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          EEPW首頁(yè) > 測(cè)試測(cè)量 > 設(shè)計(jì)應(yīng)用 > 基于NI Scope實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

          基于NI Scope實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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          作者: 時(shí)間:2010-01-25 來(lái)源: 收藏

            0 引 言

          本文引用地址:http://www.ex-cimer.com/article/103917.htm

            虛擬儀器的概念最早是由美國(guó)國(guó)家儀器公司(Na-tional Instrument)提出來(lái)的,經(jīng)過十幾年的發(fā)展,目前正沿著總線與驅(qū)動(dòng)程序標(biāo)準(zhǔn)化、硬件、軟件模塊化、編程平臺(tái)圖像化和硬件模塊即插即用方向發(fā)展。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展,虛擬儀器將在、自動(dòng)測(cè)試和測(cè)量?jī)x器領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用,擬儀器技術(shù)十分符合國(guó)際上流行的“硬件軟件化”的發(fā)展趨勢(shì),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(tái)上,結(jié)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(xiàn)的技術(shù)軟件化。一般當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)化硬件平臺(tái)確定后,通過標(biāo)準(zhǔn)的儀器驅(qū)動(dòng)軟件可實(shí)現(xiàn)模塊化的硬件(如GPIB,VXI,DAQ板等)之間的通信、定時(shí)應(yīng)用等需求;而靈活高效的開發(fā)應(yīng)用軟件能創(chuàng)建完全自定義的用戶界面和系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)儀器中由硬件完成的儀器功能。虛擬儀器技術(shù)的優(yōu)勢(shì)在于儀器性能的改進(jìn)和功能擴(kuò)展只需用戶選擇適合其應(yīng)用要求的硬件模塊以及更新相關(guān)軟件程序設(shè)計(jì),即可重新配置現(xiàn)有系統(tǒng),增加程序可復(fù)用性,大大縮短整個(gè)系統(tǒng)開發(fā)換代周期,降低成本,方便實(shí)現(xiàn)多種功能。

            1.2 虛擬儀器構(gòu)成

            虛擬儀器一般由通用儀器硬件平臺(tái)和應(yīng)用軟件組成,如圖1所示。

            

           

            虛擬儀器硬件平臺(tái)主要有兩部分,分別是用于集成的硬件平臺(tái)和模塊化I/O接口設(shè)備。虛擬儀器的軟件部分包括應(yīng)用軟件和I/O驅(qū)動(dòng)軟件兩部分,應(yīng)用軟件包含實(shí)現(xiàn)虛擬面板功能的前面板的軟件程序和定義測(cè)試功能的流程圖軟件程序,如LabVIEW等;I/O接口儀器驅(qū)動(dòng)程序用來(lái)完成特定外部硬件設(shè)備的擴(kuò)展、驅(qū)動(dòng)和通信,可以由虛擬儀器開發(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(tái)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(kuò)展性強(qiáng)、開發(fā)時(shí)間少以及出色的集成這四大優(yōu)勢(shì)。

            1.3 圖形化編程語(yǔ)言LabVIEW

            LabVIEW(Laboratory Virtual Instrument Engi-neetring Workbench)是一種用圖標(biāo)代替文本行創(chuàng)建應(yīng)用程序的圖形化編程語(yǔ)言,采用數(shù)據(jù)流編程方式,程序框圖中節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)流向決定了程序的執(zhí)行順序,用圖表表示函數(shù),用連線表示數(shù)據(jù)流方向。LabVIEW程序稱為虛擬儀器(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(biāo)/連接端口(Icon/Terminal)三部分組成。LabVIEW為虛擬儀器設(shè)計(jì)者提供了一個(gè)便捷、輕松的設(shè)計(jì)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(qiáng)大的后續(xù)數(shù)據(jù)處理能力,交互式的測(cè)量工具和更高層的系統(tǒng)管理軟件工具。LabVIEW能夠支持串行接口、GPIB,VXI,PXI等標(biāo)準(zhǔn)總線和多種板,以驅(qū)動(dòng)不同儀器公司的儀器,用戶可以高效、快速地編寫出相應(yīng)的應(yīng)用程序,自行設(shè)計(jì)儀器驅(qū)動(dòng)程序,完成諸如、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)顯示以及儀器控制和通信等多種功能。在較高性價(jià)比的條件下,降低系統(tǒng)開發(fā)和維護(hù)費(fèi)用,縮短技術(shù)更新周期。

