基于LABVIEW的32通道汇总
LabVIEW简述
虚拟仪器（virtual instrumention）是仪器需求组织的数据采集系统基于计算机的仪器。计算机和仪器的密切结合是⽬前仪器发展的⼀个重要⽅向。粗略地说这种结合有两种⽅式，⼀种是将计算机装⼊仪器，其典型的例⼦就是所谓智能化的仪器。随着计算机功能的⽇益强⼤以及其体积的⽇趋缩⼩，这类仪器功能也越来越强⼤，⽬前已经出现含嵌⼊式系统的仪器。另⼀种⽅式是将仪器装⼊计算机。以通⽤的计算机硬件及操作系统为依托，实现各种仪器功能。虚拟仪器主要是指这种⽅式。 LabVIEW（Laboratory Virtual instrument Engineering）是⼀种图形化的编程语⾔，它⼴泛地被⼯业界、学术界和研究实验室所接受，视为⼀个标准的数据采集和仪器控制软件。LabVIEW集成了与满⾜GPIB、VXI、RS-232和RS-485协议的硬件及数据采集卡通讯的全部功能。它还内置了便于应⽤TCP/IP、ActiveX等软件标准的库函数。这是⼀个功能强⼤且灵活的软件。利⽤它可以⽅便地建⽴⾃⼰的虚拟仪器，其图形化的界⾯使得编程及使⽤过程都⽣动有趣。
虚拟仪器的主要特点有：
尽可能采⽤了通⽤的硬件，各种仪器的差异主要是软件。
可充分发挥计算机的能⼒，有强⼤的数据处理功能，可以创造出功能更强的仪器。
⽤户可以根据⾃⼰的需要定义和制造各种仪器。
利⽤LabVIEW，可产⽣独⽴运⾏的可执⾏⽂件，它是⼀个真正的３２位编译器。
本设计以32个通道进⾏设计，从传感器来的模拟输⼊信号，经过信号调理后，输⼊到NI PCI-6221数据采集卡，然后经过PCI总线送⼊PC机，由软件进⾏数据处理，包括数据的平均值滤波，采样波形的实时显⽰，并以⼀定的时间间隔插⼊数据库进⾏历史数据保存，边采集边保存，然后通过数据库技术实现了历史数据的检索。本设计采⽤NI PCI-6221数据采集卡，运⽤虚拟仪器及其相关技术于多通道数据采集系统的设计。该系统具有数据同时采集、采集数据实时显⽰、存储与管理、报警记录等功能，最后使⽤Web技术实现了采集数据的远程访问。 关于远程数据检索部分，因为数据已保存到数据库⾥，通过⽹络很容易进⾏访问。本设计采⽤Apache＋PHP＋MySQL服务器套件来实现了采集数据的远程访问。
第⼆节系统设计理论及硬件平台的实现
⼀数据采集
该部分主要包括数据采集技术概述，传感器，输⼊信号的分析、调理以及测量系统的选择。 数据采集是计算机与外部物理世界连接的桥梁。各种类型信号采集的难易程度差别很⼤。实际采集时，噪声也可能带来⼀些⿇烦。数据采集时，有⼀些基本原理要注意，还有更多的实际的问题要解决。
根据采样定理，最低采样频率必须是信号频率的两倍。反过来说，如果给定了采样频率，那么能够正确显⽰信号⽽不发⽣畸变的最⼤频率叫做恩奎斯特频率，它是采样频率的⼀半。如果信号中包含频率⾼于奈奎斯特频率的成分，信号将在直流和恩奎斯特频率之间畸变。
采样率过低的结果是还原的信号的频率看上去与原始信号不同。这种信号畸变叫做混叠。出现的混频偏差是输⼊信号的频率和最靠近的采样率整数倍的差的绝对值。为了避免这种情况的发⽣，通常在信号被采集(A/D)之前，经过⼀个低通滤波器，将信号中⾼于奈奎斯特频率的信号成分滤去。理论上设置采样频率为被采集信号最⾼频率成分的2倍就够了，但实际上⼯程中选⽤5-10倍，有时为了较好地还原波形，甚⾄更⾼⼀些。dsp管理器
