孫玲

（江蘇信息職業(yè)技術學院電子信息工程系，江蘇無錫214153）

數(shù)據(jù)采集在現(xiàn)代工業(yè)生產及科學研究中的重要地位日益突出，在信號測量、圖像處理、音頻信號處理等測量中，都要求進行高速、高精度的數(shù)據(jù)采集。這就對數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設計提出了2方面的要求：1）要求接口簡單靈活且有較高的數(shù)據(jù)傳輸率；2）由于數(shù)據(jù)量通常較大，要求主機能夠對數(shù)據(jù)做出快速反應，并及時進行分析和處理。常用的數(shù)據(jù)采集卡一般是PCI卡或是ISA卡，這些采集卡存在諸多缺點，比如安裝不方便，傳輸速度慢，受計算機插槽數(shù)量、地址、中斷等資源的限制，可擴展性差等。而通用串行總線（Universal Serial Bus，簡稱USB）具有高傳輸速度、易擴展、熱插拔和即插即用等特點，很好地克服了數(shù)據(jù)采集卡的缺點，容易實現(xiàn)低成本、高可靠性、多點的數(shù)據(jù)采集[1-2]。

USB-6281是National Instruments推出的一款USB高精度多功能M系列數(shù)據(jù)采集（DAQ）板卡，在高采樣率下也能保持高精度。USB-6281是專為移動應用或空間上有限制的應用設計的，其即插即用的安裝最大程度降低了配置和設置時間，同時它直接與螺絲端子相連，從而降低了成本并簡化信號的連接。NI-DAQmx驅動程序和測量服務軟件提供了簡單易用的配置和編程界面，以USB-6281為硬件平臺，借助其提供的USB接口和NI-DAQmx驅動軟件，采用VC++高級語言編程，完成數(shù)據(jù)高速采集系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)結構設計

1.1 USB-6281簡介[3-5]

USB-6281適用于地質監(jiān)測、材料分析、環(huán)境感知、光學、光譜學、結構測量及氣體探測，還包括醫(yī)療設備儀器，如心率監(jiān)測等儀器測試等領域。其主要特性如下：1）包含18位A/D轉換器，相比傳統(tǒng)16位設備其分辨率提高4倍，同時還提供了增強型模擬輸出通道，能夠實現(xiàn)量程及偏移量可編程設定；2）集成了NI-PGIA 2自定義放大器和NI-MCal自校準來縮短校準時間，提高精度。板載的低通濾波器能夠通過編程消除高頻噪聲，從而進一步提高測量精度。在±10 V范圍內分辨力可達980 μV，在±100 mV范圍內可達28 μV；3）NI信號讀寫實現(xiàn)USB上的雙向高速數(shù)據(jù)流；4）具有16條單端或8條差分的模擬輸入通道，2條模擬輸出通道及24位數(shù)字I/O通道（DIO），提供高達625 kS/s的18位模擬輸入（掃描時速度為500 kS/s）、速度為833 kS/s的16位模擬輸出；5）包含NI-DAQmx驅動軟件和NI LabVIEW SignalExpress LE。NIDAQmx驅動具有節(jié)省開發(fā)時間的特點，能夠實現(xiàn)LabVIEW圖形化開發(fā)環(huán)境及基于文本語言（如ANSI C/C++、C#、Visual Basic.NET及Visual Basic 6.0）的代碼生成，包含超過3 000種測量實例、仿真設備及接線圖。

1.2 系統(tǒng)構成

基于USB-6281的高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結構如圖1所示。

圖1 基于USB-6281的高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結構圖Fig.1 Diagram of high speed data acquisition system based on USB-6281

采用NI的USB-6281數(shù)據(jù)采集卡以400 kHz的采樣頻率對被測信號進行波形數(shù)據(jù)采集，然后對采集數(shù)據(jù)進行正弦波擬合，通過提取出正弦信號的幅度、頻率等參數(shù)，計算出擬合正弦曲線。測量數(shù)據(jù)與擬合曲線模型對應點的偏差值作為相應點波形失真測量值，然后計算出測量序列的失真有效值，進而最終獲得被測信號總失真度的測量值。

