基于U120816卡的数据采集软件设计 - 图文

JIU JIANG UNIVERSITY

毕 业 论 文（设 计）

题 目 基于U120816卡的数据采集软件

设计

英文题目The Data Acquisition Software

design based on U120816 Card

院 系 电子工程学院 专 业 通信工程 姓 名 年 级 二零零九级 指导教师 江金龙

二零一三年五月

九江学院学士毕业论文

摘 要

随着电子计算机技术和软件开发技术的快速发展，电子计算机在数据的分析

和处理，显示，存贮等方面的优势突出比传统的仪器越来越明显。与此同时，随着计算机价格不断在降和性能不断在提升，传统仪器的价格又长期居高不下，再加上传统仪器的功能单一，发展虚拟仪器已经成为一个不可阻挡的。美国NI公司在这种环境下，率先发起了对虚拟仪器的研究开发，推出了Labview软件开发平台。

本论文在掌握了虚拟仪器的基本结构及信号处理的相关知识基础之上，设计了一套数据采集，通过USB接口连接外围电子设备与电子计算机。并对虚拟仪器的概念，结构，发展趋势进行了相关分析。介绍信号处理相关的基础知识，主要是数据的采集采集过程和数据分析。虚拟仪器主要由硬件和软件两个部分构成。本文对虚拟示波器的硬件即数据采集卡进行了初略的介绍，对其软件部分进行详细研究。在此基础上完成对信号的采集，信号的输出和信号的产生。

本论文在U120816数据采集卡的硬件基础上，通过LabvieW软件对U120816数据采集卡的再开发，实现电脑对外围电子设备的数据联通。

关键词：虚拟仪器 虚拟示波器 数据采集

I

基于U120816卡的数据采集软件设计

Abstract

Along with the computer technology and software technology is developing rapidly, and the electronic computer in real-time data analysis and processing, storage, show， the advantages of the compared with traditional instruments is more and more obvious. Meanwhile, along with the computer cost-effective rising, the price of traditional instruments, plus high and long-term single function of traditional instruments, development virtual instrument has become an irreversible historical trend. The United States in this kind of environment in NI, pioneered the research and development of virtual instrument, he launched a Labview software development platform.

This topic on the concept of virtual instrument, the structure, the development trend for the correlation analysis. Introduces and signal processing related basic knowledge, mainly Fourier transformation. Virtual instrument mainly by the hardware and software two parts. In this paper the hardware that virtual oscilloscope data acquisition card of initial slightly, and discusses its software as part of a deep analysis. Virtual oscilloscope software is divided into several relatively independent modules, such as spectrum analysis module, storage module, display module, filter modules etc.

Key words: virtual instrument；virtual oscilloscope；data collection

II

九江学院学士毕业论文

目录

摘 要....................................................................................................................... I Abstract............................................................................................................... ..II 第一章 绪论.......................................................................................................... 1

1.1虚拟仪器的基本概念.............................................................................. 1 1.2虚拟仪器的构成...................................................................................... 1 1.3虚拟仪器的较传统仪器的优势.............................................................. 1 1.4虚拟仪器的现状及发展方向.................................................................. 1 1.5本论文的主要工作.................................................................................. 2 第二章 系统软件的开发平台Labview简介...................................................... 3

2.1 labview的基本概述............................................................................. 3 2.2 labview的模板分析 ................................................................................ 4

2.2.1工具模板....................................................................................... 5 2.2.2 控件选板...................................................................................... 6 2.2.3函数选板....................................................................................... 6

第三章 U120816数据卡硬件系统....................................................................... 8

3.1数据采集技术.......................................................................................... 8

3.1.1数据采集系统信号分类............................................................... 8 3.1.2基于计算机的数据采集系统各部分的作用............................... 8 3.2数据采集系统的设计............................................................................ 11

3.2.1采样/保持器的工作原理 ........................................................... 11 3.2.2多路转换模拟开关..................................................................... 12 3.3 U120816的基本组成 ............................................................................ 12

3.3.1 U120816数据采集卡简介 ......................................................... 12

第四章 虚拟示波器的软件设计........................................................................ 16

4.1 数据采集软件功能分析........................................................................ 16 4.2 模拟波形采集模块设计........................................................................ 17

4.2.1数据采集功能实现..................................................................... 18 4.3 模拟波形采集模块测试........................................................................ 20 4.4 小结........................................................................................................ 21 第五章 结论和展望............................................................................................ 22

III

基于U120816卡的数据采集软件设计

致 谢.............................................................................................................23

参考文献.............................................................................................................. 24

IV

九江学院学士毕业论文

第一章 绪论

1.1虚拟仪器的基本概念

电子测量仪器发展到今天，总体上经过了四个历程，按出现的时间顺序依次为;模拟仪器，数字仪器，智能仪器，虚拟仪器。其中，为了与虚拟仪器区别开来，我们又把前三种称为传统仪器。虚拟仪器是电子计算机技术与现代测量技术深层次结合的产物，是用户在普通PC机上，应用各种软件平台，根据自身的需要，设计和定义的软硬件相结合的一种测量仪器。利用计算机强大的图形显示功能，建立虚拟仪器的控制面板，用户通过对面板的操作实现对虚拟仪器的操作，就像操作一台普通的测量仪器一样。

