【文章內(nèi)容簡介】 和內(nèi)存中的Buffer是數(shù)據(jù)采集存儲的中間環(huán)節(jié)。需要注意的兩個問題是：是否使用緩沖？是否使用外觸發(fā)啟動、停止或同步一個操作？ 基于PC的DAQ系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖1) 緩沖(Buffers)這里的緩沖指的是PC內(nèi)存的一個區(qū)域(不是數(shù)據(jù)采集卡上的FIFO緩沖)，它用來臨時存放數(shù)據(jù)。例如，你需要采集每秒采集幾千個數(shù)據(jù)，在一秒內(nèi)顯示或圖形化所有數(shù)據(jù)是困難的。但是將采集卡的數(shù)據(jù)先送到Buffer，你就可以先將它們快速存儲起來，稍后再重新找回它們顯示或分析。需要注意的是Buffer與采集操作的速度及容量有關(guān)。如果你的卡有DMA性能，模擬輸入操作就有一個通向計算機(jī)內(nèi)存的高速硬件通道，這就意味著所采集的數(shù)據(jù)可以直接送到計算機(jī)的內(nèi)存。如果不使用Buffer意味著對所采集的每一個數(shù)據(jù)你都必須及時處理(圖形化、分析等)。下列情況需要使用Buffer I/O：l 需要采集或產(chǎn)生許多樣本，其速率超過了實際顯示、存儲到硬件，或?qū)崟r分析的速度。l 需要連續(xù)采集，并且要同時分析或顯示某些數(shù)據(jù)。l 采樣周期必須準(zhǔn)確、均勻地通過數(shù)據(jù)樣本。下列情況可以不使用Buffer I/O：l 數(shù)據(jù)組短小，例如每秒只從兩個通道之一采集一個數(shù)據(jù)點(diǎn)。l 需要縮減存儲器的開支。2) 觸發(fā)(Triggering)觸發(fā)涉及初始化、終止或同步采集事件的任何方法。觸發(fā)器通常是一個數(shù)字或模擬信號，其狀態(tài)可確定動作的發(fā)生。軟件觸發(fā)最容易，你可以直接用軟件，例如使用布爾面板控制去啟動/停止數(shù)據(jù)采集。硬件觸發(fā)讓板卡上的電路管理觸發(fā)器，控制了采集事件的時間分配，有很高的精確度。硬件觸發(fā)可進(jìn)一步分為外部觸發(fā)和內(nèi)部觸發(fā)。當(dāng)某一模擬入通道發(fā)生一個指定的電壓電平時，讓卡輸出一個數(shù)字脈沖，這是內(nèi)部觸發(fā)。采集卡等待一個外部儀器發(fā)出的數(shù)字脈沖到來后初始化采集卡，這是外部觸發(fā)。許多儀器提供數(shù)字輸出(常稱為“trigger out”)用于觸發(fā)特定的裝置或儀器，在這里就是數(shù)據(jù)采集卡。下列情況使用軟件觸發(fā)：l 用戶需要對所有采集操作有明確的控制，并且事件定時不需要非常準(zhǔn)確。下列情況使用硬件觸發(fā)：l 采集事件定時需要非常準(zhǔn)確。l 用戶需要削減軟件開支。l 采集事件需要與外部裝置同步。第三章 基于LabVIEW和PCI6221板卡的多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)l) 基于數(shù)據(jù)采集卡的虛擬儀器系統(tǒng)本設(shè)計采用的是基于數(shù)據(jù)采集卡的虛擬儀器系統(tǒng)組建方案。它是通過A/D轉(zhuǎn)換和D/A轉(zhuǎn)換分別將模擬、數(shù)字信號采集到計算機(jī)進(jìn)行分析、處理、顯示等，并通過D/A轉(zhuǎn)換實現(xiàn)反饋控制，它還可以根據(jù)需要加入信號調(diào)理等硬件模塊。這是現(xiàn)在比較常用的一種方案，在中小型儀器系統(tǒng)中應(yīng)用比較廣泛。2) 由GPIB儀器控制的虛擬儀器系統(tǒng)一個典型的GPIB(General Purpose Interface Bus)測量系統(tǒng)由一臺PC機(jī)、一塊GPIB接口板和若干臺GPIB儀器通過標(biāo)準(zhǔn)GPIB電纜連接起來，組成大型的自動化儀器測量系統(tǒng)。