基于虛擬儀器技術(shù)實現(xiàn)信號采集系統(tǒng)的設(shè)計

基于虛擬儀器技術(shù)， 利用LabVIEW 語言進行信號采集系統(tǒng)的研制具有重要意義。文章介紹信號采集與處理系統(tǒng)的主要流程。詳細(xì)介紹PCI-1714 數(shù)據(jù)采集卡的原理及功能，通過數(shù)據(jù)采集程序?qū)嵗榻B基于LabVIEW 語言實現(xiàn)PCI-1714 采集卡的全過程，利用LabVIEW 語言編寫的程序用于將存儲數(shù)據(jù)調(diào)出，并對信號波形特點進行分析。

1 概述

實驗室虛擬儀器工程平臺（LabVIEW）是一種專門用于數(shù)據(jù)采集、分析及儀器控制的圖形化軟件，它所開發(fā)的虛擬儀器將計算機強大的數(shù)據(jù)處理能力與儀器的硬件測試控制能力很好地結(jié)合在一起。

LabVIEW 的圖形化開發(fā)環(huán)境具有精確、高效、功能強大、開發(fā)簡易、實時性強、界面友好等優(yōu)點，為用戶提供了強大功能和使用的靈活性， 非常適合用于進行仿真、實時檢測和控制。目前，LabVIEW 已經(jīng)成為測試領(lǐng)域應(yīng)用最廣泛和最有前途的軟件開發(fā)平臺之一，也是應(yīng)用最廣、發(fā)展最快、功能最強的圖形化軟件開發(fā)集成環(huán)境之一。

虛擬儀器可以利用高性能的模塊化硬件， 結(jié)合高效靈活的軟件來完成各種測試、測量和自動化應(yīng)用，與傳統(tǒng)的測量儀器相比，具有成本低、功能強大、集成度高、質(zhì)量可靠、維護方便等優(yōu)點，能很方便地組建測試系統(tǒng)，滿足多種測量要求。因此，基于虛擬儀器技術(shù)， 利用LabVIEW 語言進行信號采集系統(tǒng)的研制具有重要意義。

LabVIEW虛擬儀器主要包括前面板、框圖和圖標(biāo)/ 接口部件三部分。

前面板是VI 的交互式用戶界面， 即用戶與程序代碼發(fā)生聯(lián)系的窗口。VI 前面板是控件和指示器的組合，控件仿真常規(guī)儀器上的輸入輸出設(shè)備類型，如旋鈕和開關(guān)，并提供一種機制，將輸入從前面板傳送到基本框圖。

信號采集與處理系統(tǒng)主要應(yīng)用的是數(shù)據(jù)采集卡的A / D（模/ 數(shù)）轉(zhuǎn)換功能，通過數(shù)據(jù)采集卡將采集端采集到的模擬電信號利用高速模數(shù)轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，經(jīng)過數(shù)據(jù)采集卡板載緩存，最后利用計算機中的程序不斷從緩存中提取數(shù)據(jù)， 存入計算機中，并進行相關(guān)處理，提取有用數(shù)據(jù)進行硬盤存儲。

利用LabVIEW 語言編寫數(shù)據(jù)采集卡的驅(qū)動程序，對信號分析處理及存儲流程如圖1 所示。

圖1 信號采集與處理系統(tǒng)總流程圖。

2 PCI-1714 數(shù)據(jù)采集卡

Advantech 公司的PCI-1714 是一款PCI 接口的高速4 通道同步數(shù)據(jù)采集卡， 可用于高速數(shù)據(jù)采集應(yīng)用，性價比較高，適用于儀器測試、圖像處理、視頻數(shù)字化處理及聲音與振動測試等領(lǐng)域。

