基于LabVIEW的高速数据采集系统的软硬件设计_图文





本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果,尽我所知,在 本学位论文中,除了加以标注和致谢的部分外,不包含其他人已经发 表或公布过的研究成果,也不包含我为获得任何教育机构的学位或学 历而使用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均 已在论文中作了明确的说明。

研究生签名:

矽侈年了月垢

学位论文使用授权声明

南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档,可以借阅 或上网公布本学位论文的部分或全部内容,可以向有关部门或机构送 交并授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对 于保密论文,按保密的有关规定和程序处理。

研究生签名:

硕士论文

基于LabVIEW的高数数据采





本文研究了一个用于实现雷达信号的高速采集和海量存储的数据采集系统。整个系
统采用PCI、PCI.E架构;以Innovative Integration公司的双通道A/D采集卡为采集系 统核心;使用HighPoint
Rocket RAID

2320卡组建超大容量的磁盘阵列。系统采样频率

最高可达250MSPS,存储容量达到4TB,采样精度为12bit。系统采样时,数据以DMA

方式写入服务器内存,再以脚0方式写入SATA
实时地写入磁盘阵列。

II盘阵,即将前端采集的原始数据

针对采集系统的实际需求,以LabVIEW为工具,设计完成了用户界面。界面设计 以循环事件结构为整体框架;采用.EXE技术完成用户界面与采集程序的连接;以波形
图表为显示工具,并针对采集系统存储数据的特点,编程实现了16位无符号双字节整 型到双精度浮点数的转换,即波形图表显示的数据为实际的物理数值;此外,用户界面 还具有当前样本数的显示、当前鼠标所在位置幅值的显示等辅助功能。

整个数据采集系统进行了联试联调。使用该采集系统对毫米波脉冲调制雷达的测距 信号进行采集;采集到的数据存入磁盘阵列,再由用户界面调用和显示;根据毫米波雷
达测距的工作原理,对磁盘阵列中存储的相关测试数据进行分析计算。结果验证了整个 数据采集系统的实用性。

关键词:数据采集,LabVIEW,用户界面,数据显示

Abs呲t

硕士论文

Abstract

This paper discussed



data acquisition system with high-speed data acquisition and

mass

storage for radar

signal.The

system has PCI and PCI-E architecture,uses the

dual.channel A/D acquisition card created by the Innovative Integration company as the acquisition system

core,and

builds



large capacity disk array by HighPoint Rocket RAID

2320 card.SyStem’S sampling frequency is up to 250 MSPS,storage capacity reaches 4TB

and the

sampling
data

precision is 1 2

bit.When system working,the
to

data writes to the

server

memory in DMA way,and then transmits
original of the acquisition
on

the

SA队II disk


array in RAID 0,that means the

Can input to the

disk array in

timely manner.
user

Based
designed

the practical requirements for the acquisition system,a

interface Was

with LabVIEW.The

interface used cyclic event structure as the overall
user

framework,

used.exe technology to complete the connection of the
procedures,and used waveform chart
as

interface and acquisition

t11e display t001.According to the characteristics of

the acquisition system stored data,programmed

and

realized the U 1 6 conversion to



DBL,

and then the data that waveform chart shows is the actual physical values.In addition,the
user

interface

Can

display the current

samples’number

and the

amplitude

of the mouse’S

current location in

the wavefonn chart.

At last,the data acquisition system used for connecting for

and

debugging.The

system used

ranging signal

collected data acquisition of millimeter wave pulse modulation radar.The

stored in the disk array,then called

and

displayed by the

user

interface.According

to

the

working principle of millimeter wave radar’S distance the related test

measurement,analyzed and

calculated

data.The

results confirmed the validity of the data acquisition system.

Key

Words:data acquisition,LabVIEW,user interface,data display

II

硕士论文

基于LabVIEW的高数数据采集系统的软硬件设计






要…………………………………………………………………………………………………I

Abstract..............................................................................................................II

1绪论……………………………………………………………………………………………………1
1.1论文研究的背景…………………………………………………………………….1
1.1.1数据采集技术……………………………………………………………………………。1 1.1.2虚拟仪器技术……………………………………………………………………………。1

1.2本文的主要工作和论文结构……………………………………………………….3

2数据采集系统的硬件组成…………………………………………………………….4
2.1数据采集的过程…………………………………………………………………….4
2.2数据采集系统的组成……………………………………………………………….5
2.2。1计算机(PC)…………………………………………………………………………………5 2.2.2传感器……………………………………………………………………………………。6 2.2.3信号调理电路……………………………………………………………………………..7 2.2.4数据采集设备……………………………………………………………………………..8 2.2.5数据采集设备的主要指标………………………………………………………………1 0

2.3数据采集系统的设计与实现………………………………………………………12
2.3.1系统组成…………………………………………………………………………………1 2 2.3.2超宽带数据采集卡………………………………………………………………………14
2.3.3

UWB的用户界面…………………………………………………………………………1 6

2-3.4高速记录控制器…………………………………………………………………………1 9
2.3.5 2.3.6

32路数字I/O卡………………………………………………………………………….23 PCI和PCI.E总线………………………………………………………………………。24

3数据采集系统软件设计………………………………………………………………..27
3.1

LabVIEW简介……………………………………………………………………..27

3.2界面设计……………………………………………………………………………29
3.2.1系统结构与界面…………………………………………………………………………29
3.2.2 3.2.3 3.2.4 3.2.5

LabVIEW事件结构………………………………………………………………………30 LabVIEW与采集系统的链接……………………………………………………………32 LabVIEW文件操作………………………………………………………………………33 LabVIEW波形图表………………………………………………………………………37

3.2.6数据显示程序……………………………………………………………………………38
III

目录

硕士论文

3.2.7冥他部分程序……………………………………………………………………………39

4数据采集系统的联试联调…………………………………………………………….43
4.1毫米波脉冲雷达信号采集…………………………………………………………43 4.2测试结果分析………………………………………………………………………44

5总结与展望…………………………………………………..…………………………49 致 谢………………………………………………………………………………………………50 参考文献………………………………………………………………………………………51

IV

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基于LabVIEW的高数数据采集系统的软硬件设计

1绪论
1.1论文研究的背景
1.1.1数据采集技术 数据采集技术主要研究各类数据的采集,存储,处理等工作,与传感器技术,信号
处理技术,计算机技术一起构成了现代测试技术的基础。随着科学技术的发展,数据采 集技术已广泛应用于军事、科研、生产等各个领域。

本课题组主要进行毫米波近感技术的研究,该技术主要研究几十厘米至几公里范围 内的目标的探测和识别。随着毫米波近感技术的发展和实际应用的需要,毫米波雷达朝 着高分辨率和实时成像等方向发展。为了更好地分析雷达系统的性能和改进信号处理算 法,实验数据需要被采集并存储起来,以用于分析、计算和评估。在毫米波近程探测实
验中,常常有大量的、高速的数据需要存储,这在客观上要求数据采集系统必须具备高

速数据采集能力和海量数据存储能力。这也正是高速数据采集系统设计的重点和难点。 目前,随着电子技术以及半导体工艺技术的发展,高速数据采集技术也得到了极大 的发展。采集系统的ADC采样精度可高达几百MSPS甚至GSPS。采样精度的提高意味着 在极短的时间内,采集系统就可以采集到大量数据。只有系统具备与之匹配的数据传输
能力和存储能力,实验数据才可以完整的保存下来,整个数据采集系统才有实际的应用 价值。

计算机技术的飞速发展带动了数据传输技术和存储技术的发展【1】。计算机总线技术 从数据传输率只有8.33MB/s的ISA总线发展到133MB/s的PCI总线,再到传输速率更高的 PCI.E总线,数据传输速率已超过1G/s。FPGA和DSP技术的发展使得数据采集系统的缓 存能力和数据处理能力有了很大的提高。磁盘阵列技术的发展则为高速数据采集技术提
供充足的存储空间。

1.1.2虚拟仪器技术 虚拟仪器技术是一种基于计算机技术的现代测试控制技术【21。计算机技术的不断发 展,应用领域的不断延展,使得人们生活的各个领域都与计算机技术交融在一起,并随 着计算机技术的发展而发展。虚拟仪器技术特有的优点在自动化测控技术、数据采集技
术和信号处理技术中得到了极大地展现。该技术也得到了巨大地发展,并引导和推动着 相关技术的发展。 虚拟仪器(VI一Ⅵnu甜Instruments)是基于计算机技术的软件仪器,是相对于传统仪

器是实物而言的。传统仪器功能的实现是以硬件为基础存在的。不同功能的传统仪器的 产生需要不同的原材料进行零件的生产、组装和调试等一系列工业生产的流程。在使用


l绪论

硕士论文

时,传统仪器有着诸多限制,如量程范围、正负极的正确接线等等,稍有不慎则会损坏

仪器,造成损失;同时,在大型的测控工程中,传统仪器往往难以完成一些复杂的测试 工作。此外,传统仪器实现的功能越多,其操作面板也就越复杂,上面放置着各种按钮、 旋钮等操作器件,容易导致操作失误。 虚拟仪器技术提出“软件即仪器”的概念,即以软件的方式实现传统仪器的功能。
虚拟仪器通过编程开发后,最终呈现在用户面前的用户界面可以很好地移植传统仪器的

控制面板,与用户日常接触的仪器除保持良好的一致性。如设计完成一个示波器时,该 虚拟仪器的面板可以与传统示波器的面板基本保持相同,各个功能的控制开关或旋钮也 能保持一致,用户在使用时就不会有任何的陌生感而直接使用。虚拟仪器发展至今,各 类常见的输入输出控件已经设计完成,如用于显示的波形图、波形图表等,用户需要时, 直接调用即可。在设计新型仪器时,用户又可以根据自己的需要选择设计仪器面板的样 式,不像传统仪器受元器件和工艺水平的限制。在设计功能复杂的仪器时,虚拟仪器可
将各类功能整理归类,在不同的面板上显示,不受空间的限制。

在现代工业和测控领域中,往往会遇到很多复杂的测试问题,需要搭配不同的测试 工具才可以完成任务,有时甚至需要开发新的测试工具或者改进原有工具才能满足要 求。相对传统仪器开发周期长,生产成本昂贵和仪器维护成本高的特点,虚拟仪器有着
无可比拟的优势。虚拟仪器的核心是软件,对虚拟仪器的重新开发和改进相当于对软件 程序的修改,不仅可以极大地缩短开发周期,还可以节省大量的开发成本。虚拟仪器的 使用可有效降低系统开发费用和维护成本,并加速技术的发展。

