PC-DAQ虛擬儀器系統(tǒng)設(shè)計(jì)探討

PC-DAQ虛擬儀器系統(tǒng)設(shè)計(jì)探討

摘要：虛擬儀器是計(jì)算機(jī)輔助測(cè)試領(lǐng)域的一項(xiàng)重要技術(shù)，它將計(jì)算機(jī)硬件、儀器硬件、軟件三者有效結(jié)合。虛擬儀器技術(shù)利用高性能模塊化硬件，結(jié)合高效靈活的軟件來(lái)完成各種測(cè)試、測(cè)量和自動(dòng)化應(yīng)用。虛擬儀器技術(shù)性能高、擴(kuò)展性強(qiáng)、開(kāi)發(fā)時(shí)間短、集成高效出色，PC-DAQ虛擬儀器系統(tǒng)是構(gòu)成VI的最基本的方式，也是最廉價(jià)的方式。本文介紹了PC-DAQ（DataAcquisition）系統(tǒng)虛擬儀器系統(tǒng)設(shè)計(jì)基本流程。關(guān)鍵詞：PC-DAQ虛擬儀器；系統(tǒng)設(shè)計(jì)；探討0引言傳統(tǒng)儀器對(duì)測(cè)試單元進(jìn)行測(cè)試，需要搭建電源、配置儀器、儀器與測(cè)試單元互聯(lián)，然后操作儀器進(jìn)行測(cè)試和記錄數(shù)據(jù)。對(duì)于復(fù)雜的系統(tǒng)性測(cè)試，傳統(tǒng)儀器測(cè)試方式接線復(fù)雜，需要多人協(xié)同，操作難度大，而且很容易出現(xiàn)漏檢、誤檢的情況。使用虛擬儀器系統(tǒng)由計(jì)算機(jī)按設(shè)計(jì)流程，對(duì)儀器模塊和被測(cè)單元進(jìn)行高效有序的控制、激勵(lì)、檢測(cè)和記錄數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)檢測(cè)自動(dòng)化。1PC-DAQ虛擬儀器系統(tǒng)的基本構(gòu)成PC-DAQ虛擬儀器系統(tǒng)由計(jì)算機(jī)、通用儀器硬件模塊和應(yīng)用軟件3部分組成：1）計(jì)算機(jī)：一般為PC機(jī)或工作站。2）儀器模塊：PCI或PCIe接口的I/O設(shè)備，主要完成被測(cè)輸入信號(hào)的采集、放大、模/數(shù)轉(zhuǎn)換。3）虛擬儀器軟件：由用戶根據(jù)測(cè)試任務(wù)進(jìn)行開(kāi)發(fā)的軟件，由虛擬面板用戶界面和測(cè)試功能程序組成。將數(shù)據(jù)采集板（DAQ）插入計(jì)算機(jī)的PCI空槽中，配合測(cè)試需要的信號(hào)調(diào)理電路可以成為儀器硬件平臺(tái)，根據(jù)測(cè)試流程開(kāi)發(fā)測(cè)試軟件。2PC-DAQ虛擬儀器系統(tǒng)硬件總線是計(jì)算機(jī)各種功能部件之間傳送信息的公共通信干線，PC-DAQ虛擬儀器常用的總線主要有PCI、PCIe、PXI、PXIe。目前常用的PC-DAQ儀器模塊有：電壓儀器模塊、電流儀器模塊、數(shù)字I/O儀器模塊、計(jì)數(shù)器和定時(shí)器儀器模塊、多功能I/O儀器模塊、開(kāi)關(guān)矩陣模塊、多路復(fù)用器模塊等。2.1電壓儀器模塊電壓模塊可以精確測(cè)量電壓一般量程為-10V至10V，并且還可以為控制和通用信號(hào)應(yīng)用生成電壓信號(hào)。模擬輸入是測(cè)試中最常用最基本的功能。它一般有多路開(kāi)關(guān)（ＭＵＸ）、放大器、采樣保持電路以及Ａ／Ｄ來(lái)實(shí)現(xiàn)。通過(guò)這些部件，一個(gè)模擬信號(hào)就可以轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)。