基于虛擬儀器的數(shù)據(jù)采集與分析系統(tǒng)研究與設(shè)計

王喜

摘 要： 虛擬儀器為測量工作的發(fā)展開拓了新的方向。基于此，本文分別從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計、接口總線設(shè)計兩方面，分析基于虛擬儀器的數(shù)據(jù)采集與分析系統(tǒng)的總線設(shè)計，并從硬件設(shè)計、軟件設(shè)計兩方面，闡述數(shù)據(jù)采集與分析系統(tǒng)的詳細設(shè)計流程，以期為虛擬儀器與數(shù)據(jù)采集、處理工作的融合奠定理論基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞： 虛擬儀器；數(shù)據(jù)采集與分析系統(tǒng)；信號發(fā)生器

前言：傳統(tǒng)測量工具的功能及使用要求限制了信號分析工作的發(fā)展。在鐵路信號分析中，傳統(tǒng)分析模式多借助磁帶記錄儀采集軌道電路信號，利用頻譜分析儀開展信號分析工作，整個分析過程耗時較長。為了提高數(shù)據(jù)采集與分析效率，可將虛擬儀器引入數(shù)據(jù)采集及分析工作中。因此，分析基于虛擬儀器的數(shù)據(jù)采集與分析系統(tǒng)設(shè)計具有一定的現(xiàn)實意義。

一、基于虛擬儀器的數(shù)據(jù)采集與分析系統(tǒng)的總體設(shè)計

這里主要從以下幾方面入手，對基于虛擬儀器的數(shù)據(jù)采集與分析系統(tǒng)的總體設(shè)計進行分析和研究：

（一）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計方面

為了確保基于虛擬儀器的數(shù)據(jù)采集與分析系統(tǒng)具備良好的功能，在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計中，將其設(shè)計成由軟件部分、硬件部分組成。其中，軟件部分包含顯示存儲模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、分析處理模塊3部分，顯示存儲模塊主要負責(zé)頻域波形、信號時域等信息的顯示及存儲；數(shù)據(jù)采集模塊以數(shù)據(jù)采集卡為工具，完成被測信號的采集工作；分析處理模塊則主要負責(zé)完成FFT變換等分析工作。

數(shù)據(jù)采集與分析系統(tǒng)的硬件部分則由信號發(fā)生器、數(shù)據(jù)采集卡、計算機以及數(shù)字I/O構(gòu)成。上述硬件功能各異，相互配合，協(xié)同保障系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集功能與分析功能的有效性。

（二）接口總線設(shè)計方面

接口總線是保障基于虛擬儀器的系統(tǒng)采集與分析系統(tǒng)正常運行的關(guān)鍵。作為系統(tǒng)的基本組成，接口總線可為系統(tǒng)內(nèi)部各模塊間的數(shù)據(jù)傳輸、分析提供通道。目前常用的總線主要包含VXI總線、USB總線、OCI總線等。參照基于虛擬儀器的數(shù)據(jù)采集與分析系統(tǒng)的應(yīng)用要求進行分析，在系統(tǒng)設(shè)計過程中，應(yīng)合理控制系統(tǒng)的成本，并確保系統(tǒng)具有良好的實用性功能。從接口總線的峰值傳輸速度來看，32位PCI總線的峰值傳輸速度為132Mbps，而64位PCI總線的峰值傳輸速度為512Mbps，與同為32位的VXI總線峰值傳輸速度40/80Mbps相比，PCI總線的峰值傳輸速度可更好地滿足虛擬儀器系統(tǒng)的應(yīng)用要求。從成本角度來講，PCI總線的成本較低，遠低于PXI總線及VXI總線的價格。因此，PCI總線可作為基于虛擬儀器的數(shù)據(jù)采集與分析系統(tǒng)接口設(shè)計的首選。

二、基于虛擬儀器的數(shù)據(jù)采集與分析系統(tǒng)的硬件、軟件設(shè)計

基于虛擬儀器的數(shù)據(jù)采集與分析系統(tǒng)的硬件、軟件設(shè)計主要包含以下幾個部分：

（一）硬件設(shè)計

基于虛擬儀器的數(shù)據(jù)采集與分析系統(tǒng)硬件設(shè)計主要包含信號發(fā)生器、數(shù)字I/O卡、數(shù)據(jù)采集卡等內(nèi)容。

其中，信號發(fā)生器的功能以為被測設(shè)備提供標準信號為主。本研究選用函數(shù)信號發(fā)生器作為信號源，利用該硬件的多波形產(chǎn)生功能（鋸齒波、正弦波等）確保數(shù)據(jù)的正常傳輸[1]。

