基于LabVIEW的力学应变采集软件设计

吴忠锴， 马铁华，梁志剑

（1. 中北大学电子测试技术重点实验室，山西太原 030051；2. 仪器科学与动态测试教育部重点实验室，山西太原 030051）

0 引言

LabVIEW是测控领域优秀的图形语言开发环境，摒弃了晦涩难懂的文本代码，软件开发周期短、易于维护。结合力学实验应变采集系统，在LabVIEW2010平台下设计了应变数据采集软件[1]。

1 系统总体结构

1.1 应变测量原理

测试系统以电阻应变片为传感器件，将电阻应变片粘贴在测试件表面，构件在载荷作用下应变片产生变形，电阻值也相应变化，经过电桥电路将电阻值变化转换为电信号，再经放大滤波、模数转换（A/D）和接口电路输入计算机、进行分析处理。假定被测试件长度为L、电阻阻值为R，变形后长度（L+ΔL），物体受力后轴向变形为ε，则：

其中K为应变片灵敏度系数，由公式可以看出，计算出电阻相对变化量就可以得到应变值，但相对电阻变化难以测量，常用惠斯通电桥将其转变为电信号，电桥连接如图1所示。

图1 电桥连接图

当公式中R1R3=R2R4时，电桥平衡，输出电压Δe为零。在电桥平衡状态时，桥臂电阻产生增量，U保持不变，输出Δe仅与电阻增量有关，则电压变化量就表征了应变变化量[2-4]。

1.2 系统工作原理

力学实验台金属材料在受力时产生弹性变形，以电阻应变片为传感器，经过电桥测量电路，将被测件的应变变化转化为电信号，再通过A/D变换将模拟信号转变为数字信号，以FPGA为主控芯片，控制A/D的工作时序，将数据读入内部FIFO中，USB接口芯片再将FIFO中的数据传到USB总线上。上位机程序调用动态链接库DLL实现USB通信，上位机界面实现数据采集、实时处理显示等操作，系统结构框图如图2所示。

图 2 系统结构框图

2 软件设计

2.1 软件流程设计

软件设计遵循模块化、结构化设计方法，主要完成装置选择、参数设定、数据显示、数据回读功能，软件流程如图3所示。

2.2 关键功能模块设计

2.2.1 下位机与上位机通信

上位机与下位机之间使用USB接口进行数据传输，接口芯片选择Cypress公司的CY7C68013A芯片，在Labview下应用NI的板卡无需专门编写驱动程序，对于非NI公司出产的板卡就不能直接调用驱动程序，自制板卡利用动态链接函数库DLL，DLL文件使用VC++高级语言程序编写。在LabVIEW中“调用库函数节点”模块，完成数据通信[4-5]。

图 3 软件流程图

2.2.2 电桥平衡

电桥平衡是软件的重要环节，关系到测量数据的准确性，如果不消除电桥不平衡因素的影响，应变测试电路的输出会在没有应变输入时远离零位，造成测试数据不准确。软件平衡原理：先采集数据判断是否在平衡范围内，如果在范围内则提示已平衡，如果不在范围内，判断电位器的移动方向，并向硬件中发送命令向上或向下调节电位器，直到采集的数据处于平衡范围。

2.2.3 实时数据采集

多线程指一个程序中执行多个线程的能力，在一段时间内，并行完成多个任务，LabVIEW对多线程提供了很好的支持，只需要将不同的模块放在不同的while循环中并行运行，这样提高了程序运行效率和系统的可靠性[6-7]。程序划分为三个while循环，第一个循环响应前面板的操作；第二个是数据采集循环，由于数据采集的耗时比较长，为了避免数据采集时与其他操作冲突，占用过多系统资源，造成程序瘫痪，将数据采集模块放在单个while循环中；第三个循环是数据处理，对原始采集的数据进行运算，并通过波形图表显示出来。

3个循环之间运用队列技术进行数据通信。队列是一种先进先出（FIFO）的数据结构，最常见的应用是在多线程和多个VI之间传递数据），当产生数据的速度比处理数据的速度快时，其缓冲作用保证数据不会丢失，也调节了各线程间的运行速度[1,8]。

数据采集是软件的核心，采集流程是：依次发送复位、采集通道、采样频率、开始读数命令，之后进入采集循环，调用DLL读取硬件数据，采集停止跳出循环后发送关闭读数命令，程序框图如图4所示。

图 4 程序框图

3 软件前面板

参数设置界面主要包括测量通道选择，桥路连接方式（全桥、半桥、1/4桥），显示量程设定，装置设置，静态参数设置（灵敏度、应变片阻值、载荷修正系数），设定好的参数会显示在屏幕上。

数据采集包括扫描采样和载荷采样两种方式，扫描采样是显示实时采集的数据，载荷采样根据载荷值显示应变值，采样前还需要设定采样通道和采样频率，开始采样后，变换不同的通道可以看到该通道实时采集的数据。采样完成后，可以将数据以二进制文件格式保存，便于以后分析查看，上位机界面如图5所示。

图5 上位机界面

4 实验测试

实验时例如选择冲击杆装置，1kHz采样率，数据波形如图6所示，振幅较大的地方为冲击时产生的波形。

图6 冲击杆测试数据

5 结束语

以力学实验应变采集系统为背景，遵循模块化的设计思想，在LabVIEW平台下设计了数据采集系统软件，实现了参数设置、数据实时采集显示、数据回放等功能，利用队列、多线程技术提高了程序运行效率和系统稳定性。软件接口简单、开发周期短、易于维护。

[1]陈树学,刘萱.LabVIEW宝典[M].北京:电子工业出版社,2011.

[2]李新.基于虚拟仪器技术的程控动应变测试系统研究与开发[D].沈阳:东北大学,2008:7-9.

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[4]张浩茹,谢锐,崔冬梅.基于FPGA的应力应变测试系统设计[J].测试技术学报,2012,26(2):158-161.

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