便攜式數(shù)據(jù)采集測試系統(tǒng)

吳智哲

摘要：為了滿足外場測試系統(tǒng)的便攜性要求，本文利用NI公司的CompactRIO-9068嵌入式控制器和七塊C系列數(shù)據(jù)采集模塊，構(gòu)建了一款便攜式多通道實(shí)時數(shù)據(jù)采集測試系統(tǒng)。利用LabVIEW FPGA開發(fā)了CompactRIO的底層FPGA模塊，實(shí)現(xiàn)了對數(shù)據(jù)采集模塊的調(diào)度與管理；利用LabVIEW RT開發(fā)了CompactRIO的底層實(shí)時操作系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對采集數(shù)據(jù)的組織、管理及與上位機(jī)通信；最后利用LabVIEW對上位機(jī)進(jìn)行了軟件的開發(fā)，實(shí)現(xiàn)測試數(shù)據(jù)的實(shí)時顯示和數(shù)據(jù)存儲充分滿足了外場測試的便攜式多功能的需求。

關(guān)鍵詞：數(shù)據(jù)采集 CompactRIO LabVIEW FPGA RTOS

中圖分類號：TP274.2 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-9416（2016）06-0000-00

Abstract： In order to meet the requirements of portable field testing system in this paper， the NIs CompactRIO 9068 embedded controllers and seven C Series data acquisition modules are used to built a portable multi-channel real-time data acquisition test system. LabVIEW FPGA is used to develop the FPGA module underlying the CompactRIO while implementing the control and management of data acquisition module. The LabVIEW RTOS are used to develop the real-time operating system inside the CompactRIO while implementing the organization， management of acquisition data and communicating with the host. Finally， LabVIEW are used to develop the host software and implement the real-time display and storage of acquisition data. fully meet the needs of portable multifunction field testing.

Keywords： Data Acquisition； CompactRIO； LabVIEW； FPGA； RTOS

隨著現(xiàn)代電子技術(shù)的不斷發(fā)展和應(yīng)用，數(shù)據(jù)采集測試系統(tǒng)的研制正在朝著多功能，多通道，低功耗的方向發(fā)展，便攜式數(shù)據(jù)采集測試系統(tǒng)更是要求達(dá)到更高的速度、更小的體積以及更低的成本。國內(nèi)現(xiàn)在已有不少數(shù)據(jù)采集和測試系統(tǒng)，但很多系統(tǒng)存在功能單一、采集通道少、采集速率低、操作復(fù)雜，并且對測試環(huán)境要求較高等問題[1]。傳統(tǒng)的便攜式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，難以滿足大部分需求，外圍采樣電路的添加使得系統(tǒng)的可靠性和兼容性有所降低[2]。

基于小型化、集成化、原位化、便攜化的設(shè)計(jì)目標(biāo)，本文利用虛擬儀器LabVIEW圖形化語言對NI公司的CompactRIO控制器進(jìn)行開發(fā)，研制出一套運(yùn)行穩(wěn)定、精度高、功耗低、數(shù)據(jù)存儲量大的便攜式數(shù)據(jù)采集測試系統(tǒng)。充分利用其豐富的硬件資源，系統(tǒng)能有效的實(shí)現(xiàn)實(shí)時多通道數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)流實(shí)時存盤，試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析處理，歷史數(shù)據(jù)查詢和波形回顯，生成及打印試驗(yàn)報告等功能。

1系統(tǒng)組成及工作原理

便攜式數(shù)據(jù)采集測試系統(tǒng)主要由上位機(jī)和下位機(jī)兩部分構(gòu)成，上位機(jī)主要完成指令的發(fā)送和實(shí)時數(shù)據(jù)的接收、處理、顯示、儲存、回放等任務(wù)；然而，下位機(jī)的任務(wù)是完成各個采集模塊的調(diào)度，以及數(shù)據(jù)的采集、預(yù)處理和發(fā)送，實(shí)現(xiàn)多通道多變量的同步，如圖1所示。

