基于LabVIEW的数据采集系统
福建电脑
２００６年第８期
基于LabVIEW的数据采集系统
吴云轩１，蔡超２
（１．黎明职业大学电子工程系福建泉州３６２０００２．福州大学物理与信息工程学院电子系福建福州３５０００２）
【摘要】：ＬａｂＶＩＥＷ是ＮＩ公司开发的图形化编程开发平台，但ＬａｂＶＩＥＷ的数据采集卡价格非常昂贵，本设计采用在系统编程技术来实现对数据的采集，利用Ｌａｂｖｉｅｗ开发平台，实现在微机上实时显示采集数据，并具有数据存储和回显的功能，可对采集的信号进行分析比较。由于采用在系统编程技术，只需一片ＰＬＤ器件配以必需的接口电路，使得这个数据采集系统具有体积小，成本低，操作方便等特点。
【关键词】：数据采集，虚拟仪器，串行通信，在系统编程，可编程逻辑器件
０．引言
数据采集器作为测控系统的重要组成部分，是现代工业中常见的设备。在传统的设计中，对信号的处理主要是通过硬件来实现，这使得数据采集卡体积较大、电路复杂，而且无法对采集的数据进行管理。现在的数据采集系统正朝着体积小、速度快、网络化等方向发展，利用计算机构成的数据采集系统，突出的优点是借助计算机的强大功能，将数据处理、分析、显示、存储和其它管理功能融为一体，改变了传统仪器功能单一的缺点。如今它已广泛的应用于军工、通信测试、航空航天、工业控制等领域。本设计的预定目标为：扫描频率大于１ＫＨＺ，测量电压范围０－５Ｖ，测量精度小于０．５Ｖ，能满足教学要求。
１．系统组成简介
残运会西安2021时间本系统是应用了虚拟仪器和在系统编程两项技术，并结合微机通讯技术设计的一个数据采集系统。它主要由三部分组成：数据采集卡、ＰＣ机、系统软件，其中数据采集卡由Ａ／Ｄ转换器和微控制器组成用以实现信号的控制与获取，ＰＣ机完成对信号的处理，系统软件实现了仪器的软件界面和信号的还原、回显。
微控制器是数字系统的核心。在本系统中主要实现Ａ／Ｄ采样控制器和串行通信发送器的设计，可具体细分为四个模块：１．系统时钟产生模块
２．Ａ／Ｄ转换控制和转换数据读取模块
３．数据缓冲模块
４．数据通信模块
人机界面使用Ｌａｂｖｉｅｗ开发平台设计。利用波表控键将下位机传来的实时数据还原成波形，在主窗口显示，Ｙ轴分度值由系统自动跟踪（满屏输出），Ｘ轴分度值可用户直接输入。对屏显波形还可进行存储，在需要时还可调出显示在附窗口（分析窗口）。此外，在仪器面板上还可随时改变串口通信参数，如设置通讯端口和波特率。
２．系统硬件设计
１．Ａ／Ｄ采集：对Ａ／Ｄ采集芯片的选取要考虑的主要参数有：Ａ／Ｄ转换位数和Ａ／Ｄ转换时间。在设计中我们选用Ｍａｘｉｍ公司的ＭＡＸ１５４作为数据采样芯片，该芯片是一块八位的Ａ／Ｄ转换芯片，它的分辨率为０．０２Ｖ（５÷１／２８），转换速率为４００ＫＨｚ，该芯片也无需配置采样／保持电路、提供参考电压和外部时钟，使得电路简单与微控制器接口容易。
２．微控制器：在微控制器的设计中应用在系统编程技术和至顶向下的设计方法，采用硬件描述语言（ＶｅｒｉｌｏｇＨＤＬ）和原理图混合输入的编程方式，要实现的四个模块分别是：系统时钟产生模块、Ａ／Ｄ转换控制和转换数据读取模块、数据缓冲模块、数据通信模块。
新教师代表发言稿系统时钟产生模块：系统中需要多种不同频率的时钟，该模块用于产生系统所需的各种时钟频率，它主要是由几个分频器组成，设计中为保证系统可靠性，要求时钟占空比为１：１。以下单列出１２分频器的时序仿真图１，其它分频器由于原理一致，在这里不再给出。图中ｃｌｋ为输入时钟信号、ｃｌｋ１２为输出时钟信号、ｃｌｋｄｉｖ为内部计数器。
图１十二分频仿真时序
