高精度多通道數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集與監(jiān)控系統(tǒng)

岳　丹，宋克非，張佩杰，徐抒巖，聶海濤

(1．中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，吉林長(zhǎng)春　130033；2．中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京　100039)

0　引言

在空間遙感及機(jī)載電子設(shè)備的研制和開發(fā)中，需要功能完備的地面檢測(cè)設(shè)備。精確實(shí)時(shí)的地面遙測(cè)信號(hào)檢測(cè)才能保證航空機(jī)載電子設(shè)備的質(zhì)量。在地面檢測(cè)時(shí)，需要對(duì)航空電子設(shè)備的各種遙測(cè)信號(hào)進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的精確測(cè)量和數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)記錄、處理及分析。以往采用人工進(jìn)行檢測(cè)，測(cè)量人員攜帶手持設(shè)備進(jìn)入實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)測(cè)量。缺點(diǎn)是：只能單點(diǎn)測(cè)量，多種信號(hào)無(wú)法同時(shí)測(cè)量；間隔較小的檢測(cè)無(wú)法記錄；檢測(cè)員工作量大，效率低；存在人工判讀記錄誤差；檢測(cè)員在實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)本身影響環(huán)境參數(shù)導(dǎo)致設(shè)備遙測(cè)信號(hào)存在誤差。

針對(duì)以上問(wèn)題，開發(fā)了一種在VC++平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)的基于KEITHLEY2700數(shù)據(jù)采集模塊的高精度多通道數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集與監(jiān)控系統(tǒng)。該監(jiān)控系統(tǒng)能夠有效地對(duì)空間電子設(shè)備的遙測(cè)參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集、監(jiān)控與儲(chǔ)存，并對(duì)采集的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)繪制曲線，計(jì)算均值方差。

1　系統(tǒng)方案

數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集與監(jiān)控系統(tǒng)由底層測(cè)量傳感器、KEITHLE7700(簡(jiǎn)稱為7700)采集模塊、KEITHLE2700(簡(jiǎn)稱為2700)采集儀、上位機(jī)應(yīng)用軟件組成，如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

底層傳感器將各種待測(cè)信號(hào)量轉(zhuǎn)化為KEITHLEY7700模塊可以采集的信號(hào)種類。當(dāng)前市場(chǎng)上的傳感器輸出信號(hào)基本上都是標(biāo)準(zhǔn)的電流或電壓信號(hào)。只要配備不同物理量的傳感器，就可以測(cè)量各種類型的參數(shù)，例如位移、相位、轉(zhuǎn)速、溫度、壓力、流量、相對(duì)濕度、照度和功率等，形成多參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。KEITHLEY7700數(shù)據(jù)采集模塊擁有20個(gè)差分輸入通道，每個(gè)通道可以設(shè)置獨(dú)立的信號(hào)采集類型，同時(shí)提供2路帶保護(hù)的電流輸入通道。KEITHLEY2700[1]是數(shù)字多用表、開關(guān)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集儀及數(shù)據(jù)記錄儀的多功能集成，能進(jìn)行數(shù)據(jù)采集及數(shù)據(jù)基本計(jì)算?？梢詼y(cè)量常規(guī)的電阻、交直流電流、交直流電壓等；還可以對(duì)溫度(接熱電偶、熱敏電阻)、頻率和周期直接測(cè)量。特點(diǎn)是測(cè)量精度高(22位)、速度快、范圍廣。2700擁有2個(gè)插槽可用于安裝7700模塊。上位機(jī)應(yīng)用軟件調(diào)用儀器驅(qū)動(dòng)IVI Driver提供的接口，向2700模塊發(fā)送命令、采集數(shù)據(jù)等。通過(guò)I/O Layer (VISA) IVI Driver與2700進(jìn)行通信。2700通過(guò)7700測(cè)量傳感器的信號(hào)值。

I/O Layer 是符合虛擬儀器軟件構(gòu)架(Virtual Instrument Software Architecture，簡(jiǎn)稱VISA[2])標(biāo)準(zhǔn)的底層函數(shù)集合，管理執(zhí)行上層軟件或IVI Driver與儀器的通信。IVI 是Interchangeable Virtual Instruments(可互換虛擬儀器技術(shù))的簡(jiǎn)稱，是一種在VISA 基礎(chǔ)上制定的驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。KEITHLEY 提供的IVI Driver可以實(shí)現(xiàn)對(duì)2700的所有儀器操作。計(jì)算機(jī)與2700模塊進(jìn)行通信需要調(diào)用I/O Layer標(biāo)準(zhǔn)底層函數(shù)集合，IVI Driver支持2700設(shè)備與計(jì)算機(jī)進(jìn)行GPIB總線通信方式和RS232串行通信。GPIB是一種總線通信方式，可以連接多臺(tái)儀器，相對(duì)速度較快。RS232適用于單機(jī)通信，通信速度較慢。系統(tǒng)采用RS232[3]串行通信方式。

