基于PC的数据采集系统毕业论文

. . . . 毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明原创性声明本人重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作与取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标注和致的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得与其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了意。作 者 签 名：日 期：指导教师签名： 日期：使用授权说明本人完全了解大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部容。作者签名： 日 期：学位论文原创性声明本人重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名： 日期： 年 月 日学位论文使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大学可以将本学位论文的全部或部分容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。涉密论文按学校规定处理。作者签名：日期： 年 月 日导师签名： 日期： 年 月 日注意事项1.设计（论文）的容包括：1）封面（按教务处制定的标准封面格式制作）2）原创性声明3）中文摘要（300字左右）、关键词4）外文摘要、关键词5）目次页（附件不统一编入）6）论文主体部分：引言（或绪论）、正文、结论7）参考文献8）致9）附录（对论文支持必要时）2.论文字数要求：理工类设计（论文）正文字数不少于1万字（不包括图纸、程序清单等），文科类论文正文字数不少于1.2万字。3.附件包括：任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）。4.文字、图表要求：1）文字通顺，语言流畅，书写字迹工整，打印字体与大小符合要求，无错别字，不准请他人代写2）工程设计类题目的图纸，要求部分用尺规绘制，部分用计算机绘制，所有图纸应符合国家技术标准规。图表整洁，布局合理，文字注释必须使用工程字书写，不准用徒手画3）毕业论文须用A4单面打印，论文50页以上的双面打印4）图表应绘制于无格子的页面上5）软件工程类课题应有程序清单，并提供电子文档5.装订顺序1）设计（论文）2）附件：按照任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）次序装订3）其它基于的数据采集系统摘 要数据采集是通过传感器把被测信号转换成电压或电流信号，通过信号采集卡采集数据，并进行相应的处理的过程。本文采用流行的虚拟仪器技术构建数据采集系统，它是在基于传感器技术和计算机技术基础上发展起来的新兴测控技术，能灵活的根据需要组建符合用户自定义的数据采集系统，打破了传统的数据采集模式，实现了用软件来替代仪器，而且更加快速和迅捷，对数据处理的功能更加多样灵活。本文采用以PCI为总线的虚拟仪器采集方案，它的特点是通过数据采集卡以与虚拟仪器软件搭配组建的数据采集系统对标准的数据信号进行采集、分析。本文以此为指导思想，提出了合适的组成方案，主要工作是以NI公司PCI-6221数据采集卡为硬件支持，LabVIEW为软件开发平台，通过实验模拟测试以现实时数据采集、数据显示、数据存储、在线监测以与对历史数据的回放和分析等功能。经测试表明，由热电偶、SCC-68接线盒、SCC-TC02热电偶处理模块和PCI-6221数据采集卡所构建的数据采集硬件系统，可实现对温度的实时采集，并对采集过程的变化进行相应的调整，这些都体现虚拟仪器技术的特点和优势。证实本文所采用的数据采集理论和方法是可行的。关键词：虚拟仪器；数据采集；LabVIEW；PCI-6221；SCC-68；SCC-TC02 46 / 55Date Acquisition Base On PCAbstractData acquisition through the sensor to the measured signals into voltage or current signals, signal acquisition, through data acquisition card and the corresponding process. In this paper, the popular virtual instrument technology to build data acquisition system, which is based on sensor technology and computer technology developed on the basis of measurement and control of emerging technology, the flexibility to form the basis of need in line with the user-defined data acquisition system, breaking the traditional data acquisition mode, the realization of the software to replace