基于虛擬儀器技術(shù)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)分析

高壽斌

（恩施職業(yè)技術(shù)學(xué)院湖北恩施445000）

當前我們所處的時代背景下，計算機技術(shù)得到了迅速發(fā)展，自動測試技術(shù)也隨即發(fā)生了相應(yīng)的變化。多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)作為自動測試系統(tǒng)當中的重要構(gòu)成部分也發(fā)生了顯著的變化[1-2]。以Lab VIEW（虛擬儀器技術(shù)）為基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)采集測試系統(tǒng)由于具備編程環(huán)境簡單、精度高和模塊小、處理數(shù)據(jù)能力強等優(yōu)點等得到了廣泛應(yīng)用[3]。傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包含PC機與單片機，存在數(shù)據(jù)采集效率低，開發(fā)難度大等問題，而以PC數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)為基礎(chǔ)的方法只需要使用一種編程語言和采集卡就能夠在Windows操作系統(tǒng)下開展相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集與處理及存儲等[4]。在此基礎(chǔ)上采用Lab VIEW完成編程工作，使數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的實用性和簡便性都得到提高。

1 整體設(shè)計

1.1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

數(shù)據(jù)采集需要將接受測試的對象其中包含的各種參量借助于傳感器件轉(zhuǎn)換之后，再對信號進行調(diào)理、量化、編碼以及傳輸?shù)?，在將信息送到控制器之后需要對?shù)據(jù)進行處理或者將數(shù)據(jù)進行存儲。一般由計算機來承擔(dān)控制器的功能，微處理器或者計算機在整個數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)當中屬于核心位置，可以對整個系統(tǒng)來進行控制，并且還需要對需要采集的數(shù)據(jù)進行處理[5-6]。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)即DAS系統(tǒng)，屬于采集數(shù)據(jù)的成套設(shè)備，需要在計算機的控制下來完成相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集和信息處理任務(wù)，其中需要使用到用于完成數(shù)據(jù)采集以及控制任務(wù)的板卡產(chǎn)品，分為外掛和內(nèi)插兩種方式。外掛DAQ板卡一般包含并口板卡、USB以及RS系列等，使用起來更方便但是速度明顯比較低[7]。內(nèi)插板卡則是各種總線板卡，以ISA為基礎(chǔ)[8]。

1.2 設(shè)計方案

圖1為本次設(shè)計的以虛擬儀器技術(shù)為基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)整體流程圖，具體如下所示：

圖1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)整體設(shè)計示意圖

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計方法

2.1 硬件結(jié)構(gòu)

在本次所設(shè)計的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)當中采用了不同形式的硬件。其中硬件驅(qū)動程序需要采用軟件設(shè)計的方式來對硬件進行編程接口，其中包含對硬件的操作命令設(shè)計等，同時還需要完成硬件與軟件之間的數(shù)據(jù)傳遞，此環(huán)節(jié)一般為生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集相關(guān)硬件的企業(yè)所提供。

本次研究所采用的硬件為模塊化硬件驅(qū)動程序，可以使Lab VIEW編程工作量得到大大的降低，使開發(fā)效率提升，開發(fā)成本降低。在用戶接口當中，用戶能夠結(jié)合自身的實際需求對硬件開展專門的設(shè)置和測試。在實際進行數(shù)據(jù)采集的過程中需要按照automation Explore已有的設(shè)置來完成[9]。

2.2 選擇合適的數(shù)據(jù)采集卡驅(qū)動方式

上文已經(jīng)對于DAQ不同形式設(shè)備的優(yōu)劣點進行簡要分析。綜合考量，本次研究選擇了插入式DAQ插入式設(shè)備，主要是因為在具體應(yīng)用時需要同時考慮到更新速率以及PC內(nèi)存?zhèn)鬏斔俾实碾p重限制。本次應(yīng)用的插入式DAQ產(chǎn)品為NIPCI-6221M型號，主要是因為該系列的插入式DAQ產(chǎn)品精度與速度都高，產(chǎn)品價位低于同類性能產(chǎn)品。其中包含16路，因此模擬輸入也為16位，I/O線總數(shù)為24條，編碼器支持2個計數(shù)器，32位，80 MHz。圖2為該系列DAQ產(chǎn)品組件示意圖：

圖2 NIPCI-6221M系列采集卡工作原理圖

這一系列的DAQ設(shè)備所采用的技術(shù)為定時控制技術(shù)，系統(tǒng)為NI-STC2系統(tǒng)，使周期測量的精度以及脈沖寬度都得到提升，而且所形成的脈沖序列信號也更高速[10-11]。在實際應(yīng)用這一設(shè)備時，輸入信號需要采用定時器或者是計數(shù)器通路上的輸入過濾器來采集的，模擬輸入輸出則需要通過RTSI總線實現(xiàn)。

3 軟件系統(tǒng)設(shè)計方法

3.1 設(shè)計程序

本次所設(shè)計的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是基于虛擬儀器技術(shù)，即基于Lab VIEW技術(shù)，而這一技術(shù)則是以圖形編譯語言虛擬開發(fā)軟件為平臺，具備數(shù)據(jù)的采集、分析以及信號處理和輸入輸出等相關(guān)控制功能[12-14]。本次選擇這技術(shù)主要是因為這一基礎(chǔ)開發(fā)速度更快，對于初學(xué)者應(yīng)用難度較小。虛擬儀器技術(shù)包含前后面板兩個窗口，其中前面板主要是用于對對象的顯示以及放置相關(guān)的控件，而后面板則是用來采用圖形化的方式實現(xiàn)源代碼的編寫。本系統(tǒng)的前面板中包含了數(shù)據(jù)采集、綠波、回放等與參數(shù)設(shè)計相關(guān)的功能。圖3為本次設(shè)計的程序流程示意圖。

