基于USB-6281的高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

孫玲

（江蘇信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子信息工程系，江蘇無錫214153）

數(shù)據(jù)采集在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)及科學(xué)研究中的重要地位日益突出，在信號測量、圖像處理、音頻信號處理等測量中，都要求進(jìn)行高速、高精度的數(shù)據(jù)采集。這就對數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提出了2方面的要求：1）要求接口簡單靈活且有較高的數(shù)據(jù)傳輸率；2）由于數(shù)據(jù)量通常較大，要求主機(jī)能夠?qū)?shù)據(jù)做出快速反應(yīng)，并及時(shí)進(jìn)行分析和處理。常用的數(shù)據(jù)采集卡一般是PCI卡或是ISA卡，這些采集卡存在諸多缺點(diǎn)，比如安裝不方便，傳輸速度慢，受計(jì)算機(jī)插槽數(shù)量、地址、中斷等資源的限制，可擴(kuò)展性差等。而通用串行總線（Universal Serial Bus，簡稱USB）具有高傳輸速度、易擴(kuò)展、熱插拔和即插即用等特點(diǎn)，很好地克服了數(shù)據(jù)采集卡的缺點(diǎn)，容易實(shí)現(xiàn)低成本、高可靠性、多點(diǎn)的數(shù)據(jù)采集[1-2]。

USB-6281是National Instruments推出的一款USB高精度多功能M系列數(shù)據(jù)采集（DAQ）板卡，在高采樣率下也能保持高精度。USB-6281是專為移動(dòng)應(yīng)用或空間上有限制的應(yīng)用設(shè)計(jì)的，其即插即用的安裝最大程度降低了配置和設(shè)置時(shí)間，同時(shí)它直接與螺絲端子相連，從而降低了成本并簡化信號的連接。NI-DAQmx驅(qū)動(dòng)程序和測量服務(wù)軟件提供了簡單易用的配置和編程界面，以USB-6281為硬件平臺，借助其提供的USB接口和NI-DAQmx驅(qū)動(dòng)軟件，采用VC++高級語言編程，完成數(shù)據(jù)高速采集系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 USB-6281簡介[3-5]

USB-6281適用于地質(zhì)監(jiān)測、材料分析、環(huán)境感知、光學(xué)、光譜學(xué)、結(jié)構(gòu)測量及氣體探測，還包括醫(yī)療設(shè)備儀器，如心率監(jiān)測等儀器測試等領(lǐng)域。其主要特性如下：1）包含18位A/D轉(zhuǎn)換器，相比傳統(tǒng)16位設(shè)備其分辨率提高4倍，同時(shí)還提供了增強(qiáng)型模擬輸出通道，能夠?qū)崿F(xiàn)量程及偏移量可編程設(shè)定；2）集成了NI-PGIA 2自定義放大器和NI-MCal自校準(zhǔn)來縮短校準(zhǔn)時(shí)間，提高精度。板載的低通濾波器能夠通過編程消除高頻噪聲，從而進(jìn)一步提高測量精度。在±10 V范圍內(nèi)分辨力可達(dá)980 μV，在±100 mV范圍內(nèi)可達(dá)28 μV；3）NI信號讀寫實(shí)現(xiàn)USB上的雙向高速數(shù)據(jù)流；4）具有16條單端或8條差分的模擬輸入通道，2條模擬輸出通道及24位數(shù)字I/O通道（DIO），提供高達(dá)625 kS/s的18位模擬輸入（掃描時(shí)速度為500 kS/s）、速度為833 kS/s的16位模擬輸出；5）包含NI-DAQmx驅(qū)動(dòng)軟件和NI LabVIEW SignalExpress LE。NIDAQmx驅(qū)動(dòng)具有節(jié)省開發(fā)時(shí)間的特點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)LabVIEW圖形化開發(fā)環(huán)境及基于文本語言（如ANSI C/C++、C#、Visual Basic.NET及Visual Basic 6.0）的代碼生成，包含超過3 000種測量實(shí)例、仿真設(shè)備及接線圖。

1.2 系統(tǒng)構(gòu)成

基于USB-6281的高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 基于USB-6281的高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Diagram of high speed data acquisition system based on USB-6281

