周益青， 王 勇

（1．上海無線電設備研究所；2．中國人民解放軍駐上海航天系統(tǒng)軍事代表室，上海200090）

0 引言

目前，已有大量的科技和工程人員將基于計算機的數(shù)據(jù)采集技術（PC－based Data Acquisition）用于實驗室研究、工業(yè)控制、測試和測量中，即將虛擬儀器技術引入數(shù)據(jù)采集領域。虛擬儀器是現(xiàn)代儀器技術與計算機技術相結(jié)合的產(chǎn)物，代表著儀器發(fā)展的最新方向和潮流。Lab－VIEW是虛擬儀器領域中最具有代表性的圖形化編程開發(fā)平臺，是目前國際上首推并應用最廣的數(shù)據(jù)采集和控制開發(fā)環(huán)境之一。Lab VIEW具有人性化的程序設計理念、簡易快捷的數(shù)據(jù)采集和控制功能、強大的分析模塊和形象完整的數(shù)據(jù)顯示等優(yōu)點，在虛擬儀器構(gòu)建的測試系統(tǒng)中應用極為方便［1］。

本文設計了一個通用數(shù)據(jù)采集與分析系統(tǒng)，硬件采用NI公司的6251多通道數(shù)據(jù)采集卡，軟件系統(tǒng)采用Lab VIEW編程來實現(xiàn)。硬件電路實時采集現(xiàn)場數(shù)據(jù)，經(jīng)分析處理后實時顯示，同時供給外部接口程序和高層系統(tǒng)調(diào)用。整個軟件系統(tǒng)實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、顯示和信號處理等功能。

1 系統(tǒng)硬件設計

數(shù)據(jù)采集與分析系統(tǒng)簡單實用，硬件由兩部分組成：上位機和NI數(shù)據(jù)采集卡。上位機為工控計算機，是硬件平臺的核心，它集中管理整個系統(tǒng)，通過管理參數(shù)將控制命令送給數(shù)據(jù)采集卡，進行工作狀態(tài)設置或接受采集卡送來的數(shù)據(jù)，完成數(shù)據(jù)的計算、處理和結(jié)果的顯示。利用計算機圖形顯示技術和多媒體技術，將復雜的數(shù)據(jù)計算和數(shù)據(jù)處理推向后臺，把測控的結(jié)果用數(shù)字、曲線、圖形等形式提供給用戶［2］。數(shù)據(jù)采集卡主要完成對被測輸入信號的預處理，包括數(shù)據(jù)采集、放大、A／D、D／A轉(zhuǎn)換等信號調(diào)理功能［3］。

NI 6251是可基于 USB、PCI、PCIe、PXI、PXIe等多種總線形式的數(shù)據(jù)采集和控制模塊。它能很好與Lab VIEW軟件連接。有16路模擬量輸入、24路DIO口、2路模擬量輸出，模擬輸入范圍為±10 V。模擬輸入分辨率為16位，輸入電流偏差為±20mA，連續(xù)采樣速率1．25 MS／s。由該硬件和相應軟件實現(xiàn)的系統(tǒng)框圖，如圖1所示。

外界信源產(chǎn)生待測電壓、電流原始信號，待測信號接入數(shù)據(jù)采集卡的相應硬件通道，通過采集卡的信號調(diào)理電路模塊對數(shù)據(jù)進行處理，經(jīng)過PCI總線接口傳輸至上位機。上位機通過Lab－VIEW軟件實現(xiàn)對輸入波形的顯示以及輸入信號的數(shù)據(jù)分析，并模仿傳統(tǒng)示波器的顯示界面將各項信號結(jié)果直觀的呈現(xiàn)給用戶。

