PC-DAQ虚拟仪器系统设计探讨

PC-DAQ虚拟仪器系统设计探讨

摘要：虚拟仪器是计算机辅助测试领域的一项重要技术，它将计算机硬件、仪器硬件、软件三者有效结合。虚拟仪器技术利用高性能模块化硬件，结合高效灵活的软件来完成各种测试、测量和自动化应用。虚拟仪器技术性能高、扩展性强、开发时间短、集成高效出色，PC-DAQ虚拟仪器系统是构成VI的最基本的方式，也是最廉价的方式。本文介绍了PC-DAQ（DataAcquisition）系统虚拟仪器系统设计基本流程。关键词：PC-DAQ虚拟仪器；系统设计；探讨0引言传统仪器对测试单元进行测试，需要搭建电源、配置仪器、仪器与测试单元互联，然后操作仪器进行测试和记录数据。对于复杂的系统性测试，传统仪器测试方式接线复杂，需要多人协同，操作难度大，而且很容易出现漏检、误检的情况。使用虚拟仪器系统由计算机按设计流程，对仪器模块和被测单元进行高效有序的控制、激励、检测和记录数据，实现检测自动化。1PC-DAQ虚拟仪器系统的基本构成PC-DAQ虚拟仪器系统由计算机、通用仪器硬件模块和应用软件3部分组成：1）计算机：一般为PC机或工作站。2）仪器模块：PCI或PCIe接口的I/O设备，主要完成被测输入信号的采集、放大、模/数转换。3）虚拟仪器软件：由用户根据测试任务进行开发的软件，由虚拟面板用户界面和测试功能程序组成。将数据采集板（DAQ）插入计算机的PCI空槽中，配合测试需要的信号调理电路可以成为仪器硬件平台，根据测试流程开发测试软件。2PC-DAQ虚拟仪器系统硬件总线是计算机各种功能部件之间传送信息的公共通信干线，PC-DAQ虚拟仪器常用的总线主要有PCI、PCIe、PXI、PXIe。目前常用的PC-DAQ仪器模块有：电压仪器模块、电流仪器模块、数字I/O仪器模块、计数器和定时器仪器模块、多功能I/O仪器模块、开关矩阵模块、多路复用器模块等。2.1电压仪器模块电压模块可以精确测量电压一般量程为-10V至10V，并且还可以为控制和通用信号应用生成电压信号。模拟输入是测试中最常用最基本的功能。它一般有多路开关（ＭＵＸ）、放大器、采样保持电路以及Ａ／Ｄ来实现。通过这些部件，一个模拟信号就可以转化为数字信号。Ａ／Ｄ的性能和参数直接影响着模拟输入的质量，要根据实际需要的精度来选择合适的Ａ／Ｄ；模拟输出通常是为采集系统提供激励。输出信号受数模转换器（Ｄ／Ａ）的建立时间、转化率、分辨率等因素影响。建立时间和转换率决定了输出信号幅值改变的快慢，建立时间短、转换率高的Ｄ／Ａ可以提供一个较高频率的信号。应该根据实际需要选择Ｄ／Ａ的参数指标。2.2电流模块电流仪器模块为系统提供电流测量或以高速率控制工业电流驱动执行器。适用于高性能控制和监测应用。2.3数字I/O模块可以在多个逻辑电平下采集和生成数字信号和模式。可以用于对电路进行特性分析、时序检测、切换控制线路以及满足数字应用的诸多需求。数字Ｉ／Ｏ通常用来控制过程、产生测试信号、与外设通信等。它的重要参数包括：数字口线数（line）、接收（发送）率、驱动能力等。如果输出去驱动电机、继电器等，就不必要要求较高的数据转换率。路数要能同控制对象配合，而且需要的电流要小于采集卡所能提供的驱动电流。但加上合适的数字信号调理设备，仍可以用采集卡输出的低电流的ＴＴＬ电平星号去监控高电压、大电流的工业设备。2.4计数器和定时器仪器模块提供了定时和数字I/O，可用于监测正交编码器、事件计数器、周期测量、脉冲产生、脉冲串生成、边沿间隔测量等。许多场合都要用到计数器，如定时、产生方波等。计数器包括三个重要信号：门限信号、技术信号、输出。门限信号实际上是触发信号使计数器工作或不工作；计数信号也即信号源，它提供了计数器操作的时间基准；输出是在输出线上产生脉冲或方波。计数器最重要的参数是分辨率和时钟频率，高分辨率意味着计数器可以计更多的数；时钟频率决定了计数的快慢，频率越高，计数速度就越快。2.5多功能I/O模块具有常用的仪器全部功能模拟输入电压检测、数字I/O、频率计等功能。2.6开关矩阵模块是控制电路的开启与闭合。自动测试设备中的信号开关系统通常由两个或多个矩阵开关组成，按照各种借口标准相互连接，形成从测试资源到被测单元的灵活切换。2.7

