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PC-DAQ虛擬儀器系統(tǒng)設計探討

摘要:虛擬儀器是計算機輔助測試領域的一項重要技術,它將計算機硬件、儀器硬件、軟件三者有效結(jié)合。虛擬儀器技術利用高性能模塊化硬件,結(jié)合高效靈活的軟件來完成各種測試、測量和自動化應用。虛擬儀器技術性能高、擴展性強、開發(fā)時間短、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,也是最廉價的方式。本文介紹了PC-DAQ(DataAcquisition)系統(tǒng)虛擬儀器系統(tǒng)設計基本流程。關鍵詞:PC-DAQ虛擬儀器;系統(tǒng)設計;探討0引言傳統(tǒng)儀器對測試單元進行測試,需要搭建電源、配置儀器、儀器與測試單元互聯(lián),然后操作儀器進行測試和記錄數(shù)據(jù)。對于復雜的系統(tǒng)性測試,傳統(tǒng)儀器測試方式接線復雜,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)由計算機按設計流程,對儀器模塊和被測單元進行高效有序的控制、激勵、檢測和記錄數(shù)據(jù),實現(xiàn)檢測自動化。1PC-DAQ虛擬儀器系統(tǒng)的基本構(gòu)成PC-DAQ虛擬儀器系統(tǒng)由計算機、通用儀器硬件模塊和應用軟件3部分組成:1)計算機:一般為PC機或工作站。2)儀器模塊:PCI或PCIe接口的I/O設備,主要完成被測輸入信號的采集、放大、模/數(shù)轉(zhuǎn)換。3)虛擬儀器軟件:由用戶根據(jù)測試任務進行開發(fā)的軟件,由虛擬面板用戶界面和測試功能程序組成。將數(shù)據(jù)采集板(DAQ)插入計算機的PCI空槽中,配合測試需要的信號調(diào)理電路可以成為儀器硬件平臺,根據(jù)測試流程開發(fā)測試軟件。2PC-DAQ虛擬儀器系統(tǒng)硬件總線是計算機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、計數(shù)器和定時器儀器模塊、多功能I/O儀器模塊、開關矩陣模塊、多路復用器模塊等。2.1電壓儀器模塊電壓模塊可以精確測量電壓一般量程為-10V至10V,并且還可以為控制和通用信號應用生成電壓信號。模擬輸入是測試中最常用最基本的功能。它一般有多路開關(MUX)、放大器、采樣保持電路以及A/D來實現(xiàn)。通過這些部件,一個模擬信號就可以轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號。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)實際需要的精度來選擇合適的A/D;模擬輸出通常是為采集系統(tǒng)提供激勵。輸出信號受數(shù)模轉(zhuǎn)換器(D/A)的建立時間、轉(zhuǎn)化率、分辨率等因素影響。建立時間和轉(zhuǎn)換率決定了輸出信號幅值改變的快慢,建立時間短、轉(zhuǎn)換率高的D/A可以提供一個較高頻率的信號。應該根據(jù)實際需要選擇D/A的參數(shù)指標。2.2電流模塊電流儀器模塊為系統(tǒng)提供電流測量或以高速率控制工業(yè)電流驅(qū)動執(zhí)行器。適用于高性能控制和監(jiān)測應用。2.3數(shù)字I/O模塊可以在多個邏輯電平下采集和生成數(shù)字信號和模式??梢杂糜趯﹄娐愤M行特性分析、時序檢測、切換控制線路以及滿足數(shù)字應用的諸多需求。數(shù)字I/O通常用來控制過程、產(chǎn)生測試信號、與外設通信等。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)動能力等。如果輸出去驅(qū)動電機、繼電器等,就不必要要求較高的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換率。路數(shù)要能同控制對象配合,而且需要的電流要小于采集卡所能提供的驅(qū)動電流。但加上合適的數(shù)字信號調(diào)理設備,仍可以用采集卡輸出的低電流的TTL電平星號去監(jiān)控高電壓、大電流的工業(yè)設備。