基于NIPXI-5105的多通道數據采集系統的設計分析

楊佳麗

（中國航發北京航科發動機控制系統科技有限公司，北京 102200）

0 引 言

壓力管道在現代工業生產中的應用非常重要，主要承擔流體運輸工作，如石油輸送管道、化工管道以及其他液體材料管道等。而在管道具體工作中，工作環境較差和工作強度高都會影響管道使用壽命，也容易引起管道泄漏問題。管道泄漏問題的處理中，管道泄漏位置的信息數據采集是重要工作。本文研究的NIPXI-5105采集板卡多通道數據采集系統能夠完成管道泄漏多通道信號的信息采集，并定位監控管道的運行工作，對管道維修和管理有非常重要的作用。

1 采集板卡和多通道信號采集器的分析

1.1 采集板卡的簡要介紹

采集板卡也被稱作為數據采集板卡，是一種應用計算機拓展技術的數據信息采集卡。如USB、PXI、PCI以及PCI Express等都是數據采集性能良好的采集板卡。當前，數據采集卡的發展非?？欤呀浤軌驖M足不同信號的數據采集工作，主要形式包括模擬量輸入板卡、開關量輸入板卡以及多功能板卡等，其中多功能板卡是一種能夠實現多種信號采集的板卡裝置。

數據采集板卡主要工作技術參數如下。一是通道數參數。通道數參數對于數據采集板卡的數據采集效率有非常重要的影響，當前數據采集板卡分為單端采集板卡和差分采集板卡兩種。二是采樣頻率。數據采集板卡的采集頻率主要是指單位時間內有效采集數據的點數，也是指數據采集板卡的工作效率。三是分辨率參數。數據采集板卡分辨率參數具體是指模擬量值為采樣數據的最低位。四是采集量程。數據采集板卡的采集量程是指板卡工作中的數據采集最大幅度，與數據采集板卡的工作范圍半徑有關。五是數據采集精度。數據采集板卡的數據采集精度是指數據采集板卡使用中的真實采集值與采集對象實際標準的絕對誤差，通常也代表數據采集板卡的工作效率。

NIPXI-5105采集板卡是一種性能優良的數據采集板卡，具有良好信號數據采集精度、分辨率以及采樣頻率，且能夠完成多通道數應用，因此本文研究中選擇NIPXI-5105采集板卡作為多通道采集系統的基礎模塊。

1.2 多通道信號采集器的簡要介紹

多通道數據采集器的使用范圍更廣，是可以模擬信號輸出和采集更多信號的采集裝置，如USB接口數據采集產品和SZSC-16S采集系統等。其具有非常良好的信號采集功能，并能夠與電腦、手機以及其他電子設備的終端進行通道連接，不僅能夠提升信號采集功能，而且能夠實現信號采集器應用范圍的拓展。當前，多通道信號采集器裝置廣泛應用于農業與工業生產領域，農業領域中應用的土壤水分傳感檢測裝置就利用了傳感技術與多通道數據信號采集技術。此外，多通道信號采集器裝置具有連接方便、數據信號采集精度高、信號數據采集速度快以及編程簡單的主要特點。另外，由于在本文研究管道泄漏問題采集過程中考慮到泄漏數據信號采集效率等因素，因此選擇設計多通道數據采集系統。

2 壓力管道泄漏位置數據信號信息采集的難點

壓力管道是石油化工企業材料和產品生產運輸的重要裝置，核心作用就是生產運輸。但是，當前壓力管道使用中經常出現泄漏問題，一方面影響到了資源的生產利用，如石油管道泄漏，另一方面也會造成比較嚴重的安全風險，如天然氣壓力管道。因此，在實際生產過程中，對壓力管道泄漏源進行位置信號采集至關重要。而壓力管道的數據信號采集比較復雜，主要存在以下幾點信號采集困難。

一是壓力管道的工作運行環境相對比較差。壓力管道運行屬于室外運行，地下運行環境、運行環境溫度、運行環境濕度以及運行環境的微生物狀態都會對壓力管道工作運行造成影響，也會影響到壓力管道的信號采集活動。二是壓力管道在生產運輸中運輸產品和物質也會對壓力管道造成一定程度的影響，如運輸的石油和化工原料等物品都具有一定腐蝕性，很容易出現壓力管道泄漏問題，并且其泄漏氣體環境也會對信號采集造成一定干擾，從而影響到信號采集效率。融合NIPXI-5105采集板卡與多通道信號采集系統，將有利于提升整體信號采集系統的采集范圍、采集抗干擾性以及采集速度。

3 NIPXI-5105采集板卡多通道數據信息采集系統地設計

3.1 LabVIEW軟件在設計中的應用

LabVIEW軟件是一種程序開發設計軟件，在具體的程序系統設計中使用到圖形化編輯語言G進行程序系統的編寫設計，其數據處理能力非常強大，并且能夠根據程序設計框圖對系統進行合理地設計。在NIPXI-5105多通道采集系統設計中，利用LabVIEW軟件構件了時間狀態機模式。LabVIEW軟件事件狀態隨機模式之下，在系統程序設計中可以完成前面板程序設計鎖定。待所有程序流程設計完畢后，設計者想要使用LabVIEW軟件優化設計程序時，可以完成對任意程序設計環節的解鎖，并對其進行優化處理。前面板設計鎖定和解鎖的操作非常簡單，LabVIEW軟件系統模塊中有“鎖定前面板鎖定事件結束”的對話框，勾選對話框就可以完成鎖定。

