基于LabVIEW软件的数据采集与分析系统

周益青， 王 勇

（1．上海无线电设备研究所；2．中国人民解放军驻上海航天系统军事代表室，上海200090）

0 引言

目前，已有大量的科技和工程人员将基于计算机的数据采集技术（PC－based Data Acquisition）用于实验室研究、工业控制、测试和测量中，即将虚拟仪器技术引入数据采集领域。虚拟仪器是现代仪器技术与计算机技术相结合的产物，代表着仪器发展的最新方向和潮流。Lab－VIEW是虚拟仪器领域中最具有代表性的图形化编程开发平台，是目前国际上首推并应用最广的数据采集和控制开发环境之一。Lab VIEW具有人性化的程序设计理念、简易快捷的数据采集和控制功能、强大的分析模块和形象完整的数据显示等优点，在虚拟仪器构建的测试系统中应用极为方便［1］。

本文设计了一个通用数据采集与分析系统，硬件采用NI公司的6251多通道数据采集卡，软件系统采用Lab VIEW编程来实现。硬件电路实时采集现场数据，经分析处理后实时显示，同时供给外部接口程序和高层系统调用。整个软件系统实现数据采集、显示和信号处理等功能。

1 系统硬件设计

数据采集与分析系统简单实用，硬件由两部分组成：上位机和NI数据采集卡。上位机为工控计算机，是硬件平台的核心，它集中管理整个系统，通过管理参数将控制命令送给数据采集卡，进行工作状态设置或接受采集卡送来的数据，完成数据的计算、处理和结果的显示。利用计算机图形显示技术和多媒体技术，将复杂的数据计算和数据处理推向后台，把测控的结果用数字、曲线、图形等形式提供给用户［2］。数据采集卡主要完成对被测输入信号的预处理，包括数据采集、放大、A／D、D／A转换等信号调理功能［3］。

NI 6251是可基于 USB、PCI、PCIe、PXI、PXIe等多种总线形式的数据采集和控制模块。它能很好与Lab VIEW软件连接。有16路模拟量输入、24路DIO口、2路模拟量输出，模拟输入范围为±10 V。模拟输入分辨率为16位，输入电流偏差为±20mA，连续采样速率1．25 MS／s。由该硬件和相应软件实现的系统框图，如图1所示。

外界信源产生待测电压、电流原始信号，待测信号接入数据采集卡的相应硬件通道，通过采集卡的信号调理电路模块对数据进行处理，经过PCI总线接口传输至上位机。上位机通过Lab－VIEW软件实现对输入波形的显示以及输入信号的数据分析，并模仿传统示波器的显示界面将各项信号结果直观的呈现给用户。

图1 系统框图

2 系统软件设计

2．1 数据采集子程序

数据采集分有限样本采集和连续采集两种模式。在数据采集前，需要对各采集参数进行初始化设置。外部模拟信号通过NI模拟数据通道输入，采样数据可以通过有限采样和无限采样两种方式完成通道数据采集，采集到的数据存入内存缓冲区中等待储存和调用。系统读取储存输出均鉴于Lab VIEW8．6的软件平台完成。在Lab－VIEW中对信号的采集基于系统输入输出法的构架。系统对输入信号进行处理以生成输出信号，然后提取出包含在其中的信息进行分析。

对采用PCI总线形式的数据采集卡，Lab－VIEW安装了用于建立各种卡及通道配置参数的配置工具 MAX（Measurement＆Automation Explorer）。MAX工具读取设备管理器的信息，并为每个DAQ卡分配编辑设备号。Lab VIEW软件通过该设备号对设备进行访问、配置和信号读取。通过Lab VIEW软件对数据采集卡的调用，完成数据采集的DAQ系统框图如图2所示［4］。

被测的测试信号接入数据采集板卡的相应硬件通道，通过数据采集卡内置的信号调理电路将数据通过接口送到数据总线（PXI）上。数据采集卡完成对低电平信号的缓冲、放大、衰减、隔离、滤波、线性化、取样保持（S／N）和模数转换（ADC）等信号调理功能，调理后的信号能在计算机内部处理。用户测量的应用程序通过Lab VIEW软件中的MAX工具管理数据采集卡进行访问、配置和信号读取。Lab VIEW软件对MAX工具进行配置，并通过DAQmx完成数据读取。