广东省高考分数查询Ａ／Ｄ转换控制和转换数据读取模块：该模块需完成对Ａ／Ｄ采集的控制，此外在该模块中还应产生后级模块（通信发送模块）的使能信号。时序仿真图如图２，其中ｉｎｔ为Ａ／Ｄ转换结束信号，ｃｌｋ为输入时钟，ｒｄ为启动Ａ／Ｄ转换信号，ｅｎｏｕｔ为通信发送模块使能信号
图２功能控制模块时序仿真图
数据缓冲模块：为保证通讯发送模块在发送数据时前级输入的数据稳定，特设计该模块，由于缓冲器很占用ＰＬＤ器件的资源，本设计只有一级缓冲。时序仿真图如图３，其中ＥＮＩＮ为使能信号ＣＬＫ为输入时钟ＥＮＯＵＴ为使能窄脉宽延拓信号ＤＩＮ［７．．０］为８位输入信号ＤＯＵＴ［７．．０］为８位锁存输出信号。
图３数据锁存模块时序仿真图电脑主板跳线
通信发送模块：该模块是为了实现数据传输，在本设计中为了节省硬件资源，采用可编程芯片通过软件编制的方法来实现ＵＡＲＴ的功能。
以上的底层功能模块设计用语言完成，而顶层的系统设计则多采用原理图的方法，具体步骤为：先将底层的各模块打包形成具体器件，添加到ＭａｘｐｌｕｓＩＩ的元件库中，再根据各逻辑关系，在上一层中用原理图输入的方法，连接各器件生成顶层原理图，最后进行综合。完成综合后系统生成用于下载的熔丝网表文件，对于可编程器件，目前主要有ＦＰＧＡ和ＣＰＬＤ两种，其中ＦＰＧＡ必须外加ＲＯＭ。由于外扩ＲＯＭ使电路复杂，增加了系统调试的故障源，所以在实际中我们选用ＣＰＬＤ完成设计。
３．串行通讯接口：在与微机通讯上可选的接口方式有ＵＳＢ、ＰＣＩ、ＲＳ－２３２等，本设计采用ＲＳ－２３２实现与微机的通讯。异步串行通讯的波特率设置为１１５．２ＫＢ／ｓ，实际制作时用１１．０５９２ＭＨｚ晶振作为基准时钟，在可编程器件中进行９６分频，将得到的１１５．２ＫＨｚ作为异步串行通讯发送的时钟。再将１１５．２ＫＨｚ的时钟经１２分频得到９６００Ｈｚ，该时钟既控制Ａ／Ｄ采集，也用于产生
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中交叉管线能够在三维方式下从不同视角确认管线之间的三维空间关系，如图４所示。
⑸数据上报。本系统提供的数据上报功能主要实现向有关提供了两种方式，一种方式是上报本次数据测量数据库，一种方式采用网络上传本次数据测量数据库。４．结束语
本系统提出了一套能够提高城市地下管线测量数据采集效率，同时提出一些辅助方法有助于提高数据采集过程中及提交前进行相关有效性检查，提高数据的准确性和完整性。此外，可
增加已有城市地下管线数字信息接入，进一步提高二维、
三维空间关系目测检测的准确性。上述设计成果已经应用到湖南省岳阳市的管线建设系统，并取得预期效果。本文仅给出了结合实际项目的系统设计，而在实际应用设计过程中可结合具体应用进行适当的取舍与扩展。
参考文献：
１．潘正风．城市地图数字化和地理信息系统．测绘通报，１９９９，５．
２．曹瑜，胡光道．地理信息系统在国内外应用现状．计算计与现代化，１９９９，３．
（ａ）透过地面透明俯视图（ｂ）地下俯视图
（ｃ）地下仰视图
图４三维／虚拟现实管线图显示
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（上接第１３３页）
ＵＡＲＴ的触发信号，所以Ａ／Ｄ采集频率为９６００次／秒，每秒向计算机传送９６００帧数据。３．虚拟仪器软面板
ＬａｂＶＩＥＷ是实验室虚拟仪器工程工作平台（ＬａｂｏｒａｔｏｒｙＶｉｒ－ｔｕａｌＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＷｏｒｋｂｅｎｃｈ）的简称，ＬａｂＶＩＥＷ使用图形化编程语言编程。一个ＬａｂＶＩＥＷ程序包括三个主要部分：前面板、框图程序、图标／接线端口。前面板是ＬａｂＶＩＥＷ程序的
