基于LabVIEW的采集數(shù)據(jù)快速文件存儲方法

李俊嬌,朱 磊,張曉丹,郭 華,遆 寧

(西安工程大學(xué) 電子信息學(xué)院,陜西 西安 710048)

0 引 言

虛擬儀器構(gòu)建的測試系統(tǒng)具有性能高、擴(kuò)展性強(qiáng)、開發(fā)時間少和無縫集成等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于測試領(lǐng)域[1]．虛擬儀器突破了傳統(tǒng)儀器在數(shù)據(jù)采集、處理、顯示、存儲等方面的限制,是自動化系統(tǒng)中的高性能、低成本的運(yùn)載平臺[2]．其中,LabVIEW是目前應(yīng)用最廣、功能最強(qiáng)的圖形化虛擬儀器開發(fā)工具,它可將計算機(jī)、模塊化的儀器等硬件與高效靈活的軟件結(jié)合起來,提高系統(tǒng)的靈活性和工作效率,已經(jīng)成為用于測試、測量領(lǐng)域的標(biāo)準(zhǔn)化開發(fā)工具[3-4]．

在數(shù)據(jù)采集過程中,數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)存儲是整個采集系統(tǒng)中十分重要的一個環(huán)節(jié)．工程測試中,往往需要對測試信號進(jìn)行實(shí)時采集、處理和存儲,并且要求在測試結(jié)束后可及時查看歷史數(shù)據(jù)[5]．因此,如何快速、準(zhǔn)確、可靠地存儲這些海量數(shù)據(jù)是當(dāng)前的研究熱點(diǎn)[6]．

LabVIEW中配有多種文件存儲的函數(shù),如文獻(xiàn)[7]選用數(shù)據(jù)記錄文件函數(shù),文獻(xiàn)[8-9]選用寫入電子表格函數(shù),這些是目前用戶常用的函數(shù),用戶可根據(jù)自身需求直接調(diào)用．但是此類函數(shù)存在讀寫速度較慢、文件取址和檢索麻煩等缺點(diǎn),且不適合于高速數(shù)據(jù)記錄[10].直接使用存儲函數(shù)無法實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集處理與存儲的同時執(zhí)行,不能滿足目前工業(yè)測試的需求[11].所以，在程序設(shè)計中引入了生產(chǎn)者/消費(fèi)者模式[12-13]．該模式提高了數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)處理的效率,也提高了程序的可讀性、擴(kuò)展性和復(fù)用性[14]．但是在大量、多通道的數(shù)據(jù)測試中運(yùn)用此模式，速度仍然不能滿足實(shí)際需要．

針對以上原因,文中給出了基于LabVIEW的數(shù)據(jù)采集快速文件存儲方法,采用TDMS數(shù)據(jù)存儲方式在傳統(tǒng)的生產(chǎn)者/消費(fèi)者模式上進(jìn)行改進(jìn)，將傳統(tǒng)單消費(fèi)者模式改進(jìn)為雙消費(fèi)者模式,并搭建了數(shù)據(jù)采集存儲測試平臺進(jìn)行驗(yàn)證．

1 LabVIEW中的存儲模式

LabVIEW 環(huán)境支持的可讀寫文件格式主要有文本文件、二進(jìn)制文件和數(shù)據(jù)記錄文件3種[15]．其中,二進(jìn)制文件以其高速、高效的特點(diǎn)在高速流盤、安全存取方面應(yīng)用廣泛,適合海量數(shù)據(jù)的存儲和讀取[16]．LabVIEW提供的二進(jìn)制文件類型中的TDMS 文件[17],具有讀寫速度快、占用硬盤空間小等優(yōu)點(diǎn),更適合多通道 、大量數(shù)據(jù)的存儲[18]．所以,文中給出的數(shù)據(jù)采集快速文件存儲方法采用 TDMS 文件對數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲．

在使用LabVIEW軟件設(shè)計數(shù)據(jù)采集存儲系統(tǒng)時,程序設(shè)計常采用生產(chǎn)者/消費(fèi)者模式,生產(chǎn)者/消費(fèi)者結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示．該結(jié)構(gòu)可以通過并行的方式實(shí)現(xiàn)多個循環(huán),一個循環(huán)不斷地進(jìn)行數(shù)據(jù)采集(生產(chǎn)者),另一個循環(huán)不斷地進(jìn)行數(shù)據(jù)處理(消費(fèi)者),這2個循環(huán)互相通信但卻又不產(chǎn)生干擾[18-19]．