虚拟仪器技术与计算机技术息息相关【3】。计算机强大的数据处理能力使得虚拟仪器 在信号处理上具有无可替代的优势。在数据采集领域,以虚拟仪器为桥梁,将计算机和 数据采集硬件连接在一起。使用计算机对采集到的数据进行分析、显示和处理,并通过
计算机优越的数据传输能力和存储能力将原始数据和处理结果完整地存储下来。虚拟仪

器的使用有利于实现系统的测试速度和测试精度。在一些专业的测试领域,虚拟仪器暂 时还不能完全取代传统仪器,但随着科学技术的发展,虚拟仪器将得到更广泛的应用。 LabVIEW是美国国家仪器公司(National Instruments,简称NI)推出的一种革命性的 编程系统,也是一款优秀的虚拟仪器软件开发平台。相比较于传统的文本编程,它采用 图形化编程方式。LabVIEW即以图标代替文本,用连线决定程序运行顺序。 LabVIEW拥有着丰富的函数库,包括数据运算、程序结构、文件I/O和信号处理等
等;还提供各种适用于测控领域的工具包,涵盖了几乎所有可能用到的功能。使用 LabVIEW可以很方便地设计出所需要的虚拟仪器,结合相应的硬件设备,就可以快速地

搭建一个完整的测控系统。



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基于LabVIEW的高数数据采集系统的软硬件设计

1.2本文的主要工作和论文结构
本文研究了一种用于高速信号采集和大量数据存储的数据采集系统。以Innovative

Integration公司的双通道A/D采集卡为采集核心,使用HighPoint

RoeketRAID

2320卡

组建超大容量的磁盘阵列。系统采样频率最高可达250 MSPS,存储容量达到4TB,采
样精度为12
bit。

针对采集系统的实际需求,以LabVIEW为工具,设计完成了用户界面。界面设计
以循环事件结构为整体框架,主要完成数据采集程序的启动和数据的显示及相关的功能 实现。

最后,将整个高速数据采集系统应用于毫米波脉冲雷达的测距工作信号的采集,以 检测系统的实际应用价值。 本论文分为5章,主要内容为:
第1章,介绍了这个课题的背景; 第2章,介绍数据采集相关理论;给出系统的框图并详细说明系统的组成方案: 第3章,详细介绍了LabVIEW程序设计,结合程序框图说明了设计原理和主要实 现的功能;

第4章,为对采集系统进行联试联调:使用数据采集系统对毫米波脉冲雷达的测距 工作信号进行采集,并对测试数据进行分析计算,验证了整个采集系统的实用性。
第5章,总结。

2数据采集系统的硬件组成

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2数据采集系统的硬件组成
当今社会,计算机的应用越来越广泛。以计算机为记录控制核心的控制测试系统 在各个领域中发挥着越来越重要的作用。数据采集技术的出现实现了计算机与外部设
备的连接。

2.1数据采集的过程
一个简单的数据采集过程应该是对模拟信号进行采样,经过量化、编码后得到相 应的离散化的数字信号。过程如图2.1所示:
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图2.1数据采集过程

在实践中,根据信号的特征和测试目的,模拟信号可以分为两类【4J。

1.在时间范围内变化较为缓慢的信号,如湖面的水位、室内的温度等。对于这一 类变换过程比较缓慢的信号,其采样率不需要设置过高。
2.在时间范围内变化较快的信号。对于这一类信号,如果需要知道它的波形,应 该把它作为一个时域信号来处理,选择相对较高的采样频率。比如,在检测一个脉冲 信号的时候,就要求采样周期必须小于脉冲周期。在研究脉冲信号的上升时间的时

候,就应该选择更高的采样频率。如果需要知道它的频率成分,可以把它当成一个频 域信号。这样,根据奈奎斯特采样定理,只要采样频率大于信号中最高频率的2倍,那 么采样之后的信号就可以比较完整地保留了被采样信号中的信息。也就是说相对于最高


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基于LabVIEW的高数数据采集系统的软硬件设计

频率的信号成分,必须对每一个周期采样至少两个数据点,在理论上才可以重新恢复
出原始信号。在具体应用中,如果每个周期只对最高频率的成分采样两个数据点,那 么样本数量是不足以准确地描述信号的波形的。在实际的工程中,一般选择使用最高频

率成分的4 ̄10倍进行采样。

2.2数据采集系统的组成
典型的数据采集系统硬件结构为:传感器+信号调理电路+数据采集设备+计算机 15】【6】。在上述结构中,传感器的作用在于将被测量的非电物理量如位移、速度、水位、

温度等转换为模拟信号,或者将各类电参数按需要进行相应的变换,如电流转换成电压, 以满足采集设备的需求。信号调理电路的作用在于对传感器输出的或可以直接采集的电 信号进行处理,如放大/衰减、匹配、滤波等。数据采集设备的作用则是将模拟信号转 换成计算机可以识别的数字信号。图2.2为典型的数据采集系统的硬件结构组成。 詹 }口 号 调





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图2.2典型的数据采集系统硬件结构

2.2.1计算机(PC) 计算机在数据采集系统中有着极其重要的作用,其配置很大程度上影响着数据连续 采集的速度。随着毫米波雷达技术的发展,雷达信号的带宽越来越宽,对数据采集系统
的采样精度和采样频率的要求也越来越高。传统的ISA总线、PCI总线已逐渐不能满足 高速采集系统对数据传输率的需求。PCI Express总线标准的出现使数据传输率得到极

大地提高。目前绝大多数计算机以PCI/PCI.E总线和USB接口为标准设备。在组建数 据采集系统时,需要知道设备和总线所支持的数据传输方式。 为了满足雷达高速采集系统超宽带、高速率以及海量数量存储的需求,系统可使用
服务器主板配合多核CPU作为系统的控制器。以华硕DSBF.DE/SAS服务器主板为例。 该主板支持双核intel至强处理器5000/5100系列、四核intel至强处理器5300系列,可

按需选择。
在存储方面,该主板提供了8条240.pin FB.DIMM插槽,可支持双通道DDR2

533/667内存模组;最高可扩充至32GB,此外,四通道模式使该主板理论上的内存带

2数据采集系统的硬件组成

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宽最高可达到21GB/s;该主板通过SATA控制器提供了6组SATA II接口,并以Intel
Matrix Storage技术实现RAID 0、1、5、10。

在扩展槽方面,该主板配置1个PCI.E x16插槽,3个PCI.E x8插槽;可以支持磁 盘阵列卡;内置的2条PCI.X 133/100MHz插槽中,可支持零通道RAID卡。图2.3为

华硕DSBF.DE/SAS服务器主板实物图。

图2.3华硕DSBF-DE/SAS服务器主板

高速数据采集系统的另一个限制性的因素是系统的存储能力,通过服务器主板提供 的扩展插槽可以很方便地组建超大容量的磁盘阵列,多核处理器卓越的数据处理和数据 传输能力为数据实时地、完整地传输和存储提供了可靠的保证。

2.2.2传感器
传感器的作用在于将物理、化学和生物现象转化为数据采集系统可识别的电信号。 传感器种类繁多,针对的对象不同,其工作原理、加工原料和制造工艺都不一样。物理 传感器可识别电、力、光、热等物理现象;化学传感器可感知化学物质的变化;生物传 感器检测生物成分的变化,如激素、抗体和酶等。 传感器可以输出其检测到的变化对应的电信号。该信号的强度不一定在数据采集设 备的输入范围之内,必须经过信号调理设备处理。某些传感器的组成包含了转换电路或 辅助电路。 传感器直接关系到能否准确获取相关的信息,其选择主要依据三个指标,即灵敏度、 线性度和分辨率。

灵敏度[7】【8】:灵敏度是指传感器在稳态工作情况下输出量变化对输入量变化的比值。 它是输出——输入特性曲线的斜率。当输出和输入为线性关系时,则传感器的灵敏度为
常数;当输出和输入为非线性关系时,则传感器的灵敏度将随输入的变化而变化。灵敏


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基于LabVIEW的高数数据采集系统的软硬件设计

度直接关系到传感器的测量精度,即灵敏度越高,则测量精度越高。 线性度:一般来说,传感器的实际静态特性【7】【81输出不是直线而是一条曲线。在应
用中,实际的特性曲线常用最小二乘法拟合直线来近似地代替,以得到均匀的读数。线

性度就是用来衡量这个近似程度的。 分辨率:分辨率是指传感器工作时可以识别的最小变化量。即被测量的变化幅度低 于传感器的分辨率时,该传感器是没有输出的。只有被测量的变化幅度大于传感器的分 辨率时,传感器才有输出。传感器的分辨率越高,其可识别的变化量越小,相应测量结
果就会更准确。 一般来说,选择传感器时总是希望其灵敏度和分辨率都越高越好,而灵敏度和分辨

率越高,传感器的稳定性就会越差,应该综合考虑。 2.2.3信号调理电路
信号调理电路连接着传感器和数据采集设备,其作用主要是对传感器的输出进行处 理。通常情况下,传感器输出的信号幅值大小各异,必须进行处理,使其匹配数据采集 设备的输入范围。信号调理电路可以有效提高系统的整体性能和精度。

信号调理是指通过内部电路将需要采集的信号进行放大、滤波等处理,使之能够被 数据采集所识别。有时也需要信号调理电路对信号的类型进行转换,如电压转换成电流 等,以满足不同采集设备的需求。
数据采集卡基本都自带可编程增益,在这样的情况下,由于被测信号来源复杂,特 点各异,信号调理电路仍有着其存在的价值。如生物电信号及其微弱,而工业电信号则 有高压、高流的特点。

信号调理电路一般采用如下技术,以提高系统的采样精度。 1.放大 此技术针对幅值较小的信号,如温度传感器热电偶的输出。经过放大,各类微弱的
电信号可以转换为标准信号,以满足采集设备ADC输入的需求,提高系统的精度。针 对不同的信号,应该合理选择放大器。 2.衰减

此技术与放大相对应,适用于高电压、高电流的场合。可将信号幅值限制在采集的 ADC输入范围以内,以供采集设备采集。此外,此技术还可用于预防电路因过压过流
而被烧毁的危险,起到保护仪器和设备的作用。 3.隔离 该技术最大的优点在于保证操作人员的人身安全,同时还避免了测试设备被烧毁的 可能。其基本原理是利用光电耦合技术和变压器将被测信号直接从发生源传输至测量设

备,隔离了高电压,远离了危险。


2数据采集系统的硬件组成

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4.过滤

数据采集设备在实际工作时,总是会受到各种各样的噪声干扰,如环境干扰,机械 设备干扰等。此技术可去除一定频率范围内的噪声,既排除了一定程度上的干扰,又简 化了后续的信号处理。 5.激励 该技术的使用通常针对一些需要外部信号激励的转换器,如应变器、RTD等。应 变器,其惠斯登电桥配置通常使用电压激励源来完成。而电流激励源则可以协助完成
RID的测量。

