基于LabVIEW的多通道数据采集系统毕业论文.docx

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基于LabVIEW的多通道数据采集系统毕业论文

内蒙古科技大学

本科生毕业设计说明书（毕业论文）

题目：

基于LabVIEW的多通道数据采集系统

学生姓名：

***

学号：

************

专业：

测控技术与仪器

班级：

测控2004级-1班

指导教师：

肖俊生

摘要

虚拟仪器是将仪器技术、计算机技术、总线技术和软件技术紧密的融合在一起，利用计算机强大的数字处理能力实现仪器的大部分功能，打破了传统仪器的框架，形成的一种新的仪器模式。

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。

本文首先概述了测控技术和虚拟仪器技术在国内外的发展及以后的发展趋势，探讨了虚拟仪器的总线及其标准、框架结构、LabVIEW开发平台，然后介绍了数据采集的相关理论，给出了数据采集系统的硬件结构图。

在分析本系统功能需求的基础上，介绍了程序模块化设计、数据库、Web、多线程等设计中用到的技术，最后一章给出了本设计的前面板图。

本设计是虚拟仪器在测控领域的一次成功尝试。

实践证明虚拟仪器是一种优秀的解决方案，能够高效的实现各种测控任务。

关键字：

虚拟仪器；数据采集；MySQL；PHP；LabVIEW

Abstract

Virtualinstrument（VI）iscombinescomputerscience,bustechnology,softwareengeneeringwithmeasurementinstrumentationtechology,employesthecomputer'spowerfuldigtalprocesscompabilitytorealizemainfunctionofinstrument.Itbreakesthemainframeoftraditonalinstrumentandforgesanewinstrumentpattern.

ThisprojectuseNIPCI-6221DAQ（dataacquisition）card,ingeniouslyapplyesVItechnologyinthedevelopmentofaMulti-channeldataacquisitiondevelomentandfinallyachievesasolutionwhichcanprovidemanyfunctionsincludingmulti-channelandmulti-parametersignalacquisition,hugemeasurementinformationstorageandmanagement,Alarmrecord,andCollectingdatashowthatreal-time.FinallytheuseofWebtechnologytoachievetheAcquisitionofdataremoteaccess.

ThispaperIntroducedindetailthetesttechnologyinthedomesticandforeigndevelopmentandthelatertrendofdevelopment,thenintroducedthevirtualinstrument'sdevelopment.StudyandreseachdeeplyVI'sconcept,hardwareconfigurationandsoftwarearchitechture.Thenintroducethedevelopmentplatform--LabVIEW.Introducedthetheoryofdataacquisition,whichelaboratedontheacquisitionofhardware,theinputsignalconditioning,giventheDAQsystemstructureofthehardware.BasedontheanalysisoftheDAQsystemonthebasisoffunctionalrequirements,describedindetailthedesignusedinsomesoftware-relatedtechnologies,includingproceduresmodulardesign,databasetechnology,Webtechnology,multi-threadedtechnology.Thefinalchaptergiventhespecificdesignofthefontpanel.

ThisprojectisasuccessfulapplicationofVIinmeasurementdomain,whichtestifiesthatVIisanavailableandeffectivesolutionandcanbeemployedtoaccomplishmajoritycomplicatedmeasurementtask.

Keywords:

VirtualInstrument;DAQ;MySQL;PHP;LabVIEW

第一章绪论

一.1引言

测控技术在现代科学技术、工业生产和国防科技等诸多领域中应用十分广泛，它的现代化已被认为是科学技术、国防现代化的重要条件和明显标志。

20世纪70年代以来，计算机、微电子等技术迅猛发展，在其推动下，测控仪器与技术不断进步，相继诞生了智能仪器、PC仪器、VXI仪器、虚拟仪器及互换性虚拟仪器等微机化仪器及其自动测控系统，计算机与现代化仪器设备间的界限日渐模糊，测控领域和范围不断拓宽[1]。

近年来，以计算机为中心、以网络为核心的网络化测控技术与网络化测控系统得到越来越多的应用，尤其是在航空航天等国防科技领域。

网络化的测控系统大体上由两部分组成：

测控终端与传输介质，随着个人计算机的高速发展，测控终端的位置越来越多的被个人计算机所占据，其中，软件系统是计算机系统的核心，甚至是整个测控系统的灵魂，应用于测控领域的软件系统称为监控软件。