1.2虚拟仪器的构成

从构成要素上讲，虚拟仪器主要由计算机，仪器硬件（如数据采集卡）和应用软件构成；从总线标注上讲，包括有PC-DAQ系统，GPIB系统,VXI系统等。

1.3虚拟仪器的较传统仪器的优势

（1）传统仪器的控制面板只有一个，在这个操作面板上，需要放置各种按钮，容易导致混乱和混淆。而虚拟仪器可以有多个控制面板，各个面板之间的切换十分方便，使每个面板变得简单，从而提高了操作的正确性和方便性。

（2）虚拟仪器大量用应用软件来替代传统仪器中的硬件，从而使仪器的硬件变得简单。

（3）虚拟仪器使仪器的功能可以有用户自定义，而不是只能由厂家来定义，从而使得仪器更加好用，方便。

（4）由于用软件替代硬件，仪器的更新升级大都只要更新软件，从而使得仪器的升级换代更加迅速，研发周期缩短。

（5）虚拟仪器的发展可与计算机的发展同步，与网络及周边设备同步。

1.4虚拟仪器的现状及发展方向

虚拟仪器的概念最初是由美国国家仪器公司（National Instruments Corp，简称NI）于1986年提出，NI公司在80年代研制和推出了许多总线系统的虚拟仪器，后来，美国HP公司，Tektronic公司，Racal公司也在此方面有了很多进展。虚拟仪器在国外发展很快，以NI公司为首的很多公司已经在市场上推出了大量基于虚拟仪器技术的电子仪器产品。据“世界仪表及自动化”杂志预测，虚拟仪器在21世纪中期将占到仪器市场50%左右的份额。虚拟仪器在本世纪发展很快，大有取代传统仪器的趋势。

1

基于U120816卡的数据采集软件设计

近年来，世界很多公司推出了不少虚拟仪器软件开发平台，使仪器的使用者可以开发组建自己需要的虚拟仪器。其中，比较具有代表性的是NI公司Labview平台和Labwindows/CVI平台。相比而言，Labwindows是为熟悉C语言的传统软件开发人员所设计的。

作为一本新兴技术，虚拟仪器在国内尚属于起步阶段，但也初步取得了一些成果。国内已有几家厂家在开发研制虚拟仪器，在数据处理软件方面做出了一些成就。比如测量结果的频谱分析，快速傅里叶变换，各种数字滤波器，卷积分析，微积分等。

1.5本论文的主要工作

我国在科学技术方面与世界顶级国家还有一定距离，我国的高档仪器大部分还要依赖进口，这种仪器往往价格昂贵，使用面窄，花很多的外汇只能起到有限的作用，因此，研究虚拟仪器对我国来说具有很重要的意义。开发虚拟仪器不仅可以实现仪器的自我生产，而且虚拟仪器易于改进，提升性能，通过软件和硬件的更换，还可以实现多方面的用途，大大提高了仪器的性价比。

本论文主要介绍虚拟示波器硬件和软件的开发过程，以及相关数据处理的基础知识。虚拟示波器主要有硬件和软件两部分构成。硬件部分主要是普通PC机和数据采集卡；软件部分则包括了前面板，采集卡驱动程序及相关的应用软件（主要有频谱分析，数字滤波，数据存储和读取，波形显示等）

2

九江学院学士毕业论文

第二章 系统软件的开发平台Labview简介

2.1 labview的基本概述

Labview是美国国家仪器公司开发的，基于G语言（Graphics Language）的虚拟仪器开发工具。其特点是用图形化的符号来代替传统的文本语言，从而达到直观，简洁，易懂的目的。

1992年8月labVIEW2.5实现了从MaCintosh平台到Windows又砰台的移植，从 LabVIEW3.0版本开始，LabVIEW作为一个完整优异的图形化软件开发环境得到了工业界和学术界的认可，并开始迅速占领市场，赢得了广大用户的青睐。

它的基本特点是

(1)具有良好的用户接口其用户接口类似于传统仪器的面板，包括按钮、旋钮、图形显示组件、控制组件等。通过鼠标和键盘向程序输入数据，操作结果由软件在计算机屏幕上生成。

(2)编程方式简单、直观采用图形语一言(G语言)、图标和联机代替文本形式编写程序，是对具体编程问题的图形化解决方案。

(3)具有层次结构和模块化的特点每一个VI可以作为顶层程序，也可以作为其它程序的子程序。

(4)提供程序调试功能程序调试工具包括在源代码中可以设置断点，可以单步执行，也可以启动。

LabVIEW创建虚拟仪器过程 创建虚拟仪器的过程分为四步:

(1)创建前面板。前面板是图形化用户界面，用于设置输入数值和观察输出量。它模仿了实际仪器的面板。前面板包含了旋钮、按钮、图形和其他控制与显示对象。通过鼠标和键盘输入数据、控制按钮，也可在计算机显示器上直接观看结果。若想要在数字控制中输入或修改数值，只需要用操作工具(见工具模板)点击控制部件和增减按钮，或者用操作工具或标签工具双击数值栏进行输入数值修改。

