基于虛擬儀器的高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)開發(fā)

張燕 王幫峰 龔科 南京航空航天大學(xué)金城學(xué)院 211156

基于虛擬儀器的高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)開發(fā)

張燕 王幫峰 龔科 南京航空航天大學(xué)金城學(xué)院 211156

提出了一種基于虛擬儀器的數(shù)據(jù)采集卡驅(qū)動(dòng)開發(fā)方案，采用LABVIEW集成開發(fā)環(huán)境實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)采集卡的開發(fā)和控制。本系統(tǒng)基于虛擬儀器思想，利用通用PC機(jī)和高性能多功能輸入/輸出卡的形式建立了一個(gè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，并應(yīng)用于面向結(jié)構(gòu)健康主動(dòng)監(jiān)測(cè)的集成測(cè)試與分析系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的自動(dòng)采集、顯示、存儲(chǔ)和簡(jiǎn)單時(shí)頻分析，為復(fù)合材料的損傷監(jiān)測(cè)提供了及時(shí)準(zhǔn)確的損傷特征信息。

虛擬儀器;數(shù)據(jù)采集;Labview;損傷監(jiān)測(cè)

Virtual Instrument；Data Acquisition；Labview；Structure Health Monitoring

1、簡(jiǎn)介

所謂虛擬儀器技術(shù)，是N I公司于1986年提出的，是用戶在通用計(jì)算機(jī)平臺(tái)上，根據(jù)任務(wù)的需要來定義和設(shè)計(jì)儀器的功能，其實(shí)質(zhì)是軟硬件結(jié)合，虛實(shí)結(jié)合的產(chǎn)物，是充分利用最新的計(jì)算機(jī)技術(shù)來實(shí)現(xiàn)和擴(kuò)展傳統(tǒng)儀器功能。虛擬儀器的基本思想是利用計(jì)算機(jī)來管理儀器，組織儀器系統(tǒng)，進(jìn)而逐步代替儀器完成某些功能，最終達(dá)到取代傳統(tǒng)電子儀器的目的[1]。本系統(tǒng)采用N I公司的圖形化軟件Labview作為系統(tǒng)開發(fā)平臺(tái)對(duì)復(fù)合材料的損傷特征信息進(jìn)行采集和處理。

Labview是實(shí)驗(yàn)室虛擬儀器集成環(huán)境(Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench)的簡(jiǎn)稱，是美國(guó)國(guó)家儀器公司（National Instruments，簡(jiǎn)稱NI公司）推出的一種基于圖形程序的虛擬儀器儀表開發(fā)平臺(tái)，也是目前應(yīng)用最廣、發(fā)展最快、功能最強(qiáng)的圖形化軟件開發(fā)集成環(huán)境[2]。

2、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

用于復(fù)合材料結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，采用研華公司的高性能板卡PCI1721和PCI1714分別作為信號(hào)輸出和輸入，PC機(jī)通過模擬量輸出卡PCI-1721將激勵(lì)信號(hào)輸出，信號(hào)經(jīng)過功率放大后驅(qū)動(dòng)表面粘貼或內(nèi)部嵌埋在待測(cè)結(jié)構(gòu)上的驅(qū)動(dòng)器動(dòng)作，然后由多功能數(shù)據(jù)采集卡PCI-1714采集經(jīng)過信號(hào)調(diào)理后的傳感器響應(yīng)信號(hào)，最后由PC機(jī)對(duì)信號(hào)進(jìn)行時(shí)頻處理提取信號(hào)中所攜帶的損傷信息，為結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別做好前期準(zhǔn)備工作[3]。

該數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)以圖形化軟件開發(fā)集成環(huán)境Labview為編程工具實(shí)現(xiàn)信號(hào)的輸出和采集，該系統(tǒng)主要可以實(shí)現(xiàn)如下功能：

1）數(shù)據(jù)采集設(shè)置：實(shí)現(xiàn)對(duì)該數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的各種參數(shù)設(shè)置，包括各輸入通道采樣頻率、增益調(diào)整、采樣點(diǎn)數(shù)等。

