基于数据采集板卡USB_4704_省略_LabVIEW的虚拟仪器测试系统_贾振岗

基于数据采集板卡USB-4704和LabVIEW的

虚拟仪器测试系统

贾振岗1，李炜1，陈川1，漆静2

（1.西南交通大学 机械工程学院 摩擦学研究所，四川 成都 610031；

2.西南交通大学 机械工程研究所，四川 成都 610031）

摘要：论文介绍了一种基于研华USB-4704数据采集板卡和图形化编程软件LabVIEW的虚拟仪器测量系统，该系统实现了对薄膜压力传感器（Flexiforce Sensors A201）调理电路中电压信号的实时采集、处理、存储，从而可以有效的测量施加在薄膜压力传感器的法向载荷。测试系统主要由薄膜压力传感器、传感器调理电路、数据采集板卡USB-4704、应用开发软件LabVIEW组成。 关键词：数据采集板卡USB-4704；LabVIEW；数据采集 中图分类号：TM938.7

文献标志码：A

doi：10.3969/j.issn.1006-0316.2015.04.016

文章编号：1006－0316 (2015) 04－0066－04

Virtual instrument testing system based on data acquisition equipment

USB-4704 and LabVIEW

JIA Zhen'gang1，LI Wei1，CHEN Chuan1，QI Jing2

( 1.Tribology Institute of Mechanical Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China;

2.Mechanical Engineering Institute, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China )

Abstract：Paper introduced a virtual instrument testing system based on data acquisition equipment of Advantech USB-4704 and graphical programming software LabVIEW. The system achieved the real-time collection, processing and storage of voltage signal from the conditioning circuit of the Flexiforce Sensors A201, which can effectively measure the normal load in the Flexiforce Sensors A201. Test system is mainly composed of Flexiforce Sensors A201, the sensor conditioning circuit, USB-4704, application development software LabVIEW.

Key words：data acquisition card USB-4704；LabVIEW；data acquisition

虚拟仪器（VI）是计算机技术和仪器技术深层次结合的产物，是在以计算机为核心的硬件平台上，由用户设计定义虚拟面板，并由测试软件来实现测试功能的一种计算机仪器系统。数据采集板卡是虚拟仪器进行测试必不可少的硬件，采集板卡从传感器和其它待测设备———————————————

等模拟和数字被测单元中自动采集非电量或者电量信号，送到上位机（PC机，嵌入式控制器等）中进行分析、处理[1-3]。本测试系统基于图形化虚拟仪器编程软件LabVIEW和研华数据采集板卡USB-4704建立了薄膜压力传感器的测量系统，能很好地实现薄膜传感器法向载荷

收稿日期：2014－10－29

基金项目：国家自然科学基金（51290291）

作者简介：贾振岗（1988－），男，山东聊城人，硕士研究生，主要研究方向为机械结构设计。

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的测量，并且对信号进行了有效的采集、处理、显示和存储，图1为该系统的原理流程图。

USB-4704

信号调理电路 应用开发软件Labview

Ut＝－V1(R1/Rs)

1.3 数据采集板卡USB-4704

该测量系统中模拟电压的采集以及模数信号的转换由研华公司的数据采集板卡USB-4704来实现，该采集办卡包含五种最常用的测量和控制功能：14位A/D转换、D/A转换、数字量输入、数字量输出及计数器/定时器功能。

薄膜压力传感器

图1 测试系统的原理流程图

1 测试系统的硬件介绍

1.1 薄膜压力传感器

该传感器可以实现在狭窄微缝环境中对动态力以及静态力的测量，传感器利用感应区电阻阻值Rs随法向载荷改变而变化的特性来实现对法向载荷动态或静态的测量。薄膜压力传感器的相关参数为：厚度0.208 mm，长度197 mm，宽度14 mm，感应区直径为9.53 mm；三个连接管脚，管脚间距为2.54 mm；线性度＜±3%，重复性＜±2.5%，迟滞＜±4.5%，温漂±0.36%/℃。

图2 信号调理电路

图3为板卡的功能结构框图，板卡的主要特性如下：

（1）8路单端或4路差分模拟量输入，或组合方式输入；

（2）14位A/D 转换器，采样数率可达48 kHz；

（3）每个通道的增益可编程； （4）单端或差分输入自由组合； （5）卡上512 Bytes采样FIFO缓冲器； （6）2路12位模拟量输出； （7）8路数字量输入/输出； （8）1路可编程触发器/定时器。

PGIA 程控放大器MUX多路 复用器控制信号输出 AI0 1.2 传感器的调理电路

图2为系统设计的信号调理电路，薄膜压力传感器的灵敏度可以由供电电压V1与反馈电阻R1来调控。由于Op07是一种低噪声，非斩波的双极性运算放大器，具有非常低的输入失调电压（最大为25 μV），同时具有输入偏置电流低（±2 nA）和开环增益高（300 V/mV）的特点，所以该调理电路选用op07运算放大器，供电电压为±12 V，通过滑动变阻器R1（0～ 500 kΩ）来调节增益的大小。输出电压Ut为：