(2)创建框图程序。在前面板窗口的主菜单windows中选择 ShowDiagram将前面板窗口切换到框图程序窗口，此时会看到与前面板对象对应

3

基于U120816卡的数据采集软件设计

的端口。根据需要在功能模板中找到所需的节点，并将节点图标放置到框图程序窗口。用数据连线将这些端口和节点的图标连接起来，形成一个完整的框图程序。

(3)创建图标。一个虚拟仪器的图标/连接端口就像一个图形(表示某一虚拟仪器)的参数列表。这样，其它的虚拟仪器才能将数据传输给子仪器。图标和连接允许将此仪器作为最高级的程序，也可以作为其它程序或子程序的子程序。

运行和调试程序。运行和调试程序是任何一门编程语言编程的最重要的一步。在LabVIEW中，用户可以通过两种方式来运行程序:运行和连续运行。如果一个VI程序存在语法错误，则在面板工具条上的运行按钮将会变成一个折断的箭头，表示程序不能被执行。这时这个按钮被称作错误列表。点击它，则LabVIEW弹出错误清单窗口，点击其中任何一个所列出的错误，选用Find功能，则出错的对象或端口就会变成高亮。调试程序时可以利用单步执行、设置断点、设置探针来显示数据流动方向。

图 1.1 Labview前面板

图 1.2 Labview程序框

2.2 labview的模板分析

labVIEW是一种图形化设计语言，在一个虚拟仪器VI的开发过程中，主要

4

九江学院学士毕业论文

利用模板创建和运行程序。这些操作模板可以随意在屏幕上移动，并可以放置

在屏幕的任意位置。操纵模板共有三类:工具(Too1s)选板、控制(Controls) 选板和功能 (Functions)选板或称函数选板。

图 2.1 工具选版

2.2.1工具模板

工具选板为编程者提供了各种用于创建、修改和调试VI程序的工具(如图所示)。该模板可以在windows菜单下选择 ShowToolsPalette命令以显示该模板。当从模板内选择了任一种工具后，鼠标箭头就会变成该工具相应的形状，它包括了以下工具包。

操作工具:使用该工具来操作前面板的控制和显示。

使用它向数字或字符串控制中键入值时，工具会变成标签工具的形状。 选择工具，用于选择、移动或改变对象的大小当它用于改变对象的连

框大小时，会变成相应形状。

标签工具:用于输入标签文本或者创建自由标签。当创建自由标签时它

会变成相应形状。

连线工具:用于在框图程序上连接对象。如果联机帮助的窗口被打开时， 把该工具放在任一条连线上，就会显示相应的数据类型。

对象弹出菜单工具:用左鼠标键可以弹出对象的弹出式菜单。 漫游工具:使用该工具就可以不需要使用滚动条而在窗口中漫游 断点工具:使用该工具在VI的框图对象上设置断点。

探针工具:可以在框图程序内的数据流线上设置探针。程序调试员可以

通过控针窗口来观察该数据流线上的数据变化状况。

颜色提取工具:使用该工具来提取颜色用于编辑其他的对象。

颜色工具:用来给对象定义颜色。它也显示出对象的前景色和背景

色。

5

基于U120816卡的数据采集软件设计

自动选择工具 2.2.2 控件选板

图 2.2 控件选版

控件选板拟仪器的面板是通过软件实现的。就是LabVIEW将传统仪器上的各种旋纽、开关.、显示屏等所有可能涉及到的操作部件，都做成外形相似的“控件”分类存于控制模板上。设计仪器模板时，只需根据需要选择合适的“控件”放在面板相应的位置上即可。每个图标代表一个子模板(如图所示)。控制模板可以用Wind。，s菜单的 ShowControlsPalette功能打开它，也可以在前面板的空白处,点击鼠标右键，以弹出控制模板。它只有当打开前面板窗口时才能调用

2.2.3函数选板

图 2.3 函数选板

6

九江学院学士毕业论文

图2.4 函数选板子选板

函数选板编程子选板功能模板就是LabVIEW将传统仪器上的各种测试功能、信号分析文件操作以及输入/输出(1/0)接口设备的驱动做成可供直接调用的库函数。使用时只需根据预完成的功能与操作，从子模板上选择相应的“图标”放在流程图编辑窗口中相应的位置上即可。该模板上的每一个顶层图标都表示一个子模板(如图所示)。它可以用Windows菜单下的Show Funetionspalette功能打开它，也可以在框图程序窗口的空白处点击鼠标右键以弹出功能模板。而且它只有打开了框图程序窗口后才能出现。它包括结构子模板、数值运算子模板、布尔逻辑子模板、字符串运算子模板、数组子模板、类子模板、比较子模板、时间和对话框子模板、文件输入/输出子模板、仪器控制子模板、仪器驱动程序库、数据采集子模板、信号处理子模板、数学模型子模块、图形与声音子模块、通讯子模板、应用程序控制子模块、底层接口子模块、文档生成子模板、示教课程子模板、用户自定义的子Vl模板和选择?VI子程序等子模板。

编制软件时通过对控制和功能模块中子模块的灵活调用，选取相应的功能子模块，分别置于前后面板内，使用连线工具即可完成虚拟仪器设计。本章介绍了当今在测控领域内的虚拟仪器开发软件LabVIEw语言，它满足了实现虚拟测试仪器的条件，是虚拟仪器开发环境中图形化语言的杰出代表之一。LabvIEW语言是一种面向工程技术人员的图形化编程语言，是一种面向对象的模块化编程语言，使面向对象技术程序的复用性达到最佳，被誉为工程师和科学家的语言。