上位機(jī)選用筆記本計(jì)算機(jī)，預(yù)裝NI LabVIEW 2014、NI LabVIEW Real-Time、NI LabVIEW FPGA、Xilinx Vivado2013.4和NI RIO 14f1等軟件。一方面作為 LabVIEW 軟件圖形化編程開發(fā)平臺，另一方面通過以太網(wǎng)接口實(shí)現(xiàn)CRIO數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的配置以及測試數(shù)據(jù)的讀取分析 存儲和人機(jī)交互。

LabVIEW 2014圖形化開發(fā)語言，利用計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的圖形環(huán)境，采用可視化的圖形編程語言和平臺，完成對上位機(jī)的軟件開發(fā)；LabVIEW Real-Time模塊為創(chuàng)建可靠獨(dú)立的嵌入式系統(tǒng)提供了圖形化編程的完整解決方案。LabVIEW Real-Time模塊有助開發(fā)和調(diào)試圖形化應(yīng)用程序，這些程序可下載至嵌入式硬件設(shè)備（CompactRIO）并在這些設(shè)備上執(zhí)行；LabVIEW FPGA提供了一個高度集成的開發(fā)環(huán)境和一個由IP庫、高保真仿真器和多個調(diào)試功能組成的大型生態(tài)系統(tǒng)，大大提高了對FPGA復(fù)雜系統(tǒng)的開發(fā)效率；Xilinx Vivado2013.4（FPGA Compile Worker）用于多機(jī)式、任務(wù)轉(zhuǎn)交式、并行式FPGA編譯的軟件，用于創(chuàng)建現(xiàn)場服務(wù)器以輕松管理FPGA編譯，完成FPGA.vi的編譯并生成比特位文件。

下位機(jī)由NI CompactRIO嵌入式控制器和NI C系列I/O模塊構(gòu)成。

2004年，NI推出的CompactRIO提出了可重構(gòu)的解決方案，將自定義設(shè)計(jì)的靈活性與快速上市的現(xiàn)成即用產(chǎn)品相結(jié)合，重新定義了嵌入式市場。CompactRIO控制器包括一個處理器和可重配置FPGA。該處理器運(yùn)行的是確定、可靠的NI Linux Real-Time操作系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信、數(shù)據(jù)記錄、控制和處理等應(yīng)用； NI C系列I/O模塊在設(shè)計(jì)上屬于自我包含（self-contained）的測量模塊。模塊自身包含信號調(diào)理與隔離等所有用于特定測量的電路。

2系統(tǒng)硬件構(gòu)建

本系統(tǒng)由NI CompactRIO-9068控制器和NI C系列I/O模塊構(gòu)成。其中C系列I/O模塊分別選用NI-9213，16通道熱電偶輸入模塊、NI-9217，4通道熱電阻PT100模塊采集溫度；NI-9205，16路差分模擬輸入模塊采集電壓；NI-9375，16路7?s漏極數(shù)字輸入模塊、NI-9425 32路7 ?s漏極數(shù)字輸入模塊采集開關(guān)量；NI-9401，8路5 V/TTL高速雙向數(shù)字I/O模塊采集頻率，共7塊I/O模塊。便攜式數(shù)據(jù)采集測試系統(tǒng)實(shí)物如圖2所示，可見該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)溫度、壓力、開關(guān)量和速度信號等多個通道的同步在線采集測試，其參數(shù)見表1。

2.1 控制器：NI CompactRIO-9068

NI cRIO-9068在單個機(jī)箱中結(jié)合了雙核處理器、可重配置FPGA和8個用于C系列I/O模塊的插槽。該系統(tǒng)配備一個運(yùn)行NI Linux Real-Time操作系統(tǒng)和Artix-7 FPGA的667 MHz雙核ARM Cortex-A9處理器，非常適合用于高級嵌入式控制和監(jiān)測應(yīng)用。CRIO-9068的工作溫度范圍為-40℃至70℃，配有9V至30 VDC雙電源輸入，適用于需要堅(jiān)固耐溫控制器的應(yīng)用。 該設(shè)備具有用于嵌入式操作的512MB DDR3內(nèi)存、用于數(shù)據(jù)記錄的1 GB非易失性內(nèi)存以及各種連接選項(xiàng)，包括兩個千兆以太網(wǎng)端口、一個USB高速端口和三個串行端口。加上高效的圖形化開發(fā)語言LabVIEW，非常適合用于上位機(jī)存儲的實(shí)時數(shù)據(jù)采集測試系統(tǒng)的開發(fā)。

