引言
在計算機廣泛應(yīng)用的今天，數(shù)據(jù)采集的重要性是十分顯著的。它是計算機與外部物理環(huán)境連接的通道?；谔摂M儀器技術(shù)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的提出在一定程度上解決了傳統(tǒng)數(shù)據(jù)采集所面臨的問題，虛擬儀器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)成為當(dāng)今數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)發(fā)展的重要方向。本文在虛擬儀器技術(shù)的基礎(chǔ)上對多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進行了設(shè)計．將傳感器獲取的模擬信號，經(jīng)過信號調(diào)理后。輸入到NIPCI-622l數(shù)據(jù)采集卡，實現(xiàn)多路信號的采集，然后經(jīng)過PCI總線送入PC機，并對實驗數(shù)據(jù)進行實時顯示、記錄、分析處理，包括采集數(shù)據(jù)的平均值濾波，采樣波形的實時顯示，并以一定的時間間隔插入數(shù)據(jù)庫進行保存，邊采集邊保存，并通過數(shù)據(jù)庫技術(shù)實現(xiàn)了歷史數(shù)據(jù)的檢索。
1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)工作原理
假設(shè)現(xiàn)在對一個模擬信號x(t)每隔△t時間采樣一次。時間間隔△t被稱為采樣間隔或者采樣周期。它的倒數(shù)1／△t被稱為采樣頻率．單位是采樣數(shù)／每秒。t=O，△t，2Δt，3Δt…等等，x(t)的數(shù)值就被稱為采樣值。所有x(O)，x(△t)，x(2Δt)都是采樣值。這樣信號x(t)可以用一組分散的采樣值來表示：
一個模擬信號和它采樣后的采樣值。采樣間隔是△t，采樣點在時域上是離散的。如果對信號x(t)采集N個采樣點，那么x(t)就可以用以下數(shù)列表示：x={x[O]，x[1]，x[2]，x[3]，…，x[N—1])，該數(shù)列被稱為信號x(t)的數(shù)字化顯示或者采樣顯示。此數(shù)列中僅僅用下標(biāo)變量編制索引，不含有任何關(guān)于采樣率(或Δt)的信息。所以如果已知該信號的采樣值和采樣率，就能得出信號x(t)的頻率。
根據(jù)采樣定理。最低采樣頻率必須是信號頻率的兩倍。由恩奎斯特頻率可知，如果信號中包含頻率高于奈奎斯特頻率的成分，信號將在直流和恩奎斯特頻率之間畸變。采樣率過低的結(jié)果是還原的信號的頻率看上去與原始信號不同。這種信號畸變叫做混疊。出現(xiàn)的混頻偏差是輸入信號的頻率和最靠近的采樣率整數(shù)倍的差的絕對值。為了避免這種情況的發(fā)生，通常在信號被采集(A／lD)之前，經(jīng)過一個低通濾波器，將信號中高于奈奎斯特頻率的信號成分濾去。理論上設(shè)置采樣頻率為被采集信號最高頻率成分的2倍就夠了。但實際上工程中選用5倍～10倍，有時為了較好地還原波形，甚至更高一些。
2 多通道采集系統(tǒng)方案設(shè)計
在多通道采集系統(tǒng)設(shè)計方案上．該系統(tǒng)硬件構(gòu)成主要由傳感器、前端信號調(diào)理電路板和NI-6221數(shù)據(jù)采集卡三部分組成。在軟件構(gòu)成上，需要進行設(shè)備驅(qū)動程序的設(shè)計和運用虛擬儀器開發(fā)環(huán)境進行虛擬面板的開發(fā)。
工作過程中，整個系統(tǒng)從被測對象開始．通過傳感器轉(zhuǎn)換成電信號，經(jīng)過信號調(diào)理模塊進行簡單的信號處理，將信號送至數(shù)據(jù)采集卡進行采集。然后用軟件進行處理。在采集過程中將數(shù)據(jù)保存到數(shù)據(jù)庫里，實現(xiàn)了歷史數(shù)據(jù)的訪問?？傮w設(shè)計框圖如圖1所示。
2．1 傳感器
傳感器部分是跟外界溝通的門戶，負責(zé)把外界的各種物理信息，如光、壓力、溫度、聲音等物理信號變成電信號。因為被測試對象的信號來源已經(jīng)是變換好了的電信號，所以傳感器部分在設(shè)計中沒有得到具體體現(xiàn)，但是這部分是設(shè)計過程中必需要考慮的。
2．2 信號調(diào)理電路板
從傳感器得到的信號大多要經(jīng)過調(diào)理才能進入數(shù)據(jù)采集設(shè)備，信號調(diào)理功能包括放大、隔離、濾波等。由于不同傳感器有不同的特性，除通用功能外，還要根據(jù)具體傳感器的特性和要求來設(shè)計特殊的信號調(diào)理功能。信號調(diào)理的通用功能如下：
(1)放大。微弱信號都要進行放大以提高分辨率和降低噪聲，使凋理后信號的電壓范圍和A／D的電壓范圍相匹配。信號調(diào)理模塊應(yīng)盡可能靠近信號源或傳感器．使得信號在受到傳輸信號的環(huán)境噪聲影響之前已被放大．使信噪比得到改善。
