測(cè)量?jī)x表設(shè)計(jì)關(guān)鍵之?dāng)?shù)據(jù)采集（一）

一、基于LabVIEW的通用數(shù)據(jù)采集卡的驅(qū)動(dòng)

　　介紹一種通過(guò)LabVIEW提供的Call Library Function Node實(shí)現(xiàn)對(duì)動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)（DLL）調(diào)用的方法，完成對(duì)通用數(shù)據(jù)采集卡的驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)LabVIEW與通用數(shù)據(jù)采集卡的結(jié)合。？

　　LabVIEW驅(qū)動(dòng)通用數(shù)據(jù)采集插卡的方法有三種。

　　其一，直接用LabVIEW的Function模板內(nèi)Advanced子模板的Port I/O圖標(biāo)編程，通過(guò)手動(dòng)對(duì)基地址的設(shè)置，直接從特定的地址內(nèi)存中讀取數(shù)據(jù)。若采樣速度要求不高，它是很方便直觀的方法；其二，利用LabVIEW的 Functions模板內(nèi)Advanced子模板中CIN（Code Interface Node）圖標(biāo)，它適用于直接調(diào)用文字編程語(yǔ)言（如VC）所編寫(xiě)的代碼。用CIN結(jié)點(diǎn)生成A/D驅(qū)動(dòng)程序的子VI的方法可充分發(fā)揮A/D的高轉(zhuǎn)換速度，獲 得高的采樣速率。但編程較煩雜，不能由LabVIEW直接修改；其三，用LabVIEW的Functions模板內(nèi)Advanced子模板中Call Library Function Node圖標(biāo)，動(dòng)態(tài)鏈接數(shù)據(jù)采集卡的DLL庫(kù)函數(shù)。DLL實(shí)際上是一個(gè)函數(shù)庫(kù)，只在應(yīng)用程序運(yùn)行時(shí)DLL中的函數(shù)才被隨時(shí)調(diào)用和連接。和靜態(tài)連接庫(kù)相 比，DLL可以和其他應(yīng)用程序共享庫(kù)中的函數(shù)和資源。許多數(shù)據(jù)采集插卡生產(chǎn)商提供DLL庫(kù)函數(shù)形式的驅(qū)動(dòng)程序，用戶可使用某種DLL鏈接庫(kù)的編程工具，如 VC、VB編寫(xiě)應(yīng)用程序來(lái)調(diào)用它。同樣，LabVIEW也提供了該功能，就是圖標(biāo)Call Library Function Node，放在Function模板內(nèi)的Advanced子模板中，通過(guò)設(shè)置該節(jié)點(diǎn)來(lái)直接調(diào)用DLL。？

　　在本研究系統(tǒng)中采用第三種方法，實(shí)現(xiàn)了在線切削力的數(shù)據(jù)采集。采用基于ISA總線的數(shù)據(jù)采集卡ACL-8111，DLL直接由生產(chǎn)廠家提供。？

　　輸入信號(hào)范圍：±5V，±2.5V，±1.25V，±0.625V，±0.3125V（軟件編程選擇）；最高采樣頻率：30kHz；觸發(fā)模式：軟件、 在板可編程定時(shí)器或外觸發(fā)；數(shù)據(jù)傳輸：程序控制、中斷控制；IRQ級(jí)別：可編程IRQ2，3，4，5，6，7；通道數(shù)：8路單端通道。

　　本系統(tǒng)輸入信號(hào)范圍±5V，采樣頻率2000Hz，A/D數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換觸發(fā)模式采用在板可編程定時(shí)器觸發(fā)，數(shù)據(jù)傳輸采用中斷控制，中斷級(jí)別設(shè)置為5，通道數(shù)為3，三個(gè)通道分別采集和傳輸獲得X，Y、Z三向切削力。？

　　待采集的模擬信號(hào)通過(guò)電荷放大器放大，根據(jù)預(yù)先設(shè)定選擇不同的增益；輸出的信號(hào)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換結(jié)束后，將12位轉(zhuǎn)換結(jié)果自動(dòng)存在數(shù)據(jù)寄存器中， 然后通過(guò)中斷控制將數(shù)據(jù)取出，送入計(jì)算機(jī)內(nèi)存進(jìn)行處理。在使用時(shí)，將采集卡直接插入計(jì)算機(jī)ISA插槽中，使用其預(yù)先設(shè)定的基地址220H。？

