基于LabVIEW的远程数据采集与信号处理
吴炳生 蔡超之
机电工程学院 机电工程学院
河北工程大学 河北工程大学
中国邯郸 中国邯郸
wubingsheng@hebeu.edu.cn caichaozhi1983@163.com
摘要
本文介绍了基于LabVIEW实现远程数据采集的几种方法，描述了LabVIEW平台的设计方法，结合数据采集卡和TCP/IP协议以实现远程数据采集和传输，并完成了信号的时域分析和频域分析。时域分析包括：实时波形显示、测量信号幅度、频率和相位等参数；频域分析包括：幅度谱和相位谱、功率谱、FFT变换、加窗滤波等。
关键词—LabVIEW；TCP/IP；FFT；时域
Ⅰ.引言
在一些现场数据采集中，由于环境或距离的限制，数据采集必须发送到目的地与其他人通过网络共享。与传统的数据采集系统相比，远程数据采集系统具有不受地理、气候、时间等因素影响的优点，已广泛应用于石油、电力、水利、公安、交通、安全等行业。
随着计算机技术和通信技术的飞速发展，测试技术与计算机日益紧密地结合在一起。虚拟仪器技术和网络技术，构成了虚拟网络测试系统，是虚拟仪器的发展方向之一。LabVIEW具有强大的网络通信和数据处理能力，利用LabVIEW的功能可以轻松实现远程数据采集和信号处理。
Ⅱ.LabVIEW及虚拟仪器简介
A .虚拟仪器简介
虚拟仪器是指在通用的计算机平台上，用户根据需要定义和设计设备的测试功能，使用户像操作自己设计的设备一样操作机器。虚拟仪器概念的出现，打破了传统的设备制造商对设备的定义，即用户不能改变工作模式，现在用户可以根据自己的需要，设计自己的仪器系统，在系统测试和设备设计中充分利用软件而不是硬件，充分利用计算机技术和传统测试系统。“软件即设备”是虚拟仪器最简单的概念，也是最基本的表达形式。虚拟机在没有计算机控制的情况下是不能工作的，因而虚拟仪器的软件设计是该技术中最重要、最复杂的部分。
B．LabVIEW简介
LabVIEW（Laboratory Virtual Inst Rumen Engineering Workbenc--h）是一个图形化的编程开发环境，包括传统编程语言的开发和调试工具，其最大的特点是图形化的编程语言易于理解和掌握，同时具有一个友好的用户界面，功能十分强大。并且它强大的信号处理功能集成了几乎所有的硬件通信功能，如数据采集卡等。LabVIEW还包括丰富的数据采集、存储、处理和分析功能，和能够满足各种实际应用的工具包，可以使用动态链接库（DLL）技术来共享代码和资源，方便应用程序升级；采用对象连接与嵌入技术（OLE），使得不同程序之间可以通过预先指定的接口互相调用。LabVIEW由编译器建立的过程可以生成一个可执行文件。由LabVIEW建立的程序包含在前面板和程序框图两部分。前面板包括旋钮和其他输入控件以及显示控件。前面板是LabVIEW的图形用户界面，它集成了输入和输出功能。程序框图包括VI的内置函数和体系，以及与前面板控制对象和指示灯相对应的终端，在程序框图中，VI编程，可以控制和操作前面板上已定义的输入和输出功能。程序框图包含了VI的源代码，LabVIEW图形编程的主要特点是主VI被子VI划分为几个特定的基本功能，每个子VI都可以打包，只显示输入和输出接口，单个功能的子VI可重复利用，从而节省了编程时间，程序员可以通过交互式方法，利用图形编程技术完成虚拟仪器的软件功能。一言以概之，就是LabVIEW是一种基于图形编程语言的虚拟仪器软件开发工具，具有许多内置功能，能够完成仿真、仪器控制、数据采集、数据分析和测量等任务，其内部集成了数千种仪器和测量设备驱动程序。因此，选择LabVIEW平台开发的远程数据采集与信号处理系统具有很好的编程技术支持。
Ⅲ. LabVIEW中远程监控的几种方式
- 最简单的远程桌面
