基于LabVIEW的数字采集仪在线校准系统设计与开发

2013-10-25杨慧玉刘学明

中国测试 2013年1期

杨慧玉，任兵，合烨，刘学明，李平

（1.重庆建设工业集团有限责任公司，重庆 400050；2.重庆大学机械传动国家重点实验室，重庆 400044）

0 引言

数字采集仪以及动态信号分析仪种类繁多，在测控领域应用广泛。随着电子技术的发展，各种数字采集仪的性能都有所提高。按照国家计量校准规程对这类仪器进行校准，需要各种校准仪器协调工作，同时对测试人员的要求很高，但校准工作效率和校准精度不高。尤其是由于校准涉及一些重复操作，会使检测人员出现疲劳，由此可能产生一些误操作，影响校准结果。针对这些问题，本文通过采用基于虚拟仪器的校准系统取代人工校准，能精确、迅速地完成仪器的校准任务，具有很好的应用前景。

基于虚拟仪器的测试系统近几年在国内外发展迅速，很多学者和单位都开发了相应的产品[1]。在虚拟仪器的设计过程中，软件平台的选择对于仪器功能的设计和开发至关重要。LabVIEW是美国国家仪器公司（NI）开发的面向测控领域的图形化虚拟仪器开发平台，它基于图形化的编程语言，自身具有丰富的图形控件和强大的函数库，采用拖放图标和流程图的形式进行仪器的开发。此外，LabVIEW支持大量的仪器驱动和通信协议，借助一致的驱动API，可以实现对仪器的底层命令控制[2-3]；因此，本文采用LabVIEW软件，结合硬件平台，开发出数字采集仪在线校准系统。

1 校准系统的硬件设计

1.1 硬件总体设计

按照传统的校准方法，需要配置正弦信号发生器、频率计、数字电压表和白噪声信号发生器等多台仪器[4-5]，这些仪器相互独立，不利于携带和现场测试。为更适合工程应用，本校准系统采用NI公司的基于PXI总线的硬件设备来取代传统的仪器。

基于PXI总线的系统能胜任恶劣环境所要满足的要求[6]：（1）能在严酷的工业环境下工作；（2）通过共享硬件资源以减小体积；（3）内置定时和触发信号，集成了定时和同步特性，减少不同仪器之间实现触发和同步功能的复杂性；（4）使系统集成变得更简易。

校准系统的组成框图如图1所示。

图1 校准系统的结构图

具体的硬件配置如下：

（1）NI PXIe-8108嵌入式控制器；

（2）NI PXIe-1082 8槽Express机箱；

（3）NI PXI-4461信号发生器；

（4）NI PXI-5122高速数字化仪；

（5）打印机。

1.2 机箱与控制器

采用嵌入式控制器PXIe-8108和机箱PXIe-1082结合的方式，作为虚拟仪器的硬件平台基础。NI公司的基于PXI总线嵌入式控制器和机箱体积小，性能好，携带方便，适合工程应用。

1.3 信号发生模块

采用PXI4461作为信号发生器，它可以实现2路同步更新模拟输出通道，输出标准信号至被检仪器。通过信号分线装置，可以实现多路实时同步信号输出，用于仪器多通道的功能指标校准。

通过软件功能设计，PXI4461可产生任意波形的标准信号，如正弦信号、白噪声信号等。

校准系统信号发生模块达到的具体指标为：

（1）24位分辨率，采样率204.8kS/s，动态范围优于110dB；

（2）配合信号分线装置，输出通道为16个；

（3）信号幅值范围为-10～10 V，允许误差优于0.05%，幅值稳定性优于0.3%（8h）；

（4）信号频率：

测量范围 0.01～20kHz，允许误差优于 1×10-4；

测量范围 0.02～1MHz，允许误差优于 5×10-5；

（5）稳定性优于0.05%；

（6）失真度≤0.03%。

1.4 数据采集与仪器控制模块

实时信号采集和处理部分采用的是PXI-5122数字化仪，它可以取代电压表和频率计，实现对本装置信号发生器的频率、幅度、动态范围等参数的测量，同时也可以控制并读取被校准仪器的测量结果，进行校准项目结果的计算。