6.冷端补偿 一般来说,热电偶工作时,要精确计算测量的真实温度,必须要知道热电偶和数据 采集系统连接点的温度,因为这个点相当于测量中额外多接的一个热电偶,冷端补偿用
于计算连接点引起的偏移量。

2.2.4数据采集设备 数据采集设备是数据采集系统的物质基础,现代的数据采集设备的出现源于传统仪 表技术和计算机技术发展。机械制造技术的发展提高了仪器的精度和使用寿命;电子工 艺技术的发展使仪器的性能产生了巨大的飞跃;电子显示技术的发展促使了示波器等现
代分析仪器的出现;而计算机技术的发展使数据采集技术借助计算机强大的数据处理能 力进入了一个高速发展的时期;虚拟仪器技术的出现则代表着数据采集技术的又一次革

新;在计算机技术和虚拟仪器技术的促进下,数据采集设备不断发展、更新,以满足人 们在各个领域的需求,展示了强大的生命力和辉煌的发展前景。 2.2.4.1数据采集设备分类 常见的数据采集设备结构有以下几类。
1.插卡式数据采集设备 插卡式数据采集设备就是使用最为广泛的数据采集卡。通过插入计算机的PCI槽或

PCIMCIA槽就可以使用。信号经传感器和调理设备后就可被数据采集卡采集。可以满 足基本的采集要求。 2.分布式数据采集设备 分布式数据采集设备【4】【91的特点是该设备一般安装在被测试对象的附近,如工业现
场。然后使用串口通信或计算机网络与计算机进行通信,其应用前景很广泛。

3.VⅪ与PXI设备
VXI与PXI设备最初属于专用的设备。其设计之初,该设备就被定位为用于某些

军用设备的测试场所,以及一些对测试环境和条件要求非常高的测试场合。 VXI是VME总线的仪器扩展,它适用于军方对武器系统进行检测和测试。其结构

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基于LabVlEW的高数数据采集系统的软硬件设计

形式【4】【101是:先将信号采集、信号调理等各种模块装入标准机箱,而机箱通过插入计算 机的卡而与计算机通讯,或将计算机嵌入机箱零插槽(俗称零槽控制器)。 上述三种设备均可以完成各种通用的测试任务,如采集信号,对信号进行A/D转 换等。信号采集完成后,后续的信号处理则是按需要进行,主要依靠计算机软件进行分 析处理,得到所需要的信息。即不同的测试要求和不同测试对象可以使用相同的数据采 集设备来完成,区别只在于处理数据的软件不同。
4.GPIB或串口设备 GPIB和串口都是计算机与传统仪器的接口。GPIB或串口设备的优点在于可以有效

利用传统仪器的一些特有的优势。这一类型的设备具有功能单一的特点,其应用软件固 化在仪器内部。工作时,与设备相连的计算机只用于存储、显示和打印,或控制测试过 程。即该类型设备并不依赖计算机。 2.2.4.2数据采集卡
数据采集卡口的设计和生产参照了计算机的主流总线标准,并直接插入计算机主板

提供的扩展槽中进行使用,方便了使用计算机对数据采集进行控制。使用数据采集卡可 以快速搭建一个完整的数据采集系统。 20世纪90年代,IBM.PC及其兼容机有着及其丰富的软件资源。参照IBM.PC机 的总线技术标准,厂商们设计并生产了各种数据采集卡,以使用IBM.PC机及其兼容机 对数据采集进行控制。这就是数据采集卡的由来。随着计算机技术的发展及总线技术的
发展,IBM.PC机已被淘汰,数据采集卡则以其用途广泛,使用方便等特点得以留存, 并显示出了强劲的发展势头。

数据采集卡种类繁多,根据处理信号的不同可以分为模拟量输入板卡、模拟量输出 板卡、数字量输入板卡、数字量输出板卡、脉冲量输入板卡、多功能板卡等。 根据总线的不同,可分为PXI板卡、PCI板卡、PCI.E板卡和USB板卡。
跟据通道数的不同,可以分为单、双、4、8、16、32和80通道。 表2.1为部分数据采集卡的种类和用途【l¨。
表2.1数据采集卡的种类和用途 信息来源 位移、温度等运行状态的模拟电信号 限位开关状态、接点通断状态 执行机构的测控执行、记录等 执行机构的驱动执行、报警显示 转速、长度测量等脉冲输入信号 操作中断、事故中断等 板卡类型 模拟量输入板卡 数字量输入板卡 模拟量输出板卡 数字量输出板卡 脉冲量计数/处理板卡 多通道中断控制板卡



2数据采集系统的硬件组成

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远距离输入/输出信号 串行/并行通信板卡

远程I/O板卡 多口RS.232通信板卡

2.2.5数据采集设备的主要指标
数据采集设备的主要指标如下: 1.采样率 数据采集系统的采样率是指在系统ADC在单位时间内对被测信号进行采样的次

数。采样率越高,则规定时间采集到的样本数就越多,就可以更准确地反映被测信号的 特点。根据奈奎斯特采样定律【121[B1,采样率设置为被测信号最高频率的4~10倍为最佳。 过高的采样率将增加系统的负担,如占用大量的存储空间。对信号的频谱分析结果的影 响却并不是很大,这就造成资源的浪费,降低了系统效率,增加系统成本。采样率过低
将导致采样结果不能无失真地描述被测信号。 对于多通道数据采集设备,一般采用多路复用方式对信号进行采集,即所有通道共 用一个ADC采样。如双通道数据采集卡在工作时,ADC首先对通道0进行采样,采集 一个数据后立即转到通道1进行采样,然后又对通道0进行采样,如此循环。在这种情

况下,数据采集卡的采样率为各个通道的采样率之和。假设双通道数据采集卡的最高采 样率为50MS/s,则每个通道的实际最高采样率只有25MS/s。即各通道均分采集卡的采
样率。

与多路复用方式对应的是同步采样方式,如阿尔泰PCI.E8532,支持4路同步采集。 4个通道均使用独立的ADC采样,各通道量程均可单独设置,其单通道的采样率达到 20MS/s。同步采样系列数据采集卡功能强大,使用灵活,但其价格也相对一般数据采集
卡昂贵得多。 2.分辨率 分辨率【16】是数据采集设备的精度指标,一般用A/D转换器的数字位数表示。数字 位数越多,其分辨率也就越高,信号范围被分割成的区间数目就越多,因此,能探测到 的信号变化量也就越小。图2.4显示了使用一个3位A/D转换器检测一个振幅为5V的

正弦信号所获得的相应数字图像。将被测信号范围分为23---r_8段,用二进制编码000至 111表示。采样时,把采样结果用划分好的二进制码表示出来。它得到的正弦波的数字
图像是非常粗糙的。造成结果不理想的原因在于,模拟信号转换成数字信号时,有一部 分信息会丢失。随着分辨率的增加,这种情况得到了显著的改变,如当分辨率为16位 时,ADC的编码数目提升到了216=65536段。这时,采样结果就可以很精确地反映被 测信号。

10

硕士论文

基于LabVlEW的高数数据采集系统的软硬件设计

时间(幽).
图2.4 3位A/D转换器检测振幅为5V的正弦信号所获得的相应数字图像

目前工程上应用的数据采集卡的分辨率最低为8位,可以满足一般应用的要求。在 对精度和带宽要求比较高的科研或军事领域,则可以选择分辨率为12或16位的数据采
集卡。 在实际使用中,数据采集卡的分辨率越高,成本也就越高。在不增加新投资的情况, 为了达到提高ADC分辨率的目的,我们可以采用如下两种特定的方法来充分利用ADC 的数字位数。

1)合理设置模拟输入范围
采集设备的模拟输入范围是ADC可以转换的模拟信号的幅值范围。合理设置模拟

输入范围可以充分利用设备的分辨率,获得更高的采样精度。
例如使用3位ADC对一个0到10V的正弦信号进行采样时。当采集设备的输入范 围为0到10V时,就相当于将10V划分为8段;当采集设备的输入范围为.10V--一10V 时,则是将20V划分为8段。同样的分辨率,两种不同范围设置,最小可检测电压差 了1V。图2.5很直观地表示出了这种差别。
如 ∞


∞ ∞ 卯






111
110



10l 100
011 010





] 1

5∞

00l
000





m∞

图2.5设备范围对表示信号的准确程度的影响

2数据采集系统的硬件组成

硕士论文

2)合理进行信号极限设置 在实际应用中,有的数据采集设备的模拟输入范围是固定的,不能被更改;有的数

据采集设备需要同时对多个幅值差别比较大的信号进行采集。在这样的情况下,就不能 使用设置设备的输入范围的方法。可供选择的还有信号极限设置。 设置信号极限设置实际是单独确定每一个通道被检测信号的最大值和最小值。当信
号范围小于设备量程范围,就在通道设置时将此通道的量程范围设置信号范围,当程序 按通道名称访问该通道时,这个量程范围就成为这个通道的极限。准确的极限设置可以 让模数转换器使用更多的分段去表示信号。 3.其他指标

数据采集卡的其他指标如下:
1)通道数 通道数是指数据采集板卡能够同时输入的信号路数。常用的有单端32路/差分16 路、单端16路/差分8路。

2)模拟输出 模拟输出指的是输出模拟信号的能力,即当需要产生模拟信号时,数据采集设备应
具备模拟输出功能。 3)同步采样 同步采样用于描述可以同时对多路信号进行采样的功能。例如,要分析多个被测信 号的相位关系时,就要求数据采集板卡有多通道同步采样的功能。 4)数字I/O

数字I/O指的是直接输出数字或准数字信号的能力。通产用来控制过程、产生测试
信号、与外设进行通信等。

2.3数据采集系统的设计与实现
2.3.1系统组成 本设计所用数据采集系统主要用于实现雷达信号的高速采集和海量存储。出于便携
实用及成本考虑,结合本课题组实验需求,整套系统集成在一个4U高专用服务器机箱 内。该系统基于PCI.E(PCI.X)总线和Windows操作系统,主要由双通道210MhzA/D采 集卡、PCI.E载板、集成SATA盘阵的多核高速记录控制器和32通道数字10卡4大部 分组成。系统采用Windows XP操作系统,整个系统的结构如图2.6所示:

12

硕士论文

基于LabVIEW的高数数据采集系统的软硬件设计

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图2.6数据采集系统框图

具体全系统的组成如图2.7和图2.8所示。 图2.7为数据采集系统集成机箱内部图。

图2.7数据采集系统集成机箱内部图

13

2数据采集系统的硬件组成

硕士论文

图2.8为组装数据采集系统的4U高专用服务器机箱和显示器。

图2.8 4U高专用服务器机箱+显示器

数据采集系统的组成特点如下:

1.四核主频为2.0GHz的intel处理器搭配intelS5000VSA服务器主板; 2.用于组建磁盘阵列的HighPoint
RocketRAID

2320卡;

3.通过RocketRAID 2320将8个500GB的SATA硬盘组成4T(8x500GB)磁盘阵列; 4.研华公司的32通道数字IO卡PCI.1730;
5.Innovative

Integration公司的双通道210MHzA/D UWB采集卡。

数据采集系统的主要技术指标为:

1.采样率不低于200MHz; 2.采样精度不低于12位;
3.存储容量不低于3.2TB; 4.存储速度不低于300MB/s。

2.3.2超宽带数据采集卡
本系统是以Innovative Integration公司研发的双通道210 Mhz Ultra—Wide Band
A/D

采集卡(即UWB采集卡)为采集核心搭建而成,UWB采集卡的功能结构图如图2.9所示。

14

硕士论文

基于LabVIEW的高数数据采集系统的软硬件设计

图2.9 UWB数据采集卡功能结构图

该卡的主要技术指标为: 1.模拟A/D信号输入通道:2通道; 2.输入阻抗500hm,支持单端交流耦合输入; 3.采样频率范围:40.250MSPS,采用A/D转换芯片LTC2242.12;

4.ADC采样精度:12
5.量程:+1V ̄-1V; 6.时基&触发

bits;

软件可选时基:PLL,外部输入A或者B; PLL可以选择内部的14.4MHz晶振也可以选择外时钟经分频确定,参考频率为外 部源与分频比例系数确定(分频系数可选1、2、4、8和16); PLL参考时钟范围:10~25MHz,输出频率范围:31~700MHz;

外部触发输入:可使用外部输入或者软件触发(在自定义逻辑中可修改);
7.用户可编程器件FPGA:Virtex2 专用PCI.FPGA:Virtex 8.载板内存容量:
64MB DDR SDRAM:16M×32bits,主频150MHz,最小时钟频率为80MHz; 2MB ZBT SBSRAM:主频1 67MHz。
2 Pro Pro XC2VP40.5FFll52C;

XC2VP4,管理PCI端口。

9.外部输出接口:
1 5

2数据采集系统的硬件组成

硕士论文

64 bit,66

MHz,3V PCI数据传输口,数据传输率为512MB/s:
ofRocket

XMC端151:兼容VITA 42.0协议,支持4lanes UWB采集卡的实物图如图2.10所示。

io(每对线2 Gbps)。

图2.10 UWB数据采集卡实物图
2.3.3

UVCB的用户界面
UWB用户界面中有五个选项卡,对应着Configure、Setup、Stream、Zbt Test和

EPProm。数据采集过程中,主要设置前三个选项卡。所有选项卡共享同一个消息日志,
消息日志显示了整个程序运行时的消息和反馈。图2.11为消息日志界面。

Message log hb llevi ee 0p札ed Strem Co川aeetd+

htt∞,:):O

图2.11消息日志

数据采集时,先在Setup中设置各种参数;然后在Configure选项卡中加载接口驱

动程序;最后在Stream中运行或者停止采集。整个程序的结构如图2.12所示。
16

硕士论文

基于LabvIEw的高数数据采集系统的软硬件设计

板卡初始化一
』兰

j翌辑力口载.. 』上 开始数据采集一
』上

l停止数据采集.? 上土 数据处理“
图2.12 UWB的程序结构流程图
2.3.3.1

Configure选项卡

在该选项卡中,首先确定目标板,其序号由它在PCI总线的位置决定,并在运行中 保持不变。将采集卡移动到不同的PCI插槽时,目标板的识别将相应的改变。OpenBoards 操作包含目标板的识别、打开设备驱动并分配内存以及重置板卡。程序运行过程中,如

果板卡没有打开,则程序将自动打开板卡。
参数设置完成后,加载接VI驱动程序。Configure选项卡如图2.13所示。

0.Re','ision:c.Type:.1d

图2.13 UWB用户界面Configure选项卡
2.3.3.2

setup选项卡

该选项卡主要用于采集卡工作时的参数设定,包括时钟设置、采样通道设置和触发 方式的设置。 1.clock设置
Fpga Adc

Source选项:Fpga clock可选择外部时钟ExtA或ExtB。 Source选项:Adc clock可选择外部时钟ExtA,ExtB或者内部时钟PLL。

2数据采集系统的硬件组成

硕士论文

选择外部时钟ExtA,ExtB时,频率直接由External Reference确定;选择内部时钟 PLL时,PLL可选用自带晶振产生所需要的输出频率,也可选用外时钟经分频确定,参 考频率为外部源与分频比例系数确定(分频系数可选择1、2、4、8和16)。 2.采样通道设置
采样通道可选择通道0、通道l和双通道三种方式。

在这一栏中还可以设置采样数据的长度,并选择当采样长度达到后是否自动停止程
序的运行。 3.触发方式的设置

触发源可以选择软件触发和硬件触发。软件触发和硬件触发都支持两种模式:

unframed模式和framed模式。默认触发方式为软件触发的unframed模式。
图2.14为Setup选项卡界面。

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图2.14 UWB用户界面Setup选项卡
2.3.3.3

Stream选项卡
Scripts条,通过邻近的脚本浏览,设置启用或禁用该脚本。这一项主要用于

左上方的start和stop按钮控制开始或停止程序的运行。
Start

对硬件改造和测试。
Data

Files分别提供记录数据、绘制所记录数据和更新Bdd文件的选项。图2.15为

Stream选项卡界面。

硕士论文

基于LabVIEW的高数数据采集系统的软硬件设计

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图2.15 UWB用户界面Stream选项卡

2.3.4高速记录控制器
高速记录控制器使用intelS5000VSA服务器主板+四核主频为2.0Ghz的intel处理器 组成。S5000VSA采用intel5000V芯片组,外频支持667Mhz.1333MHz,采用了全缓冲

FB内存,支持FB.DIMM内存,最大能支持到16GB高速DDR2

533/667MHz DIMM内

存。主板提供6个增强SATA接口,支持RaidO、1、10,单个SATA II端口支持高达500GB
存储容量。该主板的主要参数为: 系统总线:1333MHz

硬盘接口:2个SATA接口,4个S删SAS接口
PCI

Express插槽:2×PCI.E,2 xPCI.X

PCI插槽:1xPCI 磁盘阵列类型:SATA

磁盘阵列模式:RAID

0,RAID 0+1,RAID 1,RAID 5

图2.1 6为intelS5000VSA服务器主板。

图2.16 intelS5000VSA服务器主板
19

2数据采集系统的硬件组成

硕士论文

2.3.4.1

SATA盘阵

SATA是由Intel、IBM、Dell、Maxtor、APT和Seagate公司共同提出的硬盘接口规 范,是一种基于行业标准的串行硬件驱动器接口,其全称是串行高级技术附件Serial
Advanced

TechnologyAttachment。2001年,SefiMATA委员会(由Intel、APT、Dell、IBM、
ATA

希捷、迈拓等几大厂商组成)正式确立了Sefial

1.0规范。并由Seagate在IDF

Fall

大会上宣布了Serial ATA 1.0标准,从而正式确立了SATA规范。

使用SATA(Serial ATA)口的硬盘又叫串口硬盘。它代表着未来计算机硬盘的发展趋 势。Sefifl ArA的主要优点有: 1.支持热插拔、结构简单,易于实现;
2.串行连接方式,并且将时钟信号嵌入了串行ATA总线中; 3.超强的检错功能,不仅能够对数据进行检查,还可以对传输指令进行检查;

4.自动纠错功能,为传输速度的可靠性提供了保障。 新型硬盘接口类型串口硬盘,其数据的串行传输方式是一种有别于并行ATA的硬 盘接口类型。其主要优点为串行方式传输数据效率高,其架构能减小复杂性、降低能耗、 提高数据传输率。因为串行方式数据传输一次只传送一位数据,对于降低SATA接口针 脚数、减少电缆连接数有明显帮助。因此利于效率的提高。
SefialATA具有能减小复杂性、降低能耗的架构,仅用用四支针脚连接电缆、连接 地线、发送数据和接收数据就能保证系统的正常运行。Sefial A1队1.0的数据传输效率能

达到150MB/s远远高于最快的并行ATA(NP ATA/133)的133MB/s。根据需要,Sefial ATA 2.0的数据传输率达到300MB/s,最终SATA将达到600MB/s。 SATA采用四芯接线的物理设计il 81,需求电压可低至250mV(最高500mV),与传统
并行A1队接口相比低20倍。就连接形式而言,不仅支持点对点的连接方式,还支持“星 形”连接,因此可以为RAID等应用的设计提供方便。实际应用中,SATA的主机总线

适配器(I-mA,Host Bus Adapter)可以保证每个SATA硬盘单独占用一个传输通道,也就 是说HBA的作用类似网络交换机,能够以通道的形式与每个单独的硬盘通讯,从而避 免了类似并行ATA中的主/从控制问题。
Sefial

ATA接线简单而且易于收放,Sefial ArA的接线方式能够明显改善机箱的气

流以及散热。SATA硬盘可以外置,外置式的机柜(JBOD)能够热插拔功能、保证散热功

能还能以多重连接的方式防止单点故障。另外,SATA的传输速度可以不依靠通道保证, 这为SATA技术在服务器和网络存储上的广泛应用奠定了基础。
2.3.4.2 RAID

RAIDtl9】是英文RedundantArray

oflndependent

Disks的缩写,中文简称为独立磁盘

冗余阵列。RAID就是一种由多块硬盘构成的冗余阵列。其原理是将多个磁盘以数组的
方式组合起来,起到超大容量磁盘的作用。在保证磁盘阵列存储容量的同时,RAID技
20

硕士论文

基于LabVIEW的高数数据采集系统的软硬件设计

术将数据以分条的方式分别存在组成磁盘阵列的不同磁盘中,提高磁盘存取的速率。该

技术使用同位检查的方法,在某一磁盘损坏或发生故障时,依靠强大的数据恢复功能, 仍可以保护存储的数据不受影响。 磁盘阵列【捌可以和计算机直接连接或着通过网络的方式和计算机机相连,相当于一 个独立系统。其具备多个不同的连接接口以满足不同计算机的需要。相同的计算机使用
不同接口连接,其传输速度是不同的。合理选择接口类型可以提高传输速度。

