基于虛擬儀器技術(shù)的高速多通道信號(hào)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)
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摘要:虛擬儀器技術(shù)以其開發(fā)高效、投入成本低等優(yōu)點(diǎn),在動(dòng)態(tài)測試及控制領(lǐng)域應(yīng)用越來越廣泛。文中基于虛擬儀器技術(shù)設(shè)計(jì)的的高速多通道信號(hào)采集系統(tǒng),用于爆炸應(yīng)力波測試,能夠同時(shí)測試64通道的測點(diǎn)數(shù)據(jù),每通道采樣速率為1MSPS。進(jìn)行現(xiàn)場實(shí)驗(yàn),取得了有效數(shù)據(jù)。
關(guān)鍵詞:虛擬儀器;LabVIEW;PCI66-18A132SSC1M;高速;多通道
1986年,美國國家儀器公司首先提出虛擬儀器的概念。虛擬儀器通過軟件將計(jì)算機(jī)硬件資源(如微處理器、內(nèi)存、顯示器等)與儀器硬件(如A/D、D/A、數(shù)字I/O、定時(shí)器、信號(hào)調(diào)理等)有機(jī)的融合為一體,大大縮小了儀器硬件的成本和體積,并通過軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的顯示、存儲(chǔ)以及分析處理。它的最大特點(diǎn)是以軟件為儀器的主要組成部分,因此NI提出了“軟件就是儀器”的概念。這是虛擬儀器技術(shù)核心強(qiáng)調(diào)的測試?yán)砟睢?br />
爆炸應(yīng)力波測試要求系統(tǒng)同時(shí)測試64通道爆炸應(yīng)力波數(shù)據(jù),爆炸應(yīng)力波頻率高,數(shù)據(jù)量大,并且需要多通道數(shù)據(jù)處理分析,其中多路并行的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和先進(jìn)的信號(hào)預(yù)處理技術(shù)是測試的關(guān)鍵技術(shù)。通過對(duì)傳統(tǒng)的測試儀器調(diào)研,這些儀器不僅可測試的通道數(shù)少,采樣點(diǎn)數(shù)少,而且購買這些儀器的費(fèi)用較高,不能滿足本項(xiàng)目測試技術(shù)要求。采用基于計(jì)算機(jī)、A/D采集卡和LabVIEW軟件的虛擬儀器測試系統(tǒng),能進(jìn)行多通道高速同時(shí)采樣分析,不僅降低了投入成本,而且系統(tǒng)開發(fā)速度快,大大降低了測試系統(tǒng)的開發(fā)周期。對(duì)于特殊要求的科學(xué)實(shí)驗(yàn)用測試系統(tǒng),虛擬儀器技術(shù)以其高效開發(fā)性能和較低的成本投入,充分體現(xiàn)了其優(yōu)勢和價(jià)值。
1 系統(tǒng)組成及工作原理
系統(tǒng)主要由計(jì)算機(jī)、信號(hào)采集卡、電荷放大器、傳感器、低噪聲電纜和測試軟件等組成。系統(tǒng)工作原理如下:傳感器拾取爆炸應(yīng)力波信號(hào),經(jīng)由低噪聲電纜傳送至電荷放大器,微弱的振動(dòng)信號(hào)經(jīng)電荷放大器轉(zhuǎn)換、放大成電壓信號(hào),經(jīng)由電纜傳送至AD采集卡,經(jīng)AD卡轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào),測試軟件控制進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)記錄、數(shù)據(jù)分析和處理。系統(tǒng)工作原理圖如圖1所示。
為了保證采集信號(hào)的高效性和完整性,設(shè)置系統(tǒng)工作在信號(hào)觸發(fā)方式,并進(jìn)行采集信號(hào)預(yù)存儲(chǔ)。為了保證采集信號(hào)的可靠性,采用低噪聲電纜進(jìn)行信號(hào)傳輸,并增加了模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)的濾波處理。
2 信號(hào)采集卡
General Standards Corporation是專業(yè)研發(fā)和生產(chǎn)高性能,基于PMC、PCI、VME等總線技術(shù)的模擬量I/O、數(shù)字量I/O和串口I/O。其新研發(fā)的PCI66-18A132SSC1M模擬I/O卡,具有32個(gè)模擬輸入通道,可同時(shí)工作,每通道1 M的采樣速率。采集卡功能結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。
