稳态信号采集与处理系统设计与实现

肖 韵

稳态信号采集与数据处理系统（简称采集系统）是高速自由射流试验设备的重要组成部分，是风洞试验产品的出口，主要完成测力天平、标准参数、风洞压力、温度等信号的采集和试验数据的事后计算处理。本文设计的采集系统采用功能单元进行组建，基于虚拟仪器技术，采集来自天平、特种力传感器、压力传感器/变送器、温度传感器/变送器等输送过来的桥路应变信号和电压信号，并将采集得到的数据进行计算处理，体积小，集成度高，使用方便。

1 系统总体架构

图1 稳态信号采集与数据处理总体架构图

1.1 工作原理

稳态信号采集与数据处理系统基于NI LabVIEW2015 开发平台，以PXI 控制器为“中枢心脏”，向标准仪器、信号调理单元发送控制信号，接收仪器及信号调理单元发回的信息，做出判断后，将采集到的数据通过反射内存卡送给数据处理计算机进行计算，处理。同时PXI 控制器与核心PXI 控制系统之间通过反射内存卡共享数据。

图2 稳态信号采集与数据处理系统组成原理图

1.2 系统组成

采集单元为整个测试系统的核心部分，主要包括数据采集计算机、PXI 机箱及控制器、反射内存卡、数据采集卡、专用光纤、端子盒、线缆等构成等，完成整个测试系统的控制、通信、采集等重要工作。此单元采用美国NI 公司生产的PXI 数据采集卡来实现信号采集。NI 采集卡具备定时精确、精确的定时、触发和模块间同步功能，精度高、可靠性强的优点。

标准仪器包括精密万用表34401A 和函数发生器33220A，两台仪器与信号调理箱，数据采集卡配合，完成零点、增益等关键参数的校准，完成测量系统综合精度的计算核准。信号调理单元共配置有32路串行测量通道，可将输入的32路信号进行放大、滤波，并配置有使用标准仪器进行校准用的信号通道。数据处理单元由研华的工控机、西门子的数据交换机构成，置于测控间，用于试验过程中部分压力、温度数据、天平载荷的实时计算显示，也包括试验完成后的计算参数设定与修改、气动数据计算、曲线绘制、数据批处理、原始数据及计算结果的保存与上传等功能。

2 系统软件设计

软件设计包括数据采集和信号分析处理两部分功能，试验完成后对采集得到数据进行的分析、计算，最终得到试验结果。软件设计时避免出现内存溢出、程序死机等重大错误，输入错误时有报错提示。

2.1 开发环境

1）操作系统：Windows XP/Win 7；

2）开发工具：NI LabVIEW2015、NI Measurement Studio。

2.2 软件功能

图3 软件功能图

1）模块初始化。软件启动后自动连接和初始化模块，并对故障模块可自动识别，显示初始化结果。

2）参数设置。完成对数采模块的触发条件、采样率、延迟长度、每通道贮存深度等参数的设置，设置好的参数可保存和回调，并可设为默认配置文件，在软件启动后自动加载配置。

3）数据采集。实现数采模块的触发采集和采集数据的自动存储。数据采集过程中直观显示模块采集状态；数据存储时，每个数采通道的采样数据形成一个数据文件。

图4 数据采集流程

4）图形显示。为了直观的观察试验数据，以波形的形式显示采集数据。可以将一个窗口分为两个不同时基的波形区域，每个波形区域可以显示多条波形。可以在波形区域内通过游标对波形任意两个特征点进行数据读取和测量。

5）数据处理与分析。实现数据处理以及专用数据分析。采集的数据存储在磁盘上，能事后（或脱机）回放，选择数据文件，以波形形式显示回放数据，重新演示测试试验状态和试验参数。在数据回放的基础上，实现加窗滤波、波形平滑等通用数据处理。

3 系统校准设计

稳态信号采集与数据处理系统在测试前，需要使用精密万用表、函数发生器完成采集单元和信号调理器的零点、增益等关键参数的校准，完成测量系统综合精度的计算核准。

1）首先，如图连接；

图5 系统校准连接图

2）设置函数发生器输出一组电压X1～X100（在范围：±100mV ～±10V 内任意输出10 个），使用数据采集卡实测Y1～Y100；

3）构造一元线性回归模型：

Yi=aX+b+εiQi～N（0，2σ），且相互独立；i=1，2，3…，n；

为待定系数a，b，用线性最小二乘法，即令

由此化简可得方程组：

4）可计算得到a，b 值，即完成零点、增益的校准。

4 结束语

本采集系统基于虚拟仪器技术，采用功能单元进行组建的采集系统，体积小，集成度高，使用方便。现已研制成功，并正式投入使用。