基于PXI和LabVIEW的雙板卡遠程數據采集系統設計

2013-11-23 08:08:46閆紀紅楊偉成

實驗技術與管理 2013年7期

閆紀紅，楊偉成

（哈爾濱工業大學機電工程學院，黑龍江哈爾濱 150000）

1997年，NI（National Instrument）發布了一種全新的開放性、模塊化儀器總線規范——PXI（PCI eX－tensions for Instrumentation），它是PCI在儀器領域的擴展。PXI將PCI總線技術發展為適合于試驗、測量與數據采集場合應用的機械、電氣和軟件規范，從而形成了新的虛擬儀器體系結構［1－2］。

隨著現代科學技術的飛速發展，在航空、航天、軍事及通信等高技術測試領域，存在著很多復雜信號需要人們進行測量、分析及研究。為了提高測控水平、測控效率以及實現信息資源共享，對測控設備的網絡化要求也越來越高。尤其在工業控制領域，生產現場和控制站往往是分布式的，這就需要對被測對象進行遠程數據采集［3－4］。

本文采用美國國家儀器公司的PXI－4472同步動態信號采集卡和PXI－6251多功能數據采集卡，使用LabVIEW編寫控制程序，實現了多路信號的采集和實時顯示，并實現了數據的遠程傳輸和存儲。

1 系統總體結構

系統主要由傳感器、信號調理模塊、數據采集卡、上位機以及下位機5部分組成。系統可完成對工業現場被控對象的數據采集，并經由網絡將數據傳輸到遠程控制中心進行保存和處理［4］。系統結構如圖1所示。

傳感器采集到的原始信號經過濾波、放大，再由數據采集卡傳輸到下位機中，最后通過網絡傳送到上位機進行保存和處理。

遠程數據采集系統由服務器端（下位機為PXI－1042Q機箱，包括服務器軟件）和客戶端（上位機為用戶電腦，包括客戶端軟件）組成，上位機和下位機之間利用基于TCP／IP的網絡相連接。在服務器端，傳感器將被控對象的物理信號轉化為電信號之后，通過信號調理模塊將原始信號進行濾波、放大，然后通過數據采集卡將數據傳輸到下位機中，最后通過網絡傳輸到客戶端，實現遠程數據采集。

圖1 系統結構圖

2 硬件設計

模擬信號采集是將被測的模擬信號轉換成計算機能處理的數字信號的過程。在數據采集系統中，最關鍵的硬件為數據采集卡。本系統選擇的數據采集卡為美國國家儀器公司的PXI－4472 8通道同步動態信號采集卡以及PXI－6251M系列多功能數據采集卡。另外，機箱選用PXI－1042Q安靜型8槽通用交流供電PXI 3U 機箱與數據采集卡配套使用［5－6］。

PXI－4472及PXI－6251均可滿足工業現場對多路信號的采集要求，如溫度、壓力、位移、振動等模擬量的采集。PXI－4472數據采集卡的最大采樣路數為單端8路／差分0路，分辨率為24bit，最高采樣率為102.4 kS／s；PXI－6251數據采集卡的最大采樣路數為單端16路／差分8路，分辨率為16bit，最高采樣率為1.25 MS／s。兩卡均能實現工業控制中對被測量的高速數據采集［7－8］。

在系統中，數據采集卡PXI－4472及PXI－6251與PXI－1042Q機箱構成系統服務器，在局域網內通過網線與客戶端相連，網絡協議采用標準的TCP／IP協議。

3 軟件設計

雙板卡遠程數據采集系統是在LabVIEW環境下開發的，軟件主要實現數據采集、數據傳輸以及數據存儲這3個主要的功能。系統軟件結構設計如圖2所示。

3.1 數據采集的實現

LabVIEW中可進行數據采集編程的VI有兩類：Traditional DAQ及DAQmx，因為DAQmx的采樣頻率為Traditional DAQ的10倍，故在中高速數據采集中，一般使用DAQmx。在本系統中亦使用DAQmx進行編程。

圖2 系統軟件結構圖

首先根據實際連線在軟件中選擇好物理通道，然后根據設定好的采樣率等指標進行數據采集。數據從通道傳輸過來之后，經過DAQmx Read這個子VI，DAQmx Read將采集到的數據顯示到波形圖上去，從而完成了數據采集工作。這里主要用到4個子VI：DAQmx Create Virtual Channel、DAQmx Timing、DAQmx Start Task以及DAQmx Read，數據采集功能連線示意如圖3所示［9］。

圖3 數據采集功能連線示意圖

3.2 數據傳輸的實現

在LabVIEW 中，有TCP、UDP、DataSocket、共享變量等技術可實現遠程數據傳輸。其中，TCP是最常用的網絡協議。可靠性是TCP最重要的特性之一，它在提供良好的工作性能的基礎上，還具有可靠性（不丟失數據）的優勢，能夠保證數據最終到達設定的接收端，或者發送端能夠接收到傳輸失敗的信息。在Lab－VIEW提供的所有通信標準中，TCP提供了最高的吞吐量和最好的可靠性，在傳輸大量數據的時候尤其能夠體現其高效的特性。在本系統中，使用TCP作為遠程數據傳輸協議［10］。

使用TCP通信協議，服務器根據其與客戶端程序之間的端口設置，將對應通道的數據分別從不同的端口中傳輸出去，而客戶端根據地址來識別下位機。在本程序中，是用下位機的IP地址來完成識別工作，然后同樣地根據端口名稱來識別對應端口傳輸來的數據，并根據通道名稱將數據分別顯示到對應的波形圖上，從而完成數據的傳輸與接收顯示。數據傳輸功能連線如圖4所示，數據接收功能連線如圖5所示。

圖4 數據傳輸功能連線示意圖

圖5 數據接收功能連線示意圖

3.3 數據存儲的實現

為了方便對數據的分析處理，按照采樣率及通道信息將測得的數據存儲到Access數據庫中，本項目使用的是Database Connectivity Toolset工具來實現數據存儲功能。

客戶端接收到傳輸來的數據之后，通過相應的波形圖對數據進行顯示，且動態數據是存儲在波形圖中的，正是利用了這一點來完成數據存儲功能。通過連接數據庫，制定數據表的命名規則，設置數據通道的信息，然后將讀取每個通道的數據。依照采樣率，每個表中每個通道存儲1 024個數據，連線如圖6所示。

上面的實例說明了數據采集系統軟件各功能的實現方法。將各個模塊進行有機的整合，從而完成整個系統的設計。

圖6 數據存儲功能連線示意圖

4 測試結果

以下是通過本系統進行數據采集、傳輸和存儲的實例。因為系統采用的雙板卡，最大支持24通道數據采集，而實際項目中僅有4路信號，為驗證系統的可行性，2個數據采集卡分別采集2路不同的信號。程序開始運行后，首先由服務器端進行數據采集，并實時將采集到的信號以波形方式進行顯示，然后根據服務器與客戶端之間的端口及IP設定，按通道進行數據傳輸，將服務器采集到的數據實時傳輸到客戶端中進行處理及保存，從而完成整個系統數據采集的任務。服務器端及客戶端的面板如圖7—圖10所示。