基于LabVIEW的数据采集系统在高职实验中的设计与实现

摘 要：文章分析了大专院校的教学中的电子专业教学实践特点，从实用性、灵活性、可扩展性等方面考虑，设计了基于LabVIEW的数据采集系统教学仪器，并介绍了该教学仪器的设计思路及使用特点。

关键词：LabVIEW；教学仪器；数据采集

中图分类号：TP302 文献标识码：A 文章编号：1674-7712 （2013） 20-0000-02

一、引言

数据采集系统在许多行业中得到了很好的应用，随着计算机和总线技术的发展，越来越多地采用基于PC的数据采集（Data Acquisition，DAQ）系统来完成实验室研究和工业控制中的测试及测量任务。现代大专院校内开设的电子信息、自动控制等等专业的课程中，都不可避免地会涉及数据采集系统的内容。

二、问题的提出

观察高校，特别是在高职院校的教学中，往往使用昂贵的试验箱配合专用软件来进行该项目的教学。根据很多相关专业的高校教师的反映，在高校教学过程中，这种形式的系统无法兼容多种接口，它的功能无法定制这个缺点已经制约了教学效果。尤其是在信号分析与处理这一个知识点的教学上，教师无法利用现有设备直观地将数学函数和波形的联系展示给学生。若是能够设计一种具有相当的智能化程度、性能价格比优良、可操作性强，功能可以自由定制的采集软件，配合基于单片机的通用数据采集器完成数据采集的功能，这将为高校电信类专业的教学及实验提供一种新的思路和方法。

三、虚拟仪器的引入

虚拟仪器这个概念由美国国家仪器公司（National Instrument，NI）于1986年首次提出。所谓虚拟仪器，是指在以通用计算机为核心的硬件平台上，可由用户设计定义，具有虚拟面板，其仪器的大部分测试功能由测试软件实现的一种计算机仪器系统。仪器的面板由显示在计算机上的软面板来代替，信号的获取和信号的分析、处理、存储及打印等功能完全由软件来实现。其实质是利用计算机显示器的显示功能来模拟传统仪器的控制面板，以多种形式表达输出检测结果；利用计算机的软件功能实现信号数据的运算、分析和处理；利用I/O接口通信设备完成信号的采集与传输。

美国国家仪器公司（NATIONALINSTRUMENTS，NI）的LabVIEW是目前最为流行的虚拟仪器的开发环境。它是一种基于图形编程语言（G语言）的开发环境，在测试测量、数据采集、仪器控制、数字信号分析、工厂自动化过程控制、实验室研究与自动化等领域得到了广泛的应用。在LabVIEW环境下，结合单片机技术开发数据采集系统，这种基于LabVIEW的数据采集系统教学仪器，可以将教学与科研很好地结合起来，也能够形象地为学生展示理论与实际的联系，为高校教学提供了另一种思路。

四、基于LabVIEW的数据采集仪器的设计

（一）总体设计要求

设计开发这样一种数据采集系统教学仪器，它包括、等基本功能。要求仪器能对四路输入信号进行采集，将结果送入PC机进行显示，并能够将结果保存下来、能够对采集到的信号进行离线分析。离线分析功能包括对信号的变换、滤波、频谱分析等等处理。基于LabVIEW的数据采集系统教学仪器的总体设计要求可以概括为以下几个方面：（1）虚拟仪器的开发技术。虚拟仪器利用软件驱动PC机通信端口与采集仪器相连接，充分利用了计算机强大的数据处理能力来支撑测量数据的分析和显示。虚拟仪器的开发最常用的是利用Windows平台下的VC++进行开发，然而该方法存在的最大问题是开发周期过长。利用虚拟仪器图形化编程开发平台LabVIEW进行软件开发具有周期短、使用简单、扩展性好的特点。（2）数据采集器的研发技术。仪器以信号调理模块与数据采集传输模块各自独立，单片机为核心控制器的方式来搭建。这种结构可以实现不同用户和不同场合对不同信号进行采集，同时保留了一定的冗余度方便进行二次开发。（3）教学仪器的研制技术。本文开发的教学仪器用于大专院校的教学、实验中，它有着其特殊性：用于教学时，该仪器在硬件反面应该能被拆分为各个功能模块电路，方便教师讲解；软件方面应能直观地控制数据流，并能以图像的方式将课本上的公式形象地表达出来，方便学生掌握。而基于LabVIEW的数据采集系统教学仪器利用LabVIEW的G语言来开发，配合单片机开发数据采集器硬件，能够满足以上的要求。