图2 DAQ系统框图

通过用户测量的应用程序实现采集数据的读取、信号分析和信号显示。数据采集流程图如图3所示。

图3 数据采集流程图

系统采用顺序结构完成信号的数据采集过程。用户在应用程序的前面板界面选择被测信号的数据类型，数据采集系统根据该数据类型选择相应的数据调理和时间采样方式进行数据采集。

2．2 数据分析子程序

试验采样的是一个占空比为10%，周期为1 ms的脉冲信号。在测试过程中，单板布局EMI的影响以及初始供电电压信号引入50 Hz的噪声可能会引入测试数据异常值。异常值的出现会歪曲测量结果，因此应尽可能地查找技术上和物理上的原因，作为处理异常值的依据。对经判断确为异常值的数据予以剔除，不得包括在测量列中。因此，数据采集系统对数据采集进行硬件滤波，同时软件程序剔除测试中的异常值。

2．2．1 硬件滤波

该数据采集卡具有抗混叠滤波器（Antialiasing Filter）的功能。抗混叠滤波器是一种低通滤波器，却具有非常陡峭的截止频率，几乎可以将频率高于数据采集板输入带宽的信号全部删去。因此，可以将一些外界的机箱以及供电引入的噪声滤除。

测试过程中，如果不需要同时监测多路的数据信号，可以对数据采集采取差分输入方式，每个输入可以有不同的接地参考点。由于消除了共模噪声误差，所以差分输入的精度较高。

2．2．2 软件滤波

Lab VIEW中提供软件数字滤波器，软件数字滤波器的实质是用一个有限精度算法实现离散时间线性时不变系统来完成对信号的滤波处理。其输入是一组由模拟信号经过取样和量化的数字量，输出是经过处理的另一组数字量。只要改变滤波器的程序或只改变参数就可以实现不同的滤波效果。几种常用软件滤波方法：平均值法、逼近函数滤波器、比较取舍法、五点三次平滑法。

数据采集系统对采样后的原始数据进行分析和显示前，首先应用比较取舍法剔除采样数据中的粗大误差，再采用平均值法进行平滑处理。

（1）比较取舍法

比较取舍法是一种程序判断滤波法。当测量结果的个别数据存在幅差时，采用比较取舍法剔除个别偶然错误数据，认为凡两次采样值Yn－1、Yn之差大于D值（规定的最高差）为干扰（即奇异值），否则为有用信号。即若就可以认为收到的是正常信号。要实现良好的滤波效果，必须选取合适的D值。本脉冲采样过程对D值的选择采用了格拉布斯准则［5］。

格拉布斯准则：凡残余误差Vi大于格拉布斯鉴别值的误差均被认为是粗差，其相应的测量值应舍弃，其数学表达式为

表1 格拉布斯准则鉴别系数

应用格拉布斯准则鉴别粗差，关键是标准偏差σ的计算，根据概率论的相关知识，样本有限次测量时，可用贝塞尔式计算标准偏差的估计值

式（2）是未知总体标准偏差真值情况下由样本计算标准偏R的公式。数学定义上严格的说，样本数量趋于无穷大时，即测量次数趋于无穷次时，样本和母体标准偏差才一致。对于有限次的测量用上述公式计算误差会有一定的偏差。得到对应的方差为

在xi值较大时，可任选与xi接近的B值，按yi＝xi－B做等量数学变化，可得

由式（1）到式（4）以及概率论相关知识得

在实际计算中，应用式（5）不会因求平均值除不尽而产生舍入误差；且在去除坏值后，无需重复计算每个Vi。将该公式应用于测试过程中，在有限采样数据为100个点时，按照格拉布斯准则进行粗大误差剔除。图4为某一尖脉冲采用比较取舍法后，对粗大误差的剔除图形对比。

图4 采用比较取舍法后的图形对比

图4所示波形显示在实际的测量过程中，根据测试硬件的精度和测试环境，数据采集系统采用格拉布斯准则后可有效剔除异常值测试，得到良好的测试效果。数学上已证明［6］，在一组测定值中只有少（低于10%）异常值的情况下，格拉布斯方法是各种检验法中是最优的。