Ａ／Ｄ的性能和參數(shù)直接影響著模擬輸入的質(zhì)量，要根據(jù)實(shí)際需要的精度來(lái)選擇合適的Ａ／Ｄ；模擬輸出通常是為采集系統(tǒng)提供激勵(lì)。輸出信號(hào)受數(shù)模轉(zhuǎn)換器（Ｄ／Ａ）的建立時(shí)間、轉(zhuǎn)化率、分辨率等因素影響。建立時(shí)間和轉(zhuǎn)換率決定了輸出信號(hào)幅值改變的快慢，建立時(shí)間短、轉(zhuǎn)換率高的Ｄ／Ａ可以提供一個(gè)較高頻率的信號(hào)。應(yīng)該根據(jù)實(shí)際需要選擇Ｄ／Ａ的參數(shù)指標(biāo)。2.2電流模塊電流儀器模塊為系統(tǒng)提供電流測(cè)量或以高速率控制工業(yè)電流驅(qū)動(dòng)執(zhí)行器。適用于高性能控制和監(jiān)測(cè)應(yīng)用。2.3數(shù)字I/O模塊可以在多個(gè)邏輯電平下采集和生成數(shù)字信號(hào)和模式。可以用于對(duì)電路進(jìn)行特性分析、時(shí)序檢測(cè)、切換控制線路以及滿足數(shù)字應(yīng)用的諸多需求。數(shù)字Ｉ／Ｏ通常用來(lái)控制過(guò)程、產(chǎn)生測(cè)試信號(hào)、與外設(shè)通信等。它的重要參數(shù)包括：數(shù)字口線數(shù)（line）、接收（發(fā)送）率、驅(qū)動(dòng)能力等。如果輸出去驅(qū)動(dòng)電機(jī)、繼電器等，就不必要要求較高的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換率。路數(shù)要能同控制對(duì)象配合，而且需要的電流要小于采集卡所能提供的驅(qū)動(dòng)電流。但加上合適的數(shù)字信號(hào)調(diào)理設(shè)備，仍可以用采集卡輸出的低電流的ＴＴＬ電平星號(hào)去監(jiān)控高電壓、大電流的工業(yè)設(shè)備。2.4計(jì)數(shù)器和定時(shí)器儀器模塊提供了定時(shí)和數(shù)字I/O，可用于監(jiān)測(cè)正交編碼器、事件計(jì)數(shù)器、周期測(cè)量、脈沖產(chǎn)生、脈沖串生成、邊沿間隔測(cè)量等。許多場(chǎng)合都要用到計(jì)數(shù)器，如定時(shí)、產(chǎn)生方波等。計(jì)數(shù)器包括三個(gè)重要信號(hào)：門(mén)限信號(hào)、技術(shù)信號(hào)、輸出。門(mén)限信號(hào)實(shí)際上是觸發(fā)信號(hào)使計(jì)數(shù)器工作或不工作；計(jì)數(shù)信號(hào)也即信號(hào)源，它提供了計(jì)數(shù)器操作的時(shí)間基準(zhǔn)；輸出是在輸出線上產(chǎn)生脈沖或方波。計(jì)數(shù)器最重要的參數(shù)是分辨率和時(shí)鐘頻率，高分辨率意味著計(jì)數(shù)器可以計(jì)更多的數(shù)；時(shí)鐘頻率決定了計(jì)數(shù)的快慢，頻率越高，計(jì)數(shù)速度就越快。2.5多功能I/O模塊具有常用的儀器全部功能模擬輸入電壓檢測(cè)、數(shù)字I/O、頻率計(jì)等功能。2.6開(kāi)關(guān)矩陣模塊是控制電路的開(kāi)啟與閉合。自動(dòng)測(cè)試設(shè)備中的信號(hào)開(kāi)關(guān)系統(tǒng)通常由兩個(gè)或多個(gè)矩陣開(kāi)關(guān)組成，按照各種借口標(biāo)準(zhǔn)相互連接，形成從測(cè)試資源到被測(cè)單元的靈活切換。2.7

