基于虚拟仪器的高速数据采集系统开发

张燕 王帮峰 龚科 南京航空航天大学金城学院 211156

基于虚拟仪器的高速数据采集系统开发

张燕 王帮峰 龚科 南京航空航天大学金城学院 211156

提出了一种基于虚拟仪器的数据采集卡驱动开发方案，采用LABVIEW集成开发环境实现对数据采集卡的开发和控制。本系统基于虚拟仪器思想，利用通用PC机和高性能多功能输入/输出卡的形式建立了一个数据采集系统，并应用于面向结构健康主动监测的集成测试与分析系统，实现了结构健康监测系统的自动采集、显示、存储和简单时频分析，为复合材料的损伤监测提供了及时准确的损伤特征信息。

虚拟仪器;数据采集;Labview;损伤监测

Virtual Instrument；Data Acquisition；Labview；Structure Health Monitoring

1、简介

所谓虚拟仪器技术，是N I公司于1986年提出的，是用户在通用计算机平台上，根据任务的需要来定义和设计仪器的功能，其实质是软硬件结合，虚实结合的产物，是充分利用最新的计算机技术来实现和扩展传统仪器功能。虚拟仪器的基本思想是利用计算机来管理仪器，组织仪器系统，进而逐步代替仪器完成某些功能，最终达到取代传统电子仪器的目的[1]。本系统采用N I公司的图形化软件Labview作为系统开发平台对复合材料的损伤特征信息进行采集和处理。

Labview是实验室虚拟仪器集成环境(Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench)的简称，是美国国家仪器公司（National Instruments，简称NI公司）推出的一种基于图形程序的虚拟仪器仪表开发平台，也是目前应用最广、发展最快、功能最强的图形化软件开发集成环境[2]。

2、数据采集系统设计

用于复合材料结构健康监测的数据采集系统，采用研华公司的高性能板卡PCI1721和PCI1714分别作为信号输出和输入，PC机通过模拟量输出卡PCI-1721将激励信号输出，信号经过功率放大后驱动表面粘贴或内部嵌埋在待测结构上的驱动器动作，然后由多功能数据采集卡PCI-1714采集经过信号调理后的传感器响应信号，最后由PC机对信号进行时频处理提取信号中所携带的损伤信息，为结构损伤识别做好前期准备工作[3]。

该数据采集系统以图形化软件开发集成环境Labview为编程工具实现信号的输出和采集，该系统主要可以实现如下功能：

1）数据采集设置：实现对该数据采集系统的各种参数设置，包括各输入通道采样频率、增益调整、采样点数等。

2）任意信号发生器：除了能输出常规的频率可调的正弦波、方波、三角波之外，还能够通过板卡的模拟输出端输出结构健康监测系统所需的激励信号—窄带波信号且参数可调。

3）信号处理：该模块可以进行快速傅立叶变换、短时傅立叶变换、小波变换等多种信号处理和分析。并且该模块是一个开放式，可根据需要随时添加新的信号预处理以及信号分析算法。

4）显示和存储：可以实时显示试验所采用的激励信号和多通道高速采集到的传感器信号，在第一时间内观察信号的形状，并保存采集数据。

图1 信号输出流程图

2.1 波形输出设计

波形输出的实现是采用Advantech公司生产的PCI-1721模拟量输出卡，它是一款基于PCI总线的模拟量输出卡，最高10MHz的数字刷新频率，提供了16个数字量输出通道和4个模拟量输出通道，每个模拟量输出通道带有1K FIFO缓冲器，PCI-1721除了提供常规的电压值和电流值输出之外，还可根据D M A触发模式输出高频波形。输出的幅值可以根据参考电压调节，它的4路D/A输出通道可选择内/外部参考电压设置输出电压和电流的范围。

单通道高频信号输出作为压电驱动器的激励信号，波形输出的流程图如图1所示。

该波形输出系统在复合材料结构健康监测中主要是用来产生超声Lamb波的激励信号，它要求波形稳定，并且频率高，一次只输出一个完整波形。在超声Lamb波检测中，激励信号主要是采用窄带脉冲信号，用于产生窄带脉冲信号的函数形式有加汉宁窗的正弦函数和Morlet小波函数两种情况。方法是建立在某个确定函数的基础上，利用输出卡产生输出信号，并经过功率放大器放大后，作用于压电元件激发出Lamb波[4]。

加窗正弦波：

可以利用Labview的公式节点函数通过对时间参数t的离散化实现其波形输出，如图2所示。通过用户界面设置实现多种波形的单通道或多通道连续输出，可根据需要自行改变波形的周期点数、幅值和频率等参数。

P C I—1721板卡驱动内部集成了Labview平台所需的功能函数，只需直接调用即可实现特定的功能，所以说Labview平台是一种功能强大，且实用方便的G语言编程软件。

