1、- i -本科毕业论文（20 届）基于 labview 的数据采集系统设计所在学院专业班级 电子信息科学与技术学生姓名指导教师完成日期- ii -基于 labview 的数据采集系统设计目 录第 1 章 绪论 .2第 1.1 节 论文研究背景 .2第 1.2 节 本文的主要工作和论文结构 .3第 2 章 数据采集系统的硬件组成 .5第 2.1 节 数据采集过程 .5第 2.2 节 数据采集系统的组成 .6第 2.3 节 数据采集系统的设计与实现 .14第 3 章 数据采集系统的软件设计 .31第 3.1 节 labview 简介 .31第 3.2 节 界面设计 .32第 3.2 节 USB 与
2、 LABVIEW 之间的传输协议 .39第 4 章 数据采集系统的联试联调 .41结论 .46参考文献 .47致谢 .48附录 .49附录 1：电路图 .49附录 2：源程序 .50第 1 页基于 labview 的数据采集系统设计【摘要】：本文研究了一个用于实现高精度高速度的数据采集系统。整个系统采用AT89C52 单片机作为整体架构；以美国 Maxim 公司生产的 MAX197 芯片为核心；使用CH372 USB 控制芯片为传输中心。针对采集系统的实际需求，以 LabVIEW 为工具，设计完成用户界面。界面设计以循环事件结构为整体框架；采用.EXE 技术完成用户界面的设计与采集程序的连接；
3、以波形图表为显示工具，并针对采集系统存储数据的特点，编程实现了 16 位无符号双字节整型到双精度浮点的转换，即波形图表显示的数据为实际的物理数值。整个数据采集系统进行了联试联调。使用该采集系统可以采集到 8 路 12 位数据及 1路 8 位 D/A 输出，再由用户界面调用和显示；并通过计算机的测试分析。结果验证了整个数据采集系统的可行性和实用性。【关键字】：数据采集；LabVIEW；用户界面；数据显示Abstract：This paper studies a data acquisition system used to realize high speed high accuracy. Th
4、e system uses AT89C52 microcontroller as the overall framework based on MAX197 chip American; produced by Maxim company as the core; use CH372 USB control chip transmission center.According to the actual requirement of the acquisition system, using LabVIEW as a tool, completed the design of the user
5、 interface. Interface design to cycling event structure as frame; connection uses the technology of.EXE user interface and acquisition program; to waveform charts for display tools, and according to the characteristics of data acquisition system data storage, programming 16 bit unsigned integer to t
6、he conversion of double byte double precision floating point, namely the waveform charts display data as physical the actual numerical; in addition, display, the current location of the mouse amplitude user interface also has the sample number display and other auxiliary functionsThe data acquisitio