在標(biāo)準(zhǔn)情況下，一塊GPIB接口板卡可帶多達(dá)14臺儀器，電纜長度可達(dá)20米，通常這己經(jīng)足夠了。利用GPIB擴(kuò)展技術(shù)，一個GPIB自動測量系統(tǒng)的規(guī)模無論是儀器數(shù)量還是距離都可以進(jìn)一步擴(kuò)展。3) 由VXI儀器控制的虛擬儀器系統(tǒng)VXI(VME Extension for Instrument)總線是一種高速計算機(jī)總線—VME總線在儀器領(lǐng)域的擴(kuò)展。由于它的標(biāo)準(zhǔn)開放、結(jié)構(gòu)緊湊、數(shù)據(jù)吞吐能力強(qiáng)、定時和同步精確、模塊可重復(fù)利用、眾多儀器廠商支持等特點(diǎn)，VXI系統(tǒng)的組建和使用越來越方便，應(yīng)用面越來越廣。但由于成本較高，多用于航天、軍工等大規(guī)模自動測量測試系統(tǒng)，以及對速度精度要求較高的場合。軟件是虛擬儀器的關(guān)鍵技術(shù)之一，其提供3個主要功能：一個集成的開發(fā)環(huán)境、一個與儀器硬件的高級接口和一個圖形用戶界面。主要軟件模塊有數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)顯示、文件管理和報表輸出等。虛擬儀器的主要開發(fā)環(huán)境有C、C++ Builder、VB、DelPhi、LabVIEW、LabWindows/CVI等。其中值得一提的是LabVIEW，它是完全圖形化的虛擬儀器專用開發(fā)工具，內(nèi)部集成了大量儀器功能模塊。使用該開發(fā)工具可極大降低虛擬儀器開發(fā)的編程工作量，把虛擬儀器開發(fā)人員從復(fù)雜、煩瑣、費(fèi)時的語言編程中解放出來。如果科研經(jīng)費(fèi)允許，建議采用該開發(fā)平臺。： 虛擬儀器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)整個系統(tǒng)從被測對象開始，通過傳感器轉(zhuǎn)換成電信號，經(jīng)過信號調(diào)理模塊進(jìn)行簡單的信號處理，比如SCCRTD01熱電阻調(diào)理模塊、SCCTD02熱電偶調(diào)理模塊、SCCSG04全橋應(yīng)變片調(diào)理模塊，將信號送至數(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，實現(xiàn)了歷史數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程訪問。 多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖系統(tǒng)程序的主要功能為模塊劃分的標(biāo)準(zhǔn)，其包括系統(tǒng)管理、系統(tǒng)參數(shù)配置、實時數(shù)據(jù)采集顯示、數(shù)據(jù)保存、歷史數(shù)據(jù)的查詢、報警指示及記錄和遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)查詢等功能。： 基于LabV1EW和PCI6221板卡的多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)功能模塊圖本設(shè)計的前面板由登錄系統(tǒng)、通道配置、實時數(shù)據(jù)顯示及報警指示、歷史數(shù)據(jù)波形圖回放、歷史數(shù)據(jù)查詢表格顯示、報警記錄、系統(tǒng)信息7個頁面組成。完整的體現(xiàn)了一個數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的功能和實際應(yīng)用。任何一個系統(tǒng)都應(yīng)該設(shè)置使用權(quán)限以便進(jìn)行管理，本系統(tǒng)首先設(shè)計了一個登錄界面，其中的功能有添加用戶，刪除用戶，修改密碼，系統(tǒng)權(quán)限分為管理員權(quán)限和普通用戶，其中只有以管理員身份登錄系統(tǒng)才能進(jìn)行用戶的添加和刪除，普通用戶是沒有權(quán)限的。 