圖1 系統(tǒng)框圖

2 系統(tǒng)軟件設計

2．1 數(shù)據(jù)采集子程序

數(shù)據(jù)采集分有限樣本采集和連續(xù)采集兩種模式。在數(shù)據(jù)采集前，需要對各采集參數(shù)進行初始化設置。外部模擬信號通過NI模擬數(shù)據(jù)通道輸入，采樣數(shù)據(jù)可以通過有限采樣和無限采樣兩種方式完成通道數(shù)據(jù)采集，采集到的數(shù)據(jù)存入內(nèi)存緩沖區(qū)中等待儲存和調(diào)用。系統(tǒng)讀取儲存輸出均鑒于Lab VIEW8．6的軟件平臺完成。在Lab－VIEW中對信號的采集基于系統(tǒng)輸入輸出法的構(gòu)架。系統(tǒng)對輸入信號進行處理以生成輸出信號，然后提取出包含在其中的信息進行分析。

對采用PCI總線形式的數(shù)據(jù)采集卡，Lab－VIEW安裝了用于建立各種卡及通道配置參數(shù)的配置工具 MAX（Measurement＆Automation Explorer）。MAX工具讀取設備管理器的信息，并為每個DAQ卡分配編輯設備號。Lab VIEW軟件通過該設備號對設備進行訪問、配置和信號讀取。通過Lab VIEW軟件對數(shù)據(jù)采集卡的調(diào)用，完成數(shù)據(jù)采集的DAQ系統(tǒng)框圖如圖2所示［4］。

被測的測試信號接入數(shù)據(jù)采集板卡的相應硬件通道，通過數(shù)據(jù)采集卡內(nèi)置的信號調(diào)理電路將數(shù)據(jù)通過接口送到數(shù)據(jù)總線（PXI）上。數(shù)據(jù)采集卡完成對低電平信號的緩沖、放大、衰減、隔離、濾波、線性化、取樣保持（S／N）和模數(shù)轉(zhuǎn)換（ADC）等信號調(diào)理功能，調(diào)理后的信號能在計算機內(nèi)部處理。用戶測量的應用程序通過Lab VIEW軟件中的MAX工具管理數(shù)據(jù)采集卡進行訪問、配置和信號讀取。Lab VIEW軟件對MAX工具進行配置，并通過DAQmx完成數(shù)據(jù)讀取。

圖2 DAQ系統(tǒng)框圖

通過用戶測量的應用程序?qū)崿F(xiàn)采集數(shù)據(jù)的讀取、信號分析和信號顯示。數(shù)據(jù)采集流程圖如圖3所示。

圖3 數(shù)據(jù)采集流程圖

系統(tǒng)采用順序結(jié)構(gòu)完成信號的數(shù)據(jù)采集過程。用戶在應用程序的前面板界面選擇被測信號的數(shù)據(jù)類型，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)根據(jù)該數(shù)據(jù)類型選擇相應的數(shù)據(jù)調(diào)理和時間采樣方式進行數(shù)據(jù)采集。

2．2 數(shù)據(jù)分析子程序

試驗采樣的是一個占空比為10%，周期為1 ms的脈沖信號。在測試過程中，單板布局EMI的影響以及初始供電電壓信號引入50 Hz的噪聲可能會引入測試數(shù)據(jù)異常值。異常值的出現(xiàn)會歪曲測量結(jié)果，因此應盡可能地查找技術上和物理上的原因，作為處理異常值的依據(jù)。對經(jīng)判斷確為異常值的數(shù)據(jù)予以剔除，不得包括在測量列中。因此，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對數(shù)據(jù)采集進行硬件濾波，同時軟件程序剔除測試中的異常值。

2．2．1 硬件濾波

該數(shù)據(jù)采集卡具有抗混疊濾波器（Antialiasing Filter）的功能。抗混疊濾波器是一種低通濾波器，卻具有非常陡峭的截止頻率，幾乎可以將頻率高于數(shù)據(jù)采集板輸入帶寬的信號全部刪去。因此，可以將一些外界的機箱以及供電引入的噪聲濾除。

測試過程中，如果不需要同時監(jiān)測多路的數(shù)據(jù)信號，可以對數(shù)據(jù)采集采取差分輸入方式，每個輸入可以有不同的接地參考點。由于消除了共模噪聲誤差，所以差分輸入的精度較高。

