基于LabVIEW和PCI-5124的數據采集系統設計

摘要：設計一種基于虛擬儀器LabVIEW和高速數字化儀NI PCI-5124的高采樣率、長時間的數據采集分析實驗系統。該系統可實現20 MHz甚至更高采樣率以及數據信號長時間的實時采集，并具有實時存儲、回放、信號分析、報表打印功能。實驗表明：該系統具有程序設計簡單、通用性好、可移植性高、界面設計簡單大方、易于操作等優點。
關鍵詞：數字化儀；數據采集；虛擬儀器；LabVIEW

??? 傳統數據采集系統一般由單片機與硬件采集電路或數據采集卡配置計算機組成。這種數據采集系統存在開發難度大、可移植性差、數據采集效率低、實時存儲容量小等缺點。其存儲容量取決于數據采集卡的板載內存的大小，一般只有8 MB或12 MB，而現代工程運用中的數據采集系統需具有很高的采樣速率，完成海量數據的實時存儲。針對傳統數據采集系統存在的不足，這里采用虛擬儀器(LabVIEW)和高速數字化儀NI PCI-5124設計一種可以長時間連續采集、實時存儲的數據采集系統。
??? 本系統只使用PC機、數據采集卡以及編程語言即可在Windows操作系統下實現對數據的采集、存儲、處理，開發成本低，通訊能力強，易于使用。系統改善了傳統數據采集系統的存儲量小、采集效率低等缺點，可實現信號的長時間實時采集、存儲、回放、分析、報表打印等功能。

1 系統硬件設備簡介
??? 該系統硬件設計結構原理框圖如圖l所示。

??? 系統硬件設計主要包括PC控制機和高速數據采集卡。由于許多插入式的數據采集DAQ(Data Acquisition)設備采集數據不僅受到采樣速率的限制，而且受到板載內存和數據到PC機內存的傳輸速率的限制。
??? 針對以上問題，本設計選用插入式DAQ產品中價位低、速率快、精度高的高速數字化儀NI PCI-5124。它可以直接插入計算機的PC捕槽，即插即用使用方便，具有200 MS／s的實時采樣至4．0 GS／s的等效時段采樣；標準8～256 MB大容量板載內存；基于PCI總線的12位分辨率的雙同步采樣通道；使用新技術實現在2個150 MHz帶寬的、帶有去噪和抗混疊濾波器的輸入信道中同步采樣；高達75 dBc的無寄生動態范圍SFDR(Spufious-Free Dynamic Range)；基于NI同步和存儲核心SMC (Synchronization and Memory Core)構架，具備每通道512 MB板載內存、快速數據傳輸和緊密的同步功能。工程師們可以在幾十皮秒(ps)內同步基于SMC的模塊化儀器，主要有邊緣、視窗、滯環、視頻和數字等觸發方式，主要用于高通道和混合信號應用。
??? 專用數據采集長的驅動方式分為外掛式驅動和內置式驅動兩種。對于NI公司生產的各種專用數據采集卡，可使用LabVIEW內的DAQ庫直接對端口進行各種操作，即內置式驅動。NI數據采集卡提供對LabVIEW豐富且完備的支持，驅動函數在底層的基礎函數上進行高度封裝，用戶無需深入了解采集卡的具體工作，只要掌握驅動函數輸入／輸出端口的意義，就能進行數據采集開發。因此用戶使用NI PCI-5124時，只需將所需接口從程序中直接調用至系統開發環境中，即可實現采集、存儲以及回放等功能。

2 數據采集系統設計
2．1 程序設計
??? LabVIEW是一種基于圖形語言編程的可視化軟件開發平臺，與VC、VB等其他可視化編程語言相比，其函數庫豐富、調試方便，而且開發界面簡單，界面風格與傳統儀器相似。LabVIEW是一個外觀和操作均能模仿實際儀器的程序開發環境，類似于C、BASIC等編程語言。但LabVIEW的特點在于使用圖形化編程G語言在流程圖中創建源程序，而非使用基于文本的語言產生源程序代碼。與傳統C、C++等編程語言不同，LabVI-EW采用強大的圖形化語言編程，面向測試工程師而非專業程序員，編程方便，人機交互界面直觀友好，具有強大的數據可視化分析和儀器控制能力。
??? 本實驗系統主要由數據采集、存儲和數據處理等部分組成。其中數據采集包括采集設置和數據采集波形顯示；數據處理包括信號時頻域參量測量、信噪比測量以及報表打印等。系統工作流程如圖2所示。

