LabVIEW中DAQ数据采集系统设计

Design of the Data Acquisition System Based on LabVIEW DAQ

王　平　杨　涛　侯守全　李广义

(内蒙古工业大学机械学院，内蒙古 呼和浩特　010051)

LabVIEW中DAQ数据采集系统设计

Design of the Data Acquisition System Based on LabVIEW DAQ

王平杨涛侯守全李广义

(内蒙古工业大学机械学院，内蒙古 呼和浩特010051)

摘要：针对模拟火箭喷管堵盖打开试验难模拟、难控制、难测量等特点，采用LabVIEW软件中DAQ数据采集系统。考虑到模拟火箭喷管堵盖打开时的压力上升速率，且要求压力上升速率可调可测，提出基于NI-cDAQ9174机箱、数字量NI9421 NI9472 模块和模拟量NI9221 NI9227模块的程序平台。开发了一套包含数字量组合与模拟量混合的压力信号采集、靶线电压记录的数据采集系统，最终实现了模拟火箭喷管堵盖打开时压力数据的采集与靶线电压信号的记录。

关键词：LabVIEWNI-cDAQ9174数据采集喷管堵盖数字量模拟量

Abstract：The open test for rocket nozzle closure is difficult to simulate, control and measure, by using DAQ data acquisition module in LabVIEW software, the pressure rising rate can be easily simulated when the closure is opened, and this rising rate can be adjustable and measured. Based on platform of NI-cDAQ9174 chassis, digital modules NI9421, NI9472 and analog modules NI9221, NI9227, the data acquisition system including pressure signal acquisition with digital combination and analog combination, and target line voltage record has been developed, to implement pressure data acquisition and target voltage signal record when the closure of rocket nozzle is opened.

Keywords：LabVIEWNI-cDAQ9174Data acquisitionNozzle closureDigitalAnalog

0引言

LabVIEW是虚拟仪器领域中具有代表性的图形化编程软件。借助NI LabVIEW，用户可通过各种方法快速轻松采集实际信号、分析确定有用的数据、通信或存储结果。

虚拟仪器是在计算机为核心的平台上，具有虚拟面板，测试功能由测试软件实现的一种计算机仪器系统[1]。国内虚拟仪器的研究也是从引进消化NI的产品开始。如863项目“虚拟仪器关键技术的研究及其产业化”，所研制的“一体化虚拟仪器”就是一种不同于欧美虚拟仪器的技术[9]。LabVIEW是虚拟仪器领域中具有代表性的图形化编程开发平台，主要应用于数据采集、仪器控制、数据显示等领域，并适用于多种不同的操作系统平台[4]。

本文阐述了喷管堵盖打开系统数据采集系统的设计方法。基于LabVIEW软件的试验系统完成了数据采集、处理、显示等功能。

1试验总体设计思路

本次试验主要目的在于能够模拟发动机喷管堵盖打开时的压力上升速率，该压力上升速率可调。其中涉及机械部分主要为充压容器与安装容器,软件部分设计基于LabVIEW数据采集平台。充压容器内是一种恒定的气源，压力不变，需要配置高压泵源；安装容器可以在充压容器中获得气源,用于模拟发动机喷管堵盖的气压环境。从充压容器到安装容器的控制阀采用气动控制球阀。由于球阀开启后在阀口不会产生节流效应，因此初始设计采用4个气动球阀并联组合，实现阀有效面积的变化，从而改变充气时间，间接改变充压速率。

由于NIC 系列模块在单个模块内集成了A/D转换器、信号调理和信号连接功能，所以本次试验选择NIC系列模块。

本次试验基于NI-cDAQ9174，对某火箭喷管堵盖打开试验进行实时数据采集。NI-cDAQ-9174为四插槽可热插拔模块,为数据采集提供了更高效的混合传感器测试性能。通过LabVIEW中NI-cDAQ9174平台设计程序,使得前面板的开关控制器控件与控制柜上按钮指示灯达到开闭一致的目的，最后实现数据采集与记录。

2采集系统硬件设计思路

本试验采集系统的硬件主要通过工业显示器、工控机、压力变送器、NI-cDAQ9174机箱以及NI9421 NI9472 NI9221 NI9227模块实现。采集过程流程如图1所示。

图1　采集过程流程图

2.1　压力变送器

系统选用4个压力变送器，型号为HP1000型钛/硅蓝宝石超高压压力变送器。先进的硅蓝宝石技术保证了在高压下变送器优良的稳定性、滞后性。使用标准的工业接口，保证了在超高压下的安全性和可靠密封，并能保持高精度输出，输出信号为4~20 mA。

