基于LabVIEW的數(shù)據(jù)采集與信號(hào)處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)_杜娟_圖文

1、基于L a b V I E W 的數(shù)據(jù)采集與信號(hào)處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)杜娟1,邱曉暉1,趙陽(yáng)2,顏偉2,繆飛1(1.南京郵電大學(xué)通信與信息工程學(xué)院,江蘇南京210003;2.南京師范大學(xué)電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院,江蘇南京210042摘要介紹了虛擬儀器領(lǐng)域中最具代表性的圖形化編程開發(fā)平臺(tái)L a b V I E W,并對(duì)基于L a b V I E W 編程環(huán)境實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集進(jìn)行了研究,設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一種基于L a b V I E W 8.5環(huán)境,以E M I 噪聲分析儀為下位機(jī)的數(shù)據(jù)采集與信號(hào)處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法.該設(shè)計(jì)方法主要實(shí)現(xiàn)了以R S 232為代表的串口通訊,數(shù)組轉(zhuǎn)換及頻譜分析等功能,結(jié)果表明應(yīng)用該設(shè)計(jì)方法設(shè)

2、計(jì)出的系統(tǒng)具有簡(jiǎn)潔友好的人機(jī)界面,可直接在前面板上完成各種操作與觀測(cè).該設(shè)計(jì)方案較之目前大多數(shù)的設(shè)計(jì)方法相比有效地降低了程序的運(yùn)算量,節(jié)省了運(yùn)算時(shí)間,成功實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)無(wú)差錯(cuò)的采集到由下位機(jī)發(fā)來(lái)的完整數(shù)據(jù).關(guān)鍵詞L a b V I E W,串口通訊,數(shù)組轉(zhuǎn)換中圖分類號(hào)T M 461;T N 713+.7文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A 文章編號(hào)1672-1292(201003-0007-04D a t a A c q u i s i t i o n a n dS i g n a l P r o c e s s i n g S y s t e m B a s e do nL a b V IE WD u J u a n

3、1,Q i u X i a o h u i 1,Z h a o Y a n g 2,Y a n We i 2,Mi a o F e i1(1.C o l l e g e o f C o m m u n i c a t i o na n dI n f o r m a t i o nE n g i n e e r i n g ,N a n j i n g U n i v e r s i t y o f P o s t a n dC o m m u n i c a t i o n s ,N a n j i n g 210003,C h i n a ;2.S c h o o l o f E l e c

4、 t r i c a l a n dA u t o m a t i o nE n g i n e e r i n g ,N a n j i n g N o r m a l U n i v e r s i t y ,N a n j i n g 210042,C h i n a A b s t r a c t :L a b V I E W i s i n t r o d u c e di n t h i s p a p e r a s a k i n d o f m o s t r e p r e s e n t a t i v e g r a p h i c a l p r o g r a m

5、m i n g p l a t f o r m s i n V i r -t u a l i n s t r u m e n t f i e l d ,a n dr e a l i z i n g d a t a a c q u i s i t i o n b a s e do n L a b V I E W p r o g r a m m i n g e n v i r o n m e n t i s s t u d i e d ,t h e n a d e -s i r e m e t h o d o f D a t a a c q u i s i t i o n a n dS i g n

6、 a l p r o c e s s i n g s y s t e m u s e dE M I n o i s e a n a l y z e r a s t h en e x t b i t m a c h i n e b a s e d o nl a b v i e w 8.5i s i n t r o d u c e d .T h es y s t e m r e a l i z e dR S 232s e r i a l c o m m u n i c a t i o n ,a r r a yc o n v e r s i o na n ds p e c t r a l a n a

7、 l y s i sf u n c t i o n s .T h e r e s u l t s h o w s t h a t t h e s y s t e m d e s ig n e d b y thi s m e t h o d h a s a s i m p l e a n df r i e n d l y i n t e r f a c e ,a n d t h a t u s e r sc a nd oe v e r y o p e r a t i o na n do b s e r v a t i o n i n t h ef r o n t p a n e l d i r

