基于LabVIEW的实时数据采集和滤波处理设计

徐杰楠，傅舰艇，詹惠琴

(电子科技大学自动化工程学院，成都，611731)

0 引言

在线磨粒监测技术已成为当今油液监测领域的研究热点，实施油液在线监控不仅可以减少采样和实验室分析的巨额费用，还便于构成诊断和预防性维修系统，及时发现突发性故障和对机器状态进行趋势分析。完成信息采集工作是对信号进行处理和分析的关键。本文根据测试信号的特征，在LabVIEW环境下设计一个实时采集系统完成对信号的实时采集，并进行了简单的滤波处理。

1 系统组成

该数据采集系统硬件包括传感器、调理电路、PCI-1200数据采集卡和PC几个部分，如图1所示。

传感器将非电信号转换为电信号，经调理电路放大到适当的电压幅度以满足PCI-1200输入电压的要求，PCI-1200将采集到的信号交给PC处理。PCI-1200卡是美国NI公司生产的PCI总线的多功能数据采集卡，可用于实验室测试、生产测试和工业过程监控等应用领域进行高性能数据采集与控制。PC是整个系统的核心，它在LabVIEW平台下控制PCI-1200以实现数据采集，并对采集到的数据进行分析处理。

2 数据采集系统设计

2.1 PCI-1200数据采集卡

PCI-1200是一款美国NI公司生产的多功能PCI总线数据采集卡。其性能参数如下：8路单端输入或4路双端输入，DC耦合；信号输入方式有单端输入方式（有参考地和无参考地两种）和差分输入方式；12位A/D转换器（逐次逼近型），最大采样频率100KS/s；信号输入范围（±5V，0～10V）；采用FIFO缓存，FIFO缓存容量可以存储4096次采样值。

2.2 程序设计

数据采集卡的驱动方式分为内置式驱动和外挂式驱动两种。对于NI公司生产的各种专用数据采集卡，可使用LabVIEW内的DAQ库直接对端口进行各种操作，即内置式驱动。NI数据采集卡提供对LabVIEW丰富且完备的支持，驱动函数在底层的基础函数上进行高度封装，用户无需深入了解采集卡的具体工作，只要掌握驱动函数输入/输出端口的意义，就能进行数据采集开发。因此用户使用NI PCI-1200时，只需将所需接口从程序中直接调用至系统开发环境中，即可实现采集，存储以及回放等功能。

数据采集是从传感器和其他待测设备等模拟和数字被测单元中自动采集各种参量（物理、化学、生物量等）信息的过程。数据采集的结果直接影响后续数据处理、分析。

为了实时高速地连续采集数据，在这一环节采用了循环缓存技术和高速数据流技术。使用循环缓存时，每次数据只存放在缓存区的一部分。当到达缓存区的底部时，它就转向缓存区顶部再次填充同一个缓冲区。与此同时，缓存区中的数据一块一块被读出，这就形成了连续采集过程。在这个过程中，要保证程序从缓存区的某个位置读取数据，同时新采集的数据存入缓存区的另外位置，这样才能有可供读取的数据，尚未读取的数据也不会被更新的数据覆盖掉。这样就允许软件将数据处理与数据采集并行展开。要使数据能够被连续地采集必须保证程序从缓冲区读取数据的速度不能比数据放进缓存区的速度快，当然也不能太慢。要解决这个问题就需要合理地设置缓存区的大小、扫描率和一次读取扫描数这3个参数。

图2是数据采集程序。在程序的前面板设置采样频率、采集通道、缓存大小、一次读取扫描数等参数。

2.3 数据滤波

因采集到的信号扔夹杂着噪声，甚至在信号幅度较小的情况下噪声淹没了信号，无法看到信号，因此对信号进行滤波是必要的。本设计采用的是IIR型的5阶巴特沃兹滤波器，在前面板对滤波器的参数进行设置。图3显示了不同滤波频率带宽下的信号。如图3所示：a图是直接采集到的信号，未经滤波处理，可以看出仍然夹杂着噪声。b图是经过了截止频率为60Hz的低通滤波后的信号，与a图相比，噪声幅度明显下降，但信号也有少许的衰减。c图是经过了截止频率为30Hz的低通滤波后的信号，噪声已经很小，接近于一条直线，但是信号衰减也较大。

由图3可以看出不同滤波带宽下信号的差别。由于信号带宽与噪声带宽相近，所以在滤波带宽比较窄的时候噪声大幅度被滤去，提高了信噪比，但是信号幅度也有很大衰减。所以在设计中要根据所需来设置滤波带宽。

图2 数据采集程序

图3 滤波前后的波形显示

3 结语

LabVIEW是一个功能强大的虚拟仪器编程环境，其简单的编写语言和易于编写的控制控件，简化了编程过程，可以减少系统的开发时间，同时也提高了编程效率。LabVIEW将逐渐成为虚拟仪器技术软件的工业标准，虚拟仪器的思想将更多地渗透到未来电子测量仪器和自动化测试技术的发展中。

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