基于NI数据采集卡的虚拟仪器面板设计

韩 涛，段世慧

(中国飞机强度研究所，陕西 西安710065)

基于NI数据采集卡的虚拟仪器面板设计

韩 涛，段世慧

(中国飞机强度研究所，陕西 西安710065)

以计算机和NI DAQPad-6016数据采集卡为主要硬件，以LabVIEW为软件开发平台，调用NI-DAQmx库函数，设计了一种能够实现应变数据的采集与分析的多功能虚拟仪器系统，实现了对结构强度试验的关键应变测量点进行单通道、多通道数据的采集，应变数据处理等功能，为结构强度试验的应变测量方法提供了新的思路。该方法将为结构强度试验测试技术发展提供有力的技术支撑。

虚拟仪器；LabVIEW；NI-DAQmx；数据采集

1 引 言

随着结构强度试验不断发展和新的结构强度问题的出现，试验过程中的应变测量技术不断改进。首先，在物理试验开始之前，通过计算分析获得试验件危险点的应变位置坐标。然后，在物理试验过程中对该关键部位的应变进行重点监测，考虑到传统硬件测量仪器的灵活性较差，本文采用功能强大、操作简单的计算机软件开发虚拟仪器，进行关键应变测量，用户可以通过软件的程序编写，针对不同的数据采集卡的功能，合理利用计算机的通信、数据处理、接口扩展等功能进行测量仪器的升级和维护。美国国家仪器公司(National Instructions,NI)在推出LabVIEW的同时，也推出了一系列基于LabVIEW驱动程序的数据采集卡。其中，NI DAQPad-6016数据采集卡是NI公司推出的基于USB通信协议的即插即用型数据采集卡，其驱动程序为NI-DAQmx。结合LabVIEW软件，调用NI-DAQmx编写相应的数据采集程序是本文研究的重要内容。

2 数据采集系统的硬件选型

本文采用NI DAQPad-6016数据采集卡作为外围数据采集输入设备，其外观如图1所示。

图1 NI DAQPad-6016数据采集卡外观图

NI公司推出的DAQ Pad-6016数据采集卡的更新速率达300S/s，具有16位的分辨率，200kS/s的采样速率，配备16路模拟输入，32条数字I/O线，2路模拟输出，2个32位计数器/定时器，可提供OEM版，兼容NI-DAQmx测量服务软件并带有扩展数字I/O，其与PC机通信接口采用即插即用的USB 2.0，便于快速安装和设置，内置信号连接，但需外部供电，其驱动软件与LabVIEW、LabWindows/CVI和Measurement studio for Visual Studio.NET紧密集成。

3 数据采集系统的输入模式

对于结构强度试验而言，试验现场的电磁噪声以及环境变化对测量仪器的可靠性提出了较高的要求。鉴于此，本文选用差分输入方式，其接法如图2所示，红色接头和黑色接头分别接入两个通道。差分输入可以有效抑制接地回路产生的感应误差，同时可以最大程度地屏蔽测量场中的电磁、振动等环境噪声。在实际测量时，NI DAQPad-6016数据采集卡的端口1、2作为第一通道，端口4、5作为第二通道，但试验中发现，差分接法有明显漂移，所以实际应用时，将2口与3口连接，5口与6口连接，有效消除漂移。

图2 NI DAQPad-6016数据采集卡差分接法

差分接法只读取两极信号之间的电势差，不会测量共模电压，即对仪器放大器输入端相对仪器接地端之间的电压具有很强的屏蔽作用。对于结构强度试验的应变测量，该接法可以最大程度保证测量精度。

4 虚拟仪器设计及调试

4.1 面板设计

面板设计需考虑操作简单、系统易实现、人机对话友好等方面。功能实现需考虑在界面上调整数据采集卡的参数及相关的数据处理、数据存储和生成报表，其前面板如图3所示。

图3 关键应变采集与处理前面板框图

NI DAQPad-6016数据采集卡提供了16通道模拟输入，而且采集的数据以2D数组的形式返回，故数据采集的通道扩展很灵活。本文以双通道数据测量实现为目标，逐步实现数据采集与处理。

