基于PXI總線的多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計

摘要：針對航天測試系統(tǒng)中提出的多通道數(shù)據(jù)采集要求，采用PXI采集卡，設(shè)計了多路溫度、液位、電壓等信號的采集系統(tǒng)。使用VC++2008編寫了采集控制程序，可以實時顯示和處理多路測試數(shù)據(jù)。本系統(tǒng)已成功應(yīng)用于某測試任務(wù)。
關(guān)鍵詞：PXI總線；數(shù)據(jù)采集；VC++2008；采集控制程序

    隨著現(xiàn)代計算機技術(shù)和電子測試技術(shù)的飛速發(fā)展，對測試系統(tǒng)提出了越來越高的要求。20世紀(jì)末，NI公司發(fā)布了PXI總線系統(tǒng)。PXI總線除了具有PCI總線的功能外，在儀器儀表方面，還提供了觸發(fā)、局部總線、系統(tǒng)時鐘等機制以滿足高性能儀器儀表應(yīng)用的要求。PXI總線滿足VISA(Virtual Instrument Software Architecture)體系，確保了對工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的個人計算機的軟件兼容。PXI模塊儀器系統(tǒng)以其卓越的性能和極低的價格，使越來越多的從事自動測試測量的工程技術(shù)人員開始關(guān)注其發(fā)展及應(yīng)用。
    為滿足某航天測試任務(wù)要求，本文采用凌華科技的PXI-2206數(shù)據(jù)采集卡和PXI-2208數(shù)據(jù)采集卡，使用VC++2008編寫控制程序，實現(xiàn)了多路溫度、液位、電壓等信號的采集和實時顯示。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計
    模擬信號采集是將被測的模擬信號轉(zhuǎn)換成計算機能處理的數(shù)字信號的過程。選用模擬采集卡時，除了要了解板卡的核心器件(A／D轉(zhuǎn)換器)以外，還需了解板卡的其它相關(guān)部件和指標(biāo)。
1．1 板卡選型依據(jù)及分析
    對于模擬采集卡的選型，主要從以下4個方面進(jìn)行考慮：
    1)信號幅值范圍和分辨率
    模擬采集卡的幅值范圍和分辨率體現(xiàn)的是其能采集的模擬信號的電壓范圍和采集精度。對于某一特定的采集卡，其分辨率是一定的，因此幅值范圍就決定了采集數(shù)據(jù)的精度。例如一塊16位的采集卡，如果其采集范圍越大，其一個量化單位所對應(yīng)的值也就越大，精度越小；反正則精度越大。
    2)最高采樣率
    模擬采集卡的最高采樣率表示了它的最高采樣速度，它限制了采集卡能處理的信號的最高頻率(最高采樣率的一半)。最高采樣率表示的是單通道采樣時能使用的最高采樣頻率，因此對于多通道采樣來說，每通道能夠達(dá)到的最高采樣率是最高采樣率與通道數(shù)的商。
    3)通道數(shù)
    通道數(shù)是指采集卡能同時采集多少路信號。
    4)信號輸入方式
    根據(jù)測量信號源類型的不同，其輸入方式也不同，可分為3種：無參考地單端輸入方式(NRSE)，有參考地單端輸入方式(RSE)和差分輸入方式(DIFF)。
1．2 方案設(shè)計
    根據(jù)某航天測試任務(wù)要求，本測試系統(tǒng)需要采集83路信號，如表1所示。

    鑒于本測試系統(tǒng)需要采集的信號路數(shù)較多，且各自要求的采樣位數(shù)不盡相同，故選用了兩塊采集卡，分別是：PXI-2208和PXI-2206。
    PXI-2208采集卡可以同時采集96路單端模擬量信號，采樣位數(shù)為12位，因此69路溫度信號可全部由PXI-2208采集處理，它們共同采用一個溫度信號地與采集系統(tǒng)相連。PXI-2206采集卡可以同時采集32路差分模擬量信號，采樣位數(shù)為16位，因此8路開關(guān)量信號、2路液位信號和4路特殊電壓信號可由PXI-2206采集處理。整個采集系統(tǒng)框圖如圖1所示。