2）任意信號(hào)發(fā)生器：除了能輸出常規(guī)的頻率可調(diào)的正弦波、方波、三角波之外，還能夠通過板卡的模擬輸出端輸出結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)所需的激勵(lì)信號(hào)—窄帶波信號(hào)且參數(shù)可調(diào)。

3）信號(hào)處理：該模塊可以進(jìn)行快速傅立葉變換、短時(shí)傅立葉變換、小波變換等多種信號(hào)處理和分析。并且該模塊是一個(gè)開放式，可根據(jù)需要隨時(shí)添加新的信號(hào)預(yù)處理以及信號(hào)分析算法。

4）顯示和存儲(chǔ)：可以實(shí)時(shí)顯示試驗(yàn)所采用的激勵(lì)信號(hào)和多通道高速采集到的傳感器信號(hào)，在第一時(shí)間內(nèi)觀察信號(hào)的形狀，并保存采集數(shù)據(jù)。

圖1 信號(hào)輸出流程圖

2.1 波形輸出設(shè)計(jì)

波形輸出的實(shí)現(xiàn)是采用Advantech公司生產(chǎn)的PCI-1721模擬量輸出卡，它是一款基于PCI總線的模擬量輸出卡，最高10MHz的數(shù)字刷新頻率，提供了16個(gè)數(shù)字量輸出通道和4個(gè)模擬量輸出通道，每個(gè)模擬量輸出通道帶有1K FIFO緩沖器，PCI-1721除了提供常規(guī)的電壓值和電流值輸出之外，還可根據(jù)D M A觸發(fā)模式輸出高頻波形。輸出的幅值可以根據(jù)參考電壓調(diào)節(jié)，它的4路D/A輸出通道可選擇內(nèi)/外部參考電壓設(shè)置輸出電壓和電流的范圍。

單通道高頻信號(hào)輸出作為壓電驅(qū)動(dòng)器的激勵(lì)信號(hào)，波形輸出的流程圖如圖1所示。

該波形輸出系統(tǒng)在復(fù)合材料結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)中主要是用來產(chǎn)生超聲Lamb波的激勵(lì)信號(hào)，它要求波形穩(wěn)定，并且頻率高，一次只輸出一個(gè)完整波形。在超聲Lamb波檢測(cè)中，激勵(lì)信號(hào)主要是采用窄帶脈沖信號(hào)，用于產(chǎn)生窄帶脈沖信號(hào)的函數(shù)形式有加漢寧窗的正弦函數(shù)和Morlet小波函數(shù)兩種情況。方法是建立在某個(gè)確定函數(shù)的基礎(chǔ)上，利用輸出卡產(chǎn)生輸出信號(hào)，并經(jīng)過功率放大器放大后，作用于壓電元件激發(fā)出Lamb波[4]。

加窗正弦波：

可以利用Labview的公式節(jié)點(diǎn)函數(shù)通過對(duì)時(shí)間參數(shù)t的離散化實(shí)現(xiàn)其波形輸出，如圖2所示。通過用戶界面設(shè)置實(shí)現(xiàn)多種波形的單通道或多通道連續(xù)輸出，可根據(jù)需要自行改變波形的周期點(diǎn)數(shù)、幅值和頻率等參數(shù)。

P C I—1721板卡驅(qū)動(dòng)內(nèi)部集成了Labview平臺(tái)所需的功能函數(shù)，只需直接調(diào)用即可實(shí)現(xiàn)特定的功能，所以說Labview平臺(tái)是一種功能強(qiáng)大，且實(shí)用方便的G語言編程軟件。

SelectDevicePop.vi：用于選擇數(shù)據(jù)采集卡端口號(hào)，當(dāng)PC機(jī)上有多塊PCI板卡時(shí)此函數(shù)的應(yīng)用便于選擇所需的硬件設(shè)備。

