基于LabVIEW的数据采集与处理系统标准设计.docx

基于LabVIEW数据采集和处理系统设计摘要：虚拟仪器作为一个基于图形化编程新型概念仪器，以计算机作为运行媒介，节省了大量显示、控制硬件，越来越显示出它独有优势。基于LabVIEW数据采集和处理系统，整体采取了循环结构和次序结构相结合形式，实现了模拟信号采集和实时动态显示，而且仿真出了对数据采集和报警功效，而且能够存放数据，进行多种自定义设置，显示效果良好，对现实中数据采集和处理系统含有很大借鉴作用。关键词：虚拟仪器；数据采集；数据处理；LabVIEW The Design of Data Acquisition and Processing System Based on LabVIEWAbstract: As a kind of virtual instrument based on graphical programming the new concept of instruments, run at the computer as a medium, save a large amount of display, control hardware, more and more shows its unique advantages. Data acquisition and processing system based on LabVIEW, and the overall adopted loop structure and order structure, in the form of the combination of the dynamic analog signal acquisition and real-time display, and the simulation of the data collection and alarm function, and the ability to store data, for a variety of Settings, display effect is good, the reality of the data acquisition and processing system has a great reference.Keywords：Virtual Instrument;Data Collection;Data Processing;LabVIEW;目录1引言41.1 课题研究的意义41.2 课题设计的目的和内容42 研究现状及设计目标43. 系统方案与关键技术介绍53.1 系统总体方案简介53.2 虚拟仪器与labview简介63.3 系统关键技术74. 方案实现104.1 前面板绘制104.2 程序框图功能实现115. 结束语166. 谢辞177. 参考文献181引言1.1 课题研究意义虚拟仪器是现现在很流行一个计算机技术，它应用面很广，因为采取了计算机界面替换了传统硬件显示器，又能够利用计算机处理器去实现硬件处理功效，所以只需要将需要处理多种类型数据经过统一接口传输到计算机中，这么就能实现多种显示、处理和控制功效。虚拟仪器作为一个很便捷和灵活人机交互手段，能够和很多不一样学科和内容相结合。此次课题就是将虚拟仪器和数据采集和处理系统相结合，利用LabVIEW软件平台强大数据处理能力和多样化结果显示方法，仿真模拟信号数据采集和处理过程，能够实现对信号动态显示、异常报警和数据存放功效，对于实际中测控领域其它系统含有一定借鉴意义，提供了另一个不一样方法。1.2 课题设计目标和内容此次课题拟借助虚拟仪器平台，采取Labview应用软件模拟仿真一个模拟信号采集和处理控制系统，要求能够实现：实现模拟信号采集；实现3通道数据AD转换功效；设置显示界面，能动态显示数据采集结果；依据设定阈值，对于超出阈值，有对应提醒功效。2 研究现实状况及设计目标LabVIEW是一个采取图形化编程语言平台环境，含有多样化数据处理工具和强大信号分析和结果展示功效，而且能够显示和实际相同按钮，开关等布尔空间，所以，广泛地应用于自动化行业、科研机构和研究试验室，被视为一个标准数据采集和仪器控制软件。