用戶管理界面系統(tǒng)參數(shù)配置界面是提供了采集卡的參數(shù)配置，主要包括通道的選擇，采樣模式，采集卡輸入方式的設(shè)置，數(shù)據(jù)保存的時間間隔，采樣間隔，采樣信號的范圍(最大值和最小值)設(shè)定，采樣頻率、采樣數(shù)設(shè)置、緩存大小設(shè)置以及數(shù)據(jù)源名稱的設(shè)置。 參數(shù)配置界面 實時數(shù)據(jù)顯示界面LabVIEW提供了非常豐富的圖形控件來進(jìn)行前面板的設(shè)計，波形圖表能非常清晰且生動地實時顯示采集波形。在界面中可以單獨(dú)顯示某一個通道采集的波形也可以同時顯示多個通道采集的波形，非常清楚的表達(dá)了采集波形的動態(tài)曲線，同時還對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的分析。該面板靈活采用了屬性節(jié)點(diǎn)來編程。此外，還設(shè)有報警指示燈、顯示報警狀態(tài)、以及采集、保存狀態(tài)指示等。：對采集數(shù)據(jù)的保存是本設(shè)計的一個突出特點(diǎn)，數(shù)據(jù)保存有著實際的意義，這樣便于以后訪問歷史數(shù)據(jù)，還可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程訪問。本設(shè)計采用數(shù)據(jù)庫進(jìn)行數(shù)據(jù)的存儲，數(shù)據(jù)庫的存儲不僅存儲的信息量大，而且便于數(shù)據(jù)的管理。首先選擇要查詢的條件，查詢的條件有三種，分別是按采集時間段查詢、記錄編號查詢和通道數(shù)據(jù)值查詢。然后點(diǎn)擊開始檢索即可，具體的操作見系統(tǒng)說明。本設(shè)計提供了對歷史數(shù)據(jù)用波形圖和表格2種不同的顯示方式，波形圖顯示還對歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行了簡單的統(tǒng)計分析。 歷史數(shù)據(jù)波形圖顯示界面。 歷史數(shù)據(jù)表格顯示界面 報警記錄界面報警是實時數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的一個必須的功能，報警有實時指示，如聲音或光報警。該系統(tǒng)使用了光報警，及聲音報警，并實時記錄報警時刻，報警值及報警類型。此外，還有統(tǒng)計報警次數(shù)，及清除歷史記錄等功能。：本章的主要內(nèi)容是在討論了虛擬儀器的組建方案的特點(diǎn)之上確立了本設(shè)計的系統(tǒng)搭建方案，給出了系統(tǒng)的總體原理框圖，確定了該系統(tǒng)要實現(xiàn)的功能。最后，根據(jù)系統(tǒng)要實現(xiàn)的功能進(jìn)行了系統(tǒng)的前面板設(shè)計并給出了前面板設(shè)計圖。第四章 系統(tǒng)硬件描述信號調(diào)理是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中最重要也是最易被忽視的一部分。許多傳感器都要求使用專門信號調(diào)理技術(shù)，而沒有哪種設(shè)備能為所有的傳感器提供各種類型的信號調(diào)理功能。比如說，熱電偶產(chǎn)生的是低電壓信號，它還需要進(jìn)一步的放大、過濾、以及線性化等處理。NI提供了兩類信號調(diào)理模塊，一類為SCXI信號調(diào)理模塊，另外一類為SCC信號調(diào)理模塊。SCXI是一種高性能，USB可控制的多通道的信號調(diào)理和矩陣開發(fā)平臺，與M系列、S系列和模塊化儀器設(shè)備兼容。一套SCXI系統(tǒng)通常由一個或多個堅固的機(jī)箱組成，內(nèi)裝多個信號調(diào)理模塊，可對傳感器信號或者高電壓信號進(jìn)行調(diào)理。