基于虚拟仪器技术的数据采集系统设计与实现分析

高寿斌

（恩施职业技术学院湖北恩施445000）

当前我们所处的时代背景下，计算机技术得到了迅速发展，自动测试技术也随即发生了相应的变化。多通道数据采集系统作为自动测试系统当中的重要构成部分也发生了显著的变化[1-2]。以Lab VIEW（虚拟仪器技术）为基础的数据采集测试系统由于具备编程环境简单、精度高和模块小、处理数据能力强等优点等得到了广泛应用[3]。传统的数据采集系统包含PC机与单片机，存在数据采集效率低，开发难度大等问题，而以PC数据采集系统为基础的方法只需要使用一种编程语言和采集卡就能够在Windows操作系统下开展相应的数据采集与处理及存储等[4]。在此基础上采用Lab VIEW完成编程工作，使数据采集系统的实用性和简便性都得到提高。

1 整体设计

1.1 数据采集系统

数据采集需要将接受测试的对象其中包含的各种参量借助于传感器件转换之后，再对信号进行调理、量化、编码以及传输等，在将信息送到控制器之后需要对数据进行处理或者将数据进行存储。一般由计算机来承担控制器的功能，微处理器或者计算机在整个数据采集系统当中属于核心位置，可以对整个系统来进行控制，并且还需要对需要采集的数据进行处理[5-6]。数据采集系统即DAS系统，属于采集数据的成套设备，需要在计算机的控制下来完成相应的数据采集和信息处理任务，其中需要使用到用于完成数据采集以及控制任务的板卡产品，分为外挂和内插两种方式。外挂DAQ板卡一般包含并口板卡、USB以及RS系列等，使用起来更方便但是速度明显比较低[7]。内插板卡则是各种总线板卡，以ISA为基础[8]。

1.2 设计方案

图1为本次设计的以虚拟仪器技术为基础的数据采集系统整体流程图，具体如下所示：

图1 数据采集系统整体设计示意图

2 硬件系统设计方法

2.1 硬件结构

在本次所设计的数据采集系统的硬件结构当中采用了不同形式的硬件。其中硬件驱动程序需要采用软件设计的方式来对硬件进行编程接口，其中包含对硬件的操作命令设计等，同时还需要完成硬件与软件之间的数据传递，此环节一般为生产数据采集相关硬件的企业所提供。

本次研究所采用的硬件为模块化硬件驱动程序，可以使Lab VIEW编程工作量得到大大的降低，使开发效率提升，开发成本降低。在用户接口当中，用户能够结合自身的实际需求对硬件开展专门的设置和测试。在实际进行数据采集的过程中需要按照automation Explore已有的设置来完成[9]。

2.2 选择合适的数据采集卡驱动方式

上文已经对于DAQ不同形式设备的优劣点进行简要分析。综合考量，本次研究选择了插入式DAQ插入式设备，主要是因为在具体应用时需要同时考虑到更新速率以及PC内存传输速率的双重限制。本次应用的插入式DAQ产品为NIPCI-6221M型号，主要是因为该系列的插入式DAQ产品精度与速度都高，产品价位低于同类性能产品。其中包含16路，因此模拟输入也为16位，I/O线总数为24条，编码器支持2个计数器，32位，80 MHz。图2为该系列DAQ产品组件示意图：

图2 NIPCI-6221M系列采集卡工作原理图

这一系列的DAQ设备所采用的技术为定时控制技术，系统为NI-STC2系统，使周期测量的精度以及脉冲宽度都得到提升，而且所形成的脉冲序列信号也更高速[10-11]。在实际应用这一设备时，输入信号需要采用定时器或者是计数器通路上的输入过滤器来采集的，模拟输入输出则需要通过RTSI总线实现。

3 软件系统设计方法

3.1 设计程序

本次所设计的数据采集系统是基于虚拟仪器技术，即基于Lab VIEW技术，而这一技术则是以图形编译语言虚拟开发软件为平台，具备数据的采集、分析以及信号处理和输入输出等相关控制功能[12-14]。本次选择这技术主要是因为这一基础开发速度更快，对于初学者应用难度较小。虚拟仪器技术包含前后面板两个窗口，其中前面板主要是用于对对象的显示以及放置相关的控件，而后面板则是用来采用图形化的方式实现源代码的编写。本系统的前面板中包含了数据采集、绿波、回放等与参数设计相关的功能。图3为本次设计的程序流程示意图。