采用NI PCI-6503型號數(shù)字I/O卡作為虛擬儀器系統(tǒng)的硬件之一。該數(shù)字I/O卡的優(yōu)勢在于：第一，具有即插即用功能，無需系統(tǒng)外置板卡管理器；第二，可以24位PPI獲得24路數(shù)字I/O通道，進而保證基于虛擬儀器的數(shù)據(jù)采集與分析系統(tǒng)的傳輸質(zhì)量。NI PCI-6503的硬件組成主要包含I/O Conncctor、I/O Channel Interface Circuitry等。

數(shù)據(jù)采集卡作為一種實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集功能的重要工具，其可利用以太網(wǎng)、1394等網(wǎng)絡(luò)與計算機之間實現(xiàn)接入。在基于虛擬儀器的數(shù)據(jù)采集與分析系統(tǒng)設(shè)計中，可選用NI PCI 6220采集卡，該采集卡的硬件主要由校正電路、模擬輸入多路選擇電路、D/A轉(zhuǎn)換電路等構(gòu)成。在系統(tǒng)運行過程中，該數(shù)據(jù)采集卡可實現(xiàn)8路數(shù)字輸出及輸入。

（二）軟件設(shè)計

為了確保軟件設(shè)計質(zhì)量符合基于虛擬儀器的數(shù)據(jù)采集與分析系統(tǒng)的應(yīng)用要求，應(yīng)注重軟件開發(fā)平臺的選擇。LabVIEW、HPVEE等常用軟件開發(fā)平臺在開發(fā)便捷性、功能類型方面各具優(yōu)勢。因此，在軟件開發(fā)過程中，應(yīng)結(jié)合開發(fā)需求，選用適宜開發(fā)平臺，以提高軟件開發(fā)效率。

本研究選用LabVIEW作為軟件開發(fā)平臺，并將系統(tǒng)的軟件層次劃分為：第一：管理層：包含數(shù)據(jù)采集管理、數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)分析處理4個部分；第二，虛擬儀器模塊，該模塊僅由虛擬儀器構(gòu)成；第三，儀器驅(qū)動；第四，接口驅(qū)動，該部分由DAQ驅(qū)動構(gòu)成；第五，采集部分硬件，該部分由各類采集硬件構(gòu)成。

具體而言，將基于虛擬儀器的數(shù)據(jù)采集流程設(shè)計為：事先設(shè)定軟件緩存、通道及設(shè)備號，設(shè)備采樣所需參數(shù)，啟動采集卡進行采集，讀取采集數(shù)據(jù)，讀完全部采集數(shù)據(jù)后完成整個采集環(huán)節(jié)，以備數(shù)據(jù)分析處理模塊使用。

數(shù)據(jù)分析與處理模塊的關(guān)鍵在于FFT算法。在軟件設(shè)計過程中，需事先做好系統(tǒng)的計算流程。根據(jù)虛擬儀器系統(tǒng)的應(yīng)用經(jīng)驗，為了避免系統(tǒng)計算過程中頻繁出現(xiàn)截斷誤差，可于數(shù)據(jù)分析與處理模塊的軟件設(shè)計中引入無限延長采用周期法[2]。

在運用LabVIEW開展數(shù)據(jù)存儲與顯示模塊設(shè)計時，可借助LabVIEW的基礎(chǔ)功能及ActiveX控件等完成頻域波形及頻譜測量的整合分析、處理模塊生成結(jié)果向Access數(shù)據(jù)庫的導(dǎo)入。

結(jié)論：綜上所述，基于虛擬儀器的數(shù)據(jù)采集與分析系統(tǒng)可為實踐數(shù)據(jù)采集工作、數(shù)據(jù)分析工作提供諸多便捷。為了保障數(shù)據(jù)采集與分析系統(tǒng)的設(shè)計質(zhì)量，可結(jié)合系統(tǒng)應(yīng)用要求，做好系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計及接口總線設(shè)計工作，并以上述設(shè)計為基礎(chǔ)，細化展開系統(tǒng)的硬件設(shè)計與軟件設(shè)計，促進虛擬儀器在測量測試領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。

參考文獻

[1]黃曉飛. 基于LabVIEW的發(fā)動機數(shù)據(jù)采集與顯示系統(tǒng)研究與開發(fā)[D].天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)，2017.

[2]黃嘉智. 基于LabVIEW的高速數(shù)據(jù)采集及管理系統(tǒng)設(shè)計[D].北京理工大學(xué)，2016.

[3]文夢林. 基于虛擬儀器技術(shù)內(nèi)燃機數(shù)據(jù)采集與分析系統(tǒng)設(shè)計[D].南昌大學(xué)，2013.