基于LabVIEW的多通道数据采集系统的研究

引言
    在计算机广泛应用的今天，数据采集的重要性是十分显著的。它是计算机与外部物理环境连接的通道。基于虚拟仪器技术的数据采集系统的提出在一定程度上解决了传统数据采集所面临的问题，虚拟仪器数据采集系统成为当今数据采集系统发展的重要方向。本文在虚拟仪器技术的基础上对多通道数据采集系统进行了设计．将传感器获取的模拟信号，经过信号调理后。输入到NIPCI-622l数据采集卡，实现多路信号的采集，然后经过PCI总线送入PC机，并对实验数据进行实时显示、记录、分析处理，包括采集数据的平均值滤波，采样波形的实时显示，并以一定的时间间隔插入数据库进行保存，边采集边保存，并通过数据库技术实现了历史数据的检索。

1 数据采集系统工作原理
    假设现在对一个模拟信号x(t)每隔△t时间采样一次。时间间隔△t被称为采样间隔或者采样周期。它的倒数1／△t被称为采样频率．单位是采样数／每秒。t=O，△t，2Δt，3Δt…等等，x(t)的数值就被称为采样值。所有x(O)，x(△t)，x(2Δt)都是采样值。这样信号x(t)可以用一组分散的采样值来表示：

   
    一个模拟信号和它采样后的采样值。采样间隔是△t，采样点在时域上是离散的。如果对信号x(t)采集N个采样点，那么x(t)就可以用以下数列表示：x={x[O]，x[1]，x[2]，x[3]，…，x[N—1])，该数列被称为信号x(t)的数字化显示或者采样显示。此数列中仅仅用下标变量编制索引，不含有任何关于采样率(或Δt)的信息。所以如果已知该信号的采样值和采样率，就能得出信号x(t)的频率。
    根据采样定理。最低采样频率必须是信号频率的两倍。由恩奎斯特频率可知，如果信号中包含频率高于奈奎斯特频率的成分，信号将在直流和恩奎斯特频率之间畸变。采样率过低的结果是还原的信号的频率看上去与原始信号不同。这种信号畸变叫做混叠。出现的混频偏差是输入信号的频率和最靠近的采样率整数倍的差的绝对值。为了避免这种情况的发生，通常在信号被采集(A／lD)之前，经过一个低通滤波器，将信号中高于奈奎斯特频率的信号成分滤去。理论上设置采样频率为被采集信号最高频率成分的2倍就够了。但实际上工程中选用5倍～10倍，有时为了较好地还原波形，甚至更高一些。

2 多通道采集系统方案设计
    在多通道采集系统设计方案上．该系统硬件构成主要由传感器、前端信号调理电路板和NI-6221数据采集卡三部分组成。在软件构成上，需要进行设备驱动程序的设计和运用虚拟仪器开发环境进行虚拟面板的开发。
    工作过程中，整个系统从被测对象开始．通过传感器转换成电信号，经过信号调理模块进行简单的信号处理，将信号送至数据采集卡进行采集。然后用软件进行处理。在采集过程中将数据保存到数据库里，实现了历史数据的访问。总体设计框图如图1所示。