目前測量信號失真度的原理大致分為2類：基波剔除法和頻譜分析法。本文采用頻譜分析法，即通過計算出各次諧波的大小來計算失真度。測量方法采用數(shù)字化方法，先通過將信號數(shù)字化并送入計算機，再由計算機計算出失真度。失真度的計算方法采用快速傅里葉變換法（FFT），快速傅里葉變換比直接傅里葉變換（DFT）在計算量上要小得多。采用FFT對量化后的被測信號處理，獲得基波和各次諧波的電壓，從而計算出失真度。這種方法實現(xiàn)起來比較簡單，而且通過一些補償算法可以有效減少誤差[6]。

計算機通過高速數(shù)字采集卡采集被測信號，經(jīng)A／D轉換后讀入計算機，由計算機對采集的信號進行FFT變換，形成被測信號的二維幅度—頻率數(shù)組。計算機顯示出信號的幅度—頻率特性曲線，同時，對數(shù)組計算得到基波系數(shù)和各次諧波系數(shù)，最后，由基波和各次諧波系數(shù)計算出失真度。諧波失真是諧波分量的幅值和基波幅值的相對量[7]，假如基波的幅值是A1，而二次諧波的幅值是A2，三次諧波的幅值是A3，N次諧波的幅值是AN，總諧波失真THD為

2 系統(tǒng)軟件設計

利用NI-DAQmx驅動軟件和VC++，設計本系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集流程圖如圖2所示，并給出主要部分程序代碼。

圖2 系統(tǒng)流程Fig.2 Flow chart of system

//設置波形發(fā)生任務

DAQmxErrChk（DAQmxCreateTask（“”，&taskHandleVo））；

DAQmxErrChk（DAQmxCreateAOVoltageChan（taskHandleVo，

“Dev1/ao0”，“”，-1.5，1.5，DAQmx_Val_Volts，NULL））；DAQmxErrChk（DAQmxCfgSampClkTiming（taskHandleVo，“”，OUTFREQ，

DAQmx_Val_Rising，DAQmx_Val_ContSamps,OUTOUNT））；

DAQmxErrChk（DAQmxRegisterDoneEvent（taskHandleVo，0，DoneCallback，NULL））；

//把波形數(shù)據(jù)送到采集卡

DAQmxErrChk（DAQmxWriteAnalogF64（taskHandleVo，OUTCOUNT，0，10.0，

DAQmx_Val_GroupByChannel，dataout，&write，NULL））；

//設置采樣任務

DAQmxErrChk（DAQmxCreateTask（“”，&taskHandleVi））；

DAQmxErrChk（DAQmxCreateAIVoltageChan（taskHandle-Vi，“Dev1/ai0”，“”，

DAQmx_Val_Cfg_Default，-10.0，10.0，DAQmx_Val_Volts，NULL））；

DAQmxErrChk（DAQmxCfgSampClkTiming（taskHandleVi，“”，SCANFREQ，

DAQmx_Val_Rising，DAQmx_Val_FiniteSamps，SCANCOUNT））；

//開始產生正弦波形

DAQmxErrChk（DAQmxStartTask（taskHandleVo））；

//開始采樣任務

DAQmxErrChk（DAQmxStartTask（taskHandleVi））；

//從采集卡讀取測量到的數(shù)據(jù)

