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)。
關(guān)鍵詞：數(shù)字化儀；數(shù)據(jù)采集；虛擬儀器；LabVIEW

??? 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)。