它所能达到的主要指标如下：

（1）垂直分辨率14位，采样带宽100MHz，采样率100MS/s；

（2）频率分辨率误差≤1×10-4；

（3）交流电压测量允许误差≤±0.1%。

上述指标都能达到JJG 834-2006《动态信号分析仪检定规程》和JJF 1048-1995《数据采集系统校准规范》的要求；因此，本校准系统的硬件平台在功能上完全可以代替国家检定规程中所要求的检定仪器。而且，该硬件平台精度高，可控性好，模块之间可以实时通信，可以实现自动化的校准工作。

2 校准系统的软件开发

为提高开发效率，缩短开发周期，本校准系统是在NI公司的虚拟仪器开发平台LabVIEW环境中开发的。

2.1 仪器界面与架构设计

由于本校准系统的功能是对数字采集仪器进行校准，校准项目的制定是基于JJG 834-2006和JJF 1048-1995，校准项目个数较多。若采用传统的选项卡或按钮进行校准项目的选择会造成界面控件布局密集，影响美观和舒适度。而且，从长远角度考虑，如果对仪器功能进行扩充，采用传统的方法，需要重新设计仪器界面；因此，本文在校准系统的开发中，采用主界面和子界面独立设计[7]。主界面及主程序，完成仪器校准的初始化、仪器校准项目的选择和最终校准报告的生成及打印。

图2 主界面动态调用子程序

本校准系统主界面设计以子面板为核心，将不同的校准项目调至子面板界面中执行，通过枚举选择控件完成校准项目的选择。采用这种方式的主界面极为精简，并且子程序的改变都不会影响到主界面，有利于系统的维护和升级。图2为主程序动态调用子程序，在主界面的子面板中显示的程序图。图3为校准系统的主程序流程图。

图3 校准系统的主程序流程图

如图3所示，初始化主要完成界面数据、控件状态的初始化。考虑到被检仪器生产厂家各不相同，仪器的级别也不相同，为了具有通用性，本校准系统分为手动校准和自动校准。对于自动校准，校准系统采用全局变量选择仪器驱动子程序进行通信，完成相应的驱动程序的调用。手动校准是针对一些生产厂家的老型号仪器，这类仪器无法实现程序控制和数据通信，因此在仪器校准过程中需要手动输入一些仪器的参数和读数。

2.2 被检仪器的程序设计

自动校准适用于可以进行程序控制和数据通信的仪器，通过对仪器的控制可以自动完成每个校准项目，减少人为干预，提高校准精度。

对于被检仪器的控制，主要分为两类：一类是LabVIEW驱动库支持，还有一类是通过动态链接库调用。NI公司开发的用来与各种仪器总线进行通信的高级应用编程接口-VISA，不受平台、总线和环境的限制，可用来对 USB、GPIB、串口、VXI、PXI和以太网系统进行配置、编程和调试。通过LabVIEW对VISA进行配置，就可以实现对仪器的控制[6]。

LabVIEW为更好地支持普通数据采集卡等硬件，提供了调用库函数节点（call library function node，CLFN）和代码接口节点（code interface node，CIN）两种实现方法。LabVIEW平台下调用动态连接库的方法，比研究利用CIN节点的方法更有意义[8]。采用CLFN节点，LabVIEW可以较容易地实现访问动态连接库（DLL）。本校准系统在开发过程中，对于国产的采集仪器采用DLL调用的方法，如采用DLL调用方式读取北京优采公司的UA300中数据。通过调用采集器DLL文件，严格按照数据匹配类型配置CLFN的输入和输出节点，并且按照采集器的量程进行转换，以此得到采集的数据。可以发现，该方法可以充分利用采集器的DLL文件资源，无需重新编写采集程序，很大地缩减了开发周期。

2.3 校准系统中校准项目的设计

校准系统中每个校准项目的界面和功能设计是系统开发的核心。在校准项目子程序界面的设计中，充分考虑工业用户界面的设计要求。通过选用合适的LabVIEW控件，或者自行设计自定义控件，达到较好的界面效果。校准项目子程序设计采用状态机模式[7，9]。状态机是最高级的LabVIEW设计模式，它具有极大的灵活性和可扩展性，可以允许代码从任意一个状态跳转到另一个状态，同时保证了程序的可读性。图5为校准项目的程序流程图。