传输介质组成的通信网络主要完成数据的通信与采集，这种数据采集系统是整个测控系统的主体，是完成测控任务的主力。

因此，这种“监控软件－数据采集系统”构架的测控系统结构在很多领域都得到了广泛的应用，并形成了一套完整的理论[1]。

一.2课题背景

一.2.1测控技术的国内外发展现状

早期的测控系统采用大型仪表集中对各个重要设备的状态进行监控，通过操作盘进行集中式操作；而计算机测控系统是以计算机为主体，加上检测装置、执行机构与被控对象（生产过程）共同构成的整体。

系统中的计算机实现生产过程的检测、监督和控制功能。

由于通信协议不开放，因此这种测控系统是一个自封闭系统，一般只能完成单一的测控功能，一般通过接口，如RS-232或GPIB接口可与本地计算机或其他仪器设备进行简单互连[1]。

随着科学技术的发展，在我国国防、通信、航天、航空、气象、环境监测、制造等领域，要求测控和处理的信息量越来越大、速度越来越快。

同时测控对象的空间位置日益分散，测控任务日益复杂，测控系统日益庞大，因此，提出了测控现场化、远程化、网络化的要求。

传统的单机仪器己远远不能适应大数量、高质量的信息采集要求，产生了由计算机控制的测控系统，系统内单元通过各种总线互连，进行信息的传输。

网络化的测控技术兴起于国外，是在计算机网络技术、通信技术高速发展，以及对大容量分布式测控的大量需求背景下发展起来。

主要可分为以下几个阶段。

第一阶段：

起始于20世纪70年代通用仪器总线（GPIB）的出现，GPIB实现了计算机与测控系统的首次结合，使得测量仪器从独立的手工操作单台仪器开始走向计算机控制的多台仪器的测控系统。

此阶段是网络化测控系统的雏形与起始阶段。

第二阶段：

起始于20世纪80年代VXI标准化仪器总线的出现，VXI系统可以将大型计算机昂贵的外设、VXI设备、通信线路等硬件资源以及大型数据库程序等软件资源纳入网络，使得这些宝贵的资源得以共享。

此阶段是网络化测控系统的初步发展阶段。

第三阶段：

随着技术的发展，现场总线技术的出现带动了现场总线控制系统（FCS）的迅速发展，使得可以在一个工厂范围内通过总线将成千上万个智能传感器/变送器等智能化的仪表组成一个网络化测控仪器系统，此阶段是网络化测控系统的快速发展阶段。

第四阶段：

在对现代化要求极高的领域，传统的测控系统已经逐渐无法满足用户的要求。

许多部门或大型企业迫切要求构建基于Internet或大型局域网的网络化测控系统，即通常所说的分布式测控网络，此阶段是网络化测控系统发展的成熟阶段。

一.2.2虚拟仪器技术发展趋势

虚拟仪器是微电子、通信、计算机等现代科学技术高速发展的产物。

自从1785年库仑发明静电扭秤，1834年哈里斯提出静电电表结构以来，电测仪表和电子仪器随相关技术的进步、仪器仪表元器件质量的提高和测量理论方法的改进得到飞速发展。

有一种较普遍地说法将测量仪器的发展分为五个阶段，如图1.1所示。

图1.1测量技术的发展

从十九世纪初到二十世纪末，测量仪器经历了模拟仪器、电子仪器、数字仪器、智能仪器等阶段，发展到现在的虚拟仪器。

模拟仪器主要有模拟式电压表、电流表等，这些仪表解决了当时对某些量的测量的需求。

从二十世纪初到五十年代左右，测量仪器的材料性能得到改善出现了电子管，同时测量理论和方法与电子技术、控制技术相结合，出现了以记录仪和示波器为代表的电子仪表五十年代以后随着晶体管和集成电路的出现以及应用电子技术的发展将数字技术成功地应用到测量仪器。

这时电子控制集成电路和计算机技术开始融为一体成为测量仪器的主要特征。

七十年代初第一片微处理器问世，微型计算机技术从此发展迅猛，在其影响下测量仪器呈现出新的活力并取得了长足进步。

伴随微电子技术、计算机技术、网络技术的迅速发展及在电工电子测量技术领域的应用，测量仪器也不断进步和发展，出现了智能仪器。

智能仪器是将微机置于仪器内部，使仪器具有控制、存储、运算、逻辑判断及自动操作等智能特点，并在测量准确度、灵敏度、可靠性、自动化程度、运用能力及解决测量技术问题的深度和广度等方面都有明显的进步。