DAQmxErrChk（DAQmxReadAnalogF64（taskHandleVi，-1，10.0，

DAQmx_Val_GroupByChannel，datain，SCANCOUNT，&read，NULL））；

//輸出幅度（峰峰值）

Vout.SetTestResult（j，0，（maxvalue-minvalue））；

Vout.SetTestResult（j，0，sqrt（rms/SCANCOUNT）*2.828）；

//作FFT變換

FftConvert（datain，SCANCOUNT）；

//計算失真度（10個諧波）后，關閉設備

DAQmxStopTask（taskHandleVi）；

DAQmxStopTask（taskHandleVi）；

DAQmxStopTask（taskHandleVo）；

Error：

if（DAQmxFailed（error））

{

DAQmxGetExtendedErrorInfo（errBuff，2048）；

MessageBox（NULL，errBuff，NULL，0）；

}

//結束波形采樣任務

DAQmxStopTask（taskHandleVi）；

DAQmxClearTask（taskHandleVi）；

//結束波形輸出任務

DAQmxStopTask（taskHandleVo）；

DAQmxClearTask（taskHandleVo）；

if（DAQmxFailed（error））{}

//printf（“DAQmx Error：%s＼n”，errBuff）；

//printf（“End of program，press Enter key to quit＼n”）；

DAQmxErrChk（status）；

Error：

if（DAQmxFailed（error））

DAQmxGetExtendedErrorInfo（errBuff，2048）；

DAQmxClearTask（taskHandle）；

printf（“DAQmx Error：%s＼n”，errBuff）；

//FFT函數(shù)調用

void FftConvert（float64 xrt[]，int npoint）

//計算旋轉因子

void Calculcf（）

//數(shù)據(jù)作蝶形排列

void ChangeOrder（float64 xr[]，float64 xi[]，int N）

//FFT函數(shù)實現(xiàn)

void Fft（float64 xr[]，int npoint）

3 測試結果

實際應用中對正弦信號進行數(shù)據(jù)采集，對一個1 kHz的正弦波，用400 kHz的采樣頻率，采樣點數(shù)為4 096、單通道情況下進行數(shù)據(jù)采集。圖3是采集數(shù)據(jù)的圖形顯示，頻率為0.976 kHz，說明本采樣系統(tǒng)能夠精確采樣。

4 結束語

圖3 采集數(shù)據(jù)的圖形顯示Fig.3 Graphical display of data acquisition system

本系統(tǒng)采用NI的USB-6281作為高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的硬件平臺，以NI-DAQmx驅動軟件和VC++為編程語言，實現(xiàn)了高速數(shù)據(jù)采集。USB總線接口使用方便，熱插拔，即插即用，節(jié)省系統(tǒng)資源，成本低，性能可靠，在高采樣率下也能保持高精度。NI-DAQmx驅動程序和測量服務軟件提供了簡單易用的配置和編程界面，系統(tǒng)的擴展性和通用性好，應用面廣,可實現(xiàn)對工業(yè)生產中諸如溫度、壓力等各種物理量的測量和顯示。

[1]趙鵬，羅文廣，王伍成.基于USB2.0的高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設計與實現(xiàn)[J].電子測量技術，2009，32（10）：136-139，142.

ZHAO Peng，LUO Wen-guang，WANG Wu-cheng.Design and implementation of the high speed data acquisition system based on USB2.0[J].Electronic Measurement Technology，2009，32（10）：136-139，142.

[2]李朋勃，張洪平.基于USB2.0的高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)[J].電子技術應用，2009，35（10）：109-112.

LI Peng-bo，ZHANG Hong-ping.High-speed data acquisition system based on USB2.0[J].Application of Electronic Technique，2009，35（10）：109-112.

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YE Guo，LI Wei，WANG Yu-qiao，et al.A design for high speed data acquisition system based on PCI-1716[J].Microcomputer Information，2009，25（4）：86-88.

[5]周承仙，李仰軍，武錦輝，等.基于LabWindows/CVI的多路高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設計[J].電子測量技術，2007，30（12）：66-69.

ZHOU Cheng-xian，LI Yang-jun，WU Jin-hui，et al.Design for multi-channel high speed data acquisition system based on LabWindows/CVI[J].Electronic Measurement Technology，2007，30（12）：66-69.

[6]應懷樵.波形和頻譜分析與隨機數(shù)據(jù)處理[M].北京：中國鐵道出版社，1983.

[7]胡朝煒.數(shù)據(jù)采集設備的失真度測試方法研究[J].電子測量技術，2009（1）：137-139，150.

HU Chao-wei.Study on methods of distortion measurement of data acquisition equipment[J].Electronic Measurement Technology，2009（1）：137-139，150.