基于Compact RIO的遠程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設計*

李　斌　尚　超

(91388部隊94分隊　湛江　524001)

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基于Compact RIO的遠程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設計*

李斌尚超

(91388部隊94分隊湛江524001)

摘要論文提出了一種基于Compact RIO嵌入式系統(tǒng)的遠程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)多通道數(shù)據(jù)自動采集、存儲,并將采集到的信號通過網(wǎng)線傳輸?shù)缴衔粰C。通過結(jié)合Compact RIO高速數(shù)據(jù)處理能力和LabVIEW圖形化開發(fā)環(huán)境,實現(xiàn)了實時的高速采集和信號處理。文章對Compact RIO的數(shù)據(jù)采集模塊、信號存儲模塊及遠程監(jiān)測和控制模塊進行了詳細論述，并列舉了一個實驗室對系統(tǒng)測試的例子，驗證了整個系統(tǒng)的可行性和實用性。

關(guān)鍵詞Compact RIO; 遠程監(jiān)測; LabVIEW FPGA模塊; LabVIEW RT模塊

Class NumberTP393

1引言

傳統(tǒng)的信號采集是采集卡通過USB、PCI、PXI等總線連接PC機，采集卡完成對信號的采集，通過總線將采集到的信號發(fā)送到PC機，在PC機上完成對信號的存儲、顯示和處理分析。但總線的長度有限，不能適應遠程分布式信號采集的需求，因此，本文提出了一種基于Compact RIO的遠程自動數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，利用Compact RIO對信號進行采集，同時通過網(wǎng)線將采集到的信號傳輸?shù)絇C機，在PC機上即可以對信號存儲和分析，又可以對Compact RIO進行參數(shù)的設置和程序的編寫。所以，只要有網(wǎng)絡的地方，就可以對Compact RIO監(jiān)測和設置，真正實現(xiàn)了對待測信號的分布式監(jiān)測。

2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡介

系統(tǒng)主要由傳感器模塊、數(shù)據(jù)采集模塊和遠程控制監(jiān)測模塊組成，傳感器模塊選擇帶前置放大的水聽器，信號采集模塊選擇NI公司新推出的Compact RIO(可編程控制器)，遠程控制監(jiān)測模塊選用PC機。

圖1　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

NI Compact RIO硬件平臺是一個基于FPGA技術(shù)的嵌入式系統(tǒng)，包含一個嵌入式實時處理器和一個可重復配置I/O FPGA核的底板。FPGA芯片是Compact RIO體系結(jié)構(gòu)的核心,內(nèi)置數(shù)據(jù)傳輸機制，負責把數(shù)據(jù)傳到嵌入式處理器以進行實時分析、離線處理、數(shù)據(jù)記錄或與聯(lián)網(wǎng)主機通信。同時，利用LabVIEW FPGA基本的I/O功能，用戶可以直接訪問Compact RIO平臺的每個I/O模塊的輸入輸出電路。所有的I/O模塊都包含內(nèi)置的接口，信號調(diào)理、轉(zhuǎn)換電路(如ADC或DAC)，以及可選的隔離屏蔽，用戶根據(jù)測試需求可選用不同的I/O模塊。通過改變控制器上的I/O模塊，就可以實現(xiàn)不同的功能，I/O模塊包括各種模擬采集卡、數(shù)字采集卡、串口通訊卡等模塊。本系統(tǒng)選用的是CRIO9014編程控制器和NI 9215采集卡，采集卡的分辨率為16位，4路差分模擬輸入，每路最大采樣率為100kS/s。Compact RIO實物如圖2所示。

圖2　Compact RIO實物圖

3遠程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)程序設計

為了縮短信號采集及處理平臺軟件開發(fā)的周期，同時又便于程序的可讀性與可維護性，設計過程中采用了模塊化和結(jié)構(gòu)化編程的基本思路。軟件設計基于LabVIEW 2011開發(fā)環(huán)境，利用Real-Time和FPGA工具包，并借助信號采集及處理函數(shù)實現(xiàn)信號的采集、存儲、網(wǎng)絡傳輸?shù)裙δ?。軟件結(jié)構(gòu)分為兩層:Compact RIO平臺的程序設計以及上位PC機的程序設計。

