一种基于LabVIEW的脉冲同步控制二维扫描和信号采集实现方法与流程

本发明属于自动控制和信号采集存储技术领域，具体涉及一种基于labview的脉冲同步控制二维扫描和信号采集实现方法。

背景技术：

在信号采集技术中，利用控制系统对时变信号进行实时采集和存储是极其重要的。基于labview(laboratoryvirtualinstrumentengineeringworkbench)图形化编程语言进行操作平台设计，相比于其他编程语言编程界面直观易懂，用户界面友好。相对于其他控制电机的形式例如单片机等等需要有专门的编程知识，专业门槛较高，labview的操作界面更加简洁，可视化的编程语言便于理解和操控。已申请的专利中缺少电机的协同运动与运动过程中信号的收集的联合。例如在2015年12月大连理工大学贾振元等申请的专利“一种基于labview的多电机控制系统”中，该方法实现了对多台电机的快速稳定控制，但该方法实现过程较复杂且无法满足在运动过程中同时进行信号采集的要求。对运动过程中的信号分析是信号采集储存领域符合生产的实际需求。因此，需要一种新的方法解决多电机快速稳定控制协同信号采集的问题。

labview是一种程序开发环境，由美国国家仪器(ni)公司研制开发，类似于c和basic开发环境，但是labview与其他计算机语言的显著区别是：其他计算机语言都是采用基于文本的语言产生代码，而labview使用的是图形化编辑语言g编写程序，产生的程序是框图的形式。labview软件是ni设计平台的核心，也是开发测量或控制系统的理想选择。labview开发环境集成了工程师和科学家快速构建各种应用所需的所有工具，旨在帮助工程师和科学家解决问题、提高生产力和不断创新。

与c和basic一样，labview也是通用的编程系统，有一个能用于完成任何编程任务的庞大函数库。labview的函数库包括数据采集、gpib、串口控制、数据分析、数据显示及数据存储，等等。labview也有传统的程序调试工具，如设置断点、以动画方式显示数据及其子程序(子vi(virtualinstrument，虚拟仪器))的结果、单步执行等等，便于程序的调试。

labview是一种用图标代替文本行创建应用程序的图形化编程语言。传统文本编程语言根据语句和指令的先后顺序决定程序执行顺序，而labview则采用数据流编程方式，程序框图中节点之间的数据流向决定了vi及函数的执行顺序。vi指虚拟仪器，是labview的程序模块。

labview提供很多外观与传统仪器(如示波器、万用表)类似的控件，可用来方便地创建用户界面。用户界面在labview中被称为前面板。使用图标和连线，可以通过编程对前面板上的对象进行控制。这就是图形化源代码，又称g代码。labview的图形化源代码在某种程度上类似于流程图，因此又被称作程序框图代码。labview的特点是：尽可能采用通用的硬件，各种仪器的差异主要是软件；可充分发挥计算机的能力，有强大的数据处理功能，可以创造出功能更强的仪器；用户可以根据自己的需要定义和制造各种仪器。

labview广泛地被工业界、学术界和研究实验室所接受，视为一个标准的数据采集和仪器控制软件。labview集成了与满足gpib、vxi、rs-232和rs-485协议的硬件及数据采集卡通讯的全部功能。它还内置了便于应用tcp/ip、activex等软件标准的库函数。这是一个功能强大且灵活的软件。利用它可以方便地建立自己的虚拟仪器，其图形化的界面使得编程及使用过程都生动有趣。

图形化的程序语言，又称为“g”语言。使用这种语言编程时，基本上不写程序代码，取而代之的是流程图或框图。它尽可能利用了技术人员、科学家、工程师所熟悉的术语、图标和概念，因此，labview是一个面向最终用户的工具。它可以增强你构建自己的科学和工程系统的能力，提供了实现仪器编程和数据采集系统的便捷途径。使用它进行原理研究、设计、测试并实现仪器系统时，可以大大提高工作效率。利用labview，可产生独立运行的可执行文件，它是一个真正的32位/64位编译器。像许多重要的软件一样，labview提供了windows、unix、linux、macintosh的多种版本。它主要的方便就是，在同一个硬件的情况下，通过改变软件，就可以实现不同的仪器仪表的功能。

技术实现要素：

为了解决现有的时变信号实时采集和存储方法中存在的实时性不强和准确性不高的问题，本发明提供一种基于labview的脉冲同步控制二维扫描和信号采集实现方法，所述方法构建一套通过单维电机组合实现二维扫描的控制系统与同时进行信号采集的信号存储系统，所述方法能够实现x轴电机和y轴电机的单独以及联合控制并设置信号高精度采集间距，快速准确定位信号采集点，有效提高了信号采集的效率和稳定性。