2．2．2 軟件濾波

Lab VIEW中提供軟件數(shù)字濾波器，軟件數(shù)字濾波器的實質(zhì)是用一個有限精度算法實現(xiàn)離散時間線性時不變系統(tǒng)來完成對信號的濾波處理。其輸入是一組由模擬信號經(jīng)過取樣和量化的數(shù)字量，輸出是經(jīng)過處理的另一組數(shù)字量。只要改變?yōu)V波器的程序或只改變參數(shù)就可以實現(xiàn)不同的濾波效果。幾種常用軟件濾波方法：平均值法、逼近函數(shù)濾波器、比較取舍法、五點三次平滑法。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對采樣后的原始數(shù)據(jù)進行分析和顯示前，首先應用比較取舍法剔除采樣數(shù)據(jù)中的粗大誤差，再采用平均值法進行平滑處理。

（1）比較取舍法

比較取舍法是一種程序判斷濾波法。當測量結(jié)果的個別數(shù)據(jù)存在幅差時，采用比較取舍法剔除個別偶然錯誤數(shù)據(jù)，認為凡兩次采樣值Yn－1、Yn之差大于D值（規(guī)定的最高差）為干擾（即奇異值），否則為有用信號。即若就可以認為收到的是正常信號。要實現(xiàn)良好的濾波效果，必須選取合適的D值。本脈沖采樣過程對D值的選擇采用了格拉布斯準則［5］。

格拉布斯準則：凡殘余誤差Vi大于格拉布斯鑒別值的誤差均被認為是粗差，其相應的測量值應舍棄，其數(shù)學表達式為

表1 格拉布斯準則鑒別系數(shù)

應用格拉布斯準則鑒別粗差，關鍵是標準偏差σ的計算，根據(jù)概率論的相關知識，樣本有限次測量時，可用貝塞爾式計算標準偏差的估計值

式（2）是未知總體標準偏差真值情況下由樣本計算標準偏R的公式。數(shù)學定義上嚴格的說，樣本數(shù)量趨于無窮大時，即測量次數(shù)趨于無窮次時，樣本和母體標準偏差才一致。對于有限次的測量用上述公式計算誤差會有一定的偏差。得到對應的方差為

在xi值較大時，可任選與xi接近的B值，按yi＝xi－B做等量數(shù)學變化，可得

由式（1）到式（4）以及概率論相關知識得

在實際計算中，應用式（5）不會因求平均值除不盡而產(chǎn)生舍入誤差；且在去除壞值后，無需重復計算每個Vi。將該公式應用于測試過程中，在有限采樣數(shù)據(jù)為100個點時，按照格拉布斯準則進行粗大誤差剔除。圖4為某一尖脈沖采用比較取舍法后，對粗大誤差的剔除圖形對比。

圖4 采用比較取舍法后的圖形對比

圖4所示波形顯示在實際的測量過程中，根據(jù)測試硬件的精度和測試環(huán)境，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用格拉布斯準則后可有效剔除異常值測試，得到良好的測試效果。數(shù)學上已證明［6］，在一組測定值中只有少（低于10%）異常值的情況下，格拉布斯方法是各種檢驗法中是最優(yōu)的。

（2）平均值法

對一點數(shù)字連續(xù)采樣多次后計算其平均值，以其平均值作為該點采樣結(jié)果。設 xn，xn－1，xn－2，…，xn－m為第n次及前m 次采樣時刻的數(shù)字濾波輸入，yn為第n次采樣時刻的數(shù)字濾波輸出，則濾波計算的平均值公式為

同時采用防干擾平均法（即將采集數(shù)據(jù)去掉最大值和最小值后取平均）。該算法使濾波結(jié)果與各采樣值間誤差平方和最小。

2．3 數(shù)據(jù)顯示子程序

采集到的數(shù)據(jù)和波形經(jīng)過Lab VIEW數(shù)據(jù)處理后按照用戶需求進行顯示、回放和存檔。通過Lab VIEW軟件的圖形化程序語言，在前面板界面選擇測試通道、測試時間和測量精度，控制數(shù)據(jù)采集卡的常數(shù)設置。數(shù)據(jù)采集卡采集數(shù)據(jù)送至前面板顯示，在計算機內(nèi)存儲。圖5為顯示程序流程圖。