在生產(chǎn)者/消費(fèi)者結(jié)構(gòu)中的消費(fèi)者循環(huán)加入LabVIEW中的文件存儲函數(shù)是傳統(tǒng)的采集數(shù)據(jù)存儲模式．其中,“寫入測量文件”Express VI是LabVIEW用戶經(jīng)常使用的文件存儲VI[20]．通過實(shí)驗(yàn),“寫入測量文件”Express VI在長時間、大量數(shù)據(jù)的存儲情況下存儲文件速度太慢,拖慢程序整體運(yùn)行時間，無法滿足實(shí)際的需求．

圖 1 生產(chǎn)者/消費(fèi)者結(jié)構(gòu)示意圖 圖 2 數(shù)據(jù)采集快速文件存儲結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Producer / consumer structure Fig.2 Structure diagram of data acquisition fast file storage

2 數(shù)據(jù)采集快速文件存儲方法

在傳統(tǒng)生產(chǎn)者/消費(fèi)者模式的基礎(chǔ)上給出了一種數(shù)據(jù)采集快速文件存儲方法,進(jìn)一步提高運(yùn)行速度，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示．從圖2可以看出，該采集存儲架構(gòu)主要分為3部分.具體細(xì)節(jié)如下:1為數(shù)據(jù)采集的生產(chǎn)者,2為數(shù)據(jù)采集的消費(fèi)者,當(dāng)元素出隊列無錯誤時進(jìn)入數(shù)據(jù)處理環(huán)節(jié)2.1,在此環(huán)節(jié)對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和波形實(shí)時顯示．LabVIEW中含有大量的高級分析函數(shù),這些強(qiáng)大工具可以實(shí)現(xiàn)信號處理、波形顯示、曲線擬合等功能,用戶可根據(jù)自身需求設(shè)計程序．完成2.1環(huán)節(jié)后數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲的入隊列3,最后在數(shù)據(jù)存儲3.1環(huán)節(jié)進(jìn)行存儲．此程序?qū)?shù)據(jù)處理與數(shù)據(jù)存儲分開,創(chuàng)建第二隊列傳輸處理后的數(shù)據(jù),在單獨(dú)的While循環(huán)中進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲,從而提高程序的運(yùn)行速度并且更加穩(wěn)定．此高速數(shù)據(jù)采集存儲程序?qū)崿F(xiàn)了數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、實(shí)時顯示波形及快速存儲數(shù)據(jù)功能．根據(jù)圖2的結(jié)構(gòu)示意圖用戶可靈活設(shè)計程序,該方法適用于復(fù)雜、多功能的程序編寫．

在實(shí)際數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中數(shù)據(jù)存儲對時間有較高的要求,采用TDMS底層VI存儲文件可快速存儲數(shù)據(jù),提高整體系統(tǒng)的運(yùn)行速度．在TDMS選板中有多個節(jié)點(diǎn)，如TDMS列出內(nèi)容、TDMS設(shè)置屬性、TDMS屬性獲取、TDMS碎片整理,用戶可根據(jù)自己的需求靈活設(shè)置屬性,方便數(shù)據(jù)存儲與查詢．

圖 3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu) Fig.3 System structure

3 測試系統(tǒng)搭建

為了驗(yàn)證該方法的可行性,搭建了一個數(shù)據(jù)采集存儲系統(tǒng),該系統(tǒng)主要由PC上位機(jī)(軟件部分)和下位機(jī)(硬件部分)組成,系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示．下位機(jī)是由A/D芯片和STM32構(gòu)成,設(shè)計的多通道數(shù)據(jù)采集器,該采集器可對8路信號進(jìn)行采集并通過USB口將數(shù)據(jù)傳送給上位機(jī),發(fā)送數(shù)據(jù)采用A，B 2個數(shù)組的乒乓制,A，B數(shù)組的大小均為400字節(jié),每個數(shù)組共存儲了8個通道16 bit的采樣數(shù)據(jù)25點(diǎn),即每個通道按25 kHz采樣,采樣25點(diǎn)數(shù)據(jù)．PC上位機(jī)是通過LabVIEW軟件編寫的可視化界面,用戶通過圖形界面配置數(shù)據(jù)采集器的各個功能的參數(shù)與操作命令,可實(shí)時觀察采集數(shù)據(jù),確保系統(tǒng)正常運(yùn)行,對于發(fā)現(xiàn)和解決問題起到重要作用．

