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摘要：設(shè)計(jì)一種基于虛擬儀器LabVIEW和高速數(shù)字化儀NI PCI-5124的高采樣率、長(zhǎng)時(shí)間的數(shù)據(jù)采集分析實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)20 MHz甚至更高采樣率以及數(shù)據(jù)信號(hào)長(zhǎng)時(shí)間的實(shí)時(shí)采集，并具有實(shí)時(shí)存儲(chǔ)、回放、信號(hào)分析、報(bào)表打印功能。實(shí)驗(yàn)表明：該系統(tǒng)具有程序設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、通用性好、可移植性高、界面設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單大方、易于操作等優(yōu)點(diǎn)。
關(guān)鍵詞：數(shù)字化儀；數(shù)據(jù)采集；虛擬儀器；LabVIEW
傳統(tǒng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)一般由單片機(jī)與硬件采集電路或數(shù)據(jù)采集卡配置計(jì)算機(jī)組成。這種數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)存在開發(fā)難度大、可移植性差、數(shù)據(jù)采集效率低、實(shí)時(shí)存儲(chǔ)容量小等缺點(diǎn)。其存儲(chǔ)容量取決于數(shù)據(jù)采集卡的板載內(nèi)存的大小，一般只有8 MB或12 MB，而現(xiàn)代工程運(yùn)用中的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)需具有很高的采樣速率，完成海量數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)存儲(chǔ)。針對(duì)傳統(tǒng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)存在的不足，這里采用虛擬儀器(LabVIEW)和高速數(shù)字化儀NI PCI-5124設(shè)計(jì)一種可以長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)采集、實(shí)時(shí)存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。
本系統(tǒng)只使用PC機(jī)、數(shù)據(jù)采集卡以及編程語(yǔ)言即可在Windows操作系統(tǒng)下實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的采集、存儲(chǔ)、處理，開發(fā)成本低，通訊能力強(qiáng)，易于使用。系統(tǒng)改善了傳統(tǒng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的存儲(chǔ)量小、采集效率低等缺點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)信號(hào)的長(zhǎng)時(shí)間實(shí)時(shí)采集、存儲(chǔ)、回放、分析、報(bào)表打印等功能。
1 系統(tǒng)硬件設(shè)備簡(jiǎn)介
該系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)原理框圖如圖l所示。
系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)主要包括PC控制機(jī)和高速數(shù)據(jù)采集卡。由于許多插入式的數(shù)據(jù)采集DAQ(Data Acquisition)設(shè)備采集數(shù)據(jù)不僅受到采樣速率的限制，而且受到板載內(nèi)存和數(shù)據(jù)到PC機(jī)內(nèi)存的傳輸速率的限制。
針對(duì)以上問(wèn)題，本設(shè)計(jì)選用插入式DAQ產(chǎn)品中價(jià)位低、速率快、精度高的高速數(shù)字化儀NI PCI-5124。它可以直接插入計(jì)算機(jī)的PC捕槽，即插即用使用方便，具有200 MS／s的實(shí)時(shí)采樣至4．0 GS／s的等效時(shí)段采樣；標(biāo)準(zhǔn)8～256 MB大容量板載內(nèi)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(shù)實(shí)現(xiàn)在2個(gè)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(dá)75 dBc的無(wú)寄生動(dòng)態(tài)范圍SFDR(Spufious-Free Dynamic Range)；基于NI同步和存儲(chǔ)核心SMC (Synchronization and Memory Core)構(gòu)架，具備每通道512 MB板載內(nèi)存、快速數(shù)據(jù)傳輸和緊密的同步功能。工程師們可以在幾十皮秒(ps)內(nèi)同步基于SMC的模塊化儀器，主要有邊緣、視窗、滯環(huán)、視頻和數(shù)字等觸發(fā)方式，主要用于高通道和混合信號(hào)應(yīng)用。
專用數(shù)據(jù)采集長(zhǎng)的驅(qū)動(dòng)方式分為外掛式驅(qū)動(dòng)和內(nèi)置式驅(qū)動(dòng)兩種。對(duì)于NI公司生產(chǎn)的各種專用數(shù)據(jù)采集卡，可使用LabVIEW內(nèi)的DAQ庫(kù)直接對(duì)端口進(jìn)行各種操作，即內(nèi)置式驅(qū)動(dòng)。NI數(shù)據(jù)采集卡提供對(duì)LabVIEW豐富且完備的支持，驅(qū)動(dòng)函數(shù)在底層的基礎(chǔ)函數(shù)上進(jìn)行高度封裝，用戶無(wú)需深入了解采集卡的具體工作，只要掌握驅(qū)動(dòng)函數(shù)輸入／輸出端口的意義，就能進(jìn)行數(shù)據(jù)采集開發(fā)。因此用戶使用NI PCI-5124時(shí)，只需將所需接口從程序中直接調(diào)用至系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境中，即可實(shí)現(xiàn)采集、存儲(chǔ)以及回放等功能。
2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)
2．1 程序設(shè)計(jì)
LabVIEW是一種基于圖形語(yǔ)言編程的可視化軟件開發(fā)平臺(tái)，與VC、VB等其他可視化編程語(yǔ)言相比，其函數(shù)庫(kù)豐富、調(diào)試方便，而且開發(fā)界面簡(jiǎn)單，界面風(fēng)格與傳統(tǒng)儀器相似。LabVIEW是一個(gè)外觀和操作均能模仿實(shí)際儀器的程序開發(fā)環(huán)境，類似于C、BASIC等編程語(yǔ)言。但LabVIEW的特點(diǎn)在于使用圖形化編程G語(yǔ)言在流程圖中創(chuàng)建源程序，而非使用基于文本的語(yǔ)言產(chǎn)生源程序代碼。與傳統(tǒng)C、C++等編程語(yǔ)言不同，LabVI-EW采用強(qiáng)大的圖形化語(yǔ)言編程，面向測(cè)試工程師而非專業(yè)程序員，編程方便，人機(jī)交互界面直觀友好，具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)可視化分析和儀器控制能力。
本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)處理等部分組成。其中數(shù)據(jù)采集包括采集設(shè)置和數(shù)據(jù)采集波形顯示；數(shù)據(jù)處理包括信號(hào)時(shí)頻域參量測(cè)量、信噪比測(cè)量以及報(bào)表打印等。系統(tǒng)工作流程如圖2所示。
本系統(tǒng)基本工作過(guò)程是：肩動(dòng)LabVIEW程序后，首先設(shè)置高速數(shù)據(jù)采集卡PCI-5124的通道、采樣模式、采樣頻率、觸發(fā)類型、觸發(fā)電平等，然后啟動(dòng)采集，進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)的數(shù)據(jù)采集并利用流艋技術(shù)將采集到的信息實(shí)時(shí)存儲(chǔ)于計(jì)算機(jī)硬盤，由于采集到的信息量很大，因此對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行離線處理，以減輕計(jì)算機(jī)CPU負(fù)擔(dān)，提高數(shù)據(jù)處理速度。