PCI-1714 是高速、高分辨力、高容量的PCI 數(shù)據(jù)采集卡， 配備4 組模擬輸入端， 具備同步采集功能。其特性可歸納為：a）內(nèi)含4 個獨立ADC（模數(shù)轉(zhuǎn)換器），可使4 個信道同步取樣，當(dāng)4 組模擬輸入同時使用時，采樣頻率理論最高可達30 MS/s。b）每路ADC 內(nèi)建32 K FIFO 內(nèi)存，使用者在高速采樣時有足夠緩沖區(qū)可供暫存， 以維持?jǐn)?shù)據(jù)采集速度及完整性。c）提供多種輸入范圍，包含±5 V、±2.5 V、±1 V、±0.5 V 等， 使用者通過工具程序即可輕松完成設(shè)定。d） 高達6 種觸發(fā)模式， 包含軟件觸發(fā)、Pacer、Post-Trigger、Pre-Trigger、Delay-Trigger 及About-Trigger 觸發(fā)方式，方便客戶按需求自行設(shè)定。

基于PCI-1714 的通用高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 基于PCI-1714 的高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。

將需監(jiān)測的現(xiàn)場信號經(jīng)濾波器濾波后送入PCI-1714 板卡， 卡上A / D 轉(zhuǎn)換器對信號進行高速模數(shù)轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)首先暫存在板卡的32 K 板載FIFO （先入先出） 中， 當(dāng)FIFO 半滿或全滿時，向DMA（動態(tài)內(nèi)存存?。?a target="_blank">控制器發(fā)送DMA 請求，使用直接內(nèi)存存取方式，經(jīng)PCI（外設(shè)組件互連）總線將數(shù)據(jù)從FIFO 輸出到內(nèi)部緩沖區(qū)中，PCI 總線傳輸帶寬很寬， 可以滿足4 通道高速同步采樣時所帶來的高速數(shù)據(jù)傳輸要求。

內(nèi)部緩沖區(qū)作為高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的海量緩存，它與用戶緩沖區(qū)一樣，都是數(shù)據(jù)采集程序動態(tài)分配給驅(qū)動程序使用的兩塊內(nèi)存區(qū)域， 區(qū)別在于內(nèi)部緩沖區(qū)存放的是從FIFO 取來的原始值， 用戶緩沖區(qū)存放的是經(jīng)轉(zhuǎn)換之后的電壓值。

在進行長時間高速數(shù)據(jù)采集時，PCI-1714 多采用循環(huán)方式。在此方式下，啟動一次采集過程能進行無數(shù)次的A / D 轉(zhuǎn)換。此時內(nèi)部緩沖區(qū)分成前后對等的兩個半?yún)^(qū)使用，當(dāng)前半?yún)^(qū)填滿后，將此半?yún)^(qū)的數(shù)據(jù)向用戶緩沖區(qū)傳送， 同時將新轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)放在內(nèi)部緩沖區(qū)的后半部分。當(dāng)后半?yún)^(qū)填滿后，此半?yún)^(qū)數(shù)據(jù)向用戶緩沖區(qū)傳送。同時自動將新轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)放到早已傳輸完畢的前半個緩沖區(qū)?？赏ㄟ^查詢狀態(tài)寄存器的狀態(tài)來判斷FIFO 緩沖區(qū)的狀態(tài)，分別判斷空標(biāo)志位（Empty flag）、半滿標(biāo)志位（Half full flag）以及全滿標(biāo)志位（Full flag）。

內(nèi)部緩沖區(qū)和用戶緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)可以在程序控制下以文件的形式保存至計算機中， 實現(xiàn)采集數(shù)據(jù)永久性存儲，便于后期數(shù)據(jù)分析處理。

3 基于LabVIEW 語言實現(xiàn)的PCI-1714采集卡數(shù)據(jù)采集程序?qū)嵗?/p>

下面介紹用LabVIEW 語言編寫的PCI-1714 采集卡數(shù)據(jù)采集驅(qū)動程序。該程序能夠?qū)崿F(xiàn)對傳感系統(tǒng)外界信號的數(shù)據(jù)進行連續(xù)采集， 并能根據(jù)需要對有用數(shù)據(jù)進行存儲。

從功能上分，該程序主要分為三部分：a）對采集卡進行初始化，完成采集卡重要工作參數(shù)的設(shè)置，如用戶緩存、采樣速率（scan rate）、輸入限制等。b）進行數(shù)據(jù)采集和有用數(shù)據(jù)的存儲， 就是將數(shù)據(jù)先放入采集卡的板載緩存FIFO 中， 再由計算機讀取板載緩存中的數(shù)據(jù)， 寫入由計算機的內(nèi)存中分配出的用戶緩存， 然后根據(jù)需要將有用數(shù)據(jù)從內(nèi)存中存入計算機硬盤。具體存儲格式可以為多種，該部分中包括的子VI 有讀取數(shù)據(jù)模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊以及顯示所采集信號的時域圖形的模塊。c）在采集結(jié)束后關(guān)閉采集卡。

