CN105938464B - 一种基于LabVIEW的加速度计信号采集装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种基于LabVIEW的加速度计信号采集装置及方法，装置包括数据调理端及客户端，其中，数据调理端包括电荷输出型加速度计和电荷放大器，客户端包括电荷放大器控制模块、数据处理模块及错误处理模块。方法中利用VI服务器实现对事件响应动态调用，将采集数据分离，输出为图形或保存为文件，使用内部函数错误检测、操作逻辑错误检测及错误簇状态分离方法进行错误处理。本发明解决了无数据采集卡条件下无法对加速度计信号进行远距离数据采集以及对电荷放大器的控制通常独立于数据采集处理功能的问题。实现了无数据采集卡条件下，采集加速度计信号的功能，同时将对电荷放大器的控制功能与数据采集处理功能集成为一体，提高了测试效率及操控便捷性。

Description

一种基于LabVIEW的加速度计信号采集装置及方法

技术领域

本发明涉及一种加速度计信号采集装置及方法，属于信息技术中控制与检测领域，尤其涉及一种基于LabVIEW的加速度计信号采集装置及方法。

背景技术

加速度计是一种被广泛应用于测量载体(如机械设备或建筑结构等)所受冲击或振动的传感器，为振动分析及故障检测的数据来源。

以太网通信协议是一种通用的现场总线通信协议，以太网是常用的计算机与外部设备之间进行数据交互的方式。

在虚拟仪器技术领域，NI公司的LabVIEW编程环境，具有代码简洁直观，人机交互界面友好，设备控制能力强等特点，成为一种功能强大的图形化编程语言，使得在数据采集及硬件控制方面有很大优势，越来越多的被用于测控领域。

电荷放大器、数据采集板卡与计算机组成的虚拟仪器系统是目前电荷输出型传感器数据采集的主要构成方式之一。数据采集板卡虽然可实现较高的采样速率，但其价格往往较高，对于机械或建筑结构的振动及故障检测等领域，往往不需要较高采样速率，因此，上述数据采集方式造成了一定的资源浪费。同时，加速度计与电荷放大器的距离一般越短越好，上述数据采集方式在电荷放大器与数据采集板卡间传输的是模拟信号，对于需要远距离传输的场合，易于引入噪声。

另外，电荷放大器作为获取加速度的关键设备，其参数设置和测量控制与数据采集处理环节的集成度成为影响测试效率的关键。对于目前在售的电荷放大器，用户需要使用厂家开发的配套软件才能实现对其参数设置与测量控制，这就使得用户对电荷放大器的控制与数据采集处理环节相互独立，大大影响测试效率及操控便捷性。

发明内容

本发明以提高加速度测量过程的抗干扰性及远程传输能力，提高测控系统集成度，提高测试效率及操控便捷性为目的。在不使用数据采集卡条件下实现对加速度计信号的数据采集处理，通过网络通信的方式将用户对电荷放大器的控制与数据采集处理功能集成，使用户能够在同一平台下完成对电荷放大器的控制及数据采集处理，同时，电荷放大器与计算机之间传输的是数字信号，减少了传统方式下的模拟信号传输环节，能够实现远距离测控，提高了远距离传输时的抗干扰能力。

一种基于LabVIEW的加速度计信号采集装置，包括数据调理端、客户端、网络。数据调理端包括电荷输出型加速度计、电荷放大器；电荷输出型加速度计用于感受加速度信号，电荷放大器用于进行信号放大及变换。

客户端用于完成对电荷放大器的控制、数据采集和错误处理；

数据调理端与客户端之间的数据交互通过网络连接实现。

所述客户端具体包括控制指令、指令帧、远程电荷放大器端口、响应帧、电荷放大器控制模块、数据处理模块、错误处理模块；控制指令完成对电荷放大器的控制，将指令及附加参数进行封装产生指令帧，并将指令帧由指定端口下发至对应的远程电荷放大器端口，同时接收电荷放大器返回的响应帧；电荷放大器控制模块对响应帧解析和处理，完成电荷放大器参数设置和读取。