二、數(shù)據(jù)采集與轉(zhuǎn)換中的關(guān)鍵問(wèn)題

　　數(shù)據(jù)采集與轉(zhuǎn)換系統(tǒng)用于將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字形式進(jìn)行分析或傳輸。模擬信號(hào)輸入通常是由互感器和傳感器將壓力、溫度、應(yīng)力或張力、流量等真實(shí)信號(hào)轉(zhuǎn)換 為相應(yīng)的電信號(hào)。系統(tǒng)保存信號(hào)準(zhǔn)確性和完整性的能力是衡量系統(tǒng)的主要指標(biāo)。如何設(shè)計(jì)一個(gè)高性能的數(shù)據(jù)采集與轉(zhuǎn)換系統(tǒng)需要考慮多方面的因素，本文就其中的一 些關(guān)鍵問(wèn)題給出自己的討論。

　　數(shù)據(jù)采集轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的基本框架

　　模擬信號(hào)進(jìn)行采集并轉(zhuǎn)換為相應(yīng)數(shù)字形式所需的基本元素包括：模擬多路復(fù)用器和信號(hào)調(diào)節(jié);放大器;模數(shù)轉(zhuǎn)換器;PC 或 MCU。

　　圖1 為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)典型框圖。目前的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通常包括數(shù)據(jù)采集與轉(zhuǎn)換所需的所有元素，不過(guò)有時(shí)可能不包含模擬多路復(fù)用之前的輸入濾波與信號(hào)調(diào)節(jié)。模擬信號(hào) 由模擬乘法器進(jìn)行時(shí)間多路復(fù)用;多路復(fù)用器輸出信號(hào)通過(guò)放大器輸入A/D轉(zhuǎn)換器。我們可對(duì)采樣/保持進(jìn)行編程，以便采集并保持經(jīng)各 A/D 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成的數(shù)字多路數(shù)據(jù)采樣。轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)以并行或串行形式出現(xiàn)在 A/D 轉(zhuǎn)換器的輸出中，以備終端設(shè)備做進(jìn)一步處理。

　　圖1

　　系統(tǒng)采樣率

　　被轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的應(yīng)用與最終使用決定了數(shù)據(jù)采集與轉(zhuǎn)換系統(tǒng)所需的采樣率和轉(zhuǎn)換率。系統(tǒng)采樣率由最高帶寬通道、數(shù)據(jù)通道的數(shù)量以及每次循環(huán)的采樣數(shù)決定。

　　圖2

　　混疊誤差

　　根據(jù)奈奎斯特采樣定理，在理想的采樣數(shù)據(jù)系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)帶寬的每次循環(huán)要求最少兩次采樣，這樣恢復(fù)被采樣信號(hào)才不會(huì)丟失信息。因此，確定系統(tǒng)采樣率時(shí)首 先要考慮的就是混疊誤差，也就是由于在信號(hào)頻率的每次循環(huán)中采樣數(shù)量不足所造成的信息丟失。圖 2 顯示了在數(shù)據(jù)帶寬的每次循環(huán)中采樣數(shù)量不足所造成的混疊誤差。

　　每次循環(huán)需要多少個(gè)采樣

　　這個(gè)問(wèn)題的答案取決于允許的平均誤差容限、重建方法（如果存在）以及數(shù)據(jù)的最終使用。

　　采樣數(shù)據(jù)的平均精度可通過(guò)以下途徑加以改進(jìn)：（1） 增加每次循環(huán)的采樣數(shù);（2） 多路復(fù)用前預(yù)采樣濾波，或 （3） 過(guò)濾 D/A 轉(zhuǎn)換器輸出。圖3顯示了采樣數(shù)據(jù)的重建，這里 fS= 2fMAX。

　　如圖 4 所示，每次循環(huán)采樣數(shù)只要稍許增加，采樣數(shù)據(jù)的平均精度就會(huì)大幅上升。理論限制在于持續(xù)采樣時(shí)采集與轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的吞吐量精度。對(duì)于數(shù)據(jù)的零階重建，從圖 4 可以看出，重建采樣數(shù)據(jù)達(dá)到平均 90% 乃至更高的精度要求對(duì)數(shù)據(jù)帶寬的每次循環(huán)進(jìn)行10次采樣。通常所用的范圍是每次循環(huán)7～10 次采樣。

　　圖3

　　圖4

　　采樣誤差

　　采樣誤差的定義是：采樣過(guò)程中動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)變化的不確定性所造成的采樣數(shù)據(jù)點(diǎn)的幅值與時(shí)間誤差。在數(shù)據(jù)采集和轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中，通過(guò)使用采樣/保持器或快速的 A/D轉(zhuǎn)換器，就能減小采樣誤差或使之不顯著。對(duì)于正弦數(shù)據(jù)，最大采樣誤差出現(xiàn)在零交叉情況下，這時(shí)會(huì)出現(xiàn)最大的 dv/dt。