为实现上述目标，本发明采用以下技术方案：

一种基于labview的脉冲同步控制二维扫描和信号采集实现方法，所述方法包括硬件结构和软件模块。所述硬件结构由工作站、板载数据采集卡、信号放大器、工作站电源、运动控制模块、运动控制模块电源和超声传感器组成；所述板载数据采集卡、信号放大器和超声传感器三者顺次相连，所述超声传感器经信号放大器后与板载数据采集卡相连进行数据采集、模数转换以及数据储存；所述板载数据采集卡安装于所述工作站主板之中。所述软件部分基于labview平台开发，通过硬件控制两个电机进行二维栅扫描，同时实现点源信号的采集；所述软件部分由控制面板和显示面板组成。控制面板包括位置调节模块、参数设置模块和信号采集模块，显示面板包括二维实时信号显示模块iv、实时信号显示模块v和信号位置显示模块vi。

本发明所要解决的问题是构建一套单维电机组合实现二维扫描的控制系统与同时进行信号采集的信号存储系统。控制系统由软件部分和硬件部分组成，软件部分基于labview图形化编程平台编写的控制程序和系统操作界面，利用该控制程序实现2台步进电机进行x轴与y轴的高精度二维栅扫描，使与之相结合的信号采集装置能够快速稳定的进行点对点采集信号，同时配合板载多通道数据采集卡进行数据获取、传输和储存。此外，该控制系统能够实现x轴和y轴的电机的单独以及联合控制并设置信号高精度采集间距，快速准确定位信号采集点，有效提高了信号采集的效率和稳定性。

所述软件部分由控制面板和显示面板组成。控制面板包括位置调节模块i，参数设置模块ii，信号采集模块iii；显示面板包括二维实时信号显示模块iv，实时信号显示模块v，信号位置显示模块vi。

所述位置调节模块i可对每个步进电机单独调节，包括x轴电机距离调节，y轴电机距离调节以及二维电机同步调节；同时还可以设定初始位置点，便于两轴电机在未扫描期间复原。所述位置调节模块包含以下结构和操作步骤：串口序列选择窗口、x轴和y轴电机位置调节输入和位置调节确定按钮；一般操作步骤：首先于串口序列选择窗口选择电机与工作站对应连接串口，以实现串口初始化、串口读写和关闭串口等串口通信功能，完成串口通信后在x轴和y轴电机位置调节串口输入以毫米为单位的电机位移距离，勾选对应轴的选择方框后，点击位置调节确定按钮可实现一维或二维的空间位置调节。

所述参数设置模块ii用来设置电机二维运行x轴和y轴区域大小，栅扫描间距和电机步进速度调节；内嵌急停控制，用于迅速切断所有信号，在意外发生前停止所有电机运转和数据采集卡采集，并使电机停止后自动回到设置的初始位置，采集卡数据清零。参数设置完成后，点击开始按钮，电机即按照给定参数进行运动。所述参数设置模块包含以下结构和操作步骤：x轴和y轴扫描长度输入窗口，扫描间距输入窗口，数据存储位置选择窗口和文件命名窗口；一般操作步骤为：首先确定信号采集范围大小，先后输入以毫米为单位x轴和y轴扫描长度，而后确定x轴扫描间距，其中，间距设置越小表示信号采集越精细，相应采集循环次数越多，完成一次采集时间越长，输入的扫描间距参数随实际情况进行设定。最后，对预采集数据文件命名和储存位置设置。

所述信号采集模块iii用于设置信号采集的参数。考虑到所采集信号自身的特点，该模块可以对数据采集卡进行调整，通过设定采样频率、采样长度、采样起始点等参数，高效准确采集所需要的信号段并加以存储。所述信号采集模块包含以下结构和操作步骤：采样率，采样长度，时钟模式，触发超时，采集模式，触发等待，采样深度，触发延时等输入或选择窗口；一般操作步骤为：由信号的频率出发，根据奈奎斯特定理选择合适采样率；依据不同信号的幅值、长度、周期和频率等特性选择采样长度、时钟模式、触发延时、采集模式、触发等待等参数，使最终信号采集准确性和效率达到最佳。内嵌急停控制，用于迅速切断所有信号，在意外发生前停止所有电机运转和数据采集卡采集，并使电机停止后自动回到设置的初始位置，采集卡的数据清零。