512BytesFIFO 采样缓冲器 14位A/D转换器采样频率产生电路（晶振与定时器） CPLD USB控制器 USB数据总线 AI7 D00 D07图3 板卡的结构功能框图

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由传感器调理电路输出的是一路模拟电压信号，为了达到准确测量并防止损坏应用程序。该设计利用板卡提供的8路模拟量输入通道，单端模拟输入连接来采集该模拟电压信号，以公共地为参考。

列状态机构建的数据采集系统具有错误处理能力，能够很好地响应前面板动作和外部事件，空闲状态下不占用CPU，因此整个程序设计建立在队列状态机的结构上，DAQNavi子VI负责数据的采集，并将数据传输给主程序，主程序负责数据的接受、存储、分析和显示。

2 系统软件的设计

虚拟仪器的一大特色是“软件即仪器”，所以本测量系统的软件也代替了仪器的部分功能，例如本软件可以实现对硬件设备的驱动以及对数据的采集、分析、显示和存储等功能。本文测试系统的软件部分由驱动程序、应用程序编程接口和虚拟仪器开发工具三部分组成，如图4所示。

虚拟仪器开发工具Labview

应用程序编程接口API

图5 测量I/O子选板中出现DAQNavi的子VI

2.1 数据的采集

该系统中数据采集功能使用的几个关键子VI是DAQNavi Create Channel.vi、DAQNavi Timing.vi、DAQNavi Reading.vi、DAQNavi Clear Task.vi。采集任务创建完毕后，DAQNavi子VI进入“数据采集”状态，DAQNavi Reading.vi不断读取数据，并将数据以变体的形式添加到主程序的队列中，主程序则不断从队列中取出数据，进行数据的分析处理和存储，并在前面板上进行实时显示，这样DAQ子程序和主程序之间便构成了生产者－消费者结构，程序的主原理图如图6所示。

驱动程序DAQNavi

图4 虚拟仪器软件开发工具

DAQNavi是一种适用于研华DAQ设备的广义开发工具包，可以驱动底层硬件设备；程序编程接口（API）将常用采集步骤封装成一系列的子VI或者子函数供用户使用，用户可以不关心驱动程序的细节，熟悉API的使用方法后直接调用即可；虚拟开发工具Labview作为顶层软件开发平台，可以提供强大而灵活的开发功能，方便用户快速搭建数据采集与测量应用程序。DAQNavi驱动安装完成后，即可轻松地在LabVIEW中操作研华DAQ设备，DAQNavi安装成功后，将会在测量I/O子选板中出现数据采集子选板，如图5所示。

根据实验要求，系统需要对单路电压信号实时采集、分析、显示和存储等功能。基于队

2.2 数据处理

试验测试中获取的信号往往含有很多种频率成分，高频干扰信号对模拟电压信号造成干扰，因此，需要将其中有效的电压频率成分提取出来，而将不需要的频率成分衰减掉。滤波针是信号处理中的一种基本而重要的技术[4-5]，对实验中干扰信号的高频特点，系统中设计

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Butterworth滤波器.vi（如图7），滤波类型设置为Lowpass，采样频率fs是x的采样频率，

低截止频率在满足Nyquist准则的前提下，设置为0.125 Hz，滤波器的阶数设置为2。

图6 程序的主原理图

滤波器的类型

X

与传统的数据采集系统相比，该系统操作简单、

功能齐全、使用性强、数据处理简单方便，并且价格低廉，开发周期短，可以大大缩短开发周期。

数据存储.vi

路径识别.vi 时间字符处理.vi

图8 数据存储的程序原理图

高截止频率fh 低截止频率fl

阶数

图7 Butterworth滤波器.vi

2.3 数据的存储

数据的存储是为了将采集到信号的参数进行自动保存，以便今后查看参考。系统中采用LabVIEW自带的存储模块设计文件存储程序,使用“条件结构”语句与“写入电子表格文件.vi”将存储文件的格式设置为EXCEL，每次试验数据的存储都将生产新的表格文件，以免数据重叠与丢失。数据存储程序的原理图如图8。

参考文献：

[1]叶树江，张凌志，刘罡. 基于PCI数据采集卡和LabVIEW的智能传感器测试平台[J]. 中国仪器仪表，2009（10）：73-83. [2]李晓燕. LabVIEW在直流低电压测量中的应用[J]. 宇航计测技术，2007，5（3）：54-57.

3 结论

该测试系统结合USB-4704数据采集板卡与LabVIEW软件编程，完成了对薄膜压力传感器法向载荷信号的采集、处理、显示、存储。

[3]石川，张琳娜，刘武发. 基于LabVIEW的数据采集与信号处理系统的设计[J]. 机械设计与制造，2009，5（5）：21-23. [4]向科峰. 基于LabVIEW的数据采集系统设计与实现[J]. 机械管理开发，2011，8（122）：190-192.

[5]孟武胜，朱剑波，黄鸿，赵晨光. 基于LabVIEW数据采集系统的设计[J]. 电子测量技术，2008，11（11）：63-66.