　　關(guān)于 A/D 轉(zhuǎn)換器的幾點(diǎn)說(shuō)明

　　A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度和分辨率是最重要的兩個(gè)參數(shù)。下面簡(jiǎn)單討論一下 A/D 轉(zhuǎn)換器術(shù)語(yǔ)將有助于讀者更好地了解系統(tǒng)分辨率與精度。

　　速度：主要由A/D 轉(zhuǎn)換器的采樣時(shí)間及轉(zhuǎn)換時(shí)間構(gòu)成。A/D轉(zhuǎn)換器手冊(cè)均會(huì)在采樣動(dòng)態(tài)參數(shù) （Sampling Dynamics）標(biāo)出轉(zhuǎn)換速度。有時(shí)是數(shù)據(jù)吞吐率（Throughput Rate）。逐次逼近型AD轉(zhuǎn)換器采樣速率或數(shù)據(jù)吞吐率一般從幾十千次每秒到幾兆次每秒。

　　分辨率：A/D 轉(zhuǎn)換器的比特?cái)?shù)決定著數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的分辨率。A/D 轉(zhuǎn)換器分辨率的定義如下：---1 LSB = VFSR/2n，

　　LSB = 最低有效位，VFSR =滿量程輸入電壓范圍，這里，n為A/D轉(zhuǎn)換器的分辨率。比特?cái)?shù)決定著數(shù)字碼的數(shù)量，對(duì)A/D轉(zhuǎn)換器而言有2n個(gè)離散數(shù)字代碼。就本文的討論而言，我們將 使用二進(jìn)制逐次逼近A/D轉(zhuǎn)換器。表1顯示了典型A/D轉(zhuǎn)換器的分辨率和 LSB的值。

　　表1

　　信噪比：理想AD轉(zhuǎn)換器的信噪比為 SNRdB=6.02×n-1.76，表2 為AD 轉(zhuǎn)換器位數(shù)與信噪比的簡(jiǎn)單對(duì)照表。

　　表2

　　精度：假定所有模擬值都位于 A/D 轉(zhuǎn)換器輸入處。A/D 轉(zhuǎn)換器量化或編碼特定的模擬輸入值為相應(yīng)的數(shù)字代碼作為一種輸出。上述數(shù)字代碼有著內(nèi)在的不確定性或 ±1/2LSB 的量化誤差。這就是說(shuō)，量化的數(shù)字代碼所代表的模擬電壓與相鄰數(shù)字代碼中間點(diǎn)的距離在 ±1/2LSB 之內(nèi)。A/D轉(zhuǎn)換器的精度不會(huì)超過(guò)內(nèi)在的 ±1/2LSB 的量化誤差所允許的范疇。增益、偏移和線性誤差等模擬誤差也會(huì)影響 A/D 轉(zhuǎn)換器的精度。增益和偏移通?？烧{(diào)節(jié)為零，但線性誤差是不可調(diào)的，因?yàn)樗怯晒潭ㄖ档奶菪坞娮杵骶W(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)絡(luò)開(kāi)關(guān)匹配造成的。大多數(shù)高質(zhì)量A/D轉(zhuǎn)換器的線 性誤差都低于±1/2LSB。另一個(gè)需要重點(diǎn)考慮的誤差是微分線性誤差。在理想的 A/D 轉(zhuǎn)換器中，相鄰過(guò)渡點(diǎn)間的步進(jìn)大小為一個(gè) LSB。微分線性誤差就是在實(shí)際 A/D 轉(zhuǎn)換器中相鄰過(guò)渡點(diǎn)與理想的 LSB 步進(jìn)差距。該誤差必須小于一個(gè) LSB，這樣才能保證不會(huì)丟失代碼。線性誤差為 ±1/2LSB 的 A/D 轉(zhuǎn)換器不一定意味著不會(huì)丟失代碼。圖5為微分線性、失調(diào)及增益誤差圖。

　　圖5

　　二進(jìn)制代碼：二進(jìn)制編碼的數(shù)據(jù)格式是數(shù)字計(jì)算機(jī)類型應(yīng)用中最常見(jiàn)的，其處理通常以二進(jìn)制形式進(jìn)行。A/D 轉(zhuǎn)換器中最常用的二進(jìn)制編碼為：