虚拟仪器经过应用程序将通用计算机和功效化硬件结合起来，完成对被测信号采集、分析、处理、显示、存放、打印等功效，硬件部分包含多个I/O接口电路和数据采集卡等，包含插卡式虚拟仪器、并行口虚拟仪器和总线方法虚拟仪器等形式，I/O接口设备关键实现对被测信号放大、滤波、调制、模数转换等处理，能够依据不一样情况采取不一样I/O接口硬件设备，其中数据采集卡（DAQ）充足利用了计算机总线、机箱、电源和软件便利，不过受机箱、总线部分限制，存在电源功率不足、机箱内电平噪声较高、无屏蔽等缺点；并行口虚拟仪器最大方便在于能够和笔记本计算机相连，方便外出携带；VXI总线含有稳定电源、强力冷却能力和严格屏蔽效果，而且标准开放，数据吞吐能力强，模块可反复利用，现在应用越来越广泛，已成为主流虚拟仪器接口硬件，不过其造价较高。虚拟仪器总体结构划分为数据采集、数据分析处理、结果表示三大功效模块。组成方法以下图1 虚拟仪器组成方法在NI LabVIEW图形化开发环境中，用户不需要采取传统开发平台去编写、编译成行文本代码，而是经过多种不一样图标工具和函数选框去开发数据采集系统。使用NI LabVIEW，即便用户不含有编程经验，也能在数小时内完成传统语言编写需要数周程序。直观步骤图所显示代码便于用户开发、维护和了解。只需点击两次鼠标，便能传输功效代码块之间数据。用户无需从头创建整个数据采集系统。NI LabVIEW包含全套范例，适合各项常规丈量任务。这些可立即实施程序覆盖了各类应用，从简单单通道丈量，到多个设备利用优异定时、触发和同时技术实现高性能多通道系统。只需从自动更新下拉菜单中选择硬件，并单击运行。NI LabVIEW包含数千个尤其为工程师和科学家创建高级分析函数，全部函数均配有具体帮助文件和文档。这些强大工具可实现高级信号处理、频率分析、概率和统计、曲线拟合、插值、数字信号处理等功效。用户还可将NI LabVIEW扩展至特定应用处理，如：声音和振动丈量、机器视觉、RF/通讯、瞬时/短时信号分析等。需要更高灵活性用户，可将NI LabVIEW同第三方软件开发算法进行集成。3. 系统方案和关键技术介绍3.1 系统总体方案介绍 此次基于Labview数据采集和处理系统设计和实现，采取图形化编程语言对系统进行开发、调试和运行，在自定义前面板中，除了和程序框图中对应布尔控件、图表控件以外，采取不一样形状修饰模块和工具选板中颜色设置来做出监控面板效果，对信号采集和处理上，总体采取次序结构和While循环相结合形式，实现对计算机声卡信号采集和动态显示并进行功率谱分析并显示，另外，模拟对温度信号采集过程，而且对超出限值信号做出报警，而且能够实现对采集信号存放。系统总体框架图以下图所表示：后面板前面板数据采集和处理系统属性节点调用循环结构次序结构图表控件布尔控件修饰控件图2 系统总体框架图3.2 虚拟仪器和labview介绍虚拟仪器，顾名思义就是一个“虚拟”操作面板，而不是实际中有很多按钮和显示界面和指示灯实际操作仪器。虚拟仪器实际上是使用了计算机显示器来模拟了传统仪器控制和显示面板，用户能够利用开发工具，自定义人机交互界面，而且经过编程，实现数据处理和控制效果实现。虚拟仪器不仅能够制作控制面板，经过鼠标键盘来控制，还能够和不一样接口总线相结合，组成功效强大测量测试系统，这是它一个显著特点。虚拟仪器（VirtualInstrument）是基于计算机仪器。虚拟仪器通常含有一个或多个友好虚拟面板（人机界面），用户可经过虚拟面板很方便地进行操作。用户可对虚拟仪器功效和用途进行定义、组合和扩展，从而愈加快、更省和更方便处理测试、测量和自动化应用问题。现在对于虚拟仪器开发关键由以下两种语言：l 文本式编程语言：如C,VisualC+,VisualBasic等ll 图形化编程语言：如LabVIEW,HPVEE等此次设计中采取是LabVIEW应用软件。