磁盘阵列内部一般都配置着一定容量的存储器,用于提高与计算机之间的交互速 度。其原理类似于计算机的集成缓存。在使用时,数据在计算机、阵列的缓存及组成阵 列的磁盘之间进行交互。 根据内部算法,磁盘阵列可以将常用的数据查找出来,并将其存入缓存,以提高计
算机对其的操作效率。在计算机需要对缓存中没有存储的数据进行操作时,该数据将直 接从磁盘上读取并传送到计算机。写入数据时,计算机先将其写入缓存,然后再由缓存 写入磁盘。

使用RAID技术创建磁盘阵列的优点主要有: 1.提高传输速率 磁盘阵列存取数据时,阵列中相关磁盘同时传输数据,即使用RAID技术可以将数 据吞吐量提升到单个硬盘的数倍甚至数十倍之多。RAID技术的出现解决硬盘传输速度
和硬盘容量两者之间发展速度不匹配造成的矛盾。 2.数据安全性高

RAID技术的一个特点就是它保留着数据数据冗余机制,这样大大地提高了数据的 安全性。在磁盘阵列中某一磁盘出现问题可以恢复数据,保证数据不丢失。不同级别的 RAID采用的数据冗余不同,大体可分为两类。 1)采用镜像技术,当磁盘发生故障时,可将数据完整地转移。 2)采用奇偶校验,在磁盘出错时,通过保存的冗余信息来恢复原数据。 RAID是一种工业标准,各厂商对RAID级别的定义也不尽相同。主要包含RAID O~
RAID

50等数个规范,它们的侧重点各不相同。目前对RAID级别的定义可以获得业界
1、RAID 2、RAID 3、RAID

广泛认同的有:RAID 0、RAID

4和RAID 5。不同级别的

RAID有着各自的特点,不代表着技术的高低。选择使用的RAID级别需要根据自己的
实际需求来决定。表2.2为不同级别RAID的特点。
表2.2不同级别RAID的特点 级别
RAID O

冗余类型 无冗余、无校验

特点 数据分散到各个磁盘存取,即多磁盘并行处理数据,存储性能最高。 安全性差,只要有磁盘发生故障则可能丢失数据。

RAID 1

镜像盘

以镜像盘实现数据冗余,可靠性高、性能高、但成本也高。
21

2数据采集系统的硬件组成

硕士论文

位交叉式海明编
RAID2

采用同轴共步技术,磁盘的存取以扇区为单位,在大型文件存取时, 该级别性能最好。适用于需连续存取大量数据的计算机。 需用额外的一个冗余盘来存储检验码。写入数据时需重写校验信息, 适合于写入操作较少,读取操作较多的环境。 数据以块(块大小可变)交叉的方式存于各盘,冗余的奇偶检验信息存

码阵列 位交叉奇偶校验
RAID 3

盘阵列 专用奇偶检验独
RAID4

立存取阵列 改,冗余盘容易成为瓶颈。 冗余的奇偶检验信息与数据信息一样,交叉的存于各盘。减轻了 块交叉的分布奇
RAID 5 RAID

放在一个专用盘上。每次写操作都要对冗余盘中的检验信息进行修

4中冗余盘成为写操作瓶颈的问题。适用最为广泛,结构比较

偶校验阵列 复杂。

2.3.4.3

RAID的组建

RAID的组建有两种方式:硬RAID方式,即使用RAID控制器组建RAID;软RAID 方式,即用程序直接创建RAID。本系统以HighPoint RocketRAID 2320为载体,采用硬 RAID方式组建RAID0磁盘阵列。 硬RAID方式需要RAID控制器(RAID卡)才可以实现,近年来,随着技术的发展
和产品成本的不断下降,SATA硬盘的性能有了很大提升,加上RAID芯片的普及,使 得RAID技术也应用到SATA硬盘上。
HighP0int RocketRAID 2320
PCI Express SATA

II磁盘阵列卡使用了最新的

PCI.Express互相连结科技,是高效能的运算解决方案。RocketRAID 2320的数据传输高 效且稳定,并且支持高效能运算,高阶工作平台以及企业级存贮服务器环境所需的重要
功能。
HighPoint

2320可支持8颗内接硬盘,结合了Serial ATA的高效能存贮连结性和

HighPoint高阶磁盘阵列功能,如联机容量扩充,联机磁盘阵列层级更换等,通过 HighPoint磁盘阵列管理,可发挥出最大效能。图2.17为RocketRAID 2320,图2.18为
本系统通过RocketRAID 2320组建的8×500GB磁盘阵列。

硕士论文

基于LabVIEW的高数数据采集系统的软硬件设计

图2.1 7

HighPoint RocketRAID 2320

图2.18 8×500GB磁盘阵列
2.3.5

32路数字I/O卡 系统的数字I/O以研华公司的PCI.1730实现,其主要技术指标为:
1.32路隔离DIO通道(16路输入和16路输出); A、隔离数字量输入: 输入通道:16路/组 中断输入(IDl0,IDll,D10,D11) 中断级(2.7) 输入电压:5.30VDC 输入阻抗:2.7KQ@1W 光隔离:2500VDC B、隔离数字量输出: 输出通道:16路/组 输出电压:5.40VDC 输入阻抗:2.7KQ@1W

2数据采集系统的硬件组成

硕士论文

光隔离:2500VDC 2.32路TTL电平DIO通道(16路输入和16路输出); 3.高输出驱动能力;
4.中断能力; 5.2个用于隔离数字量IO通道的20针接口,2个用于TTL数字量IO通道的20

针接口;用于隔离输入和输出通道的D型接口。 PCI.1730实物如图2.19所示:

图2.19 32路数字I/O卡
2.3.6

PCI和PCI.E总线 系统主要采用PCI和PCI.E总线架构,PCI Express同时提供了双向传输和资料串

连,并且满足了数据采集系统在数据传输时对速度的要求。每个PCI Express扩充槽都 有数个通道,提供了极好的扩充空间。
2.3.5.1

PCI总线

自1992年PCI总线标准发布以来,PCI总线以其高的数据传输率、低成本迅速流 行,并以其卓越的性能成为行业标准。PCI即Peripheral
Component

Interco衄ect【241,意

为外设互连标准,它的出现,使计算机可以同时支持多种不同的外部设备。PCI总线独 立于CPU,可采用DMA方式与外部设备进行数据交互,提高了数据传输的效率。与以 往的总线相比,PCI的优势有: 1.高速性

随着科学技术的发展,外部设备对总线数据传输率的要求日益提高,PCI总线技术 也的得到不断地发展和完善。总线速度从最初的33MHz提升到了133MHz,相应带宽
从133MB/s突破至1066MB/s。表2.3为PCI总线的发展。

24

硕士论文

基于LabVIEW的高数数据采集系统的软硬件设计

表2.3 PCI总线的发展 总线宽度(BiD
32 32 64 64 64

时钟频率(MI-Iz)
33 66 33 66 133

带宽(MB/s)
133 266 266 533 1066

2.即插即用性

随着计算机功能的不断增加,计算机所能支持的外设也越来越多,其硬件资源是有
限的。PCI板卡的硬件资源由处理器按需分配,自动配置,基本解决了多种不同的板卡 同时使用造成的资源冲突问题,达到即插即用的效果。 3.扩展性好

PCI总线良好的扩展性体现在多级PCI总线可以并行工作。同时,由于PCI总线是 独立于处理器的,在连接多种外设时,可以不受系统时钟频率的影响,容纳更多的外部 设备。此外,PCI总线还具有良好的兼容性,与之前的总线标准可以完全兼容,给用户
的使用带来极大的便利。 4.多路复用 PCI总线采用地址数据多路复用功能,减少了元件和引脚的数量。既提高了相应技

术开发的效率,又降低了成本。 5.总线主控 PCI总线支持总线主控技术,使PCI设备可以直接控制总线,完成优先级高的任务,
降低了数据存取的延迟。 6.使用范围广 PCI成为行业总线标准已有十余年,其总线技术成熟稳定,目前,几乎所有的计算

机都配置有PCI插槽。
2.3.5.2

PCI.E总线

PCI

Express,简称PCI.Et28】【32】,是最新的总线和接口标准,它原来的名称为“3GIO”,

是由intel提出的,交由PCI.SIG(PCI特殊兴趣组织)认证发布后才改名为“PCI.Express”。 这个新标准全面取代现行的PCI和AGP,最终实现总线标准的统一。
PCI

Express采用点到点串行方式,每一个PCI.E设备都有着专属的数据通道,可

以直接访问总线,得到很高的数据传输速率。这区别PCI总线上所有设备共享带宽,同

时也是PCI-E优于PCI的地方。PCI.E还支持数据的双向传输,即在发送数据的同时可 以接受数据,提高了数据传输速率。PCI.E的出现满足了高频CPU、高速存储器、超大
容量磁盘阵列等高宽带设备对带宽的需求。

2数据采集系统的硬件组成

硕士论文

高速数据采集系统要求总线具备足够的带宽以确保采集到的数据能及时传输至内 存从而保证数据的完整性。相对于PCI总线,PCI.E总线在带宽上有了很大的提升,数
据传输速率更快。
PCI

Express是一个多层协议,处于底层的是物理层。物理层提供1、2、4、8、16、

32个通道的链接,每一个链接可以称为一个信道。两个PCI Express设备通过信道以数

据包的形式进行双向传输。单信道的数据传输率为500MB/s。信道越多,数据传输率越
快,PCI Expressl6X的数据传输率已达到8G/s,接近了铜缆信号的极限。表2.4为PCI

Express和以往各种接口的数据传输率对比。
表2.4 PCI.E和其他接口的数据传输率对比
总线类型
ISA

数据传输率
8.33MB/S 133M[B/S 133MB/S 133MB/S 266MB/S 533MB/S 1.066GB/S
2.133GB/S

EISA

VISA

PCI

AGP

AGP.2X

AGP.4X

AGP.8X

PCI ExpresslX(双通道)

500MB/S
lGB/S

PCI Express2X(双通道1

PCI

Express4X(双通道)

2GB/S

PCI Express8X(双通道)

