基于LabVIEW的多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的研究

引言
    在計(jì)算機(jī)廣泛應(yīng)用的今天，數(shù)據(jù)采集的重要性是十分顯著的。它是計(jì)算機(jī)與外部物理環(huán)境連接的通道。基于虛擬儀器技術(shù)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的提出在一定程度上解決了傳統(tǒng)數(shù)據(jù)采集所面臨的問(wèn)題，虛擬儀器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)成為當(dāng)今數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)發(fā)展的重要方向。本文在虛擬儀器技術(shù)的基礎(chǔ)上對(duì)多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)．將傳感器獲取的模擬信號(hào)，經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理后。輸入到NIPCI-622l數(shù)據(jù)采集卡，實(shí)現(xiàn)多路信號(hào)的采集，然后經(jīng)過(guò)PCI總線(xiàn)送入PC機(jī)，并對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示、記錄、分析處理，包括采集數(shù)據(jù)的平均值濾波，采樣波形的實(shí)時(shí)顯示，并以一定的時(shí)間間隔插入數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行保存，邊采集邊保存，并通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了歷史數(shù)據(jù)的檢索。

1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)工作原理
    假設(shè)現(xiàn)在對(duì)一個(gè)模擬信號(hào)x(t)每隔△t時(shí)間采樣一次。時(shí)間間隔△t被稱(chēng)為采樣間隔或者采樣周期。它的倒數(shù)1／△t被稱(chēng)為采樣頻率．單位是采樣數(shù)／每秒。t=O，△t，2Δt，3Δt…等等，x(t)的數(shù)值就被稱(chēng)為采樣值。所有x(O)，x(△t)，x(2Δt)都是采樣值。這樣信號(hào)x(t)可以用一組分散的采樣值來(lái)表示：

   
    一個(gè)模擬信號(hào)和它采樣后的采樣值。采樣間隔是△t，采樣點(diǎn)在時(shí)域上是離散的。如果對(duì)信號(hào)x(t)采集N個(gè)采樣點(diǎn)，那么x(t)就可以用以下數(shù)列表示：x={x[O]，x[1]，x[2]，x[3]，…，x[N—1])，該數(shù)列被稱(chēng)為信號(hào)x(t)的數(shù)字化顯示或者采樣顯示。此數(shù)列中僅僅用下標(biāo)變量編制索引，不含有任何關(guān)于采樣率(或Δt)的信息。所以如果已知該信號(hào)的采樣值和采樣率，就能得出信號(hào)x(t)的頻率。
    根據(jù)采樣定理。最低采樣頻率必須是信號(hào)頻率的兩倍。由恩奎斯特頻率可知，如果信號(hào)中包含頻率高于奈奎斯特頻率的成分，信號(hào)將在直流和恩奎斯特頻率之間畸變。采樣率過(guò)低的結(jié)果是還原的信號(hào)的頻率看上去與原始信號(hào)不同。這種信號(hào)畸變叫做混疊。出現(xiàn)的混頻偏差是輸入信號(hào)的頻率和最靠近的采樣率整數(shù)倍的差的絕對(duì)值。為了避免這種情況的發(fā)生，通常在信號(hào)被采集(A／lD)之前，經(jīng)過(guò)一個(gè)低通濾波器，將信號(hào)中高于奈奎斯特頻率的信號(hào)成分濾去。理論上設(shè)置采樣頻率為被采集信號(hào)最高頻率成分的2倍就夠了。但實(shí)際上工程中選用5倍～10倍，有時(shí)為了較好地還原波形，甚至更高一些。

2 多通道采集系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)
    在多通道采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案上．該系統(tǒng)硬件構(gòu)成主要由傳感器、前端信號(hào)調(diào)理電路板和NI-6221數(shù)據(jù)采集卡三部分組成。在軟件構(gòu)成上，需要進(jìn)行設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的設(shè)計(jì)和運(yùn)用虛擬儀器開(kāi)發(fā)環(huán)境進(jìn)行虛擬面板的開(kāi)發(fā)。
    工作過(guò)程中，整個(gè)系統(tǒng)從被測(cè)對(duì)象開(kāi)始．通過(guò)傳感器轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理模塊進(jìn)行簡(jiǎn)單的信號(hào)處理，將信號(hào)送至數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行采集。然后用軟件進(jìn)行處理。在采集過(guò)程中將數(shù)據(jù)保存到數(shù)據(jù)庫(kù)里，實(shí)現(xiàn)了歷史數(shù)據(jù)的訪(fǎng)問(wèn)?？傮w設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