圖3 程序設(shè)計流程圖

3.2 分析與處理信號

在實際采用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集信號的過程中，雖然經(jīng)過了信號處理，但是仍然存在畸波。本次需要從信號當中提取有用的信號，所以需要在分析信號之前處理采集到的信號。結(jié)果顯示，在加上了濾波器之后的濾波效果發(fā)生十分顯著的改善，延時時間也變得更長，在對時間嚴格要求的背景下，這種情況使不允許出現(xiàn)的。在處理采集到的信號時必須要對濾波器進行更好的控制，即需要對其上限截止頻率進行更好的控制，這樣在接受濾波之后波形的變化也將會變得更加緩慢，在對時間要求不是特別嚴格的情況下其影響不大。本系統(tǒng)設(shè)計對于時間的要求相對嚴格，所以對于濾波器的上下限截止頻率要求都很高。在虛擬儀器技術(shù)條件下，本次研究所有涉及到的公式需要使用C語言來編程完成。并在此基礎(chǔ)上，使用濾波器，將濾波器的參數(shù)設(shè)置在合理范圍之內(nèi)。本次研究所選擇的濾波器為巴特沃斯型號，所設(shè)計的上限截止頻率設(shè)置控制在0.45 Hz左右，而下限截止頻率則是控制在0.2 Hz左右，濾波階次所設(shè)置的為3。圖4為使用濾波器之后波形的變化情況。

圖4 使用濾波器后波形變化

3.3 測試信號模塊設(shè)計

測試信號模塊主要是用來對信號自身的有效值以及采樣頻率進行專門的測試[15]，對信號參數(shù)進行實時了解，并且判斷信號是否處于正常范圍之內(nèi)。在本次設(shè)計當中所設(shè)計的信號模塊在報警裝置方面給予革新，將這一模塊的設(shè)置重點也放在了這一方面。在實際使用的過程中如果發(fā)現(xiàn)測試的信號超過了一定范圍就會報警，對于異常信號進行及時的處理。圖5為通信信號測試結(jié)果示意圖。

3.4 存儲及回現(xiàn)信號設(shè)計

圖5 通信信號測試結(jié)果示意圖

信號在測試之后需要對合格的數(shù)據(jù)進行存儲和回現(xiàn)[16]。因此完善的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計過程中還需要對存儲和回現(xiàn)信號的相關(guān)模塊展開設(shè)計，將本次采集到的數(shù)據(jù)信號存儲起來便于今后能夠?qū)崟r的進行查閱和參考。本次基于虛擬儀器技術(shù)所設(shè)計的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)當中，所采用的是Lab VIEW7.1軟件，該軟件當中自帶了存儲模塊設(shè)計存儲程序。設(shè)計的程序存儲文件的格式包含HTML格式或者是Excel格式等。信號的回放是為了在采集與分析工序完成之后，可以對數(shù)據(jù)進行隨時的重新觀察。本次系統(tǒng)設(shè)計過程中就考慮到了數(shù)據(jù)的回放功能，在用戶已經(jīng)保存了數(shù)據(jù)之后，可以選擇回放功能，這樣就能夠?qū)^去的整個數(shù)據(jù)采集和分析過程進行一個動態(tài)的回放過程。圖6為回放操作模塊：

圖6 回放操作模塊

4 具體應(yīng)用結(jié)果

當前我們所生活的是一個信息化時代，尤其是近幾年網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的迅猛發(fā)展，使得信息數(shù)據(jù)呈現(xiàn)出爆炸式增長，信息化時代也出現(xiàn)了新的特征，物聯(lián)網(wǎng)、云計算和大數(shù)據(jù)成為了三大典型產(chǎn)物。其中的大數(shù)據(jù)則為人們帶來便利的同時，使人們搜索信息的范圍變得越來越寬廣。對于公司而言急需要在眾多海量的信息當中快速采集有效的信息。因此本次所設(shè)計的系統(tǒng)則較好的滿足了不少公司在數(shù)據(jù)采集昂面的需求，同時對于系統(tǒng)需要的服務(wù)以及相關(guān)管理部分的需求，在具體使用的過程中，該系統(tǒng)的整體應(yīng)用情況比較客觀。操作起來簡單方便，實用價值較高。從系統(tǒng)的整體開發(fā)統(tǒng)計來看，結(jié)果顯示系統(tǒng)的開發(fā)率提升29.7%，開發(fā)成本成本節(jié)約率提高32.0%。表1為應(yīng)用前后該企業(yè)的各項情況變化結(jié)果：

表1 應(yīng)用數(shù)據(jù)整合系統(tǒng)平臺前后企業(yè)變化情況

根據(jù)以上結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)經(jīng)過對本次所設(shè)計的系統(tǒng)的應(yīng)用，企業(yè)的系統(tǒng)開發(fā)成本和企業(yè)經(jīng)濟效益均發(fā)生較為顯著的變化，尤其是在減少了企業(yè)日常維護的費用以及額外的資金投入，也使得企業(yè)的信息化建設(shè)進程不斷加快，提高資源的整合率。

5 結(jié)束語

我們現(xiàn)在所處的信息化時代要求必須要提高從海量數(shù)據(jù)當中搜索和查找有用信息的效率。而數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)則是借助于先進的計算機技術(shù)，依托于電子技術(shù)平臺，來提高采集信息的效率。本文主要對基于虛擬儀器技術(shù)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計步驟及方法進行分析，并結(jié)合其在實際應(yīng)用中的效果進行驗證。研究結(jié)果顯示，此種技術(shù)所構(gòu)建起的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)作用顯著，可以在更大的范圍內(nèi)推廣應(yīng)用。