基于PXIe硬件的数据采集系统设计与开发

摘 要：PXIe硬件数据设备采用PCI Express总线技术，具有较好的性能。同时，通过模块化的组合，使得采集系统具有可扩展性。因此，该文采用C#语言，基于PXIe硬件，设计和开发一套数据采集系统。该数据采集系统具有采集通道配置、实时数据采集和历史数据回放3种主要功能。试验结果表明该系统可以方便和高效地采集机械设备运转过程中的相关数据。

关键词：PXIe硬件；数据采集系统；C#语言；模块化组合；设计

中图分类号：TP31 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2024）31-0109-04

Abstract： The PXIe hardware data device adopts PCI Express bus technology and has good performance; at the same time， through the modular combination， the acquisition system is scalable. Therefore， this paper designs and develops a data acquisition system based on PXIe hardware using C# language. The data acquisition system has three main functions： acquisition channel configuration， real-time data acquisition and historical data playback. Test results show that the system can collect relevant data during the operation of mechanical equipment conveniently and efficiently.

Keywords： PXIe hardware; data acquisition system; C# language; modular combination; design

在当前工业4.0和智能制造的大背景下，机械设备的数据采集与分析已成为提升生产效率、保障设备安全运行的关键。传统的数据采集硬件种类较少，适用范围狭小，且不具备可组合性，采集系统高度依赖采集硬件导致灵活性较低，随着物联网（IoT）、大数据和云计算等技术的发展，构建一个高效、智能的数据采集系统变得越来越重要。国内外已经有许多学者对数据采集系统进行了深入研究，Temple等[1]开发了一个用于佩戴式传感器高分辨率数据采集和实时处理的模块化开源核心系统，为数据采集系统的设计提供了新思路；Ilias等[2]建立了一个用于手术中多模态数据同步采集的模块化系统，为临床数据库的建立提供了重要支持；Soto-Ocampo等[3]研究了用于旋转机械状态监测的低成本、高频率数据采集系统，为振动分析和机械设备监测提供了新的解决方案。李茂泉[4]基于嵌入式的多通道数据采集系统设计，可实现对传感器平台或电子设备输出的直流电信号、室内环境信息进行实时监测、采集、显示、数据存储等功能，但数据采集系统的可扩展性较差，无法按照需求添加后续模块。唐宇枫[5]基于FPGA的高速数据采集系统设计，能根据不同传感器的数据采集需求调整FPGA的内部电路结构，具有一定的通用性，但其稳定性不高。姚爽[6]基于PXIe的数据采集模块中数据传输及存储的设计，通过在FPGA内部调用PCIe IP核实现了PCIe高速传输的功能，通过对DDR3控制器的设计实现了数据的存储功能，对DMA控制器的设计则有效减轻了处理器的压力，提升了数据采集系统的性能。陈洋等[7]在文献中提到了基于FPGA的拉曼分布式光纤测温系统数据采集处理模块设计，展示了在光纤测温系统中数据采集处理模块的重要性和设计方法。谭光兴等[8]则介绍了基于Java语言的远程数据采集系统设计与实现，强调了远程数据采集系统在实时监测和数据处理方面的应用前景。通过对国内外相关研究现状的分析，可以看出数据采集系统在各个领域都有着广泛的应用前景。

PXIe的全称为PCI Extensions for Instrumentation，是一种硬件标准体系并且可以应用于测试与测量领域的开放性，PXIe融合了高速的PCI Express总线技术与精密的定时同步机能[9]。PXIe可以提供坚实的基础设施支撑以满足高效率数据获取和自动化测试系统的应用。PXIe系统与传统的测试架构对比，可以展现出更优的带宽性能和更低的延迟特性，故而成为实时数字信号处理及高速数据采集的首选方案。因此，本文针对PXIe硬件系统，开发了一套数据采集软件。

1 PXIe硬件采集设备

本文采用简仪公司出产的PXIe-69529和PXIe-69818两款PXIe数据采集卡，以及PXIe-2315数据采集机箱共同组成数据采集的硬件，如图1所示。PXIe-69529为8通道24位高速采集卡，输入范围为±1 V和±10 V，最高采样速率为204.8 kS/s，同时通道支持直流耦合IEPE功能。PXIe-69818为8通道16位超高速采集卡，输入范围为±1 V和±10 V，最高采样速率为125 MS/s，不支持IEPE功能。PXIe-2315为5槽混合插槽机箱，具有高数据传输、高时钟精度、低相位抖动和低功耗波纹噪声的特定，专为PXIe数据采集卡而设计。

2 数据采集软件的设计

在PXIe硬件数据采集设备的基础上，开发相应的数据采集软件。根据对相关数据采集软件的调研和分析，将本文所开发的数据采集软件划分为四大主要功能：采集通道配置、采样参数设置功能、在线数据采集功能和历史数据回放功能。

采集通道配置方面：首先，根据采集任务的要求，选择不同类型的传感器接入采集卡，虽然传感器的输出大部分为电压值，但是需要在软件中设置通道的输入电压范围，以保证采集到数据处于最佳的采集区间，保障采集数据的精确性。其次，需要设置通道增益系数和通道偏置系统，将采集到的电压值转化为所对应的物理量。然而，在机械测试领域，经常采用IEPE型加速度传感器采集加速度信号，如果采集板卡支持IEPE功能，当接入IEPE型加速度传感器的时候，需要打开IEPE开关，让板卡对IEPE传感器提供4 mA的电流激励。此外，还可以选择DC或者AC模式确定是否滤除采集数据中的直流分量；进一步可以设置滤波器，对采集数据进行滤波。