LabVIEW（LaboratoryVirtualinstrumentEngineering）是一个图形化编程语言又称为“”语言，它广泛地被工业界、学术界和研究试验室所接收，编程相对简单。像很多关键软件一样，LabVIEW提供了Windows、UNIX、Linux、Macintosh多个版本。全部LabVIEW应用程序，即虚拟仪器（NI），它包含前面板（frontpanel）、步骤图（blockdiagram）和图标/连接器（icon/connector）三部分。在LabVIEW中新建一个VI（虚拟仪器）后，会出现两个Windows窗口，分别为前面板和程序框图。前面板是虚拟仪器最终实现人机交互界面，用来绘制界面和放置控件，比如此次设计中用于绘制十字路口修饰控件，用于表示信号灯和数码管布尔控件，和部分自定义控件全部放置在前面板上，在实际操作中，经过右键点击就能够调出控件选板来摆放那个多种输入输出控件，而且能够对其进行修饰和编辑操作，前面板含有很大灵活性，用户能够依据自己实际需求去绘制很美观仪器操作和显示界面。前面板图所表示：图3 LabVIEW前面板程序框图用于编程实现功效界面，前面板上多种输入输出控件在程序框图中全部有对应，经过连线和和中数据处理操作就能够实现想要功效效果，编程时关键经过函数选板来选择需要控件进行编程。程序框图编程界面图所表示：图4 LabVIEW程序框图3.3 系统关键技术Labview中用于前面板制作和后面板程序编写工具关键包含三个操作选板，分别是工具选板、控件选板和函数选板。样式分别入下图所表示：图5 三种操作选板前面板控件选板上输入控件和显示控件可用于创建前面板。针对不一样数据类型和不一样需要，能够选择多个类型控件来满足实际需要，同时也能够经过选择控件来选择自定义控件实现愈加生动控件运行效果。函数选板只能在编辑程序框图时候使用，和控件选板工作方法大致相同，经过点击拖入并连线完成数据流传输。函数选板在后面板上经过右键就能够调用出来，也能够锁定在界面上。工具选板是在前面板和程序框图中全部能够使用工具选板，正常状态下被隐藏，鼠标是自动识别方法，工具选板能够经过查看工具选板调用出来，其中包含了多个选择、编辑、修饰按钮，经过点击就能够使用对应功效按钮，一样也能够插入指针调试程序，选板最上端自动选择工具，能够经过点击来切换工具选板工作方法，选择手动或自动方法。此次设计中前面板中用到控件包含制作十字路口背景图修饰控件中下凹圆盒和平面盒，平面盒用来制作斑马线。除此以外，就是制作红黄绿信号灯圆形布尔控件和制作倒计时数码管方形指示灯，布尔控件只有真假两种状态，能够经过程序框图中赋值来改变其状态。此次课题设计中，编程结构用到了While循环，次序结构和事件结构，编程样式以下：图6 While循环、次序结构、条件结构While循环由循环框，条件端口和计数端口组成，基础功效和C语言中相同，条件端口输入为真则循环实施程序，当条件端口输入为否时则终止程序实施。条件结构是一个常见处理在不一样条件下输出不一样控制量来实现不一样控制效果一个结构。条件结构输入能够使布尔型真假常量，也能够是整型数据常量，也就是说我们能够经过按钮开关来控制选择不一样选框，也能够经过不一样数字输入来选择不一样子框图，条件结构中能够设置多个子框图，每个子框图中需要对应输出控制量到控制对象上。 次序结构有平铺式次序结构和层叠式次序结构两种，此次设计中用到是层叠式次序结构，两种方法全部能够在程序中经过右键点击然后选择对应菜单栏来切换，很灵活方便。次序结构初始时只有一个子框图，每一个框全部是一帧，经过右键能够在前面或后面添加空白帧，程序实施时候，会根据帧次序来循环实施，当一个帧操作，数据传输完成以后，就会开始下一个帧操作，依次循环，当最终一个帧结束后再从第一个帧开始实施。除了运行结构以外，程序框图中还用到了颜色盒、属性节点等控件。颜色盒常量对应于某一特定数值颜色。颜色值以RRGGBB形式十六进制数字表示。最前面两位控制红色值。中间两位控制绿色值。最终两位控制蓝色值。样式以下： 图7 颜色盒常量选板在此次设计中颜色盒常量用来配合颜色属性节点调用在不一样时刻对同一布尔控件给予不一样颜色。