equipment, and more fast and agile, data-processing functions on a more flexible and diverse. In this paper, for a PCI Bus Virtual Instrument collection program, which is characterized by the adoption of data acquisition cards, as well as the formation of virtual instrument software with the data acquisition system of standards for data signals collection, analysis. In this paper, as the guiding ideology, the composition of a suitable program, the main work is based on NI company PCI-6221 data acquisition card for the hardware support, LabVIEW software development platform, through experimental simulation tests in order to achieve real-time data acquisition, data show , data storage, on-line monitoring and playback of historical data and analysis functions. Tested indicated that thermocouple, SCC-68 Junction Box, SCC-TC02 Thermocouple processing module and the PCI-6221 data acquisition card by building a data acquisition hardware system, enabling real-time acquisition of the temperature of the acquisition process changes in the corresponding adjustment, which reflects the characteristics of virtual instrument technology and advantages. Confirmed in this article used the theory and methods of data collection is feasible.Key words：Virtual instrument；DAQ；LabVIEW；PCI-6221；SCC-68；SCC-TC02目 录摘要IAbstractII第一章 绪论11.1 研究目的与意义11.2 国外研究现状11.3 本文研究的主要容3第二章 数据采集方案设计42.1 虚拟仪器组成42.1.1 高效的软件42.1.2 模块化的I/O硬件52.1.3 用于集成的软硬件平台52.2 虚拟仪器的特点62.2.1 性能高62.2.2 可扩展性强62.2.3 无缝集成62.3 虚拟仪器的发展前景72.4 虚拟仪器软件介绍72.4.1 可视化编程工具72.4.2 LabWindows/CVI82.4.3 LabVIEW8第三章 数据采集硬件设计103.1 数据采集卡103.1.1 数据采集卡的选用103.1.2 PCI-6221型数据采集卡123.2 传感器的选择123.3 信号调理模块143.4 接线盒153.5 NI-DAQ安装163.6 DAQmx介绍18第四章 数据采集软件设计204.1 软件总体设计204.2 主程序204.2.1 主程序框架204.2.2 主程序前面板224.2.3 主程序后面板244.3 子程序254.3.1 采集子程序254.3.2 查询子程序264.3.3 存储子程序274.4 数据处理284.4.1 滤波功能选择284.4.2 调用数字滤波器子程序的几个基本问题314.4.3 滤波器的选用324.4.4 越限报警334.5 LabVIEW数据库334.5.1 LabVIEW中数据库的访问334.5.2 利用ADO技术访问数据库344.6 Access数据库364.6.1 在Access中建立一个数据库364.6.2 建立与数据库的连接37第五章 系统调试385.1 调试方法385.2 调试过程385.2.1 检查采集是否正常385.2.2 检查数据库建表、记录和查询功能395.2.3 检查参数设置和存储设置功能40总结41参考文献42附录A：程序前面板43附录B：程序总图44致45第一章 绪论1.1 研究目的与意义基于PC的数据采集系统是利用数据采集板卡和计算机的强大的数据处理能力和对数据进行采集、处理和显示的过程。在自动化过程中，数据的在线采集是实现自动控制的第一步，现在大多工厂的设备进行数据采集还是基于人工检测或机械仪表测量，存在很大的误差，而且实时性不强，不利于后续的准确控制，这就要求能够有一种方便、经济、高效的检测手段能够实现这一过程。基于虚拟仪器技术的数据采集手段，是随着微机和传感器技术的发展而出现新兴的测控手段之一，它主要以PC机为平台的测控技术。