            2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

            該系統(tǒng)使用公司PXI-1042Q機(jī)箱和 PXI-5122高速數(shù)字化儀模塊組建數(shù)據(jù)采集硬件平臺(tái)。PXI(PCI Extensions for Instrumentation),它的主要優(yōu)勢(shì)在于利用了已經(jīng)驗(yàn)證的,符合工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù),在高速的Compact PCI總線基礎(chǔ)之上,加入類似VXI所具有的定時(shí)、觸發(fā)和同步功能。PXI作為一種專為工業(yè)數(shù)據(jù)采集與自動(dòng)化應(yīng)用高性能模塊化硬件平臺(tái),具有開放式架構(gòu),內(nèi)有高端的定時(shí)和觸發(fā)總線,結(jié)合模塊化的I/O硬件和相應(yīng)的測(cè)試測(cè)量開發(fā)軟件,便可以較好地完成數(shù)據(jù)采集任務(wù)。

            2.1 系統(tǒng)硬件部分

            PXI-5122高速數(shù)字化儀是硬件部分的核心,可直接插入PXI-1042Q機(jī)箱插槽中,屬于內(nèi)置式驅(qū)動(dòng)。通過LabVIEW嵌入的驅(qū)動(dòng)函數(shù)可配置其觸發(fā)方式,如即時(shí)觸發(fā)、軟件觸發(fā)、數(shù)字觸發(fā)等,還可配置采樣速率,采樣記錄長(zhǎng)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(chǔ)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(xiàn)實(shí)時(shí)的連續(xù)采樣。根據(jù)采樣定理,設(shè)置的最小采樣速率至少是被采樣信號(hào)頻率的兩倍。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)示意圖如圖2所示。

            

           

            2.2 系統(tǒng)軟件部分

            系統(tǒng)軟件部分主要由標(biāo)準(zhǔn)I/O模塊驅(qū)動(dòng),采用隊(duì)列同步控制和數(shù)據(jù)顯示三大部分組成。系統(tǒng)程序流程圖如圖3所示。

            

           

            首先通過,Scope示波器驅(qū)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(dú)立線程中便可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)數(shù)據(jù)采集。被采集的數(shù)據(jù)被放人隊(duì)列中,隊(duì)列允許多個(gè)任務(wù)同時(shí)訪問,其他獨(dú)立線程的模塊可同時(shí)并行地從中讀取數(shù)據(jù),實(shí)時(shí)完成各自的功能,如數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)顯示等。

            2.2.1 I/O驅(qū)動(dòng)模塊

            NI Scope示波器驅(qū)動(dòng)是NI公司提供的八類可互換的虛擬儀器IVI(Interchangeable Virtual Instru-ment)規(guī)范驅(qū)動(dòng)之一,由于IVI規(guī)范驅(qū)動(dòng)是基于虛擬儀器軟件架構(gòu)VISA(Virtual Instrunment Software Archi-tecture),可以實(shí)現(xiàn)程序與硬件接口的不相關(guān)。此外,NI Scope提供了規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)API函數(shù)和DAQ驅(qū)動(dòng)程序庫(kù),它將儀器的功能完整封裝,讓用戶更快更容易地開發(fā)系統(tǒng)。成功安裝NI Scope示波器驅(qū)動(dòng)后,在Lab-VIEW程序框圖中,打開“函數(shù)”菜單下,打開“測(cè)量I/O”可以看到“NI Scope”工具包,選擇初始化、水平方向設(shè)置、豎直方向設(shè)置、通道設(shè)置、觸發(fā)方式設(shè)置等函數(shù),自定義NI PXI-5122驅(qū)動(dòng)程序。該系統(tǒng)設(shè)置偏移量為零,即時(shí)觸發(fā)采樣模式,采樣記錄數(shù)值默認(rèn)為1,采樣頻率和采樣記錄長(zhǎng)度由輸入控件控制,采樣的通道名稱默認(rèn)為“channel 0”,實(shí)現(xiàn)連續(xù)采樣。NI PXI-5122驅(qū)動(dòng)程序具體如圖4所示。

            

           

            2.2.2 同步技術(shù)

