基于NI Scope實(shí)時(shí)數據采集系統設計

　　0 引 言

　　虛擬儀器的概念最早是由美國國家儀器公司(Na-tional Instrument)提出來(lái)的，經(jīng)過(guò)十幾年的發(fā)展，目前正沿著(zhù)總線(xiàn)與驅動(dòng)程序標準化、硬件、軟件模塊化、編程平臺圖像化和硬件模塊即插即用方向發(fā)展。隨著(zhù)計算機技術(shù)和網(wǎng)絡(luò )技術(shù)的飛速發(fā)展，虛擬儀器將在數據采集、自動(dòng)測試和測量?jì)x器領(lǐng)域得到廣泛應用，擬儀器技術(shù)十分符合國際上流行的“硬件軟件化”的發(fā)展趨勢，尤其是在高?？蒲泻凸I(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域中發(fā)展前景非常廣闊。

　　1 虛擬儀器概述

　　1.1 虛擬儀器簡(jiǎn)介

　　虛擬儀器核心技術(shù)思想是“軟件即是儀器”，在通用的集成硬件平臺上，結合高性能的模塊化硬件和高效靈活的軟件使本來(lái)需要硬件實(shí)現的技術(shù)軟件化。一般當標準化硬件平臺確定后，通過(guò)標準的儀器驅動(dòng)軟件可實(shí)現模塊化的硬件(如GPIB，VXI，DAQ板等)之間的通信、定時(shí)應用等需求;而靈活高效的開(kāi)發(fā)應用軟件能創(chuàng )建完全自定義的用戶(hù)界面和系統，實(shí)現傳統儀器中由硬件完成的儀器功能。虛擬儀器技術(shù)的優(yōu)勢在于儀器性能的改進(jìn)和功能擴展只需用戶(hù)選擇適合其應用要求的硬件模塊以及更新相關(guān)軟件程序設計，即可重新配置現有系統，增加程序可復用性，大大縮短整個(gè)系統開(kāi)發(fā)換代周期，降低成本，方便實(shí)現多種功能。

　　1.2 虛擬儀器構成

　　虛擬儀器一般由通用儀器硬件平臺和應用軟件組成，如圖1所示。

　　虛擬儀器硬件平臺主要有兩部分，分別是用于集成的硬件平臺和模塊化I/O接口設備。虛擬儀器的軟件部分包括應用軟件和I/O驅動(dòng)軟件兩部分，應用軟件包含實(shí)現虛擬面板功能的前面板的軟件程序和定義測試功能的流程圖軟件程序，如LabVIEW等;I/O接口儀器驅動(dòng)程序用來(lái)完成特定外部硬件設備的擴展、驅動(dòng)和通信，可以由虛擬儀器開(kāi)發(fā)環(huán)境提供。只有同時(shí)擁有高效的軟件、模塊化I/O硬件和用于集成的軟硬件平臺這三大組成部分，才能充分發(fā)揮虛擬儀器技術(shù)性能高、擴展性強、開(kāi)發(fā)時(shí)間少以及出色的集成這四大優(yōu)勢。

　　1.3 圖形化編程語(yǔ)言L(fǎng)abVIEW

　　LabVIEW(Laboratory Virtual Instrument Engi-neetring Workbench)是一種用圖標代替文本行創(chuàng )建應用程序的圖形化編程語(yǔ)言，采用數據流編程方式，程序框圖中節點(diǎn)之間的數據流向決定了程序的執行順序，用圖表表示函數，用連線(xiàn)表示數據流方向。LabVIEW程序稱(chēng)為虛擬儀器(Virtual Instrument，VI)程序。一個(gè)最基本的VI由前面板(Panel)、框圖程序(Diagram Program)和圖標/連接端口(Icon/Terminal)三部分組成。LabVIEW為虛擬儀器設計者提供了一個(gè)便捷、輕松的設計環(huán)境，不僅能輕松方便地完成與各種軟硬件的連接，還提供強大的后續數據處理能力，交互式的測量工具和更高層的系統管理軟件工具。LabVIEW能夠支持串行接口、GPIB，VXI，PXI等標準總線(xiàn)和多種數據采集板，以驅動(dòng)不同儀器公司的儀器，用戶(hù)可以高效、快速地編寫(xiě)出相應的應用程序，自行設計儀器驅動(dòng)程序，完成諸如數據采集、數據處理、數據顯示以及儀器控制和通信等多種功能。在較高性?xún)r(jià)比的條件下，降低系統開(kāi)發(fā)和維護費用，縮短技術(shù)更新周期。