多路復(fù)用器（數(shù)據(jù)選擇器）模塊能從多個(gè)模擬或數(shù)字輸入信號(hào)中選擇某個(gè)信號(hào)并將其轉(zhuǎn)發(fā)，將不同的被選信號(hào)輸出到同一個(gè)輸出線路中。它能接收多個(gè)輸入信號(hào)，按每個(gè)輸入信號(hào)可恢復(fù)方式合成單個(gè)輸出信號(hào)。多路復(fù)用器，可使多路數(shù)據(jù)信息共享一路信道，使用多路復(fù)用器可充分利用通信信道的容量，大大降低系統(tǒng)成本。3PC-DAQ虛擬儀器軟件虛擬儀器由軟件實(shí)現(xiàn)儀器的測(cè)量功能,可使用相同的硬件系統(tǒng)，通過(guò)不同的軟件和信號(hào)調(diào)理電路就可以實(shí)現(xiàn)功能完全不同的各種測(cè)量測(cè)試儀器，軟件系統(tǒng)是虛擬儀器的核心，軟件可以定義為各種儀器。虛擬儀器的應(yīng)用軟件包含應(yīng)用程序和Ｉ／Ｏ接口驅(qū)動(dòng)程序兩部分構(gòu)造。3.1Ｉ/Ｏ接口設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序一般Ｉ/Ｏ接口程序由Ｉ/Ｏ設(shè)備的廠家提供，計(jì)算機(jī)安裝設(shè)備驅(qū)動(dòng)后，可以與相應(yīng)的硬件進(jìn)行通信；通過(guò)官方提供的庫(kù)函數(shù)，計(jì)算機(jī)可以控制硬件進(jìn)行初始化、電壓采集、電流采集、數(shù)字信號(hào)輸出等工作。3.2應(yīng)用程序硬件平臺(tái)搭建以后，完成測(cè)試功能主要取決于應(yīng)用程序。應(yīng)用程序由用戶根據(jù)測(cè)量需求就行開(kāi)發(fā)。應(yīng)用程序主要由用戶界面、硬件操控、數(shù)據(jù)處理和計(jì)算、數(shù)據(jù)保存等過(guò)程組成。虛擬儀器設(shè)備支持常用的C、C++、VB等語(yǔ)言進(jìn)行開(kāi)發(fā)。3.3開(kāi)發(fā)工具目前虛擬儀器應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)常用的集成開(kāi)發(fā)環(huán)境(IDE)主要有兩類：(1)文本編程：LabWindows/CVI、VisualStudio、VisualBasic等；(2）圖形化編程：LabVIEW。4虛擬儀器技術(shù)參數(shù)數(shù)據(jù)采集儀器模塊主要技術(shù)參數(shù)有通道數(shù)、采樣頻率、緩存、分辨率、精度、量程、增益、觸發(fā)等。1）通道數(shù)：儀器模塊可以同時(shí)采集幾路信號(hào)。絕大多數(shù)數(shù)據(jù)采集模塊上只有一個(gè)AD轉(zhuǎn)換器，通過(guò)使用模擬開(kāi)關(guān)分時(shí)采集不同通道的數(shù)據(jù)，從而得到多通道的數(shù)據(jù)。2）分辨率：采樣數(shù)據(jù)的最小刻度，分辨率越高可以采集到更小的信號(hào)。常見(jiàn)分辨率有8bit、12bit、16bit等。最小刻度=滿量程/。如采集的電壓范圍是0~5V，8it的最小刻度是5/=0.0195V；16bit的最小刻度是5/=0.000195V。3）精度：在量程內(nèi)任意一點(diǎn)的測(cè)量值和真實(shí)值之間最大偏差的絕對(duì)值，即測(cè)量準(zhǔn)確程度。一般用滿量程ＦＳＲ（FullScaleRange）的百分比表示，常見(jiàn)的如0.05％FSR、0.1％FSR等。