2.2　数据采集卡

数据采集卡将外界的模拟信号采集到计算机中。NI公司对其全部的DAQ产品提供了专门的驱动程序库[5]。NI-cDAQ9174是一款可热插拔4槽NICompactDAQUSB机箱，适用于小巧便携的混合测量测试系统。其可连续读写波形测量数据,最多可测量128路通道的电子、物理、机械或声音信号；可与最多4个NIC系列I/O模块结合，用于构建自定义的模拟输入、模拟输出、数字I/O测量系统。

由于NIC系列内置信号调理，不需要再对信号进行处理，对于信号的准确性至关重要，所以本次板卡选取C系列。表1为本次试验所选用的NIC系列模块参数。

表1　模块参数

3采集系统软件设计思路

本次试验的软件设计部分基于LabVIEW平台。设计主要包括两部分内容：一是数字量部分设计，这部分主要是通过NI9421和NI9472在软件中的开关控制器控件或者在控制柜中按钮指示灯控制继电器，进而控制并联组合的气动控制球阀的启闭，以实现冲压时间的间接控制；二是模拟量部分设计，这部分主要在实现第一部分功能的基础上通过压力变送器实现压力信号的采集，NI9221、NI9227模块分别实现电流信号采集与靶线电压的记录。

3.1　数字量开关设计

数字I/O功能用途相当广泛，可以用来实现数据采集的触发、控制及记数等功能，它按照TTF逻辑电平设计，其逻辑低电平在0~0.7 V之间，高电平在3.4~5.0 V之间。本次试验主要运用数字I/O的触发功能，实现在LabVIEW前面板中的开关控制器控件与控制柜上的按钮指示灯形成对应统一的控制，即前面板上的开关控制器控件或者控制柜上的按钮指示灯都可以启动或者关闭4个并联组合气动控制球阀。

3.1.1前面板与控制柜的设计

本设计程序中的前面板与控制柜上分别包括控制气动控制球阀1启闭的阀1按钮(指程序前面板上开关控制器控件和控制柜上的按钮指示灯。如果没有特别强调是前面板还是控制柜上的按钮，即为两者中的任一)、控制气动控制球阀2启闭的阀2按钮、控制气动球控制阀3启闭的阀3按钮、控制气动控制球阀4启闭的阀4按钮、控制4个气动控制球阀任意并联组合开启的阀开启按钮、阀关闭急按钮、急停按钮。预设功能为任意组合按下4个阀按钮后再按下阀启动按钮，即可实现任意组合球的阀开启，按下阀关闭按钮即可实现气动控制球阀的关闭。按下急停按钮后进行物理上的断电。

3.1.2单个阀的开闭程序设计

在程序设计过程中，首先设计单个阀的启动与关闭，然后设计并联组合阀的开闭。预设功能为按下阀1按钮后，再按下阀启动按钮，气动控制球阀开启。在设计单个阀的开闭时，LabVIEW中的“异或”控件和Case结构起到了很大的作用，实现了同步开闭。其创建过程如下：使用DAQmx Create Virtuai Channel.vi创建一个数字通道；使用DAQmx Start Task.vi启动数字输入任务；使用DAQmx Read.vi读取；使用DAQmx Clear Task.vi停止并清除任务。

设计程序时开始使用“或”控件，当按下阀1控制柜或者前面板上阀1按钮执行Case结构中的“真”时，写入通道信号，经过“读取”控件读取缓存中的数字量“1”，使程序面板中阀1按钮灯亮，继电器得电后使得阀1按钮指示灯同时也亮，继而气动控制球阀1开启。又由于Case结构“真”中的阀1的局部变量与“布尔真”相连，使得阀1一直处于逻辑“真”状态，即程序面板上的阀1按钮与控制柜上的阀1按钮指示灯一直亮，所以一直执行Case结构中“真”，从而无法跳出Case结构中的“真”执行Case结构中的“假”状态，继而无法关闭阀1。改进后使用“异或”控件和嵌套的Case结构控件，通过异或逻辑关系和嵌套的Case结构可以实现同步开闭以及用阀启动启动阀1。

在Case结构中作“真真”，按下阀1按钮后，经Case结构中的“条件选择”，进入Case结构中的“真”；再经Case结构中的“条件选择”，进入Case结构中的“真”，此时再按下阀启动按钮，阀1按钮亮，继电器得电，气动控制球阀打开。