1.采集系统的组成及各部分功能
在数据采集之前，程序将对采集板卡初始化，板卡上和内存中的Buffer是数据采集存储的中间环节。
缓冲(Buffers)，这⾥的缓冲指的是PC内存的⼀个区域(不是数据采集卡上的FIFO缓冲)，它⽤来临时存放数据。需要注意的是Buffer与采集操作的速度及容量有关。
触发(Triggering)，触发涉及初始化、终⽌或同步采集事件的任何⽅法。触发器通常是⼀个数字或模拟信号，其状态可确定动作的发⽣。采集卡等待⼀个外部仪器发出的数字脉冲到来后初始化采集卡，这是外部触发。许多仪器提供数字输出(常称
为“trigger out”)⽤于触发特定的装置或仪器，在这⾥，就是数据采集卡。
（1）传感器
传感器部分是跟外界沟通的门户，负责把外界的各种物理信息，如光、压⼒、温度、声⾳等物理信号变成电信号。因为被测试对象的信号来源已经是变换好了的电信号，所以传感器部分在设计中没有得到具体体现，但是这部分是设计过程中必需要考虑
的。
（2）信号调理
从传感器得到的信号⼤多要经过调理才能进⼊数据采集设备，信号调理功能包括放⼤、
隔离、滤波、激励、线性化等。由于不同传感器有不同的特性，除了这些通⽤功能外，还要根据具体传感器的特性和要求来设计特殊的信号调理功能。信号调理的通⽤功能：放⼤、隔离、滤波、激励、线性化、数字信号调理。
2.输⼊信号的类型
在进⾏数据采集前，必须对要采集的信号有所了解，因为不同信号的测量⽅式和对采集系统的要求是不同的。根据信号运载信息⽅式的不同，可以将信号分为模拟或数字信号。数字信号⼜可分为开关信号和脉冲信号。模拟信号则可分为直流、时域、频域信号。
1）数字信号(Digital)
第⼀类数字信号是开关信号(On-Off)。第⼆类数字信号是脉冲信号(Pulse Train)。
2）模拟信号(Analog)
3.输⼊信号的连接⽅式
⼀个电压信号可以分为接地和浮动两种类型。测量系统可以分为差分(Differential)、参考地单端(RSE)、⽆参考地单端(NRSE)三种类型。
白马湖之冬1）接地信号
接地信号，就是将信号的⼀端与系统地连接起来，如⼤地或建筑物的地。因为信号⽤的是系统地，所以与数据采集卡是共地的。
型男耀广西2）浮动信号
⼀个不与任何地(如⼤地或建筑物的地)连接的电压信号称为浮动信号，浮动信号的每个端⼝都与系统地独⽴。
⼆测量系统分类
1差分测量系统(DEF)
差分测量系统中，信号输⼊端与⼀个模拟⼊通道相连接。具有放⼤器的数据采集卡可配置成差分测量系统。差分测量系统，⽤⼀个放⼤器通过模拟多路转换器进⾏通道间的转换。标有AIGND(模拟输⼊地)的管脚就是测量系统的地。
2参考地单端测量系统(RSE)
⼀个RSE测量系统，也叫做接地测量系统，被测信号的⼀端接模拟输⼊通道，另⼀端连接系统地AIGND。下图表⽰了⼀个16通道的RSE测量系统。
⼗六通道RSE测量系统
3⽆参考地单端测量系统(NRSE)
在NRSE测量系统中，信号的⼀端接模拟输⼊通道，另⼀端接⼀个公⽤参考端，但这个参考端电压相对于测量系统的地来说是不断变化的。下图说明了⼀个NRSE测量系统，其中AISENSE是测量的公共参考端，AIGND是系统的地。
⼗六通道NRSE测量系统
三选择合适的测量系统
两种信号源和三种测量系统⼀共可以组成的六种连接⽅式：
中国期刊全文数据库测量系统连接⽅式
其中，推荐使⽤带☆号的⽅式。从上表可以看出，浮动信号和差分连接⽅式的系统较好。
