基于虛擬儀器技術(shù)的高速多通道信號(hào)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李忠奎

（煤炭科學(xué)研究總院 北京 100013）

1986年，美國國家儀器公司首先提出虛擬儀器的概念。虛擬儀器通過軟件將計(jì)算機(jī)硬件資源(如微處理器、內(nèi)存、顯示器等)與儀器硬件（如A/D、D/A、數(shù)字I/O、定時(shí)器、信號(hào)調(diào)理等）有機(jī)的融合為一體，大大縮小了儀器硬件的成本和體積，并通過軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的顯示、存儲(chǔ)以及分析處理。它的最大特點(diǎn)是以軟件為儀器的主要組成部分，因此NI提出了“軟件就是儀器”的概念[1]。這是虛擬儀器技術(shù)核心強(qiáng)調(diào)的測(cè)試?yán)砟頪2]。

爆炸應(yīng)力波測(cè)試[3]要求系統(tǒng)同時(shí)測(cè)試64通道爆炸應(yīng)力波數(shù)據(jù)，爆炸應(yīng)力波頻率高，數(shù)據(jù)量大，并且需要多通道數(shù)據(jù)處理分析，其中多路并行的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和先進(jìn)的信號(hào)預(yù)處理技術(shù)是測(cè)試的關(guān)鍵技術(shù)。通過對(duì)傳統(tǒng)的測(cè)試儀器調(diào)研，這些儀器不僅可測(cè)試的通道數(shù)少，采樣點(diǎn)數(shù)少，而且購買這些儀器的費(fèi)用較高，不能滿足本項(xiàng)目測(cè)試技術(shù)要求。采用基于計(jì)算機(jī)、A/D采集卡和LabVIEW軟件的虛擬儀器測(cè)試系統(tǒng)，能進(jìn)行多通道高速同時(shí)采樣分析，不僅降低了投入成本，而且系統(tǒng)開發(fā)速度快，大大降低了測(cè)試系統(tǒng)的開發(fā)周期。對(duì)于特殊要求的科學(xué)實(shí)驗(yàn)用測(cè)試系統(tǒng)，虛擬儀器技術(shù)以其高效開發(fā)性能和較低的成本投入，充分體現(xiàn)了其優(yōu)勢(shì)和價(jià)值。

1 系統(tǒng)組成及工作原理

系統(tǒng)主要由計(jì)算機(jī)、信號(hào)采集卡、電荷放大器、傳感器、低噪聲電纜和測(cè)試軟件等組成。系統(tǒng)工作原理如下：傳感器拾取爆炸應(yīng)力波信號(hào)，經(jīng)由低噪聲電纜傳送至電荷放大器,微弱的振動(dòng)信號(hào)經(jīng)電荷放大器轉(zhuǎn)換、放大成電壓信號(hào)，經(jīng)由電纜傳送至AD采集卡，經(jīng)AD卡轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，測(cè)試軟件控制進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)記錄、數(shù)據(jù)分析和處理。系統(tǒng)工作原理圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)工作原理圖Fig.1 Fundamental diagram of the system

為了保證采集信號(hào)的高效性和完整性，設(shè)置系統(tǒng)工作在信號(hào)觸發(fā)方式，并進(jìn)行采集信號(hào)預(yù)存儲(chǔ)。為了保證采集信號(hào)的可靠性，采用低噪聲電纜進(jìn)行信號(hào)傳輸，并增加了模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)的濾波處理。

2 信號(hào)采集卡

General Standards Corporation是專業(yè)研發(fā)和生產(chǎn)高性能，基于PMC、PCI、VME等總線技術(shù)的模擬量I/O、數(shù)字量I/O和串口I/O。其新研發(fā)的PCI66-18AI32SSC1M模擬I/O卡，具有32個(gè)模擬輸入通道，可同時(shí)工作，每通道1 M的采樣速率。采集卡功能結(jié)構(gòu)圖如圖2所示[4]。

采集卡技術(shù)指標(biāo)如下：32個(gè)模擬量輸入通道，每通道1MSPS，18位的ADC；所有通道同時(shí)采樣，最小的數(shù)據(jù)掃描時(shí)間；每通道采樣速率0～1 MSPS（總計(jì)32 MSPS采樣速率）；差分輸入，使信號(hào)噪聲和系統(tǒng)干擾最小；輸入量程范圍±10 V、±5 V、±2.5 V，軟件可選；256 k采樣FIFO數(shù)據(jù)緩沖區(qū)；SAR（逐次逼近法）ADC支持準(zhǔn)確的同步采樣，沒有最小的采樣速率限制；兼容66/33 MHz PCI，采樣常用的5/3.3 V信號(hào)；2通道的DMA引擎，支持批量和查詢方式的DMA傳送；采樣可以由內(nèi)部速率發(fā)生器、軟件或外部控制；連續(xù)、脈沖和單一采樣時(shí)鐘模式；可以通過前面板或內(nèi)部端口進(jìn)行多塊板硬件I/O同步操作；所有通道內(nèi)部自校準(zhǔn)；完全軟件可配置，無需區(qū)域跳線；也可以采用16位分辨率，從而降低成本。

