基于虛擬儀器技術的高速多通道信號采集系統設計

　　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。