基于LabVIEW的数据采集分析仪_免费论文全文下载

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【摘要】在实际应用中，数据采集系统的多功能性至关重要。针对此问题，设计了一套以FPGA为下位机控制核心，以LabVIEW为软件开发平台的多功能信号采集分析系统。系统不但可以准确地完成对多路、多种信号的同时采集，而且，利用LabVIEW丰富的信号处理模块准确地完成了对采集数据的多种信号分析功能。实际应用证明，系统工作稳定，操作便捷，并且多种功能于一体更加促进了实际的应用。

【关键词 】FPGA;LabVIEW;数据采集;信号分析
1.引言
由于测试技术的高速发展，人们对测试设备的要求越来越高。所以，本系统以LabVIEW为开发平台设计了一套多功能的数据采集分析系统，完成了对测试设备的多功能的信号采集和信号分析[1]。此外，软件界面形象直观，便于用户操作。而且，LabVIEW具有丰富多样的扩展函数库为程序的设计提供了极大的方便，有效地提高了系统开发的效率[2-3]。
2.硬件设计
系统采用FPGA作为控制核心，通过与上位机的配合完成系统的信号采集。由于系统功能多样，所以为下位机的硬件设计带来了很多难点，本文主要从以下几个方面进行说明。
2.1 调理电路
由于在设备监测时需要对检测设备的多种信号进行分析，所以需要多种传感器对信号进行采集，这样就导致了调理电路的输入端信号包括单端信号、差分信号和大幅值信号三种。因此为了在保证多种传感器输入不会交叉干扰的情况下设计出一套合理的具有兼容性的调理电路是本系统的难点之一，针对此问题系统采用以下三种方法完成了调理电路的设计。
2.1.1 器件复用
器件复用解决单端信号与差分信号两种输入形式下的兼容性设计，系统采用等效模拟输入的思想实现了对两种信号的兼容性设计。
图1 电路调理框图
图1给出了该种技术设计思路，以热电阻采集的信号为例。其中图a为单端输入的热电阻信号放大电路，R0为热电阻0℃下的阻值，Rt表示温度变化时电阻的相对变化值。图a可以解决阻值基值较小情况下的测量，但当基值或恒流i比较大时，仪表放大器可能会因工作在非线性状态而输出失真。图b则有效解决了以上问题，仪表放大器的另一输入端电压等效为i*R0，仪表放大器的输出为输入端差值电压i*Rt的放大。由于仪表放大器的输入阻抗高、偏置电流小等特点，所以信号源输出阻抗不匹配所带来的输出误差可以忽略不计。
2.1.2 输入无交叉干扰
由于IEPE与电压信号超出了仪表放大器的输入范围，系统采用分压电路完成了对大信号的分压与跟随功能。此外，为了保证在大量程信号输入的条件下，不影响或破坏小信号的处理电路，系统将两种信号的处理电路的供电电源互斥，即同一时刻只能有一个电路正常工作。
2.1.3 低噪声等效模拟信号
设计中，仪表放大器的输出精度不仅取决于器件的性能，也同时取决于等效模拟输入信号，所以需要提供低噪声的模拟信号。系统采用低温漂基准与数字电位计相互结合的方法产生低噪声的模拟信号，其原理图如图2所示。
2.2 隔离电路
系统为保障数据采集分析仪与被测对象的电气隔离特性，避免因被测对象间有较大的地位差，而造成采集分析仪或被测对象被破坏的可能性，在此基础上提高数据采集分析仪的抗干扰与抗破坏能力。
通过分析隔离原理，系统将隔离链路划分为两个关键点，按照这两点要求进行系统隔离。
图2 模拟信号生成原理图
2.2.1 电源隔离
电源隔离即将前后端电源系统做空间隔离处理，隔离的实现通常采用电磁/磁电转换方式，图3为本系统所采用电源隔离的原理框图，隔离前的电源在某规律性的脉冲控制下，对原级线圈进行周期变化的充电，电能转换为磁场并耦合到次级线圈，次极线圈继而交变的电场，经二极管整流和电容滤波后，产生隔离后的电源。因此，磁场能的空间传输将前后端电源和地实现了隔离。
图3 隔离电源能量传输原理框图
2.2.2 信号通讯路径隔离