2.2 溫度采集：熱電偶NI 9213、熱電阻NI 9217

NI 9213是一款針對C系列外盒的高密度熱電偶模塊，專為高通道數(shù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。在高速模式下，每個通道的采樣速率達(dá)75 S/s。本系統(tǒng)僅使用了4路，每路通道的最大采樣率可增加至100 S/s。

具有4通道、24位分辨率的NI 9217電阻溫度探測器（RTD）模擬輸入模塊。可配置成兩種不同的采樣率模式。高采樣率模式下，每通道采樣率可達(dá)100 S/s，而高分辨率模式下， 每通道采樣率為1.25 S/s，并配有50/60 Hz內(nèi)置式去噪功能，可提供每通道1 mA的電流激勵，精度誤差小于1℃。

2.3 模擬量采集：NI 9205

NI 9205具有32路單端或16路差分模擬輸入，16位分辨率和250 kS/s的最高采樣率。每個通道具有±200 mV、±1 V、±5 V和±10 V可編程的輸入范圍。為了防止信號瞬變，NI 9205的輸入通道和COM之間還具有高達(dá)60 V的過壓保護(hù)。 另外，NI 9205還具有通道-地面-接地雙重隔離保護(hù)，實(shí)現(xiàn)了安全性、抗擾性和高共模電壓范圍。 它具有1，000 Vrms的瞬時過壓保護(hù)。

2.4 開關(guān)量采集：NI 9375、NI 9425

NI 9375是一款數(shù)字I/O混合模塊，16條專用數(shù)字輸入線均可兼容12V和24V的邏輯電平，該模塊結(jié)合工業(yè)邏輯電平和信號，可直接連接至各種工業(yè)開關(guān)、傳感器和其他設(shè)備。

NI 9425是一款32通道7?s漏極數(shù)字輸入C系列模塊，每條通道都兼容12 V和24 V電平，并具有通道至地面的1000 Vrms瞬時過壓保護(hù)。本系統(tǒng)將NI 9375與NI 9425相結(jié)合，完成40路開關(guān)量采集。

2.5 轉(zhuǎn)速采集：NI9401

NI 9401是一款8通道、100 ns的雙向數(shù)字輸入模塊，可根據(jù)輸入和輸出需要，以半字節(jié)（4位）為單位靈活配置NI 9401上各條數(shù)字線的方向。因此，NI 9401可編程為3種配置：8路數(shù)字輸入、8路數(shù)字輸出或4路數(shù)字輸入和4路數(shù)字輸出。借助Compact RIO，可使用NI LabVIEW FPGA模塊對NI 9401進(jìn)行編程，以實(shí)現(xiàn)自定義高速計(jì)數(shù)器/定時器、數(shù)字通信協(xié)議、脈沖生成等。每個通道可兼容5 V/TTL信號，且I/O通道和背板之間具有1000 Vrms的瞬態(tài)隔離電壓。

3軟件開發(fā)