　　1. 單極標(biāo)準(zhǔn)二進(jìn)制 （USB）——用0～±10V等。

　　2. 雙極偏移二進(jìn)制 （BOB）——用于雙極模擬信號(hào)范圍，如 ±5V、±10V 等

　　3. 雙極雙組件 （BTC）——用于許多數(shù)字計(jì)算機(jī)應(yīng)用中的雙極模擬信號(hào)范圍。

　　在 A/D 轉(zhuǎn)換器中使用兩種 BCD 編碼，單極 BCD 和符號(hào)數(shù)值 BCD （SMD）。

　　表3

　三、數(shù)據(jù)采集測(cè)量結(jié)果改善的常用校正方法

　　改善測(cè)量結(jié)果需要進(jìn)行配置、校準(zhǔn)以及優(yōu)秀的軟件開(kāi)發(fā)技術(shù)。本文旨在使您了解優(yōu)化測(cè)量結(jié)果的軟、硬件技巧，內(nèi)容包括：選擇并配置數(shù)據(jù)采集設(shè)備、補(bǔ)償測(cè)量誤差以及采用優(yōu)秀的軟件技術(shù)。

　　當(dāng)您將電子信號(hào)連接到數(shù)據(jù)采集設(shè)備時(shí)，您總是希望讀數(shù)能匹配輸入信號(hào)的電氣數(shù)值。但我們知道沒(méi)有一種測(cè)量硬件是完美的，所以為了改善測(cè)量結(jié)果我們必須采用最佳的硬件配置。

　　根據(jù)應(yīng)用需求，您必須首先要明確數(shù)據(jù)采集卡所需的模擬輸入、輸出通道以及數(shù)字I/O線的最少數(shù)目。其次還要考慮的重要因素有：采樣率、輸入范圍、輸入方式和精度。

　　第一個(gè)要考慮的問(wèn)題是現(xiàn)場(chǎng)接線，根據(jù)您要采集的信號(hào)源類型，您可以使用差分、非參考單端、參考單端三種輸入方式來(lái)配置數(shù)據(jù)采集卡。

　　總的說(shuō)來(lái)，差分測(cè)量系統(tǒng)較為可取，因?yàn)樗芟拥丨h(huán)路感應(yīng)誤差并能在一定程度上削弱由環(huán)境引起的噪聲。而另一方面，單端輸入方式提供兩倍數(shù)據(jù)采集通道數(shù)，可是僅適用于引入誤差比數(shù)據(jù)所需精度小的情況。表1為選擇合適的信號(hào)源模擬輸入方式提供了指導(dǎo)

　　選擇合適的增益系數(shù)也是非常重要的。保證數(shù)據(jù)采集產(chǎn)品進(jìn)行精確采集和轉(zhuǎn)換所設(shè)定的電壓范圍叫做輸入信號(hào)范圍。為得到最佳的測(cè)量精度，使模擬信號(hào)的最大最小值盡可能占滿整個(gè)ADC（+/-10V或0-10V）范圍，這樣就可使測(cè)量結(jié)果充分利用現(xiàn)有的數(shù)字位。

　　在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中選擇合適的增益

　　圖1表示同在10V的輸入范圍下使用不同的增益系數(shù)，輸入5V信號(hào)得到的采集結(jié)果。請(qǐng)注意：選取合適的增益系數(shù)能夠充分利用ADC并改善您的測(cè)試結(jié)果。

　　任何測(cè)量結(jié)果都只是您要測(cè)量的“真實(shí)值”的估計(jì)值，事實(shí)上您永遠(yuǎn)也無(wú)法完美地測(cè)量出真實(shí)值。這是因?yàn)槟鷾y(cè)量的準(zhǔn)確性會(huì)受到物理因素的限制，而且測(cè)量的精度也取決于這種限制。

　　在特定的范圍內(nèi)，16位數(shù)據(jù)采集卡有216（65536）種數(shù)值，而12位數(shù)據(jù)采集卡有212 （4096）種數(shù)值。理想情況下，這些數(shù)值在整個(gè)測(cè)量范圍內(nèi)是均勻分布的，而且測(cè)量硬件會(huì)把實(shí)際測(cè)量值取整成最接近的數(shù)值并返回計(jì)算機(jī)內(nèi)存。事實(shí)上有許多 人認(rèn)為，這種取整誤差（通常稱為量化誤差）是決定精度的唯一因素。實(shí)際上，這種量化誤差，在 12位多功能數(shù)據(jù)采集卡中只占總誤差的35%，而在類似的16位卡中就更微不足道了。不管您使用12位還是16位數(shù)據(jù)采集卡，都不能只考慮這種量化誤差。

　　放大器中的缺陷，如電阻器容限和模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換特性，都會(huì)產(chǎn)生增益誤差。這種誤差通常以總讀數(shù)的百分比表示。為了補(bǔ)償這部分誤差，您可以進(jìn)行內(nèi)部校 準(zhǔn)。內(nèi)部校準(zhǔn)不僅能夠補(bǔ)償增益誤差還能補(bǔ)償溫度變化引起的誤差。這需要一個(gè)帶有溫度相關(guān)誤差容限的板載參考源。數(shù)據(jù)采集設(shè)備和其它類型的傳統(tǒng)儀器都采用內(nèi) 部校準(zhǔn)，通常也被稱為自校準(zhǔn)。