LabVIEW是美国国家仪器公司(NI)推出的一种基于图形化语言的虚拟仪器开发平台，它功能强大，可以进行数据采集、数值分析、信号处理、数据表达等，NI公司的口号是“软件即仪器”，即是用软件来实现仪器的功能。1.2 国外研究现状现今，在实验室研究、测试和测量以与工业自动化领域中，绝大多数科研人员和工程师使用配有PCI、PXI/Compact PCI、PCMCIA、USB、IEEE1394、ISA、并行或串行接口的个人电脑(PC)采集数据。许多应用使用插入式设备并把数据直接传送到计算机存中，在一些其它应用中数据采集硬件和PC分离，通过并行或串行接口和PC相连。基于PC的数据采集系统由下列部分组成：PC传感器信号调理数据采集硬件软件数据采集系统所使用的计算机会极影响数据采集的速度，计算机的数据传送能力也会极影响数据采集系统的性能。PCI、ISA和IEEE1394设备可以支持DMA和中断传送方式，而PCMCIA和USB设备只能使用中断传送方式。数据传送方式会影响数据采集设备的数据吞吐量。限制数据采集量的因素常常是硬盘，硬盘的访问时间和硬盘的分区会极降低数据采集和存储到硬盘的最大速率。对于要求采集高频信号的系统，就需要选择配置高速硬盘PC机，从而保证有连续(非分区)的硬盘器或专用的嵌入式处理器，如数字信号处理(DSP)板卡。为了保证硬盘的访问速度和整个程序运行的流畅性，要用专门的硬盘进行采集并且在把数据存储到磁盘时使用另一个独立的磁盘运行操作系统。此外，对于要实时处理高频信号的应用，需要用到32位的高速处理器以与相应的协处理。在实际生产工艺中，为了满足短期目标的同时，要根据投资所能产生的长期回报的最大值来确定选用何种操作系统和计算机平台。随着微电子技术、计算机技术、软件技术、网络技术的高度发展极其在电子测量技术与仪器上的应用，新的测试方法，新的测试领域以与新的仪器结构不断出现，在许多方面已经突破传统仪器的概念，电子测量仪器功能和作用己经发生了质的变化。在这种情况下，美国国家仪器公司(NI)在20世纪80年代最早提出虚拟仪器的概念同时推出了用于虚拟仪器开发工程软件包LabVIEW是NI公司宣称“即软件就是仪器”，虚拟仪器利用现有的计算机，加上特殊设计的仪器硬件和专用软件，形成既有的普通仪器基本功能，又有一般仪器没有的特殊功能的高档低价的新型仪器，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方向和新潮流，对科学技术的发展和工业生产的进步将产生不可估量的影响。1.3 本文研究的主要容LabVIEW是“Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench”的简写，即实验室虚拟仪器工程平台，是美国NI公司推出的一种基于G语言的虚拟仪器软件开发工具，最初它是基于苹果公司的MACNITOSH微机，后来NI公司不断推出基于各种操作系统的LabVIEW版本。正是由于LabVIEW的出现开创了仪器研究新方法虚拟仪器。全文分为七章：第一章为绪论，主要说明选题的意义和目的、国外的相关研究情况。第二章为虚拟仪器技术，了解虚拟仪器的概念与其特点。第三章为系统的总体方案设计，制定出相应的采集技术方案，并对系统的硬件组成进行解释说明等。第四章为讲述系统的软件开发部分。对数据库的基本知识，数据库的操作进行了介绍。第五章叙述了对系统进行测试的过程，以检验系统是否达到设计的要求。最后为总结部分，对本次设计的容和方式作一个总结概括性的结论，并提出还需要努力完善的部分。第二章 数据采集方案设计数据采集方式方法有很多种，如传统的仪器仪表、MATLAB数据采集工具、单片机、虚拟仪器等等，考虑到本设计的需要和各种方案的特点，本设计将采用虚拟仪器进行数据采集和处理。2.1 虚拟仪器组成虚拟仪器技术是利用高性能的模块化硬件，结合高效灵活的软件来完成各种测试、测量和自动化的应用。灵活高效的软件能帮助用户创建完全自定义的用户界面，模块化的硬件能方便地提供全方位的系统集成，标准的软硬件平台能满足对同步和定时应用的需求。这也正是虚拟仪器厂商近30年来始终引领测试测量行业发展趋势的原因所在。只有同时拥有高效的软件、模块化I/O硬件和用于集成的软硬件平台这三大组成部分，才能充分发挥虚拟仪器技术性能高、扩展性强、开发时间少，以与出色的集成性这四大优势。虚拟仪器技术的由三大组成部分：高效的软件、模块化的I/O硬件、用于集成的软硬件平台。2.1.1 高效的软件软件是虚拟仪器技术中最重要的部份，使用正确的软件工具并通过设计或调用特定的程序模块，工程师和科学家们可以高效地创建自己的任务以与友好的人机交互界面。NI公司提供的行业标准图形化编程软件LabVIEW，不仅能轻松方便地完成与各种软硬件的连接，更能提供强大的后续数据处理能力，设置数据处理、转换、存储的方式，并将结果显示给用户。此外，NI提供了更多交互式的测量工具和更高层的系统管理软件工具，例如连接设计与测试的交互式软件SignalExpress、用于传统C语言的LabWindows/CVI、针对微软Visual Sutdio的Measuremnet Studio等等，均可满足用户对高性能应用的需求。有了功能强大的软件，就可以在仪器中创建智能性和决策功能，从而发挥虚拟仪器技术在测试应用中的强大优势。2.1.2 模块化的I/O硬件面对如今日益复杂的测试测量应用，虚拟仪器厂商提供了全方位的软硬件的解决方案。无论是使用PCI，PXI，PCMCAI，USB或者是1394总线，都能提供相应的模块化的硬件产品，产品种类从数据采集、信号调理、声音和振动测量、视觉、运动、仪器控制、分布式I/O到CAN接口等工业通讯，应有尽有。