基于虛擬儀器的數據處理系統設計與實現

向韻麟

關鍵詞： 數據處理; 系統設計; 虛擬儀器; 數據采集; 跨平臺; 運行效率

中圖分類號： TN919?34; TP274 ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號： 1004?373X（2019）02?0005?04

Design and implementation of data processing system based on virtual instrument

XIANG Yunlin

（Wuhan University， Wuhan 430072， China）

Abstract： The traditional data processing system mainly takes the data of SCADA as the core， and uses the cross?platform as the data architecture to design the processing system. As a result， the data processing of the system without shared memory is inaccurate and inefficient. Therefore， a data processing system based on the virtual instrument is proposed and designed. The system is mainly divided into two parts of hardware and software. The hardware is mainly composed of the virtual instrument， digital I/O card， circular data acquisition card and data dispatching module. In the software part， the software implementation process of the data processing system is given. The experimental analysis was carried out. The experimental results show that in comparison with the traditional system， the improved design system for data processing has superior operation efficiency and higher accuracy of data processing results， which has a certain advantages.

Keywords： data processing; system design; virtual instrument; data acquisition; cross?platform; operation efficiency

0 ?引 ?言

20世紀80年代，世界上第一臺虛擬儀器問世，美國國家儀器公司NI第一次給出虛擬儀器的定義：虛擬儀器是一種可以實現用戶與計算機互動的計算機儀器系統。其原理是以計算機作為系統控制器，通過軟件達到人機互動目的，并且通過軟件還能實現儀器大部分的功能。虛擬儀器可以讓用戶按照自己的想法在虛擬面板上進行設計，通過測試軟件達到用戶所設計產物所具有的功能。虛擬儀器的功能包含了信號源、示波器、總線分析儀和諧波分析器等傳統測量儀器所具有的功能[1]。隨著電子技術和計算機技術的高速發展，誕生出一批打破了傳統儀器概念的新數據處理方法、理論和儀器，新的儀器技術從本質上就與傳統的儀器不同。為了滿足不同用戶所具有的獨特需求，研究人員借助計算機來構建數據處理系統，由此產生了虛擬儀器[2]。

傳統的數據處理至少需要兩種儀器：一種是磁帶記錄儀，用來記錄電路信號;另一種是頻譜分析儀，用來對電路信號進行分析。傳統的數據處理系統不僅存儲不方便，更改不方便，分析也不方便。因而，設計具有高準確度、操作便利，能夠轉移、強大分析和處理功能的數據處理系統是至關重要的。

1 ?數據處理系統整體結構

在對數據處理系統設計過程中，其主要由數據采集卡、數字I/O卡、傳感器、信號發生器、繼電器、計算機等組成，數據采集系統工作原理圖如圖1所示。

由圖1可以看出，用戶將其自定義的信息通過計算機及外部設備輸入到系統內，由于輸入的信號并不能被采集卡直接使用，因此需要信號調理部分將輸入的電路信號轉化為采集卡能夠使用的信號。信號調理部分包含多個模塊，具體有電壓和電流的傳感器和電路放大器[3]。數據處理系統能夠自動檢測被測設備的各種指標，其原理是采用數字I/O卡模塊，它能夠控制繼電器的陣列，對輸入不同的電力信號進行自動的切換，以此來實現數據處理系統的自動測試功能。信號發生器作為信號源，經功率放大后提供給接收設備[4]。

2 ?硬件結構設計

2.1 ?虛擬儀器的系統構成

市面上的虛擬儀器有的是由一種系統構成，還有的是由多種系統組合構成。目前市面上常用的虛擬儀器有數據采集系統[5]、GPIB儀器系統、VXI儀器系統以及將這三種系統組合的虛擬儀器。虛擬儀器的具體結構見圖2。

2.2 ?數字I/O卡

數據處理系統的數字I/O卡模塊采用NI PCI?6503型號的設備。選用NI PCI?6503型號的主要原因是它的外圍接口達到24位，且每個外圍接口都可以實現程序編輯，也就是說該型號的設備擁有24路數字I/O通道可以使用。除此之外，NI PCI?6503型號設備還具有即插即用的優點，不需要獨立的板卡管理器就可以工作。如圖3所示，PCI?6503型號設備是由輸入通道接口電路、輸入端子、82C55數字接口芯片、輸出端子、輸出通道接口電路組成[6]。

