基于NIPXI-5105的多通道数据采集系统的设计分析

2021-01-23杨佳丽

通信电源技术 2020年19期

杨佳丽

（中国航发北京航科发动机控制系统科技有限公司，北京 102200）

0 引言

压力管道在现代工业生产中的应用非常重要，主要承担流体运输工作，如石油输送管道、化工管道以及其他液体材料管道等。而在管道具体工作中，工作环境较差和工作强度高都会影响管道使用寿命，也容易引起管道泄漏问题。管道泄漏问题的处理中，管道泄漏位置的信息数据采集是重要工作。本文研究的NIPXI-5105采集板卡多通道数据采集系统能够完成管道泄漏多通道信号的信息采集，并定位监控管道的运行工作，对管道维修和管理有非常重要的作用。

1 采集板卡和多通道信号采集器的分析

1.1 采集板卡的简要介绍

采集板卡也被称作为数据采集板卡，是一种应用计算机拓展技术的数据信息采集卡。如USB、PXI、PCI以及PCI Express等都是数据采集性能良好的采集板卡。当前，数据采集卡的发展非常快，已经能够满足不同信号的数据采集工作，主要形式包括模拟量输入板卡、开关量输入板卡以及多功能板卡等，其中多功能板卡是一种能够实现多种信号采集的板卡装置。

数据采集板卡主要工作技术参数如下。一是通道数参数。通道数参数对于数据采集板卡的数据采集效率有非常重要的影响，当前数据采集板卡分为单端采集板卡和差分采集板卡两种。二是采样频率。数据采集板卡的采集频率主要是指单位时间内有效采集数据的点数，也是指数据采集板卡的工作效率。三是分辨率参数。数据采集板卡分辨率参数具体是指模拟量值为采样数据的最低位。四是采集量程。数据采集板卡的采集量程是指板卡工作中的数据采集最大幅度，与数据采集板卡的工作范围半径有关。五是数据采集精度。数据采集板卡的数据采集精度是指数据采集板卡使用中的真实采集值与采集对象实际标准的绝对误差，通常也代表数据采集板卡的工作效率。

NIPXI-5105采集板卡是一种性能优良的数据采集板卡，具有良好信号数据采集精度、分辨率以及采样频率，且能够完成多通道数应用，因此本文研究中选择NIPXI-5105采集板卡作为多通道采集系统的基础模块。

1.2 多通道信号采集器的简要介绍

多通道数据采集器的使用范围更广，是可以模拟信号输出和采集更多信号的采集装置，如USB接口数据采集产品和SZSC-16S采集系统等。其具有非常良好的信号采集功能，并能够与电脑、手机以及其他电子设备的终端进行通道连接，不仅能够提升信号采集功能，而且能够实现信号采集器应用范围的拓展。当前，多通道信号采集器装置广泛应用于农业与工业生产领域，农业领域中应用的土壤水分传感检测装置就利用了传感技术与多通道数据信号采集技术。此外，多通道信号采集器装置具有连接方便、数据信号采集精度高、信号数据采集速度快以及编程简单的主要特点。另外，由于在本文研究管道泄漏问题采集过程中考虑到泄漏数据信号采集效率等因素，因此选择设计多通道数据采集系统。

2 压力管道泄漏位置数据信号信息采集的难点

压力管道是石油化工企业材料和产品生产运输的重要装置，核心作用就是生产运输。但是，当前压力管道使用中经常出现泄漏问题，一方面影响到了资源的生产利用，如石油管道泄漏，另一方面也会造成比较严重的安全风险，如天然气压力管道。因此，在实际生产过程中，对压力管道泄漏源进行位置信号采集至关重要。而压力管道的数据信号采集比较复杂，主要存在以下几点信号采集困难。

一是压力管道的工作运行环境相对比较差。压力管道运行属于室外运行，地下运行环境、运行环境温度、运行环境湿度以及运行环境的微生物状态都会对压力管道工作运行造成影响，也会影响到压力管道的信号采集活动。二是压力管道在生产运输中运输产品和物质也会对压力管道造成一定程度的影响，如运输的石油和化工原料等物品都具有一定腐蚀性，很容易出现压力管道泄漏问题，并且其泄漏气体环境也会对信号采集造成一定干扰，从而影响到信号采集效率。融合NIPXI-5105采集板卡与多通道信号采集系统，将有利于提升整体信号采集系统的采集范围、采集抗干扰性以及采集速度。

