基于LabWindows/CVI的数据采集系统设计

摘 要 虚拟仪器系统是目前工业测试技术中新兴的系统，本文设计并实现了一种功能强大的数据采集及处理系统，利用C语言进行编程，借助LabWindows 进行界面设计，实现了三路数据的高速采集，各通道数据及波形显示、数据存储及打印的功能。

关键词 虚拟仪器；数据采集；数据存储；LabWindows

中图分类号TP392 文献标识码A 文章编号 1674-6708（2014）108-0211-02

虚拟仪器（Virtual Instrument，简称VI）是现代计算机技术和仪器技术深层次结合的产物，是当今计算机辅助测试（CAT）领域的一项重要技术。它解决了传统仪器设备面临的许多难题，改善了传统仪器设备配套固定、应用狭窄、功能单一的缺点，虚拟仪器系统可以灵活地应用于各种测量控制环境，而且实现了功能用途多元化，可以从软件方面改善许多传统仪器设备无法实现的功能[2]。本文应用虚拟仪器开发平台LabWindows开发了一种数据采集系统，本系统不仅具有一定的实用价值，也有很大的功能扩展性，只需知道采集板卡的基本参数，用户就可以自行设计程序，实现其他功能。

1系统总体方案选择

综观目前国内外虚拟仪器开发的现状，虚拟仪器总体结构有以下两种形式：

1）系统集成式虚拟仪器系统：将测试仪器仪表设计成为PC机的I/O插卡，直接插入计算机的I/O扩展槽中，这样可将不同仪器仪表集成在一个系统内，从而大大降低成本。所有的这些仪器插卡均在符合统一标准的软件支持下供用户操作，共享计算机资源。因此这样的系统具有成本上的优势，仪器插卡具有很强的抗干扰能力，在虚拟仪器系统设计中应用十分广泛；

2）基于总线技术式虚拟仪器系统：此类虚拟仪器则是做成具有总线结构的测试仪器的主机板，在总线底板插槽上插入模拟量输入/输出、数字量输入/输出、频率或脉冲量输入/输出等功能插件，可组成具有不同规模和功能的测试系统，测控机箱与计算机通过互连总线相连，各测试设备与计算机网络通过现场总线相连，从而构成一个自动测控系统。这类虚拟仪器由于采用标准的总线结构，系统比较灵活方便，可以连接多种设备，而且其测控机箱独立，可以减少干扰，具有较高的精度。但系统成本较高并且在跨总线连接设备时会增加软件开发的工作量。

综合比较上述两种方案的优缺点，考虑到设计要求和成本等因素，本次虚拟仪器系统的设计采用plug-in DAQ的硬件平台，即以标准的PC机为基本框架平台，通过插入数据采集卡获得具有信号的输入/输出功能的硬件平台，利用不同的软件模块实现不同的功能。本方案的优点是成本较低，软件决定系统的功能，真正体现了虚拟仪器的灵活性和成本较低的优势。

2系统硬件设计

数据采集及处理系统的总体结构如图1所示，硬件平台选用PC机为总体框架，数据采集卡为UN105N型A/D多功能数据采集卡，虚拟仪器系统运行环境为WINDOWS XP，开发语言选择为LabWindows。

图1 数据采集系统结构框图

3系统软件设计

数据采集系统程序主要是利用C语言进行编程，借助Labwindows进行界面设计，实现了三路数据的高速采集，各通道数据和波形显示，数据存储及打印的功能。系统软件程序采用模块化设计思想，主要由四个部分组成，分别是采集函数、显示函数、储存函数以及打印函数。

数据采集系统设计中，硬件选用的是优采公司UA105N型多功能数据采集卡，由于该卡未带WINDOWS下驱动，没有Win32接口函数供调用。故在编程时需要自己编写采集代码。数据采集系统的采集控制有多种方法，分别说明如下：

1）软件触发，软件通道选择：这种方法是由程序指令触发A/D转换板进行数据采集，由程序指令任意选择A/D转换板采样通道，是一种比较灵活的采集控制方法；

2）定时触发，软件通道选择：这种方法是采用定时器定时触发采集，即是通过对板上定时器8253通道0的控制编程，使之发出等间隔的脉冲触发A/D转换板采集，可以在单通道采集时获得准确的采样频率。但由于软件转换通道不能实现最佳时序，所以在多通道采集时不能达到采集要求；

3）手动触发，自动通道扫描：可实现最高频率下通道顺序递增快速循环采集，也可设置不连续的通道。

根据设计的要求，本程序采用了定时触发，自动通道扫描的方式进行数据采集，为便于数据处理，通道设置为自动顺序递增。

对采集到的数据进行数据处理，最有效的方法是将其绘制成波形图，从波形中直观的看出数据变化规律，是否有明显的干扰，是何种信号，还可以直观的判断出采集过程是否有误。但这种方法显示的波形图不够精确，因此，本程序设计中考虑到上述因素，选择了在显示波形的同时，也显示采集到的数据。

虚拟仪器在测量领域的一大优势就是可以很方便的利用计算机方便且廉价的存储能力，将大量数据以及波形存储在磁盘中，不仅可以很方便的查找，还可以很方便的还原数据与波形，应用于其他处理。本采集程序中数据的存储十分简单易行，可以任意选择通道进行数据与波形的保存，数据存储格式采用ASCII的存储格式，可根据需要输入相应的文件名，并可以自由选择存储路径。

4仪器前面板设计

图2 数据采集系统操作界面

数据采集系统操作界面如图2所示，设计总体上包括两个部分，参数设置部分及图形数据显示部分。参数设置部分包括起始通道号、各通道采集频率、各通道采集点数及需要绘图的通道设置。在设置好三个基本参量后，用户可点击【采集】按钮开始采集。此时系统将在后台进行操作，完成对各参量的初始化，以及数据的采集工作。在采集完成以前【绘图】、【保存】、【打印】为隐藏按钮，点击也不起作用，当采集完成以后，弹出【采集完成】的提示对话并激活这三个按钮。需要观察波形和数据时，先在参数设置中选择需要绘图的通道，然后点击【绘图】按钮，便可在右边的图表中绘制波形图，并且在文本框中显示采集的数据，不同通道的波形可用不同的颜色绘制。波形中，横坐标表示采集到的点的顺序，纵坐标表示相应点对应的电压值，考虑到一般需要，绘图和数据显示时均显示全部采集到的数据。图3为某此数据采集后得到的波形图，图4为某次数据采集后得到的采集数据。

图3 某次数据采集后得到的波形图

图4 某次数据采集后得到的采集数据

5结论

本文设计的数据采集系统实现了多通道数据采集、显示、存储及打印的功能，并生成执行文件，使得用户不需在PC机上安装LabWindows/CVI软件，只需安装并运行执行文件即可进行数据的采集。实际应用表明，该数据采集系统具有成本低、功能强、操作简单、使用方便等特点，同时虚拟仪器“软件决定系统功能”的思想也使得本系统具有很高的灵活性和可扩展性，用户可在本系统的基础上通过改变或增加软件程序，改变或者扩展系统的功能，可增加示波器、数据处理及滤波、标定等功能。

参考文献

[1]张毅刚，乔力岩.LabWindows/CVI 6.0编程指南[M].北京：机械工业出版社，2002，8.

[2]王建新，隋美丽.LabWindows/CVI虚拟仪器测试技术及工程应用[M].北京：化学工业出版社，2011，9.