实现远程监控最简单的方式不是直接应用具体协议，而是使用Windows系统的远程桌面。简单地说，远程监视和控制连接到远程计算机的桌面上，操作远程计算机，就可以进行监视和控制。远程桌面包括客户端和服务器端，以Windows XP系统为例，每台Windows XP都同时包括客户端和服务器端，您的计算机既可以作为客户端来连接到其他已安装Windows XP的计算机并进行控制，也可以选择作为服务器端，让其他人来访问和控制您的计算机。需要注意的是服务器端的系统必须是Windows XP，且客户端要使用Windows98、Windows2000、Windows XP以及更新版本的系统。
- DataSocket技术用以数据共享
DataSocket技术是NI公司提供的面向测控领域的网络通信技术，可用于单台计算机或网络中的多个应用之间的数据交换，一般用于测量和自动化以及实时数据的发布和共享。为了实现数据传输，此系统要包括DataSocket Server Manager、DataSocket Server、DataSocket库的几种软件工具、以及DSPT (DataSocket Transfer Protocol)、通用资源定位符URL和文件格式，如技术规范。用户可以使用DataSocket读写字符串、Boolean和一组数据，就像在LabVIEW中使用其他类型的数据一样，只需要设置URL，就可以在Internet上进行实时数据传输。
- 使用网络协议进行通信
TCP/IP协议是最基本的Internet协议，必须依靠Internet上的TCP/IP协议来管理信息流。LabVIEW支持TCP/IP协议，可用于实现数据通信。在LabVIEW中，为TCP/IP协议通信功能提供了两个子模板，一个是TCP模板，它提供基于TCP协议通信的功能，另一个是UDP模板，在模板中提供基于UDP协议通信的功能，可以在数据通信之间调用这些功能。本文将在客户段和服务器通信之间的远程数据收集过程中使用这种通信方式。
Ⅳ.远程数据采集与信号处理系统
- 系统硬件组成
系统设置了两台计算机，一台服务器，另一台用于客户端。服务器计算机用于数据采集、存储、传输和实时远程控制设备参数；客户端计算机用于数据接收、处理和显示。此外，系统还需要使用数据采集卡、传感器和总线等数据传输设备。因此，本系统主要由传感器、信号调理板、NI数据采集卡、USB总线、现场数据采集计算机、传输网络和远程数据分析处理计算机组成。系统硬件组件如图1所示。
图1：硬件组成
- LabVIEW软件TCP传输
LabVIEW可以通过使用TCP模块来实现TCP通信，可以设计服务器/客户端的通信方式，VI程序分为两部分：处理计算机在客户端中的工作，数据接收、数据时域和频域分析；数据采集计算机在服务器中的工作，实现数据采集和传输。
在服务器中，使用TCP Create Listen来接收客户端的连接请求，接收到数据后建立TCP连接，使用TCP写入功能节点来发送数据，这些数据（振动、应变、位移等）需要传输到网络。同时为了发送不同类型的数据，程序首先使用特定的函数将不同类型的数据转换为字符类型，然后发送到网络。程序的实现如图2所示。
图2：TCP/IP发送过程
在客户端中，首先使用TCP Open Connection Node打开服务器和指定远程端口的TCP连接。然后使用TCP Read Node接收服务器发送的数据，并且进行分析和处理。注意，在发送和接收过程中，远程端口必须为同一端口。流程图如图3所示
图3：TCP/IP接收过程
- 时域信号分析
时域信号分析包括显示实时信号和提取信号的特征值，包括幅度特征值、时间特征值和相位特征值。本文只讨论了周期信号的特征值，接下来提到的信号无特殊说明时均为周期信号，特征值均为周期信号的特征值。信号的振幅特性通常用峰值、平均值、均方根值等来描述。时间特性通常用周期和频率来描述。相位特性通常用信号的初始相位角和同频率的两个周期信号的相对相位角来描述。图4、图5显示了LabVIEW的前面板程序和时间域信号分析的程序框图。
图4：前面板程序
图5：程序框图
- 频域信号分析
信号的频率分析采用频率作为横坐标变量来表示信号的振幅和相位的变化规律。信号频率分析或频谱分析是为了研究信号频率的组成，即由振幅和相位的规律得到信号的频率分布，建立以频率为坐标横轴的频谱。在实际工程和科研工作中，频谱分析仪是一种非常重要的分析测试仪器，在大量频谱分析测量仪器的基础上，本文主要介绍了对信号的频域分析，其中包括获取信号的幅度谱和相位谱、功率谱、FFT变换、滤波等。图6、图7为频域信号分析LabVIEW的前面板程序和程序框图。
