基于虚拟仪器的数据采集与分析系统研究与设计

王喜

摘 要： 虚拟仪器为测量工作的发展开拓了新的方向。基于此，本文分别从系统结构设计、接口总线设计两方面，分析基于虚拟仪器的数据采集与分析系统的总线设计，并从硬件设计、软件设计两方面，阐述数据采集与分析系统的详细设计流程，以期为虚拟仪器与数据采集、处理工作的融合奠定理论基础。

关键词： 虚拟仪器；数据采集与分析系统；信号发生器

前言：传统测量工具的功能及使用要求限制了信号分析工作的发展。在铁路信号分析中，传统分析模式多借助磁带记录仪采集轨道电路信号，利用频谱分析仪开展信号分析工作，整个分析过程耗时较长。为了提高数据采集与分析效率，可将虚拟仪器引入数据采集及分析工作中。因此，分析基于虚拟仪器的数据采集与分析系统设计具有一定的现实意义。

一、基于虚拟仪器的数据采集与分析系统的总体设计

这里主要从以下几方面入手，对基于虚拟仪器的数据采集与分析系统的总体设计进行分析和研究：

（一）系统结构设计方面

为了确保基于虚拟仪器的数据采集与分析系统具备良好的功能，在系统结构设计中，将其设计成由软件部分、硬件部分组成。其中，软件部分包含显示存储模块、数据采集模块、分析处理模块3部分，显示存储模块主要负责频域波形、信号时域等信息的显示及存储；数据采集模块以数据采集卡为工具，完成被测信号的采集工作；分析处理模块则主要负责完成FFT变换等分析工作。

数据采集与分析系统的硬件部分则由信号发生器、数据采集卡、计算机以及数字I/O构成。上述硬件功能各异，相互配合，协同保障系统数据采集功能与分析功能的有效性。

（二）接口总线设计方面

接口总线是保障基于虚拟仪器的系统采集与分析系统正常运行的关键。作为系统的基本组成，接口总线可为系统内部各模块间的数据传输、分析提供通道。目前常用的总线主要包含VXI总线、USB总线、OCI总线等。参照基于虚拟仪器的数据采集与分析系统的应用要求进行分析，在系统设计过程中，应合理控制系统的成本，并确保系统具有良好的实用性功能。从接口总线的峰值传输速度来看，32位PCI总线的峰值传输速度为132Mbps，而64位PCI总线的峰值传输速度为512Mbps，与同为32位的VXI总线峰值传输速度40/80Mbps相比，PCI总线的峰值传输速度可更好地满足虚拟仪器系统的应用要求。从成本角度来讲，PCI总线的成本较低，远低于PXI总线及VXI总线的价格。因此，PCI总线可作为基于虚拟仪器的数据采集与分析系统接口设计的首选。

二、基于虚拟仪器的数据采集与分析系统的硬件、软件设计

基于虚拟仪器的数据采集与分析系统的硬件、软件设计主要包含以下几个部分：

（一）硬件设计

基于虚拟仪器的数据采集与分析系统硬件设计主要包含信号发生器、数字I/O卡、数据采集卡等内容。

其中，信号发生器的功能以为被测设备提供标準信号为主。本研究选用函数信号发生器作为信号源，利用该硬件的多波形产生功能（锯齿波、正弦波等）确保数据的正常传输[1]。

采用NI PCI-6503型号数字I/O卡作为虚拟仪器系统的硬件之一。该数字I/O卡的优势在于：第一，具有即插即用功能，无需系统外置板卡管理器；第二，可以24位PPI获得24路数字I/O通道，进而保证基于虚拟仪器的数据采集与分析系统的传输质量。NI PCI-6503的硬件组成主要包含I/O Conncctor、I/O Channel Interface Circuitry等。

数据采集卡作为一种实现数据采集功能的重要工具，其可利用以太网、1394等网络与计算机之间实现接入。在基于虚拟仪器的数据采集与分析系统设计中，可选用NI PCI 6220采集卡，该采集卡的硬件主要由校正电路、模拟输入多路选择电路、D/A转换电路等构成。在系统运行过程中，该数据采集卡可实现8路数字输出及输入。

（二）软件设计

为了确保软件设计质量符合基于虚拟仪器的数据采集与分析系统的应用要求，应注重软件开发平台的选择。LabVIEW、HPVEE等常用软件开发平台在开发便捷性、功能类型方面各具优势。因此，在软件开发过程中，应结合开发需求，选用适宜开发平台，以提高软件开发效率。

本研究选用LabVIEW作为软件开发平台，并将系统的软件层次划分为：第一：管理层：包含数据采集管理、数据显示、数据存储、数据分析处理4个部分；第二，虚拟仪器模块，该模块仅由虚拟仪器构成；第三，仪器驱动；第四，接口驱动，该部分由DAQ驱动构成；第五，采集部分硬件，该部分由各类采集硬件构成。

具体而言，将基于虚拟仪器的数据采集流程设计为：事先设定软件缓存、通道及设备号，设备采样所需参数，启动采集卡进行采集，读取采集数据，读完全部采集数据后完成整个采集环节，以备数据分析处理模块使用。

数据分析与处理模块的关键在于FFT算法。在软件设计过程中，需事先做好系统的计算流程。根据虚拟仪器系统的应用经验，为了避免系统计算过程中频繁出现截断误差，可于数据分析与处理模块的软件设计中引入无限延长采用周期法[2]。

在运用LabVIEW开展数据存储与显示模块设计时，可借助LabVIEW的基础功能及ActiveX控件等完成频域波形及频谱测量的整合分析、处理模块生成结果向Access数据库的导入。

结论：综上所述，基于虚拟仪器的数据采集与分析系统可为实践数据采集工作、数据分析工作提供诸多便捷。为了保障数据采集与分析系统的设计质量，可结合系统应用要求，做好系统的结构设计及接口总线设计工作，并以上述设计为基础，细化展开系统的硬件设计与软件设计，促进虚拟仪器在测量测试领域的广泛应用。

参考文献

[1]黄晓飞. 基于LabVIEW的发动机数据采集与显示系统研究与开发[D].天津职业技术师范大学，2017.

[2]黄嘉智. 基于LabVIEW的高速数据采集及管理系统设计[D].北京理工大学，2016.

[3]文梦林. 基于虚拟仪器技术内燃机数据采集与分析系统设计[D].南昌大学，2013.