基于LabVIEW软件的数据采集与分析系统设计

孙泽文

(东南大学 电气工程学院，江苏 南京 210096)

摘 要：为降低传统实验仪器成本，扩充数据分析功能，设计了一套数据采集与分析系统。通过LabJack数据采集卡实时采集信号，利用LabVIEW图形化编程语言开发了虚拟示波器和虚拟电能质量分析仪软件系统。结果表明，该系统能取代传统示波器，完成基本数据采集和基本电能质量分析功能，可广泛应用于实验室虚拟实验平台和工业领域。

关键词：LabVIEW软件；LabJack数据采集卡；虚拟示波器

中图分类号：TM930.114 文献标识码：A 文章编号：1007-3175(2010)01-0016-03

Design of a Data Acquisition and Processing System Based on LabVIEW

SUN Ze-wen

（School of Electrical Engineering, Southeast University, Nanjing 210096, China）

Abstract: A data acquisition and processing system has been designed aiming at reducing the traditional laboratory apparatus costs and expanding the data processing functions. LabJack data acquisition card collected the signals, and the software system including virtual oscillograph and virtual electric quality analyzer was developed by using LabVIEW graphical programming language. The result shows that the system can replace traditional oscillograph, finishing data acquisition and analyzing quality of power supply basically. It can be widely applied in laboratory virtual experiment platform and industrial field. Key words: LabVIEW software; LabJack data acquisition card; virtual oscillograph

0 引言

目前，虚拟仪器技术正在广泛应用于工业领域，高校也在开发用于教学科研的虚拟实验平台。采用虚拟仪器，可以大幅降低设备成本，结合计算机数据处理能力扩展仪器功能。LabVIEW是一种图形化的编程语言，功能齐全、界面友好，便于设计虚拟仪器软件系统。

文中设计了一套通用数据采集与分析系统，硬件采用LabJack公司的LabJack U12多通道数据采集卡，软件系统采用LabVIEW编程来实现。硬件电路实时采集现场数据，经分析处理后，可实时显示，同时供给外部接口程序和高层系统调用。LabVIEW软件系统用来实现数据采集、显示和电能质量分析等功能。

数据采集与分析系统简单实用，硬件由两部分组成：计算机和LabJack数据采集卡。计算机是硬件平台的核心，完成数据的计算、处理和结果的显示。利用计算机图形显示技术和多媒体技术，将复杂的数据计算和数据处理推向后台，把测控的结果用数字、曲线、图形等形式提供给用户[1]。LabJack数据采集卡主要完成对被测输入信号的预处理，包括数据采集、放大、A/D、D/A转换等信号调理功能[2]。

LabJack U12是基于USB口多功能数据采集和控制模块，它能很好与LabVIEW、MatLab、TestPoint等软件连接。有8路单端、4路差分和12位模拟量输入，模拟输入范围为±10V。模拟输入分辨率为12位，输入电流偏差为±90mA，差分通道可编程增益最高20倍，有效分辨率16位。瞬态采样速率为8192采样点/s或连续采样速率1228采样点/s[3]。

系统整体结构如图1所示。外设提供需要采集的电压、电流原始信号，将所需检测的信号接入采集卡的相应硬件通道，通过采集卡的信号调理电

1 系统硬件设计

作者简介：孙泽文(1984- )，男，硕士研究生，研究方向为电力电子在电力系统中的应用。

16基于LabVIEW软件的数据采集与分析系统设计电工电气 (2010 No.1)

路模块对数据进行处理，经USB接口传输至计算机LabVIEW软件系统，虚拟示波器实现输入波形显示功能，虚拟电能质量分析仪实现对输入信号的基本电能质量分析。

外设电压、电流信号LabJack数据采集卡USB数据传输计算机LabVIEW软件系统虚拟示波器虚拟电能质量分析仪开始LJ stream start子函数开启采集流程数据LJ stream read数据LabVIEWLabJack数据缓冲区连续采集子函数软件系统数据通道否停止按钮状态是LJ stream clear子函数终止采集流程结束图1 系统整体结构图

图3 连续采集模式流程图

2 系统软件设计

2.1 数据采集子程序

数据采集有定时采集和连续采集两种模式。定时采集模式流程如图2所示。在数据采集前，需要对各采集参数进行初始化设置。外部模拟信号通过LabJack模拟数据通道输入，采用双通道数据采集，采集到的数据存入内存缓冲区中，用于储存和调用。当计时开始后，调用LJ Burst子函数读取缓冲区数据，发送至LabVIEW软件系统，计时到达设定的定时时间时，停止采集流程。

