基于虚拟仪器的多传感器通道数据采集系统设计

潘晓绒

(陕西国防工业职业技术学院机电工程学院，陕西 西安 710302)

随着科学技术的飞速发展，通过传感器进行信息收集的方法已经普遍应用于信息领域，信息数据处理的能力决定了传感器的工作效率[1-5]。伴随着计算机技术的高速发展，对各种数据采集仪器的精度要求越来越高，利用计算机可以实现对大量数据的采集和分析，从而实现人工智能[6-8]。因此各种智能自动测控软件也应运而生，LabVIEW利用简单的图形编程代替复杂而烦琐的语言程序，使得工程技术人员可以快速地将自己的程序以图形的形式 “画”出来，从而减轻了工作量，工作效率也得到了显著的提高[9-15]。相比较其他设计方法，基于LabVIEW的虚拟仪器具有可视化效果，能够及时地给出图像显示结果。

本文利用虚拟仪器、数字信号处理等技术设计了一个四通道数据采集系统的具体实现方案。利用传感器采集模拟输入信号，实现对多通道数据的实时采集和存储功能，为多传感器通道数据采集系统的开发与设计奠定一定的基础。

1 数据采集系统硬件设计

通过传感器将采集的光、压力、温度、声音、振动等物理信号转变为电信号，可根据实际测量的物理量选择相应的传感器对数据进行采集。采集到的信号要经过放大、隔离、滤波、激励、线性化等处理后才能进入数据采集设备。

本文以NI公司生产的M系列NI PCI-6221卡作为数据采集卡，并为数据采集过程配置了A/D转换器。由于对数据进行多路共同采集，并要求每路数据采集分时工作，因此如果出现多路数据采集同时进行的情况将会显著降低采集速率。本文所选择的数据采集板卡模拟信号输入通道总共有16路，电压值在-10～10V之间，采样速率250kB/s；I/O双向通道为24路，都通过数字进行触发；拥有32位定时器共2个；支持NI-DAQmx软件测试与相关硬件配置要求；支持NI-MCal校准方式。

2 数据采集系统软件设计

2.1 采集程序设计

图1给出了多传感器通道系统信号采集流程图。为避免传感器在信号接收环节发生死循环现象，该系统通过定时接收模式依次采集来自各个传感器的数据。同时，传感器对接收数据进行融合预处理后可以有效提升数据精度，确保收集到的数据具有高度可靠性。当所有信号都被单片机接收并再经串口将数据传输至主cpu i.mx27中后，判断此时是否进行数据的显示更新。

为了消除外界因素对信号数据干扰产生的计数差错，需要使用处理程序对收集的数据进行滤波处理。由于传感器的信号转换速率较慢，设定间隔时间段中无法获得较大值，因此当出现强干扰情况时不能增大接收值，无法通过平均法抵消强干扰，只可通过相关性方法实现信号误差消除。

图1 多传感器通道系统信号采集流程图

2.2 实时数据采集系统

本文所使用的NI PCI-6221数据采集卡可以运行DAQmx驱动程序，可直接通过DAQmx-Data Acquisition完成开发过程。在实际开发阶段，应对系统的采集方式、信号传输通道、单个通道采样数、数据采集频率等参数进行合理配置。由于硬件条件的限制，在没有数据采集卡的情况下，为了验证数据采集程序的可用性，本文设计了一个模拟信号的输出程序，通过采集模拟的信号，完成多通道的数据采集工作。采集信号输出的程序框图如图2所示。

图2 变频采集存储时序图

在数据采集过程中，先由变频采集策略触发器将采集指令传输至采集率控制器中并在此处进行数据的高速存储。通常条件下存储率约为10%，当高频采集的指令传输完成后，则可以实现高达98%的系统存储率。当检测到蓄电池的电压比较低时，采用间歇给传感器供电的方式采集数据。运用此种采集策略可以捕获异常情况发生时的数据。实时数据采集系统主要实现对4个通道采集数据波形全景显示，如图3所示。

图3 波形全景实时显示图

3 系统的多通道数据采集查询与调试试验

3.1 历史数据查询

该数据采集系统可以实现对监测数据的实时采集和存储，将采集的所有数据通过LabSQL实时保存到ACCESS数据库中。为了方便工作人员查询保存的历史数据，该系统设计了历史数据查询程序。数据库的类型不同，所使用的查询手段也有所不同。该系统的历史数据查询手段是通过输入某一ID区间号，检索查询该区间的历史数据。历史数据查询的程序框图如图4所示。

图4 历史数据查询程序框图

3.2 多通道数据采集系统调试试验

图5为传感器脉冲信号接收电路原理图，无线传感器信号端输入信号的正极，二极管D23用于防止输入信号反接损坏输入端口。电阻R91在高电平输入信号时限制输入电流大小，并保证有足够大小的驱动电流能够使光耦输入、输出回路导通。电阻R75也起到一定的限压作用，电容C68对输入信号中高频干扰信号起滤出作用。当输入信号为高电平时，光耦IC7输入回路发光管导通，输出回路光电接收管导通，测试结果精度达到要求。

图5 传感器脉冲信号接收电路原理图

为了保护VI程序，防止工作人员由于错误操作导致程序改动，从而导致程序无法运行，编程人员在程序设计的过程中对VI属性进行了设置，并设置相应的密码。在没有密码的情况下不能对VI程序框图和前面板做出任何更改。

4 结束语

针对多通道传感器数据采集存在测量数据量大、繁冗，读取数据误差大等环节问题，本文设计了一种基于虚拟仪器LabVIEW为平台的多个通道数据采集系统。在研究虚拟仪器和数据库技术的基础上，使用虚拟仪器实现了对数据的多通道实时采集，并对采集的数据进行实时存储。通过调试试验，验证了系统运行稳定，有效地保证了采集精度，为改善通信过程中的数据采集精度提供了研究基础。

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