由于系统为了实现功能的可编程与配置，设计除了最基本的ADC数字传输功能外，还包括PGA控制、基准调整、量程调整、温度补偿、信号路径切换等功能，这些功能依赖于特定的IO口设计，显然，这些功能的电路实现应由隔离后电源供给能量，结合模块设计框架，必须对这些接口进行隔离。所以系统采用了电磁/磁电的空间转换技术完成了对IO的隔离，实现了数据的准确传输。
2.3 传感器激励源设计
由于传感器激励的稳定直接影响着传感器的输出。因此，在确保基准源、驱动电路以及反馈电路中有源器件供电电源性能的基础上，本系统采用低温漂、低噪声、驱动能力强的有源器件。并且，采用了低温漂基准与有源滤波相结合的方法实现了大驱动电流与低噪声基准输出的功能，最终保证了系统激励源的准确性。
3.系统软件设计
由于本系统工作时既要完成与下位机的相互控制，又要实现对多路数据的采集、存储、分析等功能[4]。所以系统工作时对CPU的利用率尤为重要。为解决此问题，系统采用生产者-消费者的处理结构和多线程的处理模式，保证了各功能间互不干扰，能够准确且稳定的完成系统整个操作过程。本系统主要功能模块如图4所示。
图4 软件功能框图
3.1 系统配置
系统的参数配置模块主要是通过上位机完成对所有测试通路的配置，然后将配置参数按照本系统制定的通讯方式传输到下位机，最终完成对数据进行合理采集的目的。
3.2 数据回放和分析
在数据回放界面为了便于对采集到的数据进行详细地查看和对信号各分析阶段进行对比分析，系统提供了多窗口分析模式，即可以实现将一个信号的多个处理过程分别独自的显示在各自窗口中，这样可以准确地掌握整个信号的各个处理过程。在进行数据分析时，系统提供了信号预处理、幅频分析、统计分析、滤波等多种分析功能[5]。 3.3 生成报表
为了便于对系统测试信息和对一些重要的信号分析结果的保存，系统提供了报表保存模块，这样用户可以对信号的分析结果进行保存，便于以后对测试系统进行分析。
4.系统测试
为验证系统工作的准确性，选取一组数据，利用本系统信号分析的功能模块对其进行处理和利用MATLAB对其进行处理的结果进行对比，从而来判断系统工作的准确性。图5是原始数据，图6和图7分别是经过本系统处理的结果和利用Matlab处理的结果。
图5 原始数据
图6 系统滤波
图7 Matlab滤波
由图5-7所示可以看出由本系统处理得到的滤波结果和由Matlab处理得到的结果基本相同，从而验证了系统信号分析功能的准确性。此外，本系统已经过计量部门的检验，系统具有可靠地稳定性和准确性，达到了系统精度的要求。
5.结束语
本系统以FPGA为下位机控制核心，以LabVIEW为软件开发平台，通过上位机的合理控制完成对各采集通道的合理配置，并且依靠低噪声的硬件电路，完成对多路信号的精确采集。然后将采集的数据传输至上位机，上位机软件不但可以完成对数据的存储和回放，还可以对采集的数据进行多种信号分析，最终实现了系统的多功能性和准确性。此外，软件界面友好且操作简单，保证了系统的实用性。
参考文献
[1]徐继宁，邵雅超.基于虚拟仪器的声音信号采集分析系统[J].测控技术，2014，33（1）：12-14.
[2]王树东，何明.LabVIEW在数据采集系统中的应用研究[J].国外电子测量技术，2014，33（6）：103-106.
[3]宋青.基于虚拟仪器技术的信号采集与分析系统的研究[J].自动化与仪器仪表，2012（1）：1-2.
[4]魏飞.基于LabVIEW的多通道数据采集系统软件设计[J].通讯世界，2014（2）：29-30.
[5]潘逢群，杨建桥，郑恩让.基于LabVIEW的虚拟滤波器的设计与实现[J].电子测量技术，2012，35（3）：78-81.
作者简介：刘景峰（1988―），中北大学计算机与控制工程学院硕士研究生在读，主要研究方向：动态测试与智能仪器。

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