数据处理模块用于提取出相关测量数据与参数信息，将数据分离为电荷量及电压量，并进行数据处理及数据输出，所述数据处理及数据输出为数据的显示及保存。

错误处理模块用于软件内部函数错误和用户操作逻辑错误检测、错误代码输出及错误控制。

所述电荷放大器控制模块具体包括网络配置检测子模块、识别子模块、建立\断开连接子模块、参数配置子模块；

网络配置检测子模块用于对本地计算机网络配置进行检测并显示当前网络的配置信息；识别子模块用于搜索及识别电荷放大器；建立\断开连接子模块用于计算机与电荷放大器之间建立连接及取消连接；参数配置子模块用于电荷放大器参数设置与读取。

所述数据处理模块具体包括：

用于提取相关测量数据与参数信息，按照电荷量及电压量分离的数据分离子模块；

用于将数据输出至人机交互界面显示的数据显示子模块；

用于将数据保存为文件的数据保存子模块。

所述错误处理模块具体包括：

用于检测内部函数错误的内部函数错误检测子模块；

用于对用户操作逻辑进行判断的用户操作逻辑错误检测子模块；

用于分离错误簇状态，当监测到错误发生时，终止运行或给出错误提示的错误控制子模块。

利用上述装置进行的一种基于LabVIEW的加速度计信号采集方法，包括：

用于响应对电荷放大器的控制指令，将指令及附加参数进行封装产生指令帧，并将指令帧由指定端口下发至对应的远程电荷放大器端口，同时接收电荷放大器返回的响应帧，对响应帧解析和处理，完成电荷放大器参数设置和读取的电荷放大器控制步骤；

用于提取出相关测量数据与参数信息，将数据分离为电荷量及电压量，并进行数据处理及数据输出的数据处理步骤；

用于软件内部函数错误和用户操作逻辑错误检测、错误代码输出及错误控制的错误处理步骤。

所述电荷放大器控制步骤具体包括：

用于对本地计算机网络配置进行检测并显示当前网络配置信息的网络配置检测步骤；

用于搜索及识别电荷放大器的识别步骤；

用于计算机与电荷放大器之间建立连接及取消连接的建立\断开连接步骤；

用于电荷放大器参数设置与读取的参数配置步骤。

所述数据处理步骤具体包括：

用于提取相关测量数据与参数信息，按照电荷量及电压量分离的数据分离步骤；

用于将数据输出至人机交互界面显示的数据显示步骤；

用于将数据保存为文件的数据保存步骤。

所述错误处理步骤具体包括：

用于检测内部函数错误的内部函数错误检测步骤；

用于对用户操作逻辑进行判断的用户操作逻辑错误检测步骤；

用于分离错误簇状态，当监测到错误发生时，终止运行或给出错误提示的错误控制步骤。

本发明的优点：本发明所述装置或方法中，通过事件结构嵌入循环结构，构成了共49个事件分支，利用VI服务器实现对事件响应的动态调用，单一事件通过共享变量建立TCP/IP链路，能够实现本地计算机网络配置自动检测、电荷放大器全功能控制、电荷量与电压量分离显示及保存，程序占用内存低、结构明晰、执行速度快且运行可靠稳定。

本发明所述装置不需要数据采集板卡，能够实现高达1kHz采样速率对加速度计输出信号采样，模拟信号传输通路仅介于电荷输出型加速度传感器与电荷放大器之间，减少了传统方式下的模拟信号传输环节，实现了远程高抗干扰信号传输。

本发明所述装置及方法实现了用户对电荷放大器的控制与数据采集处理功能的集成，大大提高了测试效率及操控便捷性。

附图说明

图1是本发明所述基于LabVIEW的加速度计信号采集装置原理图；

图2是本发明所述基于LabVIEW的加速度计信号采集装置客户端架构图；

图3是本发明所述数据保存模块流程图。

图中：1、电荷放大器控制模块，2、数据处理模块，3、错误处理模块。

具体实施方式

具体实施方式一：下面结合图1与图2说明本发明实施方式，本发明实施方式所述基于LabVIEW的加速度计信号采集装置，包括：

用于响应对电荷放大器的控制指令，将指令及附加参数进行封装产生指令帧，并将指令帧由指定端口下发至对应的远程电荷放大器端口，同时接收电荷放大器返回的响应帧，对响应帧解析和处理，完成电荷放大器参数设置和读取的电荷放大器控制模块(1)。