8、e c t l y .T h i s s c h e m e r e d u c e s t h e c a l c u l a t i o n p r o c e d u r e e f f e c -t i v e l y a n d s a v e t i m e ,a c h i e v e s t h e r e a l -t i m e a n d e r r o r -f r e e c o l l e c t e d t h e d a t a i n t e g r i t i l y .K e yw o r d s :l a b v i e w ,s e r i a l c

9、 o m m u n i c a t i o n ,a r r a y c o n v e r s i o n收稿日期:2010-06-02.基金項(xiàng)目:中國(guó)博士后基金(20080431126、毫米波國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金(K 200903、江蘇省博士后基金(0702033B 、江蘇省自然科學(xué)基金(B K 2008429.通訊聯(lián)系人:邱曉暉,博士,副教授,研究方向:現(xiàn)代信號(hào)處理.E -m a i l :q i u x h n j u p t .e d u .c nL a b V I E W (L a b o r a t o r y V i r t u a l I n s t r u m e n

10、t E n g i n e e r i n g W o r k b e n c h 是基于圖形編譯G (G r a p h i c s 語(yǔ)言的虛擬儀器軟件開發(fā)平臺(tái),具有數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析、信號(hào)發(fā)生、信號(hào)處理、輸入輸出控制等功能,是公認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)采集和儀器控制軟件.在L a b v i e w 環(huán)境下開發(fā)的應(yīng)用程序稱為V I (V i r t u a l I n s t r u m e n t .一個(gè)完整的L a b V I E W 程序主要由前面板、程序框圖和圖標(biāo)/連接端口3部分組成1,前面板是交互式圖形化用戶界面,用于設(shè)置輸入數(shù)值和觀察輸出量;程序框圖是定義V I 功能的圖形化源代碼,包括前

11、面板上沒(méi)有但編程必須有的對(duì)象,如函數(shù)、結(jié)構(gòu)和連線等,利用圖形語(yǔ)言對(duì)前面板的控制量和指示量進(jìn)行控制;圖標(biāo)/連接端口是用于把程序定義成一個(gè)子程序,以便在其他程序中加以調(diào)用.L a b V I E W 中自帶450多個(gè)內(nèi)置函數(shù),專門用于從采集到的數(shù)據(jù)中挖掘有用的信息,用于分析測(cè)量數(shù)據(jù)及處理信號(hào).1系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)部分傳導(dǎo)電磁干擾綜合測(cè)量與分析系統(tǒng)可以對(duì)被測(cè)設(shè)備進(jìn)行噪聲診斷與抑制,包括硬件部分和軟件部分2,3.硬件部分的原理圖如圖1所示.系統(tǒng)硬件又分為模擬部分和數(shù)字部分,模擬部分由中心控制模塊、第10卷第3期2010年9月南京師范大學(xué)學(xué)報(bào)(工程技術(shù)版J O U R N A LO FN A N J I N

12、GN O R M A LU N I V E R S I T Y (E N G I N E E R I N GA N DT E C H N O L O G YE D I T I O N V o l .10N o .3S e p t ,2010信號(hào)類型選擇模塊、放大倍數(shù)選擇模塊、濾波器模塊構(gòu)成.其中,中心控制模塊為C y l o n e 公司的E P 1C 3T 144F P G A 芯片,負(fù)責(zé)控制信號(hào)類型、放大倍數(shù)的選擇,并控制采樣、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及傳輸;信號(hào)類型選擇模塊由新型噪聲分離網(wǎng)絡(luò)將輸入信號(hào)分為共模/差模信號(hào),并由F P G A 芯片控制G 6S -2F 型繼電器K ,選通共模/差模或直通信號(hào)

13、的其中一路;噪聲放大模塊由T H S 4271D G K 運(yùn)算放大器完成信號(hào)20d B 放大;串口數(shù)據(jù)傳輸模塊由F P G A 控制R S 232串口,用于向計(jì)算機(jī)傳輸數(shù)據(jù)并接收計(jì)算機(jī)發(fā)送的命令 .2軟件設(shè)計(jì)部分軟件部分具有噪聲測(cè)量結(jié)果顯示、噪聲分析功能,各個(gè)功能分別在相應(yīng)的軟件界面上實(shí)現(xiàn).本系統(tǒng)采用模塊化的軟件設(shè)計(jì)思想來(lái)編寫,L a b V I E W 程序框圖可以分為3部分:串口數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)組轉(zhuǎn)換模塊、波形顯示模塊.上位機(jī)程序的流程圖如圖2所示.2.1串口數(shù)據(jù)采集模塊2.1.1V I S A 概述虛擬儀器軟件架構(gòu)V I S A (V i r t u a l I n s t r u m