2．1 傳感器
    傳感器部分是跟外界溝通的門(mén)戶(hù)，負(fù)責(zé)把外界的各種物理信息，如光、壓力、溫度、聲音等物理信號(hào)變成電信號(hào)。因?yàn)楸粶y(cè)試對(duì)象的信號(hào)來(lái)源已經(jīng)是變換好了的電信號(hào)，所以傳感器部分在設(shè)計(jì)中沒(méi)有得到具體體現(xiàn)，但是這部分是設(shè)計(jì)過(guò)程中必需要考慮的。
2．2 信號(hào)調(diào)理電路板
    從傳感器得到的信號(hào)大多要經(jīng)過(guò)調(diào)理才能進(jìn)入數(shù)據(jù)采集設(shè)備，信號(hào)調(diào)理功能包括放大、隔離、濾波等。由于不同傳感器有不同的特性，除通用功能外，還要根據(jù)具體傳感器的特性和要求來(lái)設(shè)計(jì)特殊的信號(hào)調(diào)理功能。信號(hào)調(diào)理的通用功能如下：
    (1)放大。微弱信號(hào)都要進(jìn)行放大以提高分辨率和降低噪聲，使凋理后信號(hào)的電壓范圍和A／D的電壓范圍相匹配。信號(hào)調(diào)理模塊應(yīng)盡可能靠近信號(hào)源或傳感器．使得信號(hào)在受到傳輸信號(hào)的環(huán)境噪聲影響之前已被放大．使信噪比得到改善。
    (2)隔離。隔離是指使用變壓器、光或電容耦合等方法在被測(cè)系統(tǒng)和測(cè)試系統(tǒng)之間傳遞信號(hào)，避免直接的電連接。使用隔離的原因：一是從安全的角度考慮；二是隔離可使從數(shù)據(jù)采集卡讀出來(lái)的數(shù)據(jù)不受地電位和輸入模式的影響。如果數(shù)據(jù)采集卡的地與信號(hào)地之間有電位差，而又不進(jìn)行隔離，那么就有可能形成接地回路．引起誤差。
    (3)濾波。信號(hào)調(diào)理系統(tǒng)可以從被測(cè)試信號(hào)中濾除不需要的成分或噪聲。大多數(shù)信號(hào)調(diào)理模塊都包含低通濾波器，以濾除截止頻率以上的所有干擾信號(hào)頻率成分。
2．3 數(shù)據(jù)采集卡的選用
    數(shù)據(jù)采集板卡的性能與眾多因素相關(guān)，要根據(jù)具體情況而定。所以在選擇數(shù)據(jù)采集卡構(gòu)成系統(tǒng)時(shí)，首先必須對(duì)數(shù)據(jù)采集卡的性能指標(biāo)有所了解。
    (1)采樣頻率
    采樣頻率的高低，決定了在一定時(shí)間內(nèi)獲取原始信號(hào)信息的多少．為了能夠較好的再現(xiàn)原始信號(hào)，不產(chǎn)生波形失真，采樣率必須要足夠高才行。根據(jù)奈奎斯特理論采樣頻率至少是原信號(hào)的兩倍，但實(shí)際中，一般都需要5倍～10倍。
    (2)采樣方法
    采集卡通常都有好幾個(gè)數(shù)據(jù)通道，如果所有的數(shù)據(jù)通道都輪流使用同一個(gè)放大器和A／D轉(zhuǎn)換器．要比每個(gè)通道單獨(dú)使用各自的經(jīng)濟(jì)的多，但這僅適用于對(duì)時(shí)間不是很重要的場(chǎng)合。如果采樣系統(tǒng)對(duì)時(shí)間要求嚴(yán)格，則必須同時(shí)采集，這就需要每個(gè)通道都有自己的放大和A／D轉(zhuǎn)換器。但是處于成本的考慮?，F(xiàn)在普遍流行的是各個(gè)數(shù)據(jù)通道公用一套放大器和A／D轉(zhuǎn)換器。
    (3)分辨率
    ADC的位數(shù)越多．分辨率就越高，可區(qū)分的電壓就越小。例如，三位的A／D轉(zhuǎn)換把模擬電壓范圍分成23=8段，每段用二進(jìn)制代碼在000到lll之間表示。因而，數(shù)字信號(hào)不能真實(shí)地反映原始信號(hào)，因?yàn)橐徊糠中畔⒈宦┑袅?。如果增加到十二位．代碼數(shù)從8增加到212=4096，這樣就可以獲得十分精確的模擬信號(hào)數(shù)字化表示。
    (4)電壓動(dòng)態(tài)范圍
    電壓范圍指ADC能掃描到的最高和最低電壓。一般最好能夠使進(jìn)入采集卡的電壓范圍剛好與其符合，以便利用其可靠的分辨率范圍。例如．一個(gè)12位多功能DAQ卡．其可選的范圍從O～10 V，或-5 V～+5 V,其可選增益有1．2．5，10．20，50或100。電壓取值范圍從O～10 V．增益為50，則理想分辯電壓是：
    (5)I／O通道數(shù)
    根據(jù)以上性能指標(biāo)，本系統(tǒng)采用NI公司PCI-622l型數(shù)據(jù)采集卡。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
3．1 數(shù)據(jù)采集程序
    系統(tǒng)采用的是NI PCI-622l采集卡，由于該卡支持DAQmx驅(qū)動(dòng)程序，所以本設(shè)計(jì)是直接使用DAQmx-DataAcquisition開(kāi)發(fā)的，在這部分中．主要是采集參數(shù)的設(shè)置，其中包括物理通道的選擇，采樣模式、采樣率、每通道采樣數(shù)、輸入方式的配置，采樣最大最小值的設(shè)置。具體程序見(jiàn)圖2。