高性能的硬件产品结合灵活的开发软件，可以为负责测试和设计工作的工程师们创建完全自定义的测量系统，满足各种独特的应用要求。目前，NI公司己经达到了每2个工作日推出一款硬件产品的速度，大大拓宽了用户的选择面：例如NI新近推出的新一代数据采集设备先期推出的20款M系列DAQ卡，就为数据采集领域设定了全新的标准。2.1.3 用于集成的软硬件平台NI首先提出的专为测试任务设计的PXI硬件平台，已经成为当今测试、测量和自动化应用的标准平台，它的开放式构架、灵活性和PC技术的成本优势为测量和自动化行业带来了一场翻天覆地的改革。由NI发起的PXI系统联盟现已吸引了68家厂商，联盟属下的产品数量也已激增至数千种。PXI作为一种专为工业数据采集与自动化应用度身定制的模块化仪器平台，建有高端的定时和触发总线，还配以各类模块化的I/O硬件和相应的测试测量开发软件，用户就可以建立完全自定义的测试测量解决方案。无论是面对简单的数据采集应用，还是高端的混合信号同步采集，借助PXI高性能的硬件平台，都能应付自如。这就是虚拟仪器技术的无可比拟的优势。2.2 虚拟仪器的特点虚拟仪器具有以下几个基本特点：性能高、可扩展性强、无缝集成。2.2.1 性能高虚拟仪器技术是在PC技术的基础上发展起来的，所以完全“继承”了以现成即用的PC技术为主导的最新商业技术的优点，包括功能卓越的处理器和文件I/O，方便用户在数据高速导入磁盘的同时就能实时地进行复杂的分析。此外，不断发展的因特网和越来越方便快捷的计算机网络使得虚拟仪器技术展现其更强大的优势。2.2.2 可扩展性强NI的软硬件工具使得工程师和科学家们不再局限于当前的技术中。得益于NI软件的灵活性，只需更新计算机或测量硬件，就能以最少的硬件投资和极少的、甚至无需软件上的升级即可改进整个系统。在利用最新科技的时候，用户可以把它们集成到现有的测量设备，最终以较少的成本加速产品上市的时间。开发时间少，在驱动和应用两个层面上，NI高效的软件构架能与计算机、仪器仪表和通讯方面的最新技术结合在一起。NI设计这一软件构架的初衷就是为了方便用户的操作，同时还提供了灵活性和强大的功能，使用户轻松地配置、创建、发布、维护和修改高性能、低成本的测量和控制解决方案。2.2.3 无缝集成虚拟仪器技术从本质上说是一个集成的软硬件概念。随着产品在功能上不断地趋于复杂，工程师们通常需要集成多个测量设备来满足完整的测试需求，而连接和集成这些不同设备总是要耗费大量的时间。NI的虚拟仪器软件平台为所有的I/O设备提供了标准的接口，帮助用户轻松地将多个测量设备集成到单个系统，减少了任务的复杂性。2.3 虚拟仪器的发展前景虚拟仪器依靠其自身的优势使它在仪器市场的竞争力不断增强，许多大型仪器公司均在虚拟仪器市场占有一席之地，1988年国际上开始有虚拟仪器产品面市，当时只有五家制造商推出30种产品，此后，虚拟仪器产品每年成倍增加，到1994年底，虚拟仪器制造厂已达95家工生产1000多种虚拟仪器产品，销售额达293亿美元，占整个仪器销售额73亿的4%。目前，我国正处于科学技术蓬勃发展的新时期，对虚拟设备的需求量将更大。虚拟仪器赖以生存的PC机正以迅猛的势头席卷全国，这为虚拟仪器的发展奠定了基础。虚拟仪器作为传统仪器的替代品，市场容量巨大。据统计，1995年我国进口电子测量仪器73.5万台，价值32亿美元，据专家预测，到本世纪初十年我国将有50%的仪器为虚拟仪器。2.4 虚拟仪器软件介绍虚拟仪器软件由两部分构成，即应用程序和I/O接口仪器驱动程序。虚拟仪器应用实现虚拟仪器面板功能并定义测试功能的流程图。I/O接口驱动程序完成特定外部硬件设备的扩展、驱动与通信。构造一个虚拟仪器系统时，在基本硬件确定后，就可以通过不同的软件实现不同的功能。软件是虚拟仪器系统的关键，对提高计算机软件编程的效率意义重大。虚拟仪器系统的软件主要分为4层：系统管理层、测控程序层、仪器驱动层和I/O接口层。作为开发虚拟仪器软件的工具平台，必须使设计出的以上软件层具有鲜明的“既调既用”特征，并且确保用户能用以完成整个系统中所有软件部分的开发。目前比较流行的软件开发平台有：可视化编程工具、LabWindows/CVI、LabVIEW。2.4.1 可视化编程工具Visual C+是一种功能齐全的面向对象的开发工具，可直接对硬件操作，支持多任务多线程。Visual C+不仅是C语言的集成开发环境，而且与Win32紧密相连，所以，利用Visua1 C+开发系统可以完成各种各样应用程序的开发，从底层软件直到上层直接面向用户的软件都可以用Visual C+来完成开发。2.4.2 LabWindows/CVILabWindws/CVI是ANSIC的、交互式C语言集成发平台。最新4.0版本的具有以主要特点：（1）基于ANSIC，不用学复杂的C+即可实现编程；（2）同标准兼容，可实现32位用户库、目标模块、DLL的相互调用；（3）可直接生成32位DLL，生成的DLL也可被LabVIEW直接调用；（4）提供各种灵巧方便的界面生成、编程、调试工具，使得编程、调试轻松自如；（5）提供丰富的数值分析、数字信号处理函数库；（6）提供GPBI、VXI、RS232、数据采集板卡以与网络连接功能；（7）可免费获得数百种源码组GPIB、VXI、RS232仪器驱动程序；2.4.3 LabVIEWLabVIEW是一个开放式的虚拟仪器开发系统应用软件，它为设计者提供了一个便捷、轻松的设计环境，利用它设计者可以像搭积木一样，轻松组建一个测量系统或数据采集系统，并任意构造自己的仪器面板，而无需进行任何烦琐的计算机代码的编写，从而可以大大简化程序的设计。