论文部分内容阅读
【摘要】本文介绍了在Windows环境下，利用虚拟仪器开发工具LabVIEW开发的PXI-5152的信号采集与分析系统的软件结构、功能和特点。实验表明，应用虚拟仪器技术开发测试与分析系统，界面友好，并可大大提高开发效率。
【关键词】LabVIEW;PXI-5152;数据采集
1.引言
由于传统测控设备一般只能独立完成一项功能，而虚拟仪器可以将原来多种传统测控设备集中于一套系统中，同时它的开放与灵活性能使之与计算机技术保持同步发展[1]。虚拟仪器的硬、软件具有开放性、模块性、可重复使用及互换性等特点。为提高测试系统的性能，可以方便地加入一个通用仪器模块或更换一个仪器模块，而不用购买一个完全新的系统，有利于测试系统的扩展[2]。本文主要基于PXI-5152板卡利用LabVIEW进行信号进行采集和分析的设计。
2.数据采集系统的设计
由于LabVIEW是基于模块化程序设计思想，故在开发过程中也是基本上遵循这一基本思想。在总体方案确定后，根据所需的不同功能分别组建各种功能模块，最后再集成和调试。创建虚拟仪器的过程的过程分为三步：
（1）编写虚拟仪器流程图。
（2）设计虚拟仪器的前面板。
（3）確定虚拟仪器的图标和连接[3]。
采用模块化的软件设计思想编写，每个功能的实现由一个模块完成，系统软件总体包括数据采集、参数测量、相位、幅频分析、数据存储和回放等模块，最终实现数据采集、处理、记录、显示等功能。系统软件组成框图，软件设计整体界面分别如图1，图2所示：
图1 软件组成框图
图2 PXI-5152多功能示波器前面板
2.1 信号采集模块
LabVIEW集成了功能强大的数据采集函数库Data Acquisition。NI公司也设计了NI-SCOPE模块，使得编程更加简洁化[4]。本设计应用的PXI-5152板卡所采用的软件编写设计模块正是NI-SCOPE模块。使用NI-SCOPE模块数据采集函数建立采集程序非常简单，其流程如图3所示，基本过程如下：
参数设置如图4所示，采样方式选择普通采样（Normal），采样率为200MHz，采集通道（channels）为通道0和通道1，记录长度为1000，输入阻抗为1欧姆，电压耦合（vertical coupling）选择DC方式即直接耦合，参考位置选择50%，电压偏移（vertical offset）为0，电压幅值（vertical range）为10V。
图3 数据采集程序流程图
图4 配置参数
触发参数选择如图5所示：触发耦合选择DC耦合，触发类型选择Immediate即直接触发，触发源选择0通道，即采集为1通道，触发延迟为0s，触发极性选择正极，触发电平为5V。
图5 触发选项
2.2 数据读取和数据存储模块
LabVIEW有丰富的文件操作函数库，本设计由于采样率的提高，使用传统的编写程序可能会导致采样点数的丢失，为了使采集到的数据能实时的读取和存储起来，本设计所采用TDMS模块对数据进行实时采集和存储，更好的保证了数据的准确性[5]。
采集时数据的读取、存储程序如图所示。新建一个“.tdms”文件夹以便对采集数据进行存储，打开TDMS，TDMS属性设置，TDMS数据读取（接入队列进行对数据进行同步采集），关闭TDMS。程序图如图6所示。
图6 数据读取、存储程序图
3.实验设计及结果
本设计所做实验室为了研究，铝板的裂纹深度不同时，检测到的反射信号的某一特征量呈现规律性变化，即研究裂纹深度与信号特征量之间的单调关系。
实验过程如下：实验装置框图如图7所示，激励激光器采用150mJ能量激励，经过聚焦透镜后照射到标准试件上，光斑直径为0.9mm，由烧蚀效应产生超声波，通过表面波探头探测信号，经数据采集系统采集、记录实验数据。
图7 实验装置框图
实验过程：本次实验采用的铝板尺寸为200mm×50mm×8mm，表面裂纹距铝板左边界左侧80mm，裂纹规格分别为无损、0.1×0.3mm、0.1×0.5mm、0.1×0.7mm、0.1×0.9mm（宽度×深度），由于加工误差，实际规格为0.111×0.302mm、0.130×0.536mm、0.13×0.70mm、0.15×0.872mm。本次实验目的是探测反射波，激励源距裂纹10mm，在铝板上激励出超声波，传播到裂纹位置处，超声波会在裂纹位置处发生反射，反射的超声波被距激励源右侧10mm的超声探头接收。通过采集系统初步观察并记录数据波形，采集系统参数设置如下：采样率：200MHz，采样时间：50us，采用外部触发，触发位置：50%。为了减少实验误差，不同深度的裂纹分别做五次实验并保存数据。
