基于LabVIEW的數據自動變速采集系統

王樹東 何 明 王煥宇

(1．蘭州理工大學電氣與信息工程學院,蘭州 730050；2.甘肅省工業過程先進控制重點實驗室,蘭州 730050)

隨著科學技術的不斷發展，在線監測與處理數據顯得尤為重要，NI公司發布的可編程控制器便可以較好地實現該功能。該控制器具有高頻處理器和用于網絡編程、通信與擴展I/O的雙以太網端口。其采集卡采用硬盤熱備數據，能夠防止上位機數據丟失[1,2]；采集速率較高，且具有多種速率選擇。在有故障或特殊情況下，系統需要對大量數據進行記錄以便做更好的分析，并要求采集卡在高速率下進行采集及存儲等。但是在正常情況下，采集卡只需較低速率運行便可達到要求。因此，自動變速率采集卡將在現代采集系統中具有廣泛的應用前景。

數據采集就是利用LabVIEW驅動程序對數據采集卡的參數和工作方式進行正確設置并使其按設置工作。數據采集卡進行數據采集并將實際采集的數據先用LabVIEW自帶的數組或者波形函數來代替。數據處理軟件設計包括濾波、數據存儲與讀取、波形顯示與處理(如傅立葉變換及譜密度計算等)。確定數據采集卡后，將采集卡的驅動光盤放入計算機并按其指示進行安裝，正確設置驅動所要用的VI輸入/輸出參數，編寫程序即可[3,4]實現數據采集。

1 NI-RIO配置①

為設計采集及讀取等程序，首先需要對NI-RIO進行配置，實現上位機與設備的通信；然后通過設計上位機項目實現數據的采集及讀取等功能。將采集、讀取程序載入設備FPGA中，實現程序的自啟動。將NI可編程控制器的第一個網絡端口接到上位機，插入插入式采集卡，上電初始化設備，打開NI-MAX設備配置(圖1)。

圖1 NI-MAX設備配置

由于已連接設備，上位機已安裝設備驅動，因此點擊NI-MAX遠程系統即可掃描出已連接設備，即NI機箱與控制器，在此遠程系統界面上可以看到設備的基本信息與基本參數。對其網絡進行設置，設置其IP地址，使采集器地址與上位機網絡地址在同一個網段。系統原為英文版，筆者設計的程序為中文版，這樣會造成程序運行錯誤，因此需要對軟件進行漢化。同時由于設備出廠時間和當前時間不符，在存儲時，采集到的數據時間默認為控制器時間，因此需要進行時間配置，但要注意，在時間設置一欄修改時間并不能保證修改正確，因此進行時間設置時需要在系統信息處查看。當時間沒有修改正確時，在時間設置一欄修改的時間為上位機時間，但是在系統信息里卻是機器時間，出現時間不對應的情況，因此需要再次修改。

2 系統整體框架

一個完整的LabVIEW程序主要包括前面板、程序框圖和圖標與連接器窗格。前面板是一種交互式圖形化用戶界面，用于設置數據輸入和觀察數據輸出；程序框圖是定義VI功能的圖形化源代碼，根據所需功能利用圖形語言對前面板的控制量和指示量進行控制；圖標和連接器窗格用于把程序定義成一個子程序，當需要調用子程序時只需用事件結構或者真假結構就能實現在其他程序中的調用。

信號采集與分析系統框圖如圖2所示，系統包括信號采集、信號處理分析及保存數據等部分。采用硬盤存儲實現數據的熱備份，防止數據的丟失[5,6]。

圖2 信號采集與分析系統框圖

3 軟件設計

在機箱里需要配置兩個基本程序：一是設計FPGA工作模式的采集程序target(圖3)，該程序保證了采集系統的高速性和數據的高精度；二是在RT端設計讀取程序host，將數據從采集程序中取出。不同的采集卡設置采樣率的方式不同，本設計中采用了4塊兩種不同的采集卡，兩種采集卡分別根據Data Rate端口和計數器端口Count設置所需采樣率(低速2kbit，高速25kbit)[7,8]。

圖3 target程序

由于設計中采用了兩種采集卡，因此需要兩種設置方式配合進行變速處理，變速回傳程序如圖4所示。但是系統在條件結構下無法將變速設定值直接傳入變速函數中，并且由于變速函數默認只有一個變速端口名(由target中的速率設定名而定)，因此本系統采用局部變量，變速局部變量如圖5所示。創建速率顯示控件，然后將顯示的速率采用局部變量分別上傳到變速函數中，間接地控制底層target程序中的速率輸入函數調整速率。索引數組索引采集卡的第16端口，當采集到的數據大于10時，輸出為真；系統出現故障或者突發情況時，速率進行變換，采用25kbit速率。假結構與此同理，當需要其他速率時只需要修改內部速率值，通過顯示控件的局部變量回傳到速率輸入函數中，即可改變采集速率[9]。

圖4 變速回傳程序

圖5 變速局部變量

硬盤剩余空間顯示如圖6所示。16路數據量較大，采用720Gbit硬盤；存儲時間較長，磁盤滿時為一個月左右。硬盤在使用中無法判斷其存儲空間是否已滿，由于更換硬盤不便，為防止數據丟失，因此通過獲取卷信息函數來獲取硬盤的剩余空間。通過全局變量上傳到監控上位機剩余空間顯示控件，當超過限定值時，即更換硬盤，防止數據丟失。

圖6 硬盤剩余空間顯示

4 存儲系統

硬盤存儲系統(圖7)分為兩部分：一部分數據存儲在上位監控系統的SQL Server數據庫中，通過數據庫ADO寫入控件將采集到的16路數據寫入數據庫；另一部分為硬盤熱備，為了防止上位機出現故障而丟失數據。系統為二進制TDMS設計，將一路時間16路數據寫入文件。在host端程序采用隊列將數據傳遞到存儲系統中，采樣速率不同，存儲的方式也不同：以2kbit速率采集時，存儲1kbit數據；25kbit速率采集時，每路存儲25kbit數據。

圖7 硬盤存儲系統

5 方案驗證

軟件在采集到第16路數據時超過設定值，系統進行自動變速采集和變速存儲。硬盤數據如圖8所示，為變速存儲的TDMS文件，打開為Excel文本，其中107ms時存儲25kbit數據，在152ms時為2kbit數據。由于速率轉換過程和軟件運行期間都存在固定的系統時間，因此會出現時間偏差，但45ms的偏差在可接受范圍之內，并且通過觀察硬盤數據，在速率穩定運行期間數據都可靠地存儲到硬盤中，實現了變速率存儲的要求，數據準確且精度較高。使用獲取卷信息函數與全局變量的方法解決了硬盤剩余空間觀察不便的問題，使軟件使用更加方便，保證了硬盤的可靠存儲。

圖8 硬盤數據

6 結束語

自動變速率數據采集系統根據采集到的數據判斷采用何種采集速率，采用局部變量傳遞采集速率實現了自動變速率采集，速率轉換過程和軟件運行期間存在固定的系統時間，因此會出現時間偏差，時間偏差相對整個系統運行時間來說在可接受范圍之內。硬盤存儲空間較大，無法判斷長時間運行情況下硬盤空間是否已滿，采用獲取卷信息函數的方法來獲取硬盤剩余空間，以便及時更換硬盤，實現了數據的可靠存儲。

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