图4 采用DLL方式读取UA300数据

图5 校准项目子程序流程图

信号发生器与采集控制设计：信号发生器采用软件输出标准信号源，通过硬件PXI4461的AO口输出，以此作为信号发生器。在软件设计的过程中，不同校准项目所要求的信号源不尽相同，而且，在一个校准项目的操作过程中，信号也是根据需要进行自动调整。本校准系统在设计信号发生器的过程中，通过信号发生与数据采集相互协调、制约来完成。

（1）当信号发生器产生该校准项目所需的信号时，触发采集模块进行采集，这就保证了采集信号的有效性。

（2）当对该类型信号采集完成时，采集模块给信号发生器模块一个触发信号，则进行信号参数的自动调整。

（3）根据校准项目的需求，当采集模块采集够所需的全部数据时，触发信号发生器关闭，然后程序跳转至数据处理模块。

对采集到的数据进行处理，主要是基于JJG 834-2006和JJF 1048-1995。它们针对的是传统校准方法，在某些条目上不适合自动校准；因此，本校准系统在开发过程中，充分利用计算机的优势，在算法上进行了一定程度的优化，比如，对于最高采集速率的校准项目中，按照校准规程，需要人工统计出N个信号周期内采集数据个数n，然后以此计算出最高采集速率。而在自动校准过程中，对一个信号进行采集时，首先要规定采集的个数n，而不是统计出n；因此，该规程在此实用性较差。本校准系统在实现该算法时，先规定采集个数n，然后通过计算信号过零点的次数，统计出信号周期N，以此计算最高采样速率。同样，在其他项目的校准过程中，由于校准规程针对的是手动校准与人工读数，为降低测试人员工作量，在多次读值的过程中对平均次数的要求较低，而在自动化校准系统的开发过程中，可以通过提高平均次数进行多次采集，提高读值的精度。

2.4 报表生成的设计

报表的生成采用Word模板设计，这种方法适合规范化、标准化的报表生成。采用这种方法进行报表设计，只需要设计好报表模板，然后将每次检定的结果填入到报表中相应的位置即可。

首先根据需求设计好标准化的模板，对于模板中需要填入的数据，采用Word中的“书签”进行位置标记。

每个检定项目产生的检定结果，可以通过全局变量和配置文件的形式保存在程序中，当检定完所有的项目后，点击“报表”按钮，程序会读取所有检定项目的结果，填入到报表中相应的“书签”位置。采用“书签”形式，可以方便快捷地在报表中填入单个数据、数组表格以及图形。对于生成的报表，可以直接通过打印机打印。

3 实验

图6 采用数字采集仪在线校准系统对UA300进行采集线性度校准界面图

图6为采用本文开发的数字采集仪在线校准系统对UA300进行采集线性度的校准时的操作界面。

系统界面的左下角是校准项目选择区，图6中显示选择采集线性度校准项进行实验，该检定项目为自动检定。系统界面中间部分为线性度测量子程序的界面，就是采用本文中提到的动态调用子程序方法嵌入到子面板中。

由于本检定项目为自动检定，当用户点击“开始”按钮时，系统首先进行自检，通过查询设备之间的通信是否正常完成自检。当自检成功后，其对应的标志灯会亮。系统进入信号发生模块控制区，按照预先设定好的信号发出信号，系统确认发出的信号为标准信号后，启动采集模块，按照预先设定好的采集次数和采集数据的个数完成采集任务。当完成当前信号的采集后，系统再次控制信号发生器，更改信号的参数，然后再次进行采集。按照该实验的校准规程，需要在被检仪器量程范围内选择11个点进行数据采集。当系统采集到所需的所有数据后，关闭信号发生模块和信号采集模块，程序跳转至线性度结果计算模块，得到线性度的检定结果，并保存至主程序的结果变量中。

这样就完成了线性度的检定，然后选择其他的检定项目进行检定。当所有的检定项目都完成后，可以点击“报表”按钮，生成报表。

图6中的图形显示控件以及界面右侧的校准过程数据可以实时显示采集的数据，右上角的实时帮助可以提供当前自动校准的状态，当采用手动校准时，它可以提供提示帮助。