这种内置微处理器的仪器，既能进行自动测试又能完成数据处理，可取代部分的脑力劳动。

随着电子技术、微计算机技术的发展，智能仪器的智能水平不断提高。

但是在数字化仪器、智能仪器阶段基本上没有摆脱传统仪器那种独立使用、手动操作的模式，难以胜任更复杂、多任务的测量需求。

为解决这样的问题，总线式仪器与系统应运而生。

人们发明制造出CAMAC、RS-232和GPIB等多种仪器通讯接口总线，用于将多台智能仪器连在一起，以构成更复杂的测试系统。

1982年美国西北仪器公司总裁德·伯克提出了微机化仪器的概念，也就是人们现在常提到的卡式仪器。

卡式仪器是虚拟仪器的雏形，是将传统独立式仪器的测量电路部分与接口部分集合在一起制成仪器功能卡，将其插入微机的内部插槽或外部插件箱中形成的仪器。

PC总线仪器系统是卡式仪器的一种，它是利用PC机内部的总线，把若干块仪器卡插在PC机内部或外部扩展机箱内而组成的。

插卡总线机箱与PC机间的通信，可利用RS-232、GPIB接口总线或以太网电缆等进行。

虽然许多厂家通过定义新的仪器总线，不断对卡式仪器进行改进，但其大多是在微机内总线的插槽上进行开发，没有统一标准，且各厂家生产的插卡尺寸大小不一，设备兼容性较差。

在这种情况下，用户自然会提出标准化的要求。

1987年，美国的惠普和泰克等5家公司在VME总线的基础上，联合提出了一种新型总线系统-VXI（VMEeXtensionForInstrumentation）总线，即由微机总线VME扩展而成的微机化仪器专用总线。

1997年美国NI公司推出了一种新的仪器总线标准PXI总线标准。

制定PXI规范的目的是为了将PC的性能价格比优势和PCI总线面向仪器领域的必要扩展结合起来，以期形成一种主流的虚拟仪器测试平台。

相对VXI仪器，按PXI总线标准制成的PXI仪器具有成本低、便于组成便携式测试系统等优点[2]。

这些以PC为核心、由测量功能软件支持，具有虚拟控制面板、必要仪器硬件和通信能力的PC仪器或VXI仪器就是虚拟仪器。

虚拟仪器技术的出现，使得用户可以自己定义仪器，灵活地设计仪器系统，满足多种多样的实际需求。

随着虚拟仪器软件开发平台及硬件的发展，基于虚拟仪器的仪器系统的开发周期更短，费用更低，测量速度、准确度及可复用性提高，且更便于相应仪器系统的维护和扩展[3]。

当今社会正处于一个正在高速发展的状态中，要在有限的时空内实现大量的信息交换，随之而来的是信息密度急剧增大，因而在研究和生产过程中要求数据采集系统对信息的处理速度越来越高，功能越来越强。

先进的数据采集系统，不仅希望设备能够单独进行数据采集，还希望他们之间能够互相通信，构成数据采集系统，甚至是测试网络系统，实现信息共享，以便对众多的被测信号进行对比、综合和自动分析、从而得出准确的判断。

然而传统的数据采集仪器在此方面受到很大的限制。

基于虚拟仪器技术的数据采集系统的提出在一定程度上解决了传统数据采集所面临的问题，虚拟仪器数据采集系统成为当今数据采集系统发展的重要方向。

本文正是在虚拟仪器技术的基础上对多通道数据采集系统进行了设计，实现多路信号的采集，并对实验数据进行实时显示、记录、分析处理。

虚拟仪器的出现是仪器发展史上的一场革命，代表着仪器发展的最新趋势和新方向，并且是信息技术的重要领域扩充，对科学技术的发展和工业生产将产生不可估量的影响。

一.3本设计所做的工作

一.3.1多通道数据采集系统的设计

本设计以3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。

一.3.2远程数据检索的设计

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。

第二章虚拟仪器

二.1虚拟仪器技术概述

二.1.1虚拟仪器的概念

虚拟仪器的概念是由美国国家仪器公司（NationalInstruments）最先提出的[4][5]。

所谓虚拟仪器是基于计算机的软硬件测试平台，它可代替传统的测量仪器，如示波器、逻辑分析仪、信号发生器、频谱分析仪等；可集成于自动控制、工业控制系统之中；可自由构建成专有仪器系统。

