基于虛擬儀器技術的數據采集系統設計與實現分析

高壽斌

（恩施職業技術學院湖北恩施445000）

當前我們所處的時代背景下，計算機技術得到了迅速發展，自動測試技術也隨即發生了相應的變化。多通道數據采集系統作為自動測試系統當中的重要構成部分也發生了顯著的變化[1-2]。以Lab VIEW（虛擬儀器技術）為基礎的數據采集測試系統由于具備編程環境簡單、精度高和模塊小、處理數據能力強等優點等得到了廣泛應用[3]。傳統的數據采集系統包含PC機與單片機，存在數據采集效率低，開發難度大等問題，而以PC數據采集系統為基礎的方法只需要使用一種編程語言和采集卡就能夠在Windows操作系統下開展相應的數據采集與處理及存儲等[4]。在此基礎上采用Lab VIEW完成編程工作，使數據采集系統的實用性和簡便性都得到提高。

1 整體設計

1.1 數據采集系統

數據采集需要將接受測試的對象其中包含的各種參量借助于傳感器件轉換之后，再對信號進行調理、量化、編碼以及傳輸等，在將信息送到控制器之后需要對數據進行處理或者將數據進行存儲。一般由計算機來承擔控制器的功能，微處理器或者計算機在整個數據采集系統當中屬于核心位置，可以對整個系統來進行控制，并且還需要對需要采集的數據進行處理[5-6]。數據采集系統即DAS系統，屬于采集數據的成套設備，需要在計算機的控制下來完成相應的數據采集和信息處理任務，其中需要使用到用于完成數據采集以及控制任務的板卡產品，分為外掛和內插兩種方式。外掛DAQ板卡一般包含并口板卡、USB以及RS系列等，使用起來更方便但是速度明顯比較低[7]。內插板卡則是各種總線板卡，以ISA為基礎[8]。

1.2 設計方案

圖1為本次設計的以虛擬儀器技術為基礎的數據采集系統整體流程圖，具體如下所示：

圖1 數據采集系統整體設計示意圖

2 硬件系統設計方法

2.1 硬件結構

在本次所設計的數據采集系統的硬件結構當中采用了不同形式的硬件。其中硬件驅動程序需要采用軟件設計的方式來對硬件進行編程接口，其中包含對硬件的操作命令設計等，同時還需要完成硬件與軟件之間的數據傳遞，此環節一般為生產數據采集相關硬件的企業所提供。

本次研究所采用的硬件為模塊化硬件驅動程序，可以使Lab VIEW編程工作量得到大大的降低，使開發效率提升，開發成本降低。在用戶接口當中，用戶能夠結合自身的實際需求對硬件開展專門的設置和測試。在實際進行數據采集的過程中需要按照automation Explore已有的設置來完成[9]。

2.2 選擇合適的數據采集卡驅動方式

上文已經對于DAQ不同形式設備的優劣點進行簡要分析。綜合考量，本次研究選擇了插入式DAQ插入式設備，主要是因為在具體應用時需要同時考慮到更新速率以及PC內存傳輸速率的雙重限制。本次應用的插入式DAQ產品為NIPCI-6221M型號，主要是因為該系列的插入式DAQ產品精度與速度都高，產品價位低于同類性能產品。其中包含16路，因此模擬輸入也為16位，I/O線總數為24條，編碼器支持2個計數器，32位，80 MHz。圖2為該系列DAQ產品組件示意圖：

圖2 NIPCI-6221M系列采集卡工作原理圖

這一系列的DAQ設備所采用的技術為定時控制技術，系統為NI-STC2系統，使周期測量的精度以及脈沖寬度都得到提升，而且所形成的脈沖序列信號也更高速[10-11]。在實際應用這一設備時，輸入信號需要采用定時器或者是計數器通路上的輸入過濾器來采集的，模擬輸入輸出則需要通過RTSI總線實現。

3 軟件系統設計方法

3.1 設計程序

本次所設計的數據采集系統是基于虛擬儀器技術，即基于Lab VIEW技術，而這一技術則是以圖形編譯語言虛擬開發軟件為平臺，具備數據的采集、分析以及信號處理和輸入輸出等相關控制功能[12-14]。本次選擇這技術主要是因為這一基礎開發速度更快，對于初學者應用難度較小。虛擬儀器技術包含前后面板兩個窗口，其中前面板主要是用于對對象的顯示以及放置相關的控件，而后面板則是用來采用圖形化的方式實現源代碼的編寫。本系統的前面板中包含了數據采集、綠波、回放等與參數設計相關的功能。圖3為本次設計的程序流程示意圖。

