浅谈NI-LabVIEW开发测量系统

摘 要 随着人们生活质量需求越来越高，科技的进步也迅速发展，更多的智能化设备在需求中诞生，但高额的费用让人望而却步，其中很大一部分原因为人工成本，如何降低成本是每个厂商的首要考虑问题。因此高效的测量系统就显得尤为重要，它既能高效地完成既定任务量，又能极大减轻人工成本，并且具有可改动性，可胜任多样性的测试任务，极大地缩短了研发、测量以及量产周期。National Instruments公司为各种测量、控制系统提供支持，在工业中得到广泛应用。

关键词 LabVIEW;数据采集;测量系统

1LabVIEW及虚拟仪器概述

LabVIEW（Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench）是图形化编程语言，采用数据流编程方式，数据在程序框图节点中的流动决定了VI和函数的执行顺序。VI（virtual instruments）指虚拟仪器，是可模拟物理仪器的LabVIEW程序模块。程序框图、前面板和图形化代码共同构成一个完整VI。虚拟仪器将硬件、软件与工业标准的计算机技术相结合，使用虚拟仪器可创建整套集成了不同硬件和软件的系统，进行多样化的测试、测量、工业自动化任务。LabVIEW提供很多外观与传统仪器（如示波器、万用表）类似的控件，可用来方便地创建用户界面。本文主要是介绍利用NI-DAQmx来完成测量系统构建的过程以及常用的测量方法[1]。

2测量系统概述

数据采集（Data AcQuisition，DAQ）是指从传感器和其他待测设备等模拟或数字被测单元中自动采集信息的过程，数据采集是LabVIEW的核心技术之一。测量系统其主要任务是，将实际的物理现象转化为可度量的量，或者产生物理信号。使用以DAQ为核心的数据采集系统，能快速开发适合于各种场合的测量系统，被广泛应用于现代生产、制造等过程中。

测量系统包括传感器部分、信号调理部分、数据采集部分、计算机、驱动程序与应用软件，以及测量应用部分，具体如图1所示。整个测量系统一般可分为上位机与下位机。上位机即广义上的计算机，包括计算机的系统配置、驱动程序、应用程序及应用软件，其他部分为下位机。而随着集成化程度的提高，很多厂商将传感器、信号调理、数据采集集成到一个模块，可统称传感器模块，所以整个系统可简化为三个模块：传感器部分、PC机上层应用部分、测量应用部分。LabVIEW仪器通信方式包括GPIB通信、串行通信、USB通信、以太网通信等。计算机通过合适的总线实现对仪器的控制，既能发送测量命令，也能实现数据的回传。用户只需了解总线通信以及如何开发上层应用软件即可。

国标中传感器的定义为：“能够感受规定的被测量，并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成”。在工业中一般将其转化为电信号，电压或电流。常见的温度传感器就是由敏感元件组成，如热电偶、电阻式温度传感器（RTD）和热敏电阻。而测量力、压力、转矩的传感器则需要借助转换单元，内部核心基于惠斯通电桥。

使信号适合数字化的过程称为信号调理。信号调理组件用于调理物理现象，其方法通常包括：放大、衰减、滤波、线性化、传感器激励、隔离等。滤波调理适用于对噪声环境要求高的设备。放大调理适用于小信号测量时，通过增大信号相对于噪声的幅度，提高数字化信号的精度，使最大电压变化等于ADC或数字化仪的最大输入范围，可提高准确性，衰减与此相反。隔离信号调理技术可防止人体和测量设备接触过大的电压，可降低较高的共模电压，获取测量设备可处理的电压信号，也可避免接地电势差对设备的影响。线性化是用于调理电信号与物理量不呈线性关系的传感器。激励类似于收音机用于接收和解码音频信号所需的电源，许多测量设备可为传感器提供激励。

数据采集是将调理好的信号，进行收集整理，并通过合适的总线将数据传递给计算机。驱动程序是硬件的应用程序编程接口（API），可以直接对数据采集硬件的寄存器进行编程，一般驱动程序由厂商提供;软件用于控制测量系统，通知设备何时通过哪个通道获取或生成数据，也可用于分析数据，将原始数据经曲线拟合、统计分析、频率响应或其他数值运算后被转化为有意义的信息，并能通过图形或图表显示数据，或生成报表，以及数据的存储。

应用软件控制测量应用的过程即为控制应用。控制应用中包含一个或多个需控制的过程变量。比例积分微分（PID）算法是仪器控制中常用的处理方法，常用于加热和冷却系统、液面监控和压力控制应用，其过程如图2所示。传感器可测量系统中的过程变量，设定值为过程变量的预期值。比较器实时计算过程变量与设定值的差值，补偿器通过执行输出来减少差值，使系統趋近设定值[2]。

3NI-DAQmx应用过程

通用DAQ设备用于采集或生成数据，生成模拟信号（如正弦波）和数字信号（如脉冲），可包含多个通道;DAQ软件通常包括驱动程序和应用程序。NI-DAQmx是最新的NI-DAQ驱动程序，带有控制测量设备所需的最新VI、函数和开发工具，性能更佳，单点模拟I/O速度更快且支持多线程开发。NI-DAQmx驱动软件可用于对NI测量设备编程，通过驱动程序发送命令至设备，同时也能对采集所得的数据进行显示和分析。

安装NI-DAQmx模块后，可以使用NI MAX或者DAQ助手配置测量设备。NI MAX可以虚拟测量设备，方便开发者在无设备时验证方案的可行性，并能方便地移植到实际设备上。DAQ助手在测量I/O选板和Express的输入选板上均可找到。在NI-DAQmx中，任务是一个或多个通道以及定时、触发等属性的集合，可将所有配置信息设置保存在一个任务中并用于某个应用程序。任务的创建包括：配置测量硬件（应用程序）、创建任务和通道、（可选）配置通道、定时和触发、读取或写入采样、清除任务。根据应用程序的需要，灵活调整配置并进行读写。任务中可加入起始、停止和清除等步骤，规范程序的开发过程。

4数据显示

完成数据采集后，在MAX中可用图形、图表或表格看到运行结果。对数据有更细致要求时，可使用内置的数学VI、信号处理和报表生成等函数块，对采集到的数据进行数学运算、分析和报表制作。数据按需求处理完后，可按数据类型分别进行显示，常用的图形显示包括：波形图表、波形图、XY图、数字波形图等。使用波形图时需要注意，它由起始时间（t0）、时间间隔（dt）、波形数据和属性组成，波形数据表示波形的值，波形VI中的函数用于访问和操作波形的各个组成部分。

5结束语

熟练应用LabVIEW的各类函数，根据实际需求进行定制，快速组建测试系统，验证方案可行性。当然实际应用中还有很多的因素需要考虑，如通道的分配，模拟量的采样率、精度，程序是否需要用到触发，选择哪种触发类型，数字量的相关操作，计数器的相关使用等。NI提供了多样的采集、分析设备，可适用于不同的测试任务中，相信随着技术的日益更新，测试系统的开发将更便捷、快速、高效，更好地服务于智能化工业制造。

参考文献

[1] 丁业昌，徐利明，李建林.虚拟仪器技术在实验室测量中的应用[J].软件，2013，34（2）：168-170.

[2] 韩可强，裴军伟，黄家刚，等.基于LabVIEW诊断自动化实现[J].汽车电器，2018，362（10）：60-61，64.

作者简介

侯光辉（1990-），男，河南省安阳市;毕业院校：哈尔滨石油学院，专业：通信工程，学历：本科，职称：软件工程师，现就职单位：北京航天万达高科技有限公司，研究方向：通信工程。