　　E系列校準(zhǔn)VI

　　在LabVIEW中，您可以使用“E系列校準(zhǔn)VI（E-Series Calibrate VI）”來(lái)對(duì)數(shù)據(jù)采集設(shè)備進(jìn)行校準(zhǔn)（圖2）。一旦板卡處于工作環(huán)境，經(jīng)常校準(zhǔn)能確保最精確、最穩(wěn)定及可重復(fù)的測(cè)量結(jié)果，在自校準(zhǔn)過(guò)程中可對(duì)模擬輸入和模擬輸出都能完成自校準(zhǔn)。

　　由于有增益前偏差、增益后偏差和增益誤差校準(zhǔn)，自校準(zhǔn)會(huì)建立一個(gè)校準(zhǔn)常數(shù)集合。完成一次校準(zhǔn)之后，新的校準(zhǔn)常數(shù)將被加載到板卡的存儲(chǔ)器上。舊的校準(zhǔn)常 數(shù)可以保存到EEPROM中，這樣在必要時(shí)可以重新加載。一旦板卡停止供電，如果還需要校準(zhǔn)常數(shù)，那保存工作則是非常重要的。如果沒(méi)有把校準(zhǔn)常數(shù)保存到 EEPROM中，關(guān)閉計(jì)算機(jī)之后這些數(shù)據(jù)就丟失了。

　　放大器的缺陷或者模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換會(huì)產(chǎn)生非線性誤差。在輸入范圍內(nèi)，增益系數(shù)的微小變化就會(huì)產(chǎn)生非線性誤差，這種誤差一般表示為滿量程的百分?jǐn)?shù)。到現(xiàn)在 還沒(méi)有一種簡(jiǎn)單的校準(zhǔn)方法能夠補(bǔ)償這種非線性誤差。因此仔細(xì)挑選數(shù)據(jù)采集卡是非常關(guān)鍵的。設(shè)備的相關(guān)精度表示非線性誤差的總值，相關(guān)精度定義為數(shù)據(jù)采集設(shè) 備測(cè)量精度的最低有效位數(shù)。它包括所有非線性誤差和量化誤差，不包括偏差和增益誤差。知道了數(shù)據(jù)采集卡的相關(guān)精度就可以為所有讀數(shù)建立容限。

　　為進(jìn)一步提高測(cè)試結(jié)果的精度，還必須補(bǔ)償任何偏移誤差。偏移誤差在輸入范圍內(nèi)是不變的，因此，糾正起來(lái)相對(duì)容易些。您可以先測(cè)量短路通道的偏移誤差，然后用以后的讀數(shù)減去這個(gè)值。

　　采用優(yōu)秀的軟件技術(shù)

　　提高讀數(shù)精度的一種很好的軟件技術(shù)就是求平均值。求平均值的前提是噪聲和測(cè)量誤差是隨機(jī)的，因此，根據(jù)中心極限定理，誤差服從正態(tài)分布（高斯分布）。 選取多個(gè)點(diǎn)后呈高斯分布，計(jì)算出平均值，平均值在統(tǒng)計(jì)上非常接近真實(shí)值。因此，所選取的要平均的點(diǎn)越多，平均值的標(biāo)準(zhǔn)偏差就越小。因?yàn)闃?biāo)準(zhǔn)偏差會(huì)隨著樣本 數(shù)量增加而減小，所以應(yīng)當(dāng)盡可能提高用于平均的采樣點(diǎn)數(shù)。

　　定期的自校準(zhǔn)也是一種好方法，它能夠在任何時(shí)候保持測(cè)量精度。執(zhí)行定期內(nèi)部校準(zhǔn)（建議每天進(jìn)行）可以補(bǔ)償溫度和環(huán)境變化引起的誤差。

　四、基于LabVIEW和PCI-5124的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　摘要：設(shè)計(jì)一種基于虛擬儀器LabVIEW和高速數(shù)字化儀NI PCI-5124的高采樣率、長(zhǎng)時(shí)間的數(shù)據(jù)采集分析實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)20 MHz甚至更高采樣率以及數(shù)據(jù)信號(hào)長(zhǎng)時(shí)間的實(shí)時(shí)采集，并具有實(shí)時(shí)存儲(chǔ)、回放、信號(hào)分析、報(bào)表打印功能。實(shí)驗(yàn)表明：該系統(tǒng)具有程序設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、通用性好、可移 植性高、界面設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單大方、易于操作等優(yōu)點(diǎn)。