圖5 顯示程序流程圖

該數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可同時采集多通道數(shù)據(jù)。該數(shù)據(jù)采集卡有16個模擬輸入通道，通道設置時可以選擇為16路單端輸入或者8路雙端差分輸入，有24路DIO，各通道有10擋預設增益。輸入信號可以采取有限采樣和無限采樣兩種采樣模式。有限采樣模式時，首先輸入采樣時間常數(shù)，系統(tǒng)在按下“開始”按鈕時刻開始計時，到達定時時間（即讀取到相應的采樣點后），系統(tǒng)內(nèi)部產(chǎn)生一個中斷信號，中止運行。無限采樣模式時，先設定各采集參數(shù)，按下“開始”按鈕，系統(tǒng)開始進行連續(xù)采集，直到按下“停止”按鈕，程序退出運行。

在波形顯示時，可以通過調(diào)整旋鈕位置改變顯示時基，調(diào)節(jié)范圍為80μs～10 s；可以通過調(diào)整旋鈕位置改變垂直增益，調(diào)節(jié)范圍為1m V～10V?？梢酝ㄟ^選擇按鈕改變當前的顯示通道，調(diào)節(jié)范圍為18個通道可以同時顯示，也可以分開顯示。數(shù)字通道的數(shù)據(jù)可以通過選擇旋鈕進行調(diào)整，可以采用二進制或者十進制、十六進制三種方式進行數(shù)字顯示，也可以直接通過面板波形顯示。顯示模塊有采集指示燈，當顯示界面在滾動現(xiàn)實波形時，指示燈變綠；當處于暫?；蛘咄Ｖ共杉@示狀態(tài)時，指示燈變紅。電壓標志指示燈在輸入電壓超出標準時亮，提示出錯，硬件連接錯誤時，硬件指示燈變紅。

3 采樣試驗結(jié)果

為驗證系統(tǒng)功能，將NI數(shù)據(jù)采集卡通過數(shù)據(jù)總線PCI接口連入計算機內(nèi)，用函數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生一路占空比為10%、周期1 ms、幅度為4 V的脈沖信號。數(shù)據(jù)連入通道1以及對應的共模輸入地進行數(shù)據(jù)采集，在軟件界面上可以選擇相應的測試時間為100 ms，顯示的幅度倍數(shù)為1。同時將該信號連入傳統(tǒng)的示波器顯示，比較兩者結(jié)果，顯示誤差在1%之內(nèi)。軟件顯面的波形效果也比較直觀和平滑，跟示波器的顯示效果十分相近。

4 結(jié)束語

文中通過數(shù)據(jù)采集卡采集模擬信號數(shù)據(jù)，利用Lab VIEW圖形化編程語言進行數(shù)據(jù)處理、分析、顯示和儲存，設計了一套數(shù)據(jù)采集與分析的虛擬儀器系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以實現(xiàn)多通道數(shù)據(jù)實時采集與分析，界面友好，使用簡單，操作方便，實驗結(jié)果驗證了系統(tǒng)的功能。該系統(tǒng)易于擴展和維護，

可以極其方便簡易的嵌入工業(yè)測試的數(shù)據(jù)采集階段，在工業(yè)測試、實驗室虛擬研究的數(shù)據(jù)采集方面有廣闊的應用前景。

［1］ 孫澤文．基于Lab VIEW軟件的數(shù)據(jù)采集與分析系統(tǒng)設計［M］北京：電工電氣，2010，（1）：16－17．

［2］ 張重雄．虛擬儀器技術分析與設計［M］．北京：電子工業(yè)出版社，2007：47－60．

［3］ 曾璐，陸榮雙．基于Lab VIEW的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設計［J］．電子技術，2004，（12）：16－17．

［4］ 楊樂平，李海濤，趙勇，等．Lab VIEW高級程序設計［M］．北京：清華大學出版社，2003．

［5］ 耿素軍，余劍．智能測量系統(tǒng)中粗大誤差的處理［J］．電氣電子教學學報，2005，（3）：38－39．

［6］ SPRENTP．Data driven statistical methods ［M］．Chapman ＆ Hall，1998．