SelectDevicePop.vi：用于选择数据采集卡端口号，当PC机上有多块PCI板卡时此函数的应用便于选择所需的硬件设备。

DeviceOpen：打开指定的设备并返回一个驱动句柄。

EnableEvent.vi：当使用中断或D M A模式时，用于开启或者关闭事件。

FaoWaveFormStart.vi：产生常见的三角波、正弦波、锯齿波和方波，根据周期点数、幅值的设置产生波形数据。

PCI-1721采用DMA触发模式在后台运行，用户可以通过调用FaoCheck. vi函数查看运行状态。

FaoStop.vi：在波形输出完成后调用该函数取消模拟输出操作重新设置软硬件状态。

DeviceClose：关闭由DeviceOpen打开的设备, 在程序结尾需调用此子VI, 以释放资源为下次操作做好准备。

2.2 数据采集模块设计

图2 加窗正弦信号输出

本系统中数据采集的实现是采用Advantech公司的PCI-1714模拟采集卡，它是一款支持高速采集的模拟采集卡，4路单端模拟量输入，它可实现的最低采集频率是235K H z。在数据采集之前，程序将对采集板卡进行开启和设置初始化。板卡和内存的Buffer 是数据采集存储的中间环节，板卡上每个通道自带的32K Buffer（FIFO）是数据采集存储的重要部分，是通向计算机内存的高速硬件通道，这就意味着可以把采集的数据直接送到计算机的内存，先将它们快速存储起来，稍后再重新找回它们显示或分析，避免了占用CPU提高了效率，这就是DMA工作模式的原理。PCI-1714对于波形数据的采集支持三种采集模式：中断、D M A和看门狗方式，D M A方法适用于对数据采集速度要求较高的情况，由于本试验所要采集的激励信号是高频信号，故本系统采用上述介绍的DMA模式[5]。

图3 DMA工作原理图

在本系统中PCI-1714板卡使用到的采集函数：

MultiChannnelDmaExSetup.vi：配置多通道模拟输入所需的参数，如采集频率、增益等。

WaitFastAIEvent： 使程序进入等待状态, 直到设定的事件发生。

FAICheck：获得当前操作的状态。

图4 数据采集框图

FAIStop.vi：在数据采集结束后调用该函数取消模拟采集操作重新设置软硬件状态。

数据采集模块的设计根据上述D M A触发方式调用Labview的子VI，利用For或者While循环将设备采集的数据不断的输出，首先将板卡上自带的32KFIFO作为缓冲，当FIFO半满或者全满时板卡上的PCI总线向P C机的D M A控制器发生D M A请求，以D M A方式将数据从F I F O转移到内部缓冲区。工作流程图与板卡输出相类似，这里不再赘述。在该程序中并没有明显的强制性的同步措施，仅仅是将一个模拟输出和模拟输入通过error的数据线相互关联在一起，规定了一个合理的程序执行顺序：AI Config→AO Config→AI Start→AO Start→AI Read→AI Clear→AO Clear→Error，再配以适当的Buffers等参数，只要先启动采集板卡就可以保证模拟输出和模拟输入的协调工作。

Labview内部的分析软件库集成了多种信号时频处理工具和算法，例如单边F F T、双边F F T和频谱分析等模块，在本数据采集系统内部设计了傅立叶变换模块，用来将所采集数据转换到频域中，为后续处理作准备[6]。

波形的实时显示是通过调用WaveFormChart控件来实现波形的实时显示可以在一个波形输出窗口同步输出多通道的波形，以不同颜色来区分不同通道的数据采集情况便于比较和观察。

研华公司的PCI-1714模拟量输入卡和PCI-1721模拟量输出实现高频波形输出和数据高速采集的程序框图如图4所示。

4、小结

以研华公司生产的PCI-1714/1721模拟量输入和输出卡为硬件平台，借助Labview7.1开发环境编程实现了高频波形的稳定输出以及高速采集，并及时处理和保存数据，为复合材料结构健康监测系统提供了及时有效的损伤特征信息，这是监测系统能够有效识别损伤的前提条件。该系统采用D M A方式使系统采集速度可达30Ms/s，满足了健康监测系统的高速采集和输出高频激励信号的要求，而且将数据以实时图形的方式显示，解决了文本编程语言绘图难的问题，而且该程序扩展性好，后续的信号预处理可以按需要随时进行改动和完善。

在后期研究中，可以尝试添加多种输出波形，使得该数据输出采集系统得到更加广泛的应用。

[1]吴成东，孙秋野，盛科. LabVIEW虚拟仪器程序设计及应用[M].北京：人民邮电出版社.2008

[2] 张重雄.虚拟仪器技术分析与设计[M].北京：电子工业出版社.2007

[3] 施益峰.面向结构健康监测的集成软件系统的研究[D].南京航空航天大学. 2005

[4] Hoon Sohn, Gyuhae Park, Jeannette R Wait, Wavelet-based Active Sensing for Delamination Detection in Composite Structures [J], Smart Material and Structures，2004(13):153-160.

[5]张燕.基于模糊神经网络的复合材料损伤主动监测技术研究[D].南京航空航天大学.2008

[6] 武剑，李巴津.基于LabVIEW的普通数据采集卡驱动研究[J].现代电子技术. 2009（12）。

Data Acquisition System Research Based on Virtual Instrument

Zhangyan Wang bangfeng Gong ke
Jincheng college Nanjing Univ. of Aero. & Astron. Nanjing 210016, P. R. China

The design and realization of a PC-based integrated software system for structure health monitoring was studied. Virtual instrument technology and Labview were employed to design the structure health monitoring software system. With the use of multifunction data acquiring panels PCI-1714and PCI-1721, any actuating signal outputting, high-speed data acquisition and plenty of signal processing were achieved.

张燕，女，1982年出生，硕士研究生，方向：计算机测控。