基于LabVIEW的嵌入式瞬态记录分析仪的软件设计 - 软件编程/

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<strong>1 引言</strong>

在嵌入式仪器应用越来越广泛的今天，编写嵌入式应用程序的工具软件也更加的多样化，C/C++、EVC、．NET、JAVA等文本编辑语言的使用已经很成熟，但是在国内图形化编程语言使用的还比较少。文本编程语言在编写设备驱动程序、动态库函数等底层程序方面比较方便，但是编写交互界面与后续的信号处理程序难度较大，对编程人员的要求较高；LabVIEW软件是目前最流行的图形化编程工具，操作界面简便直观．主要优势是图形化编程、高级开发工具、内置测量和控制函数、多平台嵌入式设备、将信号分析功能模块化等特点，对编写界面程序与信号处理程序有很大的优势，为了能够实现对底层硬件的操作，LabVIEW软件也提供了强大的外部程序接口能力，可以方便的调用C/C++、VC、VB等编程语言编写的程序以及Windows自带的大量API函数。文章结合了图形化编程语言与文本编程语言的诸多优点，既实现了对底层硬件的操作，又方便快捷的编写了友好的人机交互界面。

<strong>2 系统结构的设计</strong>

系统的硬件结构示意图如图1所示，本文CPU采用200MHz的ARM920T，具有64MB系统内存、32MB FLASH，配合使用精简ISA总线组成系统的主控部分。系统具有两个采集通道，每个通道的电荷传感器将测得的瞬态物理量转化为电荷量，再传递给电荷放大器将电荷量转化为范围是-1 - +1V电压值；经过程控放大与程控滤波对信号进行调理，放大倍数最高可达32倍，程控滤波有直通、2KHz、10KHz、30KHz与100KHz五个选择，本文所选择的高速A/D转换器最高采样频率为20MHz，转化后的数据存储到高速SDRAM中，用FPGA芯片作为逻辑控制单元，将数据从SDRAM中提取出来传递给应用程序，通过人机交互界面在LCD上进行显示。考虑到经常性的室外作业，本文使用电池对仪器供电，充电接口接9V变压器，由充电管理模块控制电池的充放电，经过电源程控开关实现对LCD与高速采集硬件的供电控制。


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2010-4-14 12:02:27 上传
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图1系统硬件结构示意图

LabVIEW本身包含的一些接口设备的驱动程序都是针对该公司生产的接口板，由于本文的高速数据采集硬件不是NI公司的产品，所以驱动程序使用EVC4.0进行编写，将流式接口驱动程序提供的接口函数与部分WINCE API函数进行封装，方便应用程序的调用。通过使用LabVIEW软件的Call Library Function Node节点渊用动态库函数实现对底层硬件的访问与驱动。软件结构示意图如图2，主要由三部分组成：系统硬件的流式接口驱动程序、动态库函数以及人机交互界面程序。


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图2 软件结构示意图

<strong>3 人机交互界面的设计</strong>

程序开始运行后首先显示欢迎画面然后进入主界面，主界面可以完成对各个子界面的调用，也可以从任何子界面中跳转回主界面。人机交互界面的结构如图3所示。工程信息显示子界面实现了对测试单位、测试人员、当前日期与当前温度等信息的显示功能；采集参数设置子界面可以显示、修改最近一次设置的通道号、采样率、采样时长、硬件滤波、放大倍数、零漂采集及是否扣除零漂等参数；在采集显示子界面，实现对瞬态信号的采集，同时通过下面的状态栏可以了解采集状态。当采集过程出现问题时，用户可以及时的停止采集，采集结束后通过图表、数字等形式显示采集来的数据，并可以对数据进行保存；在数据分析子界面，用户可以对采集到的数据进行波形操作、FFT及功率谱分析、光标操作，用以检测瞬态数据是否能够达到标准；系统信息子界面能够显示、修改系统时间与待机时间，实现校对系统时间、控制显示器与采集硬件供电的功能。


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图3 人机交互界面结构图

<strong>4 程序框图代码的设计</strong>

程序框图代码的主体设计借鉴了状态机的编程思想，使程序简单易读、易于维护，主要由—个主循环与—个Case结构组成，利用移位寄存器来实现状态的跳转。本程序的流程图如图4所示。

程序运行后．首先对各个控制变量进行初始化，读取指定路径的文本文档，完成对最近一次保存的采集参数的读取，并作为参数设置子界面显示量的默认值；然后进入欢迎画面同时对采集硬件进行初始化。进行采集之前，进入参数设置子界面，对最近一次保存的采集参数与系统时间、待机时间进行修改并重新保存为文本文档。设置好参数后，开始对瞬态信号进行采集。首先将保存好的采集参数赋值给采集硬件进行采集．并循环检查动态库函数返回的状态控制字，采集结束时返同值为FF，同时数据波形通过图表进行显示。用户通过对波形的操作与分析来判断所测数据是否达到标准，如果没达到标准，可以重新设置参数进行采集，达到标准后可以将数据存成文件，方便离线到PC机上，进行更深入的分析。


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图4 人机界面软件流程图

4．1 波形数据分析功能的设计

检测捕获的数据是否达到标准主要是通过对波形数据的FFT分析、功率谱分析与光标操作来实现。本文对波形数据的FFT分析与功率谱分析，直接调用了FFT spectum(MagPhase)．vi模块与FFT Power Spectrum．vi模块，输入波形数据类型就可以很方便的实现对波形数据的FFT分析、功率谱分析，经过FFT与功率谱分析模块的计算，输出的是FFT频谱与功率谱数据有效值组成的数组，只需对数组中各个元素进行处理就可以显示数据的峰值波形：

在对波形分析的操作中，光标显示是必不可少的，在LabVIEW环境下编写光标操作代码比文本编程环境快的多．只需要在显示控件的属性选项中，添加两根不同颜色的光标，再调用图表控件中Cursor的属性节点，将光标所在位置的纵坐标进行输出，就可以实现对光标的控制。节省了很多的编程时间。对波形的显示及分析结果如图5、6所示。


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图5 波形显示


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图6 波形分析


作者：章广志  来源：《微计算机信息》(嵌入式与SOC)2009年第6-2期