7

基于U120816卡的数据采集软件设计

第三章 U120816数据卡硬件系统

3.1数据采集技术

对计算机进行总线扩展以便将其用于实验室研究、工业控制、测试和测量、这些都要用到基于计算机的数据采集技术。一个数据采集系统的基本任务是测量和产生现实世界的物理信号。

3.1.1数据采集系统信号分类

传感器把物理信号转化成电信号(电压或电流)，例如热电偶(温度/电压)、RTDs(温度/电阻)、应变片(拉或压/温度)。信号调理附件能够对微弱信号进行放大、光电隔离、滤波等处理，以便更精确和安全地测量。同时它能够激发和线性化某些传感器及其信号。当输入信号被适当调理后，即可输给插入式数据采集卡进行数字化，同时它也能产生控制信号。数据采集板程序设计依靠驱动软件进行了简化，因而用户能够调用传统的语言和应用软件包来设计高级程序。当然，计算机的性能决定了整个过程的速度。在实时系统中，需要高速的处理器，在对数据采集功能模块进行分析之前，我们先对信号进行归类。归类的标准是信号中有用的不同信息。总的来说，可以把信号分为模拟信号和数字信号。一个数字信号只有两个分离的状态:低电平和高电平。相反，模拟信号包括了随时间变化的连续信息。数字信号又可以分为开关信号和脉冲序列信号，模拟信号则可以分为直流信号、时域信号、频域信号。这几种信号分别对应着一种信号信息:状态、变化率、幅值、形状、频率。

3.1.2基于计算机的数据采集系统各部分的作用

要从一个基于计算机的数据采集系统得到合理的结果，依赖于系统的每一个组成部分，即计算机、传感器、信号调理、数据采集硬件和软件。下面逐一予以讨论说明。

1 传感器

传感器将被测试的物理量转化成电信号的最基本的环节。例如，热电偶、热敏电阻、集成电路传感器、应变片等，都可以将温度转化成电压和电阻。对于每一种传感器，电信号的大小都与被监测信号的物理参数成正比。

2 信号调理

信号调理器是传感器和数据采集卡之间的桥梁，负责将传感器的输出信号和数据采集模块可以接受的信号联系起来，从传感器输出的信号必须经过调理才能够连入数据采集板，信号调理包括放大和衰减、隔离、滤波、传感器激励、线性化处理。

(1) 放大和衰减

8

九江学院学士毕业论文

数据采集卡接收的信号是范围很广的电压信号，如果太强，就需要衰减器把被测信号减弱后再输入给数据采集卡，这样一方面可以保证数据采集卡可以顺利采数，另一方面有利于系统的安全运行。而对于微弱信号要进行放大，以提高分辨率和降低噪音，也使调理后信号的最大电压值和ADC最大输入值相等，这样可以提高精度。在设定调理电路的放大或衰减倍数时，一般应满足这样一个条件:经调理后的信号其最大值应尽可能地达到数据采集卡可以接受的电压范围，最大限度地提高数据的准确度。

(2) 隔离

隔离是指使用变压器、光或电容祸合等方法阻碍被测系统和测试系统之间传递信号，避免发生直接连接，使用祸合主要有两个方面原因:一是从安全的角度把传感器信号同计算机隔离，因为被监测系统可能产生瞬时高压，另一个原因是隔离可以使从数据采集卡出来的数据不受地电位和输入模式的影响，减少误差。

(3) 滤波

滤波的目的是消除噪音信号，提高输入信号的信噪比。噪音滤波器通常用于直流信号;交流信号通常需要抗失真的低通滤波器，因为这样的滤波器有一陡峭的截止频率，因而几乎能够完全消除高频干扰信号。

(4) 激励

由于电工测量试验中经常要要用到正弦波、方波等信号，且有时需要为一些传感器提供激励信号，故由虚拟信号发生器产生各种信号并由信号调理电路进行功率放大后输出。

(5) 线性化

很多传感器对被测量都有非线性响应，因而需要对输出信号进行线性化。 3 数据采集硬件

数据采集硬件与众多因素有关，要根据具体情况进行分析，下面是通用的特征:

(1) 采样频率

采样频率高，就能在一定时间内获得更多的原始信息，见图4一1(a)所示。为了再现原始信号，必须有足够高的采样频率。显然，如果信号变化比采样板的数字化要快，或采样太慢，就会产生波形失真，见图4一1(b)。根据采样定理，采样频率至少是输入最高频率的两倍，才可能不产生失真。

(2) 采样方法

要从多个通道得到数据，通常使用多路开关把每个信号端连接到A/D转化器(ADC)。采用连续扫描方法，要比给每个通道一个放大器和ADC要经济得多，但这仅仅实用于在采样点之间对时间不是很重要的场合。如果采样点之间对时间要求严格，则必须同时采样。对于低频信号，可以用间隔扫描办法来产生同时采

9

基于U120816卡的数据采集软件设计

样的效果，而不必增加采样保持电路。这种方法一定时间间隔扫描输入通道，用脉冲来计算各通道两次扫描的时间间隔。

(3) 分辨率

ADC的位数越多，分辨率就越高，可区分的电压就越小。例如，三位转化器把模拟电压分成2’(8位)段，每段用二进制代码在000到In之间表示，因而数字并不能真实反映原始信号，因为一部分信息被漏掉了。如果增加到16位，代码增加到655536，这样就可以得到较为精确地反映原始信号的数字信号。