图6：前面板程序
图7：程序框图
Ⅴ结论
利用LabVIEW软件开发平台，结合数据采集卡和TCP/IP通信协议实现远程数据采集，并完成了时域信号分析和频域分析。与传统的数据采集与处理方法相比，它具有成本低、效益高、通用性强、易于开发、数据处理简单、开发时间短、使用效果好等优点。这可以使设计人员从繁重的编程任务中解脱出来，使用户在试验测试、数据分析与处理、性能测试等方面投入更多的精力，大大缩短了开发时间。
参考文献
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[4]张炳才、柳林、高广锋，《Data a-cquisition and signal processing based on LabVIEW》，传感器技术，2007
[5]杨乐平，《LabVIEW program design and application》，北京电子工业出版社，2001
光伏电池伏安特性测试方法研究
梁世涛，贾利鑫，高辉，马睿
西安交通大学电气工程学院，西安，710049，中国
摘要
伏安特性（I-V）曲线是太阳能电池板最重要的特性之一，并且是光伏发电系统设计与现场性能测试过程中不可或缺的一环。一般来说，用户只能从制造商那里得到理想工作条件下的伏安特性曲线。然而光伏发电系统的工作环境变化无常，实际工作过程中很难获得连续、准确、实时显示的I-V曲线，为了获取实际的工作参数，需要克服两方面的困难：一方面是从0到无穷大的阻值能够连续均匀变化可变电阻；另一方面是被测对象变化范围广，这就导致其在测量小的信号时不够准确。本文采用电容充电法来模拟可变电阻，并使用一种将数字电位器和测量放大器相结合的方法来组成一个灵活的可编程增益放大电路，解决了上述问题，同时配有友好的触摸屏用户界面使整个系统更易于使用，此外SD卡中的数据存储功能也将有助于进一步分析数据。
关键词：伏安特性、太阳能电池组、电容充电方式、灵活增益放大
1引言
高成本是制约光伏产业发展的一大障碍，因此研究人员在如何提高发电效率的同时降低成本方面投入了大量的精力和资金，这也使得集中光伏发电在近些年备受关注。光伏电池的输出特性受温度、太阳辐射、入射角等诸多因素的影响，用户只能从厂家获得标准工作条件下的曲线，然而设计集中的光伏发电系统时，又必须得到光伏电池在实际工况下的伏安特性，这就导致了用户对户外测试仪器的迫切需求，市场上现有的光伏阵列测试产品大多是室内测试仪，重量大、不便携、价格昂贵。鉴于这种情况，一些高等学府与研究机构联合设计了一些测试方案。为了得到I-V曲线，必须将负载电阻从0调整到无穷大。目前，已经开发出两种方法，一种是电子负载法，另一种是电容充电法。电子负载法采用并联EDMOSFET或IGBTS作为可变负载，通过改变驱动电压，调整等效阻抗，使光伏阵列的工作点从VOC到ISC变化，该方法的优点是精度高，但也存在测试速度慢、采样曲线不连续、成本高等缺点。第二种方法是用电容器作为等效阻抗，在电容器的充电过程中，电容器的电压由零变为开路电压，因此电容器可以看作是一个电阻能够由0变为无穷大的可变电阻，这种方法具有成本低、速度快、精度高、易于控制等优点。另一个问题是被测变量的变化范围太大，特别是对于电流而言，导致ADC的范围不能被充分利用。在前面提到可以采用运算放大器或可编程增益放大器（PGA）来解决这个问题。然而，有限的增益放大使得它仍然不是一个完美的解决方案。此外，由于这些PGA的转换率较低，测试时间就要延长，因此，设计人员必须采用较大的电容器，但对于电容器而言，较大的电容量意味着较大的体积，测试仪将变得更加笨重。
本文介绍了一种光伏电池I-V特性测试仪，通过对电容器的充放电
资料编号：[5994]
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