LabVIEW与VC+、VB、LabWindows/CVI等编程语言不同，它们采用的基于文本语言的程序代码，而LabVIEW是使用图形化程序的G语言，用方框图代替了传统的程序代码。LabVIEW所运用的设备图标与科学家、工程师们习惯的大部分图标一致，这种编程过程和思维非常相似。用LabVIEW设计的虚拟仪器可以脱离LabVIEW开发环境，最终用户看见的是和实际的硬件仪器相似的操作面板。LabVIEW包含有专门用于设计数据采集程序和仪器控制程序的功能库和开发工具库。LabVIEW的程序设计实质就是设计一个个的“虚拟仪器”，即“VIS”。在计算机上利用功能库和开发工具产生一个前面板(FRONTR PANEL)；在后台则利用图形化编程语言编制用于控制前面板的程序。程序的前面板具有与传统仪器类似的界面，可接受用户的鼠标指令，一般来说，每一个VI都可以作为其它VI的调用对象，其功能类似于文本语言的子程序。用LabVIEW编制的图形化VI是分层次和模块化的，并且可以用于顶层程序，也可用作其它程序或子程序的子程序。一个VI用在其它VI中，称之为SubVI，SubVI在调用它的程序中同样是以一个图表的形式出现的。LabVIEW依据并发展了模块化程序设计的概念。用户可以把一个应用题目分解为一系列的子任务，每个子任务还可以进一步分解成许多更低一级的子任务，直到把一个复杂的题目分解为许多子任务的组合。设计时，首先设计SubVI完成每个子任务，然后它们逐步组合成能够解决最终问题的VI。归纳起来LabVIEW软件开发平台有以下优点：(1)图形化的编程方式，设计者无需写任何文本格式的代码，是真正的工程师语言。(2)提供了丰富的数据采集、分析与存贮的库函数。(3)即提供了传统的程序调试手段，如设置断点、单步运行，同时提供有独到的执行工具，使程序动画式运行，利于设计者观察程序运行的细节，使程序的调试和开发更为便捷。(4)囊括了DAQ、GPIB、PXI、VXI、RS-232/485在的各种仪器通信总线标准的所有功能函数，使得不懂总线标准的开发者也能够驱动不同总线标准接口设备与仪器。(5)提供大量与外部代码或软件进行连接的机制，诸如DLLS、DDE、ACTIVEX等。(6)强大的Internet功能，支持常用网络协议，方便网络、远程测控仪器的开发。第三章 数据采集硬件设计系统所用到的硬件有：传感器、NI SCC-68接线盒、NI SCC-TC02模块、PCI-6221数据采集卡、PC机。3.1 数据采集卡3.1.1 数据采集卡的选用选择一款合适的数据采集卡，首先要了解数据采集卡的核心部件A/D转换器，此外还应该了解板卡上一些有关部件和一些选用的指标。(1)数据分辨率和精度精度和分辨率有所不同，精度除了涉与A/D转换精度外还考虑测试系统各部分误差。采集板卡的分辨率必须大于所要求的测试精度。(2)最高采样速度数据采集卡的最高采样速度一般用最高采样频率(Hz)来表示，它表示单通道采样能使用的最高采样频率，这也就限制了该数据采集卡能够处理信号的最高频率(最高采样频率/2)。如果要进行多通道采样，则能够达到的采样频率是原最高采样频率除以通道数。(3)通道数通道数指能够同时采样的通道数，根据测试任务选择。任务的通道可自行设定，采集任务可以在DAQmx中进行建立。(4)数据总线接口类型不同的总线接口类型的数据采集板卡的接口硬件形式不一样，数据传递的规则和数据传递的速度也不一样，PCI总线是台式计算机中目前最通用的总线：而笔记本电脑中常用PXMCIA总线；PXI和VXI总线是比较新兴的高速传输总线。(5)是否有隔离好的数据采集板卡每个通道的输入和输出之间带有隔离放大器。对于工作在强电磁场干扰环境中的数据采集系统，选择具有隔离配置的数据采集板卡才能保证数据采集的可靠性。(6)板卡本身是否带有微处理器自身带有微处理器(CPU)的数据采集卡可以当作主机的下位机使用，自行控制采样的进行。(7)是否有标定功能数据采集卡使用一段时间后，器件值会有变化，基准电压也可能会改变，零点会漂移。对于高精度的数据采集，需要每隔一段时间进行精度标定，好的数据采集卡具有自我标定功能，但价格高很多。(8)支持的软件驱动程序与软件平台和数据采集卡的硬件接口类似，买来的数据采集板卡能在什么软件环境中使用，使用起来是否还需要自己编制驱动程序，这也是选择一款数据采集卡很重要的因素。选择数据采集卡的软件除了和现有的测试系统兼容以外，还应考虑其更广泛的兼容性和灵活性，以备在其他测试任务和系统中也能使用。另外，数据采集卡的选择还有一些常用的指标，如输入电压的最大围、输入增益的种类、是否有模拟输出、输入触发的类型等。3.1.2 PCI-6221型数据采集卡图3.1 NI PCI-6221数据采集卡图3.1即为所用的核心部件：NI公司的PCI-6221型数据采集卡。此卡性能适合设计的采集任务需要。它属于NI公司M系列16位数采卡产品，具有16个模拟输入通道，2个模拟输出通道，10个数字I/O通道，具有从2Hz1MHz围的的数字I/O功能，最大工作速率达到250Ks/s，输入输出电压围-10V+10V。此外有37针数据接入端子，有32位的计数器和数字触发。3.2 传感器的选择在考虑到传感器的可靠性，为了减少后续处理电路模块的麻烦，最好选用的传感器的输出量是电压量。温度传感器：比较经济的办法是采用热电偶传感器。热电偶由接线盒、接线端子、保护管、绝缘套管与部的热电偶组成。其利用的原理是：当两个接点温度不同时回路中将产生电势，该电势的方向和大小取决于两导体的材料与两接点之间的温度差，而与导体的粗细、长短无关。这种现象称为物体的热电效应（塞贝克效应）。组成的测量传感器称为热电偶。