基于LabVIEW的数据自动变速采集系统

王树东 何 明 王焕宇

(1．兰州理工大学电气与信息工程学院,兰州 730050；2.甘肃省工业过程先进控制重点实验室,兰州 730050)

随着科学技术的不断发展，在线监测与处理数据显得尤为重要，NI公司发布的可编程控制器便可以较好地实现该功能。该控制器具有高频处理器和用于网络编程、通信与扩展I/O的双以太网端口。其采集卡采用硬盘热备数据，能够防止上位机数据丢失[1,2]；采集速率较高，且具有多种速率选择。在有故障或特殊情况下，系统需要对大量数据进行记录以便做更好的分析，并要求采集卡在高速率下进行采集及存储等。但是在正常情况下，采集卡只需较低速率运行便可达到要求。因此，自动变速率采集卡将在现代采集系统中具有广泛的应用前景。

数据采集就是利用LabVIEW驱动程序对数据采集卡的参数和工作方式进行正确设置并使其按设置工作。数据采集卡进行数据采集并将实际采集的数据先用LabVIEW自带的数组或者波形函数来代替。数据处理软件设计包括滤波、数据存储与读取、波形显示与处理(如傅立叶变换及谱密度计算等)。确定数据采集卡后，将采集卡的驱动光盘放入计算机并按其指示进行安装，正确设置驱动所要用的VI输入/输出参数，编写程序即可[3,4]实现数据采集。

1 NI-RIO配置①

为设计采集及读取等程序，首先需要对NI-RIO进行配置，实现上位机与设备的通信；然后通过设计上位机项目实现数据的采集及读取等功能。将采集、读取程序载入设备FPGA中，实现程序的自启动。将NI可编程控制器的第一个网络端口接到上位机，插入插入式采集卡，上电初始化设备，打开NI-MAX设备配置(图1)。

图1 NI-MAX设备配置

由于已连接设备，上位机已安装设备驱动，因此点击NI-MAX远程系统即可扫描出已连接设备，即NI机箱与控制器，在此远程系统界面上可以看到设备的基本信息与基本参数。对其网络进行设置，设置其IP地址，使采集器地址与上位机网络地址在同一个网段。系统原为英文版，笔者设计的程序为中文版，这样会造成程序运行错误，因此需要对软件进行汉化。同时由于设备出厂时间和当前时间不符，在存储时，采集到的数据时间默认为控制器时间，因此需要进行时间配置，但要注意，在时间设置一栏修改时间并不能保证修改正确，因此进行时间设置时需要在系统信息处查看。当时间没有修改正确时，在时间设置一栏修改的时间为上位机时间，但是在系统信息里却是机器时间，出现时间不对应的情况，因此需要再次修改。

2 系统整体框架

一个完整的LabVIEW程序主要包括前面板、程序框图和图标与连接器窗格。前面板是一种交互式图形化用户界面，用于设置数据输入和观察数据输出；程序框图是定义VI功能的图形化源代码，根据所需功能利用图形语言对前面板的控制量和指示量进行控制；图标和连接器窗格用于把程序定义成一个子程序，当需要调用子程序时只需用事件结构或者真假结构就能实现在其他程序中的调用。

信号采集与分析系统框图如图2所示，系统包括信号采集、信号处理分析及保存数据等部分。采用硬盘存储实现数据的热备份，防止数据的丢失[5,6]。

图2 信号采集与分析系统框图

3 软件设计

在机箱里需要配置两个基本程序：一是设计FPGA工作模式的采集程序target(图3)，该程序保证了采集系统的高速性和数据的高精度；二是在RT端设计读取程序host，将数据从采集程序中取出。不同的采集卡设置采样率的方式不同，本设计中采用了4块两种不同的采集卡，两种采集卡分别根据Data Rate端口和计数器端口Count设置所需采样率(低速2kbit，高速25kbit)[7,8]。

图3 target程序

由于设计中采用了两种采集卡，因此需要两种设置方式配合进行变速处理，变速回传程序如图4所示。但是系统在条件结构下无法将变速设定值直接传入变速函数中，并且由于变速函数默认只有一个变速端口名(由target中的速率设定名而定)，因此本系统采用局部变量，变速局部变量如图5所示。创建速率显示控件，然后将显示的速率采用局部变量分别上传到变速函数中，间接地控制底层target程序中的速率输入函数调整速率。索引数组索引采集卡的第16端口，当采集到的数据大于10时，输出为真；系统出现故障或者突发情况时，速率进行变换，采用25kbit速率。假结构与此同理，当需要其他速率时只需要修改内部速率值，通过显示控件的局部变量回传到速率输入函数中，即可改变采集速率[9]。

图4 变速回传程序

图5 变速局部变量

硬盘剩余空间显示如图6所示。16路数据量较大，采用720Gbit硬盘；存储时间较长，磁盘满时为一个月左右。硬盘在使用中无法判断其存储空间是否已满，由于更换硬盘不便，为防止数据丢失，因此通过获取卷信息函数来获取硬盘的剩余空间。通过全局变量上传到监控上位机剩余空间显示控件，当超过限定值时，即更换硬盘，防止数据丢失。

图6 硬盘剩余空间显示

4 存储系统

硬盘存储系统(图7)分为两部分：一部分数据存储在上位监控系统的SQL Server数据库中，通过数据库ADO写入控件将采集到的16路数据写入数据库；另一部分为硬盘热备，为了防止上位机出现故障而丢失数据。系统为二进制TDMS设计，将一路时间16路数据写入文件。在host端程序采用队列将数据传递到存储系统中，采样速率不同，存储的方式也不同：以2kbit速率采集时，存储1kbit数据；25kbit速率采集时，每路存储25kbit数据。

图7 硬盘存储系统

5 方案验证

软件在采集到第16路数据时超过设定值，系统进行自动变速采集和变速存储。硬盘数据如图8所示，为变速存储的TDMS文件，打开为Excel文本，其中107ms时存储25kbit数据，在152ms时为2kbit数据。由于速率转换过程和软件运行期间都存在固定的系统时间，因此会出现时间偏差，但45ms的偏差在可接受范围之内，并且通过观察硬盘数据，在速率稳定运行期间数据都可靠地存储到硬盘中，实现了变速率存储的要求，数据准确且精度较高。使用获取卷信息函数与全局变量的方法解决了硬盘剩余空间观察不便的问题，使软件使用更加方便，保证了硬盘的可靠存储。

图8 硬盘数据

6 结束语

自动变速率数据采集系统根据采集到的数据判断采用何种采集速率，采用局部变量传递采集速率实现了自动变速率采集，速率转换过程和软件运行期间存在固定的系统时间，因此会出现时间偏差，时间偏差相对整个系统运行时间来说在可接受范围之内。硬盘存储空间较大，无法判断长时间运行情况下硬盘空间是否已满，采用获取卷信息函数的方法来获取硬盘剩余空间，以便及时更换硬盘，实现了数据的可靠存储。

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