14、e n t s S o f t w a r e A r -c h i t e c t u r e 是應(yīng)用于儀器編程的標(biāo)準(zhǔn)I /O 應(yīng)用程序接口,是工業(yè)界通用的儀器驅(qū)動(dòng)器標(biāo)準(zhǔn)A P I (應(yīng)用程序接口.它采用面向?qū)ο缶幊?具有很好的兼容性、擴(kuò)展性和獨(dú)立性.通過(guò)V I S A ,用戶能與大多數(shù)儀器總線連接,包括G P I B 、U S B 、串口、P X I 、V X I和以太網(wǎng).無(wú)論底層是何種硬件接口,用戶只需要面對(duì)統(tǒng)一的編程接口,即V I S A .V I S A 的另一個(gè)顯著優(yōu)點(diǎn)是平臺(tái)可移植性,任何使用V I S A函數(shù)的程序可以很容易地移植到其他平臺(tái)上.V I S A 定義了自己的數(shù)據(jù)類型

15、,就避免了在移植程序時(shí)由于數(shù)據(jù)類型大小不一導(dǎo)致的問(wèn)題.2.1.2系統(tǒng)組成(1串口參數(shù)設(shè)置4.L a b V I E W 的串口通訊V I 位于I n s t r u m e n t I /OP l a t t e 的S e r i a l 中,此部分程序用到了L a b V I E W 中串口操作的配置節(jié)點(diǎn)設(shè)置串口通訊的波特率、校驗(yàn)方式、數(shù)據(jù)位數(shù)、停止位數(shù)等參數(shù).(2寫模塊.包括兩部分:前一部分用于發(fā)射同步時(shí)鐘,用于與下位機(jī)的時(shí)鐘同步;后一部分為命令發(fā)送部分,用于向下位機(jī)取任意時(shí)間的數(shù)據(jù).南京師范大學(xué)學(xué)報(bào)(工程技術(shù)版第10卷第3期(2010年(3讀模塊.在接收數(shù)據(jù)之前需要使用V I S AB

16、y t e s a t s e r i a l p o r t 查詢當(dāng)前串口接收緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù).如果V I S Ar e a d 要讀取的字節(jié)數(shù)大于緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù),V I S Ar e a d 操作將一直等待,直至緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)達(dá)到要求的字節(jié)數(shù)5.在這部分的操作過(guò)程中,要注意延遲時(shí)間的設(shè)定,過(guò)長(zhǎng)會(huì)增加等待時(shí)間,過(guò)短會(huì)收不到完整的數(shù)據(jù)6.經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn),本程序的延遲時(shí)間為2m s ,利用讀串口節(jié)點(diǎn)讀取串口緩沖區(qū)中的字符串,這部分的程序框圖如圖3所示 :2.2數(shù)組轉(zhuǎn)換與實(shí)時(shí)顯示模塊2.2.1數(shù)組轉(zhuǎn)換下位機(jī)傳送的數(shù)據(jù)格式為十六進(jìn)制A S C I I 形式,需要將其轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制數(shù)字形式

17、后才能保存并顯示.具體的操作方法是:首先判斷收到的字符串是否是完整的,如果收到了完整的8K 個(gè)字節(jié),則對(duì)字符串接收區(qū)連接至“字符串至數(shù)組的轉(zhuǎn)換”控件.由前面關(guān)于硬件部分的介紹可以得出下位機(jī)輸出的噪聲信號(hào)分為總信號(hào)、共模信號(hào)、差模信號(hào),并都有0d b ,20d b 的兩種輸出,所以共6組數(shù)據(jù),因此本設(shè)計(jì)采用了事件結(jié)構(gòu),設(shè)置8個(gè)分支分別負(fù)責(zé)控制發(fā)送6組代表不同信號(hào)的數(shù)據(jù)和保存數(shù)據(jù),鼠標(biāo)按下即可自動(dòng)發(fā)送.2.2.2數(shù)據(jù)保存與實(shí)時(shí)顯示(1數(shù)據(jù)保存是把采集來(lái)的數(shù)據(jù)保存到M y S Q L 數(shù)據(jù)庫(kù)里,首先進(jìn)行的是數(shù)據(jù)庫(kù)的選擇以及數(shù)據(jù)庫(kù)表格的建立,然后用L a b S Q L 工具包將采集的數(shù)據(jù)按照一定的時(shí)