热电偶价格合适，市场上可选择的种类较多，国际电工委员会(IEC)对其中被国际公认、性能优良、产量最大的7种制定了标准，如表3.1所示表3.1 热电偶标准分类表分度号材料测温围（）我国标准号S铂/铑10-铂01300（1600）GB 3775-83B铂/铑30-铂601600（1800）GB 2902-82K镍铬-镍硅、镍铬-镍铝01200（1300）GB 2614-81T铜-康铜-200+400GB 2903-82E镍铬-康铜-200+900J铁-康铜-40+750R铂铑13-铂01300（1600）GB 1598-79注：括号的温度为短期测温温度K型热电偶测温围宽，价格便宜，适宜设计中选用。压力传感器：作为检测压力的传感器必须有一定高的工作温度围和耐湿能力。采集的信号是缓变信号，可以考虑采用霍尔式压力传感器。具有较高可靠性，能承受温度和湿度的变化影响。输出的是电压量，能用于远距离的测量和显示。霍尔式压力传感器基本元件基本包括两部分：一部分是弹性元件，如弹簧管或膜盒等，用它感受压力，并把它转换成位移量；另一部分是霍尔元件和磁路系统。工作原理：弹性元件受力发生形变，带动霍尔片在均匀梯度磁场中移动，作用在霍尔片上的磁场发生变化，由 (3-1)上式中B为磁感应强度；I为流过磁场的电流；为磁感应强度B与霍尔片法线方向的夹角；为产生的霍尔电势；可知：霍尔片的变化，使输出的霍尔电势随之改变，并且霍尔电势与位移（压力）成线性关系。3.3 信号调理模块信号调理是联系传感器和数据采集模块的桥梁。随着传感器技术的发展，其输出信号的可能性也不断增加，测试系统在信号进入数据采集卡之前所需做的工作也不断增加，信号调理是一个不断更新的环节，所做的工作主要有：信号放大(或衰减)、滤波、隔离、多路复用、扩展、整流、热电偶、补偿、激励、线性化、同步采样保持等。选取的是NI公司的仪器信号调理板卡SCC-TC02，是用于调理各类热电偶的单通道模块，包括J、K、T、B、E、N、R和S以与100 mV围的毫伏输入。NI SCC-TC02包括一个2 Hz低通静噪滤波器、具有100增益的仪器放大器，以与实现M系列DAQ设备最高扫描速率的缓冲输出。SCC-TC02模块的输入电路还包含高阻抗偏压电阻器，可用于热电偶开路的检测以与浮动热电偶和接地参考热电偶的处理。该模块包括一个用于冷端温度补偿的板载热敏电阻。如图3.2所示：图3.2 NI SCC-TC02其特点有：（1）2 Hz低通静噪滤波器和仪器放大器；（2）用于热电偶和mV输入的单通道模块；（3）板载热敏电阻可用于冷端温度补偿；（4）热电偶开路检测和自动接地参考；3.4 接线盒NI SCC-68是一款I/O接线盒，便于信号连往NI M系列或E系列数据采集设备。NI SCC-68 适用于简单却可扩展的台式机测试系统。它有68个I/O信号连接螺丝端子、1个通用电路试验板区域和数个外接和接地电源的总线终端。通过SCC-68的4个SCC插槽，可在测量系统中集成热电偶、应变计、RTD、频率输入、电流输入、电压衰减器、低通滤波器、测压元件输入、加速度传感器、馈通板、SPDT继电器、隔离的数字I/O设备和隔离电压输入模块。如图3.3所示：图3.3.3 NI SCC-68接线盒其特点有：（1）4个扩展插槽用于SCC信号调理模块；（2）68个螺栓端子，实现简单的I/O连接；（3）多数情况下，借助DAQ设备进行驱动 (见手册)；（4）I/O接线盒可搭配M系列和E系列DAQ设备 (仅NI-DAQmx)；（5）置冷端补偿传感器，适合低价位的热电偶测量；（6）通用电路试验板，用于自定义电路；3.5 NI-DAQ安装NI测试产品包括NI-DAQ驱动程序，用户可以通过LabVIEW，Labwindows/CVI等应用程序给驱动发送诸如采集、显示和分析等指令，为用户节省了编写底层函数的时间和麻烦。NI-DAQmx和NI-DAQ(Legacy)不同版本所支持的NI应用程序有所不同。NI-DAQ8.5安装的步骤如下：1.首先安装应用程序LabVIEW，由于条件限制，试验中安装LabVIEW8.5。如果有用8.5以前版本编写的程序最好作备份。2.安装NI-DAQ8.5，首先插入安装光盘，它将自动运行。NI-DAQ8.5包括几个驱动和他们的API-NI-DAQmx，你可根据自己的设备情况选择：安装程序也会自动检测安装在系统里的NI软件以自动确定支持驱动和语言支持文件等。3.安装好采集卡、调理模块和接线盒。本文采用的是PC-DAQ方式，安装PCI设备时必须按以下步骤：(1)确保关掉电源，拔出电源插头。(2)打开电脑机箱，找到PCI插槽。(3)用手接触电脑的任何金属部分以释放静电。(4)把PCI设备(本文是NI-PCI数据采集卡)插入PCI插槽。(5)把PCI设备用安装螺钉固定在电脑背板上。(6)重新装好机箱。4.双击Measuerment&Automation图标打开MAX，然后Devices and Interfaces下拉菜单，找到所安装的设备，可以找到所安装的PCI-6221数据采集卡，右击设备，进行自测，若检测成功则进行下一步的操作。5.右击数据采集卡名称，选择Properties进行数据采集卡的配置设定，可参照使用说明书。6.浏览和安装设备文档。文档包括设备的支持文件和工具包。7.接着安装信号调理和开关设备、以与接传感器和导线。在本文中，只对采集程序进行虚拟测试，故这些硬件可适时缺省。8.运行测试面板。打开MAX在Devices and Interfaces选择TestPanels，打开测试面板界面，通过tabs可逐项选择测试容。9.新建任务和配置通道。物理通道是指信号端口，负责接受或发送模拟或数字信号。而虚拟通道则是设置的称谓，包括名字、物理通道、输入端口连接、信号测试和发生类型。