河北工业大学本科毕业设计（论文）中期报告
毕业设计（论文）题目：基于LabVIEW控制的多路传感信号采集系统
专业：电气工程与自动化专业
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一．数据采集相关介绍
数据采集就是将电压、电流、温度、压力等物理信号转换成数字量，并传递到目标系统中的过程。LabVIEW提供了与NI公司各种数据采集硬件配合的接口可以方便的将各种物理数据采集到计算机中进行相应的计算和处理，得出所需要的数据。数据采集系统性能的好坏，主要取决于其精度与速度。
1. 输入信号的类型
数据采集应用领域，常将北侧信号分为数字信号和模拟信号（也称连续时间信号）。数字（二进制）信号分为开关信号或脉冲信号。模拟信号可以分为直流、时域、频域信号，如图1所示。
图1 信号的种类
2. 输入信号的连接方式
接入数据采集设备的信号根据参考点的不同可以分为接地信号和浮动信号两种类型。接
地信号：以系统地（如建筑物的地）为参考点的信号，也称参考信号。因为接地信号用的是系统地，所以与数据采集设备是共地的。浮动信号：不与任何地（如大地或建筑物）连接的电压信号。浮动信号的每个端口都与系统地独立。
3.测量系统的分类及选择
测量系统可分为三类：差分测量系统（DEF）、参考地单端测量系统（RSE）、无参考地单端测量系统（NRSE）。
两种信号源和三种测量系统一共可以组成如图2所示的六种连接方式，其中√为建议使用的方式。但是在具体情况中，我们要视情况而定，一般来说单端输入以一个共同点为参考点，这种方式适用于输入信号为高电平（大于1V）且信号源与采集端之间的距离较短（通常小于5m）的应用场合。如果不能满足上述条件，则需要使用差分输入。在差分输入方式下，每个输入可以有不同的参考点，并且有效地消除了共模噪声的影响，所以差分输入方式的采集精度较高。
图2 测量系统连接方式
根据设计所需要的设计目标，以及所涉及的多通道数据采集的一些技术因素数据采集结构图如图3所示：
图3 数据采集结构图
数据采集之前程序对对采集卡板初始化,板卡上和内存中的缓冲(buffer)是数据采集存储的中间环节。有两个问题需要注意：
其一是是否使用缓冲（buffer）
需要使用buffer I/O的情况有三种：
①需要采集或产生许多样本，其速率超过实际的显示、存储到硬件或实时分析速度。
②需要连续采集或产生AC数据（>10样本/S）并同时分析或显示某些数据。
③采样周期必须准确均匀的通过样本数据。
不适用buffer I/O的情况分为两种：
①数据组短小。
④需要缩减存储器的开支。
其二是是否使用外触发启动、停止或者同步一个操作
触发可分为软件触发和硬件触发两种。软件触发即直接使用软件（如布尔面板）控制达到启动/停止数据采集。硬件触发即通过板卡上的电路管理触发器，控制采集事件的时间分配有很高的的精确度。硬件触发又可以进一步分为内部触发和外部触发。内部触发指当某一模拟输入通道发生一个指定电压的电平时让卡输出一个数字脉冲。外部触发指采集卡等待一个外部仪器发出的数字脉冲到来后再初始化采集卡。选择触发方式的情况分以下两点：
①用户需要对所有采集操作有明确的控制，并且事件定时不需要非常准确的情况下
可以使用软件触发。
②采集时间定时需要十分准确，用户需要削减软件开支，采集事件需要与外部装置
同步时使用硬件触发。
4.信号调理
从传感器得到的信号需要经过处理才能进入数据采集设备，信号调理功能包括放大、隔离、滤波、激励、线性化等。由于不同传感器有不同的特征，除了以上通用功能外还需要根据具体传感器特征和要求设计特殊信号调理功能[2 3]。
二．数据采集卡的选择
1.数据采集卡的选择指标
⑴采样频率
采样频率的高低，决定了在一定时间内获取原始信号信息的多少，为了能够较好的再现原始信号，不产生波形失真，采样频率必须足够高。根据奈奎斯特理论采样频率至少是原信号的两倍，而实际中一般至少需要5-10倍。
⑵采样方式
采集卡通常用多个数据通道，如所有数据通道都轮流使用一个放大器和A/D转换器，币
每个通道单独使用更经济，这种方式仅适用于对时间不是很重要的场合
⑶分辨率
ADC位数越多，分辨率则越高，进而可区分电压越小。
⑷电压动态范围
电压范围指ADC能够扫描到的最高和最低电压，一般最好能够使进入采集卡的电压范围刚好与其符合，以便于利用其可靠地分辨率范围。
⑸ I/O通道数
该参数表明了数据采集卡所能够采集的最多的信号路数[3 4]。
三．系统软件设计相关技术
1.程序设计模块化原则