所述二维图像实时显示模块iv作为辅助模块，主要为实验者提供所采集信号的预览情况。通过展示信号波形以及对信号的组合和处理，实验者可以直观地观察所采集信号是否为感兴趣内容，以便及时对控制和采集过程进行调校。所述二维图像实时显示模块包含以下结构和操作步骤：x轴和y轴坐标分别代表参数设置模块中的x轴和y轴扫描长度。通过两个坐标的定位，对所采集信号进行实时重建可得到二维图像实时显示；进一步地，通过调整坐标轴的最大和最小值，可以调节该模块中特别显示感兴趣的图像区域范围；此外，通过改变右侧色条颜色强度的大小值，可以根据信号强度调整获得二维图像的最佳显示对比度。

所述信号显示模块v可实时提供测得点源信号的波形、振幅和峰值位置等相关信息，包含以下结构和操作步骤：x、y轴坐标分别代表时域信号的采样长度和信号幅值大小。x轴长度主要由信号采集模块中的采样长度决定，起始采样点由触发延时决定，即触发延时结束后，采集卡开始采集信号，实时信号显示模块显示采样长度大小的信号波形。

所述信号位置显示模块vi可实时显示完成一次x轴扫描后，该行信号在z轴方向所处的信号位置，判定信号发生点源同样品表面的相对位置关系和该行不同信号发生点源的相对位置关系。所述信号位置显示模块包含以下结构和操作步骤：x、y轴坐标分别代表x轴长度和信号深度，分别由参数设置模块的x轴扫描长度和信号采集模块的采样长度决定。x轴长度可以调整以显示不同扫描范围内的信号深度；y轴信号深度是由采样率、采样长度、信号传输速率反演得到，以此观察深层信号与表面信号的深度信息。

所述控制软件的控制流程为：串口初始化，测试工作站与控制器、采集板卡通讯是否正常，若不正常则进行调试直至正常。当端口检测到高电平触发信号时，电机控制器发出指令控制x轴电机行进指定路程，同步地，采集卡受到触发信号触发数据采集过程。当x轴电机行进完指定路程后停止运动，采集板卡停止数据采集，并将数据上传至工作站，写入存储文件。同时，y轴电机行进指定路程直至停止。此时，x轴电机反向运动指定路程，同步地，采集卡受到触发信号触发数据采集过程。当x轴电机行进完指定路程后停止运动，采集板卡停止数据采集，并将数据上传至工作站，写入存储文件。同时，y轴电机行进指定路程直至停止，x轴电机再次反向运动，同步发生数据采集保存过程，如此循环往复，直至完成指定区域面积的覆盖扫描。最后，所采集的数据被全部保存在一个文件内，软件控制过程结束。

本发明的优点和有益效果为：

1)基于labview设计开发了一个二维电机与信号采集的协同控制系统，程序简单，操作方便，与利用单片机、plc等设备进行控制相比具有更好的便携性，可以高效地对二维电机和信号采集卡进行协同控制；

2)实现了对x轴和y轴二维空间位置的独立和协同控制以及时变脉冲信号的采集和储存，提高了信号采集的精准度和高效性。

附图说明

图1为本发明所构建的控制系统的硬件连接图，其中1为工作站，2为信号采集卡，3为信号放大器，4为工作站电源，5为运动控制模块电源，6为运动控制模块，7为超声传感器；

图2为本发明所述控制面板的软件界面；

图3为本发明所述显示面板的软件界面；

图4为本发明所述控制软件的控制流程图；

图5为本发明所述二维栅扫描方式示意图。

图6为本发明所述位置调节模块的结构和执行流程图；

图7为本发明所述参数设置模块的结构和执行流程图；

图8为本发明所述信号采集模块的结构和执行流程图；

图9为本发明所述二维图像实时显示模块的结构和执行流程图；

图10为本发明所述信号显示模块的结构和执行流程图；

图11为本发明所述信号位置显示模块的结构和执行流程图；

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步说明。

在具体实施过程中，根据光声效应原理，使用聚焦脉冲激光激发样品产生脉冲超声源作为采集信号。二维机械扫描装置方案是将两个步进电机方向互相垂直放置，信号源与二维电机相对固定并随电机运动，构建成二维平面内的脉冲超声信号源。为了实现整个机械装置的灵活协调控制并同时采集脉冲超声信号，需要一种二维电机与信号采集卡协同控制的方法，完成二维平面内的电机扫描范围、速度、间距的单独和协同控制调节以及点对点的脉冲信号采集。

