穩態信號采集與處理系統設計與實現

肖 韻

穩態信號采集與數據處理系統（簡稱采集系統）是高速自由射流試驗設備的重要組成部分，是風洞試驗產品的出口，主要完成測力天平、標準參數、風洞壓力、溫度等信號的采集和試驗數據的事后計算處理。本文設計的采集系統采用功能單元進行組建，基于虛擬儀器技術，采集來自天平、特種力傳感器、壓力傳感器/變送器、溫度傳感器/變送器等輸送過來的橋路應變信號和電壓信號，并將采集得到的數據進行計算處理，體積小，集成度高，使用方便。

1 系統總體架構

圖1 穩態信號采集與數據處理總體架構圖

1.1 工作原理

穩態信號采集與數據處理系統基于NI LabVIEW2015 開發平臺，以PXI 控制器為“中樞心臟”，向標準儀器、信號調理單元發送控制信號，接收儀器及信號調理單元發回的信息，做出判斷后，將采集到的數據通過反射內存卡送給數據處理計算機進行計算，處理。同時PXI 控制器與核心PXI 控制系統之間通過反射內存卡共享數據。

圖2 穩態信號采集與數據處理系統組成原理圖

1.2 系統組成

采集單元為整個測試系統的核心部分，主要包括數據采集計算機、PXI 機箱及控制器、反射內存卡、數據采集卡、專用光纖、端子盒、線纜等構成等，完成整個測試系統的控制、通信、采集等重要工作。此單元采用美國NI 公司生產的PXI 數據采集卡來實現信號采集。NI 采集卡具備定時精確、精確的定時、觸發和模塊間同步功能，精度高、可靠性強的優點。

標準儀器包括精密萬用表34401A 和函數發生器33220A，兩臺儀器與信號調理箱，數據采集卡配合，完成零點、增益等關鍵參數的校準，完成測量系統綜合精度的計算核準。信號調理單元共配置有32路串行測量通道，可將輸入的32路信號進行放大、濾波，并配置有使用標準儀器進行校準用的信號通道。數據處理單元由研華的工控機、西門子的數據交換機構成，置于測控間，用于試驗過程中部分壓力、溫度數據、天平載荷的實時計算顯示，也包括試驗完成后的計算參數設定與修改、氣動數據計算、曲線繪制、數據批處理、原始數據及計算結果的保存與上傳等功能。

2 系統軟件設計

軟件設計包括數據采集和信號分析處理兩部分功能，試驗完成后對采集得到數據進行的分析、計算，最終得到試驗結果。軟件設計時避免出現內存溢出、程序死機等重大錯誤，輸入錯誤時有報錯提示。

2.1 開發環境

1）操作系統：Windows XP/Win 7；

2）開發工具：NI LabVIEW2015、NI Measurement Studio。

2.2 軟件功能

圖3 軟件功能圖

1）模塊初始化。軟件啟動后自動連接和初始化模塊，并對故障模塊可自動識別，顯示初始化結果。

2）參數設置。完成對數采模塊的觸發條件、采樣率、延遲長度、每通道貯存深度等參數的設置，設置好的參數可保存和回調，并可設為默認配置文件，在軟件啟動后自動加載配置。

3）數據采集。實現數采模塊的觸發采集和采集數據的自動存儲。數據采集過程中直觀顯示模塊采集狀態；數據存儲時，每個數采通道的采樣數據形成一個數據文件。

圖4 數據采集流程

4）圖形顯示。為了直觀的觀察試驗數據，以波形的形式顯示采集數據。可以將一個窗口分為兩個不同時基的波形區域，每個波形區域可以顯示多條波形。可以在波形區域內通過游標對波形任意兩個特征點進行數據讀取和測量。

5）數據處理與分析。實現數據處理以及專用數據分析。采集的數據存儲在磁盤上，能事后（或脫機）回放，選擇數據文件，以波形形式顯示回放數據，重新演示測試試驗狀態和試驗參數。在數據回放的基礎上，實現加窗濾波、波形平滑等通用數據處理。

3 系統校準設計

穩態信號采集與數據處理系統在測試前，需要使用精密萬用表、函數發生器完成采集單元和信號調理器的零點、增益等關鍵參數的校準，完成測量系統綜合精度的計算核準。

1）首先，如圖連接；

圖5 系統校準連接圖

2）設置函數發生器輸出一組電壓X1～X100（在范圍：±100mV ～±10V 內任意輸出10 個），使用數據采集卡實測Y1～Y100；

3）構造一元線性回歸模型：

Yi=aX+b+εiQi～N（0，2σ），且相互獨立；i=1，2，3…，n；

為待定系數a，b，用線性最小二乘法，即令

由此化簡可得方程組：

4）可計算得到a，b 值，即完成零點、增益的校準。

4 結束語

本采集系統基于虛擬儀器技術，采用功能單元進行組建的采集系統，體積小，集成度高，使用方便。現已研制成功，并正式投入使用。