實時數據采集系統的設計

2019-11-03 09:06:54

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供稿：網友

李廷軍1，張朝英2，邱麗波2，陳怡煥1

（1．海軍航空工程學院　山東煙臺　264001；2．煙臺市技術學院　山東煙臺　264000）

　　摘　要：介紹了一種高速、實時的數據采集系統，重點介紹了該數據采集系統的軟件設計。

　　關鍵詞：高速；實時；數據采集；VISA

　　本文介紹了一種數據采集系統，他主要完成對某設備上交流電源、直流電源、模擬電壓、開關信號、脈沖信號等各種信號的采集工作。完成對上述信號的如下特征進行紀錄：

　　（1）交流電源的電壓、頻率及相序，交流電源的供電時序；

　　（2）直流電源的電壓及供電時序；

　　（3）模擬信號的幅值及反映其變化規律的波形；

　　（4）開關信號的電平幅值及信號時序；

　　（5）脈沖信號的幅值、脈寬和周期、時序。

　　該數據采集系統總體上由硬件和軟件2部分組成，硬件是該系統的基礎，他完成各種數據的采集；軟件是該系統的核心，他主要完成對各個硬件模塊的控制和調度，實現對數據的存儲，并提供人機操作界面。

1　系統軟件結構

　　在該數據采集系統的開發過程中，軟件扮演著極其重要的角色。從功能上講，他的涵蓋面很廣，從硬件設備的驅動程序到開發整套系統所需的各個開發環節在內，他們的層次性很清晰。具體結構如圖1所示。

　　（1）VISA管理程序及接口軟件

　　VISA（Virtual Instrument Software Architecture）是一個獨立于硬件設備、接口、操作系統、編程語言的I／O控制庫，處理測控計算機與儀器間物理連接的通訊信息。通過VISA，由不同硬件接口（如：GPIB，VXI或RS232等）連接的儀器設備可以集成到一個系統中，由一個軟件、一套命令函數完成所有儀器設備的控制。

　　（2）測試資源層

　　測試資源層主要由測試儀器驅動軟件組成，系統所選用的貨架成品測試儀器無論是VXI總線還是GPIB總線儀器，每臺儀器均對應一個測試驅動軟件，該軟件應按VISA要求編寫，軟件功能函數則完成對儀器測試功能的控制和測試數據的讀寫。　　該部分包含有VXI-MXI-II驅動程序，HPE1413驅動程序和HP E1459驅動程序。各個驅動程序負責完成對相應模塊的初始化和各種配置，并實現對各種數據的讀寫。該驅動程序一般不單獨執行，他是由執行程序來調用。

　　（3）應用開發層

　　用戶開發層是一個軟件開發平臺，為了充分利用CVI和儀器之間的方便通訊和VC的強大功能及友好的人機界面。該軟件將利用CVI和VC共同開發，他首先用CVI編制和儀器通訊的動態鏈接庫，在用VC編寫控制函數，并調用CVI編制的動態鏈接庫里的函數來從儀器上讀取數據。

　　（4）用戶應用層

　　用戶應用層是軟件系統的頂層，他實際上就是一個執行程序，實現對各種儀器模塊的調度，包括初始化及各個模塊子系統的配置，最后實現對導彈上各種數據的同時讀取，并以波形的形式顯示出來，用來觀察各個信號的幅度大小、頻率大小、相位關系及各種時序關系。并把數據存儲在硬盤中，好在以后進行數據回放。

2　采集軟件的設計

　　該程序設計最主要的部分就是數據采集軟件模塊的設計，他的主要任務就是完成對數據的采集、波形的顯示、數據的存儲和數據的回放。由于要采集的數據量很大，有一百多路信號，包括數字信號和模擬信號。而且采樣間隔也很短，為1 ms。當采用單線程來完成所有的工作時，難以滿足要求。所以該程序將采用多線程來編程。另外，為了便于更好地管理采集回來的數據，該程序將數據存儲在數據庫里。

　　（1）數據的采集

　　首先把對儀器進行配置和數據讀取的函數做成動態鏈接庫，其動態鏈接庫里的函數主要有3個：初始化函數、讀取數據的函數和關閉儀器的函數。然后在主程序中調用動態鏈接庫里的函數，首先要加載動態鏈接庫，然后獲取其函數的指針，利用其指針來調用函數，來實現對儀器的操作。

　　（2）波形的顯示

　　數據的顯示有2種情況，一種是從HPE1459來的開關信號，還有一種是從HPE1413來的模擬信號，通過選擇，可以顯示他們一部分通道的波形，通過翻頁，可以選擇其他的通道進行顯示。

　　（3）數據的存儲

　　數據的存儲就是把讀入內存的數據通過ODBC存入數據庫，由于該數據的結構非常簡單，只需建立一個表格就可以把他們之間的關系描述清楚。所以在進行數據存盤之前用SQL先建立一個表格，然后在數據存盤時和這個表格建立連接，然后把讀取的數據存入該表格。

　　（4）數據的回放

　　他主要是把存放在數據庫里的數據以波形的形式顯示出來。本程序采用多文檔形式，當回放時，可以通過按下面板上的按鈕來顯示不同通道的波形。顯示的波形還可以進行放大和縮小變換。

　　其中軟件工作的程序流程如圖2所示。

3　關鍵技術

　　為了滿足采集系統的試驗要求，本軟件在開發過程中采用了3項關鍵技術。

　　（1）動態鏈接庫（DLL）技術。

　　動態鏈接庫是運行時模塊，他是把程序編譯成二進制文件，在運行程序時才加進來，這使得他與編程語言沒有關系。所以可以利用動態鏈接庫把幾種編程語言結合起來編程，充分利用各種編程語言的優點。該軟件就是通過動態鏈接庫，充分利用CVI容易和儀器進行通訊的優點和VC的友好界面及靈活的顯示功能。

　　（2）多媒體定時器（Multimedia Timer）。

　　為了提高Windows操作系統的定時精度以滿足對通道的讀取精度要求，提高實時顯示的刷新速度和軟件存儲的效率，采用Windows下提供的多媒體定時器，其定時分辨率（Resolution）最高為1 ms，遠遠高于Windows提供的默認Timer的性能（55 ms）。

　　（3）多線程技術。

　　Win32是一種搶占式多任務操作系統，他為每一個線程輪流分配時間段，讓線程在分配的時間段里運行。每個進程除了系統自動生成的主線程外，還可以創建多個線程來協同完成指定的操作。利用多線程可以大大提高CPU的利用率。對于該應用程序，由于要處理的數據量非常大，只有利用多線程才能滿足要求，才能保證數據不丟失。

　　（4）ODBC（開放數據庫互連）技術。

　　通過ODBC技術實現與數據庫的連接，也即采用SQL數據庫查詢語言，可以保證軟件的通用性，避免應用程序隨著數據庫的改變而改變。另外，利用數據庫技術，可以更方便地對數據進行顯示，可以很方便地定位到某一段數據的顯示，也可以選擇任意的通道波形進行顯示。

4　結　語

　　使用該數據采集系統，可以快速地記錄和存儲大量的實時數據，這對分析某設備的性能參數和工作狀態具有非常重要的作用。

參考文獻

［1］　陳光禹．VXI總線測試平臺技術［M］．成都：電子科技大學出版社，1996．

［2］　Agilent E1313A and Agilent E1413CHigh Speed Scanning A／DConverter，2000．

［3］　Agilent E1459A／Z2404B64-ChannelIsolatedInput Interrupt Module User′s and SCPI PRogramming Manual，2000．

摘自　現代電子技術

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