2 軟件設(shè)計
    文中介紹的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，由于采用了凌華科技的兩塊多功能DAQ卡，因此在硬件系統(tǒng)設(shè)計上，只需將2塊采集卡插入具有PXI插槽的工業(yè)控制計算機即可；而系統(tǒng)的大量工作需要軟件配合來完成。
    通過軟件控制采集卡進(jìn)行數(shù)據(jù)采集可以使用2種方法：1)利用DAQPilot工具；2)直接調(diào)用相關(guān)的API函數(shù)。
2．1 使用DAQPilot工具控制采集卡
    DAQPilot是一種驅(qū)動程序，它帶有一個圖形驅(qū)動接口，支持各種ADE，包括：VB、VC等編程語言。如圖2所示，通過DAQPilot向?qū)?，可以方便的建立一個數(shù)據(jù)采集任務(wù)。其中包括：采集路數(shù)、電壓幅度范圍、采樣頻率等的設(shè)置。使用這種方法進(jìn)行采集控制，除了需要設(shè)置采集參數(shù)外，更重要的在于對消息相應(yīng)函數(shù)DataArrival的編程。另外，由于每塊采集卡都要對應(yīng)一個消息相應(yīng)函數(shù)(DataArrival)，這種方法一般只用于單卡應(yīng)用的情況。

2．2 使用API函數(shù)控制采集卡
    由于文中設(shè)計的采集系統(tǒng)用到2塊數(shù)據(jù)采集卡，如何實現(xiàn)2卡的同步采集是關(guān)鍵問題。由于2塊模擬量采集卡的采樣率相同(單路1 kHz)，若能保證同時刻啟動采集，則2卡完成一次采集的時間應(yīng)該是相同的。本文將兩塊卡的采集方式均設(shè)置為雙緩沖模式，并在固定采樣頻率的條件下，只等待一塊板卡(如PXI-2208)的半滿消息，就可以把兩塊卡的數(shù)據(jù)都取出。
    假定每隔100 ms 2塊采集卡的緩沖區(qū)都達(dá)到半滿，則PXI-2208的緩沖區(qū)應(yīng)設(shè)置為69x2x100=13800字節(jié)；PXI-2206的緩沖區(qū)應(yīng)設(shè)置為14x2x 100=2 800字節(jié)。
    文中采用VC2008編制了上位機程序，其中的數(shù)據(jù)采集部分主要包括如圖3所示的幾個模塊。

    以下是數(shù)據(jù)采集程序的關(guān)鍵代碼：



3 測試結(jié)果
    采集系統(tǒng)上位機測試運行情況如圖4所示。圖中顯示的曲線是T05路溫度信號在1 min內(nèi)的溫度變化情況，由于溫度是緩變信號，在短時間內(nèi)，曲線基本呈現(xiàn)直線形態(tài)。

    圖5(a)和5(b)分別是某溫度測點在升溫和降溫時采集到的溫度回放曲線，大約分別歷時6分鐘和175分鐘。在描繪曲線時采用了1：1000降采樣，即每秒描繪一個點，圖中溫度使用開氏單位。

4 結(jié)論
    文中采用PXI總線采集卡設(shè)計了多路信號采集系統(tǒng)，信號主要包括69路溫度信號、8路開關(guān)量信號、2路液位信號、4路電壓信號，共計83路。在設(shè)計采集電路的基礎(chǔ)上，利用VC++2008編寫了兩塊采集卡(PXI-2206和PXI-2208)的采集控制程序。經(jīng)過試驗驗證，該系統(tǒng)可以滿足要求，也可以經(jīng)過簡單改造應(yīng)用于其它測試系統(tǒng)。