4GB/S

PCI Expressl6X(刃2通道1

8GB/S

PCI

Express是在PCI总线的基础改进并发展起来的,虽然PCI Express总线的点对

点串行方式完全不同PCI总线的并行方式,PCI Express仍然保留着PCI总线的一些优 点和特点。如软件接口、驱动程序模型、存储结构等均没有改动。

硕士论文

基于LabVIEW的高数数据采集系统的软硬件设计

3数据采集系统的软件设计
3.1

LabVIEW简介
LabVIEW(Laboratory
Virtual Instrument Engineering

WorkBench)是NI公司推出的一

款虚拟仪器开发平台,同时还是一种非常优秀的图形化编程语言。LabVIEW首先提出 虚拟仪器的概念,其程序VI(Virtual Instrument)EP为虚拟仪器。 LabVIEW以图形化编程方式代替传统的文本编程方式。LabVIEW的编程环境分为 前面板和程序框图两部分。前面板摆放各种输入输出控件,用于用户操作。LabVIEW
提供大量控件,包括OS定义的各类标准的输入控件和显示控件,以及工程设计中常见

的控件。很多控件在外形上与现实中的仪器仪表类似,LabVIEW还提供用户自定义控
件功能,可以满足用户不同的需要,搭建出满意的用户界面。图3.1为工程类输入和显 示控件。

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图3.1工程类输入和显不控件

LabVIEW程序框图用于用户编写程序。程序框图上的对象可分为两类:节点和数 据线。数据线也就是程序框图中的连线,它代表着数据流向,控制着程序的基本执行顺
序。除去数据线,剩下的对象统称为节点。 LabVIEW是一款功能强大,使用方便的软件。除了常见的和经典的数学函数和信 号处理函数,它提供了专门为工程师和科学家创建的数以千计的高级分析函数。并且在 LabVIEW帮助文档中,所有的函数都附有详细说明。用户可以很方便地进行行先进的 信号处理,如频率分析、概率与统计、曲线拟合、插值和数字信号处理等等。LabVIEW

还提供数千个免费的仪器驱动程序,几乎适合各类仪器。LabVIEW可无缝连接多种硬
件平台和多类仪器,范围从数据采集设备到现场可编程门阵歹qJ(FPGA),帮助用户更快 更灵活地解决各类问题。图3.2为LabVIEW支持的硬件目标。
27

3数据采集系统的软件设计

硕士论文

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图3.2 LabVIEW支持的硬件目标

LabVIEW应用范围很广,经过数十年的努力,其应用领域从最初的测试测量发展
到数据采集和信号处理领域、仪器控制领域、自动化测试与验证系统领域、嵌入式检测 和控制领域以及院校教学和科研领域。几乎涵盖了工业生产生产和自动化测控的方方面 面。

在数据采集和信号处理领域:使用LabVIEW内置的Express功能函数和范例程序 搭建整个数据采集系统,可以节省大约80%的开发时间。针对工程所建立的用户界面元 素可以与数据采集和数据分析直接协同工作。LabVIEW广泛的信号处理函数库使数据
分析和处理变得简单。 在仪器控制领域:仪器驱动程序网络(IDNet)社区提供几乎适合各类仪器LabVIEW

仪器驱动程序。借助一致的驱动API,用户无需学习针对各类仪器的底层仪器命令。
LabVIEW仪器驱动查找器(LabVIEW
Instrument Driver

Finder)使用户可以快速安装所

需要的仪器驱动。LabVIEW直观的图形化程序更易于用户理解和开发仪器开发程序。
在自动化测试与验证系统领域:LabVIEW可与目前最流行的测试管理软件NI TestStand完美结合。即通过LabVIEW,可以很方便地创建代码模版,使用测试管理软 件顺序执行代码,生成报告,并将结果记录到数据库中。 在嵌入式检测和控制领域:LabVIEW能够将包含嵌入式系统中所有基本模块的多

个嵌入式系统平台(包括:NI

Single.Board

RIO和NI CompactRIO)作为目标。该控制器

具有一个运行实时操作系统的32位处理器。背板包含的现场可编程门阵歹fJ(FPGA),可 执行高速处理。FPGA还能够为包含模拟输入与输出、数字输入与输出、计数器/定时器 等功能的I/O模块,配置并提供接口。每个模块都包括:与传感器和激励器的直接连接, 以及内置的信号调理与隔离。无需复杂的自定义硬件设计,该灵活平台即可根据用户的
28

硕士论文

基于LabVIEW的高数数据采集系统的软硬件设计

嵌入式系统提供各类电源——具有商用现成硬件集成和现成易用性的定制电源。 在院校教学和科研领域:通过LabVIEW,用户可以借助直观的数据流编程来处理 复杂问题、集成各类硬件,并将仿真数据与测得信号进行比较。这样,学生可以花较少
的时间在学习工具上,从而有更多的时间来研究各种概念、通过实际应用来学习理论、 应用设计模型。

3.2界面设计
3.2.1系统结构与界面
一般基于LabVIEW数据采集系统的构成如图3.3所示:

图3.3基于LabVIEW的数据采集系统框图

在数据采集之前,程序将对采集板卡初始化,板卡上和内存中的Buffer是数据采集
存储的中间中间环节。 本设计中,用LabVIEW编写的界面如图3.4所示:

高速数据采集系统

t鲁文*:^




叠i碡囊植。I:、
}::_奄

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,。.





“,疆1011

薯毫进圭:量
……一

嘴取蠢:jo

撇《r■

诚…-i1-1:.嵩.≤豪?;激卜~
抽柏O
6∞。蠢∞址

图3.4 LabVIEW用户界面
29

3数据采集系统的软件设计

硕士论文

整个程序设计采用循环事件结构,即在事件结构外面套~个while循环结构,在程 序运行的过程中不断处理各种事件,以满足不同的需求,实现不同的功能。界面设计选 择波形图表作为数据显示的工具,将采集到的数据以逐点读出的方式显示。
3.2.2

LabVIEW事件结构
使用LabVIEW图形化语言开发的应用程序界面是图形化用户操作界面,也称为:

GUI(graphical user interface),它的作用是与操作者实现人机对话形式的互动操作。这种 对界面操作的互动响应在LabVIEW 6.1发布之前,只能通过“轮询(polling)”的方式来 实现。轮询的方式的缺点是:需占用一定的CPU资源(在没有事件发生时)和灵活性不好。 事件结构(Event Structure)是一个功能非常强大的编程工具,可用于编写等待事件发生的 高效代码,代替循环检查事件是否发生的低效代码。在LabVIEW6.1引入事件结构(Event Structure)后,采用事件结构来设计、实现的GUI操作则变得更加灵活、方便,并且不 占用CPU的资源。未经任何设置的事件结构如图3.5所示。

囝砸霸顶圉

图3.5 LabVIEW事件结构

事件结构包括一个或者多个子程序框图,或事件分支。结构执行时,仅有一个子程 序框图或分支在执行。事件结构将等待直至某一事件发生,并执行相应条件分支从而处 理该事件。 子框图标识框:显示了当前所编辑的事件。在事件结构中,一般是利用一个循环等 待事件发生,然后根据为这个事件编辑的程序对该事件进行响应。事件的编辑对话框如 图3.6所示:

30

硕士论文

基于LabvIEW的高数数据采集系统的软硬件设计

曩盛盈——■—■■_。型兰面碗酹 盛bl釜l!趔‰郴
事件蜕孵符
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窗掊 亩椿 下下复蔓敲 控件





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镇定n面艇c延迟=姓理n礅的用户撩作)I至事件分支晃成

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建. . .鼠. . . 拖快值

黑瑟 蒜篡≯器,~
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[丑[匦][耍]

图3.6编辑事件对话框

编辑事件时,首先要在“事件源”列表框中选择一个事件源;再在“事件"列表框 中选择该事件所产生的需要被处理的事件。LabVIEW程序中的事件源可以分为6大类: 1.应用程序 应用程序事件主要反映整个应用程序状态的变化,如程序是否关闭、是否超时等。 事件结构中的默认事件“超时”就属于应用程序事件。如果不连接任何数据给它,它的 默认值是“.1”,代表“永不超时”。在程序中可以传入一个表示毫秒的数值(n)给超时接 线端,则每隔n秒,在没有触发任何事件时,事件结构将自动运行超时处理分支中的代 码。 2.<本VI> 本VI事件反映当前VI状态的改变,如当前VI前面板的大小是否被调整、是否选 择了菜单中的某一项等。 3.动态 动态事件用于处理用户自己定义的或在程序中临时注册的事件。 4.窗格 窗格事件包括与某一窗格有关的事件,如鼠标进入/离开窗格。 5.分隔栏 分割栏事件包括与分隔栏相关的事件,如鼠标拖动分割栏等。 6.控件 控件事件包括与界面上控件相关的所有事情。如控件的值被改变,这是最常被处理 的一类事情。 事件数据节点:用于访问事件的数据值。把光标放在节点位置上,上下拖动可以缩

3数据采集系统的软件设计

硕士论文

放事件数据节点显示多个事件数据项。在该节点上左键右键单击,在弹出的菜单中可以
选择访问的事件数据成员。
3.2.3

LabVIEW与采集系统的链接 LabVIEW虽然功能强大,但是任何应用程序开发平台都有其自身的缺陷和不足。

编程人员在开发一些应用程序时,往往需要综合应用不同软件开发平台的功能,才能使 项目更加完善。作为一个好的软件开发环境,也必然具备与其他应用程序通信的功能及 必要的开发工具。LabVIEW与其他应用程序的链接,主要通过如下几种方式实现的。
1.调用动态链接库。动态链接库,英文是Dynamic
Link

Library,缩写为DLL。

2..NET技术的应用,.NET Framework是微软提供的一套软件开发平台,市面上

有大量的基于.NTE架构的控件和服务供用户选择。在LabVIEW中可以很方便地使用 这些控件和服务。 3.使用ActiveX控件,ActiveX控件一般是指基于标准COM接口来实现对象连接
与嵌入的Active控件。 4..EXE,借助System
Exec

VI,即执行系统命令VI。可以在LabVIEW程序中调

用另一个应用程序。这个VI通过命令行的方式打开LabVIEW之外的某个应用程序。 图3.7为System
Exec

VI在LabVIEW中的位置,图3.8为该VI使用说明。
o函数
互连播n

q搜索


皆鹣套;执行德序旃’ 圈 等 {I画l
,—o E丁j w“服务 调用库函数

B兰!到 执行系统命令

m。:聂

I=量 口蝴

…”‘≥……”…… 一 Wi。蠢。建

图3.7

System Exec

VI命令的位置

执行j;线命令 【C:、...n加lO、vi.1讣、rhtf?r-、syst_.Ul、SFtt-hec.vi】

≮豇}一:一“~————一
等待直到结束?0)


篙焉垂熏糍
工作目录一r—虻:_一jL返回代码
图3.8
System Exec

谙误输入(无错误)一。砷错误输出
最小化运行?口)一 执行系统命令.执行系统命令vI可从vI内部执行或启动萁它基于Windovs的 应用程序或Linnx命令行应用程序。通过该Ⅱ执行的系统强命令行可包台需 要启动的应用程序支持的任何参数.

