穩(wěn)態(tài)信號采集與處理系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

肖 韻

穩(wěn)態(tài)信號采集與數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)（簡稱采集系統(tǒng)）是高速自由射流試驗設(shè)備的重要組成部分，是風(fēng)洞試驗產(chǎn)品的出口，主要完成測力天平、標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)、風(fēng)洞壓力、溫度等信號的采集和試驗數(shù)據(jù)的事后計算處理。本文設(shè)計的采集系統(tǒng)采用功能單元進(jìn)行組建，基于虛擬儀器技術(shù)，采集來自天平、特種力傳感器、壓力傳感器/變送器、溫度傳感器/變送器等輸送過來的橋路應(yīng)變信號和電壓信號，并將采集得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行計算處理，體積小，集成度高，使用方便。

1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

圖1 穩(wěn)態(tài)信號采集與數(shù)據(jù)處理總體架構(gòu)圖

1.1 工作原理

穩(wěn)態(tài)信號采集與數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)基于NI LabVIEW2015 開發(fā)平臺，以PXI 控制器為“中樞心臟”，向標(biāo)準(zhǔn)儀器、信號調(diào)理單元發(fā)送控制信號，接收儀器及信號調(diào)理單元發(fā)回的信息，做出判斷后，將采集到的數(shù)據(jù)通過反射內(nèi)存卡送給數(shù)據(jù)處理計算機(jī)進(jìn)行計算，處理。同時PXI 控制器與核心PXI 控制系統(tǒng)之間通過反射內(nèi)存卡共享數(shù)據(jù)。

圖2 穩(wěn)態(tài)信號采集與數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)組成原理圖

1.2 系統(tǒng)組成

采集單元為整個測試系統(tǒng)的核心部分，主要包括數(shù)據(jù)采集計算機(jī)、PXI 機(jī)箱及控制器、反射內(nèi)存卡、數(shù)據(jù)采集卡、專用光纖、端子盒、線纜等構(gòu)成等，完成整個測試系統(tǒng)的控制、通信、采集等重要工作。此單元采用美國NI 公司生產(chǎn)的PXI 數(shù)據(jù)采集卡來實現(xiàn)信號采集。NI 采集卡具備定時精確、精確的定時、觸發(fā)和模塊間同步功能，精度高、可靠性強(qiáng)的優(yōu)點。

標(biāo)準(zhǔn)儀器包括精密萬用表34401A 和函數(shù)發(fā)生器33220A，兩臺儀器與信號調(diào)理箱，數(shù)據(jù)采集卡配合，完成零點、增益等關(guān)鍵參數(shù)的校準(zhǔn)，完成測量系統(tǒng)綜合精度的計算核準(zhǔn)。信號調(diào)理單元共配置有32路串行測量通道，可將輸入的32路信號進(jìn)行放大、濾波，并配置有使用標(biāo)準(zhǔn)儀器進(jìn)行校準(zhǔn)用的信號通道。數(shù)據(jù)處理單元由研華的工控機(jī)、西門子的數(shù)據(jù)交換機(jī)構(gòu)成，置于測控間，用于試驗過程中部分壓力、溫度數(shù)據(jù)、天平載荷的實時計算顯示，也包括試驗完成后的計算參數(shù)設(shè)定與修改、氣動數(shù)據(jù)計算、曲線繪制、數(shù)據(jù)批處理、原始數(shù)據(jù)及計算結(jié)果的保存與上傳等功能。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

軟件設(shè)計包括數(shù)據(jù)采集和信號分析處理兩部分功能，試驗完成后對采集得到數(shù)據(jù)進(jìn)行的分析、計算，最終得到試驗結(jié)果。軟件設(shè)計時避免出現(xiàn)內(nèi)存溢出、程序死機(jī)等重大錯誤，輸入錯誤時有報錯提示。

2.1 開發(fā)環(huán)境

1）操作系統(tǒng)：Windows XP/Win 7；

2）開發(fā)工具：NI LabVIEW2015、NI Measurement Studio。

2.2 軟件功能

圖3 軟件功能圖

1）模塊初始化。軟件啟動后自動連接和初始化模塊，并對故障模塊可自動識別，顯示初始化結(jié)果。

2）參數(shù)設(shè)置。完成對數(shù)采模塊的觸發(fā)條件、采樣率、延遲長度、每通道貯存深度等參數(shù)的設(shè)置，設(shè)置好的參數(shù)可保存和回調(diào)，并可設(shè)為默認(rèn)配置文件，在軟件啟動后自動加載配置。

3）數(shù)據(jù)采集。實現(xiàn)數(shù)采模塊的觸發(fā)采集和采集數(shù)據(jù)的自動存儲。數(shù)據(jù)采集過程中直觀顯示模塊采集狀態(tài)；數(shù)據(jù)存儲時，每個數(shù)采通道的采樣數(shù)據(jù)形成一個數(shù)據(jù)文件。

圖4 數(shù)據(jù)采集流程

4）圖形顯示。為了直觀的觀察試驗數(shù)據(jù)，以波形的形式顯示采集數(shù)據(jù)。可以將一個窗口分為兩個不同時基的波形區(qū)域，每個波形區(qū)域可以顯示多條波形。可以在波形區(qū)域內(nèi)通過游標(biāo)對波形任意兩個特征點進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取和測量。

5）數(shù)據(jù)處理與分析。實現(xiàn)數(shù)據(jù)處理以及專用數(shù)據(jù)分析。采集的數(shù)據(jù)存儲在磁盤上，能事后（或脫機(jī)）回放，選擇數(shù)據(jù)文件，以波形形式顯示回放數(shù)據(jù)，重新演示測試試驗狀態(tài)和試驗參數(shù)。在數(shù)據(jù)回放的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)加窗濾波、波形平滑等通用數(shù)據(jù)處理。

3 系統(tǒng)校準(zhǔn)設(shè)計

穩(wěn)態(tài)信號采集與數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)在測試前，需要使用精密萬用表、函數(shù)發(fā)生器完成采集單元和信號調(diào)理器的零點、增益等關(guān)鍵參數(shù)的校準(zhǔn)，完成測量系統(tǒng)綜合精度的計算核準(zhǔn)。

1）首先，如圖連接；

圖5 系統(tǒng)校準(zhǔn)連接圖

2）設(shè)置函數(shù)發(fā)生器輸出一組電壓X1～X100（在范圍：±100mV ～±10V 內(nèi)任意輸出10 個），使用數(shù)據(jù)采集卡實測Y1～Y100；

3）構(gòu)造一元線性回歸模型：

Yi=aX+b+εiQi～N（0，2σ），且相互獨立；i=1，2，3…，n；

為待定系數(shù)a，b，用線性最小二乘法，即令

由此化簡可得方程組：

4）可計算得到a，b 值，即完成零點、增益的校準(zhǔn)。

4 結(jié)束語

本采集系統(tǒng)基于虛擬儀器技術(shù)，采用功能單元進(jìn)行組建的采集系統(tǒng)，體積小，集成度高，使用方便。現(xiàn)已研制成功，并正式投入使用。