多路复用器（数据选择器）模块能从多个模拟或数字输入信号中选择某个信号并将其转发，将不同的被选信号输出到同一个输出线路中。它能接收多个输入信号，按每个输入信号可恢复方式合成单个输出信号。多路复用器，可使多路数据信息共享一路信道，使用多路复用器可充分利用通信信道的容量，大大降低系统成本。3PC-DAQ虚拟仪器软件虚拟仪器由软件实现仪器的测量功能,可使用相同的硬件系统，通过不同的软件和信号调理电路就可以实现功能完全不同的各种测量测试仪器，软件系统是虚拟仪器的核心，软件可以定义为各种仪器。虚拟仪器的应用软件包含应用程序和Ｉ／Ｏ接口驱动程序两部分构造。3.1Ｉ/Ｏ接口设备驱动程序一般Ｉ/Ｏ接口程序由Ｉ/Ｏ设备的厂家提供，计算机安装设备驱动后，可以与相应的硬件进行通信；通过官方提供的库函数，计算机可以控制硬件进行初始化、电压采集、电流采集、数字信号输出等工作。3.2应用程序硬件平台搭建以后，完成测试功能主要取决于应用程序。应用程序由用户根据测量需求就行开发。应用程序主要由用户界面、硬件操控、数据处理和计算、数据保存等过程组成。虚拟仪器设备支持常用的C、C++、VB等语言进行开发。3.3开发工具目前虚拟仪器应用程序开发常用的集成开发环境(IDE)主要有两类：(1)文本编程：LabWindows/CVI、VisualStudio、VisualBasic等；(2）图形化编程：LabVIEW。4虚拟仪器技术参数数据采集仪器模块主要技术参数有通道数、采样频率、缓存、分辨率、精度、量程、增益、触发等。1）通道数：仪器模块可以同时采集几路信号。绝大多数数据采集模块上只有一个AD转换器，通过使用模拟开关分时采集不同通道的数据，从而得到多通道的数据。2）分辨率：采样数据的最小刻度，分辨率越高可以采集到更小的信号。常见分辨率有8bit、12bit、16bit等。最小刻度=满量程/。如采集的电压范围是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：在量程内任意一点的测量值和真实值之间最大偏差的绝对值，即测量准确程度。一般用满量程ＦＳＲ（FullScaleRange）的百分比表示，常见的如0.05％FSR、0.1％FSR等。如满量程范围为0～10Ｖ，其精度为0.1％FSR误差在10ｍＶ以内。在实际检测过程中，受到很多因素，特别是外部电磁干扰信号，电源干扰和传感器噪声等影响因素的限制，检测精度往往达不到这样的水平。如弱信号（例如热电偶信号）和高阻抗输出信号（压电陶瓷传感器、）。4）采样率：每秒采集数据的个数。比如1KHz/s，表示1秒可以采集1K个点。采样率越高，相同时间内采集的点数就越多，对信号还原度就越高。根据奈奎斯特定理，采样率必须大于原始信号的2倍，否则会发生混叠现象，一般选取5~10倍的采样率才比较合适。如果采集卡为多通道，分配到每个通道上的采样率为：采样率/通道数。5）量程：输入信号的幅度，常用的有±5Ｖ、±10Ｖ。6）缓存：主要用来存储ＡＤ芯片转换后的数据。带缓存的采集卡可以设置采样频率，否则不可改变。缓存有ＲＡＭ和ＦＩＦＯ两种。ＲＡＭ一般用于高速采集卡，存储量大，速度较慢；ＦＩＦ主要用作数据缓冲，存储量不大，速度快。7）增益：输入信号的放大倍数，分为程控增益和硬件增益。通过数据采集卡的电压放大芯片将ＡＤ转换后的数据进行固定倍数的放大，有两种型号ＰＧＡ202（1、10、100、1000）和ＰＧＡ203（1、2、4、8）的增益芯片。8）触发：可分为内触发和外触发两种，指定启动ＡＤ转换方式。5