VI命令

本文采用第四种方式,在LabVIEW中启动UWB数据采集卡的控制程序 (UwbSnap.exe),进行参数配置、数据采集等操作。具体的程序图3.9所示:

32

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基于LabVIEW的高数数据采集系统的软硬件设计

图3.9数据采集程序的启动

图3.9中,数据采集控件对应前面板的采集按钮,当采集按钮被按下时,数据采集 的值发生改变,程序将执行“数据采集"值改变这一事件对应的程序,打开UwbSnap.exe 程序。
3.2.4

LabVIEW文件操作
在LabVIEW程序设计中,常常需要调用外部文件数据,同时也需要将程序产生的

结果数据保存至外部文件中,这些都需要进行文件的I/O操作。LabVIEW主要使用文 件I/O操作和外部数据进行交互。 LabVIEW在进行文件的I/O操作时,读写的文件格式决定了文件I/O格式。常见的 文件格式有三种:文本文件、二进制文件和数据记录文件。使用时可根据实际需要,如 采集后存储的或者用户创建的数据类型以及调用这些数据的程序等,确定采用的哪种格 式。 (1)文本文件 文本文件最大的优势就是使用简单,应用面广,且便于共享。文本文件打开后可以 直接阅读,几乎所有的计算机都支持文本文件,基于文本的应用程序也有很多,这给用 户使用文本文件创造了极为便利的条件。 文本文件的缺点也很明显。使用文本文件时会占用较大的磁盘空间,文件读写的速 度慢,效率低下。在一些实际的应用中,不需要考虑上述因素。如记录某程序的配置信 息或某个实验的结论时,这些文件的数据量均不大,并经常需要打开阅读,使用文本文 件保存无疑是最佳的选择。在存储一些大容量的数据时,出于存储速度和存储空间的考 虑,则应该优先选择二进制文件格式。 (2)二进制文件 区别于可以直接阅读的文本文件,二进制文件是人们无法直接读懂的一种文件格 式,必须使用相应的应用程序或机器读取。二进制文件格式非常适合于数据的存储和读 取。其格式紧凑,相比较文本文而言,可以节省大量的磁盘空间。二进制文件格式采用
3气

3数据采集系统的软件设计

硕士论文

ASCII码字节流,使用时无需进行文本和数据的转化就可以被机器直接识别,读取速度
极快,效率更高。 二进制文件的另一个优势在于通过应用程序可以随机地读取或访问文件的任意数

据。二进制文件有着许多不同的数据类型,为了正确地使用二进制文件格式,必须知道 需要存储或读取的数据类型。 (3)数据记录文件 类似于数据库文件,数据记录文件以记录序列的方式存放数据,一个记录为一行。
使用数据记录文件时,每个记录的数据类型必须相同。每个记录一般都是一个簇,即每 个记录都可以存放几种不同的数据类型。

LabVIEW文件I/O函数库如图3.10所示。
七:文件I,o 七:高级文件函数

固 固 画 圆
j司!
面面一

图画匝
圆 画 圈 存储乃藏件

高级文件函数

国 困

国 圈 困 圈
宇符

回 国 国 囤
路径至字符


困 囤


团 画 喁’{



画‘f.回]
图’}




差Ⅱ



五四匾马 字符串数蛆

圆 陟 引用铖至.路径类型

亘型。赢 画一囹一

1lj问]lI魏



获取

函麟圈~





跚趱查文件生成临时文

邕 隧| ,戥l 移l 痢聪瀛

图3.10 LabVIEW文件I/O函数库

本文使用的文件I/O函数介绍如下:
1.Open/Create/Replace File
打开,创建,警换文件
[Op目a/Crette/llepltee File]

提示——一 文件路径(使用对话榧)———^:]—一引用句柄输出

#陧西孳三姜。羔竺j:晤=L菩崆嚣霎输出
错误输入一
纂霞差事口j一

通过程序或使用文件对话框交互式打开现有文件,创建新文 件或替换现有文件.该函数不可用于L工0中的文件.

图3.1

1 Open/Create/Replace File

图3.1 1中,操作是要进行的操作。数字0.5代表的含义如表3.1所示。

O 1 2 3
34

open(默认)——打开已经存在的文件。如找不到文件,则发生错误7。

Replace一通过打开文件并将文件结尾设置为0替换已存在文件。

Create一创建新文件。如文件已存在,则发生错误10。 create一打开已有文件,如文件不存在则创建新文件。
open
or

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基于LabVIEW的高数数据采集系统的软硬件设计



replace

or

create_——创建新文件,如文件已存在则替换该文件。Ⅵ
create with

通过打开文件并将文件结尾设置为0替换文件。
replace
or

connrmation——创建新文件,如文件已存且



拥有权限则替换该文件。Ⅵ通过打开文件并将文件结尾设置为0替
换文件。

权限指定访问文件的方式。默认值为read/write。可选设置如下表3.2所示:
表3.2访问文件的方式

2.Get File Position
获取文件位置 [Get lrile 1%xiti on】

引用句柄——1鬲—卜一引用甸柄{i5出 L偏移量(字节)
…~、 It-土I
返回相对于文件起点并Sgl用句柄指定的当前 文件标记的位置.

错误输入迅≮茗蒜兰刊¨
图3.12 Get File Posion
设置文件位置 【Set lile rositi?n】

3.Set File Position

撇‘幕撩:髓旦L错黼出 自(o起始)-J■L扣馆尉”击
错误输入—:

引用句柄———蜀_-}一引用甸炳输出

依据自的梗式.使引用句柄指定的文件的当前文件标记 的位置移动至信芬量(字节)指定的位置。

图3.13

Set File Position

自和偏移量(字节)用于指定设置文件标记的位置。如连线偏移量(字节),自为默认
值0,则偏移量相对于文件的起始位置。如没有连线偏移量(字节),且偏移量(字节)的默 认值为0,自的默认值为2,则操作从当前的文件标记处开始。白的代码如表3.3所示:
表3.3自的代码及内容


Stan——在文件起始处设置文件标记偏移量(字节)字节。如自为0,
偏移量(字节)应为正数或0,在文件起始处设置文件标记。

1 2

End——在文件末尾处设置文件标记偏移量(字节)字节。如自为1,
偏移量(字节)应为负数或0,在文件结尾处设置文件标记。

Cu丌ent——在当前文件标记处设置文件标记偏移量(字节)字节。

4.Read from Binary File

3数据采集系统的软件设计

硕士论文

读取二进铡文件
[Reed
fro-Biwk.ry

File]

从又件中凛般二进{f;9毅括,正数蛋中迮刨.诿般数据自勺万式由j目定文件 的格式确定.该函数不可用于uj中的文件.

图3.14

Read from Binary File

总数(1)是要读取的数据元素的数量。数据元素可以是数据类型的字节或实例。函 数可在数据中返回总数个数据元素,如到达文件结尾,函数可返回已经读取的全部完整 数据元素和文件结尾错误。默认状态下,函数返回单个数据元素。如总数为.1,函数可

读取整个文件。如总数小于一1,函数可返回错误。 字节顺序设置结果数据的endian形式。字节顺序,或endian形式,表明在内存中 整数是否按照从最高有效字节到最低有效字节的形式表示,或者相反。函数必须按照数
据写入的字节顺序读取数据。字节顺序的设置如表3.4所示:

表3.4字节顺序的设置
0 big?endian,network

order(默认)——最高有效字节占据最低的内存地址。

(Mac
1 2

OS

X)读取其它平台上写入的数据时使用该格式。

native,host

littIe-endian——最低有效字节占据最低的内存地址。该方式用于Windows
和Linux。

order一使用主机的字节顺序格式。该方式可提高读取写速度。

5.Get File Size 获取文件大小
[6et File Si ze】

谱误输入一,些£.三奁袭辐引
获取文件的大小。该函数不可用于uB中的
文件。

文件——吖鬲—卜一引用句柄输出

图3.15 Get File Size函数 6.Close File 关闭文件
[Cloxe File】

引用句柄——俑——路径

错误输入…×d!l一一谱误输出

关闭引用句炳指定的打开文件,并返 回至引用甸柄相关文件的路径。

图3.16CloseFile函数

36

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3.2.5

LabVIEW波形图表
本文选择波形图表作为显示数据的控件。波形图表【33】【34】是显示一条或多条曲线的

特殊数值显示控件,一般用于显示以恒定速率采集到的数据。波形图表会保留来源于此

前更新的历史数据,又称缓冲区。当数据超过缓冲区的大小时,最早的数据将被舍弃, 相当于一个先进先出的队列。波形图表的默认图表历史长度为1024个数据点。右键单 击图表,从快捷菜单中选择图表历史长度可配置缓冲区大小,如图3.17所示。

[妇[困[正
图3.17设置波形图表的历史缓冲区

‘1024



波形图表自带的波形缩放工具如图3.18所示。

圈匿早 豳?_}-一幸一


●叫件

图3.18波形缩放工具

图3.19中,第二排第一个工具用于显示当前波形图表里己读取且保留的所有数据。 第一排第二个工具为横轴放大工具,选择此工具,再在波形图表上用鼠标选择一块区域,

则波形图表当前的界面中将只有选中的区域。 波形图表提供三种刷新模式:带状图表、示波器图表和扫描图表。三种刷新模式如
图3.19所示。

匿匝
图3.19波形图表的刷新模式

本文选用第二种模式,即示波器图表。它的显示方式为:图表每接收到一个新的数 据,就显示在图线的右边缘,当图线画至右边界时,就擦除这段图线,在从左边界开始 描绘新的一条图线。
37

3数据采集系统的软件设计

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3.2.6数据显示程序
本文中,数据采集系统存储在磁盘阵列中的数据为二进制文件。数据的读取、显示 设计为:在循环之前放置打开创建/替换文件函数,在循环内部放置读函数,在循环之 后放置关闭文件函数,此时只有读操作在循环内部进行,从而避免了重复打开、关闭文 件的系统占用。 数据显示的程序如图3.20所示:

图3.20数据显示程序

图3.20中,Read from

Binary

File函数的数据输出端输出的数据类型为16位的无符

号双字节整型。波形图表的输入需要的这个16位整型对应的浮点数。使用LabVIEW提 供的数据类型转换不能得到预期的结果。16位无符号双字节整型转换为双精度的浮点 数的程序如图3.21所示。本文把该转换程序创建成一个子VI,然后再调用。

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基于LabVIEW的高数数据采集系统的软硬件设计

蚕一B》

墨—趁…莎1
豇同一—嗲>

西陟

雹也一睁

驴罨一.陟

图3.2116位无符号双字节整型转换为双精度的浮点数

3.2.7其他部分程序
1.波形图表中数值的显示 波形图提供游标工具,当鼠标在波形图内移动时,游标会自动显示鼠标所在位置的 坐标。波形图表不提供游标,不能直接显示出鼠标所在位置的坐标。本文通过鼠标在波

形图表中移动这一事件,在事件结构中,使用波形图表的属性节点编程实现了鼠标移动 时Y标尺数值的显示,程序如图3.23所示。同样地,实现了波形图表当前显示样本数
的统计,程序如图3.24所示。图3.22为波形图表属性节点的创建方法。
禁用 n-I见 闪烁 数据螂定 说明 提示框 同步显示 显示控件 选中键蛳定 值



值儋号)
DataSocket XContr01 卜 卜

标尺图例 绘图区域边界 绘图区域 活动x标尺 活动Y标尺 选板 转置数蛆 自动调整标尺延迟 x标尺 x滚动条可见 Y标尺



-.