模块化结构是所有设计良好软件系统的基本特点，任何一个大的程序系统，总是有若干功能相对独立的模块组成。好的软件结构应体现自顶向下的控制方式，模块之间的控制表现为统帅和从属的关系[5]。
信息抽象与信息隐含式模块的基本特征。模块实际上反映了数据与过程的抽象。在模块化问题求解时，在最高抽象级可以采用面向问题的环境语言的抽象术语进行描述；而在较低抽象级，则可采用过程性术语。模块化的概念加上逐步求精的办法，就把面向问题的术语和面向现实的术语两者结合起来。
模块独立性有两个定性的标准度量：即内聚和耦合，如图4.1所示。块间联系是指模块之间的联系，块间联系越小，模块独立性越高。块内联系是指模块内部各部分之间的联系，一个模块的块内联系大，模块独立性提高。好的模块结构，块间联系应尽可能小，块内联系应尽可能大。
图4 模块化结构
2 软件系统模块化设计原则
（1）自顶向下逐步求精的设计方法
软件设计往往在开始时不了解问题的全部细节，只能对问题做出全局性的决策，即设计表征解决问题一般策略的抽象算法。对抽象算法做进一步求精，进入下一层抽象。再求精过程的每一步，抽象概念都会被精细化。
（2）根据逻辑功能划分物理模块
①模块的分解：消除重复的功能部分，使得模块的块内联系较高，块间联系较低。
②模模块的合并。
③模块的复制。
（3）模块的作用范围应处在模块的控制范围之内
模块的作用范围是指模块内判定影响的范围。只要某模块中含有依赖于某种判定操作，则该模块就处于判定的作用范围之内。
（4）依据逻辑功能确定模块之间的调用关系
模块之间的调用与被调用，决定于模块各自的逻辑功能，因而对模块的扇入扇出并无加以限制的必要。
（5）模块接口应保持简明
降低模块接口的复杂性，是模块设计中必须考虑的问题。保持模块接口的简明，一方面必须减少模块间的信息传递量，更重要的是使所传递的必要信息具有明确的逻辑含义。（6）模块保持单入口性质
单入口模块，易于理解，同时降低错误的发生率。模块的出口可以有多个，但是均有明确的逻辑含义。
（7）模块结构增加中间判断层次，提高可扩充性
四. 具体多通道数据采集系统的设计
1．通过LabVIEW开发基于NI-DAQ卡数据采集系统一般步骤
⑴根据应用场合，选择合适的DAQ设备。主要依据有：通道数、采样频率、分辨率、触发方式等。
⑵了解驱动VI的功能。根据应用的目的选择适合自己应用程序的VI。
⑶在LabVIEW中编制数据采集控制程序。
2．驱动程序功能
（1）DAQmx Creat Virtual Channel子VI
用来创建A/D 转换的虚拟通道。在NI-DAQmx 中，它被整合到每一次具体的测量中，可以使用DAQ Assistant 来配置虚拟通道。用户可以在MAX（Measurement & Automation Explorer）或自己应用软件中打开DAQ Assistant，也可以在应用程序中使用NI-DAQmx的应用程序接口（API）来配置虚拟通道。
（2）DAQmx Timing 子VI
设置数据采集任务的时钟。常用参数有：rate 端口指定每个通道的采样速率；samples per channel设置每个通道获取的采样点数，NI-DAQmx以此决定系统的buffer size。如果不设置，NI-DAQmx会自动设置。
（3）DAQmx Start Task 子VI
开始一个数据采集任务。
（4）DAQmx Read子VI
读取采样数据，这里一个重要参数是number of samples per channel 用来设置每次读取缓冲区数据的个数，一般推荐设为采样速率的1/10，可以根据实际运行情况自己设定。（5）DAQmx Stop Task 子VI
停止数据采集任务。
（6）DAQmx Clear Task 子VI
释放DAQ设备上的硬件资源，以便其他任务使用[6]。
系统数据采集前面板如图5所示
图5 数据采集前面板
参考文献：
[1]陈树学，刘萱.LabVIEW宝典[M],电子工业出版社，2011.
[2]余成波，胡新宇.传感器与自动检测技术[M],北京：高等教育出版社，200.58-65.
[3]孙春龙.基于LabVIEW多通道数据采集分析系统开发[M].北京：电子工业出版社，2003.7.
[4]王海宝.LabVIEW虚拟仪器程序设计与应用[M].西南交通大学出版社，2005.4.
[5]（美）利夫菲克（B.W.）著.软件开发者必读，潘正伯等译[M],北京：科学出版社.1990.
[6]李达,魏学哲,孙泽昌. LabVIEW数据采集系统的设计与实现[J]. 中国仪器仪表，2007，
No.18201:49-52