(4) 电压范围

电压范围指ADC能扫描到最高和最低电压。一般情况下，由于DAQ卡的电压范围可以调节，所以将信号电压范围调到与微机相匹配以便利用其可靠的分辨率范围。范围、增益、分辨率决定了可分辨的最小电压变化，它表示ILSB。例如，某DAQ板的分辨率为16位，范围取0一 1OV，增益取 100，则有 1LSB=(10/100xZ’6)=1.5协v，这样一来，在数字化的过成中，一位的分辨率为1.spv。

(5) 模拟输出

模拟输出电路通常是为DAQ板的系统提供激励电压或电流。DAQ输出信号由停滞、转换率、分辨率等构成。停滞时间和转换率决定了输出信号幅值改变的快慢。

(6) 定时I/0

许多场合都要用到定时器，如数字脉冲定时、产生方波等。定时器包括三个重要信息:门限信号、计时信号、输出。门限信号实际上是触发信号一使它工作或不工作;计时信号也就是信号源，它提供了继续其操作的时间基准;输出是在输出线上产生方波和脉冲。他们最重要的参数是分辨率和时钟频率。高分辨率意味着计数器可以计更多的数，时钟频率决定了产生数据信号输入的快慢，频率越高，计数增长得越快，因而输入端的信号频率高，就可以产生高频的脉冲波和方波。

4 驱动软件

没有软件，甚至没有好的软件，数据采集硬件系统不可能发挥很大的作用。数据系统一个主要方面是驱动软件的使用。驱动软件是直接对数据采集硬件系统来进行设计的软件层，管理着系统的操作以及和计算机资源的组合，比如CPU中断、DMA传送、存储器等。驱动软件在保持高性能、提高给用户易于理解的基础的同时，隐藏了复杂、详细的硬件及程序设计。N工一DAQ就是N1公司高性能数据采集及驱动程序。数据采集技术是电子测量仪器的基础，当然也是虚拟仪器的基础。只有当数据采集部分正确工作，整个虚拟仪器系统才能正确工作。

10

九江学院学士毕业论文

3.2数据采集系统的设计

数据采集系统简称 DAS(DataAequisitionSyst。m)是信息科学的重要分支，它不仅应用在现代智能检测系统中，而且在现代工业生产、国防军事及科学研究等方面都得到广泛应用，无论是过程控制状态检测、还是故障诊断、质量检测，都离不开数据采集系统。数据采集系统是计算机、智能仪器与外界物理世界联系的桥梁，是获取信息的重要途径。其核心是计算机，它对整个系统进行控制和数据处理。它所处理的是数字信号，因此输入的模拟信号必须进行模数(A/D)转换，将模拟信号量化:，变成数字信号。数据采集系统的原理框图如图3.1所示，它由多路开关、采样/保持器、放大器、A/D转换器、计算机等组成。数据采集要经过采样和量化两个必要步骤。采样过程是将被测的连续信号离散化，从连续信号中抽取采样时刻的信号值，由多路开关、采样/保持器完成。如果被测信号变化缓慢，也可以不用采样/保持器。多路开关将各路信号轮流切换到输入端，对各路信号分时采样。A/D转换器将采样信号量化，将转换成的数字信号输入到计算机中。放大器、滤波器可根据被测信号的大小及干扰的强弱选用。有的系统不采用公用放大器，而根据信号特点单独配置。

传感 传 感 。 。 传感

3.2.1采样/保持器的工作原理

在实际系统中用到A/D转换时，如果模拟信号变换较快，那么，为了保证转换精度，就要在A/D转换之前加上采样/保持电路，使得在A/D转换期间输入的模拟信号保持不变。采样/保持电路有两种工作方式，即采样方式和保持方式。在采样方式下，采样/保持器的输出必须跟踪模拟输入电压:在保持方式下，采样/保持器的输出将保持采样命令发出时刻的电压输入值，直到保持命令结束为止。图4一3为采样/保持器的原理电路。从图中可以看到，采样/保持器由输入缓冲放大器、输出缓冲放大器、保持电容和控制开关组成。

多路开关 大器 放样保持器 采A/D 转 换 器 算机 计

图 3.1 数据采集卡结构

11

基于U120816卡的数据采集软件设计

图 3.2 采样/保持器

3.2.2多路转换模拟开关

模拟开关是数据采集系统中主要部件之一，它的作用是切换各路输入信号。在测控系统中，被测量经常是几个或者几十个，为了降低成本和减小面积，系统通常使用公共的放大器、采样/保持器以及A/D转换器，因此需要使用多路开关轮流把各路被测信号分时的与这些公用器件连通。

图 3.3 多路转换模拟开关

为了满足不同需要，现己开发出各种集成模拟开关，按输入信号的连接方式可以分为单端输入和差动输入。图3.3为LF13508单端8通道多路模拟开关原理框图，它有三个二进制控制输入端口。三个二进制控制信号经过三八译码器后，选择51-58个输入通道中的一个通道与输出端D接通。EN为使能端，当EN=0时，通道断开，禁止模拟量输入;当EN=1时，通道接通，允许控制输入端选中的模拟量输入，并和输出通道相连。在实际数据采集系统中，有时采样点数不止八路，因此需要使用多个集成模拟开关进行通到扩展，以满足要求。