实施例1

参见附图1、2、3。一种基于labview的脉冲同步控制二维扫描和信号采集实现方法，所述方法包括硬件结构和软件模块。所述硬件结构由工作站1、板载数据采集卡2、信号放大器3、工作站电源4、运动控制模块电源5、运动控制模块6、超声传感器7组成；所述工作站电源4与工作站1相连并为其供电；所述数据采集卡2板载于所述工作站1同信号放大器3和超声传感器7相连，实现信号采集、放大与储存；所述电源5连接供电步进电机组合，带动超声传感器进行x轴和y轴的运动扫描。

软件部分基于labview图形化编程平台编写开发，联同硬件部分一起实现对步进电机和数据采集卡的控制。软件部分由控制面板和显示面板中的位置调节模块i，参数设置模块ii，信号采集模块iii以及二维实时信号显示模块iv，实时信号显示模块v，信号位置显示模块vi构成。

附图2所示为位置调节模块i的控制界面，该模块包括x轴和y轴电机的单独和协同位置调节控制；参数设置模块ii，该模块包括x轴和y轴扫描长度、扫描间距、储存位置和文件命名的相关参数设置；信号采集模块iii，该模块针对不同信号特征实现采样频率、采样长度和采样起始点等参数的设置。

附图3所示二维实时信号显示模块iv用于实时显示每完成一次x轴扫描行的信号图像；实时信号显示模块v，该模块实时显示每个单点信号产生的波形和幅值大小，便于及时调整扫描位置；信号位置显示模块vi，该模块可用于明确信号点相对于探测表面深度，多点信号之间的位置关系。

系统运行时，在工作站1打开系统操作界面。软件的控制流程包含：首先在位置调节模块i设置x轴和y轴的调节距离，例如设置x轴和y轴调节距离分别为5毫米和3毫米将扫描初始位置定位至距离调节初始原点x轴5毫米、y轴3毫米的预设位置。然后在参数设置模块ii分别输入x轴与y轴扫描长度、扫描间距，并设定数据储存与工作站中的数据盘符位置以及文件名称。接着在信号采集模块iii中，以奈奎斯特定理为依据设定系统采样率，同时针对被测信号特点选择采样长度、时钟模式、触发延时、采集模式、触发等待等采集卡参数。点击开始按钮，布尔按钮判断为true后发出一条指令，内含位置调节、扫描距离和采集卡的相关参数，进入层叠式顺序结构首先将采集卡和电机初始化，获取工作站操作系统基本参数，然后将设置面板参数指令送入步进电机和采集卡驱动，开始数据采集。在顺序结构内嵌套while循环结构反复接收触发信号直至完成数据采集。若采集过程中需要对扫描采集进行调整，点击停止按钮，布尔按钮为ture后，系统当前行扫描结束后停止数据采集卡采集，传输储存当前完成的数据采集结果至预设工作站盘符内。若采集过程中出现紧急情况，按下急停按钮，布尔按钮为ture后，系统全局变量转换为false，中断所有信号，系统停止工作。

附图5显示了信号采集的二维栅扫描运动方式：超声传感器在步进电机带动下进行xy轴的栅扫描运动；在运动控制模块可设置扫描范围x×y，扫描精度dx、dy，其中x控制扫描长度和数据储存。详细过程如下：超声传感器随着电机同步运动，在x轴扫描过程中按扫描精度每隔dxμm步进，每完成一个x轴扫描记录和存储全波形x扫描信号并存入程序文件中；完成x长度扫描后，探头做纵向步进dyμm，步进后再做负向的横向扫描并按上述方式记录数据缓存至程序文件中，完成x长度扫描后做纵向步进dyμm，如此反复。数据采集模块在每完成一个x轴扫描后采集超声扫描信号依次记录至程序文件的数据行，在完成所有x轴扫描后，一次将数据储存至工作站中，数据列数＝x/dx、数据行＝y/dy。

参见附图6。所述位置调节模块i可对每个步进电机单独调节，包括x轴电机距离调节，y轴电机距离调节以及二维电机同步调节；同时还可以设定初始位置点，便于两轴电机在未扫描期间复原。所述位置调节模块包含以下结构和操作步骤：串口序列，x轴电机调节参数输入窗口，y轴电机调节参数输入窗口和位置调节按钮。首先选定电机串口序列，实现下位机(电机控制器)和上位机(工作站)的通讯，x轴和y轴的调节参数输入后，勾选上对应轴参数输入行前端方框后，点击位置调节按钮可实现一维或者二维的位置调节功能。