如滿量程范圍為0～10Ｖ，其精度為0.1％FSR誤差在10ｍＶ以內(nèi)。在實(shí)際檢測(cè)過(guò)程中，受到很多因素，特別是外部電磁干擾信號(hào)，電源干擾和傳感器噪聲等影響因素的限制，檢測(cè)精度往往達(dá)不到這樣的水平。如弱信號(hào)（例如熱電偶信號(hào)）和高阻抗輸出信號(hào)（壓電陶瓷傳感器、）。4）采樣率：每秒采集數(shù)據(jù)的個(gè)數(shù)。比如1KHz/s，表示1秒可以采集1K個(gè)點(diǎn)。采樣率越高，相同時(shí)間內(nèi)采集的點(diǎn)數(shù)就越多，對(duì)信號(hào)還原度就越高。根據(jù)奈奎斯特定理，采樣率必須大于原始信號(hào)的2倍，否則會(huì)發(fā)生混疊現(xiàn)象，一般選取5~10倍的采樣率才比較合適。如果采集卡為多通道，分配到每個(gè)通道上的采樣率為：采樣率/通道數(shù)。5）量程：輸入信號(hào)的幅度，常用的有±5Ｖ、±10Ｖ。6）緩存：主要用來(lái)存儲(chǔ)ＡＤ芯片轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)。帶緩存的采集卡可以設(shè)置采樣頻率，否則不可改變。緩存有ＲＡＭ和ＦＩＦＯ兩種。ＲＡＭ一般用于高速采集卡，存儲(chǔ)量大，速度較慢；ＦＩＦ主要用作數(shù)據(jù)緩沖，存儲(chǔ)量不大，速度快。7）增益：輸入信號(hào)的放大倍數(shù)，分為程控增益和硬件增益。通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡的電壓放大芯片將ＡＤ轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)進(jìn)行固定倍數(shù)的放大，有兩種型號(hào)ＰＧＡ202（1、10、100、1000）和ＰＧＡ203（1、2、4、8）的增益芯片。8）觸發(fā)：可分為內(nèi)觸發(fā)和外觸發(fā)兩種，指定啟動(dòng)ＡＤ轉(zhuǎn)換方式。5

PC-DAQ虛擬儀器系統(tǒng)硬件選型一般數(shù)據(jù)采集卡選型，按如下步驟進(jìn)行，詳細(xì)指標(biāo)參閱相應(yīng)產(chǎn)品的手冊(cè)或選型指南，一般產(chǎn)品官方網(wǎng)站上均可查閱。1）明確應(yīng)用需求在選擇數(shù)據(jù)采集卡之前，必須全面分析應(yīng)用需求，充分了解各種數(shù)據(jù)采集產(chǎn)品的特點(diǎn)、支持的開(kāi)發(fā)平臺(tái)種類、運(yùn)行的操作系統(tǒng)環(huán)境以及開(kāi)發(fā)難度等，然后根據(jù)有關(guān)指標(biāo)進(jìn)行合理選擇。2）識(shí)別信號(hào)類型，選擇測(cè)量方式信號(hào)類型：根據(jù)信號(hào)參考情況，一個(gè)電壓源可以分為兩類：接地信號(hào)、浮地信號(hào)。1）電壓信號(hào)未連接至絕對(duì)參考或公用接地稱為浮接信號(hào)，也稱為無(wú)參考信號(hào)源。2）連接至系統(tǒng)接地端（例如，地面或建筑物地面）的電壓信號(hào)的信號(hào)源稱為接地信號(hào)源。測(cè)量方式：按信號(hào)連接方式不同可以分為三種測(cè)量方式：差分（DIFF）、參考單端（RSE）、非參考單端（NRSE）。通常盡可能使用差分配置。差分信息連接減少了噪聲引入并避免接地環(huán)路。3）選擇采樣率系統(tǒng)的最高采樣率取決于ＡＤＣ芯片變換模擬信號(hào)的速率，通常單位是ＳＰＳ（采樣點(diǎn)/秒）。