　　傳統(tǒng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)一般由單片機(jī)與硬件采集電路或數(shù)據(jù)采集卡配置計(jì)算機(jī)組成。這種數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)存在開(kāi)發(fā)難度大、可移植性差、數(shù)據(jù)采集效率低、實(shí)時(shí)存儲(chǔ)容 量小等缺點(diǎn)。其存儲(chǔ)容量取決于數(shù)據(jù)采集卡的板載內(nèi)存的大小，一般只有8 MB或12 MB，而現(xiàn)代工程運(yùn)用中的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)需具有很高的采樣速率，完成海量數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)存儲(chǔ)。針對(duì)傳統(tǒng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)存在的不足，這里采用虛擬儀器 （LabVIEW）和高速數(shù)字化儀NI PCI-5124設(shè)計(jì)一種可以長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)采集、實(shí)時(shí)存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

　　本系統(tǒng)只使用PC機(jī)、數(shù)據(jù)采集卡以及編程語(yǔ)言即可在Windows操作系統(tǒng)下實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的采集、存儲(chǔ)、處理，開(kāi)發(fā)成本低，通訊能力強(qiáng)，易于使用。系統(tǒng) 改善了傳統(tǒng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的存儲(chǔ)量小、采集效率低等缺點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)信號(hào)的長(zhǎng)時(shí)間實(shí)時(shí)采集、存儲(chǔ)、回放、分析、報(bào)表打印等功能。

　　1 系統(tǒng)硬件設(shè)備簡(jiǎn)介

　　該系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)原理框圖如圖l所示。

　　系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)主要包括PC控制機(jī)和高速數(shù)據(jù)采集卡。由于許多插入式的數(shù)據(jù)采集DAQ（Data Acquisition）設(shè)備采集數(shù)據(jù)不僅受到采樣速率的限制，而且受到板載內(nèi)存和數(shù)據(jù)到PC機(jī)內(nèi)存的傳輸速率的限制。

　　針對(duì)以上問(wèn)題，本設(shè)計(jì)選用插入式DAQ產(chǎn)品中價(jià)位低、速率快、精度高的高速數(shù)字化儀NI PCI-5124。它可以直接插入計(jì)算機(jī)的PC捕槽，即插即用使用方便，具有200 MS／s的實(shí)時(shí)采樣至4．0 GS／s的等效時(shí)段采樣；標(biāo)準(zhǔn)8～256 MB大容量板載內(nèi)存；基于PCI總線的12位分辨率的雙同步采樣通道；使用新技術(shù)實(shí)現(xiàn)在2個(gè)150 MHz帶寬的、帶有去噪和抗混疊濾波器的輸入信道中同步采樣；高達(dá)75 dBc的無(wú)寄生動(dòng)態(tài)范圍SFDR（Spufious-Free Dynamic Range）；基于NI同步和存儲(chǔ)核心SMC （Synchronization and Memory Core）構(gòu)架，具備每通道512 MB板載內(nèi)存、快速數(shù)據(jù)傳輸和緊密的同步功能。工程師們可以在幾十皮秒（ps）內(nèi)同步基于SMC的模塊化儀器，主要有邊緣、視窗、滯環(huán)、視頻和數(shù)字等觸發(fā) 方式，主要用于高通道和混合信號(hào)應(yīng)用。

　　專用數(shù)據(jù)采集長(zhǎng)的驅(qū)動(dòng)方式分為外掛式驅(qū)動(dòng)和內(nèi)置式驅(qū)動(dòng)兩種。對(duì)于NI公司生產(chǎn)的各種專用數(shù)據(jù)采集卡，可使用LabVIEW內(nèi)的DAQ庫(kù)直接對(duì)端口進(jìn)行 各種操作，即內(nèi)置式驅(qū)動(dòng)。NI數(shù)據(jù)采集卡提供對(duì)LabVIEW豐富且完備的支持，驅(qū)動(dòng)函數(shù)在底層的基礎(chǔ)函數(shù)上進(jìn)行高度封裝，用戶無(wú)需深入了解采集卡的具體 工作，只要掌握驅(qū)動(dòng)函數(shù)輸入／輸出端口的意義，就能進(jìn)行數(shù)據(jù)采集開(kāi)發(fā)。因此用戶使用NI PCI-5124時(shí)，只需將所需接口從程序中直接調(diào)用至系統(tǒng)開(kāi)發(fā)環(huán)境中，即可實(shí)現(xiàn)采集、存儲(chǔ)以及回放等功能。

　　2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　2．1 程序設(shè)計(jì)