在NI-DAQ中，虚拟通道的配置可以在任务中进行，也可以独立配置。任务的配置有两种方法。第一，可以右击Date Neighborhood选择Create New窗口，在窗口中选择NI-DAQmx Task，然后点击Next。第二，也可通过LabVIEW里的DAQ助手来实现，按里面的提示进行操作。在新建任务界面上选择任务类型，在界面上可看到有温度、应变等各种参量专门任务类型，本设计采集多路信号，而且各路物理信号不尽一样，所以把这些物理信号转为电压统一采集，所以在这这里选择电压采集任务的类型时，在界面上选择Analog Input中的Voltage任务类型。然后点击Finish到下一级通道选择界面，用两路信号发生器模拟调理过的信号输入采集卡，然后在界面上选择两个通道，每个任务的物理通道号和对应一个传感器输入信号。3.6 DAQmx介绍在LabVIEW中，数据采集VI主要位于NI Measurements子模板，在这个子模板中，又分别有Data Acquisition和DAQmx-Data Acquisition两个子模板，其中前者是传统的数据采集VI，后者是数据采集DAQmx类型的数据采集VI。传统类型的数据采集VI面向单个数据采集卡直接采进信号的电压值，其操作对象是单个的数据采集卡；而DAQmx类型的数据采集VI可以面向多个数据采集卡，其操作对象是信号输入或输出通道，并且采进来的电压值可以根据预先给定的规则变换成实际的物理量值，如位移、应变等。本文采集多路信号，采用DAQmx数据采集VI编程。DAQmx其实是NI公司开发的测量服务软件，可以把测量服务软件看作是I/O驱动软件层，然而它不仅仅是一个驱动。测量服务是快速应用程序开发中最为重要的部分之一。这个软件提供了虚拟仪器软件和硬件之间的连通性以用于测量和控制。直观的应用程序编程接口(API)、仪器驱动、配置工具、快速I/O助手和其他包含在所购买的NI硬件中的软件是它的特色。NI测量与自动化浏览器(MAX)和DAQ Assistant(DAQ助手)是NI-DAmx测量服务软件体现它无限价值的两个例子。MAX配置工具特性包含配置和测试I/O，以与存储标定、校准和通道别名信息，这些对于以更短的时间完成首次测量、维护测试系统和解决测试系统故障是十分重要的。DAQ助手是一个交互式工具，用来快速创建测量应用程序，它提供了一个面板，用户可以在上面轻松配置常用的DAQ参数，而无需任何编程工作。DAQmx具有很多优点，它能更轻松地往DAQ API中添加新特性、更轻松地添加新设备、更有效的多线程数据采集、提高数据采集性能(尤其是单点性能)、更轻松地进行数据采集。此外，DAQmx将支持NI公司的高性能新硬件产品，包括M系列插入式DAQ设备，一些最新的USB DAQ设备，以与数以百计的传统NI-DAQ所支持的DAQ设备。以DAQmx为兼容对象的产品将是采集硬件发展的方向，NI公司M系列的产品以与以后开发的数据采集产品都将以支持DAQmx为主，对于传统数据采集VI将逐渐淘汰。第四章 数据采集软件设计4.1 软件总体设计用模块化的设计思想，对软件进行功能的划分，有助把握软件整体设计思路，简化程序结构。本设计实现的功能主要包括几个部分：第一是实现数据的在线采集显示，第二是对采集到的数据进行相关的处理，第三是对一些主控参数进行在线监测，第四是对数据和波形记录，第五是对历史数据进行查询，第六是对历史数据分析。如图4.1为软件的功能模块图：图4.1 软件功能模块图4.2 主程序4.2.1 主程序框架在整个程序构架里，主程序负责运行控制，并协调各个功能模块之间的数据通信。主程序分为前面板与后面板。前面板是主程序的操作界面，是直接面向用户的窗口，其设计必须简洁明了，界面友好，功能齐备，能使用户一目了然地根据测试的要求输入参数，并提供可选择的测试项目进行操作，能与用户良好互动。后面板存放主程序的执行代码，程序的编写在这里实现，是软件设计的主要容。图4.2是主程序的流程图，流程的控制依此实现。图4.2主程序流程图数据的来源是首先由传感器检测到的物理信号，经由调理模块的处理传输到数据采集卡上，经过卡A/D转换芯片转换成数字信号，再由数据采集卡和计算机通信接口送至LabVIEW应用程序进行处理。所以流程图中的数据是数字数据。当主程序启动时，每次采集到的数据都要存入数据库，如果要实时记录每时每刻的数据，那数据量将会很庞大，造成后继的检索和报表的生成麻烦，从实际的生产角度来说也没必要。根据实际情况，主程序设计了定时采集的办法，每隔一段时间采集一次，使数据符合实际情况。4.2.2 主程序前面板如图4.3是主程序的用户界面。整个界面分为实时采集、历史数据查询和配置三个选项卡。图4.3 主程序用户界面实时采集放置在一个TAB控件里，是前面板的主要区域，它包括三个部分：波形显示窗口、数字显示窗口、仪表窗口、按钮区。用户能够从波形窗口上的选择控件选择显示的通道，波形窗口显示该通道的实时采集波形。数字显示窗口里放置了物理量参数的数据显示，一目了然，用户读取非常方便。仪表窗口是面板提供的形象化显示方式，把参数用传统仪表的表现形式的显示使传统用户更容易接受。图4.4 数据查询界面如图4.4所示历史数据查询分析区也是由TAB控件组成，查询部分中，用户通过输入查询时间段就可以得出该参数的历史数据，用一个数据表就能显示出来。显示查询的时间、采集的次数、实时采集到的温度值和压力值。参数设置区放置在一个TAB控件里，它包含三个部分的设置容：采集参数设置、监测阀值与文件路径设置、物理通道设置。采集参数设置的容包括任务选择、物理通道选择、采样模式选择、采样率选择等的设置，这些容是关系到采集结果正确是首要因素，如果用户不做设置则系统采用默认值。