用于提取出相关测量数据与参数信息，将数据分离为电荷量及电压量，并进行数据处理及数据输出(显示及保存)的数据处理模块(2)。

用于软件内部函数错误和用户操作逻辑错误检测、错误代码输出及错误控制的错误处理模块(3)。

具体实施方式二：下面结合图1与图2说明本发明实施方式，本实施方式是对实施方式一做进一步说明，所述电荷放大器控制模块(1)具体包括：

用于对本地计算机网络配置进行检测并显示当前网络配置信息的网络配置检测子模块；用于搜索及识别电荷放大器的识别子模块；用于计算机与电荷放大器之间建立连接及取消连接的建立\断开连接子模块；用于电荷放大器参数设置与读取的参数配置子模块。

本实施方式中，应用事件结构函数对人机交互界面相应控件动作通过值改变方式进行感知，每个控件动作作为一个事件分支，共构成49个事件分支。每个事件分支将对应的事件交于各子模块处理。

通过执行系统命令函数执行带参数系统命令ipconfig/all来查询本地计算机网络配置信息，标准输出为字符串。将输出结果依次通过多个匹配模式函数提取出匹配内容，正则表达式依次设为：HostName、Description、Physical Address、Dhcp Enabled、Autoconfiguration Enabled、IP Address、Subnet Mask、Default Gateway、DHCPServer、:及空字符常量。分别用于提取主机名称、本地连接描述、MAC地址、DHCP模式支持、自动配置模式支持、IP地址、子网掩码、DHCP服务器地址信息。

在设备识别子模块中，通过指定端口号，利用打开UDP端口函数开辟数据通道。指定网络地址字符串后，通过字符串转换为IP地址格式函数将地址字符串转换为可识别IP地址格式。指定ASCII命令字符后，通过字节数组至字符串转换函数，将表示ASCII字符的无符号字节数组转换为字符串，然后通过写入UDP数据函数使数据写入远程UDP套接字。从而实现指令封装。通过读取UDP数据函数从UDP套接字读取数据报文并输出返回结果。返回结果能够显示设备TCPIP地址及端口、UDP端口、子网掩码、路由地址、设备名称、设备固件版本及序列号等信息。

将设备名称是否合法作为搜索结果正确与否的判断标准。并构建搜索状态为共享变量，将此共享变量作为建立连接事件结构函数内条件结构函数的判断条件。

在建立连接子模块中，将搜索获取的设备地址及端口号作为设备信息的共享变量，通过打开TCP连接函数，建立与电荷放大器的连接，并将空字符常量写入所建立的TCP连接，通过匹配模式函数检测响应帧是否含有对应信息作为连接是否建立的标志，并构建连接状态为共享变量，将此共享变量作为后续所有事件结构函数内条件结构函数的判断条件。

在断开连接子模块中，将建立连接获取的连接ID作为共享变量，通过关闭TCP连接函数，取消建立与电荷放大器的连接。并将关闭TCP连接函数错误输出延时后分离出状态信息，作为取消连接是否成功的标志。

参数配置子模块为一系列事件分支构成的事件集，每个事件分支将连接状态共享变量作为事件集内单一事件分支内条件结构函数的判断条件，将相应指令写入TCP连接函数，实现电荷放大器参数的写入和读取，包括：IP地址读取\写入、测量单位读取\写入、增益读取\写入、灵敏度读取\写入、系统增益读取\写入、高通滤波器截止频率读取\写入、低通滤波器截止频率读取\写入、偏移读取\写入、模拟量输出模式读取\写入、峰值重置、设备重启、设备出厂信息读取、设备名称读取\写入、连接超时读取\写入、恢复出厂默认、限位开关状态读取\写入、限位开关模式读取\写入、复位限位开关等。

具体实施方式四：下面结合图1与图2说明本发明实施方式，本实施方式是对实施方式一做进一步说明，所述数据处理模块(2)具体包括：

用于提取相关测量数据与参数信息，按照电荷量及电压量分离的数据分离子模块；

用于将数据输出至人机交互界面显示的数据显示子模块；

用于将数据保存为文件的数据保存子模块。

本实施方式中，将电荷放大器UDP端口作为打开UDP连接函数参数，建立连接ID，并通过数据隧道与位于循环结构函数内的写入UDP数据函数建立连接，将返回响应数据通过字符串至字节数组转换函数转换，将转换后的数据提取出长度信息并将此长度值作为For循环结构函数循环次数，在循环结构函数内部通过整数拼接函数构建并输出时间戳信息，同时，将返回的响应数据通过数据隧道接入循环结构函数，通过数组索引函数、整数拼接函数提取电荷量及电压量，并强制类型转换为单精度浮点数输出。