开始参数初始化计时开始2.2 虚拟示波器

从LabJack采集到的数据，经USB口传送到计算机后，由LabVIEW软件系统读取，供高层系统调用。为便于观察和分析，采集到的数据和波形要能正确显示、回放和存档[4]。

图4为虚拟示波器软件流程图，在数据采集之前，先设定采样参数、耦合方式和数据通道参数。然后选择数据采集模式，连续采集模式需要设定扫描参数，定时采集模式需要设定定时参数。设置完成后，可开始数据采集，采集到的数据经过LabVIEW分析后，在示波器波形窗口实时显示，同时，各通道数据的最大值、最小值、平均值和有效值经分析后，在显示面板中以数据方式显示。在数据采集和显示的同时，可以调节通道的时基因数、通道增益，修改光标属性，使显示效果最佳，也可以观测两通道的李萨育图形。采集到的数据可以Excel电

是结束采样参数设置耦合方式设置时基/增益调节光标设置李萨育图形显示数据存档是结束 是否超过 设定时间？否子表格形式存档和回放。

开始数据LJ Burst数据LabVIEWLabJack数据缓冲区数据通道采集子函数软件系统图2 定时采集模式流程图

连续采集模式时，先启用LJ Stream Start指令打开采集流程，初始化系统参数。LabJack将连续从硬件通道采集数据存放入缓冲区，LJ Stream Read函数从缓冲区连续读取缓冲数据，供给用户调用。当数据传输完毕以后，按下“停止”按钮，调用LJ Stream Clear子函数，结束采集过程，如图3所示。

否通道设置连续模式？定时设置扫描参数设计图4 虚拟示波器软件流程图

虚拟示波器可采集双通道数据，LabJack有8个

17

电工电气 (2010 No.1)基于LabVIEW软件的数据采集与分析系统设计模拟输入通道，通道设置时可以选择为8路单端输入或者4路双端差动输入，各通道有10挡预设增益。

定时采集模式时，首先输入定时时间，系统在按下“开始”按钮时刻开始计时，到达定时时间后，系统内部产生一个中断信号，中止运行。连续采集模式时，先设定各采集参数，按下“开始”按钮，系统开始进行连续采集，直到按下“停止”按钮，程序退出运行。

在波形显示时，可以通过调整旋钮位置改变显示时基，调节范围为1ms～4s；可以通过调整旋钮位置改变垂直增益，调节范围为1mV～20V。每个通道均有交直流耦合方式选择开关，在直流显示时，系统首先滤除直流信号，仅在主显示屏上显示交流分量。显示李萨育图形时，系统将A通道信息当作X输入，B通道信息作为Y输入。

虚拟示波器数据显示模块有采集指示灯，当示波器在滚动现实波形时，指示灯变绿；当处于暂停或者停止采集显示状态时，指示灯变红。电压溢出标志指示灯在输入电压超出标准时亮，提示出错，硬件连接错误时，硬件指示灯变红。2.3 虚拟电能质量分析仪

传统的示波器可以完成基本数据采集和显示，在实验室或工业应用时，采集到的数据往往还需要进行处理和分析，本文设计的系统可以对输入信号进行基本的电能质量分析，包括电压偏差、频率偏差和谐波分析，得到的结果还可以存盘以备进一步调用。电力系统电压偏差和频率偏差是电能质量的两项基本指标[5]。其定义分别为：

UN-UO

(1)ΔU=

UN

电压偏差计算频率偏差计算UH= ∞h=2(Uh)2(4)

最后，计算电压总谐波畸变率：

UH

THD= ×100%U1

(5)

电流谐波计算公式和电压谐波计算公式一一对应。根据上述分析，设计电能质量分析仪的软件流程如图5所示。在程序开始前，对系统进行初始化设置，主要包括通道参数和采样参数的设置。数据采集为连续模式，每组数据采集完毕后，进行FFT变换，在频域内求取基波幅值和频率，先将电压偏差和频率偏差计算出来，再进入谐波分析子循环。所有结果均能在操作面板上实时显示、存档和调用。

开始系统初始化设置采集数据i=0，N=最大采样点数否计算总谐波畸变率THDi＜N？是FFT变换第i次谐波幅频第i次谐波相频第i次谐波相位THDi计算i++fN-fO

(2)

fN

其中ΔU、UN、UO分别为电压偏差、额定电压和实测电压；Δf、fN、fO分别为频率偏差、额定频率和实测频率。一般用谐波含有率、总谐波畸变率来表示谐波的严重程度，数学表达式如下：