SCC模塊是針對基于測量測試及自動化系統(tǒng)所使用的高度模塊化、低成本的信號調(diào)理系統(tǒng)。它提供了一個緊湊、便攜式的系統(tǒng)，以便進(jìn)行單雙通道信號調(diào)理和連接，系統(tǒng)可以調(diào)節(jié)各種模擬信號和數(shù)字信號，是便攜式模塊化信號調(diào)理系統(tǒng)，可與M系列S系列的便攜式數(shù)據(jù)采集設(shè)備配合使用。 NI SCC信號調(diào)理模塊簡介2001年3月5日，美國NI公司發(fā)布的SCC信號調(diào)理模塊，能滿足頻率電壓的轉(zhuǎn)換，以及集成電路壓電加速度計和熱電阻溫度探測器的應(yīng)用。NI SCC產(chǎn)品可調(diào)理各種模擬輸入和數(shù)字信號，其模塊化設(shè)計方便且以通道為單位進(jìn)行信號調(diào)理。SCC提供了自定義的連接選項以配合感應(yīng)器或信號連接的類型。其小板外盒十分適合與便攜式應(yīng)用中的PCMCIA DAQ Card和DAQ Pads配合使用。SCC信號調(diào)理模塊可安裝在SCC2345系列基座盒中，在這個具有屏蔽功能的基座內(nèi)，最多可以放置20個模塊和電纜，并可直接連接到一個M系列設(shè)備上。可通過DAQ上的5VDC電源或外接電源，或選用交流整流器來向SC2345和SCC模塊供電。SCC系統(tǒng)是由單通道和雙通道兩種模塊組合而成，可以調(diào)節(jié)RTD、熱電偶信號、加速計、應(yīng)變片、隔離模擬輸入、020mA電流以及高電壓輸入。SCCTC模塊可以將熱電偶輸出的毫伏級的微弱電壓直接轉(zhuǎn)化成所測的溫度。使用者不必通過對熱電偶信號進(jìn)行放大轉(zhuǎn)換成數(shù)據(jù)采集卡可以識別的信號，再計算這個電壓信號所對應(yīng)的溫度值，大大方便了用戶。在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，被檢測的物理量經(jīng)過傳感器變換成模擬信號，往往是微伏級的微弱信號，需要用放大器加以放大后送給A/D轉(zhuǎn)換器?，F(xiàn)在市場上可以采購到的各種放大器(如通用運(yùn)算放大器、測量放大器)中，由于通用放大器一般都具有毫伏級的失調(diào)電壓和每度數(shù)微伏的溫漂。因此，通用運(yùn)算放大器不能直接用于放大微弱信號，而測量放大器則能較好的完成此功能。測量放大器是一種帶有精密差動電壓增益的器件，由于它具有高輸人阻抗、低輸出阻抗、較強(qiáng)的抗共模干擾能力、低溫漂、低失調(diào)電壓和高穩(wěn)定增益等特點(diǎn)，使其在檢測微弱信號的系統(tǒng)中被廣泛用作前置放大器。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中常用測量放大器有AD623。由于本系統(tǒng)采用的是NI公司的6221板卡，有與其相配套的SCCTC模塊，它內(nèi)部集成了放大，線性化的電路。所以本設(shè)計對此部分沒有沒有做詳細(xì)的介紹。濾波電路是一種選頻裝置，可以使信號中特定的頻率成分通過，而極大地衰減其它頻率成分。在前置通道中利用濾波電路的這種篩選作用，可以濾除干擾噪聲。系統(tǒng)接收到的模擬信號中總是混有噪聲成分，而我們關(guān)心的有用信號的頻譜一般只占整個信號頻譜的一部分；另外，為防止采樣后的信號頻率產(chǎn)生混疊，需要在A/D轉(zhuǎn)換器前加濾波電路，以濾掉信號中的一部分噪聲和不需要的頻率范圍的信號，改變輸出模擬信號的信噪比。模擬濾波電路可分為無源濾波電路和有源濾波電路。無源濾波電路一般由電阻、電容、電感網(wǎng)絡(luò)組成，其缺點(diǎn)是濾波電路的通帶放大倍數(shù)及其截止頻率都隨負(fù)載而變化，常常不符合信號處理的要求。有源濾波電路一般由RC網(wǎng)絡(luò)和集成運(yùn)放組成，它很好的克服了無源濾波電路的缺點(diǎn)，因而被廣泛采用。