18、間間隔保存到數(shù)據(jù)庫(kù)的表格里.(2歷史數(shù)據(jù)查詢.因?yàn)橐呀?jīng)把采集的數(shù)據(jù)保存在數(shù)據(jù)庫(kù)里了,所以歷史數(shù)據(jù)的查詢只需要從數(shù)據(jù)庫(kù)里按照一定的條件檢索出來(lái)就行了7.這樣就涉及到檢索條件的問(wèn)題.而保存數(shù)據(jù)的表格的主鍵已設(shè)為保存時(shí)刻.每個(gè)數(shù)據(jù)在時(shí)間上是唯一的,因此檢索條件確定為保存數(shù)據(jù)的時(shí)間段.這一模塊的程序圖如圖4所示 .杜娟,等:基于L a b V I E W 的數(shù)據(jù)采集與信號(hào)處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)南京師范大學(xué)學(xué)報(bào)(工程技術(shù)版第10卷第3期(2010年2.3波形顯示與F F T處理模塊經(jīng)過(guò)上述的數(shù)組轉(zhuǎn)換后,可以直接對(duì)一維數(shù)組進(jìn)行快速傅里葉變換,本設(shè)計(jì)主要觀察峰值信息,所以在顯示波形模塊中,設(shè)定屬性時(shí),選擇所選測(cè)量幅

19、度(峰值.圖5為曲線建立了一個(gè)游標(biāo),拖動(dòng)游標(biāo)中心點(diǎn)可以在波形圖上自動(dòng)搜索臨近的峰值坐標(biāo)8.G B9254V o l t a g e o n Q P下方曲線為標(biāo)準(zhǔn)線,此波形為在沒(méi)有信號(hào)源輸入時(shí)采集到的差模0D B噪聲信號(hào).由圖可以看到現(xiàn)在游標(biāo)采集到的峰值坐標(biāo)為(8.976608,22.5189.3結(jié)語(yǔ)本文研究了利用L a b V I E W開發(fā)平臺(tái)、串口通訊及虛擬儀器技術(shù)成功的實(shí)現(xiàn)了對(duì)下位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、顯示及信號(hào)處理等功能.結(jié)果表明,L a b V I E W比其它文本語(yǔ)言更加簡(jiǎn)單直觀可靠,且該系統(tǒng)具有良好的可移植性,通過(guò)擴(kuò)展采集卡通道及重新編程,可以滿足對(duì)不同數(shù)據(jù)的采集要求.參考文獻(xiàn)(R e

20、 f e r e n c e s1孟武勝,朱劍波,黃鴻,等.基于L a b V I E W數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)J.電子測(cè)量技術(shù),2008,31(11:63-65.M e n gW u s h e n g,Z h uJ i a n b o,H u a n gH o n g,e t a l.D a t aa c q u i s i t i o ns y s t e m b a s e do nL a b V I E WJ.E l e c t r o n i cM e a s u r e m e n t T e c h n o l o g y,2008,31(11:63-65.(i n C h i n

21、 e s e2趙陽(yáng),李世錦,孟照娟,等.傳導(dǎo)性E M I噪聲的模態(tài)分離與噪聲抑制問(wèn)題探討J.南京師范大學(xué)學(xué)報(bào):工程技術(shù)版,2004,4(4:1-4.Z h a oY a n g,L i S h i j i n,M e n g Z h a o j u a n,e t a l.T e c h n i q u e o f c o n d u c t e d E M I n o i s e s e p a r a t i o n a n d n o i s e s u p p r e s s i o nJ.J o u r n a l o f N a n j i n g N o r m a l U n

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