3.3 U120816的基本组成

3.3.1 U120816数据采集卡简介

USB技术是1980年串口和并口技术出现以来，最重要的计算机外设互联标准

之一，它追求的是外设的通用性。为了把外围设备连接PC机上，USB提供了一

12

九江学院学士毕业论文

种低成本的解决方案，设备连接后由USB自动检测，并且由软件自动配置，完成后即可使用，不需要用户干涉。USB定义了一种简单的连接器，它可以用来连接任何一个USB设备，多个连接器可以通过USB集成器连接。每个USB总线支持127个设备的连接，USB支持三种设备传输速率：1.5Mbps，12Mbps,和480Mbps传输速率。外围设备能够直接通过总线供电，USB总线提供最大5V电压，500mA的电流。USB设备不像ISA，EISA设备，它不需要内存和I/0地址

空间，也不需要中断请求线路。USB事务处理包括错误检测机制。

图3.4 U120816-USB数据采集卡

U120816具有基本的数据采集功能，其应用范围包括简单的数据记录、便携式测量和学术机构的实验室试验。其强大的功能足以用于更为复杂的测量应用。 USBDAQ– U120816全速多功能数据采集卡,由8路模拟输入,16路双向数字I/O线,两个10位PWM脉宽调制输出口,一个16位计数器,多个iUSBDAQ可以联接于一台计算机。（如下图3.4) U120816 是一个USB数据采集卡，功能强大，应用范围广。带八路放大器的USB2.0数据采集卡可以直接对桥式传感器,如压力,称重传感器和热电偶温度传感器等的信号进行采集,是基于iUSBDAQ– U120816模块上加一信号调理器的,应用更范围。

13

基于U120816卡的数据采集软件设计

Vbus 外部电源 USB微控制器 8通道 12/14位ADC 12位ADC 12位ADC 图 3.5

设备控制模型 PC控制模式参数特征:

AO 0 +5V/200mA 全速接口 USBUSB P1 数字I/O接口 1. 1. USB 2.0/1.1 全速界面(full speed interface) 2. 通过CE标准认证

3. USB 电缆线供电(Bus Powered)

4. 8个 单端(Single-Ended), 12-Bit 模拟输入(Analog Inputs), 100Ks/s ADC.

5. 0-4.096 V 模拟输入电压范围(Analog Input Range ), 解析度为1mv. 6. 支持扫描模式 (Scan Mode, 软件定时)和连续流模式(STREAMING Mode,硬件定时)的数据 采集模式. 采集频率可设.在连续STREAMING模式下能实时将数据不间断的采集到PC, 总通过 率多至 64kSamples/sec, 单通道的通过率也能多至64kSamples/second for StreamingMode采集输入. 7. 一个外部触发线供给STREAMING模式下数据采集 8. 一个video/Log 触发输出线

14

SPI P0 +2.5v/CAL AI 模拟I/O接口 AO 1

九江学院学士毕业论文

9. 两个 10-bit PWM 脉宽调制输出口 (3kHz- 333kHz), 占空比百分比0~100

10. 16路双向数字I/O线 (250HZ) 11.一个 16-Bit计数器 (Counter)

12.240 bytes EEPROM 空间留给用户储存数据 13.多个iUSBDAQs 可以被联接于一台计算机

15

基于U120816卡的数据采集软件设计

第四章 虚拟示波器的软件设计

4.1 数据采集软件功能分析

脉冲宽度调制(PWM)，是英文“Pulse Width Modulation”的缩写，简称脉宽调制，是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术，广泛应用在从测量、通信到功率控制与变换的许多领域中。

脉宽调制（PWM）基本原理：控制方式就是对逆变电路开关器件的通断进行控制，使输出端得到一系列幅值相等的脉冲，用这些脉冲来代替正弦波或所需要的波形。也就是在输出波形的半个周期中产生多个脉冲，使各脉冲的等值电压为正弦波形，所获得的输出平滑且低次谐波少。按一定的规则对各脉冲的宽度进行调制，即可改变逆变电路输出电压的大小，也可改变输出频率。

在采样控制理论中有一个重要的结论，即冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上，其效果基本相同。冲量既指窄脉冲的面积。这里所说的效果基本相同。是指该环节的输出响应波形基本相同。如把各输出波形用傅里叶变换分析，则它们的低频段特性非常接近，仅在高频段略有差异。

根据上面理论我们就可以用不同宽度的矩形波来代替正弦波，通过对矩形波的控制来模拟输出不同频率的正弦波。

例如，把正弦半波波形分成N等份，就可把正弦半波看成由N个彼此相连的脉冲所组成的波形。这些脉冲宽度相等，都等于 ∏/n ，但幅值不等，且脉冲顶部不是水平直线，而是曲线，各脉冲的幅值按正弦规律变化。如果把上述脉冲序列用同样数量的等幅而不等宽的矩形脉冲序列代替，使矩形脉冲的中点和相应正弦等分的中点重合，且使矩形脉冲和相应正弦部分面积（即冲量）相等，就得到一组脉冲序列，这就是PWM波形。可以看出，各脉冲宽度是按正弦规律变化的。根据冲量相等效果相同的原理，PWM波形和正弦半波是等效的。对于正弦的负半周，也可以用同样的方法得到PWM波形。