当按下阀关闭按钮后，由于第一个Case结构中的“条件选择”，所以只能跳出“真真”结构，进入Case结构中的“假”。由于“异或控件”，所以进入嵌套的Case结构中的“真”。在Case结构 “假真”中的局部变量使得阀1与阀启动一直处于关闭状态，即逻辑“假”，阀关闭一直处于开启状态，即逻辑“真”，实现预设功能。其余3个气动控制球阀的开闭同理，这样4个气动控制球阀的并联组合开闭就可以实现。急停开闭的设计同样采用嵌套的Case结构与逻辑控件组合达到预设目的。通过数字量的合理设计，开发了数据采集中开关量需求部分。

3.2　模拟量设计

这部分程序设计主要是在完成了控制并联组合的气动控制球阀启闭后，实现压力信号的采集、电流信号与靶线电压信号的记录。压力变送器采集压力信号并且通过NI9227模块转换为电流信号。4个压力变送器中2个分别安装在安装容器1和安装容器2上，分别用于采集充压压力实时变化情况和堵盖爆破时的峰值压力。其余2个分别安装在2个70 L的充压容器上，用于显示向安装容器充压过程中压力容器中的压力值。靶线电压信号是通过NI9227模块记录压力变送器的电流信号。电流信号采集程序设计过程中，读取压力变送器的压力信号后，使用信号拆分控件使得4路电流信号分别用波形图表控件显示，这样可以更直观、清楚地观察信号的变化。为了方便试验记录，在拆分信号后首先需要记录安装容器1上的压力变送器的压力信号最大值，这一过程可以使用中间变量将最大值进行传递，最后在安装容器压力1峰值压力显示控件中记录。记录安装容器2上的压力变送器的压力信号最大值，其最大值信号最后保存在安装容器压力2峰值压力显示控件。最后再通过中间变量比较安装容器压力1峰值压力信号与安装容器压力2峰值压力大小，最终将压力最大值记录在充压峰值压强控件中。同时在充压时记录时间，在充压结束后记录时间，作差可以得到时间差，用充压峰值压强控件记录的最大压力值除以时间，可以得到充压速率(单位MPa/s)。通过调节4个阀的组合可以调节阀打开的流量，从而调节充压时间，达到调节充压速率的要求。

两路靶线分别连接NI9227模块端子，采用5 VDC供电，串联精密电阻，使通过每根靶线的电流在5 mA左右。NI9227模块记录两路靶线在通电时的信号,以监测堵盖是否可以在爆破时打开。

4结束语

数据采集一直在行业中扮演着重要角色，本次试验基于图形化编程软件LabVIEW平台中的DAQ数据采集功能，通过机械部分气动控制球阀、安装容器、充压容器等，利用NI-cDAQ9174机箱和数字量NI9421、NI9472 模块，模拟量NI9221、NI9227模块，实现压力信号的采集与靶线电压的记录，以及发动机喷管堵盖打开时压力上升速率的模拟。本次基于LabVIEW软件的试验系统，已经实现预设功能，完成了对数据的采集、处理、显示、储存，最终达到试验目的。

参考文献

[1] 龙华伟,顾永刚.LabVIEW8.21与DAQ数据采集[M].北京:清华大学出版社,2008.

[2] 杨高科.LabVIEW虚拟仪器项目开发与管理[M]. 北京:机械工业出版社，2012.

[3] 吴成东,孙秋野. LabVIEW虚拟仪器程序设计及应用[M].北京：人民邮电出版社,2008.

[4] 杨忠仁，饶程.基于LabVIEW数据采集系统[J].重庆大学学报,2004，27(2):32-34.

[5] 石川，张琳娜.基于LabVIEW数据采集与信号处理系统的设计[J].机械设计与制造,2009(5):21-23.

[6] 张军峰，王燕燕.基于PLC-816和LabVIEW的高速数据采集系统设计[J].机械设计与制造,2007(7).

[7] 陈真,王延江.基于LabVIEW的远程数据采集系统开发[J].仪表技术与传感器,2006(6):16-19.

[8] 张丙才,刘琳.基于LabVIEW的数据采集和信号处理[J].仪表技术与传感器,2007(12):74-75.

[9] 李震,柯旭贵.虚拟仪器的发展历史、研究现状与展望[J].安徽工程科技学院学报， 2003,18(4):1-3.

[10]闫玲，方开翔.基于LabVIEW的多功能数据采集与信号处理系统[J].江苏科技大学学报，2006,20(3)：50-54.

中图分类号：TH7；TP273

文献标志码：A

DOI:10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201507009

内蒙古自治区高等学科科学基金资助项目(编号：NJZY13117)；

内蒙古工业大学科学基金资助项目(编号：ZD201303)。

修改稿收到日期：2015-01-09。

第一作者王平(1989-)，男，现为内蒙古工业大学机械制造及其自动化专业在读硕士研究生；主要从事机电控制设计与研究。