基于USB-6281的高速數據采集系統的設計

數據采集在現代工業(yè)生產(chǎn)及科學(xué)研究中的重要地位日益突出，在信號測量、圖像處理、音頻信號處理等測量中，都要求進(jìn)行高速、高精度的數據采集。這就對數據采集系統的設計提出了2方面的要求：1)要求接口簡(jiǎn)單靈活且有較高的數據傳輸率；2)由于數據量通常較大，要求主機能夠對數據做出快速反應，并及時(shí)進(jìn)行分析和處理。常用的數據采集卡一般是PCI卡或是ISA卡，這些采集卡存在諸多缺點(diǎn)，比如安裝不方便，傳輸速度慢，受計算機插槽數量、地址、中斷等資源的限制，可擴展性差等。而通用串行總線(xiàn)(Universal Serial Bus，簡(jiǎn)稱(chēng)USB)具有高傳輸速度、易擴展、熱插拔和即插即用等特點(diǎn)，很好地克服了數據采集卡的缺點(diǎn)，容易實(shí)現低成本、高可靠性、多點(diǎn)的數據采集。
USB-6281是National Instruments推出的一款USB高精度多功能M系列數據采集(DAQ)板卡，在高采樣率下也能保持高精度。USB-6281是專(zhuān)為移動(dòng)應用或空間上有限制的應用設計的，其即插即用的安裝最大程度降低了配置和設置時(shí)間，同時(shí)它直接與螺絲端子相連，從而降低了成本并簡(jiǎn)化信號的連接。NI-DAQmx驅動(dòng)程序和測量服務(wù)軟件提供了簡(jiǎn)單易用的配置和編程界面，以USB-6281為硬件平臺，借助其提供的USB接口和NI-DAQmx驅動(dòng)軟件，采用VC++高級語(yǔ)言編程，完成數據高速采集系統。

1 系統結構設計
1．1 USB-6281簡(jiǎn)介
USB-6281適用于地質(zhì)監測、材料分析、環(huán)境感知、光學(xué)、光譜學(xué)、結構測量及氣體探測，還包括醫療設備儀器，如心率監測等儀器測試等領(lǐng)域。其主要特性如下：1)包含18位A／D轉換器，相比傳統16位設備其分辨率提高4倍，同時(shí)還提供了增強型模擬輸出通道，能夠實(shí)現量程及偏移量可編程設定；2)集成了NI-PGIA 2自定義放大器和NI-MCal自校準來(lái)縮短校準時(shí)間，提高精度。板載的低通濾波器能夠通過(guò)編程消除高頻噪聲，從而進(jìn)一步提高測量精度。在±10 V范圍內分辨力可達980 μV，在±100 mV范圍內可達28 μV；3)NI信號讀寫(xiě)實(shí)現USB上的雙向高速數據流；4)具有16條單端或8條差分的模擬輸入通道，2條模擬輸出通道及24位數字I／O通道(DIO)，提供高達625 kS／s的18位模擬輸入(掃描時(shí)速度為500 kS／s)、速度為833 kS／s的16位模擬輸出；5)包含NI-DAQmx驅動(dòng)軟件和NI LabVIEW SignalExpress LE。NI-DAQmx驅動(dòng)具有節省開(kāi)發(fā)時(shí)間的特點(diǎn)，能夠實(shí)現LabVIEW圖形化開(kāi)發(fā)環(huán)境及基于文本語(yǔ)言(如ANSI C／C++、C#、Visual Basic．NET及Visual Basic 6．0)的代碼生成，包含超過(guò)3 000種測量實(shí)例、仿真設備及接線(xiàn)圖。
1．2 系統構成
基于USB-6281的高速數據采集系統結構如圖1所示。

采用NI的USB-6281數據采集卡以400 kHz的采樣頻率對被測信號進(jìn)行波形數據采集，然后對采集數據進(jìn)行正弦波擬合，通過(guò)提取出正弦信號的幅度、頻率等參數，計算出擬合正弦曲線(xiàn)。測量數據與擬合曲線(xiàn)模型對應點(diǎn)的偏差值作為相應點(diǎn)波形失真測量值，然后計算出測量序列的失真有效值，進(jìn)而最終獲得被測信號總失真度的測量值。
目前測量信號失真度的原理大致分為2類(lèi)：基波剔除法和頻譜分析法。本文采用頻譜分析法，即通過(guò)計算出各次諧波的大小來(lái)計算失真度。測量方法采用數字化方法，先通過(guò)將信號數字化并送入計算機，再由計算機計算出失真度。失真度的計算方法采用快速傅里葉變換法(FFT)，快速傅里葉變換比直接傅里葉變換(DFT)在計算量上要小得多。采用FFT對量化后的被測信號處理，獲得基波和各次諧波的電壓，從而計算出失真度。這種方法實(shí)現起來(lái)比較簡(jiǎn)單，而且通過(guò)一些補償算法可以有效減少誤差。
計算機通過(guò)高速數字采集卡采集被測信號，經(jīng)A／D轉換后讀入計算機，由計算機對采集的信號進(jìn)行FFT變換，形成被測信號的二維幅度一頻率數組。計算機顯示出信號的幅度一頻率特性曲線(xiàn)，同時(shí)，對數組計算得到基波系數和各次諧波系數，最后，由基波和各次諧波系數計算出失真度。諧波失真是諧波分量的幅值和基波幅值的相對量，假如基波的幅值是A1，而二次諧波的幅值是A2，三次諧波的幅值是A3，N次諧波的幅值是AN，總諧波失真THD為