基于虛擬儀器技術的高速多通道信號采集系統設計

李忠奎

（煤炭科學研究總院 北京 100013）

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算機硬件資源(如微處理器、內存、顯示器等)與儀器硬件（如A/D、D/A、數字I/O、定時器、信號調理等）有機的融合為一體，大大縮小了儀器硬件的成本和體積，并通過軟件實現對數據的顯示、存儲以及分析處理。它的最大特點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[1]。這是虛擬儀器技術核心強調的測試理念[2]。

爆炸應力波測試[3]要求系統同時測試64通道爆炸應力波數據，爆炸應力波頻率高，數據量大，并且需要多通道數據處理分析，其中多路并行的數據采集系統和先進的信號預處理技術是測試的關鍵技術。通過對傳統的測試儀器調研，這些儀器不僅可測試的通道數少，采樣點數少，而且購買這些儀器的費用較高，不能滿足本項目測試技術要求。采用基于計算機、A/D采集卡和LabVIEW軟件的虛擬儀器測試系統，能進行多通道高速同時采樣分析，不僅降低了投入成本，而且系統開發速度快，大大降低了測試系統的開發周期。對于特殊要求的科學實驗用測試系統，虛擬儀器技術以其高效開發性能和較低的成本投入，充分體現了其優勢和價值。

1 系統組成及工作原理

系統主要由計算機、信號采集卡、電荷放大器、傳感器、低噪聲電纜和測試軟件等組成。系統工作原理如下：傳感器拾取爆炸應力波信號，經由低噪聲電纜傳送至電荷放大器,微弱的振動信號經電荷放大器轉換、放大成電壓信號，經由電纜傳送至AD采集卡，經AD卡轉化為數字信號，測試軟件控制進行數據采集、數據記錄、數據分析和處理。系統工作原理圖如圖1所示。

圖1 系統工作原理圖Fig.1 Fundamental diagram of the system

為了保證采集信號的高效性和完整性，設置系統工作在信號觸發方式，并進行采集信號預存儲。為了保證采集信號的可靠性，采用低噪聲電纜進行信號傳輸，并增加了模擬信號和數字信號的濾波處理。

2 信號采集卡

General Standards Corporation是專業研發和生產高性能，基于PMC、PCI、VME等總線技術的模擬量I/O、數字量I/O和串口I/O。其新研發的PCI66-18AI32SSC1M模擬I/O卡，具有32個模擬輸入通道，可同時工作，每通道1 M的采樣速率。采集卡功能結構圖如圖2所示[4]。

采集卡技術指標如下：32個模擬量輸入通道，每通道1MSPS，18位的ADC；所有通道同時采樣，最小的數據掃描時間；每通道采樣速率0～1 MSPS（總計32 MSPS采樣速率）；差分輸入，使信號噪聲和系統干擾最小；輸入量程范圍±10 V、±5 V、±2.5 V，軟件可選；256 k采樣FIFO數據緩沖區；SAR（逐次逼近法）ADC支持準確的同步采樣，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；2通道的DMA引擎，支持批量和查詢方式的DMA傳送；采樣可以由內部速率發生器、軟件或外部控制；連續、脈沖和單一采樣時鐘模式；可以通過前面板或內部端口進行多塊板硬件I/O同步操作；所有通道內部自校準；完全軟件可配置，無需區域跳線；也可以采用16位分辨率，從而降低成本。

圖2 采集卡功能結構圖Fig.2 Functional structure chart of acquisition card

采用兩塊PCI66-18AI32SSC1M模擬信號采集卡，設置兩塊卡進行同時信號采集，實現系統同時測試64通道信號數據。采集卡配有LabVIEW的開發包，對采集卡的所有操作都可在開發包的基礎上進行修改，大大簡化了軟件編制的難度。

3 測試軟件設計

LabVIEW（Laboratory Virtual instrument Engineering Workbench）是一種圖形化的編程語言開發環境，它廣泛地被工業界、學術界和研究實驗室所接受，視為一個標準的數據采集和儀器控制軟件[5]。LabVIEW集成了與滿足 GPIB、VXI、RS-232和RS-485協議的硬件及數據采集卡通訊的全部功能，它還內置了便于應用TCP/IP、ActiveX等軟件標準的庫函數，這是一個功能強大且靈活的軟件，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有趣[6]。

本系統軟件采用NI公司的LabVIEW軟件編制，編制軟件按照功能模塊進行，主要功能模塊包括參數設置模塊（設置觸發方式、通道數、觸發電平、采樣頻率、采樣時間、觸發通道和文件路徑等）、數據分析模塊（數據濾波、頻譜分析和數據計算等）、數據存儲顯示模塊（波形顯示、數據存儲、歷史數據回放、波形縮放和波形打印等）。參數設置功能模塊界面如圖3所示，參數設置程序如圖4所示，數據分析顯示界面如圖5所示。

圖3 軟件設置功能界面Fig.3 Setting function interface of the software

圖4 參數設置部分程序Fig.4 Program of the setting model

圖5 數據分析顯示界面Fig.5 Display interface of data analysis

4 系統測試實驗

系統經過實驗室振動標定測試。用在實際礦山生產爆破爆炸應力波測試，測得爆炸應力波波形如圖6所示，測試數據和理論計算數據進行對比，數值大體相符。

5 結束語

圖6 實測應力波形圖Fig.6 Actually measured stress curve

文中基于LabVIEW軟件和PCI66-18AI32SSC1M采集卡，設計了高速多通道信號采集系統，用于爆炸應力波測試特殊需求。軟件設計采用了多功能、模塊化的程序設計方法，系統可以進行多路高速并行數據采集和分析。 通過實際的采場生產爆破測試，取得了有效的數據。

[1]National Instruments.LabVIEW Tutorial Manual[Z].USA.1996.

[2]National Instruments.The LabVIEW Quick Start Guide[Z].USA.1996.

[3]李孝蘭.硬巖中大當量地下爆炸應力波的測試和分析[J].遼寧工程技術大學學報：自然科學版，2001（8）:393-395.LI Xiao-lan.Stress wave measurement and analyses of the underground explosions in hard rock with large yield[J].Journal of Liaoning Technical University：Natural Science，2001（8）:393-395.

[4]General Standards Corporation.66-18AI32SSC1M[Z].USA.2010.

[5]陳樹學，劉萱.LabVIEW寶典[M].北京：電子工業出版社.2011.

[6]郭會軍，趙向陽，賈惠芹.基于LabVIEW的虛擬儀器設計[M].北京：電子工業出版社，2003.