本測試系統(tǒng)以CompactRIO的硬件結(jié)構(gòu)體系為基礎(chǔ)，CompactRIO系統(tǒng)是一款結(jié)合RT（Real-time）和 FPGA技術(shù)的工業(yè)級數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，其開發(fā)模式有兩種：掃描模式與FPGA模式。掃描模式簡單方便，只需編寫部署在CRIO實(shí)時控制器端的RT.vi 程序，就可在程序中直接調(diào)用預(yù)先開發(fā)好的I/O掃描接口，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集，但是CRIO系統(tǒng)工作在掃描模式下可支持的最大掃描速率僅僅1kHz。在本測試裝置中采用的是FPGA接口模式，在該模式下通過LabVIEW Real-Time中的FPGA接口VI來訪問I/O模塊，F(xiàn)PGA的特定數(shù)字化功能支持高達(dá)40 MHz的計(jì)數(shù)器，可為用戶提供更多自定義的可能。可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的高速采集（大于1kHz）、最大的數(shù)據(jù)吞吐率及訪問的靈活性，提高I/O模塊的工作性能。

系統(tǒng)的軟件開發(fā)分為上位機(jī)和下位機(jī)兩部分，F(xiàn)PGA和RT均集成在CompactRIO中，通常稱為下位機(jī)。基于NI公司的LabVIEW開發(fā)平臺，整個軟件可分成三部分，分別是FPGA.vi、RT.vi和Host.vi。其中，F(xiàn)PGA.vi模塊主要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集功能；RT.vi 模塊主要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的讀取、預(yù)處理和發(fā)送；Host.vi模塊主要實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互功能，如顯示數(shù)據(jù)、發(fā)送命令、管理數(shù)據(jù)等。

3.1 FPGA主程序

FPGA.vi主程序由上位機(jī)LabVIEW FPGA模塊開發(fā)，用FPGA Compile Worker編譯生成比特位文件并通過以太網(wǎng)部署到FPGA機(jī)箱中，按照配置的采集速率實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集并將數(shù)據(jù)送到顯示控件或存放在DMA FIFO緩沖區(qū)，主要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集功能。

FPGA的開發(fā)為包含初始化、數(shù)據(jù)采集和結(jié)束三部分的一個順序平鋪結(jié)構(gòu)，每部分為一幀。第一幀便是初始化FPGA及各個模塊的采樣率和I/O的設(shè)置，如圖3所示。第二幀為各模塊獨(dú)立的while循環(huán)，各模塊并行采集互不干擾。循環(huán)內(nèi)部讀取各模塊的I/O節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)并捆綁寫入DMA FIFO緩存或顯示控件，如圖4所示。其中，除了NI 9205模塊采用DMA FIFO與RT端進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸外，其他模塊（如NI 9213、NI 9217、NI 9375、NI 9425、NI 9401）均采用讀寫控件的方式向RT傳送數(shù)據(jù)。另外，本系統(tǒng)中采集轉(zhuǎn)速，所采用的方法是周期測量法，讀取每一路脈沖單周期內(nèi)的FPGA時鐘個數(shù)，F(xiàn)PGA的40MHz的時鐘進(jìn)一步提高了測試精度，如圖4-e所示。

3.2 RT主程序

RT.vi主程序由上位機(jī)LabVIEW Real-Time開發(fā)并部署到實(shí)時控制器中運(yùn)行，定時讀取顯示控件的數(shù)值或取出DMA FIFO緩沖區(qū)中數(shù)據(jù)，稍作處理后通過以太網(wǎng)總線發(fā)送到上位機(jī)，主要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的讀取、預(yù)處理和發(fā)送。

RT主程序需要駕馭整個測試系統(tǒng)的核心——CompactRIO控制器，同時保證與上位機(jī)Host.vi和FPGA.vi兩部分的通訊，完成指令和數(shù)據(jù)的輸送。本文采用模塊化編程思想[3]將RT主程序按功能劃分為數(shù)據(jù)采集和網(wǎng)絡(luò)通信兩個模塊，上位機(jī)通過網(wǎng)絡(luò)通信模塊將指令（如Start、Stop等）送到數(shù)據(jù)采集模塊實(shí)現(xiàn)RT的控制及FPGA的調(diào)度，如圖5-a所示；FPGA.vi采集的數(shù)據(jù)則通過采集模塊將數(shù)據(jù)送到網(wǎng)絡(luò)通信模塊進(jìn)而送至上位機(jī)，如圖5-b所示。

