實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

李廷軍1，張朝英2，邱麗波2，陳怡煥1

（1．海軍航空工程學(xué)院　山東煙臺(tái)　264001；2．煙臺(tái)市技術(shù)學(xué)院　山東煙臺(tái)　264000）

　　摘　要：介紹了一種高速、實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，重點(diǎn)介紹了該數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)。

　　關(guān)鍵詞：高速；實(shí)時(shí)；數(shù)據(jù)采集；VISA

　　本文介紹了一種數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，他主要完成對(duì)某設(shè)備上交流電源、直流電源、模擬電壓、開關(guān)信號(hào)、脈沖信號(hào)等各種信號(hào)的采集工作。完成對(duì)上述信號(hào)的如下特征進(jìn)行紀(jì)錄：

　�。�1）交流電源的電壓、頻率及相序，交流電源的供電時(shí)序；

　�。�2）直流電源的電壓及供電時(shí)序；

　　（3）模擬信號(hào)的幅值及反映其變化規(guī)律的波形；

　　（4）開關(guān)信號(hào)的電平幅值及信號(hào)時(shí)序；

　　（5）脈沖信號(hào)的幅值、脈寬和周期、時(shí)序。

　　該數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)總體上由硬件和軟件2部分組成，硬件是該系統(tǒng)的基礎(chǔ)，他完成各種數(shù)據(jù)的采集；軟件是該系統(tǒng)的核心，他主要完成對(duì)各個(gè)硬件模塊的控制和調(diào)度，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，并提供人機(jī)操作界面。

1　系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)

　　在該數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的開發(fā)過程中，軟件扮演著極其重要的角色。從功能上講，他的涵蓋面很廣，從硬件設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序到開發(fā)整套系統(tǒng)所需的各個(gè)開發(fā)環(huán)節(jié)在內(nèi)，他們的層次性很清晰。具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

　�。�1）VISA管理程序及接口軟件

　　VISA（Virtual Instrument Software Architecture）是一個(gè)獨(dú)立于硬件設(shè)備、接口、操作系統(tǒng)、編程語言的I／O控制庫(kù)，處理測(cè)控計(jì)算機(jī)與儀器間物理連接的通訊信息。通過VISA，由不同硬件接口（如：GPIB，VXI或RS232等）連接的儀器設(shè)備可以集成到一個(gè)系統(tǒng)中，由一個(gè)軟件、一套命令函數(shù)完成所有儀器設(shè)備的控制。

　�。�2）測(cè)試資源層

　　測(cè)試資源層主要由測(cè)試儀器驅(qū)動(dòng)軟件組成，系統(tǒng)所選用的貨架成品測(cè)試儀器無論是VXI總線還是GPIB總線儀器，每臺(tái)儀器均對(duì)應(yīng)一個(gè)測(cè)試驅(qū)動(dòng)軟件，該軟件應(yīng)按VISA要求編寫，軟件功能函數(shù)則完成對(duì)儀器測(cè)試功能的控制和測(cè)試數(shù)據(jù)的讀寫。

　　該部分包含有VXI-MXI-II驅(qū)動(dòng)程序，HPE1413驅(qū)動(dòng)程序和HP E1459驅(qū)動(dòng)程序。各個(gè)驅(qū)動(dòng)程序負(fù)責(zé)完成對(duì)相應(yīng)模塊的初始化和各種配置，并實(shí)現(xiàn)對(duì)各種數(shù)據(jù)的讀寫。該驅(qū)動(dòng)程序一般不單獨(dú)執(zhí)行，他是由執(zhí)行程序來調(diào)用。

　�。�3）應(yīng)用開發(fā)層

　　用戶開發(fā)層是一個(gè)軟件開發(fā)平臺(tái)，為了充分利用CVI和儀器之間的方便通訊和VC的強(qiáng)大功能及友好的人機(jī)界面。該軟件將利用CVI和VC共同開發(fā)，他首先用CVI編制和儀器通訊的動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)，在用VC編寫控制函數(shù)，并調(diào)用CVI編制的動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)里的函數(shù)來從儀器上讀取數(shù)據(jù)。

　　（4）用戶應(yīng)用層

　　用戶應(yīng)用層是軟件系統(tǒng)的頂層，他實(shí)際上就是一個(gè)執(zhí)行程序，實(shí)現(xiàn)對(duì)各種儀器模塊的調(diào)度，包括初始化及各個(gè)模塊子系統(tǒng)的配置，最后實(shí)現(xiàn)對(duì)導(dǎo)彈上各種數(shù)據(jù)的同時(shí)讀取，并以波形的形式顯示出來，用來觀察各個(gè)信號(hào)的幅度大小、頻率大小、相位關(guān)系及各種時(shí)序關(guān)系。并把數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在硬盤中，好在以后進(jìn)行數(shù)據(jù)回放。

2　采集軟件的設(shè)計(jì)