　　LabVIEW是一種基于圖形語(yǔ)言編程的可視化軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)，與VC、VB等其他可視化編程語(yǔ)言相比，其函數(shù)庫(kù)豐富、調(diào)試方便，而且開(kāi)發(fā)界面簡(jiǎn)單，界 面風(fēng)格與傳統(tǒng)儀器相似。LabVIEW是一個(gè)外觀和操作均能模仿實(shí)際儀器的程序開(kāi)發(fā)環(huán)境，類似于C、BASIC等編程語(yǔ)言。但LabVIEW的特點(diǎn)在于使 用圖形化編程G語(yǔ)言在流程圖中創(chuàng)建源程序，而非使用基于文本的語(yǔ)言產(chǎn)生源程序代碼。與傳統(tǒng)C、C++等編程語(yǔ)言不同，LabVI-EW采用強(qiáng)大的圖形化語(yǔ) 言編程，面向測(cè)試工程師而非專業(yè)程序員，編程方便，人機(jī)交互界面直觀友好，具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)可視化分析和儀器控制能力。

　　本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)處理等部分組成。其中數(shù)據(jù)采集包括采集設(shè)置和數(shù)據(jù)采集波形顯示；數(shù)據(jù)處理包括信號(hào)時(shí)頻域參量測(cè)量、信噪比測(cè)量以及報(bào)表打印等。系統(tǒng)工作流程如圖2所示。

　　本系統(tǒng)基本工作過(guò)程是：肩動(dòng)LabVIEW程序后，首先設(shè)置高速數(shù)據(jù)采集卡PCI-5124的通道、采樣模式、采樣頻率、觸發(fā)類型、觸發(fā)電平等，然后 啟動(dòng)采集，進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)的數(shù)據(jù)采集并利用流艋技術(shù)將采集到的信息實(shí)時(shí)存儲(chǔ)于計(jì)算機(jī)硬盤(pán)，由于采集到的信息量很大，因此對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行離線處理，以減 輕計(jì)算機(jī)CPU負(fù)擔(dān)，提高數(shù)據(jù)處理速度。

　　2．2 數(shù)據(jù)采集模塊

　　數(shù)據(jù)采集是從傳感器和其他待測(cè)設(shè)備等模擬和數(shù)字被測(cè)單元中自動(dòng)采集各種參量（物理、化學(xué)、生物量等）信息的過(guò)程。數(shù)據(jù)采集操作的結(jié)果直接影響后續(xù)數(shù)據(jù) 處理、分析，數(shù)據(jù)采集功能模塊利用NI-Scope函數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，為了讓數(shù)據(jù)采集設(shè)備在后臺(tái)連續(xù)采集數(shù)據(jù)并送入緩存區(qū)，首先，初次安裝好NI PCI-5124數(shù)據(jù)采集卡和驅(qū)動(dòng)程序以后，計(jì)算機(jī)將自動(dòng)設(shè)置其I／O地址和中斷號(hào)，并分配內(nèi)存資源，打通LabVIEW程序和底層驅(qū)動(dòng)NI-Scope 的通道。其次，在程序界面設(shè)置采樣頻率、采集通道、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方式并啟動(dòng)程序?qū)崟r(shí)采集。由于需要觸發(fā)某事件后（例如點(diǎn)擊“運(yùn)行采集”按鈕）進(jìn)行采集，本設(shè)計(jì) 采用可編程掃描和當(dāng)前軟件觸發(fā)采集模式：采集啟動(dòng)后，下層NI-Scope驅(qū)動(dòng)程序獨(dú)立控制硬件高速數(shù)字化儀PCI-5124進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并將采集結(jié)果 利用流盤(pán)存儲(chǔ)方式跳過(guò)采集卡的緩沖區(qū)直接讀取到應(yīng)用軟件的計(jì)算機(jī)硬盤(pán)中，處理數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)采集波形如圖3所示，該模塊完成連續(xù)數(shù)據(jù)采集，實(shí)時(shí)顯示信號(hào)并刷 新。

　　2．3 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)回放模塊

　　數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能模塊由文件的類型簇、數(shù)據(jù)文件存儲(chǔ)路徑、TDMS Dialog函數(shù)、open TDMS函數(shù)、write TDMS函數(shù)、close TDMS函數(shù)以及error函數(shù)組成，本程序中調(diào)用openTDMS函數(shù)打開(kāi)TDMS文件，當(dāng)運(yùn)行至此時(shí)，數(shù)據(jù)會(huì)依據(jù)原先設(shè)置的存儲(chǔ)路徑和類型將數(shù)據(jù)持續(xù) 寫(xiě)入指定計(jì)算機(jī)文件中。由于本設(shè)計(jì)要存儲(chǔ)海量數(shù)據(jù)，因此采用基于流盤(pán)技術(shù)的存儲(chǔ)方式。流盤(pán)是一項(xiàng)在進(jìn)行多次寫(xiě)操作時(shí)保持文件打開(kāi)的技術(shù)，即持續(xù)從或者向存 儲(chǔ)器（Memory）中傳輸數(shù)據(jù)。存儲(chǔ)器可以是設(shè)備的板上緩存（Onboard Memory）、控制器上的RAM或計(jì)算機(jī)上的硬盤(pán)，本設(shè)計(jì)使用“文件I／O函數(shù)”設(shè)計(jì)合理的流盤(pán)存儲(chǔ)基本架構(gòu)。