2．1 传感器
    传感器部分是跟外界沟通的门户，负责把外界的各种物理信息，如光、压力、温度、声音等物理信号变成电信号。因为被测试对象的信号来源已经是变换好了的电信号，所以传感器部分在设计中没有得到具体体现，但是这部分是设计过程中必需要考虑的。
2．2 信号调理电路板
    从传感器得到的信号大多要经过调理才能进入数据采集设备，信号调理功能包括放大、隔离、滤波等。由于不同传感器有不同的特性，除通用功能外，还要根据具体传感器的特性和要求来设计特殊的信号调理功能。信号调理的通用功能如下：
    (1)放大。微弱信号都要进行放大以提高分辨率和降低噪声，使凋理后信号的电压范围和A／D的电压范围相匹配。信号调理模块应尽可能靠近信号源或传感器．使得信号在受到传输信号的环境噪声影响之前已被放大．使信噪比得到改善。
    (2)隔离。隔离是指使用变压器、光或电容耦合等方法在被测系统和测试系统之间传递信号，避免直接的电连接。使用隔离的原因：一是从安全的角度考虑；二是隔离可使从数据采集卡读出来的数据不受地电位和输入模式的影响。如果数据采集卡的地与信号地之间有电位差，而又不进行隔离，那么就有可能形成接地回路．引起误差。
    (3)滤波。信号调理系统可以从被测试信号中滤除不需要的成分或噪声。大多数信号调理模块都包含低通滤波器，以滤除截止频率以上的所有干扰信号频率成分。
2．3 数据采集卡的选用
    数据采集板卡的性能与众多因素相关，要根据具体情况而定。所以在选择数据采集卡构成系统时，首先必须对数据采集卡的性能指标有所了解。
    (1)采样频率
    采样频率的高低，决定了在一定时间内获取原始信号信息的多少．为了能够较好的再现原始信号，不产生波形失真，采样率必须要足够高才行。根据奈奎斯特理论采样频率至少是原信号的两倍，但实际中，一般都需要5倍～10倍。
    (2)采样方法
    采集卡通常都有好几个数据通道，如果所有的数据通道都轮流使用同一个放大器和A／D转换器．要比每个通道单独使用各自的经济的多，但这仅适用于对时间不是很重要的场合。如果采样系统对时间要求严格，则必须同时采集，这就需要每个通道都有自己的放大和A／D转换器。但是处于成本的考虑。现在普遍流行的是各个数据通道公用一套放大器和A／D转换器。
    (3)分辨率
    ADC的位数越多．分辨率就越高，可区分的电压就越小。例如，三位的A／D转换把模拟电压范围分成23=8段，每段用二进制代码在000到lll之间表示。因而，数字信号不能真实地反映原始信号，因为一部分信息被漏掉了。如果增加到十二位．代码数从8增加到212=4096，这样就可以获得十分精确的模拟信号数字化表示。
    (4)电压动态范围
    电压范围指ADC能扫描到的最高和最低电压。一般最好能够使进入采集卡的电压范围刚好与其符合，以便利用其可靠的分辨率范围。例如．一个12位多功能DAQ卡．其可选的范围从O～10 V，或-5 V～+5 V,其可选增益有1．2．5，10．20，50或100。电压取值范围从O～10 V．增益为50，则理想分辩电压是：
    (5)I／O通道数
    根据以上性能指标，本系统采用NI公司PCI-622l型数据采集卡。

3 系统软件设计
3．1 数据采集程序
    系统采用的是NI PCI-622l采集卡，由于该卡支持DAQmx驱动程序，所以本设计是直接使用DAQmx-DataAcquisition开发的，在这部分中．主要是采集参数的设置，其中包括物理通道的选择，采样模式、采样率、每通道采样数、输入方式的配置，采样最大最小值的设置。具体程序见图2。

3．3 历史数据查询程序
    历史数据查询，因为已经把采集的数据保存在数据库里了．所以历史数据的查询只需要从数据库里按照一定的条件检索出来就行了，这样就涉及到检索条件的问题，而保存数据的表格的主键已设为保存时刻．每个数据在时间上是唯一的。因此检索条件确定为保存数据的时间段。具体程序见图4。

3．4 报警记录程序
    这部分程序采用用户事件来编写的，当采样值大于设定的数值时，就会触发用户事件，从而使下面循环里的事件发生，进行记录数据，这部分是实时记录的．没有进行保存，每次重新启动系统时，会清空保存的记录。该报警记录的时间间隔为1秒。具体程序见图5。

4 结论
    本文采用NI PCI一6221数据采集卡，并基于LabVIEW的开发平台．进行多通道数据采集系统的研究。研究表明，该多路数据采集系统相对于传统的测试仪表，具有精度高、自动化程度高的特点，并且可用于长时间、同步、高速连续采集，不会出现数据丢失和串道的问题，所有的数据处理都在计算机内部完成，速度快、精度高。并能够实现具有数据同时采集、采集数据实时显示、存储与管理的功能。