的信号最大频率；但一般实际应用中保证采样频率为信号最高频率的5~10倍[12]；采样定律又称奈奎斯特定律。

采样率：

（也称为采样速度或者采样频率）定义了每秒从连续信号中提取并组成离散信号的采样个数，采样频率的常用的表示符号为Fs。

数据采集及处理过程

数据采集的核心过程就是将连续的模拟信号转换成离散的数字信号。

采样点太多，会占用大量内存单元；采样点太少，会使模拟信号的某些信息被丢失，出现失真现象。

利用仪器测量的物理量大都以连续的模拟信号形式存在。

对于这些信号，在利用微处理器进行分析和处理之前必须首先转换成数字信号，这个过程由数据采集系统完成。

对于数据采集来说，采样频率（采样间隔的倒数）是一个非常重要的参数。

假设现在对一个模拟信号x（t）每隔Δt时间采样一次。

时间间隔Δt被称为采样间隔或者采样周期。

它的倒数1/Δt被称为采样频率．单位是采样数/每秒。

t=0，Δt，2Δt，3Δt…等等，x（t）的数值就被称为采样值。

所有x（0），x（Δt），x（2Δt）都是采样值。

这样信号x（t）可以用一组分散的采样值来表示：

{x（0）,x（Δt）,x（2Δt）,x（3Δt）,…x（kΔt）…}

一个模拟信号和它采样后的采样值。

采样间隔是Δt，采样点在时域上是离散的。

如果对信号x（t）采集N个采样点，那么x（t）就可以用以下数列表示：

x={x[0]，x[1]，x[2]，x[3]，…，x[N—1]}，该数列被称为信号x（t）的数字化显示或者采样显示。

此数列中仅仅用下标变量编制索引，不含有任何关于采样率（或Δt）的信息。

所以如果已知该信号的采样值和采样率，就能得出信号x（t）的频率。

根据采样定理，最低采样频率必须是信号频率的两倍。

由恩奎斯特频率可知，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。

实际上工程中选用5倍~10倍，有时为了较