基于Compact RIO的遠程數據采集系統設計*

李　斌　尚　超

(91388部隊94分隊　湛江　524001)

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基于Compact RIO的遠程數據采集系統設計*

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嵌入式系統的遠程數據采集系統。該系統能夠實現多通道數據自動采集、存儲,并將采集到的信號通過網線傳輸到上位機。通過結合Compact RIO高速數據處理能力和LabVIEW圖形化開發環境,實現了實時的高速采集和信號處理。文章對Compact RIO的數據采集模塊、信號存儲模塊及遠程監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測試的例子，驗證了整個系統的可行性和實用性。

關鍵詞Compact RIO; 遠程監測; LabVIEW FPGA模塊; LabVIEW RT模塊

Class NumberTP393

1引言

傳統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的遠程自動數據采集系統，利用Compact RIO對信號進行采集，同時通過網線將采集到的信號傳輸到PC機，在PC機上即可以對信號存儲和分析，又可以對Compact RIO進行參數的設置和程序的編寫。所以，只要有網絡的地方，就可以對Compact RIO監測和設置，真正實現了對待測信號的分布式監測。

2系統結構簡介

系統主要由傳感器模塊、數據采集模塊和遠程控制監測模塊組成，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)，遠程控制監測模塊選用PC機。

圖1　系統結構框圖

NI Compact RIO硬件平臺是一個基于FPGA技術的嵌入式系統，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體系結構的核心,內置數據傳輸機制，負責把數據傳到嵌入式處理器以進行實時分析、離線處理、數據記錄或與聯網主機通信。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模塊都包含內置的接口，信號調理、轉換電路(如ADC或DAC)，以及可選的隔離屏蔽，用戶根據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，就可以實現不同的功能，I/O模塊包括各種模擬采集卡、數字采集卡、串口通訊卡等模塊。本系統選用的是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遠程數據采集系統程序設計

為了縮短信號采集及處理平臺軟件開發的周期，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構化編程的基本思路。軟件設計基于LabVIEW 2011開發環境，利用Real-Time和FPGA工具包，并借助信號采集及處理函數實現信號的采集、存儲、網絡傳輸等功能。軟件結構分為兩層:Compact RIO平臺的程序設計以及上位PC機的程序設計。

3.1數據采集模塊

數據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對信號進行后續的處理，Compact RIO的數據采集是利用FPGA技術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控件用來執行數據采集的操作，Write FIFO控件是將采集到的數據寫入FIFO中，在數據傳輸時，FPGA程序將采集到的數據先存儲到FIFO中，RT程序再從FIFO中讀取數據。通過FIFO實現了FPGA與RT的數據傳遞。FPGA VI部分程序框圖如圖3所示，While循環中，采用順序結構執行定時采集四通道的數據采集。數據在緩存過程中，由于是四通道的數據采集，為了保證通道之間的數據互不影響，使用函數選板中Build Array函數建立一維數組，然后將數據依次寫入DMA FIFO緩存區中。

圖3　FPGA程序框圖

在進行數據采集時,必須協調同步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內存空間只有2G,不能進行大數據的存儲；另外一種方式是在Compact RIO的USB接口連接移動硬盤，完成大數據量的存儲，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。數據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遠程監測和控制模塊

Compact RIO可實現對水下聲信號的采集，將Compact RIO和采集卡置于水下就可實現對水下目標的探測，Compact RIO控制器上有一個網口，只需一根網線就可以將信號傳輸給上位機，所以只要聯網的任意一臺計算機都可以實現對采集卡的監測和控制。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，實現對信號的保存和處理。

LabVIEW語言的編程中對測量數據共享有TCP/IP、Data Socket和VI Sever等技術。TCP/IP協議是計算機網絡協議的實施工業標準，LabVIEW開發軟件中提供了TCP/IP的開發工具包來實現在Internet中的通信功能；Data Socket是National Instrument提供的一種編程技術，為底層通訊協議提供了一致的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據源之間共享數據；VI Serve通過 Internet調用遠程機上的VI，就像調用本地Sub VI一樣完成參數傳遞，控制它的運行。

本系統的遠程測控采用LabVIEW中的TCP/IP的開發工具包，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生相應的SCPI指令，然后發往服務器端，并從服務器端讀取數據，然后在相應的面板上顯示出來。實現功能的子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試驗與結果分析

為了驗證系統的可行性，在實驗室對整個系統進行了實驗，利用信號發生器發射頻率為10KHz，寬度為10ms的單頻信號, 利用換能器將信號發射出來，Compact RIO的采集卡通過連接的接收水聽器接收換能器發出的水聲信號。本文選擇的是NI CRIO-9014及9215采集卡，可實現四通道的動態信號采集，每通道最大采樣率為100kS/s。基于Compact RIO平臺實現四通道的數據采集，上位PC通過以太網進行實時遠程監測，四路水聽器接收水聲信號，經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可以實現信號的存儲和進一步信號處理，用戶還可以通過點擊數據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。結果表明，本文開發的遠程數據采集系統能夠滿足測試的要求。

圖7　遠程監測平臺采集的水聲信號

5結語

本文利用虛擬儀器技術，結合NI公司的Compact RIO編程控制器及主控計算機，實現了一套集數據采集、存儲、顯示和信號實時處理于一身的綜合系統。與傳統的采集系統相比，本系統開發周期短、效率高,其可靠性、穩定性、測試精度等方面性能優越，并具備良好的擴展性和可維護性。同時，基于遠程監測的模式，用戶可以在網絡上任意節點對設備的運行狀態進行監測和對設備出現的異常狀態進行診斷，可實現分布式監測和控制，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