采样参数设置方面：设置数据采集中2个关键的参数、采样频率和采样点数。采样频率直接决定采集数据的正确性，根据奈奎斯特采样定理，采样频率必须大于待采集数据所包含最大频率的2倍以上，工程中通常设置为2.56倍。如果不清楚待采集信号的频率分布，可以根据上文描述的设置滤波器环节，预先设定一个低通滤波器，此时为抗混叠滤波器，将采样频率设定为低通滤波器截止频率的2.56倍即可。采样点数决定了采集数据的频率分辨率，当需要分析较细节的信号时，则增大采样点数。当采样频率和采样点数确定后，自动确定每条数据的采集时间。同时，在采样模式上分为手动采集、定时采集和触发采集。手动采集为数据采集人员手动点击开始采集按钮和采集结束按钮，整个采集过程完全由采集人员来控制。定时采集为设定间隔时间和总的采集次数后，软件自动定时采集数据。触发采样为采集板卡接入外部触发源，根据触发信号自动采集数据。

在线数据采集方面：当设定好通道参数和采样参数后，可以对实时数据进行采集。采集的过程中，各b99a5667efe6628b1b48b8cbbf4b0ced通道采集到的数据实时显示其时域波形，并可以对数据进行FFT变化，观察数据的频谱状况，从而判断传感器或者采集设备硬件是否有外部干扰、通道参数是否设置正确、采样参数是否设置合理以及目前采集的数据是否正确。与此同时，实时保存所采集到的各通道数据。

历史数据回放方面：当数据采集完毕后，应用历史数据回放功能，可以对已经采集的数据进行回放，回放的内容包括采集通道配置信息，采样参数设置信息，不同通道的时域波形数据，不同通道的频域波形数据。同时，具有数据导出功能，可以将采集的原始数据文件导出。

根据设计思路，数据采集软件的运行流程如图2所示。开始运行数据采集程序后，首先根据采集要求，设置通道参数和采样参数，然后选择采样模式。软件会根据设定的条件，自动检测参数设置的合理性，当发现错误后，参数设置界面会重置，并显示错误信息。开始采集后，数据一方面实时显示，一方面存储。采集结束后，可以对已采集数据进行回放。

3 数据采集软件的实现

应用C#语言，开发了数据采集软件。软件的采集通道参数配置和采集参数设置界面如图3所示。界面的上半部分为采集通道参数配置，下半部分为采集参数设置界面，设置内容如上文所述。此外，为了避免对常用的测试任务反复设定通道参数和采集参数，可以将设置好的通道参数和采集参数保存为配置文件，再次测试时，直接读取已保存的配置文件即可，有效地减少了工作量，降低了出错的概率。

实时数据采集界面如图4所示。在数据采集过程中，同时各通道的实时数据显示窗口，可以方便地观察各通道的时域波形或者幅值谱。在显示功能方面，每个图形显示窗口都可以放大，方便观察信号的细节。

历史数据回放界面如图5所示。加载已采集数据后，所有的数据文件展示在界面的左侧栏，点击某一个数据文件，则该数据文件包含的各通道数据在右侧显示。与此同时，采集通道配置和采样参数设置信息，在界面的上部区域显示。

4 试验验证

应用所开发的数据采集系统对机械密封试验台运转过程中的相关信号进行采集，包括声发射信号、电涡流信号、预紧力信号和温度信号，如图6所示。

导出部分4通道温度数据、预紧力数据和声发射数据，分别作图，如图7、图8和图9所示。

可以发现上述数据较好地反映了试验密封的运行状态，也说明了本文所开发的数据采集系统的有效性。

5 结论

本文针对PXIe硬件数据采集设备，开发了相应的数据采集软件。软件为通用型数据采集软件，可以根据不同的测试任务和要求便捷地设置通道参数和采样参数。在采集过程中，可以实时对数据进行观察，判断采集数据的正确性。采集完毕后，除了回放历史数据，还可以将数据导出，应用其他软件，对数据进行进一步的分析。

参考文献：

[1] TEMPLE S D， CRAVER H M， GAUR P， et al. Modular Open-Core System for Collection and Near Real-Time Processing of High-Resolution Data from Wearable Sensors[J]. Applied System Innovation， 2023，6（5）.

[2] ILIAS M， CHARLES G， CELINE P， et al. A modular system for the synchronized multimodal data acquisition during Awake Surgery： towards the emergence of a dedicated clinical database[J]. Annual International Conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society，2023：1-4.

[3] SOTO-OCAMPO R C， MERA M J， CANO-MORENO D J， et al. Low-Cost， High-Frequency， Data Acquisition System for Condition Monitoring of Rotating Machinery through Vibration Analysis-Case Study[J]. Sensors， 2020，20（12）.

[4] 李茂泉.基于嵌入式的多通道数据采集系统设计[D].呼和浩特：内蒙古大学，2021.

[5] 唐宇枫.基于FPGA的高速数据采集系统设计[D].上海：华东师范大学，2022.

[6] 姚爽.基于PXIe的数据采集模块中数据传输及存储的设计[D].成都：电子科技大学，2019.

[7] 陈洋，乔丽君，曹康怡，等.基于FPGA的拉曼分布式光纤测温系统数据采集处理模块设计[J].激光与光电子学进展，2024，61（17）：117-125.

[8] 谭光兴，甘景，戚秋晨.基于Java语言的远程数据采集系统设计与实现[J].科技与创新，2024（1）：19-22.

[9] 张子涵，刘士兴，曹宏睿，等.PXIe平台可重构数字化核仪器软件框架设计[J].核电子学与探测技术，2022，42（4）：657-663.