虚拟仪器是智能仪器之后的新一代测量仪器。

虚拟仪器的核心技术思想就是“软件即是仪器”。

该技术把仪器分为计算机、仪器硬件和应用软件三部分。

虚拟仪器以通用计算机和配备标准数字接口的测量仪器（包括GPIB、RS-232等传统仪器以及新型的VXI模块化仪器）为基础，将仪器硬件连接到各种计算机平台上，直接利用计算机丰富的软硬件资源，将计算机硬件（处理器、存储器、显示器）和测量仪器（频率计、示波器、信号源）等硬件资源与计算机软件资源（包括数据的处理、控制、分析和表达、过程通讯以及图形用户界面）有机的结合起来。

二.1.2虚拟仪器的特点及优势

虚拟仪器是基于计算机的功能化硬件模块和计算机软件构成的电子测试仪器，而软件是虚拟仪器的核心[6][7][8]，如图2.1所示，其中软件的基础部分是设备驱动软件，而这些标准的仪器驱动软件使得系统的开发与仪器的硬件变化无关。

这是虚拟仪器最大的优点之一，有了这一点，仪器的开发和换代时间将大大缩短。

虚拟仪器中应用程序将可选硬件（如GPIB，VXI，RS-232，DAQ板）和可重复用库函数等软件结合在一起，实现了仪器模块间的通信、定时与触发。

源代码库函数为用户构造自己的虚拟仪器（VI）系统提供了基本的软件模块。

由于VI的模块化、开放性和灵活性，以及软件是关键的特点，当用户的测试要求变化时可以方便地由用户自己来增减硬、软件模块，或重新配置现有系统以满足新的测试要求。

这样，当用户从一个项目转向另一个项目时，就能简单地构造出新的VI系统而不丢失己有的硬件和软件资源。

图2.1虚拟仪器开发框图

虚拟仪器技术的优势在于可由用户定义自己的专用仪器系统，且功能灵活，很容易构建，所以应用面极为广泛。

虚拟仪器技术十分符合国际上流行的“硬件软件化”的发展趋势，因而常被称作“软件仪器”。

它功能强大，可实现示波器、逻辑分析仪、频谱仪、信号发生器等多种普通仪器全部功能，配以专用探头和软件还可检测特定系统的参数，如汽车发动机参数、汽油标号、炉窑温度、血液脉搏波、心电参数等多种数据；它操作灵活，完全图形化界面，风格简约，符合传统设备的使用习惯，用户不经培训即可迅速掌握操作规程。

二.1.3虚拟仪器和传统仪器的比较

虚拟仪器具有传统独立仪器无法比拟的优势（如表1-1所示）。

在高速度、高带宽和专业测试领域，独立仪器具有无可替代的优势。

在中低档测试领域，虚拟仪器可取代一部分独立仪器的工作，但完成复杂环境下的自动化测试是虚拟仪器的拿手好戏，是传统的独立仪器难以胜任的，甚至不可思议的工作。

1）传统仪器的面板只有一个，上面布置了种类繁多的显示和操作元件。

由此导致许多识读和操作错误。

虚拟仪器与之不同，它可以通过在几个分面板上的操作来实现比较复杂的功能。

这样，在每个分面板上就可以实现功能操作的单纯化和面板布置的简洁化，从而提高操作的正确性和便捷性。

同时，虚拟仪器的面板上的显示元件和操作元件的种类与形式不受标准元件和加工工艺的限制，由编程来实现，设计者可以根据用户的要求和操作需要来设计仪器面板。

2）在通用硬件平台确定后，软件取代传统仪器中由硬件完成的仪器功能。

3）仪器的功能是由用户根据需要用软件来定义，不是事先由厂家定义的。

4）仪器性能的改进和功能扩展只需更新相关软件设计，不需购买新仪器。

5）虚拟仪器开放、灵活，与计算机同步发展，与网络及其他周边设备互联。

6）由于其以PC为核心，使得许多数据处理的过程不必像过去那样由测试仪器本身来完成，而是在软件的支持下，利用PC机CPU的强大的数据处理功能来完成，使得基于虚拟仪器的测试系统的测试精度、速度大为提高，实现自动化、智能化、多任务测量。

