摘 要

本文主要介绍了基于LabVIEW的光信号实时采集系统。数据采集功能可以称为整个系统的核心。整个系统用到的模块有激光光源，光电探测器，USB-6000数据采集卡，LabVIEW软件开发平台。光源照射到光电探测器，光信号转化为可测量的电压信号，然后通过数据采集卡连接到计算机，使得输入的电压信号能被计算机识别，再通过LabVIEW软件使用DAQmx编程方法对模拟输入的电压量进行实时采集，用波形显示器显示实时数据及变化曲线。最终，通过实时采集的电压量能间接地反映实时输入的光信号的光功率的变化。实时采集的数据也能形象地在LabVIEW的前面板上呈现出来。

关键词：LabVIEW；数据采集；光电探测器

Abstract

This article mainly introduces the real-time optical signal acquisition system based on LabVIEW. The data acquisition function can be called the core of the entire system. The modules used in the entire system include laser light source, photodetector, USB-6000 data acquisition card, LabVIEW software development platform. The light source illuminates the photodetector, the light signal is converted into a measurable voltage signal, and then it is connected to the computer through a data acquisition card, so that the input voltage signal can be recognized by the computer, and the voltage of the analog input is then used by the LabVIEW software using the DAQmx programming method. Perform real-time acquisition and use waveform displays to display real-time data and change curves. Finally, the change in optical power of the real-time input optical signal can be indirectly reflected by the amount of voltage collected in real time. Real-time data can also be visualized on the front panel of LabVIEW.

Keywords: LabVIEW; data acquisition; photodetector

目 录

第1章 绪论 1

1.1研究背景 1

1.2 国内外研究现状 2

1.3 研究内容及预期目标 2

第2章 设计方案及原理 3

2.1设计方案的确定 3

2.2 数据采集概述 4

2.3 数据采集原理 5

2.3.1 采样过程 5

2.3.2 采样原理 5

第3章 硬件的设计与选择 9

3.1 光源的选择 9

3.2 光电探测器 10

3.3 数据采集卡的选择 12

3.3.1 数据采集卡的一般功能 12

3.3.2 USB-6000数据采集卡 12

3.4 硬件系统的连接 15

第4章 软件程序设计 17

4.1 LabVIEW编程简介 17

4.2 DAQmx编程 21

4.3 数据采集程序设计 22

4.4 数据记录程序设计 25

第5章 总结 28

参考文献 29

附录A 系统程序设计图 30

附录B 系统硬件实物图 31

附录C 实时采集数据记录图 32

致谢 33

第1章 绪论

1.1研究背景

在当今社会，测试技术及大规模集成电路技术已上升成为热门技术，受到重视后，发展的越来越快，曾经的模拟技术的传统电子测试仪器逐步演变为数字技术；以前的单台仪器，现在普遍是多种功能仪器的组合及系统；过往的单纯地硬件实现仪器功能，慢慢被软硬件结合实现功能所取代；当今的自动测试系统，数据采集系统和数据处理系统等的功能模块都离不开计算机技术的发展。同时，计算机技术的井喷还给当代自动测试体系带来仪器的智能化、综合化、小型化和自动化。当代测试技术的变革正是归功于虚拟仪器技术，虚拟仪器技术联合了测试技术和计算机技术，不仅具有高速总线技能化的优势，还有多样化、模块化和网络化等互相交融的特点。虚拟仪器技术有着许多功能，成本还低，应用起来也比较灵活、操作也不麻烦，这些都是它的优势所在。虚拟仪器技术可以在很多领域使用，并且不像传统仪器技术那么麻烦，所以现在的仪器都想往这个方向发展。这个技术也开始渐渐进入各国业界的视线中。其实虚拟仪器（Virtual Instruments），就是那计算机当成中心的硬件系统上，再联合虚拟仪器软件开发平台，可以调试出虚拟仪器面板和相应的功能展示在计算机屏幕，用户使用鼠标或键盘操作虚拟仪器面板上的各种控件，来模拟仪器功能，选择相应工作参数，可以做到开始或停止一台仪器的工作^[1]。计算机软件程序不仅可以对输入的信号进行采集，还可以对信号进行分析和处理。同样地，虚拟仪器面板上不仅可以显示测量数据结果，还可以反映仪器工作状态。屏幕上的虚拟仪器前面板是可以对仪器控件进行操作，而输入控件用来设置参数，这就和在真实仪器上的操作相差无几。