（二）设计方案

基于LabVIEW的数据采集系统教学仪器从实用性、灵活性、可扩展性等方面考虑，采用了模块独立中心控制采集的方式来搭建平台。即以上位机软件为核心控制数据的采集、显示、保存及离线分析；下位机各个功能模块之间各自独立，信号调理模块与数据采集器模块各自独立的方式来设计。这种结构可以方便教师针对不同场合下对多种信号进行数据采集。

仪器总体上分两大部分：（1）上位机数据采集软件；（2）下位机多通道通用数据采集器。其中上位机数据采集软件又包括实时采集软件和离线分析软件；下位机多通道通用数据采集器又包括信号调理模块、数据采集和传输模块两部分。本文将就这两个部分分别进行设计。仪器的总体框图如图1所示。

下面对图中教学仪器的功能模块作简要的说明：（1）LabVIEW数据采集软件：该软件可以完成实时采集、显示的功能。它包括通信模块、数据处理模块、显示模块与控制模块。通信模块负责串口通信，与下位机交换数据；数据处理模块负责将下位机发送的数据进行识别与还原，再将数据送入显示模块；显示模块负责将数据以波形表的方式显示出来；控制模块负责对下位机的工作方式进行控制，也可控制程序将一段时间内的数据保存为Excel表格文件。（2）LabVIEW离线分析软件：该软件可以实现对采集到的信号进行离线分析的功能。它包括对信号进行变换、滤波、频谱分析等操作。（3）信号调理模块：包括传感器电路与抗混叠滤波器电路。用铠装温度传感器热电阻作为例子，设计了一路温度数据采集，并以电压量的采集作为例子，设计三路通用数据采集通道，它们可以用于扩展，只需要外接不同的传感器便可实现不同物理量的数据采集。加入抗混叠滤波器的作用是为了防止高频噪声进入而导致混叠失真，采用通用运算放大器进行设计。（4）采集和传输模块：包括单片机电路与串口通信电路。单片机采用MICROCHIP公司的PIC24H系列高性能16位单片机：PIC24HJ64GP506，它集成一个模数转换器模块，该模块配置在10bit精度时，支持4路同时采样。在单片机与PC机进行串口通信时，必须设计一个电平转换电路。

总结以上所述设计思想，基于LabVIEW的数据采集系统教学仪器主要有以下一些特点：（1）单片机使用MICROCHIP公司的PIC24H系列高性能16位单片机：PIC24HJ64GP506，它集成一个模数转换器（Analog-to-DigitalConverter，A/D）模块，该模块配置在10bit精度时，支持4路同时采样，转换速度高达1.1Msps，该模块配置在12bit精度时，支持单路采样，转换速度高达500ksps。板上集成四路数据采集通道，第一路通道通过热敏电阻采集温度值作为设计范例，其余三路通道采集电压值，保留了一定的冗余度，方便进行二次开发，有很好的扩展性，并预留设计范例，方便教师讲解。（2）每通道频率响应为 ，采样率为 ，采样精度10bit（4路同时采样）或12bit（单通道采样）。串口波特率为每秒115200bits，能够满足高职院校平时的教学应用。（3）信号调理模块主要设计包括传感器与抗混叠滤波器的电路设计，滤波器的设计中主要使用TI公司生产的通用运算放大器芯片OPA2335，它是一款超低温漂，单电源供电的CMOS工艺通用运放芯片，它的超低漂移值与超低偏置电压值使得其可以广泛应用于数据采集仪器或手持设备领域。（4）软件设计包括数据采集软件和离线分析软件。本文将采用LabVIEW8.5作为开发平台，通过串口接收数据并对下位机发送来的数据进行保存、滤波、采集，并实时地将结果显示在计算机的软面板上，上位机还要能够对下位机的采集进行控制；离线分析软件的功能可以实现对信号的变换、滤波、频谱分析等等处理。（5）通过具有可视化编程特点的LabVIEW，教师能够很好地将公式与实际波形联系起来进行讲解；最后，采集到的数据可以保存在计算机上，统计后的数据可以Office电子表格或文本文件的格式保存，并可采用Windows Office的Excel软件或Windows自带的记事本程序打开。

五、结论

LabVIEW在一般信号处理时基本上不需要C语言程序的编程，在教学中，教师可以通过LabVIEW的界面把数学函数和波形联系起来，教学过程直观易懂。因此用LabVIEW设计的数据采集系统成本低廉，可扩展性强，功能丰富，可以在高职院校电子实验中推广应用。

参考文献：

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