DeviceOpen：打開指定的設(shè)備并返回一個(gè)驅(qū)動(dòng)句柄。

EnableEvent.vi：當(dāng)使用中斷或D M A模式時(shí)，用于開啟或者關(guān)閉事件。

FaoWaveFormStart.vi：產(chǎn)生常見的三角波、正弦波、鋸齒波和方波，根據(jù)周期點(diǎn)數(shù)、幅值的設(shè)置產(chǎn)生波形數(shù)據(jù)。

PCI-1721采用DMA觸發(fā)模式在后臺(tái)運(yùn)行，用戶可以通過調(diào)用FaoCheck. vi函數(shù)查看運(yùn)行狀態(tài)。

FaoStop.vi：在波形輸出完成后調(diào)用該函數(shù)取消模擬輸出操作重新設(shè)置軟硬件狀態(tài)。

DeviceClose：關(guān)閉由DeviceOpen打開的設(shè)備, 在程序結(jié)尾需調(diào)用此子VI, 以釋放資源為下次操作做好準(zhǔn)備。

2.2 數(shù)據(jù)采集模塊設(shè)計(jì)

圖2 加窗正弦信號(hào)輸出

本系統(tǒng)中數(shù)據(jù)采集的實(shí)現(xiàn)是采用Advantech公司的PCI-1714模擬采集卡，它是一款支持高速采集的模擬采集卡，4路單端模擬量輸入，它可實(shí)現(xiàn)的最低采集頻率是235K H z。在數(shù)據(jù)采集之前，程序?qū)?duì)采集板卡進(jìn)行開啟和設(shè)置初始化。板卡和內(nèi)存的Buffer 是數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)的中間環(huán)節(jié)，板卡上每個(gè)通道自帶的32K Buffer（FIFO）是數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)的重要部分，是通向計(jì)算機(jī)內(nèi)存的高速硬件通道，這就意味著可以把采集的數(shù)據(jù)直接送到計(jì)算機(jī)的內(nèi)存，先將它們快速存儲(chǔ)起來，稍后再重新找回它們顯示或分析，避免了占用CPU提高了效率，這就是DMA工作模式的原理。PCI-1714對(duì)于波形數(shù)據(jù)的采集支持三種采集模式：中斷、D M A和看門狗方式，D M A方法適用于對(duì)數(shù)據(jù)采集速度要求較高的情況，由于本試驗(yàn)所要采集的激勵(lì)信號(hào)是高頻信號(hào)，故本系統(tǒng)采用上述介紹的DMA模式[5]。

圖3 DMA工作原理圖

在本系統(tǒng)中PCI-1714板卡使用到的采集函數(shù)：

MultiChannnelDmaExSetup.vi：配置多通道模擬輸入所需的參數(shù)，如采集頻率、增益等。

WaitFastAIEvent： 使程序進(jìn)入等待狀態(tài), 直到設(shè)定的事件發(fā)生。

FAICheck：獲得當(dāng)前操作的狀態(tài)。

圖4 數(shù)據(jù)采集框圖

FAIStop.vi：在數(shù)據(jù)采集結(jié)束后調(diào)用該函數(shù)取消模擬采集操作重新設(shè)置軟硬件狀態(tài)。

數(shù)據(jù)采集模塊的設(shè)計(jì)根據(jù)上述D M A觸發(fā)方式調(diào)用Labview的子VI，利用For或者While循環(huán)將設(shè)備采集的數(shù)據(jù)不斷的輸出，首先將板卡上自帶的32KFIFO作為緩沖，當(dāng)FIFO半滿或者全滿時(shí)板卡上的PCI總線向P C機(jī)的D M A控制器發(fā)生D M A請(qǐng)求，以D M A方式將數(shù)據(jù)從F I F O轉(zhuǎn)移到內(nèi)部緩沖區(qū)。工作流程圖與板卡輸出相類似，這里不再贅述。在該程序中并沒有明顯的強(qiáng)制性的同步措施，僅僅是將一個(gè)模擬輸出和模擬輸入通過error的數(shù)據(jù)線相互關(guān)聯(lián)在一起，規(guī)定了一個(gè)合理的程序執(zhí)行順序：AI Config→AO Config→AI Start→AO Start→AI Read→AI Clear→AO Clear→Error，再配以適當(dāng)?shù)腂uffers等參數(shù)，只要先啟動(dòng)采集板卡就可以保證模擬輸出和模擬輸入的協(xié)調(diào)工作。