　　2 系統結構設計

　　該系統使用NI公司PXI-1042Q機箱和NI PXI-5122高速數字化儀模塊組建數據采集硬件平臺。PXI(PCI Extensions for Instrumentation)，它的主要優(yōu)勢在于利用了已經(jīng)驗證的，符合工業(yè)標準的技術(shù)，在高速的Compact PCI總線(xiàn)基礎之上，加入類(lèi)似VXI所具有的定時(shí)、觸發(fā)和同步功能。PXI作為一種專(zhuān)為工業(yè)數據采集與自動(dòng)化應用高性能模塊化硬件平臺，具有開(kāi)放式架構，內有高端的定時(shí)和觸發(fā)總線(xiàn)，結合模塊化的I/O硬件和相應的測試測量開(kāi)發(fā)軟件，便可以較好地完成數據采集任務(wù)。

　　2.1 系統硬件部分

　　PXI-5122高速數字化儀是硬件部分的核心，可直接插入PXI-1042Q機箱插槽中，屬于內置式驅動(dòng)。通過(guò)LabVIEW嵌入的驅動(dòng)函數可配置其觸發(fā)方式，如即時(shí)觸發(fā)、軟件觸發(fā)、數字觸發(fā)等，還可配置采樣速率，采樣記錄長(cháng)度等。PXI-5122提供雙輸入通道，每個(gè)通道最高100 MS/s實(shí)時(shí)采樣率，分辨率14 b，采用交叉采樣方式的采樣率可提高到200 MS/s，帶有去噪和100 MHz抗混疊濾波器，具有動(dòng)態(tài)范圍大、板上采樣存儲器容量大等特點(diǎn)。這里配置為單通道即時(shí)觸發(fā)模式，以便實(shí)現實(shí)時(shí)的連續采樣。根據采樣定理，設置的最小采樣速率至少是被采樣信號頻率的兩倍。數據采集系統示意圖如圖2所示。

　　2.2 系統軟件部分

　　系統軟件部分主要由標準I/O模塊驅動(dòng)，采用隊列同步控制和數據顯示三大部分組成。系統程序流程圖如圖3所示。

　　首先通過(guò)NI，Scope示波器驅動(dòng)來(lái)完成PXI-5122的配置和初始化，將此部分放置到由單個(gè)while循環(huán)控制的獨立線(xiàn)程中便可以實(shí)現連續數據采集。被采集的數據被放人隊列中，隊列允許多個(gè)任務(wù)同時(shí)訪(fǎng)問(wèn)，其他獨立線(xiàn)程的模塊可同時(shí)并行地從中讀取數據，實(shí)時(shí)完成各自的功能，如數據存儲、數據顯示等。

　　2.2.1 I/O驅動(dòng)模塊

　　NI Scope示波器驅動(dòng)是NI公司提供的八類(lèi)可互換的虛擬儀器IVI(Interchangeable Virtual Instru-ment)規范驅動(dòng)之一，由于IVI規范驅動(dòng)是基于虛擬儀器軟件架構VISA(Virtual Instrunment Software Archi-tecture)，可以實(shí)現程序與硬件接口的不相關(guān)。此外，NI Scope提供了規范和標準API函數和DAQ驅動(dòng)程序庫，它將儀器的功能完整封裝，讓用戶(hù)更快更容易地開(kāi)發(fā)系統。成功安裝NI Scope示波器驅動(dòng)后，在Lab-VIEW程序框圖中，打開(kāi)“函數”菜單下，打開(kāi)“測量I/O”可以看到“NI Scope”工具包，選擇初始化、水平方向設置、豎直方向設置、通道設置、觸發(fā)方式設置等函數，自定義NI PXI-5122驅動(dòng)程序。該系統設置偏移量為零，即時(shí)觸發(fā)采樣模式，采樣記錄數值默認為1，采樣頻率和采樣記錄長(cháng)度由輸入控件控制，采樣的通道名稱(chēng)默認為“channel 0”，實(shí)現連續采樣。NI PXI-5122驅動(dòng)程序具體如圖4所示。

　　2.2.2 同步技術(shù)