此快速存儲的程序是基于STM32F407設(shè)計的數(shù)據(jù)采集存儲程序,主要包括上位機(jī)向下位機(jī)發(fā)生指令、數(shù)據(jù)的采集、數(shù)據(jù)波形顯示與數(shù)據(jù)存儲．上位機(jī)軟件程序的前面板與后面板設(shè)計如圖4所示.圖4(a)為數(shù)據(jù)采集存儲測試前面板,圖4(b)為傳統(tǒng)數(shù)據(jù)采集存儲后面板，其數(shù)據(jù)采集存儲采用傳統(tǒng)模式,圖4(c)為高速數(shù)據(jù)采集存儲后面板，其數(shù)據(jù)采集存儲采用本文提出的數(shù)據(jù)采集快速文件存儲方法．軟件程序主要使用順序結(jié)構(gòu)、While 循環(huán)、for循環(huán)、case 結(jié)構(gòu)．當(dāng)程序開始進(jìn)入一個 While 循環(huán)時，其順序結(jié)構(gòu)分成4部分：第1部分是數(shù)據(jù)初始化，下位機(jī)連接與開始采集數(shù)據(jù)按鍵的設(shè)計；第2部分進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送、計時及存儲設(shè)計；第3部分進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、處理，實(shí)時顯示波形及數(shù)據(jù)存儲程序設(shè)計； 第4部分關(guān)閉打開的函數(shù)， 停止計時．

4 實(shí)驗(yàn)測試

在前面板輸入各段波形持續(xù)時間，時間單位為ms，波形持續(xù)時間最小為1 ms，點(diǎn)擊開始采集數(shù)據(jù)按鍵，上位機(jī)向采集器發(fā)送波形發(fā)生命令與采集數(shù)據(jù)總字節(jié)長度信息，在線實(shí)時采集8通道數(shù)據(jù)。采集器STM32F407終端收到波形發(fā)生命令與采集數(shù)據(jù)總字節(jié)長度信息后，立即啟動數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)USB上傳.上位機(jī)對接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，實(shí)時顯示波形并保存，存儲完畢后停止程序.采集過程中上位機(jī)可中斷采集，點(diǎn)擊波形發(fā)生停止按鍵，采集器立即停止波形發(fā)生，進(jìn)入準(zhǔn)備接收LabVIEW軟件發(fā)送數(shù)據(jù)的工作狀態(tài).

(a) 數(shù)據(jù)采集存儲測試前面板

(b) 傳統(tǒng)數(shù)據(jù)采集存儲后面板

(c) 高速數(shù)據(jù)采集存儲后面板圖 4 數(shù)據(jù)采集存儲測試軟件前面板與后面板設(shè)計Fig.4 Front panel and back panel design of data acquisition storage test software

通過設(shè)定相同采樣時間300 s,600 s,900 s,1 800 s,分別運(yùn)行2種架構(gòu)的數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)并記錄時間,取20次運(yùn)行時間的均值作比較，表1為2種模式運(yùn)行時間結(jié)果對比.從表1可以看出,當(dāng)指定時間較短時,2種架構(gòu)時間差并不明顯,但當(dāng)指定時間越長，程序運(yùn)行時間越長時,2種架構(gòu)運(yùn)行所需要的時間差距越來越明顯．可以得出,改進(jìn)后的方法可有效提高系統(tǒng)運(yùn)行速度,采集的時間越長,存儲的數(shù)據(jù)越多，效率越高．

表 1 2種模式運(yùn)行時間結(jié)果對比

5 結(jié)束語

文中給出的采集數(shù)據(jù)的快速文件存儲方法,在傳統(tǒng)“生產(chǎn)者/消費(fèi)者”模式上進(jìn)行了改進(jìn),將傳統(tǒng)單消費(fèi)者模式改為雙消費(fèi)者模式,并選用TDMS數(shù)據(jù)存儲方式,從而加快文件存儲速度提高系統(tǒng)整體速度．通過實(shí)驗(yàn)測試可以證明,與傳統(tǒng)模式相比，該方法有效提高了整體程序的運(yùn)行速度,可快速高效、穩(wěn)定工作,提高系統(tǒng)性能滿足高效采集存儲的需求,適用于多通道、長時間、不間斷的海量數(shù)據(jù)采集存儲系統(tǒng)中．

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