在PWM波形中，各脉冲的幅值是相等的，要改变等效输出正弦波的幅值时，只要按同一比例系数改变各脉冲的宽度即可，因此在交－直－交变频器中，整流电路采用不可控的二极管电路即可，PWM逆变电路输出的脉冲电压就是直流侧电压的幅值。

根据上述原理，在给出了正弦波频率，幅值和半个周期内的脉冲数后，PWM波形各脉冲的宽度和间隔就可以准确计算出来。按照计算结果控制电路中各开关器件的通断，就可以得到所需要的PWM波形。

随着电子技术的发展，出现了多种PWM技术，其中包括：相电压控制PWM、脉宽PWM法、随机PWM、SPWM法、线电压控制PWM等，而在镍氢电池智能充电器

16

九江学院学士毕业论文

中采用的脉宽PWM法，它是把每一脉冲宽度均相等的脉冲列作为PWM波形，通过改变脉冲列的周期可以调频，改变脉冲的宽度或占空比可以调压，采用适当控制方法即可使电压与频率协调变化。可以通过调整PWM的周期、PWM的占空比而达到控制充电电流的目的。模拟信号的值可以连续变化，其时间和幅度的分辨率都没有限制。9V电池就是一种模拟器件，因为它的输出电压并不精确地等于9V，而是随时间发生变化，并可取任何实数值。与此类似，从电池吸收的电流也不限定在一组可能的取值范围之内。模拟信号与数字信号的区别在于后者的取值通常只能属于预先确定的可能取值集合之内，例如在{0V,5V}这一集合中取值。 模拟电压和电流可直接用来进行控制，如对汽车收音机的音量进行控制。在简单的模拟收音机中，音量旋钮被连接到一个可变电阻。拧动旋钮时，电阻值变大或变小；流经这个电阻的电流也随之增加或减少，从而改变了驱动扬声器的电流值，使音量相应变大或变小。与收音机一样，模拟电路的输出与输入成线性比例。 尽管模拟控制看起来可能直观而简单，但它并不总是非常经济或可行的。其中一点就是，模拟电路容易随时间漂移，因而难以调节。能够解决这个问题的精密模拟电路可能非常庞大、笨重（如老式的家庭立体声设备）和昂贵。模拟电路还有可能严重发热，其功耗相对于工作元件两端电压与电流的乘积成正比。模拟电路还可能对噪声很敏感，任何扰动或噪声都肯定会改变电流值的大小。通过以数字方式控制模拟电路，可以大幅度降低系统的成本和功耗。此外，许多微控制器和DSP已经在芯片上包含了PWM控制器，这使数字控制的实现变得更加容易了。

本论文是基于PWM的原理，通过U120816数据采集卡，把模拟信号转换成数字信号。

4.2 模拟波形采集模块设计

Labview中的前面板中的控件和指示器可以很好的模拟示波器的面板上的各种旋钮以及屏幕。简单的说前面板就是一个用户界面，由输入，输出控制和显示三部分构成，用户通过它与程序交互。当运行VI时，必须打开前面板，以便向执行程序输入数据。前面板主要是由控件和指示器组成的联合体。控件模拟典型的输入对象，如旋钮、开关。控件可以让用户输入值，向VI框图提供数据。指示器显示由程序产生的输出信息。以下用两个表达式，可以充分理解控件和指示器：

控件=来自用户的输入=数据源

指示器=给用户的输出=数据的目的地或“接收器” 两者是不能互换的。

17

基于U120816卡的数据采集软件设计

4.2.1数据采集功能实现

U120816 数据采集卡做信号发生器使用时，可以再PWM口上接入一个滤波电路如下图 4.1：

图 4.1

U120816 数据采集卡PWM口内部接有： PWM1：R37-470欧，接地电阻R36-1兆。 PWM2：R35-470欧，接有电阻R34-1兆。

在此需要把470欧电阻换成4.7K，1兆接地电阻换成1uF电容，此时PWM输出口就转变成了模拟量输出。或直接在PWM口外面接图所示，由于PWM内部已接有470欧电阻所以外接电阻时需减掉，必要时可以再输出端另接放大器。

U120816 数据采集卡与电脑连接：先安装U120816 数据采集卡驱动，再连接1.新建NewVI。

2.添加PWM驱动模块。(如下图 4.2)

电脑与打开U120816 数据采集卡，接着打开LabVIEW软件编译器。

PWM模块 图4.2 3.添加信号模块。（如下图4.3）

18

九江学院学士毕业论文

图4.3 信号模块

4.完成好的模块图（如下图 4.4）

图 4.4 数据采集模块

5.前版模块（如下图 4.5）

19

基于U120816卡的数据采集软件设计

图 4.5 前版模块

4.3 模拟波形采集模块测试

在界面中可以选择通道幅度调节

测量发生的信号:

1.打开电脑和labvIEW软件。 2.加载设计好的软件。 3.连接实物图（如下图 4.6）

，采样点

的个数，选择波形。可以产生我们想要的

，波形整体位置偏移

波形，电压可以根据具体要求调节（输出电压0-准5v）接入示波器贯彻图形。

20

九江学院学士毕业论文

图 4.6 实物连接

4.打开示波器和连接示波器。 5.测量结果如下（如下图 4.7）

图 4.7 测量结果

4.4 小结

本系统软件结合了软件和硬件的开发，在调试阶段常常会出现错误的信号，而且设计的是低平信号在33Hz左右。还有软件系统，驱动着一块，常常会读不上去，而且在信号的选出上也会让结果发生变化。

21

基于U120816卡的数据采集软件设计

第五章 结论和展望

本文主要以labVIEW软件平台作为软件开发环境，对虚拟实验仪器进行了探索性的开发和研究。主要围绕信号的采集、信号的分析和信号的处理几个方面阐述了虚拟实验仪器的硬件构成和软件设计。并且自行开发了虚拟示波器和虚拟信号发生器，除了具有传统仪器的功能以外，还对仪器功能进行了扩充和创新。并通过模拟实验和实时实验对该虚拟仪器的功能进行了测试，测试结果是令人满意的。由此可以看出，由计算机、数据采集卡及相应软件构成的虚拟实验仪器是切实可行的，而且可以最大限度的利用计算机资源，降低了成本，提高了效率。

论文的主要工作包括以下几个方面:

1、分析讨论了虚拟仪器系统的构成和设计原理，指出传统测试仪器存在的缺陷和不足，提出了用虚拟仪器替代传统仪器是具有现实意义的。

2、探讨了构建虚拟仪器系统的方法。分别从数据采集系统的各部分的作用和数据采集系统的设计这两方面研究如何来构建虚拟仪器系统。

3、利用LABVIEW语言研究和开发了虚拟实验仪器虚拟示波器和虚拟信号发生器，除了实现传统仪器功能外，在某些功能上进行了创新提高，并就如何准

确地恢复输入信号对信号处理技术、存储宽带改善技术和显示技术进行了研究。

4、利用计算机和相关的硬件对虚拟示波器和虚拟信号发生器作了模拟实验 检测和实时实验检测，得到了相关的波形显示和数据。通过实验对比，虚拟仪器测试精度高于传统仪器，是能够满足测试精度要求的，并分析了产生误差的

原因。在本文的研究基础上，下一步的工作是:

(l) 对虚拟示波器和虚拟信号发生器的功能进行进一步的完善。

(2) 进行更加广泛的实验，对实验中产生的误差进行定量和定性分析，找出原因，给出改进方案。

(3) 在此基础上进一步开发多种虚拟仪器产品，如电压表、虚拟频率计等，以求构成完善的虚拟实验仪器系统。

在labVIEW的开发环境下，基于数据采集卡可开发出多种虚拟实验仪器，如本文开发虚拟信号发生器和虚拟示波器。因此在实验室的建设中，应用虚拟技术是一个很好的选择。相信在不久的将来，一台装有虚拟仪器的标准微机可能成为一个多功能仪器测量系统，从根本上改变传统仪器的研制和生产模式。相信未来，虚拟技术将得到更大的发展，应用范围也会越来越广，具有广阔的应用前景和巨大的潜在经济效益。

22

九江学院学士毕业论文

致 谢

时光匆匆，在报告完成之际，感谢江金龙老师，从课程的学习，到选题和课题的研究，都倾注了老师的心血。老师渊博的学识，严谨治学的态度，勇于创新的学术思想，丰富的科研经验，踏踏实实的工作作风，平易近人和乐于助人的风格都将使我终身受益，也是我今后学习和工作的楷模。在程序和硬件的开发与设计方面给了我许多帮助与指导。

23

基于U120816卡的数据采集软件设计

参考文献

[1]虚拟仪器的新动向[J].国外电子测量技术，2000，(5):15-25

[2]林正盛，虚拟仪器技术及其应用[J].微型机与应用，1997，2(5):36-52

[3]翁瑞琴、凌志浩、邱意弘，虚拟仪器技术及应用[J].计算机应用研究，1999，(8):12-25 [4]潘莹玉，虚拟仪器及其应用[J].电力自动化设备，1999，(1):105-114 [5]邓炎、王磊等，LabVIEW7.1测试技术与仪器应用[M].第一版，北京:机械 工业出版社，2004

[6]黄明俊、赵伟、侯国屏、陈君，虚拟仪器技术一现代电工电子仪器的发展 方向[J].电工电能新技术，1998，(3):45-78

[7]黄小红、胡正涛，丘海明，探讨虚拟仪器与传统仪器的关系[J].电气电子教 学学报，2000，(2):52-114

[8]侯国屏、王坤、叶齐鑫，LabVIEW7.1编程与虚拟仪器设计[M].第一版，北京: 清华大学出版社，2005

[9]沈兰荪，数据采集技术[M].第一版，北京：中国科技出版社，1990 [10]胡广书，数字信号处理[M].第一版，北京：清华大学出版社，1998

[11]BenneffP. VirtualInstrument Whattheyare[J]. wherethey‘ reat. EleetronieProduets，1993，(7):37~39

[12]National Instruments CorPoration[M].Virtual instrument ationin edueation.1997 [13]National Instruments[J]. The Measurement and Automation Catalog 2002:49-137.

24

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/jtsg.html