3.1數(shù)據(jù)采集模塊

數(shù)據(jù)采集模塊是整個軟件的核心，只有采集到正確的信號才能夠?qū)π盘栠M行后續(xù)的處理，Compact RIO的數(shù)據(jù)采集是利用FPGA技術(shù)控制采集卡采集信號，通過FIFO將采集的信號傳送到RT上。

在FPGA程序中，主要用到兩個控件:FPGA I/O Node控件和Write FIFO控件。FPGA I/O Node控件用來執(zhí)行數(shù)據(jù)采集的操作，Write FIFO控件是將采集到的數(shù)據(jù)寫入FIFO中，在數(shù)據(jù)傳輸時，F(xiàn)PGA程序?qū)⒉杉降臄?shù)據(jù)先存儲到FIFO中，RT程序再從FIFO中讀取數(shù)據(jù)。通過FIFO實現(xiàn)了FPGA與RT的數(shù)據(jù)傳遞。FPGA VI部分程序框圖如圖3所示，While循環(huán)中，采用順序結(jié)構(gòu)執(zhí)行定時采集四通道的數(shù)據(jù)采集。數(shù)據(jù)在緩存過程中，由于是四通道的數(shù)據(jù)采集，為了保證通道之間的數(shù)據(jù)互不影響，使用函數(shù)選板中Build Array函數(shù)建立一維數(shù)組，然后將數(shù)據(jù)依次寫入DMA FIFO緩存區(qū)中。

圖3　FPGA程序框圖

在進行數(shù)據(jù)采集時,必須協(xié)調(diào)同步FPGA程序和RT程序,兩者工作采用握手方式，使RT程序通過觸發(fā)FPGA程序相應的屬性控制FPGA程序運行。在運行過程中,RT程序中首先需要配置FIFO的存儲深度，設置采集卡的采樣率，每次采集信號的采樣長度，同時完成信號的的存儲和分析。

圖4　RT程序框圖

3.2信號存儲模塊

Compact RIO存儲信號有兩種方式，一種是在RT上直接存儲信號，但RT內(nèi)存空間只有2G,不能進行大數(shù)據(jù)的存儲；另外一種方式是在Compact RIO的USB接口連接移動硬盤，完成大數(shù)據(jù)量的存儲，本文選擇的是連接512G的移動硬盤，將原始信號完好地存儲下來。數(shù)據(jù)存儲模塊子程序可以利用寫入測量文件VI存儲文件，在寫入測量文件VI的屬性中可以設置保存文件的類型，文件的類型主要有文本格式和二進制格式。如設置文件格式為基于文本的測量文件(.lvm)，則在文件名稱中設置文件擴展名為.lvm，如設置文件格式為二進制測量文件(.tdms)，則在文件名稱中設置文件擴展名為.tdms，本程序存儲的是tdms文件，以采集時刻的時間為文件名。

3.3遠程監(jiān)測和控制模塊

Compact RIO可實現(xiàn)對水下聲信號的采集，將Compact RIO和采集卡置于水下就可實現(xiàn)對水下目標的探測，Compact RIO控制器上有一個網(wǎng)口，只需一根網(wǎng)線就可以將信號傳輸給上位機，所以只要聯(lián)網(wǎng)的任意一臺計算機都可以實現(xiàn)對采集卡的監(jiān)測和控制。同時，上位機可以對Compact RIO進行設置，進行自動運行，也可以編寫信號采集程序和信號處理程序，實現(xiàn)對信號的保存和處理。