2.3 ?循環數據采集卡

傳統數據處理系統采用單面采集卡進行數據采集，然而，有些數據的流量過大，并且對其采集所需要的時間較長，單面采集卡進行數據采集時運行所需要的RAM過大，幾乎不能實現[7?8]。因此本文設計的數據處理系統，在考慮了計算機帶寬約束條件后，采用雙RAM進行數據采集，其具有價格低廉和速度快的優點。數據采集卡的具體結構見圖4。

通過計算機對控制邏輯復位，此時RAM1處于只寫的狀態，而RAM2處于可讀、可寫、可查找三狀態，地址計數器還原為0，此時將觸動A/D轉換。將轉換完成的數據存入RAM1中，然后觸動下一次A/D轉換，直到將RAM1存滿。RAM1存滿后，由控制邏輯將RAM1的只寫狀態更改為只讀狀態，RAM2更換為只寫狀態，將A/D轉換完成的數據存入RAM2[9]。在RAM1從只寫狀態轉換到只讀狀態的同時，地址計數器還原為0，發出的脈沖將觸動計算機進行取數，由于ISA總線在發出讀周期時RAM1會向總線發送數據[10]，因此對計算機讀一個數據并將其存儲僅硬盤的速度有很高的要求，該速度必須高于A/D轉換一次所用的時間，這樣才不會發生掉數的現象。

2.4 ?數據調度模塊

由計算框架自帶的調度器對分配到的空閑資源進行更加細粒度的分配和調度。整個資源調度器的架構設計如圖5所示。

規則庫是資源調度器的調度依據，包括元數據庫、靜態特征庫和動態特征庫[11]。元數據庫常駐內存，記錄了整個處理系統的數據名稱、數據類型、數據范圍等基本數據結構信息;靜態特征庫記錄了數據的實時度、關聯度等信息;動態特征庫記錄了動態數據信息。

3 ?軟件結構設計

在軟件結構設計過程中，主要對數據采集模塊、數據分析處理模塊和數據顯示存儲模塊進行分析并研究。其中，數據采集模塊的主要目的是為數據分析處理模塊提供數據源，其原理是通過數據采集卡采集被測信號，實現數據源的提供[12];數據分析處理模塊的主要功能是對數據采集模塊傳輸過來的信號進行濾波和FFT變換等，同時依照檢測到的信號特點對檢測的數據進行有時效性的分析;數據顯示存儲模塊是依據數據處理系統的規則將信號的時域、頻域波形和其他參數等數據信息顯示在虛擬面板上。軟件設計流程如圖6所示。

4 ?實驗結果分析

4.1 ?實驗參數設置

實驗中其軟硬件參數設置如表1所示。

4.2 ?實驗結果分析

為了驗證改進系統在數據處理方面的有效性及可行性，以系統對數據處理精確度為指標，采用改進系統與傳統跨平臺系統為對比，進行實驗對比分析，結果如圖7、圖8所示。圖中長方形部分表示數據處理部分，實心部分表示數據處理不全面。由圖7和圖8可知，采用傳統跨平臺系統進行數據處理時，其數據處理過程中多次出現數據處理不全面且處理不完成的現象，約為14次，90.5 GB;采用改進處理系統進行數據處理時，其數據處理結果出現3次處理不全面的問題，處理量達到了132.6 GB，相比傳統跨平臺系統數據處理過程中出現處理不全的次數降低了11次，且數據處理量增加，具有一定的優勢。

5 ?結 ?論

針對傳統系統在處理數據過程中一直存在處理不全面且效率低的問題，提出并設計了基于虛擬儀器的數據處理系統，并進行實驗分析。實驗結果表明，采用改進設計系統對數據進行處理，其系統的運行效率要優于傳統系統，且數據處理結果準確度較高，具有一定的優勢。

參考文獻

[1] 肖子陽，關靚.基于虛擬儀器的電機測試方法研究[J].電測與儀表，2016，53（z1）：10?14.