3 NIPXI-5105采集板卡多通道数据信息采集系统地设计

3.1 LabVIEW软件在设计中的应用

LabVIEW软件是一种程序开发设计软件，在具体的程序系统设计中使用到图形化编辑语言G进行程序系统的编写设计，其数据处理能力非常强大，并且能够根据程序设计框图对系统进行合理地设计。在NIPXI-5105多通道采集系统设计中，利用LabVIEW软件构件了时间状态机模式。LabVIEW软件事件状态随机模式之下，在系统程序设计中可以完成前面板程序设计锁定。待所有程序流程设计完毕后，设计者想要使用LabVIEW软件优化设计程序时，可以完成对任意程序设计环节的解锁，并对其进行优化处理。前面板设计锁定和解锁的操作非常简单，LabVIEW软件系统模块中有“锁定前面板锁定事件结束”的对话框，勾选对话框就可以完成锁定。

3.2 NIPXI-5105采集板卡多通道数据信息系统的具体设计

3.2.1 系统整体设计原理分析

NIPXI-5105采集板卡多通道数据信息系统的设计原理分析包括以下几点内容。

（1）系统组成包括NIPXI-1041Q计算机箱、NIPXI-5105采集板卡系统以及传感器系统等。其中NIPXI-1041Q计算机箱主要完成系统的驱动工作，NIPXI-5105采集板卡系统完成信号输入与转换的主要工作，而传感器系统是整个多通道数据信息采集系统的前端窗口，主要完成压力管道泄漏位置的监控和信号采集。本次系统设计中采用8路同步采样通道的NIPXI-5105采集板卡，其信号检测采集精度更高，设计输入范围为50 mV～30 V[1]。

（2）系统软件设计主要使用LabVIEW软件，输入阻抗可以达到50 Ω～1 MΩ，系统最大容量可以512 MB，可有效实现数据采集系统的优化。

（3）系统的工作原理。首先，启动系统后发出信号采集指令，传感器采集系统采集被检测管道的信号，并接收到管道反射信号。其次，NIPXI-5105采集板卡系统开始接收信号，将模拟信号转换为数字信号并直接传输到上位机系统中。最后，信号采集信息LabVIEW软件系统开始处理虚拟数据，并利用自身显示模块进行显示，同时完成信号和数据的储存工作。

3.2.2 系统的软件整体设计

利用LabVIEW进行系统软件设计，可以最大程度上完成软件设计的优化。以下是本文对系统软件设计进行的分析。

（1）系统软件参数设计。本次系统软件设计中，系统参数设计利用LabVIEW软件的时间状态机模型，减少了系统轮询机制带来的资源消耗问题，从而保证了参数设计的合理性。LabVIEW软件的时间状态机模型下系统参数设计界面如图1所示。其中，参数设计内容主要包括板卡选择参数、通道个数以及采样频率等内容，通过合理参数设置可以保证系统能够更加高效地完成数据采集工作[2]。

图1 NIPXI-5105采集板卡系统软件参数设置界面

（2）系统采集和显示模块的设计。NIPXI-5105采集板多通道信息采集系统中数据采集和显示模块是重要单元，对于系统的功能完善有重要作用。本次软件设计中利用While循环结构模块来完成采集模块设计，其中主要控制开始采集按钮的工作。在While循环时间结构应用后，选择开始采集按钮开始采集工作，并由NI—SCPE模块完成采集程序的编写，采集程序指令编写完成后将程序指令发送到系统工作模块中实现系统的采集功能。但在While循环结构模块运行过程中，一旦出现数据信息采集故障或者系统使用者完成停止按钮驱动，程序就进入到非工作状态，停止数据采集，前端的显示模块也自动转化为初始界面并请求对数据进行保存。

（3）数据储存模块的设计。NIPXI-5105采集板多通道信息采集系统还具备数据信息储存模块，以方便对检测的信息进行良好的数据储存，提升了系统的工作效率。本次系统设计中，采用信号采集与信号数据信息储存同时展开的模式，通过边采集边储存优化模式的建立，保证系统的数据采集频率更高，数据采集量更大[3]。此外，在NIPXI-5105采集板多通道信息采集系统进行数据采集的过程中主要使用到二进制文件形式来保存数据，从而提升数据储存的精度控制。在系统进行数据储存的过程中，将采集的数据信息转化了bin格式，并且保证数据储存信息命名的唯一性。

NIPXI-5105采集板多通道信息采集系统进行数据存储的过程中首先要完成系统的初始启动，其次通过初始启动的完成建立数据采集指令，同时建立二进制数据储存类文件，最后将采集到数据信号信息直接储存到二级制数据文件夹中。

4 具体试验分析

NIPXI-5105采集板多通道信息采集系统的设计可以测试压力管道的泄漏源。在设计完成后为了保证系统设计能够具有良好的实践应用能力，需要进行试验分析验证。在进行具体的系统检测试验中，首先对系统电路进行检测，保证电路能够良好完成工作，其次要完成系统传感器布置，传感器的布置位置能够对系统采集精度造成一定程度的影响，最后检测系统的硬件连接，主要包括NIPXI-5105采集板连接、传感器连接以及NIPXI-1041Q计算机箱连接等，检测连接完毕后启动程序采集系统信号。