3．3 歷史數(shù)據(jù)查詢(xún)程序
    歷史數(shù)據(jù)查詢(xún)，因?yàn)橐呀?jīng)把采集的數(shù)據(jù)保存在數(shù)據(jù)庫(kù)里了．所以歷史數(shù)據(jù)的查詢(xún)只需要從數(shù)據(jù)庫(kù)里按照一定的條件檢索出來(lái)就行了，這樣就涉及到檢索條件的問(wèn)題，而保存數(shù)據(jù)的表格的主鍵已設(shè)為保存時(shí)刻．每個(gè)數(shù)據(jù)在時(shí)間上是唯一的。因此檢索條件確定為保存數(shù)據(jù)的時(shí)間段。具體程序見(jiàn)圖4。

3．4 報(bào)警記錄程序
    這部分程序采用用戶(hù)事件來(lái)編寫(xiě)的，當(dāng)采樣值大于設(shè)定的數(shù)值時(shí)，就會(huì)觸發(fā)用戶(hù)事件，從而使下面循環(huán)里的事件發(fā)生，進(jìn)行記錄數(shù)據(jù)，這部分是實(shí)時(shí)記錄的．沒(méi)有進(jìn)行保存，每次重新啟動(dòng)系統(tǒng)時(shí)，會(huì)清空保存的記錄。該報(bào)警記錄的時(shí)間間隔為1秒。具體程序見(jiàn)圖5。

4 結(jié)論
    本文采用NI PCI一6221數(shù)據(jù)采集卡，并基于LabVIEW的開(kāi)發(fā)平臺(tái)．進(jìn)行多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的研究。研究表明，該多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)相對(duì)于傳統(tǒng)的測(cè)試儀表，具有精度高、自動(dòng)化程度高的特點(diǎn)，并且可用于長(zhǎng)時(shí)間、同步、高速連續(xù)采集，不會(huì)出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失和串道的問(wèn)題，所有的數(shù)據(jù)處理都在計(jì)算機(jī)內(nèi)部完成，速度快、精度高。并能夠?qū)崿F(xiàn)具有數(shù)據(jù)同時(shí)采集、采集數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示、存儲(chǔ)與管理的功能。