??? 本系統基本工作過程是：肩動LabVIEW程序后，首先設置高速數據采集卡PCI-5124的通道、采樣模式、采樣頻率、觸發類型、觸發電平等，然后啟動采集，進行長時間連續的數據采集并利用流艋技術將采集到的信息實時存儲于計算機硬盤，由于采集到的信息量很大，因此對采集到的數據進行離線處理，以減輕計算機CPU負擔，提高數據處理速度。
2．2 數據采集模塊
??? 數據采集是從傳感器和其他待測設備等模擬和數字被測單元中自動采集各種參量(物理、化學、生物量等)信息的過程。數據采集操作的結果直接影響后續數據處理、分析，數據采集功能模塊利用NI-Scope函數進行數據采集，為了讓數據采集設備在后臺連續采集數據并送入緩存區，首先，初次安裝好NI PCI-5124數據采集卡和驅動程序以后，計算機將自動設置其I／O地址和中斷號，并分配內存資源，打通LabVIEW程序和底層驅動NI-Scope的通道。其次，在程序界面設置采樣頻率、采集通道、數據存儲方式并啟動程序實時采集。由于需要觸發某事件后(例如點擊“運行采集”按鈕)進行采集，本設計采用可編程掃描和當前軟件觸發采集模式：采集啟動后，下層NI-Scope驅動程序獨立控制硬件高速數字化儀PCI-5124進行數據采集，并將采集結果利用流盤存儲方式跳過采集卡的緩沖區直接讀取到應用軟件的計算機硬盤中，處理數據。數據采集波形如圖3所示，該模塊完成連續數據采集，實時顯示信號并刷新。

2．3 數據存儲回放模塊
??? 數據存儲功能模塊由文件的類型簇、數據文件存儲路徑、TDMS Dialog函數、open TDMS函數、write TDMS函數、close TDMS函數以及error函數組成，本程序中調用openTDMS函數打開TDMS文件，當運行至此時，數據會依據原先設置的存儲路徑和類型將數據持續寫入指定計算機文件中。由于本設計要存儲海量數據，因此采用基于流盤技術的存儲方式。流盤是一項在進行多次寫操作時保持文件打開的技術，即持續從或者向存儲器(Memory)中傳輸數據。存儲器可以是設備的板上緩存(Onboard Memory)、控制器上的RAM或計算機上的硬盤，本設計使用“文件I／O函數”設計合理的流盤存儲基本架構。
??? 回放是為了使用戶存實時采集存儲和數據分析測量結束后，還可以在需要時重新觀察和深入分析所采集的數據。數據回放功能程序運行至open TDMS函數時，將運行連接至open(只讀)，即可打開對應的數據存盤文件，采集到的波形數據按照帶索引的二進制TDMS文件形式存放于計算機硬盤中。在選擇波形回放時，后臺程序首先要確定波形數據中數組元素所對應的采樣時刻，當選擇同放按鈕時，給定的初始運行時間會與待同放的波形數據的第1個元素所對應的時刻進行比較，從而確定待回放數據的第1個數據元素的時刻，從此開始回放數據波形，直到用戶發出停止指令。整個文件完全是Windows系統文件，大大提高存儲和釋放的速率，加快數據處理速度，回放波形如圖4所示。

2．4 數據分析模塊
??? 數據分析主要包括測量信號參量、幅度相位譜和功率譜。時域分析是一種直接在時問域中對系統進行分析的方法，具有直觀、準確的優點，可以提供數據采集系統時間響應所需的全部信息。本系統主要是標定所采集信號的周期、平均值、周期均方根、有效值以及頻率等，實時了解信號各種參數。
??? 數據報表打印主要是將所采集信號的原始波形和回放波形以圖片格式傳遞至打印樣式子VI，并設置該子VI，使得程序需要打印時，就可通過調用該子VI打開前面板的采集波形和回放波形，顯示報表內容并進行打印預覽。

3 結論
??? 進行系統實驗測試時，使用主頻為1．8l GHz、處理器為64位，512 M內存的PC；采樣速率為20MByte／s的高速數字化儀PCI-5124，實現長達30 min的連續數據采集和海量數據存儲。利用虛擬儀器LabVIEW和高速數字化儀PCI-5124開發的長時間連續采集存儲系統完成了信號實時的采集、顯示、存儲以及對采集歷史數據進行回放的功能。
??? 與傳統數據采集儀器相比，該系統具有性價比高、開發時間短、通用性強、數據處理準確簡單、可移植性強(可以將VC、C、MATLAB等程序進行遞歸調用)、人性化界面設計、易于操作等優點，LabVIEW簡單的編寫語言和易于編寫的控制，控件，簡化了編程過程，用戶無需掌握數據采集卡的硬件知識，只需了解和掌握其驅動程序的功能，就能利用LabVIEW進行數據程序的開發和運用，這將成為未來數據采集發展的趨勢。