有源濾波器廣泛應(yīng)用于各種系統(tǒng)中，尤其是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。傳統(tǒng)的有源濾波器經(jīng)常采用運(yùn)算放大器、電阻、電容等元件構(gòu)成有源濾波器，一旦電阻、電容值確定以后，濾波器的參數(shù)就確定下來，不能實時改變，因此局限性很大，特別是當(dāng)系統(tǒng)的濾波特性要求實時改變時，這種有源濾波器的弱點(diǎn)就突出的暴露出來。近年來，有一種有源濾波器器件快速的發(fā)展起來—開關(guān)電容濾波器。它的工作原理是采用時鐘信號控制一個電容網(wǎng)絡(luò)，通過動態(tài)的改變電容網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)實現(xiàn)低通、帶通、高通、帶阻等濾波特性。如MAXIM公司的MAX262就是一種性能非常優(yōu)良的開關(guān)電容濾波器該芯片內(nèi)集成了設(shè)計濾波器所需的電阻電容，由其構(gòu)成的濾波器的中心頻率、Q值是可編程的，通過數(shù)字接口很方便與DSP、FPGA等數(shù)字器件連接，使用起來非常方便。此外比較常用的還有低通濾波電路MAX280。虛擬儀器的硬件平臺由計算機(jī)和I/O接口設(shè)備兩部分組成。I/O接口設(shè)備主要執(zhí)行信號的輸入采集、放大與模/數(shù)或數(shù)/模轉(zhuǎn)換的任務(wù)。對于單臺虛擬儀器而言，Labwindows/CVI所涉及的I/O接口設(shè)備是數(shù)據(jù)采集卡。對于多臺虛擬儀器組成的儀器測量控制系統(tǒng)來說，Labwindows/CVI所涉及的I/O接口設(shè)備為總線。總線的類型有：GPIB/GPIB 、RS23VISA和VXI等總線。I/O接口設(shè)備的驅(qū)動是虛擬儀器實現(xiàn)對真實物理信號采集的基礎(chǔ)。因此，I/O接口設(shè)備的驅(qū)動是虛擬儀器系統(tǒng)的重要環(huán)節(jié)。Labwindows/CVI獲取數(shù)據(jù)的方法是通過I/O接口設(shè)備的驅(qū)動來完成的。通過數(shù)據(jù)采集卡獲取數(shù)據(jù)是虛擬儀器獲取數(shù)據(jù)的渠道之一，也是構(gòu)成虛擬儀器的最基本方式。通過數(shù)據(jù)采集卡獲取數(shù)據(jù)的虛擬儀器稱為PCDAQ（Data Acquisition，數(shù)據(jù)采集)卡式儀器。數(shù)據(jù)采集卡為I/O接口設(shè)備，對I/O接口設(shè)備的驅(qū)動是通過相應(yīng)的庫函數(shù)來實現(xiàn)的。數(shù)據(jù)采集卡主要由以下四部分組成：1)多路開關(guān)多路開關(guān)將多路信號輪流切換到放大器的輸入端，以實現(xiàn)多路信號的分時采集。2)放大器放大器將待采集的信號放大或衰減至采樣環(huán)節(jié)的量程范圍內(nèi)。在實際系統(tǒng)中，放大器的增益通常是可調(diào)的，設(shè)計者可根據(jù)輸入信號幅值的大小選擇不同的增益倍數(shù)。3)采樣保持器采樣保持器取出待測信號在某一時刻的瞬時值，即實現(xiàn)信號的時間離散化，并在A/D轉(zhuǎn)換過程中保持信號不變。如果被測信號變化很慢，也可不用采樣保持器。4)A/D轉(zhuǎn)換器A/D轉(zhuǎn)換器是將輸入的模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量輸出，并完成信號幅值的量化。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，通常將采樣保持器同A/D轉(zhuǎn)換器集成在一塊芯片上。以上四個部分都處在計算機(jī)的前向通道上，是組成數(shù)據(jù)采集卡的主要部分。其他相關(guān)電路，如定時/計數(shù)器、總線接口電路等，也集成在一塊電路板上，以完成對信號的采集、放大及模/數(shù)轉(zhuǎn)換任務(wù)。很多數(shù)據(jù)采