交互式图形化用户界面，用于设置用户输入和显示程序输出，目的是仿真真实仪器的前面板；框图程序则是利用图形语言对前面板上的控制量和指示量进行控制；图标／接线端口用于把Ｌａｂ－ＶＩＥＷ程序定义成一个子程序，以便在其它程序中加以调用，这使ＬａｂＶＩＥＷ得以实现层次化，模块化编程。
在本系统中要求对采集的数据进行波形的还原，为了有利于系统的扩展以及发挥计算机的强大优势，还应进行数据的存储，及在需要时调用存储的数据。本设计中的前面板如图４，与之对应的框图程序如图５。
操作界面说明：前面板采用双窗显示，左边的显示窗口用于显示实时的数据，是动态显示波形；右边的显示窗口用于显示记录的数据，是静态显示波形。当按下存储数据时，系统会将左窗口的当前波形数据以＊．ｔｘｔ的文件格式存入系统中（默认文件名ｄａｔａ．ｔｘｔ）；当按下显示显示数据时，可将＊．ｔｘｔ文件中的数据显示于右窗口。面板的左上角还显示了ＲＳ－２３２通讯的状态，包括通信的端口、端口收到的数据（字符串）以及波特率。
框图程序说明：前面板中的各组件，在框图程序中均有对应的接点，实际的数据处理是在框图程序中完成的。在这个框图程序中采用了两种结构：１、循环结构：整个程序落在一个循环框体中（相当于Ｃ语言中的ｄｏ…ｗｈｉｌｅ结构），当开始信号（即满足循环条件）产生时，系统就能连续运行，直到停止信号（即不满足循环的条件）产生。２、
选择结构：在波形数据的存储和调用时（对＊．ｔｘｔ文件操作），采用了选择结构（相当于Ｃ语言中的ｉｆ结构），通过前面板上的按键来切换Ｔ／Ｆ状态。
在串行通讯部分，首先要对串口设备进行驱动，在Ｌａｂ－ＶＩＥＷ中有专门对串口仪器的驱动子程
序，在设计中要对该接点进行参数的设置，如：波特率、端口标识、数据位数等。Ｌａｂ－ＶＩＥＷ中对串口读写操作是通过调用（ＳｅｒｉａｌＰｏｒｔＲｅａｄ．ｖｉ）和（ＳｅｒｉａｌＰｏｒｔＷｒｉｔｅ．ｖｉ）两个子程序来实现的，但这两个子程序读写的数据都是字符串，在设计中还必须进行转换以得到数据值，在这个设计中运用的是（ＴｏＵｎｓｉｇｎｅｄＢｙｔｅＩｎｔｅｇｅｒ）接点来实现，该接点可将字符串转换成数据值。４．结论
该系统通过联机调试能对频率为４ＫＨｚ以下、幅度为０－５Ｖ
的信号进行采样，能较好的还原频率低于３００Ｈｚ的正弦信号，完
全实现了设计所要求的功能。由于采用了在系统编程和虚拟仪器两项技术，使得该系统具有较好的稳定性和数据处理能力，通常根据被测对象的不同设计相应的前置电路，如电平转换电路、放大器、传感器等，就可以应用于现代工业的控制设备中。
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由于和微机的通讯采用ＲＳ－２３２接口方式，使得整个系统的工作频率不高，因而导致了信号的采集频率低。为了提高信号的采集频率，可在系统中增加双口ＲＡＭ，使得信号采样不受到与微机通讯时波特率的限制，还可以采用其它的通讯方式，如ＵＳＢ和ＰＣＩ。
图４数据采集系统前面板（操作界面）
图５数据采集系统框图程序
参考文献：
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３．张明．ＶｅｒｉｌｏｇＨＤＬ实用教程［Ｍ］．电子科技大学出版社．１９９９
４．李朝青．ＰＣ机及单片机数据通信技术［Ｍ］．北京航空航天大学出版社．２０００
５．潘松．ＶＨＤＬ实用教程［Ｍ］．电子科技大学出版社．２０００
６．张亮．数字电路设计与ＶｅｒｉｌｏｇＨＤＬ［Ｍ］．人民邮电出版社．２０００７．李昌喜．微机化仪器仪表设计［Ｍ］．华中理工大学出版社．１９９９
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