采用NI的USB-6281數(shù)據(jù)采集卡以400 kHz的采樣頻率對被測信號進(jìn)行波形數(shù)據(jù)采集，然后對采集數(shù)據(jù)進(jìn)行正弦波擬合，通過提取出正弦信號的幅度、頻率等參數(shù)，計(jì)算出擬合正弦曲線。測量數(shù)據(jù)與擬合曲線模型對應(yīng)點(diǎn)的偏差值作為相應(yīng)點(diǎn)波形失真測量值，然后計(jì)算出測量序列的失真有效值，進(jìn)而最終獲得被測信號總失真度的測量值。

目前測量信號失真度的原理大致分為2類：基波剔除法和頻譜分析法。本文采用頻譜分析法，即通過計(jì)算出各次諧波的大小來計(jì)算失真度。測量方法采用數(shù)字化方法，先通過將信號數(shù)字化并送入計(jì)算機(jī)，再由計(jì)算機(jī)計(jì)算出失真度。失真度的計(jì)算方法采用快速傅里葉變換法（FFT），快速傅里葉變換比直接傅里葉變換（DFT）在計(jì)算量上要小得多。采用FFT對量化后的被測信號處理，獲得基波和各次諧波的電壓，從而計(jì)算出失真度。這種方法實(shí)現(xiàn)起來比較簡單，而且通過一些補(bǔ)償算法可以有效減少誤差[6]。

計(jì)算機(jī)通過高速數(shù)字采集卡采集被測信號，經(jīng)A／D轉(zhuǎn)換后讀入計(jì)算機(jī)，由計(jì)算機(jī)對采集的信號進(jìn)行FFT變換，形成被測信號的二維幅度—頻率數(shù)組。計(jì)算機(jī)顯示出信號的幅度—頻率特性曲線，同時(shí)，對數(shù)組計(jì)算得到基波系數(shù)和各次諧波系數(shù)，最后，由基波和各次諧波系數(shù)計(jì)算出失真度。諧波失真是諧波分量的幅值和基波幅值的相對量[7]，假如基波的幅值是A1，而二次諧波的幅值是A2，三次諧波的幅值是A3，N次諧波的幅值是AN，總諧波失真THD為

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

利用NI-DAQmx驅(qū)動(dòng)軟件和VC++，設(shè)計(jì)本系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集流程圖如圖2所示，并給出主要部分程序代碼。

圖2 系統(tǒng)流程Fig.2 Flow chart of system

//設(shè)置波形發(fā)生任務(wù)

DAQmxErrChk（DAQmxCreateTask（“”，&taskHandleVo））；

DAQmxErrChk（DAQmxCreateAOVoltageChan（taskHandleVo，

“Dev1/ao0”，“”，-1.5，1.5，DAQmx_Val_Volts，NULL））；DAQmxErrChk（DAQmxCfgSampClkTiming（taskHandleVo，“”，OUTFREQ，

DAQmx_Val_Rising，DAQmx_Val_ContSamps,OUTOUNT））；

DAQmxErrChk（DAQmxRegisterDoneEvent（taskHandleVo，0，DoneCallback，NULL））；

//把波形數(shù)據(jù)送到采集卡

DAQmxErrChk（DAQmxWriteAnalogF64（taskHandleVo，OUTCOUNT，0，10.0，

DAQmx_Val_GroupByChannel，dataout，&write，NULL））；

//設(shè)置采樣任務(wù)

DAQmxErrChk（DAQmxCreateTask（“”，&taskHandleVi））；

DAQmxErrChk（DAQmxCreateAIVoltageChan（taskHandle-Vi，“Dev1/ai0”，“”，

DAQmx_Val_Cfg_Default，-10.0，10.0，DAQmx_Val_Volts，NULL））；

DAQmxErrChk（DAQmxCfgSampClkTiming（taskHandleVi，“”，SCANFREQ，

DAQmx_Val_Rising，DAQmx_Val_FiniteSamps，SCANCOUNT））；

//開始產(chǎn)生正弦波形

DAQmxErrChk（DAQmxStartTask（taskHandleVo））；

//開始采樣任務(wù)

DAQmxErrChk（DAQmxStartTask（taskHandleVi））；

//從采集卡讀取測量到的數(shù)據(jù)