　　該程序設(shè)計(jì)最主要的部分就是數(shù)據(jù)采集軟件模塊的設(shè)計(jì)，他的主要任務(wù)就是完成對(duì)數(shù)據(jù)的采集、波形的顯示、數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)的回放。由于要采集的數(shù)據(jù)量很大，有一百多路信號(hào)，包括數(shù)字信號(hào)和模擬信號(hào)。而且采樣間隔也很短，為1 ms。當(dāng)采用單線程來完成所有的工作時(shí)，難以滿足要求。所以該程序?qū)⒉捎枚嗑�程來編程。另外，為了便于更好地管理采集回來的數(shù)據(jù)，該程序?qū)��?shù)據(jù)存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)里。

　�。�1）數(shù)據(jù)的采集

　　首先把對(duì)儀器進(jìn)行配置和數(shù)據(jù)讀取的函數(shù)做成動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)，其動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)里的函數(shù)主要有3個(gè)：初始化函數(shù)、讀取數(shù)據(jù)的函數(shù)和關(guān)閉儀器的函數(shù)。然后在主程序中調(diào)用動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)里的函數(shù)，首先要加載動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)，然后獲取其函數(shù)的指針，利用其指針來調(diào)用函數(shù)，來實(shí)現(xiàn)對(duì)儀器的操作。

　�。�2）波形的顯示

　　數(shù)據(jù)的顯示有2種情況，一種是從HPE1459來的開關(guān)信號(hào)，還有一種是從HPE1413來的模擬信號(hào)，通過選擇，可以顯示他們一部分通道的波形，通過翻頁，可以選擇其他的通道進(jìn)行顯示。

　�。�3）數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)

　　數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)就是把讀入內(nèi)存的數(shù)據(jù)通過ODBC存入數(shù)據(jù)庫(kù)，由于該數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)非常簡(jiǎn)單，只需建立一個(gè)表格就可以把他們之間的關(guān)系描述清楚。所以在進(jìn)行數(shù)據(jù)存盤之前用SQL先建立一個(gè)表格，然后在數(shù)據(jù)存盤時(shí)和這個(gè)表格建立連接，然后把讀取的數(shù)據(jù)存入該表格。

　�。�4）數(shù)據(jù)的回放

　　他主要是把存放在數(shù)據(jù)庫(kù)里的數(shù)據(jù)以波形的形式顯示出來。本程序采用多文檔形式，當(dāng)回放時(shí)，可以通過按下面板上的按鈕來顯示不同通道的波形。顯示的波形還可以進(jìn)行放大和縮小變換。

　　其中軟件工作的程序流程如圖2所示。

3　關(guān)鍵技術(shù)

　　為了滿足采集系統(tǒng)的試驗(yàn)要求，本軟件在開發(fā)過程中采用了3項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。

　�。�1）動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)（DLL）技術(shù)。

　　動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)是運(yùn)行時(shí)模塊，他是把程序編譯成二進(jìn)制文件，在運(yùn)行程序時(shí)才加進(jìn)來，這使得他與編程語言沒有關(guān)系。所以可以利用動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)把幾種編程語言結(jié)合起來編程，充分利用各種編程語言的優(yōu)點(diǎn)。該軟件就是通過動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)，充分利用CVI容易和儀器進(jìn)行通訊的優(yōu)點(diǎn)和VC的友好界面及靈活的顯示功能。

　　（2）多媒體定時(shí)器（Multimedia Timer）。

　　為了提高Windows操作系統(tǒng)的定時(shí)精度以滿足對(duì)通道的讀取精度要求，提高實(shí)時(shí)顯示的刷新速度和軟件存儲(chǔ)的效率，采用Windows下提供的多媒體定時(shí)器，其定時(shí)分辨率（Resolution）最高為1 ms，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于Windows提供的默認(rèn)Timer的性能（55 ms）。

　�。�3）多線程技術(shù)。

　　Win32是一種搶占式多任務(wù)操作系統(tǒng)，他為每一個(gè)線程輪流分配時(shí)間段，讓線程在分配的時(shí)間段里運(yùn)行。每個(gè)進(jìn)程除了系統(tǒng)自動(dòng)生成的主線程外，還可以創(chuàng)建多個(gè)線程來協(xié)同完成指定的操作。利用多線程可以大大提高CPU的利用率。對(duì)于該應(yīng)用程序，由于要處理的數(shù)據(jù)量非常大，只有利用多線程才能滿足要求，才能保證數(shù)據(jù)不丟失。

　　（4）ODBC（開放數(shù)據(jù)庫(kù)互連）技術(shù)。

　　通過ODBC技術(shù)實(shí)現(xiàn)與數(shù)據(jù)庫(kù)的連接，也即采用SQL數(shù)據(jù)庫(kù)查詢語言，可以保證軟件的通用性，避免應(yīng)用程序隨著數(shù)據(jù)庫(kù)的改變而改變。另外，利用數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)，可以更方便地對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示，可以很方便地定位到某一段數(shù)據(jù)的顯示，也可以選擇任意的通道波形進(jìn)行顯示。

4　結(jié)　語

　　使用該數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，可以快速地記錄和存儲(chǔ)大量的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，這對(duì)分析某設(shè)備的性能參數(shù)和工作狀態(tài)具有非常重要的作用。

參考文獻(xiàn)

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摘自　現(xiàn)代電子技術(shù)