采集卡技術(shù)指標(biāo)如下:32個(gè)模擬量輸入通道,每通道1MSPS,18位的ADC;所有通道同時(shí)采樣,最小的數(shù)據(jù)掃描時(shí)間:每通道采樣速率0~1 MSPS(總計(jì)32 MSPS采樣速率);差分輸入,使信號(hào)噪聲和系統(tǒng)干擾最??;輸入量程范圍±10 V、±5 V、±2.5 V,軟件可選;256 k采樣FIFO數(shù)據(jù)緩沖區(qū);SAR(逐次逼近法)ADC支持準(zhǔn)確的同步采樣,沒有最小的采樣速率限制;兼容66/33 MHz PCI,采樣常用的5/3.3 V信號(hào);2通道的DMA引擎,支持批量和查詢方式的DMA傳送;采樣可以由內(nèi)部速率發(fā)生器、軟件或外部控制;連續(xù)、脈沖和單一采樣時(shí)鐘模式;可以通過前面板或內(nèi)部端口進(jìn)行多塊板硬件I/O同步操作;所有通道內(nèi)部自校準(zhǔn);完全軟件可配置,無需區(qū)域跳線;也可以采用16位分辨率,從而降低成本。
采用兩塊PCI66-18A132SSC1M模擬信號(hào)采集卡,設(shè)置兩塊卡進(jìn)行同時(shí)信號(hào)采集,實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)同時(shí)測試64通道信號(hào)數(shù)據(jù)。采集卡配有LabVIEW的開發(fā)包,對(duì)采集卡的所有操作都可在開發(fā)包的基礎(chǔ)上進(jìn)行修改,大大簡化了軟件編制的難度。
3 測試軟件設(shè)計(jì)
LabVIEW(Laboratory Virtual instrument Engineering Workbench)是一種圖形化的編程語言開發(fā)環(huán)境,它廣泛地被工業(yè)界、學(xué)術(shù)界和研究實(shí)驗(yàn)室所接受,視為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)采集和儀器控制軟件。LabVIEW集成了與滿足GPIB、VXI、RS-232和RS-485協(xié)議的硬件及數(shù)據(jù)采集卡通訊的全部功能,它還內(nèi)置了便于應(yīng)用TCP/IP、ActiveX等軟件標(biāo)準(zhǔn)的庫函數(shù),這是一個(gè)功能強(qiáng)大且靈活的軟件,利用它可以方便地建立自
己的虛擬儀器,其圖形化的界面使得編程及使用過程都生動(dòng)有趣。
本系統(tǒng)軟件采用NI公司的LabVIEW軟件編制,編制軟件按照功能模塊進(jìn)行,主要功能模塊包括參數(shù)設(shè)置模塊(設(shè)置觸發(fā)方式、通道數(shù)、觸發(fā)電平、采樣頻率、采樣時(shí)間、觸發(fā)通道和文件路徑等)、數(shù)據(jù)分析模塊(數(shù)據(jù)濾波、頻譜分析和數(shù)據(jù)計(jì)算等)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)顯示模塊(波形顯示、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、歷史數(shù)據(jù)回放、波形縮放和波形打印等)。參數(shù)設(shè)置功能模塊界面如圖3所示,參數(shù)設(shè)置程序如圖4所示,數(shù)據(jù)分析顯示界面如圖5所示。
4 系統(tǒng)測試實(shí)驗(yàn)
系統(tǒng)經(jīng)過實(shí)驗(yàn)室振動(dòng)標(biāo)定測試。用在實(shí)際礦山生產(chǎn)爆破爆炸應(yīng)力波測試,測得爆炸應(yīng)力波波形如圖6所示,測試數(shù)據(jù)和理論計(jì)算數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比,數(shù)值大體相符。
5 結(jié)束語
文中基于LabVIEW軟件和P(366-18AI32SSC1M采集卡,設(shè)計(jì)了高速多通道信號(hào)采集系統(tǒng),用于爆炸應(yīng)力波測試特殊需求。軟件設(shè)計(jì)采用了多功能、模塊化的程序設(shè)計(jì)方法,系統(tǒng)可以進(jìn)行多路高速并行數(shù)據(jù)采集和分析。通過實(shí)際的采場生產(chǎn)爆破測試,取得了有效的數(shù)據(jù)。