1测量接地信号
测量接地信号最好采⽤差分或NRSE测量系统。如果采⽤RSE测量系统时，将会给测量结果带来较⼤的误差。⽤RSE测量系统去测量⼀个接地信号源的弊端。在本例中，测量电压Vm是测量信号电压Vs和电位差DVg之和，其中DVg是信号地和测量地之间的电位差，这个电位差来⾃于接地回路电阻，可
能会造成数据错误。⼀个接地回路通常会在测量数据中引⼊频率为电源频率的交流和偏置直流⼲扰。⼀种避免接地回路形成的办法就是在测量信号前使⽤隔离⽅法，测量隔离之后的信号。
2测量浮动信号
测量浮动信号可以采⽤DEF、RSE、NRSE⽅式测量浮动信号。在差分测量系统中，应⾸先保证相对于测量地的信号的共模电压在测量系统设备允许的范围之内。如果采⽤差分或NRSE测量系统，放⼤器输⼊偏置电流会导致浮动信号电压偏离数据采集卡的有效范围。
总的来说，不论测量接地还是浮动信号，差分测量系统是很好的选择，因为它不但避免了接地回路⼲扰，还避免了环境⼲扰。相反，RSE系统却允许两种⼲扰的存在，在所有输⼊信号都满⾜以下指标时，可以采⽤RSE测量⽅式：输⼊信号是⾼电平(⼀般要超过1V)；连线⽐较短(⼀般⼩于5⽶)并且环境⼲扰很⼩或屏蔽良好；所有输⼊信号都与信号源共地。当有⼀项不满⾜要求时，就要考虑使⽤差分测量⽅式。
四数据采集卡的选择
数据采集板卡的性能与众多因素相关，要根据具体情况来具体分析。所以在选择数据采集卡构成系统时，⾸先必须对数据采集卡的性能指标有所了解。
1.数据采集卡的主要性能指标
采样频率、采样⽅法、分辨率、电压动态范围、I/O通道数。
2.数据采集卡(DAQ卡)的组成
由多路开关、放⼤器、采样保持器、A/D转换器组成。
⽬前，通常将采样保持器和A/D转换器集成在同⼀块芯⽚上。以上四个部分是数据采集卡的重要组成部分，与其他的电路如定时/计数器、总线接⼝等电路仪器组成DAQ。
3.NI PCI-6221数据采集卡
NI PCI-6221是NI公司的M系列多功能数据采集卡，采⽤的是⼀个A/D转换器，虽然是多路采集，实际上是分时⼯作的，所有在
多路同时⼯作时采样率会成倍降低。该板卡的主要性能如下：
◆16路模拟信号输⼊通道，采样率为250kS/s，输⼊范围为-10V～+10V；
◆2路模拟量输出通道，分辨率为16位；
◆24路数字I/O，数字触发；
◆2个32位定时计数器；
◆NI-DAQmx测试软件和硬件配置⽀持；
◆NI-MCal校准⽀持；
◆NIST校准证书和多于70多种的信号调理模块选择。
基于以上原因，本设计选择了NI PCI-6221数据采集卡。
五多通道数据采集系统总体硬件框图
整个系统从被测对象开始，通过传感器转换成电信号，经过信号调理模块进⾏简单的信号出来，⽐如SCC-RTD01热电阻调理模块、SCC-TD02热电偶调理模块、SCC-SG04全桥应变⽚调理模块，将信号送⾄数据采集卡进⾏采集，然后⽤软件进⾏处理。在采集过程中将数据保存到数据库⾥，实现了历史数据的远程访问。下⾯框图为多通道数据采集系统硬件结构图。
多通道数据采集系统硬件结构图
软件是虚拟仪器的关键。设计⼀个虚拟仪器系统，在硬件平台确定之后，就可以通过设计不同的软件，实现不同的仪器功能。
在设计、实现虚拟仪器的软件系统时，需要考虑众多因素，如硬件需求、计算机硬件、操作系统；软件是否建⽴在开放的结构上，是否需要编程经验？利⽤此软件程序是否能在不同的计算机平台上移植?将来能否⽅便的扩展虚拟仪器的功能。由于选⽤专⽤的开发软件，必须具有⼀定的仪器以及数据采集设备配合使⽤。