7、n system was commissioning debugging. Using this acquisition system can collect up to 8 Road 1 road 12 bit data and 8 bit D/A output, then the user interface and display; and through computer test and analysis. The results verify the feasibility and practicability of the data acquisition system.Keyw
8、ord： Data acquisition; LabVIEW;User interface;Data display第 2 页第 1 章 绪论1.1 论文研究背景1.1.1 数据采集技术数据采集技术主要研究各类数据的采集、存储、处理等工作，与传感技术，信号处理技术，计算机技术一起构成了现代测试技术的基础。随着科学技术的发展，数据采集技术已经广泛应用于军事、科研、生产等各个领域。目前，随着电子技术以及半导体工艺技术的发展，高速数据采集技术也得到了极大的发展。采集系统的 ADC 采样精度可高达几百 MSPS 甚至 GSPS。采样精度的提高意味着在极短的时间内，采集系统就可以采集到大量的数据。只有系
9、统具备与之匹配的数据传输能力和存储能力，实验数据才可以完整的保存下来，整个数据采集系统才有实际的应用价值。计算机技术的飞速发展带动了数据传输技术的存储技术的发展。计算机总线技术从数据传输率只有 8.33MB/s 的 ISA 总线发展到 133MB/s 的 PCI 总线，再到传输速率更高的 PCI-E 总线，数据传输速率已经超过 1G/s。FPGA 和 DSP 技术的发展使得数据采集系统的缓存能力和数据处理能力有了很大的提高。1.1.2 虚拟仪器技术虚拟仪器技术是一种基于计算机技术的现代测试控制技术。计算机技术的不断发展，应用领域不断延展，使得人们生活的各个领域都与计算机技术交融在一起，并随着计
10、算机技术的发展而发展。虚拟仪器技术的特有的优点在自动化测控技术、数据采集技术和信号处理技术中得到了极大的展现。同时，虚拟仪器技术也得到了巨大的发展，并引导和推动着相关技术的发展。虚拟仪器（VI-Virtual Instruments）是基于计算机技术的软件仪器，是相对于传统仪器是实物而言的。传统仪器功能的实现是以硬件为基础存在的。不同功能的传统仪器的生产需要不同的原材料进行零件的生产、组装和调试等一系列工业生产的流程。在使用时，传统仪器有着诸多限制，如量程范围、正负极的正确接线等等，稍有不慎则会损坏仪器，造成损失；同时，在大型的测控工程中，传统仪器往往难以完成一些复杂的测试工作。此外，传统仪器
11、实现的功能越多，其操作面板也就越复杂，上面放置着各种按钮、旋钮等操作器件，容易导致操作失误。虚拟仪器提出“软件即仪器”的概念，即以软件的方式实现传统仪器的功能，虚拟仪器通过编程开发后，最终呈现在用户面前的用户界面可以很好的移植传统仪器的控制面板，与用户日常接触的仪器保持良好的一致性。如设计完成一个示波器时，该虚拟仪第 3 页器的面板就可以与传统的示波器面板基本保持相同，各个功能的控制开关或者旋钮也能保持一致，用户在使用时就不会有任何的陌生感而是直接的使用。虚拟仪器发展至今，各类常见的输入输出控件已经设计完成，如用于显示的波形图、波形图表等，用户需要时，直接调用即可。在设计新型仪器时，用户又可以
12、根据自己的需要选择设计仪器面板的样式，不像传统仪器受元器件和工艺水平的限制。在设计功能复杂的仪器时，虚拟仪器可将各类功能整理归类，在不同的面板上显示，不受空间限制。在现代工业和测控领域中，往往会遇到很多复杂的测试问题，需要搭配不同的测试工具才能完成任务，有时甚至需要开发新的测试工具或者改进原有的工具才能满足要求。相对传统仪器开发周期长，生产成本昂贵和仪器维护成本高的特点，虚拟仪器有着无可比拟的优势。虚拟仪器的核心是软件，对虚拟仪器的重新开发和改进相当于对软件程序的修改。不仅可以极大的缩短开发周期，还可以节约大量的开发成本。虚拟仪器的使用可以有效地降低系统的开发费用和维护成本，并加速技术的发展。