此次设计中还包含了属性节点调用，包含“可见”属性节点和“颜色”属性节点，关键实现对报警灯颜色赋值，并对目前状态为“假”布尔控件进行隐藏操作，使显示效果更佳。4. 方案实现4.1 前面板绘制图8 程序前面板效果图所表示，前面板关键分为两个大模块，左边仿真模拟是一个温度采集和报警处理系统，右边是实现了对声卡信号采集和动态显示。温度采集模块中，包含了：1) 摄氏温度和华氏温度模式选择开关。考虑到不一样环境中，摄氏度显示不一定能满足全部现实中温度采集格式要求，此次设计中加入了华氏摄氏度采集和显示模式。系统能够在华度和摄氏度之间自由切换来满足现实情况不一样需求，这一模式选择开关是经过“水平摇杆开关”来实现，这一样按开关和现实中摇杆开关几乎一样，能够左右拨动，实现两个状态转换。在此次设计中，拨到左边是摄氏度显示和采集模式，拨到右边是华氏度显示和采集模式。2) 自定义温度报警阈值数字输入控件 在现实中常见温度采集系统中，除了采集温度观察系统实时运行状态以外，最关键是能够经过温度异常来实现对故障状态报警，此次设计中，采取了数值输入控件，既能够经过按键加减来输入数据也能够直接经过键盘输入，数值输入控件作为温度报警限值，当采集温度超出这个数值时候报警，计数器加一。3) 控制数据采集、程序暂停和停止按钮控件 程序运行经过“开始采集”按钮和“暂停”按钮来控制，能够控制程序开始运行和中止处理，按钮经过前面板中文本按钮拖入来实现，能够改变按钮上文本，显示不一样按钮对应功效。4) 显示数据采集进度水平进度条 此次设计中还采取了进度条来显示数据采集进程，使用是数值选版中“进度条控件”，这个控件是依据输入数值大小，对应显示在进度条对应位置上。这么经过数值不停增加就能够表示出数据采集进度。5) 显示目前采集数据温度计控件 面板中温度计样式控件采取是“银色”选版中“温度计控件”，经过属性中能够设置温度计最大值，此次设计将最大值设置为100，能够满足对温度显示额需求。6) 表示运行状态报警灯 为了实现对故障状态报警，此次设计中采取了“银色”选版中“LED灯”来显示报警状态，开关两种状态不一样颜色能够经过LED灯“属性”来设置，不过此次设计中不是采取开关两种状态，而是正常运行和报警状态，所以采取了属性节点调用来实现对两种状态下报警灯颜色设置。7) 对报警状态计数累加器 此次设计还实现了对报警次数计数，在程序运行时对报警次数进行一个累加，运行结束后就能够看出报警总次数。前面板中经过文本显示控件中“字符串显示”控件来实现对数据显示，除此之外，为了贴近实际数码显示效果，此次设计中添加了计数LED灯显示效果，采取七个方形布尔控件搭成七段数码管用来显示数字，这种效果和实际数码显示一致，仿真效果很好，使界面愈加美观，贴近实际。8) 显示、存放采集结果一维数组控件 此次设计中，采取了一维数组存放采集到数值，并在采集结束时全部输出显示到前面板中，显示控件采取是数组显示控件，控件上按键用来索引数组中对应数据。数据类型为双精度实型，保留六位有效数字。声卡信号采集和动态显示模块中，前面板绘制内容包含：1) 采样数、采样模式、声音格式等设置选项 这些选项全部是数值输入控件，用来设置声音采集和显示模式等。能够设置每个通道采样数，采样模式（包含连续采样和有限采样），能够设置声音采样率、采样比特数。2) 显示声卡信号波形控件 声音信号显示采取了图形显示控件中波形图，能够实时显示声音信号波形，和现实中示波器显示效果类似。3) 显示声卡功率谱波形控件 声卡功率谱显示和声音信号显示控件相同，全部是采取“波形图”控件，能够实时显示信号分析结果。4.2 程序框图功效实现实现两大功效模块程序框图以下：图9 程序面板框图1图10 程序面板框图2程序整体放置在一个大While循环里面，这么，While循环中程序能够循环运行，实时显示数据采集和分析结果。对于温度采集和处理模块，因为缺乏硬件采集卡等设备，此次设计中采取了循环结构和随机数搭配，模拟出了一组温度值，并对这组温度值进行处理，实现其越限报警、数据存放展示等其它功效。