(2)隔離。隔離是指使用變壓器、光或電容耦合等方法在被測系統(tǒng)和測試系統(tǒng)之間傳遞信號，避免直接的電連接。使用隔離的原因：一是從安全的角度考慮；二是隔離可使從數(shù)據(jù)采集卡讀出來的數(shù)據(jù)不受地電位和輸入模式的影響。如果數(shù)據(jù)采集卡的地與信號地之間有電位差，而又不進行隔離，那么就有可能形成接地回路．引起誤差。
(3)濾波。信號調(diào)理系統(tǒng)可以從被測試信號中濾除不需要的成分或噪聲。大多數(shù)信號調(diào)理模塊都包含低通濾波器，以濾除截止頻率以上的所有干擾信號頻率成分。
2．3 數(shù)據(jù)采集卡的選用
數(shù)據(jù)采集板卡的性能與眾多因素相關(guān)，要根據(jù)具體情況而定。所以在選擇數(shù)據(jù)采集卡構(gòu)成系統(tǒng)時，首先必須對數(shù)據(jù)采集卡的性能指標(biāo)有所了解。
(1)采樣頻率
采樣頻率的高低，決定了在一定時間內(nèi)獲取原始信號信息的多少．為了能夠較好的再現(xiàn)原始信號，不產(chǎn)生波形失真，采樣率必須要足夠高才行。根據(jù)奈奎斯特理論采樣頻率至少是原信號的兩倍，但實際中，一般都需要5倍～10倍。
(2)采樣方法
采集卡通常都有好幾個數(shù)據(jù)通道，如果所有的數(shù)據(jù)通道都輪流使用同一個放大器和A／D轉(zhuǎn)換器．要比每個通道單獨使用各自的經(jīng)濟的多，但這僅適用于對時間不是很重要的場合。如果采樣系統(tǒng)對時間要求嚴(yán)格，則必須同時采集，這就需要每個通道都有自己的放大和A／D轉(zhuǎn)換器。但是處于成本的考慮?，F(xiàn)在普遍流行的是各個數(shù)據(jù)通道公用一套放大器和A／D轉(zhuǎn)換器。
(3)分辨率
ADC的位數(shù)越多．分辨率就越高，可區(qū)分的電壓就越小。例如，三位的A／D轉(zhuǎn)換把模擬電壓范圍分成23=8段，每段用二進制代碼在000到lll之間表示。因而，數(shù)字信號不能真實地反映原始信號，因為一部分信息被漏掉了。如果增加到十二位．代碼數(shù)從8增加到212=4096，這樣就可以獲得十分精確的模擬信號數(shù)字化表示。
(4)電壓動態(tài)范圍
電壓范圍指ADC能掃描到的最高和最低電壓。一般最好能夠使進入采集卡的電壓范圍剛好與其符合，以便利用其可靠的分辨率范圍。例如．一個12位多功能DAQ卡．其可選的范圍從O～10 V，或-5 V～+5 V,其可選增益有1．2．5，10．20，50或100。電壓取值范圍從O～10 V．增益為50，則理想分辯電壓是：
(5)I／O通道數(shù)
根據(jù)以上性能指標(biāo)，本系統(tǒng)采用NI公司PCI-622l型數(shù)據(jù)采集卡。
3 系統(tǒng)軟件設(shè)計
3．1 數(shù)據(jù)采集程序
系統(tǒng)采用的是NI PCI-622l采集卡，由于該卡支持DAQmx驅(qū)動程序，所以本設(shè)計是直接使用DAQmx-DataAcquisition開發(fā)的，在這部分中．主要是采集參數(shù)的設(shè)置，其中包括物理通道的選擇，采樣模式、采樣率、每通道采樣數(shù)、輸入方式的配置，采樣最大最小值的設(shè)置。具體程序見圖2。
3．3 歷史數(shù)據(jù)查詢程序
歷史數(shù)據(jù)查詢，因為已經(jīng)把采集的數(shù)據(jù)保存在數(shù)據(jù)庫里了．所以歷史數(shù)據(jù)的查詢只需要從數(shù)據(jù)庫里按照一定的條件檢索出來就行了，這樣就涉及到檢索條件的問題，而保存數(shù)據(jù)的表格的主鍵已設(shè)為保存時刻．每個數(shù)據(jù)在時間上是唯一的。因此檢索條件確定為保存數(shù)據(jù)的時間段。具體程序見圖4。
3．4 報警記錄程序
這部分程序采用用戶事件來編寫的，當(dāng)采樣值大于設(shè)定的數(shù)值時，就會觸發(fā)用戶事件，從而使下面循環(huán)里的事件發(fā)生，進行記錄數(shù)據(jù)，這部分是實時記錄的．沒有進行保存，每次重新啟動系統(tǒng)時，會清空保存的記錄。該報警記錄的時間間隔為1秒。具體程序見圖5。
4 結(jié)論
本文采用NI PCI一6221數(shù)據(jù)采集卡，并基于LabVIEW的開發(fā)平臺．進行多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的研究。研究表明，該多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)相對于傳統(tǒng)的測試儀表，具有精度高、自動化程度高的特點，并且可用于長時間、同步、高速連續(xù)采集，不會出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失和串道的問題，所有的數(shù)據(jù)處理都在計算機內(nèi)部完成，速度快、精度高。并能夠?qū)崿F(xiàn)具有數(shù)據(jù)同時采集、采集數(shù)據(jù)實時顯示、存儲與管理的功能。