为节约内存开销，仅在需要实时数据显示时才将数据以指定采样率在波形图中显示，显示时不影响主程序线程运行，通过动态引用VI动态调用数据分离模块，采用控件值调用方法，将获取的UDP端口数据转换为变体数据，作为动态调用输入。采用前面板调用方法，将打开前面板设置为真，以便激活弹出窗口，利用弹出窗口的形式显示数据。采用运行VI调用方法，将等待直至结束设置为假，以便在动态调用时通过关闭引用函数由用户决定关闭显示界面。

通过TDMS打开函数创建TDMS格式文件，将TDMS写入函数放置于循环结构函数内部，并将数据作为共享变量通过TDMS写入函数写入已创建的TDMS格式文件，实现数据以文件形式保存。保存成功后，通过TDMS关闭函数关闭文件写入操作。

具体实施方式五：下面结合图1与图2说明本发明实施方式，本实施方式是对实施方式一做进一步说明，所述错误处理模块(3)具体包括：

用于检测内部函数错误的内部函数错误检测子模块；

用于对用户操作逻辑进行判断的用户操作逻辑错误检测子模块；

用于分离错误簇状态，当监测到错误发生时，终止运行或给出错误提示的错误控制子模块。

在本实施方式中，将单一事件分支结构中所有函数的错误输入及输出依据数据流方式顺序连接，将错误输出接入事件结构函数数据隧道，数据隧道通过移位寄存器接入外部循环结构函数，与错误输入构成一对移位寄存器对。同时，将单一事件分支结构中的错误簇解除绑定，以分离出错误状态，实现内部函数错误检测。

将搜索状态作为条件结构函数分支选择器的输入参数，依据搜索状态，通过消息对话框给出状态结果及用户操作提示，并与其他事件分支实行条件闭锁。

将建立连接状态作为条件结构函数分支选择器的输入参数，依据连接状态，通过消息对话框给出状态结果及用户操作提示，并与其他事件分支实行条件闭锁，在未建立连接或建立连接失败条件下，不允许进行建立连接成功后的操作，若此种情况下进行其他操作，给出错误提示信息。

将提取出的内部函数错误状态，接入事件结构函数数据隧道，同时，将用户停止控件作为事件分支结构，将真布尔常量接入事件结构函数数据隧道，两部分数据隧道的输出逻辑取或，共同作为外部循环结构停止条件，实现错误控制。

具体实施方式六：下面结合图1与图2说明本发明实施方式，本发明实施方式所述基于LabVIEW的加速度计信号采集方法，包括：

用于响应对电荷放大器的控制指令，将指令及附加参数进行封装产生指令帧，并将指令帧由指定端口下发至对应的远程电荷放大器端口，同时接收电荷放大器返回的响应帧，对响应帧解析和处理，完成电荷放大器参数设置和读取的电荷放大器控制步骤；

用于提取出相关测量数据与参数信息，将数据分离为电荷量及电压量，并进行数据处理及数据输出(显示及保存)的数据处理步骤；

用于软件内部函数错误和用户操作逻辑错误检测、错误代码输出及错误控制的错误处理步骤。

具体实施方式七：下面结合图1与图2说明本发明实施方式，本实施方式是对实施方式六做进一步说明，所述电荷放大器控制步骤具体包括：

用于对本地计算机网络配置进行检测并显示当前网络配置信息的网络配置检测步骤；

用于搜索及识别电荷放大器的识别步骤；

用于计算机与电荷放大器之间建立连接及取消连接的建立\断开连接步骤；

用于电荷放大器参数设置与读取的参数配置步骤。

具体实施方式八：下面结合图1与图2说明本发明实施方式，本实施方式是对实施方式六做进一步说明，所述数据处理步骤具体包括：

用于提取相关测量数据与参数信息，按照电荷量及电压量分离的数据分离步骤；

用于将数据输出至人机交互界面显示的数据显示步骤；

用于将数据保存为文件的数据保存步骤。

具体实施方式九：下面结合图2和图3说明本发明实施方式，本实施方式是对实施方式九做进一步说明，所述数据保存为文件步骤具体包括：

用于通过TDMS打开函数进行文件格式版本、文件路径、操作方式的初始化配置并在TDMS写入数据时禁用相应属性节点以防止所述配置改变的步骤；

用于通过TDMS写入函数进行组名称、通道名称设置，以及将分离的电荷量及电压量组合为数组输入至数据接收端的步骤；

用于通过循环结构函数，在数据采集期间不断对所配置TDMS文件进行数据写入的步骤；

用于通过TDMS关闭函数关闭TDMS文件操作，以恢复初始化配置时被禁用的属性节点的步骤。

具体实施方式十：下面结合图1与图2说明本发明实施方式，本实施方式是对实施方式六做进一步说明，所述错误处理步骤具体包括：

用于检测内部函数错误的内部函数错误检测步骤；

用于对用户操作逻辑进行判断的用户操作逻辑错误检测步骤；

用于分离错误簇状态，当监测到错误发生时，终止运行或给出错误提示的错误控制步骤。

Claims (3)