　　回放是為了使用戶存實(shí)時(shí)采集存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)分析測(cè)量結(jié)束后，還可以在需要時(shí)重新觀察和深入分析所采集的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)回放功能程序運(yùn)行至open TDMS函數(shù)時(shí)，將運(yùn)行連接至open（只讀），即可打開(kāi)對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)存盤(pán)文件，采集到的波形數(shù)據(jù)按照帶索引的二進(jìn)制TDMS文件形式存放于計(jì)算機(jī)硬盤(pán)中。 在選擇波形回放時(shí)，后臺(tái)程序首先要確定波形數(shù)據(jù)中數(shù)組元素所對(duì)應(yīng)的采樣時(shí)刻，當(dāng)選擇同放按鈕時(shí)，給定的初始運(yùn)行時(shí)間會(huì)與待同放的波形數(shù)據(jù)的第1個(gè)元素所對(duì) 應(yīng)的時(shí)刻進(jìn)行比較，從而確定待回放數(shù)據(jù)的第1個(gè)數(shù)據(jù)元素的時(shí)刻，從此開(kāi)始回放數(shù)據(jù)波形，直到用戶發(fā)出停止指令。整個(gè)文件完全是Windows系統(tǒng)文件，大 大提高存儲(chǔ)和釋放的速率，加快數(shù)據(jù)處理速度，回放波形如圖4所示。

　　2．4 數(shù)據(jù)分析模塊

　　數(shù)據(jù)分析主要包括測(cè)量信號(hào)參量、幅度相位譜和功率譜。時(shí)域分析是一種直接在時(shí)問(wèn)域中對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行分析的方法，具有直觀、準(zhǔn)確的優(yōu)點(diǎn)，可以提供數(shù)據(jù)采集系 統(tǒng)時(shí)間響應(yīng)所需的全部信息。本系統(tǒng)主要是標(biāo)定所采集信號(hào)的周期、平均值、周期均方根、有效值以及頻率等，實(shí)時(shí)了解信號(hào)各種參數(shù)。

　　數(shù)據(jù)報(bào)表打印主要是將所采集信號(hào)的原始波形和回放波形以圖片格式傳遞至打印樣式子VI，并設(shè)置該子VI，使得程序需要打印時(shí)，就可通過(guò)調(diào)用該子VI打開(kāi)前面板的采集波形和回放波形，顯示報(bào)表內(nèi)容并進(jìn)行打印預(yù)覽。

　　3 結(jié)論

　　進(jìn)行系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試時(shí)，使用主頻為1．8l GHz、處理器為64位，512 M內(nèi)存的PC；采樣速率為20MByte／s的高速數(shù)字化儀PCI-5124，實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)達(dá)30 min的連續(xù)數(shù)據(jù)采集和海量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。利用虛擬儀器LabVIEW和高速數(shù)字化儀PCI-5124開(kāi)發(fā)的長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)采集存儲(chǔ)系統(tǒng)完成了信號(hào)實(shí)時(shí)的采集、顯 示、存儲(chǔ)以及對(duì)采集歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行回放的功能。

　　與傳統(tǒng)數(shù)據(jù)采集儀器相比，該系統(tǒng)具有性價(jià)比高、開(kāi)發(fā)時(shí)間短、通用性強(qiáng)、數(shù)據(jù)處理準(zhǔn)確簡(jiǎn)單、可移植性強(qiáng)（可以將VC、C、MATLAB等程序進(jìn)行遞歸調(diào) 用）、人性化界面設(shè)計(jì)、易于操作等優(yōu)點(diǎn)，LabVIEW簡(jiǎn)單的編寫(xiě)語(yǔ)言和易于編寫(xiě)的控制，控件，簡(jiǎn)化了編程過(guò)程，用戶無(wú)需掌握數(shù)據(jù)采集卡的硬件知識(shí)，只需 了解和掌握其驅(qū)動(dòng)程序的功能，就能利用LabVIEW進(jìn)行數(shù)據(jù)程序的開(kāi)發(fā)和運(yùn)用，這將成為未來(lái)數(shù)據(jù)采集發(fā)展的趨勢(shì)。