為了使用PCI-1714 進行連續(xù)高速的數(shù)據(jù)采集，需要對采集速率、用戶緩存大小等重要參數(shù)進行合理設(shè)置。如前所述，數(shù)據(jù)采集卡進行A / D 轉(zhuǎn)換時是連續(xù)進行的， 也就是說采集卡往板載緩存中放入數(shù)據(jù)是連續(xù)進行的， 而計算機從板載緩存FIFO 中讀取數(shù)據(jù)放入用戶緩存時是在FIFO 半滿或全滿的狀態(tài)下批量讀取的，同時，如果要進行數(shù)據(jù)的存儲，從用戶緩存再向硬盤中寫入數(shù)據(jù)時也是批量進行的。

由于用戶緩存的大小受計算機內(nèi)存空間大小的限制，不可能無限大，在使用過程中，只能盡量設(shè)得比較大，一般可以設(shè)為內(nèi)存的十分之一左右。在保持一定的數(shù)據(jù)采樣率并且用戶緩存確定的情況下， 如果存儲過程中，單批量寫入硬盤的數(shù)據(jù)過少，會出現(xiàn)不能及時將數(shù)據(jù)從用戶緩存中讀出， 從而導(dǎo)致用戶緩存溢出的錯誤。而當(dāng)單批量寫入硬盤的數(shù)據(jù)過多時，又會出現(xiàn)從用戶緩存讀取數(shù)據(jù)過快， 可能會讀出空數(shù)據(jù)的錯誤，所以這幾個參數(shù)必須互相配合設(shè)定才能使采集卡獲得良好的采集和數(shù)據(jù)存儲的性能。

4 基于LabVIEW 的數(shù)據(jù)調(diào)用與處理

利用上述程序完成信號采集的同時可以將有用信號存儲，用于后續(xù)分析，下面舉例說明如何將存儲之后的波形數(shù)據(jù)重新調(diào)出并進行分析。

將以TXT 格式存儲的數(shù)據(jù)從文件中調(diào)出并進行頻譜分析的程序。在程序前面板中可以同時將一段數(shù)據(jù)表示的信號時域波形及利用“FFT 功率譜”VI分析獲得功率譜波形顯示出來。

利用LabVIEW 語言編寫一個用于將存儲數(shù)據(jù)調(diào)出并對信號波形特點進行分析的程序，該程序可以將一個具有多信道的監(jiān)測信號從存儲文件中調(diào)出，不同信道的監(jiān)測信號各不相同，根據(jù)信號波形的特點，可以選用相關(guān)方法進行信號處理，分析各信號對應(yīng)的監(jiān)測環(huán)境的變化。利用LabVIEW 所提供的“調(diào)用庫函數(shù)節(jié)點”模塊，可以很方便地把C 語言編寫的程序嵌入LabVIEW 程序中， 并且可以封裝成子VI，供主程序調(diào)用。適用于一些LabVIEW 語言編程效率不高的應(yīng)用場合，利用“調(diào)用庫函數(shù)節(jié)點”模塊編寫的子VI 程序。

5 結(jié)束語

從以上分析可以看出， 利用LabVIEW 語言可以方便地解決信號采集與處理領(lǐng)域的相關(guān)問題，無論是對數(shù)據(jù)采集卡PCI1714 的驅(qū)動編寫、數(shù)據(jù)的存儲， 還是對數(shù)據(jù)的調(diào)用與分析都可以充分的調(diào)用該語言提供的專用VI， 并且在圖形化語言編寫環(huán)境中，獲得清晰的數(shù)據(jù)流程。而且LabVIEW 語言也支持用戶對VI 的二次開發(fā)，并可以調(diào)用其他語言編寫的程序， 還可以將用戶自行編寫的程序方便地封裝成標(biāo)準(zhǔn)VI，供后續(xù)程序調(diào)用，為提高程序編寫的效率及擴展程序功能帶來極大方便。

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