2　系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)在VC++6．0平臺(tái)上進(jìn)行開發(fā)，設(shè)計(jì)出可視化界面[4]，建立與KEITHLEY2700模塊的通信，實(shí)現(xiàn)了對(duì)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集、儲(chǔ)存、繪圖以及簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)處理功能。

2．1硬件設(shè)計(jì)

2．1．1計(jì)算機(jī)和2700的硬件連接

KEITHLEY2700通過(guò)RS232與計(jì)算機(jī)相連。RS232電纜兩端，一端為公頭(DB9針式)，一端為母頭(DB9孔式)。2700端的硬件接口為DB9母接頭，PC端為DB9公接頭。

2700只使用發(fā)送、接收和信號(hào)地3個(gè)引腳，且發(fā)送和接收引腳與計(jì)算機(jī)相應(yīng)順序?qū)?，?jì)算機(jī)和2700的連接使用直通RS232連接線即可，如圖2所示。

圖2　2700和計(jì)算機(jī)的RS232連接方式圖

2．1．22700和7700的硬件連接

7700是2700的輸入擴(kuò)展模塊，2700后面板共有兩個(gè)插槽供7700擴(kuò)展模塊插入。上面的插槽為1號(hào)槽，下面的為2號(hào)槽。將7700模塊直接插入2700后面板插槽。2700上電后，7700及對(duì)應(yīng)的插槽的信息將會(huì)在前面板顯示出來(lái)。

2．1．37700和傳感器的硬件連接

大多數(shù)傳感器使用2根線輸出信號(hào)：信號(hào)輸出和信號(hào)地。對(duì)于兩線傳感器，信號(hào)線直接接在7700通道的HI端口上，信號(hào)地接在LO端口上。

對(duì)于三線的傳感器，一般能同時(shí)測(cè)量和輸出幾個(gè)信號(hào)。例如溫度濕度傳感器，能同時(shí)測(cè)量溫度和相對(duì)濕度，輸出信號(hào)采用三根線，一根輸出溫度信號(hào)，一根輸出相對(duì)濕度信號(hào)，一根輸出信號(hào)地。和7700連接時(shí)，只需將2根輸出信號(hào)線分別連接在兩個(gè)通道的HI端口上，再將這兩個(gè)通道的LO端口短接和傳感器的信號(hào)地連接。

7700模塊同時(shí)支持四線傳感器測(cè)量信號(hào)。選擇四線方式時(shí)，基本通道1～10將自動(dòng)與通道11～20配對(duì)。配對(duì)方式如下：通道01和通道11配對(duì)；通道02和通道12配對(duì)，以此類推。當(dāng)關(guān)閉某一通道時(shí)，與之配對(duì)的通道也同時(shí)關(guān)閉。

2．2通信設(shè)計(jì)模塊

在進(jìn)行上位機(jī)程序設(shè)計(jì)前，需先完成2700和PC上位機(jī)的通信。通過(guò)安裝I/O Layer和IVI Driver完成通信配置。安裝完成后，會(huì)在計(jì)算機(jī)自動(dòng)生成通信配置工具Keithley Configuration Panel和Keithley Communicator。運(yùn)行Keithley Configuration Panel，根據(jù)設(shè)備添加向?qū)砑佑布ㄐ旁O(shè)備。配置過(guò)程是：添加—選擇“serial”通信方式—選擇COM口—選擇波特率—選擇流控制方式—選擇儀器類型—設(shè)置連接名稱。COM口的選擇可以通過(guò)查看電腦的設(shè)備管理器找到相應(yīng)連接串口。設(shè)置通信波特率和流控制方式時(shí)需要和2700側(cè)設(shè)置的參數(shù)相同。

2．3上位機(jī)軟件程序模塊

上位機(jī)軟件程序中使用到所有和儀器相關(guān)的操作函數(shù)均是從IVI Drive中調(diào)用。在安裝IVI Driver的過(guò)程中，會(huì)將KEITHLEY2700的相關(guān)庫(kù)函數(shù)安裝到計(jì)算機(jī)中。在編寫程序前，需要先引入驅(qū)動(dòng)。需將包含庫(kù)文件的文件夾路徑設(shè)置到編輯環(huán)境中，同時(shí)在頭文件中需要包含2700模塊的頭文件“KE2700．h”和庫(kù)文件“KE2700．lib”。整個(gè)上位機(jī)程序流程圖如圖3所示。