實(shí)時控制器與上位PC機(jī)之間可以通過不同的方式進(jìn)行通信，不同的通信方式具有各自的優(yōu)缺點(diǎn)，常見的通信方式有：網(wǎng)絡(luò)共享變量、TCP/ IP、網(wǎng)絡(luò)流/隊(duì)列等，共享變量傳輸數(shù)據(jù)較慢[4]，相對來說，TCP具有非常好的靈活性，而且是標(biāo)準(zhǔn)的協(xié)議，可以與別的語言（C語言）進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通訊，較僅限NI協(xié)議的共享變量更易于開發(fā)拓展，故這里采用TCP隊(duì)列技術(shù)，上位機(jī)通過TCP/IP協(xié)議將控制命令下達(dá)至下位機(jī)開始采集，將采集到的數(shù)據(jù)寫入隊(duì)列中，再次利用TCP協(xié)議將數(shù)據(jù)上傳。

3.3 Host主程序

本文Host.vi主程序正是由虛擬儀器LabVIEW開發(fā)，運(yùn)行于上位機(jī)中，通過以太網(wǎng)發(fā)送指令、接收數(shù)據(jù)，PC機(jī)處理數(shù)據(jù)、顯示數(shù)據(jù)，如圖6所示。

4實(shí)驗(yàn)及結(jié)果

為了驗(yàn)證該測試系統(tǒng)的準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性等功能，在實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的條件下，用J型熱電偶采集溫度可控焊臺的溫度、用PT100采集室溫、用三節(jié)7號電池分別作模擬量的三路信號源、用安捷倫DG1002U信號源模擬兩路霍爾傳感器的脈沖型號，經(jīng)過多次試驗(yàn)，采集大量的數(shù)據(jù)，分別用TDMS查看器和Excel打開TDMS文件看到測試結(jié)果如圖7 所示，5個傳感器的數(shù)據(jù)分別存儲在5個通道組中，每個通道組中通道的個數(shù)由圖7-b可看出。通過分析，完全接近理論值，同時該實(shí)驗(yàn)過程操作方便、簡潔、畫面直觀，為研究提供了大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

5結(jié)語

本文通過對NI公司的CRIO控制器和若干C系列I/O模塊的集成，經(jīng)過虛擬儀器LabVIEW的開發(fā)，研制出一套便攜式數(shù)據(jù)采集測試系統(tǒng)。試驗(yàn)表明，該裝置能多線程同時采集并實(shí)時顯示5種傳感器輸出的數(shù)據(jù)，并可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲、回放及分析等功能。LabVIEW軟件的圖形化特性使得此測試系統(tǒng)具有友好的交互界面[5]，大大簡化了復(fù)雜系統(tǒng)的測量，同時，由于CRIO系統(tǒng)結(jié)構(gòu)堅(jiān)固、靈活便攜且易于功能擴(kuò)展，并具有離線數(shù)據(jù)采集記錄功能，可以根據(jù)被測對象的實(shí)際情況，安裝在適當(dāng)?shù)奈恢茫畲笙薅鹊貪M足用戶現(xiàn)場測試的要求

參考文獻(xiàn)

[1] 張楓，孫壯.多通道數(shù)據(jù)采集測試系統(tǒng)的研究[J].價值工程，2010.（18）：214-215.

[2] 劉蒼，王建業(yè)，張景偉.基于ARM的便攜式數(shù)據(jù)采集存儲系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].儀表技術(shù)與傳感器，2013.（8）：89-92.

[3] 李振，李一波.航空發(fā)動機(jī)地面便攜式測試儀開發(fā)[D].沈陽航空航天大學(xué)，2012.10： 39-40.

[4] 王樹東，何明，王煥宇.基于LabVIEW的數(shù)據(jù)采集和存儲系統(tǒng)[J].電氣自動化，2015.37（1）：99-101.

[5] 費(fèi)莉，王博，劉述喜.基于 LabVIEW 的數(shù)據(jù)采集及測試系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].重慶理工大學(xué)學(xué)報，2012. 26（10）：38-41.