所述参数设置模块ii用来设置电机二维运行x轴和y轴区域大小，栅扫描间距和电机步进速度调节；参数设置完成后，点击开始按钮，电机即按照给定参数进行运动。所述参数设置模块包含以下结构和操作步骤：x轴扫描长度参数输入窗口，y轴扫描长度参数输入窗口，采集循环显示窗口，扫描间距参数输入窗口，数据储存位置选择窗口以及文件命名窗口；分别在x轴和y轴扫描长度输入窗中输入对应毫米(mm)单位长度，可确定扫描面积的大小，即信号探测区域大小，通过选择储存位置和进行相应文件命名，可方便数据区分保存。

所述信号采集模块iii用于设置信号采集的参数。考虑到所采集信号自身的特点，该模块可以对数据采集卡进行调整，通过设定采样率、采样长度、时钟模式、触发延时、采样起始点等参数，高效准确采集所需要的信号段并加以存储。内嵌急停控制，用于迅速切断所有信号，在意外发生前停止所有电机运转和数据采集卡采集，并使电机停止后自动回到设置的初始位置，采集卡数据清零。所述信号采集模块包含以下结构和操作步骤：采样率，采样长度，时钟模式，触发超时，采集模式，触发等待，采样深度，触发延时等输入或选择窗口；一般操作步骤为：由信号的频率出发，根据奈奎斯特定理选择合适采样率；依据不同信号的幅值、长度、周期和频率等特性选择采样长度、时钟模式、触发延时、采集模式、触发等待等参数，使最终信号采集准确性和效率达到最佳。内嵌急停控制，用于迅速切断所有信号，在意外发生前停止所有电机运转和数据采集卡采集，并使电机停止后自动回到设置的初始位置，采集卡的数据清零。

所述二维图像实时显示模块iv作为辅助模块，主要为实验者提供所采集信号的预览情况。通过展示信号波形以及对信号的组合和处理，实验者可以直观地观察所采集信号是否为感兴趣内容，以便及时对控制和采集过程进行调校。所述二维图像实时显示模块包含以下结构和操作步骤：x轴和y轴坐标分别代表参数设置模块中的x轴和y轴扫描长度。通过两个坐标的定位，对所采集信号进行实时重建可得到二维图像实时显示；进一步地，通过调整坐标轴的最大和最小值，可以调节该模块中特别显示感兴趣的图像区域范围；此外，通过改变右侧色条颜色强度的大小值，可以根据信号强度调整获得二维图像的最佳显示对比度。

所述信号显示模块v可实时提供测得点源信号的波形、振幅和峰值位置等相关信息，包含以下结构和操作步骤：x、y轴坐标分别代表时域信号的采样长度和信号幅值大小。x轴长度主要由信号采集模块中的采样长度决定，起始采样点由触发延时决定，即触发延时结束后，采集卡开始采集信号，实时信号显示模块显示采样长度大小的信号波形。

所述信号位置显示模块vi可实时显示完成一次x轴扫描后，该行信号在z轴方向所处的信号位置，判定信号发生点源同样品表面的相对位置关系和该行不同信号发生点源的相对位置关系。所述信号位置显示模块包含以下结构和操作步骤：x、y轴坐标分别代表x轴长度和信号深度，分别由参数设置模块的x轴扫描长度和信号采集模块的采样长度决定。x轴长度可以调整以显示不同扫描范围内的信号深度；y轴信号深度是由采样率、采样长度、信号传输速率反演得到，以此观察深层信号与表面信号的深度信息。

所述控制软件的控制流程为：串口初始化，测试工作站与控制器、采集板卡通讯是否正常，若不正常则进行调试直至正常。当端口检测到高电平触发信号时，电机控制器发出指令控制x轴电机行进指定路程，同步地，采集卡受到触发信号触发数据采集过程。当x轴电机行进完指定路程后停止运动，采集板卡停止数据采集，并将数据上传至工作站，写入存储文件。同时，y轴电机行进指定路程直至停止。此时，x轴电机反向运动指定路程，同步地，采集卡受到触发信号触发数据采集过程。当x轴电机行进完指定路程后停止运动，采集板卡停止数据采集，并将数据上传至工作站，写入存储文件。同时，y轴电机行进指定路程直至停止，x轴电机再次反向运动，同步发生数据采集保存过程，如此循环往复，直至完成指定区域面积的覆盖扫描。最后，所采集的数据被全部保存在一个文件内，软件控制过程结束。

最后应说明的是：显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。