图3 程序设计流程图

3.2 分析与处理信号

在实际采用数据采集系统采集信号的过程中，虽然经过了信号处理，但是仍然存在畸波。本次需要从信号当中提取有用的信号，所以需要在分析信号之前处理采集到的信号。结果显示，在加上了滤波器之后的滤波效果发生十分显著的改善，延时时间也变得更长，在对时间严格要求的背景下，这种情况使不允许出现的。在处理采集到的信号时必须要对滤波器进行更好的控制，即需要对其上限截止频率进行更好的控制，这样在接受滤波之后波形的变化也将会变得更加缓慢，在对时间要求不是特别严格的情况下其影响不大。本系统设计对于时间的要求相对严格，所以对于滤波器的上下限截止频率要求都很高。在虚拟仪器技术条件下，本次研究所有涉及到的公式需要使用C语言来编程完成。并在此基础上，使用滤波器，将滤波器的参数设置在合理范围之内。本次研究所选择的滤波器为巴特沃斯型号，所设计的上限截止频率设置控制在0.45 Hz左右，而下限截止频率则是控制在0.2 Hz左右，滤波阶次所设置的为3。图4为使用滤波器之后波形的变化情况。

图4 使用滤波器后波形变化

3.3 测试信号模块设计

测试信号模块主要是用来对信号自身的有效值以及采样频率进行专门的测试[15]，对信号参数进行实时了解，并且判断信号是否处于正常范围之内。在本次设计当中所设计的信号模块在报警装置方面给予革新，将这一模块的设置重点也放在了这一方面。在实际使用的过程中如果发现测试的信号超过了一定范围就会报警，对于异常信号进行及时的处理。图5为通信信号测试结果示意图。

3.4 存储及回现信号设计

图5 通信信号测试结果示意图

信号在测试之后需要对合格的数据进行存储和回现[16]。因此完善的数据采集系统设计过程中还需要对存储和回现信号的相关模块展开设计，将本次采集到的数据信号存储起来便于今后能够实时的进行查阅和参考。本次基于虚拟仪器技术所设计的数据采集系统当中，所采用的是Lab VIEW7.1软件，该软件当中自带了存储模块设计存储程序。设计的程序存储文件的格式包含HTML格式或者是Excel格式等。信号的回放是为了在采集与分析工序完成之后，可以对数据进行随时的重新观察。本次系统设计过程中就考虑到了数据的回放功能，在用户已经保存了数据之后，可以选择回放功能，这样就能够对过去的整个数据采集和分析过程进行一个动态的回放过程。图6为回放操作模块：

图6 回放操作模块

4 具体应用结果

当前我们所生活的是一个信息化时代，尤其是近几年网络技术的迅猛发展，使得信息数据呈现出爆炸式增长，信息化时代也出现了新的特征，物联网、云计算和大数据成为了三大典型产物。其中的大数据则为人们带来便利的同时，使人们搜索信息的范围变得越来越宽广。对于公司而言急需要在众多海量的信息当中快速采集有效的信息。因此本次所设计的系统则较好的满足了不少公司在数据采集昂面的需求，同时对于系统需要的服务以及相关管理部分的需求，在具体使用的过程中，该系统的整体应用情况比较客观。操作起来简单方便，实用价值较高。从系统的整体开发统计来看，结果显示系统的开发率提升29.7%，开发成本成本节约率提高32.0%。表1为应用前后该企业的各项情况变化结果：

表1 应用数据整合系统平台前后企业变化情况

根据以上结果可以发现经过对本次所设计的系统的应用，企业的系统开发成本和企业经济效益均发生较为显著的变化，尤其是在减少了企业日常维护的费用以及额外的资金投入，也使得企业的信息化建设进程不断加快，提高资源的整合率。

5 结束语

我们现在所处的信息化时代要求必须要提高从海量数据当中搜索和查找有用信息的效率。而数据采集系统则是借助于先进的计算机技术，依托于电子技术平台，来提高采集信息的效率。本文主要对基于虚拟仪器技术的数据采集系统设计步骤及方法进行分析，并结合其在实际应用中的效果进行验证。研究结果显示，此种技术所构建起的数据采集系统作用显著，可以在更大的范围内推广应用。