13、虚拟仪器技术与计算机技术息息相关，计算机强大的数据处理能力使得虚拟仪器在信号处理上具有无可替代的优势。在数据采集领域，以虚拟仪器为桥梁，将计算机和数据采集硬件连接在一起。使用计算机对采集到的数据进行分析、显示和处理，并通过计算机优越的数据传输能力和存储能力将原始数据和处理结果完整的存储下来。虚拟仪器的使用有利于实现系统的测试速度和测试精度。在一些专业的测试领域，虚拟仪器将得倒更广泛的应用。LabVIEW 是美国国家仪器公司（National Instruments,简称 NI）推出的一种革命性的编程系统，也是一款优秀的虚拟仪器软件开发平台。相比较于传统的文本编程，它采用图形化编程方式。LabV
14、IEW 即以图标代替文本，用连线决定程序运行顺序。LabVIEW 拥有着丰富的函数库，包括数据运算、程序结构、文件 I/O 和信号处理等等；还提供各种适用于测控领域的工具包，涵盖了几乎所有可能用到的功能。使用LabVIEW 可以很方便的设计出所需要的虚拟仪器，结合相应的硬件设备，就可以快速的搭建一个完整的测控系统。1.2 本文的主要工作和论文结构本文研究一种高速度高精度的数据采集系统。以美国 Maxim 公司生产的 MAX197 芯片为核心；使用 CH372 USB 控制芯片和 AT89C52 单片机。设计出具有 8 路 12 位数据采集及 1 路 8 位 D/A 输出的电路系统并进行测试分析
15、。针对采集系统的实际需求，以 LabVIEW 为工具，设计完成了用户界面。界面设计以循环事件结构为整体框架，主要完成数据采集程序的启动和数据的显示及相关的功能实现。第 4 页最后，将整个高速度高精度数据采集系统运用与所设计的的电路，以检测系统的实际应用价值。本论文分为四章，主要内容为：第 1 章，介绍课题背景；第 2 章，介绍数据采集相关理论，给出系统的框图并详细说明系统的组成方案；第 3 章，详细介绍了 LabVIEW 程序设计，结合程序框图说明了设计原理和主要实现的功能；第 4 章，为对采集系统进行联试联调；使用所设计出的上位机对所设计的下位机进行检测。 第 5 页第 2 章 数据采集系统
16、的硬件组成当今社会，以计算机为记录控制核心的控制测试系统在各个领域中发挥着越来越重要的作用。数据采集技术的出现实现了计算机与外部设备的连接。第 2.1 节 数据采集过程数据采集过程应该是对模拟信号进行采样，经过量化、编码后得到相应的离散的数字信号。过程如图 1-1 所示：模拟信号脉冲序列采样543210量化编码图 2-1 数据采集的过程在实践中，根据信号的特征和测试目的，模拟信号可以分为两类。1.在时间范围内变化较为缓慢的信号，如湖面的水位、室内的温度等。对于这一类变换过程比较缓慢的信号，其采样率不需要设置过高。2.在时间范围内变化较快的信号。对于这类信号，如果需要知道它的波形，应该把它作为一
17、个时域信号来处理，选择相对较高的采样频率。比如，在检测一个脉冲信号的001101010010 0100第 6 页时候，就要求采样周期必须小于脉冲周期。在研究脉冲信号的上升时间的时候，就应该选择更高的采样频率。如果需要知道它的频率成分，可以把它当做一个频域信号。这样，根据奈奎斯特采样定理，只要采样频率大于信号中最高频率的 2 倍，那么采样之后的信号就可以比较完整地保留了被采样的信号中的信息。也就是说相对于最高频率的信号成分，必须对每个周期采样至少两个数据点，在理论上才可以重新恢复成原始信号。在具体应用中，如果每个周期只对最高频率的成分采样两个数据点，那么样本量是不足以准确的描述信号的波形的。在实
18、际的工程中，一般选择使用最高频率成分的 410 倍进行采样。第 2.2 节 数据采集系统的组成典型的数据采集系统硬件结构为：传感器+信号调理器+数据采集设备+计算机。在上述结构中，传感器的作用在于将被测量的非电物理量如位移、速度、水位、温度等转换为模拟信号，或者将各类电参数按需要进行相应的变换，如电流转换成电压，以满足采集设备的需求。信号调理电路的作用在于对传感器输出的或可以直接采集的电信号进行处理，如放大/衰减、匹配、滤波等。数据采集设备的作用是将模拟信号转换成计算机可以识别的数字信号。图 2-2 为典型的数据采集系统的硬件结构组成。传感器 信号调理 数据采集 计算机 显示图 2-2 典型的
19、数据采集系统硬件结构2.2.1 计算机（PC）计算机在数据采集系统中有着极其重要的作用，其配置很大程度上影响着数据连续采集的速度。随着现代电子技术的不断发展，对数据采集系统的采样精度和采样频率的要求也越来越高。传统的 ISA 总线、PIC 总线一逐渐不能满足高速采集系统对数据传输率的需求。PCI Express 总线标准的出现使数据传输率得到了极大地提高。目前绝大数计算机以 PCI/PCI-E 总线和 USB 接口为标准设备。在组建数据采集系统时，需要知道设备和总线所支持的数据传输方式为满足本课题高精度高速度的数据传输要求，系统可以使用服务器主板配合多核 CPU作为系统的控制器。以华硕 DSB