实验结果中的一组数据（有裂纹时的反射及相应的频域图）经过MATLAB软件进行进一步的分析，放大之后所得到的波形图如图8所示。
图8 有裂纹时反射波形
4.结论
实验结果表明：
（1）本文所设计的PXI-5152多功能示波器能高效的对数据进行采集和存储;
（2）通过对实验所采集到的波形分析能反应出其数据的正确性，即反应出程序设计的正确性;
（3）采集程序运行时体现了程序设计的合理性和流畅性，运行界面具有工整性、简洁性和实用性。
虚拟仪器将所有的仪器控制信息均集中在软件模块中，可以采用多种方式显示采集的数据、分析的结果和控制过程。这种对关键部分的转移进一步增加了虚拟仪器的灵活性;虚拟仪器价格低，而且其基于软件的体系结构还大大节省了开发和维护费用;由于虚拟仪器关键在于软件，硬件的局限性较小，因此与其他仪器设各连接比较容易实现;虚拟仪器可实时、直接地对数据进行编辑，也可通过计算机总线将数据传输到存储器或打印机。这样做一方面解决了数据的传输问题，一方面充分利用了计算机的存储能力，从而使虚拟仪器具有几乎无限的数据记录容量。
参考文献
[1]张毅，周绍磊，杨秀霞.虚拟仪器技术分析与应用[M].北京：机械工业出版社，2002.
[2]林正盛.虚拟仪器技术及其发展[J].国外电子测量技术，1997（2）：35-40.
[3]杨乐平，李海涛，杨磊.LabVIEW程序设计与应用（第2版）[M].北京：电子工业出版社，2004.
[4]邓振杰.基于LabVIEW构建虚拟仪器实验系统[D].天津大学硕士学位论文，2001，11
[5]石博强，赵德永，李畅，雷振山.LabVIEW6.1编程技术实用教程[M].中国铁道出版社，2002，11.
作者简介：
刘鹏（1989—），男，辽宁调兵山人，中北大学硕士研究生在读，研究方向：动态测试与智能仪器。
郑宾，中北大学教授。
【关键词】LabVIEW;PXI-5152;数据采集
1.引言
由于传统测控设备一般只能独立完成一项功能，而虚拟仪器可以将原来多种传统测控设备集中于一套系统中，同时它的开放与灵活性能使之与计算机技术保持同步发展[1]。虚拟仪器的硬、软件具有开放性、模块性、可重复使用及互换性等特点。为提高测试系统的性能，可以方便地加入一个通用仪器模块或更换一个仪器模块，而不用购买一个完全新的系统，有利于测试系统的扩展[2]。本文主要基于PXI-5152板卡利用LabVIEW进行信号进行采集和分析的设计。
2.数据采集系统的设计
由于LabVIEW是基于模块化程序设计思想，故在开发过程中也是基本上遵循这一基本思想。在总体方案确定后，根据所需的不同功能分别组建各种功能模块，最后再集成和调试。创建虚拟仪器的过程的过程分为三步：
（1）编写虚拟仪器流程图。
（2）设计虚拟仪器的前面板。
（3）確定虚拟仪器的图标和连接[3]。
采用模块化的软件设计思想编写，每个功能的实现由一个模块完成，系统软件总体包括数据采集、参数测量、相位、幅频分析、数据存储和回放等模块，最终实现数据采集、处理、记录、显示等功能。系统软件组成框图，软件设计整体界面分别如图1，图2所示：
图1 软件组成框图
图2 PXI-5152多功能示波器前面板
2.1 信号采集模块
LabVIEW集成了功能强大的数据采集函数库Data Acquisition。NI公司也设计了NI-SCOPE模块，使得编程更加简洁化[4]。本设计应用的PXI-5152板卡所采用的软件编写设计模块正是NI-SCOPE模块。使用NI-SCOPE模块数据采集函数建立采集程序非常简单，其流程如图3所示，基本过程如下：
参数设置如图4所示，采样方式选择普通采样（Normal），采样率为200MHz，采集通道（channels）为通道0和通道1，记录长度为1000，输入阻抗为1欧姆，电压耦合（vertical coupling）选择DC方式即直接耦合，参考位置选择50%，电压偏移（vertical offset）为0，电压幅值（vertical range）为10V。