7）可方便地存贮和交换测试数据，测试结果的表达方式更加丰富多样。

8）虚拟仪器在高性价比的条件下，降低系统开发和维护费用，缩短技术更新周期。

表1.1虚拟仪器与传统仪器的比较

虚拟仪器

传统仪器

开发维护费用低

开发维护费用高

技术更新周期短（0.5～1年）

技术更新周期短（5～10年）

软件是关键

硬件是关键

价格低

价格昂贵

开放、灵活与计算机同步，可重复用和重配置

固定

可用网络联络周边各仪器

只可连有限的设备

自动化、智能化、多功能、远距离传输

功能单一，操作不便

近年来，随着网络技术的发展，己经形成了网络虚拟仪器。

这是一种新型的基于Web技术的虚拟仪器，使得虚拟仪器测试系统成为Internet/Intranet的一部分，实现现场监控和管理。

在当前流行的C/S/D网络模式下，利用嵌入式技术（包括数据库嵌入和网络模块的嵌入）可以充分利用有效资源，提高测试效率。

二.1.4虚拟仪器测试系统的组成

虚拟仪器是基于计算机的仪器。

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。

这种结合基本有两种方式，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[9]。

虚拟仪器的组成与传统仪器一样，主要由数据采集与控制、数据分析和处理、结果显示三部分组成。

如图2.2所示。

图2.2虚拟仪器的内部功能的划分

对于传统仪器，这三个部分几乎均由硬件完成；对于虚拟仪器，前一部分由硬件构成，后两部分主要由软件实现。

与传统仪器相比，虚拟仪器设计日趋模块化、标准化，设计工作量大大减小。

通常虚拟仪器测试系统硬件组成部分是由传感器部件、信号调理及信号采集部件（如外置或内置数据采集卡、图形图像采集卡及摄像机及其用于辅助测量并能与计算机通讯的常规仪器等）、通用计算机、打印机等构成。

系统软件部分通常用专用的虚拟仪器开发语言（如LabVIEW）编写而成，并可通过Internet实现网络扩展。

二.1.5虚拟仪器I/O接口设备

I/O接口设备主要用来完成被测输入信号的采集、放大、模数转换。

可根据实际情况采用不同的I/O接口硬件设备，如数据采集卡/板（DAQ）、GPIB总线仪器、VXI总线仪器、串口仪器、USB等。

虚拟仪器的构成主要有五种类型[9]，如图2.3所示。

图2.3虚拟仪器构成方式

1）DAQ（DataAcquisition）数据采集卡是指基于计算机标准总线（如ISA、PCI、USB等）的内置功能插卡。

其中USB是最新技术的数据采集卡，具有精度高，可携性好等优点，它更加充分地利用计算机的资源，大大增加了测试系统的灵活性和扩展性；利用DAQ卡可方便快速地构建虚拟仪器系统。

在性能上，随着A/D转换技术，滤波技术和信号调理技术的发展，DAQ卡的采样速率已达1GB/s，精度高达24位，通道数高达64个，并具有数字I/O，模拟I/O和计数器/定时器等通道。

各仪器厂家生产了大量的DAQ卡功能模块供用户选择，如示波器、串行数据分析仪、动态信号分析仪、任意波形发生器等。

在计算机上挂接多个DAQ功能模块，配合相应的软件，就可以构成一台具有多功能的测试仪器。

这种基于计算机的仪器，既具有高档仪器的测量品质，又能满足测量需求的多样性。

对我国大多数用户来说，它具有很高的性能价格比，是一种特别适合我国国情的虚拟仪器方案。

2）GPIB（GeneralPurposeInterfaceBus）通用接口总线，是计算机和仪器的标准通信协议。

GPIB的硬件规格和软件协议以纳入国际工业标准IEEE-488.1和IEEE-488.2，它是最早的仪器总线，目前多数仪器都配备了遵循IEEE-488的GPIB接口。

典型的GPIB测试系统包括一台计算机，一块基于GPIB总线的接口卡和多台GPBI仪器软件及相应的传感模块硬件。

每台GPIB仪器有单独的地址，由计算机控制操作。

系统中的仪器可以增加、减少或更换，只需对计算机的控制软件作相应的改动。

基于GPIB总线结构的接口卡数据传输速率一般低于500kb/s，不适合与对系统速度要求较高的应用。

3）VXI（VMEbuseXtensionforInstrumentation）是VME总线在仪器领域的扩展，上个世纪1993年VXI总线1.4版本被批准为IEEE-1155标准，成为开放式工业标准。

仪器专用总线在吸收IEEE-488的成功经验基础上，增加了10MHz时钟线，模拟和数字混合总线，星形总线等高速总线，定时关系严格，兼有计算机总线和仪器总线的优点。

4）PXI（PCIeXtensionForIns