LabVIEW是属于美国国家仪器公司（NI）研究出来的新产品，在国际上，如果用作虚拟仪器开发，往往能成为首选平台，新一代测试系统也是以它为核心。LabVIEW是运用功能非常完全的图形化编程语言，LabVIEW 具有独特的数据流编程模式，这与以前的文本编程语言完全不同，可以不按照编程语言的一个接一个地布局结构一步步执行。LabVIEW编写程序主要运用的是图形化编程语言，程序以框图的形式产生的，与文本语言的执行顺序差异是在于LabVIEW的执行秩序主要是节点间的数据流向。LabVIEW本身所自带的一个编译器让一切代码的编译在编辑时间内就可以实现出来。其开发速度快的特点使得大部分开发测试和测量系统都会选择 LabVIEW。通常来说，在应用系统的开发速度方面，运用 LabVIEW开发的话，速度会比使用其它编程语言快4到10倍。这主要在于，图形化编程语言具备面向数据显示、GPIB和数据分析、数据采集、数据存储等丰富的扩展函数库，使用这些函数库可以很方便地为用户解决开发时间的烦恼。LabVIEW 在网络方面，功能也非常强大，可以结合很多语言的远程控制功能达到系统开发的实际效果^[2]。

1.2 国内外研究现状

无论在国内还是国外，毫无疑问的是电子技术在各领域得到了高速的发展，这就意味着数据采集的信息量会越来越大，要求系统处理的速度也越来越快，数据采集的任务也日益复杂。因此，面对数量变大，要求变高的数据采集任务，传统的仪器已经逐渐不能适应了。所以，基于LabVIEW的数据采集技术已经成为国内外研究的热点之一^[3]。LabVIEW之所以能成为业界标杆，主要是它具有两个非常人性化的优点：一是编程简单，对用户来说，编程思维变得很清晰，非常容易上手和掌握；二是LabVIEW可直接调用数据采集、仪器控制、信号分析与处理等任务的对底层协议进行了高度封装的节点函数，这能很大地提高开发效率。正是由于LabVIEW的两个人性化优点，使得在国内外，LabVIEW和虚拟仪器技术成为了新一轮的技术热点，主要运用在测控测量、故障诊断、生产过程控制、自动化等领域，并且逐渐火热起来。目前，在学校设施方面，虚拟仪器实验室也已经逐步开始投入使用，许多高校的专业课开放了对LabVIEW的课程学习和指导，这能让很多学生对这个领域产生兴趣，能更快把虚拟仪器技术推广了起来。在国家政策方面，也在现代机械工程科学方面将虚拟仪器技术列为前沿学科之一。我国也开发过基于虚拟仪器技术方面的863项目，项目的成功也表现出我国在热门的虚拟仪器技术上让人耳目一新的一面，并在国际上嵌入式一体化虚拟仪器方面，逐步成为研发的先行者。

1.3 研究内容及预期目标

本文研究的题目是基于LabVIEW的光信号实时采集系统，研究的基本内容是：了解实时数据采集的技术要点，设计数据采集系统，通过计算机USB连接数据采集卡，数据采集卡连接光探测器，实现对实时光信号的连续采集和记录，系统提供采集频率、采集时间长度的设置与选择功能。

根据研究的主题和内容，所要达到的预期目标为：要学会和掌握数据采集原理，设计出一个数据采集系统，并使这个系统可以实时采集光信号，实时光信号照射到光探测器，通过数据采集卡连接计算机，在计算机的LabVIEW软件上可以采集到实时的光信号，并且可以设置采集时间和频率，还可以观察到实时波形。设计完成整个系统后，还要撰写符合要求的相关论文。

第2章 设计方案及原理

2.1设计方案的确定

设计的任务是基于LabVIEW软件平台，设计一个数据采集系统，可以对实时光信号进行连续采集和记录，并在LabVIEW的前面板上可以实时显示，系统还要提供采集频率，采集时间长度的设置与选择功能。

根据设计的任务，初步想到了两个设计方案来完成整个系统的设计，最终选择哪个方案，还是要综合考虑两个方案的优缺点来决定。比如说，方案实行起来的难易程度，采集数据的精确程度，和整个系统所需花费的成本等，这些因素都是决定方案时所要考虑到的。

方案一：硬件方面选择光电探测器，STM32单片机，装有LabVIEW软件的计算机，光电探测器将实时的的光信号转化为电信号后，把电信号送入到STM32单片机中，而在STM32单片机中，它与计算机之间的数据传输是通过特有的数据缓冲区来实现的，可以通过USB接口，被计算机访问。STM32通过编程将数据送入到计算机后，因为LabVIEW软件是不能直接识别STM32的，所以，得把STM32设计成虚拟串口，才可以用LabVIEW软件进行编程，将实时数据显示出来，完成整个系统的设计^[4]。