图3 数据采集程序流程图
图4 配置参数
触发参数选择如图5所示：触发耦合选择DC耦合，触发类型选择Immediate即直接触发，触发源选择0通道，即采集为1通道，触发延迟为0s，触发极性选择正极，触发电平为5V。
图5 触发选项
2.2 数据读取和数据存储模块
LabVIEW有丰富的文件操作函数库，本设计由于采样率的提高，使用传统的编写程序可能会导致采样点数的丢失，为了使采集到的数据能实时的读取和存储起来，本设计所采用TDMS模块对数据进行实时采集和存储，更好的保证了数据的准确性[5]。
采集时数据的读取、存储程序如图所示。新建一个“.tdms”文件夹以便对采集数据进行存储，打开TDMS，TDMS属性设置，TDMS数据读取（接入队列进行对数据进行同步采集），关闭TDMS。程序图如图6所示。
图6 数据读取、存储程序图
3.实验设计及结果
本设计所做实验室为了研究，铝板的裂纹深度不同时，检测到的反射信号的某一特征量呈现规律性变化，即研究裂纹深度与信号特征量之间的单调关系。
实验过程如下：实验装置框图如图7所示，激励激光器采用150mJ能量激励，经过聚焦透镜后照射到标准试件上，光斑直径为0.9mm，由烧蚀效应产生超声波，通过表面波探头探测信号，经数据采集系统采集、记录实验数据。
图7 实验装置框图
实验过程：本次实验采用的铝板尺寸为200mm×50mm×8mm，表面裂纹距铝板左边界左侧80mm，裂纹规格分别为无损、0.1×0.3mm、0.1×0.5mm、0.1×0.7mm、0.1×0.9mm（宽度×深度），由于加工误差，实际规格为0.111×0.302mm、0.130×0.536mm、0.13×0.70mm、0.15×0.872mm。本次实验目的是探测反射波，激励源距裂纹10mm，在铝板上激励出超声波，传播到裂纹位置处，超声波会在裂纹位置处发生反射，反射的超声波被距激励源右侧10mm的超声探头接收。通过采集系统初步观察并记录数据波形，采集系统参数设置如下：采样率：200MHz，采样时间：50us，采用外部触发，触发位置：50%。为了减少实验误差，不同深度的裂纹分别做五次实验并保存数据。
实验结果中的一组数据（有裂纹时的反射及相应的频域图）经过MATLAB软件进行进一步的分析，放大之后所得到的波形图如图8所示。
图8 有裂纹时反射波形
4.结论
实验结果表明：
（1）本文所设计的PXI-5152多功能示波器能高效的对数据进行采集和存储;
（2）通过对实验所采集到的波形分析能反应出其数据的正确性，即反应出程序设计的正确性;
（3）采集程序运行时体现了程序设计的合理性和流畅性，运行界面具有工整性、简洁性和实用性。
虚拟仪器将所有的仪器控制信息均集中在软件模块中，可以采用多种方式显示采集的数据、分析的结果和控制过程。这种对关键部分的转移进一步增加了虚拟仪器的灵活性;虚拟仪器价格低，而且其基于软件的体系结构还大大节省了开发和维护费用;由于虚拟仪器关键在于软件，硬件的局限性较小，因此与其他仪器设各连接比较容易实现;虚拟仪器可实时、直接地对数据进行编辑，也可通过计算机总线将数据传输到存储器或打印机。这样做一方面解决了数据的传输问题，一方面充分利用了计算机的存储能力，从而使虚拟仪器具有几乎无限的数据记录容量。
参考文献
[1]张毅，周绍磊，杨秀霞.虚拟仪器技术分析与应用[M].北京：机械工业出版社，2002.
[2]林正盛.虚拟仪器技术及其发展[J].国外电子测量技术，1997（2）：35-40.
[3]杨乐平，李海涛，杨磊.LabVIEW程序设计与应用（第2版）[M].北京：电子工业出版社，2004.
[4]邓振杰.基于LabVIEW构建虚拟仪器实验系统[D].天津大学硕士学位论文，2001，11
[5]石博强，赵德永，李畅，雷振山.LabVIEW6.1编程技术实用教程[M].中国铁道出版社，2002，11.
作者简介：
刘鹏（1989—），男，辽宁调兵山人，中北大学硕士研究生在读，研究方向：动态测试与智能仪器。
郑宾，中北大学教授。