4.2 采集触发

在LabVIEW中，测量时的触发方法有两种，即软件触发和硬件触发。其中，软件触发具有独立性，可以不通过硬件进行操作；还具有灵活性，可以应用于触发采集的各种场合。所以，本文采用软件触发，其触发采集过程只是对所测量的数据按照一定的设置截取一部分可用信号。在虚拟仪器面板上，除了可以设置与数据采集相关的参数外，还可以设置触发方式和预触发采样点数等，如图4所示，设置的触发方式为上升沿触发，预触发采样点数为0。试验结果表明，本程序实现了对采集数据进行软件触发的功能。由于试验过程中采样时间较短，触发过程只截取了部分波形。

图4 触发前(左)后(右)波形图

4.3 滤波处理

对于结构强度试验测量而言，环境噪声对测量结果的影响无处不在。为保证测量精度，对测量结果的滤波处理显得尤为重要。数字滤波器具有较高准确度和稳定性，其系统函数可以根据滤波要求进行相应的改变，灵活性较高。与模拟滤波器相比，不存在阻抗匹配问题，便于大规模集成。对于多通道数据采集，具有扩展方便、可实现多位滤波等优点。因而，本文采用数字滤波器，直接调用LabVIEW库函数中的数字滤波器，如图5所示，根据对正弦波加巴特沃斯滤波器的结果，明显看到方波经过巴特沃斯滤波器后有明显的幅值截止，说明本程序能够实现对数据采集过程进行滤波处理的功能，能够满足结构强度试验数据测量的噪声屏蔽要求。

图5 滤波器处理前(左)后(右)波形图

4.4 数据回调

结构强度试验测量结果要进行实时处理，与此同时，对于试验结果的回调分析也是数据采集处理的必要环节。LabVIEW提供了两个Express VI用来完成对数据测试的读写，使用时只要进行简单的设置即可实现。Read LabVIEW Measurement File和Write LabVIEW Measurement File的框图程序调用图标如图6所示。

图6 Read和 Write程序调用图标

数据回调程序运行时，分别弹出文件命名和选择对话框。如图7所示，根据对正弦波数据报表的试验结果，明显看到正弦波数据回调的结果。

图7 数据报表前(左)后(右)波形图

5 结 论

本文针对采用虚拟仪器技术对结构强度试验关键应变点进行测量的问题进行了研究探索，研究结果表明，虚拟仪器可使结构强度测试系统功能更完善、适应性更强。无论是数据采集和数据处理，还是实时测量和数据回调，采用虚拟仪器都能提供理想而高效的解决方案。但是，本文所设计的虚拟仪器要在实际中进行应用，还有很多技术问题亟待解决，故本文只用于学术研究。综上所述可以预见，随着计算机技术的不断发展，虚拟仪器将会在结构强度试验测试技术中发挥重要作用。

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Design of Virtual Instrument Panel based on NI Data Acquisition Card

Han Tao, Duan Shihui

(Aircraft Strength Research Institute of China, Xi′an 710065, Shaanxi, China)

With the computer and NI DAQPad-6016 data acquisition card as the main hardware, LabVIEW as the software development platform, NI-DAQmx library function is used to construct the multi-functional virtual instrument system which can realize the data acquisition and analysis of strain data. The system can accomplish the single channel and multi-channel data acquisition of the key point of strain measurement of structural strength test, the strain data processing and other functions. It provides a new way for the strain measurement of structural strength test, and this method will provide strong technical support for the development of test technology in structure strength test.

virtual instrument; LabVIEW; NI-DAQmx; data acquisition

2016-11-10

韩 涛(1986-)，男，吉林九台人，汉族，硕士，工程师，主要从事计算力学与结构试验仿真技术方向的研究工作。

TP274+.2

B

10.3969/j.issn.1674-3407.2016.04.018