圖3 程序設計流程圖

3.2 分析與處理信號

在實際采用數據采集系統采集信號的過程中，雖然經過了信號處理，但是仍然存在畸波。本次需要從信號當中提取有用的信號，所以需要在分析信號之前處理采集到的信號。結果顯示，在加上了濾波器之后的濾波效果發生十分顯著的改善，延時時間也變得更長，在對時間嚴格要求的背景下，這種情況使不允許出現的。在處理采集到的信號時必須要對濾波器進行更好的控制，即需要對其上限截止頻率進行更好的控制，這樣在接受濾波之后波形的變化也將會變得更加緩慢，在對時間要求不是特別嚴格的情況下其影響不大。本系統設計對于時間的要求相對嚴格，所以對于濾波器的上下限截止頻率要求都很高。在虛擬儀器技術條件下，本次研究所有涉及到的公式需要使用C語言來編程完成。并在此基礎上，使用濾波器，將濾波器的參數設置在合理范圍之內。本次研究所選擇的濾波器為巴特沃斯型號，所設計的上限截止頻率設置控制在0.45 Hz左右，而下限截止頻率則是控制在0.2 Hz左右，濾波階次所設置的為3。圖4為使用濾波器之后波形的變化情況。

圖4 使用濾波器后波形變化

3.3 測試信號模塊設計

測試信號模塊主要是用來對信號自身的有效值以及采樣頻率進行專門的測試[15]，對信號參數進行實時了解，并且判斷信號是否處于正常范圍之內。在本次設計當中所設計的信號模塊在報警裝置方面給予革新，將這一模塊的設置重點也放在了這一方面。在實際使用的過程中如果發現測試的信號超過了一定范圍就會報警，對于異常信號進行及時的處理。圖5為通信信號測試結果示意圖。

3.4 存儲及回現信號設計

圖5 通信信號測試結果示意圖

信號在測試之后需要對合格的數據進行存儲和回現[16]。因此完善的數據采集系統設計過程中還需要對存儲和回現信號的相關模塊展開設計，將本次采集到的數據信號存儲起來便于今后能夠實時的進行查閱和參考。本次基于虛擬儀器技術所設計的數據采集系統當中，所采用的是Lab VIEW7.1軟件，該軟件當中自帶了存儲模塊設計存儲程序。設計的程序存儲文件的格式包含HTML格式或者是Excel格式等。信號的回放是為了在采集與分析工序完成之后，可以對數據進行隨時的重新觀察。本次系統設計過程中就考慮到了數據的回放功能，在用戶已經保存了數據之后，可以選擇回放功能，這樣就能夠對過去的整個數據采集和分析過程進行一個動態的回放過程。圖6為回放操作模塊：

圖6 回放操作模塊

4 具體應用結果

當前我們所生活的是一個信息化時代，尤其是近幾年網絡技術的迅猛發展，使得信息數據呈現出爆炸式增長，信息化時代也出現了新的特征，物聯網、云計算和大數據成為了三大典型產物。其中的大數據則為人們帶來便利的同時，使人們搜索信息的范圍變得越來越寬廣。對于公司而言急需要在眾多海量的信息當中快速采集有效的信息。因此本次所設計的系統則較好的滿足了不少公司在數據采集昂面的需求，同時對于系統需要的服務以及相關管理部分的需求，在具體使用的過程中，該系統的整體應用情況比較客觀。操作起來簡單方便，實用價值較高。從系統的整體開發統計來看，結果顯示系統的開發率提升29.7%，開發成本成本節約率提高32.0%。表1為應用前后該企業的各項情況變化結果：

表1 應用數據整合系統平臺前后企業變化情況

根據以上結果可以發現經過對本次所設計的系統的應用，企業的系統開發成本和企業經濟效益均發生較為顯著的變化，尤其是在減少了企業日常維護的費用以及額外的資金投入，也使得企業的信息化建設進程不斷加快，提高資源的整合率。

5 結束語

我們現在所處的信息化時代要求必須要提高從海量數據當中搜索和查找有用信息的效率。而數據采集系統則是借助于先進的計算機技術，依托于電子技術平臺，來提高采集信息的效率。本文主要對基于虛擬儀器技術的數據采集系統設計步驟及方法進行分析，并結合其在實際應用中的效果進行驗證。研究結果顯示，此種技術所構建起的數據采集系統作用顯著，可以在更大的范圍內推廣應用。