PC-DAQ虚拟仪器系统硬件选型一般数据采集卡选型，按如下步骤进行，详细指标参阅相应产品的手册或选型指南，一般产品官方网站上均可查阅。1）明确应用需求在选择数据采集卡之前，必须全面分析应用需求，充分了解各种数据采集产品的特点、支持的开发平台种类、运行的操作系统环境以及开发难度等，然后根据有关指标进行合理选择。2）识别信号类型，选择测量方式信号类型：根据信号参考情况，一个电压源可以分为两类：接地信号、浮地信号。1）电压信号未连接至绝对参考或公用接地称为浮接信号，也称为无参考信号源。2）连接至系统接地端（例如，地面或建筑物地面）的电压信号的信号源称为接地信号源。测量方式：按信号连接方式不同可以分为三种测量方式：差分（DIFF）、参考单端（RSE）、非参考单端（NRSE）。通常尽可能使用差分配置。差分信息连接减少了噪声引入并避免接地环路。3）选择采样率系统的最高采样率取决于ＡＤＣ芯片变换模拟信号的速率，通常单位是ＳＰＳ（采样点/秒）。根据奈奎斯特采样理论，采样频率必须是信号中最高有效频率的两倍以上，否则会产生混叠信号失真，俗称“假频”。对于许多情况，需要仔细分析信号的细节，那么需要更高的采样速率，通常建议选用最高采样率大于信号最高频率分量的5～10倍的仪器模块。4）选择分辨率和量程首先考虑分辨率，分辨率越高，输入信号的细分程度就越高，能够识别的信号变化量就越小。例如：一个正弦波信号，采用分辨率为8ｂｉｔ，Ａ/Ｄ转换所获得的数字结果相当于把输入范围分为＝256份，一些微小细节变化在Ａ/Ｄ转换过程中就会丢失，这正是由于分辨率不够高，在还原数据中产生量化噪声造成的。若采用16ｂｉｔ分辨率，Ａ/Ｄ转换的细分数值为＝65536份。由量化信噪比ＳＮＲ（ｄＢ）＝（6.02×ｂｉｔ）+1.76ｄＢ可知，量化位数越多，信噪比就越高。在确定了Ａ/Ｄ转换分辨率的情形下，应按照保证信号量化噪声较低，信噪比较高的原则，选择一个合适的量程，再通过信号调理将采集信号调理在这个合理的量程内。5）计算可检测的最小变化（编码宽度）测量设备可检测的输入信号的最小变化，称为编码宽度，由测量设备的精度和设备范围确定。编码宽度越小，测量精度越高。可通过下列公式计算编码宽度：编码宽度=设备量程/2分辨率。例如，12位测量设备的电压量程是0至10V，则可检测的最小变化为2.4mV（设备量程/2分辨率=10/212=2.4mV）；如设备量程是-10至10V，则可检测的最小变化为4.8mV（设备量程/2分辨率=20/212=4.8mV）。6）选择合适的产品型号最后还有输入阻抗、输出阻抗、通道数、信号线数、隔离等技术问题需要考虑，这些都与传感器和信号调理密切相关，必须结合起来统一考虑。在上述各指标选定以后，用户可根据“功能够用”的原则，选择符合要求的采集卡，找到合适的采集卡型号。一般来说当精度要求不是很高、采样频率较低时，ＰＣＩ和PCIe总线的数据采集卡都可以满足要求；当采集精度和采样频率要求较高，工作环境比较恶劣时优先选用ＰＸＩ类型产品。6PC-DAQ虚拟仪器系统软件虚拟仪器系统软件主要由UI显示界面、后台仪器控制、数据处理等代码组成。UI界面主要功能为用户操作和控制测试，显示测试状态和数据；后台仪器控制程序主要功能为控制仪器模块的工作；数据处理程序主要根据测试需要对数据进行计算、分析和判断。7结束语虚拟仪器的出现是科技界、教学界和测