LabVIEW語言的編程中對測量數(shù)據(jù)共享有TCP/IP、Data Socket和VI Sever等技術(shù)。TCP/IP協(xié)議是計算機網(wǎng)絡協(xié)議的實施工業(yè)標準，LabVIEW開發(fā)軟件中提供了TCP/IP的開發(fā)工具包來實現(xiàn)在Internet中的通信功能；Data Socket是National Instrument提供的一種編程技術(shù)，為底層通訊協(xié)議提供了一致的API，借助它無需進行底層TCP編程就可以在不同的應用程序和數(shù)據(jù)源之間共享數(shù)據(jù)；VI Serve通過 Internet調(diào)用遠程機上的VI，就像調(diào)用本地Sub VI一樣完成參數(shù)傳遞，控制它的運行。

本系統(tǒng)的遠程測控采用LabVIEW中的TCP/IP的開發(fā)工具包，Compact RIO端為服務器，編寫相應的程序，上位機為客戶端，客戶端軟件首先要建立與服務器端的TCP/IP連接，并對用戶的儀器操作產(chǎn)生相應的SCPI指令，然后發(fā)往服務器端，并從服務器端讀取數(shù)據(jù)，然后在相應的面板上顯示出來。實現(xiàn)功能的子VI的流程圖如下圖5和圖6所示。

圖5　服務器端部分程序框圖

圖6　客戶端程序框圖

4試驗與結(jié)果分析

為了驗證系統(tǒng)的可行性，在實驗室對整個系統(tǒng)進行了實驗，利用信號發(fā)生器發(fā)射頻率為10KHz，寬度為10ms的單頻信號, 利用換能器將信號發(fā)射出來，Compact RIO的采集卡通過連接的接收水聽器接收換能器發(fā)出的水聲信號。本文選擇的是NI CRIO-9014及9215采集卡，可實現(xiàn)四通道的動態(tài)信號采集，每通道最大采樣率為100kS/s?；贑ompact RIO平臺實現(xiàn)四通道的數(shù)據(jù)采集，上位PC通過以太網(wǎng)進行實時遠程監(jiān)測，四路水聽器接收水聲信號，經(jīng)NI 9215采集卡采集后在CRIO-9014的FPGA底版上直接進行信號處理，通過FIFO將信號傳導RT端，在RT可以實現(xiàn)信號的存儲和進一步信號處理，用戶還可以通過點擊數(shù)據(jù)處理與分析模塊中不同選項來查看時域、頻域以及其它信息。結(jié)果表明，本文開發(fā)的遠程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)能夠滿足測試的要求。

圖7　遠程監(jiān)測平臺采集的水聲信號

5結(jié)語

本文利用虛擬儀器技術(shù)，結(jié)合NI公司的Compact RIO編程控制器及主控計算機，實現(xiàn)了一套集數(shù)據(jù)采集、存儲、顯示和信號實時處理于一身的綜合系統(tǒng)。與傳統(tǒng)的采集系統(tǒng)相比，本系統(tǒng)開發(fā)周期短、效率高,其可靠性、穩(wěn)定性、測試精度等方面性能優(yōu)越，并具備良好的擴展性和可維護性。同時，基于遠程監(jiān)測的模式，用戶可以在網(wǎng)絡上任意節(jié)點對設備的運行狀態(tài)進行監(jiān)測和對設備出現(xiàn)的異常狀態(tài)進行診斷，可實現(xiàn)分布式監(jiān)測和控制，有廣泛的應用前景。

參 考 文 獻

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Remote Data Acquisition System Design Based on Compact RIO

LI BinSHANG Chao

(Unit 94, No. 91388 Troops of PLA, Zhanjiang524001)

AbstractThis article proposes a remote data acquisition system based on NI Compact RIO. Multi-channel data acquisition and remote transmission are realized based on the Compact RIO platform. A high-speed sampling of real-time control and signal-processed has been implemented by a combination of strong data-processing capacity and LaBVIEW graphical development environment. each module of the system is discussed and a specific experimental example is listed, the feasibity and practicability of the system are validated.

Key WordsCompact RIO, remote monitoring, LabVIEW FPGA module, LabVIEW RT module

* 收稿日期：2015年11月13日,修回日期：2015年12月21日

作者簡介：李斌，男，工程師，研究方向：水聲信號處理。

中圖分類號TP393

DOI：10.3969/j.issn.1672-9730.2016.05.030