基于LabVIEW的多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的研究

引言
在計(jì)算機(jī)廣泛應(yīng)用的今天，數(shù)據(jù)采集的重要性是十分顯著的。它是計(jì)算機(jī)與外部物理環(huán)境連接的通道?；谔摂M儀器技術(shù)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的提出在一定程度上解決了傳統(tǒng)數(shù)據(jù)采集所面臨的問題，虛擬儀器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)成為當(dāng)今數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)發(fā)展的重要方向。本文在虛擬儀器技術(shù)的基礎(chǔ)上對(duì)多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)．將傳感器獲取的模擬信號(hào)，經(jīng)過信號(hào)調(diào)理后。輸入到NIPCI-622l數(shù)據(jù)采集卡，實(shí)現(xiàn)多路信號(hào)的采集，然后經(jīng)過PCI總線送入PC機(jī)，并對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示、記錄、分析處理，包括采集數(shù)據(jù)的平均值濾波，采樣波形的實(shí)時(shí)顯示，并以一定的時(shí)間間隔插入數(shù)據(jù)庫進(jìn)行保存，邊采集邊保存，并通過數(shù)據(jù)庫技術(shù)實(shí)現(xiàn)了歷史數(shù)據(jù)的檢索。

1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)工作原理
假設(shè)現(xiàn)在對(duì)一個(gè)模擬信號(hào)x(t)每隔△t時(shí)間采樣一次。時(shí)間間隔△t被稱為采樣間隔或者采樣周期。它的倒數(shù)1／△t被稱為采樣頻率．單位是采樣數(shù)／每秒。t=O，△t，2Δt，3Δt…等等，x(t)的數(shù)值就被稱為采樣值。所有x(O)，x(△t)，x(2Δt)都是采樣值。這樣信號(hào)x(t)可以用一組分散的采樣值來表示：

一個(gè)模擬信號(hào)和它采樣后的采樣值。采樣間隔是△t，采樣點(diǎn)在時(shí)域上是離散的。如果對(duì)信號(hào)x(t)采集N個(gè)采樣點(diǎn)，那么x(t)就可以用以下數(shù)列表示：x={x[O]，x[1]，x[2]，x[3]，…，x[N―1])，該數(shù)列被稱為信號(hào)x(t)的數(shù)字化顯示或者采樣顯示。此數(shù)列中僅僅用下標(biāo)變量編制索引，不含有任何關(guān)于采樣率(或Δt)的信息。所以如果已知該信號(hào)的采樣值和采樣率，就能得出信號(hào)x(t)的頻率。
根據(jù)采樣定理。最低采樣頻率必須是信號(hào)頻率的兩倍。由恩奎斯特頻率可知，如果信號(hào)中包含頻率高于奈奎斯特頻率的成分，信號(hào)將在直流和恩奎斯特頻率之間畸變。采樣率過低的結(jié)果是還原的信號(hào)的頻率看上去與原始信號(hào)不同。這種信號(hào)畸變叫做混疊。出現(xiàn)的混頻偏差是輸入信號(hào)的頻率和最靠近的采樣率整數(shù)倍的差的絕對(duì)值。為了避免這種情況的發(fā)生，通常在信號(hào)被采集(A／lD)之前，經(jīng)過一個(gè)低通濾波器，將信號(hào)中高于奈奎斯特頻率的信號(hào)成分濾去。理論上設(shè)置采樣頻率為被采集信號(hào)最高頻率成分的2倍就夠了。但實(shí)際上工程中選用5倍～10倍，有時(shí)為了較好地還原波形，甚至更高一些。

2 多通道采集系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)
在多通道采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案上．該系統(tǒng)硬件構(gòu)成主要由傳感器、前端信號(hào)調(diào)理電路板和NI-6221數(shù)據(jù)采集卡三部分組成。在軟件構(gòu)成上，需要進(jìn)行設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的設(shè)計(jì)和運(yùn)用虛擬儀器開發(fā)環(huán)境進(jìn)行虛擬面板的開發(fā)。
工作過程中，整個(gè)系統(tǒng)從被測對(duì)象開始．通過傳感器轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，經(jīng)過信號(hào)調(diào)理模塊進(jìn)行簡單的信號(hào)處理，將信號(hào)送至數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行采集。然后用軟件進(jìn)行處理。在采集過程中將數(shù)據(jù)保存到數(shù)據(jù)庫里，實(shí)現(xiàn)了歷史數(shù)據(jù)的訪問?？傮w設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