XIAO Ziyang， GUAN Liang. Motor test method research based on virtual instrument [J]. Electrical measurement & instrumentation， 2016， 53（S1）： 10?14.

[2] 史志輝，林君，周逢道.基于虛擬儀器的高準確度同步采集系統[J].中國測試，2016，42（2）：67?70.

SHI Zhihui， LIN Jun， ZHOU Fengdao. Precision synchronous acquisition system based on virtual instrument [J]. China measurement & test， 2016， 42（2）： 67?70.

[3] 曹建樹，羅振興，姬保平，等.基于LabVIEW的激光超聲數據采集與處理系統設計[J].機床與液壓，2016，44（13）：113?115.

CAO Jianshu， LUO Zhenxing， JI Baoping， et al. Design of laser ultrasonic data acquisition and processing system based on LabVIEW [J]. Machine tool & hydraulics， 2016， 44（13）： 113?115.

[4] 向小佳，趙曉芳，劉洋，等.一種正交分解大數據處理系統設計方法及實現[J].計算機研究與發展，2017，54（5）：1097?1108.

XIANG Xiaojia， ZHAO Xiaofang， LIU Yang， et al. An orthogonal decomposition based design method and implementation for big data processing system [J]. Journal of computer research and development， 2017， 54（5）： 1097?1108.

[5] 張召文.基于Android系統的譜數據分析軟件設計與實現[J].中國礦業，2017，26（z1）：431?433.

ZHANG Zhaowen. The design and implementation of energy spectral data analysis software based on Android system [J]. China mining magazine， 2017， 26（S1）： 431?433.

[6] 賈曉寒，郭利強，郭濤.基于LabVIEW的水壓傳感器數據采集系統設計[J].儀表技術與傳感器，2016（12）：83?86.

JIA Xiaohan， GUO Liqiang， GUO Tao. Design of pressure sensor data acquisition system based on LabVIEW [J]. Instrument technique and sensor， 2016（12）： 83?86.

[7] 謝志遠，韓思思，胡正偉，等.基于虛擬儀器的多通道DC傳感器校驗平臺設計[J].現代電子技術，2017，40（14）：144?148.

XIE Zhiyuan， HAN Sisi， HU Zhengwei， et al. Design of calibration platform for multi?channel DC sensor based on virtual instrument [J]. Modern electronics technique， 2017， 40（14）： 144?148.

[8] 王海斌，丁發軍，錢偉.通航數據處理計算機測試平臺的設計與實現[J].電子器件，2016，39（6）：1435?1439.

WANG Haibin， DING Fajun， QIAN Wei. Design and implementation of the test platform for aviation data processing computer [J]. Chinese journal of electron devices， 2016， 39（6）： 1435?1439.

[9] 孫沖沖，王增才.基于LabVIEW的AMT數據采集處理系統設計[J].儀表技術與傳感器，2016（11）：62?66.

SUN Chongchong， WANG Zengcai. Design of AMT data acquisition and processing system based on LabVIEW [J]. Instrument technique and sensor， 2016（11）： 62?66.

[10] 張法全，黃三，葉金才，等.基于LabVIEW的多通道槽波地震數據采集系統[J].儀表技術與傳感器，2017（6）：59?63.

ZHANG Faquan， HUANG San， YE Jincai， et al. Multichannel in?seam seismic data acquisition system based on LabVIEW [J]. Instrument technique and sensor， 2017（6）： 59?63.

[11] 井后華，王芳，劉志遠，等.基于虛擬儀器的電動汽車控制器自動測試系統[J].汽車技術，2016，24（11）：25?29.

JING Houhua， WANG Fang， LIU Zhiyuan， et al. Automatic test system for electronic control units of electric vehicle based on virtual instrument [J]. Automobile technology， 2016， 24（11）： 25?29.

[12] 徐一鳳，豐大軍，張瀚文，等.基于跨平臺的實時數據處理系統的設計[J].電子技術應用，2017，43（9）：98?100.

XU Yifeng， FENG Dajun， ZHANG Hanwen， et al. The design of the real?time data processing system based on multi?platform [J]. Application of electronic technique， 2017， 43（9）： 98?100.