图3.22波形图表属性节点的创建

39

3数据采集系统的软件设计

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图3.23显示鼠标所在位置的波形图表数值程序

臣堕翌巫至习
波形图表

L.=:’.:二2l
波形图表

当前样本数

13>一~…~一冱疆卜——毒蘑鬟|I 。!羔童羔

罡竺竺量}

图3.24当前样本数的显示程序

图3.23所示程序除了要创建属性节点外,还需要用到事件结构的数据节点——坐
标。将坐标按名称解除捆绑可得到horizontal(水平)和vertical(垂直)两个量。同理,波形

图表的属性节点1lot

bounds(绘图区域边界)也需分解为left、right、top、boaom四

个量参与计算。 2.数据显示和暂停控制程序
此程序对应界面的“显示”按钮,该按钮有两种状态,“显示”和“暂停”,对应 着数据的“读取”和“暂停读取”两种状态。在程序运行期间,按下该按钮,则会改变 当前状态。程序如图3.25所示。

图3.25数据显示和暂停控制程序

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基于LabVIEW的高数数据采集系统的软硬件设计

3.读取速度的控制程序 此程序用于控制数据读取的速度,其基本原理为:改变事件结构的超时时间可以改 变超时事件对应程序的执行速度。当超时时间为.1时,程序永不超时,则程序运行的时 间间隔为lms。改变读取的速度的值,再将这个值赋给超时时间,相应地,程序运行的

时间间隔发生改变,就达到了控制数据读取速度的目的。本功能的实现方法如图3.26
所示。

图3.26读取速度控制程序

4.文件读取起始位置设置程序 读取位置是相对文件大小而言的。此程序用于选择数据读取的位置。程序如图3.27 所示。

图3.27设置文件的读取位置程序

5.选择新的数据文件程序 此程序用于在程序运行期间直接打开新的数据文件。程序图如图3.28所示。

41

3数据采集系统的软件设计

硕士论文

图3.28打开新的数据文件程序

图3.28中,在实际使用时,文件操作函数的错误输入及错误输出端应按顺序连接 起来,并与循环外文件操作函数的错误处理端连接在一起,其连接可参照图3.21所示。

42

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4数据采集系统的联试联调 4.1毫米波脉冲雷达信号采集
样机选用课题组自主研发的一款毫米波脉冲调制雷达,其基本原理和一般的脉冲雷 达相同,即由发射机发射脉冲调制的毫米波信号,再由接收机接收目标反射回来的回波
脉冲信号。测出从发射脉冲到接收回波信号之间的时间f,就可以确定雷达和目标之间 的距离尺,即

R:竺


4.1

式中,C为电磁波在空气中的传播速度。 图4.1为样机以对面大楼群为目标发射信号。

图4.1样机工作场景

43

4数据采集系统的联试联调

硕士论文

图4,2样机连接采集系统

4.2测试结果分析
毫米波脉冲雷达工作时,测距工作信号的示波器显示如图4.3所示。

髓k

』L
—-

●Stop

M Pos:2。880JJs

CURSOR

类型
、一…“圃图
信源
回雹

}光标.1|
【6.S2JJs|

f-520mV|



}、1 1。OOJ.,s 22-Jan-1 3 1 5:36

图4.3雷达回波信号的示波器显示

在图4.3中,5个目标信号对应着样机正前方的5个目标。并可以读出: At=6.520伊
4.2

硕士论文

基于LabVIEW的高数数据采集系统的软硬件设计

0- _01? .o 2?
-0

3-

.o‘.—_
呻K’rV23’



一.泸-∥一U
图4.5两刷期放大图

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二j=三二:二二=■———————————————一墨a豳I

l南

时间f可以由基准信号和目标回波信号之间的采样点数Ⅳ确定,计算雷达与目标之

间的距离R的具体步骤为:
1.使用波形图表的缩放工具将基准信号的波峰和目标回波的波峰分别显示在波形

图表当前界面的起始点和终点,界面中当前样本数显示的数值就是基准信号波峰与回波
信号之间的采样点数Ⅳ,即该采样点数Ⅳ为当前波形图表横坐标起始坐标与终点坐标 的差值。图4.6和图4.7为最远目标信号和最近目标信号分别与基准信号的显示。

45

4数据采集系统的联试联调

硕士论文

手◆魁一 k。。。二。胁


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图4.6最远目标信号与基准信号之间样本点数的计算

~+十,__。^tJ●—●^’r。●、,。
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——~了甄i函 __-____#目kg《■■●_■■■-柙

图4.7最近目标信号与基准信号之间样本点数的计算

2.时间r、采样点数Ⅳ、采样频率/的关系为:
Ⅳ一1 f=——

4.3

{ 3.将式4.2代入式4.1即可求出雷达与目标之间的距离R。

尺:—c(N—-1)
2{ 采集时,UWB消息日志显示如下:

4.4

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U.b Devi

ce

Opened...

Stre锄Cortnected...
P篁rxing 1Jwb:舳logi c file P盯se completed ok Load completea ok Software tri gger fired Analog I/0 st型rted
Strewn Mode Packet

st盯ted
rate.o

Actual sampling

122.4

MKz

si:re:256 s鲫ples Jhalog I/0 Stopped

图4.8采集系统工作时的消思日志

从图4.8中可以得出,实际采样频率为122.4MHz。因为UWB采集卡为双通道共 用一个ADC采样,所以对样机回波信号采集的采样频率厂为:



厂:—122—.4:61.2MHz


4.5

波形图表的一周期显示如图4.9所示。
:r*。



.-一………

~一~

图4.9回波信号波形的一周期显示

从图4.9可知:
N=400 4.6

由式4.3、式4.5、式4.6可得波形图表显示波形的周期丁。
T=6.5196ps
4.7

由式4.2和式4.7可计算回波信号周期的误差f。

47

4数据采集系统的联试联调

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f:—At-—T:O.006%4.8




式4.8表明,采集系统可以很好地保留雷达工作信号的时间特性。 设图4.9中的5个目标信号从左往右分别为目标1、2、3、4、5。由式4.4可 以计算出目标距离样机的距离R。表4.1为五个目标对应的与样机之间的距离。
表4.1目标距样机的距离 目标
1 2 3 4 5

采样点数N
82 99 131 168 267

距样机的距离(m)
198.53 240.20 318.63 409.31 651.96

由式4.8和表4.1可知,本文研究的数据采集系统在实际中是可用的,即本系 统具有实用性。

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5总结与展望
通过对数据采集系统的联试联调,初步验证了该系统的实用性,基本达到预期
的目的。系统采用了服务器级主板intel S5000VSA搭配四核intel处理器作为系统 的控制记录器,为系统提供了良好地数据处理能力和数据传输能力。UWB数据采 集卡提供了完整的使用例程,大大地简化了系统软件开发的时间;其高达250 MSPS 的采样率及12bit的采样精度基本满足了课题组在毫米波雷达实验中的需求。系统

利用磁盘阵列技术提供4TB的存储容量,为课题组的大型实验提供极大的便利。
针对数据采集系统的实际需求,以LabVIEW完成系统用户界面的编写。采 用.net技术直接调用Innovative Integration公司提供的采集卡使用例程,并初步完成 了采集数据的调用、显示、随机读取等功能设计。针对数据采集数据存储的特点, 编程实现了U16数据类型到DBL数据类型的转换,从而可以直接显示出采集的物 理量信息。实验结果是比较理想的。 本系统还有着很大地开发空间,以上所做的工作只是初步地使用了该系统一些 简单的功能。对本系统的进一步开发使用可从如下方面进行: 1.进一步研究UWB高速数据采集卡的功能,如时钟源的选择、触发方式的 选择、采集模式的选择等对采集结果的影响,以适应多种不同的雷达对数据采集的 要求; 2.使用LabVIEW开发系统数据采集卡的直接控制程序,由于UWB采集卡不

提供LabVIEW驱动,只能以调用DLL的方式实现,其实现有一定的难度。
3.针对课题组不同机制的毫米波雷达,使用LabVIEW提供的丰富的信号处 理函数库研究不同地信号处理及目标识别算法。

49





硕士论文





本论文是在导师李跃华教授的悉心指导下完成的。本论文从开题到最终定稿的过程
中,老师在百忙之余仍时时关注着我的进度,并给出很多宝贵的指导意见,引领着课题 朝着正确的方向进行。在学习过程中,老师渊博的知识和严于律己的工作作风给我留下 了深刻的印象;在生活中,老师平易近人,言谈风趣幽默,使我们拥有了一个和谐、温

暖宛若家庭的学习环境,在论文完稿之际,再次对老师表示衷心的感谢和诚挚的祝福!
同时,感谢课题组的娄国伟老师、王虹老师、张光锋老师还有朱莉老师对我的关心

和帮组。本论文的顺利完成,离不开同学和朋友的关心和帮助,在此表示深深地感谢。
感谢博士生徐行建、王剑桥、陈建飞给我的指导和帮助;感谢同届的硕士生候花花、盛 淑然、赵计勇、朱文竞、唐曜、王琪、胡东翔、张丽娟、吴继强和郑琨给予我的帮助和 意见;感谢师弟师妹们的关心和帮助。 感谢我的父母,二十多年来无私地付出,毫无保留的支持和信任,使我有了最大的 决心和动力。 最后向参加论文评审和答辩的专家表示由衷地谢意。

硕士论文

基于TMS320VC5509A的语音加解密系统软硬件设计

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基于LabVIEW的高速数据采集系统的软硬件设计
作者: 学位授予单位: 王力 南京理工大学

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