2．1 傳感器
傳感器部分是跟外界溝通的門戶，負(fù)責(zé)把外界的各種物理信息，如光、壓力、溫度、聲音等物理信號(hào)變成電信號(hào)。因?yàn)楸粶y試對(duì)象的信號(hào)來源已經(jīng)是變換好了的電信號(hào)，所以傳感器部分在設(shè)計(jì)中沒有得到具體體現(xiàn)，但是這部分是設(shè)計(jì)過程中必需要考慮的。
2．2 信號(hào)調(diào)理電路板
從傳感器得到的信號(hào)大多要經(jīng)過調(diào)理才能進(jìn)入數(shù)據(jù)采集設(shè)備，信號(hào)調(diào)理功能包括放大、隔離、濾波等。由于不同傳感器有不同的特性，除通用功能外，還要根據(jù)具體傳感器的特性和要求來設(shè)計(jì)特殊的信號(hào)調(diào)理功能。信號(hào)調(diào)理的通用功能如下：
(1)放大。微弱信號(hào)都要進(jìn)行放大以提高分辨率和降低噪聲，使凋理后信號(hào)的電壓范圍和A／D的電壓范圍相匹配。信號(hào)調(diào)理模塊應(yīng)盡可能靠近信號(hào)源或傳感器．使得信號(hào)在受到傳輸信號(hào)的環(huán)境噪聲影響之前已被放大．使信噪比得到改善。
(2)隔離。隔離是指使用變壓器、光或電容耦合等方法在被測系統(tǒng)和測試系統(tǒng)之間傳遞信號(hào)，避免直接的電連接。使用隔離的原因：一是從安全的角度考慮；二是隔離可使從數(shù)據(jù)采集卡讀出來的數(shù)據(jù)不受地電位和輸入模式的影響。如果數(shù)據(jù)采集卡的地與信號(hào)地之間有電位差，而又不進(jìn)行隔離，那么就有可能形成接地回路．引起誤差。
(3)濾波。信號(hào)調(diào)理系統(tǒng)可以從被測試信號(hào)中濾除不需要的成分或噪聲。大多數(shù)信號(hào)調(diào)理模塊都包含低通濾波器，以濾除截止頻率以上的所有干擾信號(hào)頻率成分。
2．3 數(shù)據(jù)采集卡的選用
數(shù)據(jù)采集板卡的性能與眾多因素相關(guān)，要根據(jù)具體情況而定。所以在選擇數(shù)據(jù)采集卡構(gòu)成系統(tǒng)時(shí)，首先必須對(duì)數(shù)據(jù)采集卡的性能指標(biāo)有所了解。
(1)采樣頻率
采樣頻率的高低，決定了在一定時(shí)間內(nèi)獲取原始信號(hào)信息的多少．為了能夠較好的再現(xiàn)原始信號(hào)，不產(chǎn)生波形失真，采樣率必須要足夠高才行。根據(jù)奈奎斯特理論采樣頻率至少是原信號(hào)的兩倍，但實(shí)際中，一般都需要5倍～10倍。
(2)采樣方法
采集卡通常都有好幾個(gè)數(shù)據(jù)通道，如果所有的數(shù)據(jù)通道都輪流使用同一個(gè)放大器和A／D轉(zhuǎn)換器．要比每個(gè)通道單獨(dú)使用各自的經(jīng)濟(jì)的多，但這僅適用于對(duì)時(shí)間不是很重要的場合。如果采樣系統(tǒng)對(duì)時(shí)間要求嚴(yán)格，則必須同時(shí)采集，這就需要每個(gè)通道都有自己的放大和A／D轉(zhuǎn)換器。但是處于成本的考慮?，F(xiàn)在普遍流行的是各個(gè)數(shù)據(jù)通道公用一套放大器和A／D轉(zhuǎn)換器。
(3)分辨率
ADC的位數(shù)越多．分辨率就越高，可區(qū)分的電壓就越小。例如，三位的A／D轉(zhuǎn)換把模擬電壓范圍分成23=8段，每段用二進(jìn)制代碼在000到lll之間表示。因而，數(shù)字信號(hào)不能真實(shí)地反映原始信號(hào)，因?yàn)橐徊糠中畔⒈宦┑袅?。如果增加到十二位．代碼數(shù)從8增加到212=4096，這樣就可以獲得十分精確的模擬信號(hào)數(shù)字化表示。