基于LabWindows/CVI的低频磁场参数采集及测试系统的设计
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基于LabWindows/CVI的低频磁场参数采集及测试系统的设计
摘 要：简要地介绍了一种基于LabWindows/CVI的磁场参数采集及测试系统设计的基本方法。选用数据采集卡（DAQ）和信号调理电路组成PCDAQ自动测试系统，充分利用LabWindows/CVI强大的软件功能，实现“软件即仪器”的设计思想。本系统既经济又易于操作，而且能够进行改进和功能扩展。
关键词：LabWindows/CVI；虚拟仪器；数据采集；信号调理；低频磁场
目前，磁场测试技术的应用已深入到国民生产的各个领域，而提高测量的准确度、增加被测参量、扩大测量范围以及扩展使用条件等问题成为日益迫切的任务。针对磁场测试系统的实际情况，合理选择采样技术及相关算法进行数据处理是提高测量准确度的重要环节。虚拟仪器的出现，是现代计算机技术、通信技术和测量技术相结合的产物，是仪器产业发展的一个重要方向，他的发展，使空间低频磁场的测试实现数字化、自动化成为可能。
利用美国NI（National Instruments）公司开发的32位面向计算机测控领域的虚拟仪器编程语言LabWindows/CVI设计的一种空间低频磁场测试系统，能够完成对空间低频磁场多点位的参数采集，进而能够测量和显示空间低频磁场的参量数值和磁力线分 |
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1系统整体设计
1.1系统结构
低频磁场参数采集及测试系统整体设计如图1所示
[upload=image/pjpeg]uploadImages/60-1.jpg[/upload]
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1.2系统性能
1.2.1数据采集卡（DAQ）主要技术指标
本系统选用ADLINK公司的增强型多功能数据采集卡ACL8111，可以直接插入到PC机的总线扩展槽中，模块规范符合ISA总线接口规范。
(1)模拟量信号输入部分
模拟输入通道数：8路单端输入；
可编程设定模拟输入电压范围(V)：±5，±2.5，±1.25，±0.625，±0.3125；
模拟输入阻抗：>10 MΩ；
采样保持时间：5 μs；
(2)A/D转换部分
分辨率：12位；
转换时间：25 μs；
精度：0.015% of ±1 LSB；
非线性误差：±1/2 LSB
触发方式：软件触发、内部时钟触发和外部脉冲触发；
数据传送方式：软件查询或中断方式。
1.2.2软件实现的性能
(1)操作界面直观、友好，直接面对用户，易于实际操作。
(2)实现Windows下对磁场参数的自动采集、显示、存取及打印等功能。
(3)对采集来的数据进行处理，进行数字信号处理、数字滤波、统计处理、数值计算与分析等，完成自动测试功能。
(4)对测试结果的自动显示和输出。
(5)通过相应的编程来扩展其他的分析功能。
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2系统硬件结构
本系统的硬件系统由霍尔探头、电源板、信号调理板、数据采集卡和计算机等几部分组成。
2.1霍尔探头
完成信号的获得，将被测参数转换成相应的可用电压输出信号。由多路霍尔芯片组成，其作用在于将所测磁场中的磁感应强度转变为与之在一定范围内成线性关系的输出电压。探头上装有霍尔芯片，这里采用SPRAGUE公司生产的UGN3501M型芯片。该型芯片具有灵敏度高、控制电流低、体积小等特点。霍尔芯片的个数应该根据测量模型周向检测范围而定，一般需要16片左右。采用4DH型精密恒流源使控制电流恒定，同时还可以免除霍尔元件输入内阻随温度而变化的影响。
2.2电源
采用的供电电源主要是±5 V电源，在系统中采用了三端固定式集成稳压模块美国国家半导体公司的LM78xx和LM79xx系列。电源系统的干扰是电子系统的一个主要噪声来源，电源纹波对于高精度的测量系统影响较大，故需要采用合理的元件参数及适当的滤波环节，以获得良好的电源质量。
2.3信号调理板
来自霍尔探头的输出信号通常是含有干扰噪声中的微弱信号，信号调理电路的基本作用在于：
(1)放大将信号放大到与数据采集板中的A/D转换器相适配，并提供足够的驱动能力；
(2)预滤波抑制干扰噪声信号中的高频分量，将其频带压缩以降低采样频率，避免产生混淆，保证信号质量，提高信噪比。
(3)根据需要进行信号隔离与变换。
在本系统中选用AD公司的ADOP37，这是一种超低噪声、高精度的高速运算放大器，具有低失真和单位增益带宽很大等特点。信号调理板的各部分电路设计采用相应芯片的典型外围电路即可。
2.4数据采集卡
虚拟仪器是基于“信息的数据采集(DAQ)—信号的分析与处理(DSP)—结果的输出及显示(DAC)”的结构模式而建立通用仪器硬件平台，高质量的A/D数据采集卡及信号调理电路是关键。
本系统选用ADLINK公司的增强型多功能数据采集卡ACL8111，他是一种高精度高速数据采集卡，其主要技术指标如前所述。
2.5计算机
是系统的核心，使整个测量系统成为一个智能化的有机整体，在软件导引下按预定的程序自动进行信号的采集与存储，自动进行数据运算分析与处理，以及以适当形式输出、显示或记录测量结果。在本测试系统中，高性能的PⅢ800处理器，高分辨率显示器，大容量的硬盘，大大增强了系统的功能。主机板上的5个PCI总线扩展槽和2个ISA总线扩展槽，为仪器的功能扩展和改进升级提供了有力的支持。
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3系统软件设计
3.1操作面板程序设计
本测试系统所设计的用户操作面板如图3所示。