程序设计为共采集十组数据，采取FOR循环来生成十足数据，摄氏和华氏切换经过条件结构搭配按钮来实现，不一样模式输出不一样格式数值，同时传输到温度计中实时显示。对于报警计数器，采取是While循环中移位寄存器，上一步结算结果能够作为下一步计算初始值，程序运行时，首先将采集到温度值和设定温度限值做比较，将结果输出到条件结构中，假如结果为“真”，即，温度大于设定温度限值，则利用颜色盒常量将报警灯状态设置为红色，然后对移位寄存器加一，结果输出到报警次数器上；假如结果为“假”，即采集到温度值，比设定温度限值小，则将报警灯状态设置为绿色，意为正常状态，移位寄存器原值输出。另外，除了报警灯显示效果以外，程序还设置了七段数码管显示效果来显示报警次数额累计值，首先将计数值输出到条件结构中，设置10个条件分支，分别对应0-9显示效果，数码管对应真假常量设置在不一样选框中，输出端将七个真假常量输出到七段数码管对应方形显示灯布尔控件上，这么设计基础就能实现数码管显示效果，不过为了愈加贴近现实，此次设计中，点用了七个布尔空间属性节点中“可见”节点，在不显示时候将对应控件隐藏，这么愈加能够和现实中显示效果贴近。对于进度条显示，程序巧妙将for循环中循环次数i输入到了进度条显示控件，这么就能实时对应上采集程序采集进度。对于程序采集和暂停控制，此次设计中使用是时间结构和层叠式循环结构相结合形式，当“开始采集”按钮按下时，程序运行条件为“真”选框中内容，即，层叠式循环结构，首先运行“0”状态：图11 层叠式次序结构“0”状态将计数处理设置为0，然后运行“1”状态，图12 层叠式次序结构“1”状态实施采集数据程序，此时假如“暂停”按钮按下，则运行事件结构中程序：图13 事件结构选框弹框显示“程序处于暂停状态”，按下“确定”后，程序继续运行状态“2”中内容：图14 层叠式次序结构状态“2”此时程序运行结束，弹框显示“10点采集完成”。这么一个完整数据采集和超限报警功效就实现了，而且能够存放采集结果。声卡信号采集则是采取文件IO中声音信号相关模块进行数据采集：图15 声音信号配置面板采集到数据输出到波形图表进行动态显示，另外经过频谱测量对信号进行分析，并输出功率谱到波形图表。5. 结束语此次毕业设计依据要求，设计了一个基于LabVIEW数据采集和处理系统，包含温度采集和声卡信号采集两大部分，首先是温度数据采集，程序设计实现了能够连续采样10组数据，能够在温度计控件中实时显示采集结果，能够对超出温度限值状态进行报警并计数，程序运行结束时能够将采集到数据存放在一维数组中显示出来，而且程序能够显示运行进度，能够在华氏和摄氏温度模式中进行切换，能够在数据采集过程中暂停程序运行并弹窗显示。程序报警计数采取了七段数码管显示效果能够仿真出显示中数码管显示效果，美化了界面。对于声卡信号采集和处理，此次设计采取了，程序自带选版采集声卡数据，并进行功率谱分析，前面板中用波形图显示，完成了信号实时采集显示和分析。此次设计即使功效基础实现，但仍然存在部分不足，期望以后能够逐步完善，首先，为了运行效果，此次设计只采集了10组数据，对于现实中自动化领域、试验室等环境不符合需求，报警计数也只设置了个位显示，另外，对温度数据处理中，此次设计只讲采集到数据放在了一维数组中显示出来，没有存放到当地数据库，不方便以后查询和统计。6. 谢辞经过这段时间研究和学习，该基于Labview数据采集和处理系统设计已经基础完成。这个过程充满挑战和乐趣，让我收获了很多，首先是对于软件学习，经过这次毕业设计，不仅掌握了软件基础操作和编程方法，还自学了自定义控件制作方法，对软件最终效果起到了很大帮助作用。此次毕业设计能够顺利完成而且收获很多，除了本身学习之外，还得益于大家对我帮助和提议。首先，我要感谢我指导老师，对于我毕业设计完成起到了关键性作用，她治学严谨，对待工作认真负责，给我提供了很多支持，同时要感谢舍友和同学，在查找资料、学习软件过程中全部给和了我很大帮助。最终，感谢学校对我培养和教育，以后我也会继续努力！7. 参考文件1 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