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基于虛擬儀器技術的高速多通道信號采集系統設計

   2012年09月07日 18:19  
  摘要:虛擬儀器技術以其開發、投入成本低等優點,在動態測試及控制領域應用越來越廣泛。文中基于虛擬儀器技術設計的的高速多通道信號采集系統,用于爆炸應力波測試,能夠同時測試64通道的測點數據,每通道采樣速率為1MSPS。進行現場實驗,取得了有效數據。
  
  關鍵詞:虛擬儀器;LabVIEW;PCI66-18A132SSC1M;高速;多通道
  
  1986年,美國國家儀器公司首先提出虛擬儀器的概念。虛擬儀器通過軟件將計算機硬件資源(如微處理器、內存、顯示器等)與儀器硬件(如A/D、D/A、數字I/O、定時器、信號調理等)有機的融合為一體,大大縮小了儀器硬件的成本和體積,并通過軟件實現對數據的顯示、存儲以及分析處理。它的zui大特點是以軟件為儀器的主要組成部分,因此NI提出了“軟件就是儀器”的概念。這是虛擬儀器技術核心強調的測試理念。
  
  爆炸應力波測試要求系統同時測試64通道爆炸應力波數據,爆炸應力波頻率高,數據量大,并且需要多通道數據處理分析,其中多路并行的數據采集系統和*的信號預處理技術是測試的關鍵技術。通過對傳統的測試儀器調研,這些儀器不僅可測試的通道數少,采樣點數少,而且購買這些儀器的費用較高,不能滿足本項目測試技術要求。采用基于計算機、A/D采集卡和LabVIEW軟件的虛擬儀器測試系統,能進行多通道高速同時采樣分析,不僅降低了投入成本,而且系統開發速度快,大大降低了測試系統的開發周期。對于特殊要求的科學實驗用測試系統,虛擬儀器技術以其開發性能和較低的成本投入,充分體現了其優勢和價值。
  
  1、系統組成及工作原理
  
  系統主要由計算機、信號采集卡、電荷放大器、傳感器、低噪聲電纜和測試軟件等組成。系統工作原理如下:傳感器拾取爆炸應力波信號,經由低噪聲電纜傳送至電荷放大器,微弱的振動信號經電荷放大器轉換、放大成電壓信號,經由電纜傳送至AD采集卡,經AD卡轉化為數字信號,測試軟件控制進行數據采集、數據記錄、數據分析和處理。系統工作原理圖如圖1所示。
  
  為了保證采集信號的性和完整性,設置系統工作在信號觸發方式,并進行采集信號預存儲。為了保證采集信號的可靠性,采用低噪聲電纜進行信號傳輸,并增加了模擬信號和數字信號的濾波處理。
  
  2、信號采集卡
  
  General Standards Corporation是專業研發和生產高性能,基于PMC、PCI、VME等總線技術的模擬量I/O、數字量I/O和串口I/O。其新研發的PCI66-18A132SSC1M模擬I/O卡,具有32個模擬輸入通道,可同時工作,每通道1M的采樣速率。采集卡功能結構圖如圖2所示。
  
  采集卡技術指標如下:32個模擬量輸入通道,每通道1MSPS,18位的ADC;所有通道同時采樣,zui小的數據掃描時間:每通道采樣速率0~1MSPS(總計32MSPS采樣速率);差分輸入,使信號噪聲和系統干擾zui小;輸入量程范圍±10V、±5V、±2.5V,軟件可選;256k采樣FIFO數據緩沖區;SAR(逐次逼近法)ADC支持準確的同步采樣,沒有zui小的采樣速率限制;兼容66/33MHzPCI,采樣常用的5/3.3號;2通道的DMA引擎,支持批量和查詢方式的DMA傳送;采樣可以由內部速率發生器、軟件或外部控制;連續、脈沖和單一采樣時鐘模式;可以通過前面板或內部端口進行多塊板硬件I/O同步操作;所有通道內部自校準;*軟件可配置,無需區域跳線;也可以采用16位分辨率,從而降低成本。
  
  采用兩塊PCI66-18A132SSC1M模擬信號采集卡,設置兩塊卡進行同時信號采集,實現系統同時測試64通道信號數據。采集卡配有LabVIEW的開發包,對采集卡的所有操作都可在開發包的基礎上進行修改,大大簡化了軟件編制的難度。
  
  3、測試軟件設計
  
  LabVIEW(Laboratory Virtualinstrument Engineering Workbench)是一種圖形化的編程語言開發環境,它廣泛地被工業界、學術界和研究實驗室所接受,視為一個標準的數據采集和儀器控制軟件。LabVIEW集成了與滿足GPIB、VXI、RS-232和RS-485協議的硬件及數據采集卡通訊的全部功能,它還內置了便于應用TCP/IP、ActiveX等軟件標準的庫函數,這是一個功能強大且靈活的軟件,利用它可以方便地建立自
  
  己的虛擬儀器,其圖形化的界面使得編程及使用過程都生動有趣。
  
  本系統軟件采用NI公司的LabVIEW軟件編制,編制軟件按照功能模塊進行,主要功能模塊包括參數設置模塊(設置觸發方式、通道數、觸發電平、采樣頻率、采樣時間、觸發通道和文件路徑等)、數據分析模塊(數據濾波、頻譜分析和數據計算等)、數據存儲顯示模塊(波形顯示、數據存儲、歷史數據回放、波形縮放和波形打印等)。參數設置功能模塊界面如圖3所示,參數設置程序如圖4所示,數據分析顯示界面如圖5所示。
  
  4、系統測試實驗
  
  系統經過實驗室振動標定測試。用在實際礦山生產爆破爆炸應力波測試,測得爆炸應力波波形如圖6所示,測試數據和理論計算數據進行對比,數值大體相符。
  
  5、結束語
  
  文中基于LabVIEW軟件和P(366-18AI32SSC1M采集卡,設計了高速多通道信號采集系統,用于爆炸應力波測試特殊需求。軟件設計采用了多功能、模塊化的程序設計方法,系統可以進行多路高速并行數據采集和分析。通過實際的采場生產爆破測試,取得了有效的數據。

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