            系統(tǒng)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(dú)立,每一個(gè)循環(huán)都有一個(gè)獨(dú)立的線程獨(dú)自運(yùn)行,構(gòu)成了一個(gè)包含多個(gè)并行任務(wù)虛擬儀器系統(tǒng)。各個(gè)循環(huán)之間也有數(shù)據(jù)交流,相互關(guān)聯(lián),為了實(shí)現(xiàn)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(tǒng)選用隊(duì)列(Queue)技術(shù)來(lái)控制這些循環(huán)可以避免對(duì)設(shè)備的訪問沖突。

            隊(duì)列結(jié)構(gòu)是一種先進(jìn)先出的結(jié)構(gòu)。隊(duì)列可以保證有序的數(shù)據(jù)傳遞,避免競(jìng)爭(zhēng)或沖突。一般當(dāng)多個(gè)用戶需要使用同一個(gè)資源時(shí),就可以通過隊(duì)列來(lái)對(duì)多個(gè)用戶進(jìn)行排隊(duì)處理;同時(shí)。也允許多個(gè)用戶訪問一個(gè)隊(duì)列,這樣就可以加快隊(duì)列的處理速度。同樣,在程序框圖中打開“函數(shù)”,選擇“編程”中的“同步”,可看待“隊(duì)列”函數(shù)包。通過“獲取隊(duì)列引用”先建立一個(gè)隊(duì)列,可設(shè)置隊(duì)列名稱,元素類型,隊(duì)列大小等屬性。圖5中顯示數(shù)據(jù)采集循環(huán),數(shù)據(jù)存儲(chǔ)循環(huán),數(shù)據(jù)顯示循環(huán)共同使用一個(gè)隊(duì)列,即數(shù)據(jù)循環(huán)中使用“元素人隊(duì)列”函數(shù)將采集數(shù)據(jù)不斷地存放到隊(duì)列中,數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)顯示循環(huán)使用“元素出隊(duì)列”函數(shù)從隊(duì)列中不斷地讀取數(shù)據(jù),實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集和存儲(chǔ)的功能。若某個(gè)模塊的任務(wù)運(yùn)行過快或過慢,隊(duì)列可以起到緩存作用,進(jìn)行約束或補(bǔ)償,不會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失或重復(fù)讀取。

            

           

            2.2.3 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)

            高速數(shù)據(jù)流文件TDM Streaming文件以流文件形式存儲(chǔ)數(shù)據(jù),讀寫速度比較快,適合用來(lái)存儲(chǔ)海量數(shù)據(jù),常于實(shí)時(shí)系統(tǒng)。TDMS文件除了可以存儲(chǔ)信號(hào)數(shù)據(jù)外,還可以為每個(gè)信號(hào)添加附加信息:文件、組、通道等。通過TDMS文件操作函數(shù)可對(duì)被采集的信號(hào)進(jìn)行快速的讀,寫,屬性設(shè)置及提取,管理簡(jiǎn)單;在寫操作后可以調(diào)用TDMS File Viewer?、龊瘮?shù),打開TDMS文件瀏覽器,查看數(shù)據(jù)和屬性值。TDMS的寫操作如圖5所示。

            

           

            3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

            數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)前面板如圖6所示,根據(jù)所設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),分別進(jìn)行了數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)輸入,數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及波形顯示等實(shí)驗(yàn)。數(shù)據(jù)保存在以.tdms為后綴名的波形文件中。圖6所示為對(duì)頻率10 kHz,幅度為0.5 V的模擬正弦波信號(hào)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)過實(shí)際驗(yàn)證,對(duì)三角波,方波等合理采樣,結(jié)果比較滿意。

            4 結(jié) 語(yǔ)

            該數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實(shí)際是用于對(duì)中波段范圍內(nèi)調(diào)幅信號(hào)的實(shí)時(shí)采集,方便對(duì)采集后的數(shù)據(jù)直接進(jìn)行各種數(shù)學(xué)分析。一方面可將結(jié)果直觀的顯示在前面板上,另一方面也可同時(shí)將數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ),以供日后分析使用。此外,由于LabVIEW是一個(gè)功能強(qiáng)大的虛擬儀器編譯環(huán)境,簡(jiǎn)化編程過程,尤其是使用IVI驅(qū)動(dòng)程序,極大地簡(jiǎn)化代碼,用戶不需要關(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(tǒng)更多的靈活性。以后只需要根據(jù)實(shí)際功能要求,修改相應(yīng)的軟件編程即可進(jìn)行系統(tǒng)拓展。整個(gè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在實(shí)際使用中方便活,不受具體線路的限制。



          關(guān)鍵詞: NI 數(shù)據(jù)采集

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