Labview內(nèi)部的分析軟件庫集成了多種信號(hào)時(shí)頻處理工具和算法，例如單邊F F T、雙邊F F T和頻譜分析等模塊，在本數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)內(nèi)部設(shè)計(jì)了傅立葉變換模塊，用來將所采集數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到頻域中，為后續(xù)處理作準(zhǔn)備[6]。

波形的實(shí)時(shí)顯示是通過調(diào)用WaveFormChart控件來實(shí)現(xiàn)波形的實(shí)時(shí)顯示可以在一個(gè)波形輸出窗口同步輸出多通道的波形，以不同顏色來區(qū)分不同通道的數(shù)據(jù)采集情況便于比較和觀察。

研華公司的PCI-1714模擬量輸入卡和PCI-1721模擬量輸出實(shí)現(xiàn)高頻波形輸出和數(shù)據(jù)高速采集的程序框圖如圖4所示。

4、小結(jié)

以研華公司生產(chǎn)的PCI-1714/1721模擬量輸入和輸出卡為硬件平臺(tái)，借助Labview7.1開發(fā)環(huán)境編程實(shí)現(xiàn)了高頻波形的穩(wěn)定輸出以及高速采集，并及時(shí)處理和保存數(shù)據(jù)，為復(fù)合材料結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)提供了及時(shí)有效的損傷特征信息，這是監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠有效識(shí)別損傷的前提條件。該系統(tǒng)采用D M A方式使系統(tǒng)采集速度可達(dá)30Ms/s，滿足了健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的高速采集和輸出高頻激勵(lì)信號(hào)的要求，而且將數(shù)據(jù)以實(shí)時(shí)圖形的方式顯示，解決了文本編程語言繪圖難的問題，而且該程序擴(kuò)展性好，后續(xù)的信號(hào)預(yù)處理可以按需要隨時(shí)進(jìn)行改動(dòng)和完善。

在后期研究中，可以嘗試添加多種輸出波形，使得該數(shù)據(jù)輸出采集系統(tǒng)得到更加廣泛的應(yīng)用。

[1]吳成東，孫秋野，盛科. LabVIEW虛擬儀器程序設(shè)計(jì)及應(yīng)用[M].北京：人民郵電出版社.2008

[2] 張重雄.虛擬儀器技術(shù)分析與設(shè)計(jì)[M].北京：電子工業(yè)出版社.2007

[3] 施益峰.面向結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的集成軟件系統(tǒng)的研究[D].南京航空航天大學(xué). 2005

[4] Hoon Sohn, Gyuhae Park, Jeannette R Wait, Wavelet-based Active Sensing for Delamination Detection in Composite Structures [J], Smart Material and Structures，2004(13):153-160.

[5]張燕.基于模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的復(fù)合材料損傷主動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)研究[D].南京航空航天大學(xué).2008

[6] 武劍，李巴津.基于LabVIEW的普通數(shù)據(jù)采集卡驅(qū)動(dòng)研究[J].現(xiàn)代電子技術(shù). 2009（12）。

Data Acquisition System Research Based on Virtual Instrument

Zhangyan Wang bangfeng Gong ke
Jincheng college Nanjing Univ. of Aero. & Astron. Nanjing 210016, P. R. China

The design and realization of a PC-based integrated software system for structure health monitoring was studied. Virtual instrument technology and Labview were employed to design the structure health monitoring software system. With the use of multifunction data acquiring panels PCI-1714and PCI-1721, any actuating signal outputting, high-speed data acquisition and plenty of signal processing were achieved.

張燕，女，1982年出生，碩士研究生，方向：計(jì)算機(jī)測(cè)控。