六程序模块化设计概述
数据采集系统的性能在很⼤程度上取决于其应⽤软件的研究与开发，所以在明确了系统设计⽬标之后，应该采⽤好的程序开发⽅法，如结构化设计⽅法、模块化思想、多线程以及软件系统的评价标准等等。
1.本设计的软件系统模块划分
秩和比法系统程序的主要功能为模块划分的标准，其他包括系统管理，数据采集，数据保存，历史数据的查询等功能。下图是具体结构多通道数据采集功能模块。
多通道数据采集功能模块图
2.远程数据访问系统
该部分设计是整个系统的附加设计部分，主要是为了实现数据的远程访问，通过数据库与数据采集系统连接为⼀体。采集数据的远程访问体现了数据采集的⽹络化的延伸。该远程访问系统是采⽤Apache+PHP+MySQL开发套件进⾏开发的。当然，这部分需要配置服务器，⽹上很多资料可以参考。主要是利⽤PHP建⽴数据库的连接，在本设计中主要实现了⽤户登录页⾯，检索条件输⼊页⾯，结果返回页⾯。。
七多线程技术
为了实现多通道数据采集的功能，本设计的软件部分必须实现信号的采集、数据的分析处理、定时存储及实时显⽰等功能。在⽤户看来，这些任务是同时进⾏着的。实际上，信号采集、定时存储和主控模块放在不同的线程中，利⽤Windows操作系统的多线程机制，使得各个功能模块能够有条不紊的运⾏。
本设计把⽤户命令输⼊、信号动态显⽰和历史数据的查询、分析处理放在主线程中实现，⽽把信号采集和定时存储功能分别放到两个⼯作线程中。
1. LabVIEW与多线程
应⽤多线程技术，可以使得多个独⽴的任务并发执⾏，从⽽极⼤地提⾼程序的效率。LabVIEW把线程管理、线程间的通信等复杂操作封装了起来，因此⽤户可以不⽤学习复杂的多线程编程就可以编写多线程程序。在LabVIEW中，图形化编程为开发多线程代码带来了很⼤的好处，因为在数据流的编程环境中，⽤户可以很容易地“看到”并⾏代码，例如两个独⽴的循环或⼦VI就代表两段可以并发执⾏的代码。
多线程的优点：
1）更⾼的CPU利⽤率
2）更⾼的系统可靠性
3）提⾼在多处理器计算机上的执⾏速度
2.多线程技术在本设计中的应⽤
为了实现采集、显⽰、查询、报警和系统其他操作的并⾏执⾏，在程序中创建了两个⼯作线程：⼀个是采样⼯作线程，专门负责数据采集和存储；⼀个是数据报警和系统其他功能线程，负责定时把缓冲
区中的数据存盘。在⽤户启动系统⼯作时，这两个⼯作线程被创建。但不同的是，采样⼯作线程是在循环往复的⼯作着，直到退出程序；⽽数据存储线程则是在⼀定的时刻被唤醒，⽐如在数据缓冲区满、或程序结束等时候，更多的时候，存储模块是处于挂起的状态。因为信号的采集⼯作和数据存储⼯作是长时间甚⾄长年累⽉运⾏着，这也是⼯业⽣产的实际情况所决定的。
通过采⽤多线程技术，实现了实时性要求⾼的数据采集与程序其它功能(如数据显⽰、读取、存储等)在时间上的相互独⽴，避免它们在时间上可能产⽣的冲突，提⾼了数据采集的稳定性[14]。
吲哚乙酸循环之间的数据传递即线程间的数据传递，可以由局部变量、全局变量、共享变量和队列等⽅式实现。循环之间的同步即线程之间的同步，这可以由同步技术来实现。如果需要为两个循环设置不同的优先级，可以通过定时循环来实现。
第三节系统具体应⽤程序的实现
⼀数据采集程序
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