根據(jù)奈奎斯特采樣理論，采樣頻率必須是信號(hào)中最高有效頻率的兩倍以上，否則會(huì)產(chǎn)生混疊信號(hào)失真，俗稱“假頻”。對(duì)于許多情況，需要仔細(xì)分析信號(hào)的細(xì)節(jié)，那么需要更高的采樣速率，通常建議選用最高采樣率大于信號(hào)最高頻率分量的5～10倍的儀器模塊。4）選擇分辨率和量程首先考慮分辨率，分辨率越高，輸入信號(hào)的細(xì)分程度就越高，能夠識(shí)別的信號(hào)變化量就越小。例如：一個(gè)正弦波信號(hào)，采用分辨率為8ｂｉｔ，Ａ/Ｄ轉(zhuǎn)換所獲得的數(shù)字結(jié)果相當(dāng)于把輸入范圍分為＝256份，一些微小細(xì)節(jié)變化在Ａ/Ｄ轉(zhuǎn)換過(guò)程中就會(huì)丟失，這正是由于分辨率不夠高，在還原數(shù)據(jù)中產(chǎn)生量化噪聲造成的。若采用16ｂｉｔ分辨率，Ａ/Ｄ轉(zhuǎn)換的細(xì)分?jǐn)?shù)值為＝65536份。由量化信噪比ＳＮＲ（ｄＢ）＝（6.02×ｂｉｔ）+1.76ｄＢ可知，量化位數(shù)越多，信噪比就越高。在確定了Ａ/Ｄ轉(zhuǎn)換分辨率的情形下，應(yīng)按照保證信號(hào)量化噪聲較低，信噪比較高的原則，選擇一個(gè)合適的量程，再通過(guò)信號(hào)調(diào)理將采集信號(hào)調(diào)理在這個(gè)合理的量程內(nèi)。5）計(jì)算可檢測(cè)的最小變化（編碼寬度）測(cè)量設(shè)備可檢測(cè)的輸入信號(hào)的最小變化，稱為編碼寬度，由測(cè)量設(shè)備的精度和設(shè)備范圍確定。編碼寬度越小，測(cè)量精度越高?？赏ㄟ^(guò)下列公式計(jì)算編碼寬度：編碼寬度=設(shè)備量程/2分辨率。例如，12位測(cè)量設(shè)備的電壓量程是0至10V，則可檢測(cè)的最小變化為2.4mV（設(shè)備量程/2分辨率=10/212=2.4mV）；如設(shè)備量程是-10至10V，則可檢測(cè)的最小變化為4.8mV（設(shè)備量程/2分辨率=20/212=4.8mV）。6）選擇合適的產(chǎn)品型號(hào)最后還有輸入阻抗、輸出阻抗、通道數(shù)、信號(hào)線數(shù)、隔離等技術(shù)問(wèn)題需要考慮，這些都與傳感器和信號(hào)調(diào)理密切相關(guān)，必須結(jié)合起來(lái)統(tǒng)一考慮。在上述各指標(biāo)選定以后，用戶可根據(jù)“功能夠用”的原則，選擇符合要求的采集卡，找到合適的采集卡型號(hào)。一般來(lái)說(shuō)當(dāng)精度要求不是很高、采樣頻率較低時(shí)，ＰＣＩ和PCIe總線的數(shù)據(jù)采集卡都可以滿足要求；當(dāng)采集精度和采樣頻率要求較高，工作環(huán)境比較惡劣時(shí)優(yōu)先選用ＰＸＩ類型產(chǎn)品。6PC-DAQ虛擬儀器系統(tǒng)軟件虛擬儀器系統(tǒng)軟件主要由UI顯示界面、后臺(tái)儀器控制、數(shù)據(jù)處理等代碼組成。UI界面主要功能為用戶操作和控制測(cè)試，顯示測(cè)試狀態(tài)和數(shù)據(jù)；后臺(tái)儀器控制程序主要功能為控制儀器模塊的工作；數(shù)據(jù)處理程序主要根據(jù)測(cè)試需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算、分析和判斷。7結(jié)束語(yǔ)虛擬儀器的出現(xiàn)是科技界、教學(xué)界和測(cè)