　　系統各模塊分別由單個(gè)循環(huán)控制，并且各循環(huán)之間相互獨立，每一個(gè)循環(huán)都有一個(gè)獨立的線(xiàn)程獨自運行，構成了一個(gè)包含多個(gè)并行任務(wù)虛擬儀器系統。各個(gè)循環(huán)之間也有數據交流，相互關(guān)聯(lián)，為了實(shí)現在同一個(gè)程序中處理好各循環(huán)或并行任務(wù)之間的同步或通信，則需要使用同步控制技術(shù)。系統選用隊列(Queue)技術(shù)來(lái)控制這些循環(huán)可以避免對設備的訪(fǎng)問(wèn)沖突。

　　隊列結構是一種先進(jìn)先出的結構。隊列可以保證有序的數據傳遞，避免競爭或沖突。一般當多個(gè)用戶(hù)需要使用同一個(gè)資源時(shí)，就可以通過(guò)隊列來(lái)對多個(gè)用戶(hù)進(jìn)行排隊處理;同時(shí)。也允許多個(gè)用戶(hù)訪(fǎng)問(wèn)一個(gè)隊列，這樣就可以加快隊列的處理速度。同樣，在程序框圖中打開(kāi)“函數”，選擇“編程”中的“同步”，可看待“隊列”函數包。通過(guò)“獲取隊列引用”先建立一個(gè)隊列，可設置隊列名稱(chēng)，元素類(lèi)型，隊列大小等屬性。圖5中顯示數據采集循環(huán)，數據存儲循環(huán)，數據顯示循環(huán)共同使用一個(gè)隊列，即數據循環(huán)中使用“元素人隊列”函數將采集數據不斷地存放到隊列中，數據存儲和數據顯示循環(huán)使用“元素出隊列”函數從隊列中不斷地讀取數據，實(shí)現了系統實(shí)時(shí)采集和存儲的功能。若某個(gè)模塊的任務(wù)運行過(guò)快或過(guò)慢，隊列可以起到緩存作用，進(jìn)行約束或補償，不會(huì )導致數據丟失或重復讀取。

　　2.2.3 數據存儲

　　高速數據流文件TDM Streaming文件以流文件形式存儲數據，讀寫(xiě)速度比較快，適合用來(lái)存儲海量數據，常于實(shí)時(shí)系統。TDMS文件除了可以存儲信號數據外，還可以為每個(gè)信號添加附加信息：文件、組、通道等。通過(guò)TDMS文件操作函數可對被采集的信號進(jìn)行快速的讀，寫(xiě)，屬性設置及提取，管理簡(jiǎn)單;在寫(xiě)操作后可以調用TDMS File Viewer?、龊瘮?，打開(kāi)TDMS文件瀏覽器，查看數據和屬性值。TDMS的寫(xiě)操作如圖5所示。

　　3 實(shí)驗結果

　　數據采集系統前面板如圖6所示，根據所設計的數據采集系統，分別進(jìn)行了數據采集、數據輸入，數據存儲及波形顯示等實(shí)驗。數據保存在以.tdms為后綴名的波形文件中。圖6所示為對頻率10 kHz，幅度為0.5 V的模擬正弦波信號使用單通道采樣，輸入的采樣頻率為1 MHz，實(shí)際采樣頻率為1 MHz。經(jīng)過(guò)實(shí)際驗證，對三角波，方波等合理采樣，結果比較滿(mǎn)意。

　　4 結 語(yǔ)

　　該數據采集系統實(shí)際是用于對中波段范圍內調幅信號的實(shí)時(shí)采集，方便對采集后的數據直接進(jìn)行各種數學(xué)分析。一方面可將結果直觀(guān)的顯示在前面板上，另一方面也可同時(shí)將數據進(jìn)行存儲，以供日后分析使用。此外，由于LabVIEW是一個(gè)功能強大的虛擬儀器編譯環(huán)境，簡(jiǎn)化編程過(guò)程，尤其是使用IVI驅動(dòng)程序，極大地簡(jiǎn)化代碼，用戶(hù)不需要關(guān)心儀器底層是如何通信，只需要關(guān)注任務(wù)本身。給予系統更多的靈活性。以后只需要根據實(shí)際功能要求，修改相應的軟件編程即可進(jìn)行系統拓展。整個(gè)數據采集系統在實(shí)際使用中方便活，不受具體線(xiàn)路的限制。