基于虛擬儀器的數據采集系統

敖 陽，郭 烽，王宏娟

(1.沈陽黎明航發集團物資配送中心原材料倉儲中心，遼寧 沈陽 110043；2.中國科學院沈陽計算技術研究所有限公司,遼寧 沈陽 110168)

一、虛擬儀器概述

二、數據采集系統設計

虛擬儀器(Virtual Instrument，簡稱VI)是基于計算機系統的數字化測試測量儀器，是應用于通用計算機上的一種軟件和硬件的組合，可代替傳統的測量儀器，如信號發生器、示波器、頻譜分析儀、邏輯分析儀等；它充分利用現有計算機資源，并配以獨特設計的儀器硬件和專用軟件,能實現普通儀器的全部功能以及某些普通儀器無法實現的特殊功能，常被稱作軟件儀器。可利用數據采集模塊完成一般測量測試儀器的數據采集功能,利用軟件實現對數據的分析處理、表達以及圖形化用戶接口，最終使得計算機系統完成一般測量測試儀器的數據分析和輸出顯示等功能。

虛擬儀器是計算機技術、現代測量技術共同發展的結晶,代表著當今儀器發展的最新趨勢。虛擬儀器的軟件結構是虛擬儀器的關鍵部分。其軟件結構分為三部分:輸入輸出(I/O)接口軟件、儀器驅動程序和應用軟件開發環境。其開發框圖如圖1所示。

1.硬件結構

(1)整體架構

數據采集系統主要通過傳感器采集特定部位的流量、壓力、溫度等信號，采集的信號經過處理后再傳輸到計算機中，現場采集的模擬信號主要是0~10V直流電壓信號及4~20mA電流信號，由于系統對數據采集的實時性要求較高，總體上的采樣頻率要求較高，軟件開發采用的是美國NI公司推出的LabVIEW軟件，該軟件具有友好的圖形化開發界面，節省了編程時間，提高了工作效率。硬件結構整體框圖如圖2所示。

(2)PCI數據采集卡

PCI(Peripheral Component Interconnect，外圍部件互聯)是一種獨立于CPU的同步局部總線，也是目前計算機上使用極為廣泛的高性能總線。它是處理器、存儲器與外圍控制部件、外圍擴展卡之間的互連設備，其優點是具有獨立處理能力、運行速度快、數據傳輸速率高、而且擴展性與兼容性好、可靠性高。

為保證采集數據的實時性及準確性，避免數據采集過程受到嚴重干擾，選用研華公司的工控機和數據采集卡PCI-1713。PCI-1713是基于PCI總線的隔離高速模擬量輸入卡，它提供32路單端或16路差分模擬量輸入通道，或組合輸入方式，A/D轉換器的采樣速率可達100KS/s，采用12位高速A/D轉換，并在輸入和PCI總線之間提供2500VDC的直流隔離保護。PCI-1713板卡的安裝使用十分方便，在Windows2K/XP/9X下板卡安裝的流程圖如圖3所示。

(3)傳感器的選擇

圖3 PCI板卡安裝流程圖

該數據采集系統主要用于監測現場的運行參數，主要采集流量、壓力、溫度等信號，下面以采集流量信號為例，說明傳感器的選擇原則。由于測量的流量計種類繁多，因此在選擇流量計時需要根據實際的情況合理的選擇流量計量儀表。選擇時主要遵循以下原則：確定被測流體的類型；確定工藝過程的工作條件如何及溫度和壓力的界限值；確定流量計的安裝條件；確定性能和測量能力方面總的要求；確定流量計安裝和運行的經濟性。

總之，選擇流量計時，要綜合考慮并權衡以上這些重要的因素，才可能同時做到既滿足技術要求，并且經濟上合理，實現流量計合理的選型。

2.軟件開發

(1)LabVIEW介紹

虛擬儀器系統應用軟件的開發環境主要有兩種:一種是基于傳統的文本語言式的平臺，主要是Nl公司的Labwmdows/CVI、VC、VB等;一種是基于圖形化工程環境的平臺，如Nl公司的LabVIEW和HP公司的VEE等。該數據采集系統的軟件設計采用專業圖形化編程軟件進行開發即NI公司的LabVIEW，LabVIEW是一個多線程、最佳化的圖形編譯器，它能在最大程度上優化系統的性能。該環境包括三個部分：程序前面板、框圖程序和圖標連接端口。程序前面板用于設置輸入數值和觀察輸出量，用于模擬真實儀表的前面板。在程序前面板上，輸入量被稱為控制(Controls)，為虛擬儀器的框圖程序提供數據;輸出量被稱為顯示(Indicators)，顯示虛擬儀器流程圖中獲得或產生的數據。控制和顯示是以各種圖標形式出現在前面板上，如旋鈕、開關、按鈕、圖表、圖形等，這使得前面板直觀易懂。

(2)功能模塊

該數據采集系統的軟件功能模塊包括參數設定、數據采集、數據處理、波形顯示、數據記錄、數據保存、數據查看、打印報表等。

該數據采集系統現已成功應用于某航空領域的現場，并進行了大量的試驗，試驗結果表明：該系統工作穩定可靠、測試精度高、操作簡單、維護方便，大大提高了工作效率，實現了數據采集與監控，為實現高性能的計量管理奠定了基礎。

三、結論

本文通過對虛擬儀器以及開發軟件LabVIEW介紹，設計了數據采集系統，通過友好的人機界面，可實現對現場參數的監控，該系統具有功能擴展性強、開發周期短、測試性能穩定等特點，可實現大批量、無限時的實時數據采集，有著廣闊的應用前景。

[1]楊忠仁，饒程，鄒建等.基于LabVIEW數據采集系統[J].重慶大學學報，2004，27(2):32—35.

[2]蔣文亮，溫鐵鈍，黃金泉.基于PCI總線的發動機數控系統自動檢測設備[J].測控技術，2012,31:54—57.

[3]祝驊，金彥平.基于PCI-1713的現場數據管理系統的設計[J].機床電器，2008，6:14—16.

[4]孫延祚.論流量計的合理選型.自動化儀表[J].2007，28:52—55.

[5]高軍芳.基于LabVIEW的虛擬示波器的設計與實現[D].西安：西安理工大學，2009:16.