DAQmxErrChk（DAQmxReadAnalogF64（taskHandleVi，-1，10.0，

DAQmx_Val_GroupByChannel，datain，SCANCOUNT，&read，NULL））；

//輸出幅度（峰峰值）

Vout.SetTestResult（j，0，（maxvalue-minvalue））；

Vout.SetTestResult（j，0，sqrt（rms/SCANCOUNT）*2.828）；

//作FFT變換

FftConvert（datain，SCANCOUNT）；

//計(jì)算失真度（10個(gè)諧波）后，關(guān)閉設(shè)備

DAQmxStopTask（taskHandleVi）；

DAQmxStopTask（taskHandleVi）；

DAQmxStopTask（taskHandleVo）；

Error：

if（DAQmxFailed（error））

{

DAQmxGetExtendedErrorInfo（errBuff，2048）；

MessageBox（NULL，errBuff，NULL，0）；

}

//結(jié)束波形采樣任務(wù)

DAQmxStopTask（taskHandleVi）；

DAQmxClearTask（taskHandleVi）；

//結(jié)束波形輸出任務(wù)

DAQmxStopTask（taskHandleVo）；

DAQmxClearTask（taskHandleVo）；

if（DAQmxFailed（error））{}

//printf（“DAQmx Error：%s＼n”，errBuff）；

//printf（“End of program，press Enter key to quit＼n”）；

DAQmxErrChk（status）；

Error：

if（DAQmxFailed（error））

DAQmxGetExtendedErrorInfo（errBuff，2048）；

DAQmxClearTask（taskHandle）；

printf（“DAQmx Error：%s＼n”，errBuff）；

//FFT函數(shù)調(diào)用

void FftConvert（float64 xrt[]，int npoint）

//計(jì)算旋轉(zhuǎn)因子

void Calculcf（）

//數(shù)據(jù)作蝶形排列

void ChangeOrder（float64 xr[]，float64 xi[]，int N）

//FFT函數(shù)實(shí)現(xiàn)

void Fft（float64 xr[]，int npoint）

3 測試結(jié)果

實(shí)際應(yīng)用中對正弦信號進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，對一個(gè)1 kHz的正弦波，用400 kHz的采樣頻率，采樣點(diǎn)數(shù)為4 096、單通道情況下進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。圖3是采集數(shù)據(jù)的圖形顯示，頻率為0.976 kHz，說明本采樣系統(tǒng)能夠精確采樣。

4 結(jié)束語

圖3 采集數(shù)據(jù)的圖形顯示Fig.3 Graphical display of data acquisition system

本系統(tǒng)采用NI的USB-6281作為高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的硬件平臺，以NI-DAQmx驅(qū)動(dòng)軟件和VC++為編程語言，實(shí)現(xiàn)了高速數(shù)據(jù)采集。USB總線接口使用方便，熱插拔，即插即用，節(jié)省系統(tǒng)資源，成本低，性能可靠，在高采樣率下也能保持高精度。NI-DAQmx驅(qū)動(dòng)程序和測量服務(wù)軟件提供了簡單易用的配置和編程界面，系統(tǒng)的擴(kuò)展性和通用性好，應(yīng)用面廣,可實(shí)現(xiàn)對工業(yè)生產(chǎn)中諸如溫度、壓力等各種物理量的測量和顯示。

[1]趙鵬，羅文廣，王伍成.基于USB2.0的高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].電子測量技術(shù)，2009，32（10）：136-139，142.

ZHAO Peng，LUO Wen-guang，WANG Wu-cheng.Design and implementation of the high speed data acquisition system based on USB2.0[J].Electronic Measurement Technology，2009，32（10）：136-139，142.

[2]李朋勃，張洪平.基于USB2.0的高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2009，35（10）：109-112.

LI Peng-bo，ZHANG Hong-ping.High-speed data acquisition system based on USB2.0[J].Application of Electronic Technique，2009，35（10）：109-112.

[3]美國國家儀器公司.NI推出高精度多功能USB接口數(shù)據(jù)采集設(shè)備[EB/OL].（2008-05-04）[2009-07-20].http：//www.gkong.com/co/ni/news_detail.asp?news_id=21419.

[4]葉果，李威，王禹橋，等.基于PCI-1716的高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].微計(jì)算機(jī)信息，2009，25（4）：86-88.

YE Guo，LI Wei，WANG Yu-qiao，et al.A design for high speed data acquisition system based on PCI-1716[J].Microcomputer Information，2009，25（4）：86-88.

[5]周承仙，李仰軍，武錦輝，等.基于LabWindows/CVI的多路高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電子測量技術(shù)，2007，30（12）：66-69.

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[6]應(yīng)懷樵.波形和頻譜分析與隨機(jī)數(shù)據(jù)處理[M].北京：中國鐵道出版社，1983.

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