圖3　上位機(jī)程序流程圖

2．3．1初始化儀器模塊

初始化儀器先建立儀器對(duì)象，再進(jìn)行有選擇的初始化。

建立儀器對(duì)象代碼：

vi=new ViSession( )；

有選擇初始化代碼：

nErr=KE2700_InitWithOptions("ASRL1：：INSTR"，VI_TRUE，VI_TRUE，OPTIONSTRING，vi)；

ASRL1：：INSTR表示采用Serial通信方式使用COM1口進(jìn)行通信。初始化同時(shí)調(diào)用儀器庫(kù)函數(shù)：KE2700_error_message(*vi，nErr，msgStr)；能及時(shí)返回初始化儀器失敗的各種錯(cuò)誤，并顯示在界面上，方便查找出錯(cuò)原因。

2．3．2參數(shù)設(shè)置模塊

初始化儀器成功后，可以對(duì)22個(gè)通道進(jìn)行設(shè)置。參數(shù)設(shè)置包括通道參數(shù)設(shè)置、儀器參數(shù)設(shè)置。

2.3.2.1通道參數(shù)設(shè)置

通道參數(shù)包括測(cè)量信號(hào)種類、測(cè)量信號(hào)范圍、測(cè)量精度及濾波參數(shù)的設(shè)置。測(cè)量信號(hào)種類的設(shè)置采用下拉列表框的形式進(jìn)行選擇，選擇的信號(hào)種類保存在變量中，根據(jù)不同的變量值能確定測(cè)量信號(hào)種類。22個(gè)通道能同時(shí)進(jìn)行獨(dú)立設(shè)置，完成不同信號(hào)類型的測(cè)量。以通道1為例說(shuō)明通道參數(shù)的設(shè)置過(guò)程：

Void CTCScanDlg：：OnSelchangeCombo1( )

{m_chan1=m_combochan1．GetCurSel( )；}

在下拉列表框中選擇通道1測(cè)量的信號(hào)種類，代表信號(hào)種類的索引值存在變量m_chan1中，通過(guò)switch語(yǔ)句判斷變量m_chan1的值，對(duì)通道參數(shù)進(jìn)行相應(yīng)設(shè)置。

nErr=KE2700_ConfigureMeasurement

(KE2700_ChannelList(*vi，"101")，

KE2700_VAL_2_WIRE_RES，KE2700_VAL_AUTO_RANGE_ON，0．1)；

此時(shí)通道101進(jìn)行2線電阻的測(cè)量，開啟自動(dòng)量程選擇，測(cè)量精度為0．1。

濾波參數(shù)設(shè)置：

nErr=KE2700_ConfigureFilter

(KE2700_ChannelList(*vi，"101")，KE2700_VAL_FILTER_REPEATING，10，0．1，VI_TRUE)；

表示對(duì)通道101進(jìn)行設(shè)置，采用的是重復(fù)濾波方式，參與濾波計(jì)算的數(shù)量是10個(gè)，濾波窗口為0.1%，濾波器狀態(tài)為濾波使能。

2．3．2．2儀器參數(shù)設(shè)置

儀器參數(shù)設(shè)置包括A/D轉(zhuǎn)化器積分時(shí)間、觸發(fā)器類型、記錄時(shí)間類型、緩存參數(shù)等一系列參數(shù)。其中A/D轉(zhuǎn)化器積分時(shí)間是與數(shù)據(jù)采集聯(lián)系最為緊密的參數(shù)，影響每次A/D轉(zhuǎn)換所需要的時(shí)間，直接影響到數(shù)據(jù)采集的速度。在實(shí)際的采集中，需要選擇合適的采集速度以保證得到準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。

nErr=KE2700_ConfigureApertureTimeInfo

(KE2700_ChannelList(*vi，"101")，

KE2700_VAL_RATE_MEDIUM，KE2700_VAL_POWER_LINE_CYCLES)；

含義是對(duì)通道101進(jìn)行設(shè)置，采用中速準(zhǔn)換速度，時(shí)間單位是交流電源的周期。

2．3．3數(shù)據(jù)采集模塊

在進(jìn)行采集之前，需判斷該通道是否被選擇進(jìn)行信號(hào)的采集。若未使用，在采集中就不對(duì)該通道進(jìn)行掃描。

nErr=KE2700_Read(KE2700_ChannelList

((*vi，"101")，maxTime，&rdBuffer[0])；

表示對(duì)通道101進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，采集回來(lái)的數(shù)據(jù)保存在rdBuffer中。maxTime表示完成采集所需的最長(zhǎng)時(shí)間。同時(shí)可以對(duì)采樣周期進(jìn)行設(shè)置，在單通道采集時(shí)，采樣周期最小可以設(shè)置到2 ms/次。