方案二：硬件方面选择光电探测器，USB-6000数据采集卡，装有LabVIEW软件的计算机，光电探测器将实时输入的光信号转化为电信号后，把电信号送入USB-6000数据采集卡，再通过USB接口连接计算机，计算机上的LabVIEW软件可以直接识别数据采集卡，通过编程可以将输入的数据实时显示出来，完成系统的设计。

综合对比两个方案，可以发现，明显方案二的可行性高，且操作简单方便，数据测量也会更精确。所以选择方案二作为本设计的设计方案。设计方案的总体框图如图2.1所示。

图2.1 总体设计框图

如图2.1所示，设计的框图可以得到设计的总体思路为：光源提供一个实时光信号，照射到光电探测器，然后输入的光信号被光电探测器转化为电信号，再将电信号送到USB数据采集卡中，经过模数转换后，通过USB接口送入到计算机中，计算机识别后，再使用LabVIEW软件编程使得输入的数据可以实时显示出来，还可以在整个系统中设置采集频率和采集时间，达到设计的要求。

2.2 数据采集概述

整个设计方案是以数据采集为核心展开的，数据采集也是计算机和外部硬件系统完成交互的关键。数据采集其实就是被测的模拟信号通过传感器和放大器作适当的转换后，转换为合适的模拟电信号，然后再将这个模拟电信号进行模数转换，成为能被计算机识别的数字信号，最终被计算机采集和记录的过程。它是计算机在使用软件平台掌控一个系统的过程中，采集和记录原始数据的主要手段^[5]。能够达到数据采集功能的成套硬件系统也被叫做数据采集系统。

数据采集系统的工作主要是让需要采集的信号用传感器进行信号转换后，再进行模数转换，然后把得到的数字信号送入计算机识别，使得待采集信号的数据可以被采集和记录。简单地说，数据采集系统的任务实际就是获取被测信号的主要数据，这些数据是可以体现信号的本质和特征的。判断数据采集系统性能，主要根据它采集数据时所能达到的速度和数据的精确度。在确保数据精确度的前提下，采样速率足够快，就能满足实时采集、实时处理和实时控制对采样速度的需求^[6]。

目前在测控领域中最热门的技术之一就是虚拟仪器技术，它配合各种多功能数据采集设备不仅可以完成信号的调理，还能对数据进行很好地采集与测量，使用计算机软件还能对采集到的信号数据进行分析，经过一定处理就可以存储起来，还可以一目了然地看出显示器上的采集数据结果，无论是曲线图还是数据形式都很直观。从这个意义上讲，虚拟仪器的实质可以看作是一个依照用户所需功能而构建起来的数据采集系统，如图2.2所示。

图2.2 虚拟仪器数据采集系统的架构

由图2.2所示的架构，可以清楚地知道被测信号要经过信号调理和数据处理等工作，才能在虚拟仪器面板上得以显示。在当今的数据测控领域，美国NI公司的LabVIEW已经成为业界主流使用的软件平台。数据采集担当着LabVIEW的著名招牌技术之一，在这个方面，LabVIEW相较于其他编程语言，具有得天独厚的优势。LabVIEW不单单只能做到信号采集，还可以进行测量分析与数据显示，还具备丰富软件资源，且都与NI公司生产的数据采集设备相匹配，这样开发起来就不会像传统开发工具一样那么复杂，使得现实世界中所需要采集的各种物理量基本上都能很方便地采集到计算机中，其强大的功能也为计算机在测控领域奠定了基础^[7]。

基于LabVIEW的数据采集系统主要是以数据采集硬件作为基础，驱动软件与硬件系统相配合，数据采集函数节点来编程实现功能的。驱动软件LabVIEW DAQmx提供应用程序接口，即数据采集函数节点，数据采集程序主要是调用这些采集函数节点。

2.3 数据采集原理

2.3.1 采样过程

在当今这个信息爆炸的时代，有许多模拟量都是在时间上和幅值上都是不间断的且持续变化的，这种模拟量也被称为连续时间信号，需要采集的信号也往往是这种连续模拟信号，而数字计算机可以处理更多的信息，处理结果又需要让外界知道，所以常常要转换为模拟量的形式，外界才能更好地了解原信号的信息。这就意味着要处理好模拟量与数字量之间的相互转化问题，也就是采样后如何完成重构的问题，模数转换也是数据采集的核心所在。数据采集系统简单地表示为如图2.3所示的形式。

以上是毕业论文大纲或资料介绍，该课题完整毕业论文、开题报告、任务书、程序设计、图纸设计等资料请添加微信获取，微信号：bysjorg。

相关图片展示：