对象编程是LabWindows/CVI编程的核心概念，面板（即用户界面）和面板中的控件如旋钮、按钮、图表以及其他控制器和指示器等都是对象。属性和事件是对象的基本元素，在LabWindows/CVI中，可以通过这两个元素来操作和控制对象。面板的设计主要是利用LabWindows/CVI中的用户界面函数库(User Interface Library)所提供的函数和通过改变对象的属性来实现的，在用户界面编辑窗口（User Interface Editor Windows）交互式地完成。
如图3所设计的用户操作面板采用逐层打开的方式，始终保持当前界面为工作界面，简单明了，易于操作。
3.2数据采集与显示
在LabWindows/CVI软件平台下，用软件驱动I/O接口数据采集卡DAQ，实现数据采集分2种情况：
(1)LabWindows/CVI支持的数据采集卡，如NI公司自行生产的各类数据采集卡（例LabPC1200），可利用LabWindows/CVI自带的驱动函数驱动。设计者只需正确设置输入参数就可以实现数据采集的任务，而无需编写代码程序。
(2)LabWindows/CVI不支持的数据采集卡，可以利用ANSI C来编写LabWindows/CVI与硬件的接口处理程序，实现对数据采集卡的软件驱动。
由于在本系统中选用ADLINK公司的数据采集卡ACL8111，要求自行编写数据采集卡的接口处理程序。在本系统中，可以通过编辑操作面板上的“采集”命令按钮（Command Button）由回调函数Acquire（）和数据采集子函数Get（）来实现。
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数据采集子函数Get（）主要实现对低频磁场的实时数据采集。实际工作中，作者利用了C编译系统提供的I/O端口管理函数，如inp（），oup（）等，采用软件查询工作方式，直接对I/O端口进行操作来完成数据的读写。数据采集子函数程序流程图如图4所示
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采集数据的显示通过LabWindows/CVI提供的图形控件（Graphs and Strip Charts）类函数来完成。
采集数据的存储和读取可以利用LabWindows/CVI中的函数库Formating and I/O所提供的函数ArrayToFile（）和FileToArray（）来实现。在函数参数中，可以根据需要选择参数来用二进制方式或ASCII码方式存储和读取数据。 |
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.3数字滤波
数字滤波器有2大类，即无限冲击响应滤波器（IIR滤波器）和有限冲击响应滤波器（FIR滤波器）。2种滤波器各有特点，IIR滤波器可以较好地保留幅值频率特性，而FIR滤波器可以实现相位的不失真。
LabWindows/CVI中提供了大量的滤波器设计函数。IIR滤波器函数类中包含常用的巴特沃斯滤波器、切比雪夫滤波器和椭圆滤波器等。而FIR滤波器函数类主要是以窗口法构造的FIR滤波器和ParksMcClellan运算法则构造的多频带线性相移FIR滤波器。
在进行数字滤波器设计时，必须在选定滤波器的具体类型（即低通、高通、带通或带阻）之前，进行参数设置：包括滤波器长度的设置，截至频率的设置（相对低通或高通滤波器来说），上下限频率的设置（相对带通或带阻滤波器来说），窗类型（如矩形窗、三窗、Hanning窗、Hamming窗和Blackman窗）的设置。 |
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LabWindows/CVI中提供了大量的滤波器设计函数。IIR滤波器函数类中包含常用的巴特沃斯滤波器、切比雪夫滤波器和椭圆滤波器等。而FIR滤波器函数类主要是以窗口法构造的FIR滤波器和ParksMcClellan运算法则构造的多频带线性相移FIR滤波器。
在进行数字滤波器设计时，必须在选定滤波器的具体类型（即低通、高通、带通或带阻）之前，进行参数设置：包括滤波器长度的设置，截至频率的设置（相对低通或高通滤波器来说），上下限频率的设置（相对带通或带阻滤波器来说），窗类型（如矩形窗、三窗、Hanning窗、Hamming窗和Blackman窗）的设置。 |
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3.4数据分析计算及后处理
对采集到的数据进行分析计算，以求得空间低频磁场的磁场分布及其磁力线描述。在本系统中，针对不同的测试模型，由解静态场边值问题的解析方法，在主程序中添加了3个计算子函数，分别求得直角坐标系、圆柱坐标系和球坐标系下的空间低频磁场的解析解。所有的测试数据都以数据文件形式保存，并可以通过图形和报表的形式给出测试结果。本系统具有在线测试与离线测试功能，所谓在线测试就是进行实时数据采集，现场进行数据分析计算。而离线测试则是对原来测试的数据进行分析计算。
本测试系统实现了空间低频磁场的数据采集及测试，由于硬件系统选用了高精度的数据采集卡，保证了该系统具有较高的测量精度及准确度。在LabWindows/CVI软件平台的强大支持下，软件系统采用C语言进行结构化编程，保持了很好的可维护性和可扩展性。在完成硬件设计并调试成功的基础上，利用LabWindows/CVI的界面设计、接口设计和信号分析功能，完成了系统数据采集、数字滤波、数据分析计算及后处理。本磁场自动测量系统充分利用了PC机强大的软件和硬件资源，能够很容易地进行移植、改进或功能扩展，可以应用于磁场测量、无损检测等场合。
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