圖2 采集卡功能結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Functional structure chart of acquisition card

采用兩塊PCI66-18AI32SSC1M模擬信號(hào)采集卡，設(shè)置兩塊卡進(jìn)行同時(shí)信號(hào)采集，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)同時(shí)測(cè)試64通道信號(hào)數(shù)據(jù)。采集卡配有LabVIEW的開發(fā)包，對(duì)采集卡的所有操作都可在開發(fā)包的基礎(chǔ)上進(jìn)行修改，大大簡(jiǎn)化了軟件編制的難度。

3 測(cè)試軟件設(shè)計(jì)

LabVIEW（Laboratory Virtual instrument Engineering Workbench）是一種圖形化的編程語言開發(fā)環(huán)境，它廣泛地被工業(yè)界、學(xué)術(shù)界和研究實(shí)驗(yàn)室所接受，視為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)采集和儀器控制軟件[5]。LabVIEW集成了與滿足 GPIB、VXI、RS-232和RS-485協(xié)議的硬件及數(shù)據(jù)采集卡通訊的全部功能，它還內(nèi)置了便于應(yīng)用TCP/IP、ActiveX等軟件標(biāo)準(zhǔn)的庫函數(shù)，這是一個(gè)功能強(qiáng)大且靈活的軟件，利用它可以方便地建立自己的虛擬儀器，其圖形化的界面使得編程及使用過程都生動(dòng)有趣[6]。

本系統(tǒng)軟件采用NI公司的LabVIEW軟件編制，編制軟件按照功能模塊進(jìn)行，主要功能模塊包括參數(shù)設(shè)置模塊（設(shè)置觸發(fā)方式、通道數(shù)、觸發(fā)電平、采樣頻率、采樣時(shí)間、觸發(fā)通道和文件路徑等）、數(shù)據(jù)分析模塊（數(shù)據(jù)濾波、頻譜分析和數(shù)據(jù)計(jì)算等）、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)顯示模塊（波形顯示、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、歷史數(shù)據(jù)回放、波形縮放和波形打印等）。參數(shù)設(shè)置功能模塊界面如圖3所示，參數(shù)設(shè)置程序如圖4所示，數(shù)據(jù)分析顯示界面如圖5所示。

圖3 軟件設(shè)置功能界面Fig.3 Setting function interface of the software

圖4 參數(shù)設(shè)置部分程序Fig.4 Program of the setting model

圖5 數(shù)據(jù)分析顯示界面Fig.5 Display interface of data analysis

4 系統(tǒng)測(cè)試實(shí)驗(yàn)

系統(tǒng)經(jīng)過實(shí)驗(yàn)室振動(dòng)標(biāo)定測(cè)試。用在實(shí)際礦山生產(chǎn)爆破爆炸應(yīng)力波測(cè)試，測(cè)得爆炸應(yīng)力波波形如圖6所示，測(cè)試數(shù)據(jù)和理論計(jì)算數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，數(shù)值大體相符。

5 結(jié)束語

圖6 實(shí)測(cè)應(yīng)力波形圖Fig.6 Actually measured stress curve

文中基于LabVIEW軟件和PCI66-18AI32SSC1M采集卡，設(shè)計(jì)了高速多通道信號(hào)采集系統(tǒng)，用于爆炸應(yīng)力波測(cè)試特殊需求。軟件設(shè)計(jì)采用了多功能、模塊化的程序設(shè)計(jì)方法，系統(tǒng)可以進(jìn)行多路高速并行數(shù)據(jù)采集和分析。 通過實(shí)際的采場(chǎng)生產(chǎn)爆破測(cè)試，取得了有效的數(shù)據(jù)。

[1]National Instruments.LabVIEW Tutorial Manual[Z].USA.1996.

[2]National Instruments.The LabVIEW Quick Start Guide[Z].USA.1996.

[3]李孝蘭.硬巖中大當(dāng)量地下爆炸應(yīng)力波的測(cè)試和分析[J].遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2001（8）:393-395.LI Xiao-lan.Stress wave measurement and analyses of the underground explosions in hard rock with large yield[J].Journal of Liaoning Technical University：Natural Science，2001（8）:393-395.

[4]General Standards Corporation.66-18AI32SSC1M[Z].USA.2010.

[5]陳樹學(xué)，劉萱.LabVIEW寶典[M].北京：電子工業(yè)出版社.2011.

[6]郭會(huì)軍，趙向陽，賈惠芹.基于LabVIEW的虛擬儀器設(shè)計(jì)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2003.