2．3．4實(shí)時(shí)顯示、自動(dòng)保存及數(shù)據(jù)處理模塊

實(shí)時(shí)顯示模塊采用ListBox控件，調(diào)用ListBox類的AddString函數(shù)即可將數(shù)據(jù)加載到Listbox中進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。ListBox具有豎直滾動(dòng)條，通過(guò)拉動(dòng)豎直滾動(dòng)條，可以觀看當(dāng)前及歷史數(shù)據(jù)。索引ListBox中的數(shù)據(jù)自動(dòng)保存到TXT文檔，文檔以保存時(shí)間自動(dòng)命名。界面開發(fā)了自動(dòng)保存數(shù)據(jù)數(shù)目及文檔保存路徑的設(shè)置。

數(shù)據(jù)處理主要包括對(duì)各個(gè)通道數(shù)據(jù)求均值及方差。均值和方差隨著數(shù)據(jù)采集實(shí)時(shí)計(jì)算顯示在界面上。

2．3．5繪圖模塊

系統(tǒng)引入TeeChart控件實(shí)現(xiàn)曲線實(shí)時(shí)繪制．使用時(shí)必須先在Windows中注冊(cè)。系統(tǒng)中采用Regsvr32．exe進(jìn)行注冊(cè)。點(diǎn)擊Windows的“開始→運(yùn)行”菜單，在對(duì)話框中輸命令“regsvr32 TeeChart5．ocx”進(jìn)行注冊(cè)。

完成注冊(cè)后，在VC工程中按照如下路徑進(jìn)行控件的添加。Project—Add To Project—Components and Controls Gallery—Registered ActiveX Controls—TeeChart Pro Activex control v5。完成控件添加后，可以使用控件為 22個(gè)通道手動(dòng)添加曲線。添加時(shí)使用不同顏色及虛實(shí)的線條以區(qū)分22個(gè)通道的實(shí)時(shí)曲線。

m_chart．Series(0)．FillSampleValues(0．05)；

//為通道1添加曲線系列0

m_chart．Series(0)．Add(rdBuffer[0]，stime，1)；

//將通道1數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)賦值于曲線0

m_chart．GetAxis()．GetBottom()．Scroll(1．0，TRUE)；

//曲線實(shí)時(shí)顯示

3　試驗(yàn)結(jié)果分析

圖4為該系統(tǒng)應(yīng)用于FY-3A氣象衛(wèi)星某載荷地檢設(shè)備實(shí)驗(yàn)中的界面截圖。使用該系統(tǒng)對(duì)設(shè)備遙測(cè)參數(shù)中的關(guān)鍵遙測(cè)電壓值進(jìn)行了測(cè)量。該電壓值直接反應(yīng)了紫外臭氧垂直探測(cè)儀[5]中XX元件的在軌性能指標(biāo)。遙測(cè)參數(shù)測(cè)量精度高，數(shù)據(jù)有效位為小數(shù)點(diǎn)后3位，能精確實(shí)時(shí)反映器件的在軌性能；曲線于界面上動(dòng)態(tài)顯示，直觀反應(yīng)采集的遙測(cè)參數(shù)的變化，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控；均值和方差實(shí)時(shí)計(jì)算，計(jì)算精度高，誤差?。煌瑫r(shí)曲線可以實(shí)時(shí)放大和縮小，便于數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)精確觀察和監(jiān)控。

圖4　Keithley數(shù)據(jù)采集監(jiān)控儀界面圖

該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)為機(jī)載航空電子設(shè)備各部件地面模擬在軌性能指標(biāo)提供了實(shí)時(shí)有效的監(jiān)控途徑，為航空機(jī)載電子設(shè)備的質(zhì)量提供了有力的保證。

4　結(jié)束語(yǔ)

介紹了基于KEITHLEY2700模塊在VC++6．0平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)的多通道數(shù)據(jù)高精度實(shí)時(shí)采集與監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。KEITHLEY2700采集頻率高，速度快，保證了數(shù)據(jù)采集的實(shí)時(shí)性和可靠性；實(shí)時(shí)作圖功能以及數(shù)據(jù)處理功能的實(shí)現(xiàn)，使研究人員能夠直觀地分析數(shù)據(jù)變化的動(dòng)態(tài)特性，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)控；采用靈活的保存操作，完成數(shù)據(jù)的自動(dòng)實(shí)時(shí)存儲(chǔ)。

目前該系統(tǒng)已被用于各種空間遙感設(shè)備電子學(xué)地檢設(shè)備試驗(yàn)中，對(duì)設(shè)備的各種遙測(cè)參數(shù)進(jìn)行測(cè)量及監(jiān)控。試驗(yàn)結(jié)果證明該系統(tǒng)具有實(shí)時(shí)性好、操作方便以及實(shí)用性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，能夠滿足數(shù)據(jù)的高精度實(shí)時(shí)采集與監(jiān)控的要求。

參考文獻(xiàn)：

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