点击第二选项是监测和文件存储的设置容，阀值是主控参数报警的阀值设置，在采集过程中需要对一些参数进行监测，当其超过阀值设置后报警灯亮，提示用户注意。如图4.5所示。图4.5 参数设置界面4.2.3 主程序后面板如图4.6所示，程序采用顺序结构来安排各功能程序的运行先后。首先是运行采集程序，将采集到的波形进行滤波，这放置在第一个顺序框。接着运行数据处理分析程序，对滤波后的波形进行处理分析，放置在第二步顺序框。将数据存入数据库和波形文件，这放置在第三个顺序框。数据库查询和波形回放程序放置在第四个顺序框。这样的安排符合程序的采集和控制流程。图4.6 主程序图4.3 子程序4.3.1 采集子程序在采集子VI中，用户可以根据需要进行测试选择的设置，其容包括：采样式设置、采样率的设置、采样点数的设置、输入电压围的设置、物理通道设置、任务选择等，如图4.7所示。对于这些设置做如下的默认设定：在本文中，选择限点采样模式，每采集一次，每个通道采集点数为1000点。采样率的设置必须满足奈奎斯特定理，由于设计中所检测的信号大都属于低频信号，故采样率的设置不宜高，每个通道的采样率大约等于1kHz即可。输入电压围暂定于-10V+10V。可根据所检测的参数数量设定通道数。图4.7 采集子程序4.3.2 查询子程序在查询子程序中要实现对采集到的数据的查询功能，输入查询的时间段即可查询出该时间段数据库中存储的采集数据，以表格的形式显示出来。包括采集编号、该点的时间、温度值、压力值。如下图4.8所示，查询子程序采用图4.8 查询子程序4.3.3 存储子程序图4.9 存储子程序4.4 数据处理数据分析和处理程序里包括软件滤波程序、求样点平均值程序和越限报警程序等容。4.4.1 滤波功能选择滤波器按能通过的围来分可分为低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器和带阻滤波器以与其它类型通带滤波器；按处理信号的性质来分有模拟滤波器和数字滤波器。随着数字计算机的发展，使数字滤波器也有了很大的发展和应用，但其基本出发点仍基于模拟滤波器。数字滤波器又可以分为有限冲击响应滤波器(FIR DF)和无限冲击响应(IIR DF)两种类型。1. 滤波器的基本参数描述滤波器性能的参数有纹波幅度、截止频率、带宽、品质因素等。纹波幅度是指在一定频率围，实际滤波器的幅频特性可能呈波纹变化，其波动幅度与幅频的平均值相比，越小越好，一般应小于-3dB，既。截止频率是幅频特性值等于所对应的频率称为滤波器的截止频率。以为参考值，对应于-3dB。若以信号的幅值平方表示信号功率，则所对应的点正好是半功率点。上下两截止频率之间的频率围称为滤波器带宽，或-3dB带宽。带宽决定了滤波器分离信号中相邻频率成分的能力频率分辨力。在测试电路中Q通常用来代表谐振回路的品质因数。在二阶振荡环节中，Q值相当于谐振点的幅值增益系数Q=1/2 (阻尼率)。对于带通滤波器，通常把中心频率f。和带宽B之比称为滤波器的品质因数Q。例如一个中心频率为500Hz的滤波器，若其中-3dB带宽为16Hz，则称其Q值为50。Q值越大，表明滤波器分辨力越高。滤波器因数是滤波器选择性的另一种表示方法，是用滤波器幅频特性的-60dB带宽与-30dB带宽的比值()来表示。理想滤波器=1，通常使用的滤波器=15。2. 数字滤波器的两种类型由于经过数字采集卡A/D转换后变成数字信号在程序中的滤波器采用数字滤波器。前面提到数字滤波器分为有限冲击响应滤波器(FIR)和无限冲击响应滤波器(IIR)两种类型，这两种类型都包含有高通、低通、带通等子类型。这两种类型的滤波器无论在性能上还是在设计方法上都有很大的区别：IIR滤波器设计可以直接利用模拟滤波器设计的成果，如可以通过对模拟低通滤波器进行模拟频率和数字频率的变换而得到对应滤波特性的数字低通滤波器，当然，两者之间有一定误差。模拟滤波器设计的经典方法是用“最佳逼近特性”设计方法，相应的有巴特沃兹滤波器、切比雪夫滤波器、贝塞尔滤波器、椭圆滤波器等滤波器类型。在逼近所需的同一个滤波器特性时，这些滤波器具有不同的频率特性。FIR滤波器的系统只有零点，因此这一类系统不象IIR系统那样易取得比较好的通带与阻带衰减特性，一般要求系统的单位抽样响应截取的长度要长。FIR滤波器和IIR滤波器相比，与有一些明显的优点：首先，FIR系统总是稳定的；其次，FIR系统容易实现线形相位；最后，FIR系统允许设计多通带或多阻带滤波器。后两项都是IIR不容易实现的。3.三种常见的最佳逼近特性滤波器巴特沃兹、切比雪夫、和贝塞尔三种滤波器是测试工程中应用最广泛也是最经典的三种滤波器，分别介绍如下：（1）巴特沃兹滤波器：巴特沃兹滤波器具有最大平坦幅度特性，其幅频响应表达式为： (4-1)巴特沃兹滤波器的幅频特性有以下几个特点：a.取得最大值，=1；b.，即衰减特性为-3dB，称为低通滤波器的截止频率；c. n值越大，幅频特性曲线越接近理想特性曲线，在()1(阻带围)时，n增大，则增大，越趋向于零值，衰减越快。（2）切比雪夫滤波器：切比雪夫滤波器也是从幅频特性方面提出逼近要求的，其幅频响应表达式为： (4-2)上式中是决定通带波纹大小的系数；是第一类切比雪夫多项式。切比雪夫滤波器具有以下的优点：a.在()1为阻带。与巴特沃兹逼近特性相比，这种特性虽然在通带有起伏，但同样n值在进入阻带后衰减陡峭，更接近理想情况；b.在截止频率处，其衰减不一定是下降3dB，而是按来计算；c.值越小，通带起伏越小，截止频率点衰减的分贝值也越小，但进入阻带后衰减特性变化慢。（3）贝赛尔滤波