2.4計數(shù)器和定時器儀器模塊提供了定時和數(shù)字I/O,可用于監(jiān)測正交編碼器、事件計數(shù)器、周期測量、脈沖產(chǎn)生、脈沖串生成、邊沿間隔測量等。許多場合都要用到計數(shù)器,如定時、產(chǎn)生方波等。計數(shù)器包括三個重要信號:門限信號、技術信號、輸出。門限信號實際上是觸發(fā)信號使計數(shù)器工作或不工作;計數(shù)信號也即信號源,它提供了計數(shù)器操作的時間基準;輸出是在輸出線上產(chǎn)生脈沖或方波。計數(shù)器最重要的參數(shù)是分辨率和時鐘頻率,高分辨率意味著計數(shù)器可以計更多的數(shù);時鐘頻率決定了計數(shù)的快慢,頻率越高,計數(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、數(shù)字I/O、頻率計等功能。2.6開關矩陣模塊是控制電路的開啟與閉合。自動測試設備中的信號開關系統(tǒng)通常由兩個或多個矩陣開關組成,按照各種借口標準相互連接,形成從測試資源到被測單元的靈活切換。2.7

多路復用器(數(shù)據(jù)選擇器)模塊能從多個模擬或數(shù)字輸入信號中選擇某個信號并將其轉(zhuǎn)發(fā),將不同的被選信號輸出到同一個輸出線路中。它能接收多個輸入信號,按每個輸入信號可恢復方式合成單個輸出信號。多路復用器,可使多路數(shù)據(jù)信息共享一路信道,使用多路復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現(xiàn)儀器的測量功能,可使用相同的硬件系統(tǒng),通過不同的軟件和信號調(diào)理電路就可以實現(xiàn)功能完全不同的各種測量測試儀器,軟件系統(tǒng)是虛擬儀器的核心,軟件可以定義為各種儀器。虛擬儀器的應用軟件包含應用程序和I/O接口驅(qū)動程序兩部分構(gòu)造。3.1I/O接口設備驅(qū)動程序一般I/O接口程序由I/O設備的廠家提供,計算機安裝設備驅(qū)動后,可以與相應的硬件進行通信;通過官方提供的庫函數(shù),計算機可以控制硬件進行初始化、電壓采集、電流采集、數(shù)字信號輸出等工作。3.2應用程序硬件平臺搭建以后,完成測試功能主要取決于應用程序。應用程序由用戶根據(jù)測量需求就行開發(fā)。應用程序主要由用戶界面、硬件操控、數(shù)據(jù)處理和計算、數(shù)據(jù)保存等過程組成。虛擬儀器設備支持常用的C、C++、VB等語言進行開發(fā)。3.3開發(fā)工具目前虛擬儀器應用程序開發(fā)常用的集成開發(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虛擬儀器技術參數(shù)數(shù)據(jù)采集儀器模塊主要技術參數(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):儀器模塊可以同時采集幾路信號。絕大多數(shù)數(shù)據(jù)采集模塊上只有一個AD轉(zhuǎn)換器,通過使用模擬開關分時采集不同通道的數(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。常見分辨率有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)任意一點的測量值和真實值之間最大偏差的絕對值,即測量準確程度。一般用滿量程FSR(FullScaleRange)的百分比表示,常見的如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)。在實際檢測過程中,受到很多因素,特別是外部電磁干擾信號,電源干擾和傳感器噪聲等影響因素的限制,檢測精度往往達不到這樣的水平。如弱信號(例如熱電偶信號)和高阻抗輸出信號(壓電陶瓷傳感器、)。4)采樣率:每秒采集數(shù)據(jù)的個數(shù)。比如1KHz/s,表示1秒可以采集1K個點。采樣率越高,相同時間內(nèi)采集的點數(shù)就越多,對信號還原度就越高。根據(jù)奈奎斯特定理,采樣率必須大于原始信號的2倍,否則會發(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,分配到每個通道上的采樣率為:采樣率/通道數(shù)。5)量程:輸入信號的幅度,常用的有±5V、±10V。6)緩存:主要用來存儲AD芯片轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)。