1.一种基于LabVIEW的加速度计信号采集装置，其特征在于：该装置包括数据调理端、客户端、网络；数据调理端包括电荷输出型加速度计、电荷放大器；电荷输出型加速度计用于感受加速度信号，电荷放大器用于进行信号放大及变换；

客户端用于完成对电荷放大器的控制、数据采集和错误处理；

数据调理端与客户端之间的数据交互通过网络连接实现；

所述客户端具体包括控制指令、指令帧、远程电荷放大器端口、响应帧、电荷放大器控制模块、数据处理模块、错误处理模块；控制指令完成对电荷放大器的控制，将指令及附加参数进行封装产生指令帧，并将指令帧由指定端口下发至对应的远程电荷放大器端口，同时接收电荷放大器返回的响应帧；电荷放大器控制模块对响应帧解析和处理，完成电荷放大器参数设置和读取；

数据处理模块用于提取出相关测量数据与参数信息，将数据分离为电荷量及电压量，并进行数据处理及数据输出，所述数据处理及数据输出为数据的显示及保存；

错误处理模块用于软件内部函数错误和用户操作逻辑错误检测、错误代码输出及错误控制；

所述错误处理模块具体包括：

用于检测内部函数错误的内部函数错误检测子模块；

用于对用户操作逻辑进行判断的用户操作逻辑错误检测子模块；

用于分离错误簇状态，当监测到错误发生时，终止运行或给出错误提示的错误控制子模块；

所述电荷放大器控制模块具体包括网络配置检测子模块、识别子模块、建立\断开连接子模块、参数配置子模块；

网络配置检测子模块用于对本地计算机网络配置进行检测并显示当前网络的配置信息；识别子模块用于搜索及识别电荷放大器；建立\断开连接子模块用于计算机与电荷放大器之间建立连接及取消连接；参数配置子模块用于电荷放大器参数设置与读取。

2.根据权利要求1所述的一种基于LabVIEW的加速度计信号采集装置，其特征在于：所述数据处理模块具体包括：

用于提取相关测量数据与参数信息，按照电荷量及电压量分离的数据分离子模块；

用于将数据输出至人机交互界面显示的数据显示子模块；

用于将数据保存为文件的数据保存子模块。

3.利用权利要求1所述装置进行的一种基于LabVIEW的加速度计信号采集方法，包括：

用于响应对电荷放大器的控制指令，将指令及附加参数进行封装产生指令帧，并将指令帧由指定端口下发至对应的远程电荷放大器端口，同时接收电荷放大器返回的响应帧，对响应帧解析和处理，完成电荷放大器参数设置和读取的电荷放大器控制步骤；

用于提取出相关测量数据与参数信息，将数据分离为电荷量及电压量，并进行数据处理及数据输出的数据处理步骤；

用于软件内部函数错误和用户操作逻辑错误检测、错误代码输出及错误控制的错误处理步骤；

所述电荷放大器控制步骤具体包括：

用于对本地计算机网络配置进行检测并显示当前网络配置信息的网络配置检测步骤；

用于搜索及识别电荷放大器的识别步骤；

用于计算机与电荷放大器之间建立连接及取消连接的建立\断开连接步骤；

用于电荷放大器参数设置与读取的参数配置步骤；

所述数据处理步骤具体包括：

用于提取相关测量数据与参数信息，按照电荷量及电压量分离的数据分离步骤；

用于将数据输出至人机交互界面显示的数据显示步骤；

用于将数据保存为文件的数据保存步骤；

所述错误处理步骤具体包括：

用于检测内部函数错误的内部函数错误检测步骤；

用于对用户操作逻辑进行判断的用户操作逻辑错误检测步骤；

用于分离错误簇状态，当监测到错误发生时，终止运行或给出错误提示的错误控制步骤。