20、F-DE/SAS 服务器主板为例。该主板支持双核 intel 至强处理器 5000/5100 系列、四核 intel 至强处理器 5300 系列，可按需选择。在存储方面，该主板提供了 8 条 240-pin FB-DIMM 插槽，可支持双通道 DDR2 533/667 内存模组；最高可以扩充至 32GB，此外，四通道模式使该主板理论上的内存带第 7 页宽最高可达到 21GB/s；该主板通过 SATA 控制器提供了 6 组 SATA II 接口，并以 Inter Matrix Storage 技术实现 RAID 0、1、5、10。在扩展槽方面，该主板配置 1 个 PEI-E x8 插槽；可以支持
21、磁盘阵列卡；内置的 2 条PCI-X 133/100MHz 插槽中，可支持零通道 RAID 卡。图 2-3 为华硕 DSBF-DE/SAS 服务器主板实物图。图 2-3 华硕 DSBF-DE/SAS 服务器主板高速数据采集系统的另一个限制性的因素是系统的存储能力，通过服务器主板提供的扩展插槽可以很方便的组建超大容量的磁盘阵列，多核处理器卓越的数据处理和数据传输能力为数据实时的、完整的传输和存储提供可靠地保证。2.2.2 传感器传感器的作用在于将物理量、化学和生物现象转换为数据采集系统可以识别的电信号。传感器种类繁多，针对的对象不同，其加工原理、加工原料和制造工艺都不一样。物理传感器可识别电、光
22、、力、热等现象；化学传感器可感知化学物质的变化；生物传感器检测生物成分的变化，如激素、抗体和酶等。传感器可以输出其检测到的变化对应的电信号。该信号的强度不一定在数据采集设备的输入范围内，必须经过信号调理设备处理。某些传感器的组成包含了转换电路或者辅助电路。传感器直接关系到能否准确的获取相关信息，其选择主要依据三个指标，即灵敏度、线性度和分辨率。灵敏度：灵敏度是指传感器在稳态工作情况下输出量变化对输入量的比值。它是输出输入特性曲线的斜率。当输出和输入为线性关系是，则传感器的灵敏度为常数；当输出和输入为非线性关系时，则传感器的灵敏度将随着输入的变化而变化。灵敏度直接关系到传感器的测量精度，即灵敏度
23、越高，则测量精度越高。第 8 页线性度：一般来说，传感器的实际静态特性输出不是直线而是一条曲线。在应用中，实际的特性曲线常用最小二乘法拟合直线来近似的代替，以得到均匀的读数。线性度就是用来衡量这个近似程度的。分辨率：分辨率是指传感器工作时可以识别的最小变化量。即被测量的变化幅度低于传感器的分辨率时，该传感器是没有输出的。只有被测量的变化幅度大于传感器的分辨率时，传感器才有输出。传感器的分辨率越高，其可识别的变化量越小，相应测量结果就会更准确。一般来说，选择传感器总是希望其灵敏度和分辨率都是越高越好，而灵敏度和分辨率越高，传感器的稳定性就会越差，应该综合考虑。2.2.3 信号调理电路信号调理电路
24、连接着传感器和数据采集设备，其主要作用是对传感器的输出进行处理。通常情况下，传感器输出的信号幅值大小各异，必须进处理，使其匹配数据采集设备的输入范围。信号调理电路可以有效地提高系统的性能和精度。信号调理是指通过内部电路将需要采集的信号进行放大，滤波等处理，使之能够被数据采集所识别。有时也需要信号调理电路对信号类别进行转换，如电压转换成电流等，以满足不同的采集设备的需要。数据采集卡基本自带可编程增益，在这样的的情况下，由于被测信号来源复杂，特点各异，信号调理电路任有其存在的价值。如生物电信号极其微弱，而工业电信号则有高压、高流的特点。信号调理电路一般采用以下技术，以提高系统的采样精度。1.放大此技术针对幅值较小的信号，如温度传感器热电偶的输出。经过放大，各类微弱的电信号可以转换为标准信号，以满足采集设备 ADC 输入的需求，提高系统的精度。针对不同的信号，应该合理选择放大器。2.衰减此技术与放大对应，适用于高电压、高电流的场合。可将信号幅值限制在采集的 ADC输入范围以内，以供采集设备采集。此外，此技术还可以适用于预防电路因过压过流而被烧毁的危险，起到保护仪器和设备的作用3.隔离该技术最大的优点在于保障操作人员的人生安全，同时还避免了测试设备被烧毁的可能，其基本原理是利用光电耦合技术和变压器将被测信号直接从发生源传输至测量设备，隔离了高压，远离了危险。4.过滤