帶緩存的采集卡可以設置采樣頻率,否則不可改變。緩存有RAM和FIFO兩種。RAM一般用于高速采集卡,存儲量大,速度較慢;FIF主要用作數(shù)據(jù)緩沖,存儲量不大,速度快。7)增益:輸入信號的放大倍數(shù),分為程控增益和硬件增益。通過數(shù)據(jù)采集卡的電壓放大芯片將AD轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)進行固定倍數(shù)的放大,有兩種型號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,按如下步驟進行,詳細指標參閱相應產(chǎn)品的手冊或選型指南,一般產(chǎn)品官方網(wǎng)站上均可查閱。1)明確應用需求在選擇數(shù)據(jù)采集卡之前,必須全面分析應用需求,充分了解各種數(shù)據(jù)采集產(chǎn)品的特點、支持的開發(fā)平臺種類、運行的操作系統(tǒng)環(huán)境以及開發(fā)難度等,然后根據(jù)有關指標進行合理選擇。2)識別信號類型,選擇測量方式信號類型:根據(jù)信號參考情況,一個電壓源可以分為兩類:接地信號、浮地信號。1)電壓信號未連接至絕對參考或公用接地稱為浮接信號,也稱為無參考信號源。2)連接至系統(tǒng)接地端(例如,地面或建筑物地面)的電壓信號的信號源稱為接地信號源。測量方式:按信號連接方式不同可以分為三種測量方式: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芯片變換模擬信號的速率,通常單位是SPS(采樣點/秒)。根據(jù)奈奎斯特采樣理論,采樣頻率必須是信號中最高有效頻率的兩倍以上,否則會產(chǎn)生混疊信號失真,俗稱“假頻”。對于許多情況,需要仔細分析信號的細節(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,輸入信號的細分程度就越高,能夠識別的信號變化量就越小。例如:一個正弦波信號,采用分辨率為8bit,A/D轉(zhuǎn)換所獲得的數(shù)字結(jié)果相當于把輸入范圍分為=256份,一些微小細節(jié)變化在A/D轉(zhuǎn)換過程中就會丟失,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)換的細分數(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,應按照保證信號量化噪聲較低,信噪比較高的原則,選擇一個合適的量程,再通過信號調(diào)理將采集信號調(diào)理在這個合理的量程內(nèi)。5)計算可檢測的最小變化(編碼寬度)測量設備可檢測的輸入信號的最小變化,稱為編碼寬度,由測量設備的精度和設備范圍確定。編碼寬度越小,測量精度越高??赏ㄟ^下列公式計算編碼寬度:編碼寬度=設備量程/2分辨率。例如,12位測量設備的電壓量程是0至10V,則可檢測的最小變化為2.4mV(設備量程/2分辨率=10/212=2.4mV);如設備量程是-10至10V,則可檢測的最小變化為4.8mV(設備量程/2分辨率=20/212=4.8mV)。6)選擇合適的產(chǎn)品型號最后還有輸入阻抗、輸出阻抗、通道數(shù)、信號線數(shù)、隔離等技術問題需要考慮,這些都與傳感器和信號調(diào)理密切相關,必須結(jié)合起來統(tǒng)一考慮。在上述各指標選定以后,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。一般來說當精度要求不是很高、采樣頻率較低時,PCI和PCIe總線的數(shù)據(jù)采集卡都可以滿足要求;當采集精度和采樣頻率要求較高,工作環(huán)境比較惡劣時優(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試,顯示測試狀態(tài)和數(shù)據(jù);后臺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)測試需要對數(shù)據(jù)進行計算、分析和判斷。7結(jié)束語虛擬儀器的出現(xiàn)是科技界、教學界和測

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