（2）平均值法

对一点数字连续采样多次后计算其平均值，以其平均值作为该点采样结果。设 xn，xn－1，xn－2，…，xn－m为第n次及前m 次采样时刻的数字滤波输入，yn为第n次采样时刻的数字滤波输出，则滤波计算的平均值公式为

同时采用防干扰平均法（即将采集数据去掉最大值和最小值后取平均）。该算法使滤波结果与各采样值间误差平方和最小。

2．3 数据显示子程序

采集到的数据和波形经过Lab VIEW数据处理后按照用户需求进行显示、回放和存档。通过Lab VIEW软件的图形化程序语言，在前面板界面选择测试通道、测试时间和测量精度，控制数据采集卡的常数设置。数据采集卡采集数据送至前面板显示，在计算机内存储。图5为显示程序流程图。

图5 显示程序流程图

该数据采集系统可同时采集多通道数据。该数据采集卡有16个模拟输入通道，通道设置时可以选择为16路单端输入或者8路双端差分输入，有24路DIO，各通道有10挡预设增益。输入信号可以采取有限采样和无限采样两种采样模式。有限采样模式时，首先输入采样时间常数，系统在按下“开始”按钮时刻开始计时，到达定时时间（即读取到相应的采样点后），系统内部产生一个中断信号，中止运行。无限采样模式时，先设定各采集参数，按下“开始”按钮，系统开始进行连续采集，直到按下“停止”按钮，程序退出运行。

在波形显示时，可以通过调整旋钮位置改变显示时基，调节范围为80μs～10 s；可以通过调整旋钮位置改变垂直增益，调节范围为1m V～10V。可以通过选择按钮改变当前的显示通道，调节范围为18个通道可以同时显示，也可以分开显示。数字通道的数据可以通过选择旋钮进行调整，可以采用二进制或者十进制、十六进制三种方式进行数字显示，也可以直接通过面板波形显示。显示模块有采集指示灯，当显示界面在滚动现实波形时，指示灯变绿；当处于暂停或者停止采集显示状态时，指示灯变红。电压标志指示灯在输入电压超出标准时亮，提示出错，硬件连接错误时，硬件指示灯变红。

3 采样试验结果

为验证系统功能，将NI数据采集卡通过数据总线PCI接口连入计算机内，用函数发生器产生一路占空比为10%、周期1 ms、幅度为4 V的脉冲信号。数据连入通道1以及对应的共模输入地进行数据采集，在软件界面上可以选择相应的测试时间为100 ms，显示的幅度倍数为1。同时将该信号连入传统的示波器显示，比较两者结果，显示误差在1%之内。软件显面的波形效果也比较直观和平滑，跟示波器的显示效果十分相近。

4 结束语

文中通过数据采集卡采集模拟信号数据，利用Lab VIEW图形化编程语言进行数据处理、分析、显示和储存，设计了一套数据采集与分析的虚拟仪器系统。该系统可以实现多通道数据实时采集与分析，界面友好，使用简单，操作方便，实验结果验证了系统的功能。该系统易于扩展和维护，

可以极其方便简易的嵌入工业测试的数据采集阶段，在工业测试、实验室虚拟研究的数据采集方面有广阔的应用前景。

［1］ 孙泽文．基于Lab VIEW软件的数据采集与分析系统设计［M］北京：电工电气，2010，（1）：16－17．

［2］ 张重雄．虚拟仪器技术分析与设计［M］．北京：电子工业出版社，2007：47－60．

［3］ 曾璐，陆荣双．基于Lab VIEW的数据采集系统设计［J］．电子技术，2004，（12）：16－17．

［4］ 杨乐平，李海涛，赵勇，等．Lab VIEW高级程序设计［M］．北京：清华大学出版社，2003．

［5］ 耿素军，余剑．智能测量系统中粗大误差的处理［J］．电气电子教学学报，2005，（3）：38－39．

［6］ SPRENTP．Data driven statistical methods ［M］．Chapman ＆ Hall，1998．