3.2 NIPXI-5105采集板卡多通道數據信息系統的具體設計

3.2.1 系統整體設計原理分析

NIPXI-5105采集板卡多通道數據信息系統的設計原理分析包括以下幾點內容。

（1）系統組成包括NIPXI-1041Q計算機箱、NIPXI-5105采集板卡系統以及傳感器系統等。其中NIPXI-1041Q計算機箱主要完成系統的驅動工作，NIPXI-5105采集板卡系統完成信號輸入與轉換的主要工作，而傳感器系統是整個多通道數據信息采集系統的前端窗口，主要完成壓力管道泄漏位置的監控和信號采集。本次系統設計中采用8路同步采樣通道的NIPXI-5105采集板卡，其信號檢測采集精度更高，設計輸入范圍為50 mV～30 V[1]。

（2）系統軟件設計主要使用LabVIEW軟件，輸入阻抗可以達到50 Ω～1 MΩ，系統最大容量可以512 MB，可有效實現數據采集系統的優化。

（3）系統的工作原理。首先，啟動系統后發出信號采集指令，傳感器采集系統采集被檢測管道的信號，并接收到管道反射信號。其次，NIPXI-5105采集板卡系統開始接收信號，將模擬信號轉換為數字信號并直接傳輸到上位機系統中。最后，信號采集信息LabVIEW軟件系統開始處理虛擬數據，并利用自身顯示模塊進行顯示，同時完成信號和數據的儲存工作。

3.2.2 系統的軟件整體設計

利用LabVIEW進行系統軟件設計，可以最大程度上完成軟件設計的優化。以下是本文對系統軟件設計進行的分析。

（1）系統軟件參數設計。本次系統軟件設計中，系統參數設計利用LabVIEW軟件的時間狀態機模型，減少了系統輪詢機制帶來的資源消耗問題，從而保證了參數設計的合理性。LabVIEW軟件的時間狀態機模型下系統參數設計界面如圖1所示。其中，參數設計內容主要包括板卡選擇參數、通道個數以及采樣頻率等內容，通過合理參數設置可以保證系統能夠更加高效地完成數據采集工作[2]。

圖1 NIPXI-5105采集板卡系統軟件參數設置界面

（2）系統采集和顯示模塊的設計。NIPXI-5105采集板多通道信息采集系統中數據采集和顯示模塊是重要單元，對于系統的功能完善有重要作用。本次軟件設計中利用While循環結構模塊來完成采集模塊設計，其中主要控制開始采集按鈕的工作。在While循環時間結構應用后，選擇開始采集按鈕開始采集工作，并由NI—SCPE模塊完成采集程序的編寫，采集程序指令編寫完成后將程序指令發送到系統工作模塊中實現系統的采集功能。但在While循環結構模塊運行過程中，一旦出現數據信息采集故障或者系統使用者完成停止按鈕驅動，程序就進入到非工作狀態，停止數據采集，前端的顯示模塊也自動轉化為初始界面并請求對數據進行保存。

（3）數據儲存模塊的設計。NIPXI-5105采集板多通道信息采集系統還具備數據信息儲存模塊，以方便對檢測的信息進行良好的數據儲存，提升了系統的工作效率。本次系統設計中，采用信號采集與信號數據信息儲存同時展開的模式，通過邊采集邊儲存優化模式的建立，保證系統的數據采集頻率更高，數據采集量更大[3]。此外，在NIPXI-5105采集板多通道信息采集系統進行數據采集的過程中主要使用到二進制文件形式來保存數據，從而提升數據儲存的精度控制。在系統進行數據儲存的過程中，將采集的數據信息轉化了bin格式，并且保證數據儲存信息命名的唯一性。

NIPXI-5105采集板多通道信息采集系統進行數據存儲的過程中首先要完成系統的初始啟動，其次通過初始啟動的完成建立數據采集指令，同時建立二進制數據儲存類文件，最后將采集到數據信號信息直接儲存到二級制數據文件夾中。

4 具體試驗分析

NIPXI-5105采集板多通道信息采集系統的設計可以測試壓力管道的泄漏源。在設計完成后為了保證系統設計能夠具有良好的實踐應用能力，需要進行試驗分析驗證。在進行具體的系統檢測試驗中，首先對系統電路進行檢測，保證電路能夠良好完成工作，其次要完成系統傳感器布置，傳感器的布置位置能夠對系統采集精度造成一定程度的影響，最后檢測系統的硬件連接，主要包括NIPXI-5105采集板連接、傳感器連接以及NIPXI-1041Q計算機箱連接等，檢測連接完畢后啟動程序采集系統信號。

5 結 論

設計NIPXI-5105采集板多通道信息采集系統。在具體設計中通過硬件設計、軟件設計以及參數結構設計等方面對NIPXI-5105采集板多通道信息采集系統進行合理地設計分析，在設計完成后進行試驗驗證，證明NIPXI-5105采集板多通道信息采集系統的實用性，表明其具有一定的應用價值。