第h次谐波电压含有率：

Uh(3)HRUh= ×100%

U1

式(3)中Uh为第h次谐波电压均方根值，U1为基波电压均方根值。

由此可得到谐波电压含有率：

Δf=

18屏幕显示图5 电能质量分析仪软件流程图

3 实验结果

为验证系统功能，将LabJack U12数据采集卡通过USB接口与计算机相连，用函数发生器产生两路模拟信号。通道1为10Hz，幅值2V的正弦波，通道2为20Hz，幅值2V的正弦波。两路数据分别由LabJack的通道A、通道B采集，将LabVIEW软件系

(下转第21页)

电工电气 (2010 No.1)

(1)如果测控装置开出的升、降挡位接点发生粘合，是否会导致分接开关滑挡。测控开出“升挡”接点，并一直粘合。首先K1动作吸合，启动电机开始升挡操作；机构行进约4个分格后，定向凸轮触点S14闭合，再行进约半分格后定向凸轮触点S13A闭合启动辅助继电器K20；K20的常闭接点21-22分开切断测控开出接点启动K1回路，但K1通过S14接点继续保持动作。等到挡位切换到位后，定向凸轮触点S14分开，切断K1启动回路，电机停止。由于K20一直动作，虽然测控开出接点一直粘合，仍然只进行一次操作。(2)如果定向凸轮触点S14发生粘合，K1将一直动作。一个挡位切换完成后，由于K1仍然动作，K20通过K1触点73-74进行自保持。并开始继续下一个挡位操作，行进3个分格后凸轮触点S2(C-NO)闭合，与凸轮触点S1(C-NC)、K1接点83-84、K20接点83-84启动Q1跳闸线圈，跳开电机电源空开Q1，停止挡位继续切换。(3)如果在正常操作过程中K1发生卡死现象，参照第二点分析，同理可以跳开Q1。(4)如果K1启动电机的接点发生粘合，则由于K1、K20等都不动作。凸轮触点S2(C-NO)闭合，与凸轮触点S1(C-NC)、K1接点61-62、K20接点61-62启动Q1跳闸线圈，跳开电机电源空开Q1。从上文的分析可以看出，ED-S机构在电气回路方面防止滑挡是比较全面的。

测控装置由于只采样主变分接开关的挡位，所以它的滑挡判据只能通过对比操作前后的挡位情况进行。而分接开关的电动机构可以通过判断凸轮的行程开关来进行逻辑判断，显得更加可靠。

由于分接开关在挡位切换过程中，期间会输出“0挡位”情况，可能会导致测控装置发生误判的情况。从该测控装置的判据来看，设计者似乎已考虑到“0挡位”问题，所以提出以相邻挡位为判断依据。但错误地将“0挡位”认为是“1挡位”的相邻挡位，从而造成测控装置误判滑挡。实际上从图2的BCD码输出可以看出，并不存在所谓“0挡位”，在程序中将其进行屏蔽就可以避免此问题。

4 结语

经现场试验，证实了以上分析判断。后经查证该问题只在该型号测控装置某个版本中存在，经软件版本升级后处理了该缺陷。在此提出几点建议：(1)加强对测控装置的运行管理，特别是对软件版本和设置参数要进一步加强管理；(2)如果认为分接开关电动机机构内的控制回路具备比较完善的防滑挡措施，可考虑取消测控装置的滑挡闭锁功能；(3)可以在分接开关的电机启动回路中设置一只继电器来监视电机运转时间，超时后将电机电源切断。

收稿日期：2009-09-29

3 两个控制回路的对比分析

统的通道设置为A和B，增益设置为1，扫描频率1024Hz。通道时基因数20ms/格，通道增益0.1，耦合方式为交流。同时，将该信号输入至传统示波器，比较二者结果，显示误差在1%以内。同时，通过虚拟电能质量分析仪能得出正确的谐波分析结果。

工业领域有广泛的应用前景。

参考文献

[1] 孙春龙.基于LabVIEW多通道数据采集分析系统开发

[D].武汉：武汉大学，2004.

[2] 龙铭.基于LabJack的虚拟仪器系统分析[J].煤矿机

械，2005(6)：99-101.

[3] 曾璐，陆荣双.基于LabVIEW的数据采集系统设计

[J].电子技术，2004(12)：16-17.

[4] 陈宁，吴汶芪.基于LabVIEW的汽车虚拟示波器设计

[J].客车技术与研究，2008(6)：12-14.

[5] 杨坤.电能质量监测与分析系统[D].成都：四川大

学，2004.

收稿日期：2009-07-14

4 结语

文中利用LabVIEW图形化编程语言，设计了一套数据采集与分析虚拟仪器系统。该系统可以实现多通道数据实时采集与分析，进行电能质量分析，界面友好，使用简单，操作方便，实验结果验证了系统的功能。该系统在高校实验室科研和教学，以及

21