采集虚拟网（通用8篇）
采集虚拟网 篇1
一、虚拟仪器概述
虚拟仪器 (Virtual Instrument, 简称VI) 是基于计算机系统的数字化测试测量仪器, 是应用于通用计算机上的一种软件和硬件的组合, 可代替传统的测量仪器, 如信号发生器、示波器、频谱分析仪、逻辑分析仪等;它充分利用现有计算机资源, 并配以独特设计的仪器硬件和专用软件, 能实现普通仪器的全部功能以及某些普通仪器无法实现的特殊功能, 常被称作软件仪器。可利用数据采集模块完成一般测量测试仪器的数据采集功能, 利用软件实现对数据的分析处理、表达以及图形化用户接口, 最终使得计算机系统完成一般测量测试仪器的数据分析和输出显示等功能。
虚拟仪器是计算机技术、现代测量技术共同发展的结晶, 代表着当今仪器发展的最新趋势。虚拟仪器的软件结构是虚拟仪器的关键部分。其软件结构分为三部分:输入输出 (I/O) 接口软件、仪器驱动程序和应用软件开发环境。其开发框图如图1所示。
二、数据采集系统设计
1. 硬件结构
(1) 整体架构
数据采集系统主要通过传感器采集特定部位的流量、压力、温度等信号, 采集的信号经过处理后再传输到计算机中, 现场采集的模拟信号主要是0~10V直流电压信号及4~20m A电流信号, 由于系统对数据采集的实时性要求较高, 总体上的采样频率要求较高, 软件开发采用的是美国NI公司推出的Lab VIEW软件, 该软件具有友好的图形化开发界面, 节省了编程时间, 提高了工作效率。硬件结构整体框图如图2所示。
(2) PCI数据采集卡
PCI (Peripheral Component Interconnect, 外围部件互联) 是一种独立于CPU的同步局部总线, 也是目前计算机上使用极为广泛的高性能总线。它是处理器、存储器与外围控制部件、外围扩展卡之间的互连设备, 其优点是具有独立处理能力、运行速度快、数据传输速率高、而且扩展性与兼容性好、可靠性高。
为保证采集数据的实时性及准确性, 避免数据采集过程受到严重干扰, 选用研华公司的工控机和数据采集卡PCI-1713。PCI-1713是基于PCI总线的隔离高速模拟量输入卡, 它提供32路单端或16路差分模拟量输入通道, 或组合输入方式, A/D转换器的采样速率可达100KS/s, 采用12位高速A/D转换, 并在输入和PCI总线之间提供2500VDC的直流隔离保护。PCI-1713板卡的安装使用十分方便, 在Windows2K/XP/9X下板卡安装的流程图如图3所示。
(3) 传感器的选择
该数据采集系统主要用于监测现场的运行参数, 主要采集流量、压力、温度等信号, 下面以采集流量信号为例, 说明传感器的选择原则。由于测量的流量计种类繁多, 因此在选择流量计时需要根据实际的情况合理的选择流量计量仪表。选择时主要遵循以下原则:确定被测流体的类型;确定工艺过程的工作条件如何及温度和压力的界限值;确定流量计的安装条件;确定性能和测量能力方面总的要求;确定流量计安装和运行的经济性。
总之, 选择流量计时, 要综合考虑并权衡以上这些重要的因素, 才可能同时做到既满足技术要求, 并且经济上合理, 实现流量计合理的选型。
2. 软件开发
(1) Lab VIEW介绍
虚拟仪器系统应用软件的开发环境主要有两种:一种是基于传统的文本语言式的平台, 主要是Nl公司的Labwmdows/CVI、VC、VB等;一种是基于图形化工程环境的平台, 如Nl公司的Lab VIEW和HP公司的VEE等。该数据采集系统的软件设计采用专业图形化编程软件进行开发即NI公司的Lab VIEW, Lab VIEW是一个多线程、最佳化的图形编译器, 它能在最大程度上优化系统的性能。该环境包括三个部分:程序前面板、框图程序和图标连接端口。程序前面板用于设置输入数值和观察输出量, 用于模拟真实仪表的前面板。在程序前面板上, 输入量被称为控制 (Controls) , 为虚拟仪器的框图程序提供数据;输出量被称为显示 (Indicators) , 显示虚拟仪器流程图中获得或产生的数据。控制和显示是以各种图标形式出现在前面板上, 如旋钮、开关、按钮、图表、图形等, 这使得前面板直观易懂。
(2) 功能模块
该数据采集系统的软件功能模块包括参数设定、数据采集、数据处理、波形显示、数据记录、数据保存、数据查看、打印报表等。
该数据采集系统现已成功应用于某航空领域的现场, 并进行了大量的试验, 试验结果表明:该系统工作稳定可靠、测试精度高、操作简单、维护方便, 大大提高了工作效率, 实现了数据采集与监控, 为实现高性能的计量管理奠定了基础。
三、结论
本文通过对虚拟仪器以及开发软件Lab VIEW介绍, 设计了数据采集系统, 通过友好的人机界面, 可实现对现场参数的监控, 该系统具有功能扩展性强、开发周期短、测试性能稳定等特点, 可实现大批量、无限时的实时数据采集, 有着广阔的应用前景。
参考文献
[1]杨忠仁, 饶程, 邹建等.基于LabVIEW数据采集系统[J].重庆大学学报, 2004, 27 (2) :32—35.
[2]蒋文亮, 温铁钝, 黄金泉.基于PCI总线的发动机数控系统自动检测设备[J].测控技术, 2012, 31:54—57.
[3]祝骅, 金彦平.基于PCI-1713的现场数据管理系统的设计[J].机床电器, 2008, 6:14—16.
[4]孙延祚.论流量计的合理选型.自动化仪表[J].2007, 28:52—55.
[5]高军芳.基于LabVIEW的虚拟示波器的设计与实现[D].西安:西安理工大学, 2009:16.
采集虚拟网 篇2
汽车试验设备是汽车性能测试的硬件基础,传统的`汽车试验设备由于存在价格昂贵、功能单一、安装不便、功能扩展和升级困难、对温度、工况等要求严格,导致试验成本提高、试验数据不精确等问题.虚拟仪器(Virtual instrument,简称VI)设计思想的提出,恰恰可以很好地解决这些问题,用户可以根据自身需求设计自己的仪器系统,充分利用计算机技术来实现和扩展传统仪器的功能.本文重点介绍了基于虚拟仪器的数据采集系统的软件设计思想和方法.
作 者：张亚萍 马明星 ZHANG Ya-ping MA Ming-xing 作者单位：张亚萍,ZHANG Ya-ping(扬州大学,江苏,扬州,225009;泰州职业技术学院,江苏,泰州,225300)
马明星,MA Ming-xing(扬州大学,江苏,扬州,225009)
采集虚拟网 篇3
机电设备在运转过程中,不可避免地发出一些声音,这些无规则、不协调的声音,是由许多不同频率和声强的声波无规律杂乱组合起来,统称噪声。机电设备持续发出的噪声易导致工人听力受损,严重时造成耳聋。此外还能引起高血压、心脏病、神经官能症等疾病,严重危害职工的身心健康。噪声是目前职业危害评价中一项重要的工作场所物理因素检测,我国发布的国家标准GBZ/T189.8-2007《工作场所物理因素测量:噪声》对工作场所的噪声规定了噪声职业接触限值。每周工作5d,每天工作8h,稳态噪声限值为85d B(A),非稳态噪声等效声级的限值为85d B(A)。
开展噪声污染研究与治理,就需要测量工作环境的噪声强度,更进一步需要对噪声进行频谱分析,找出导致噪声超标的主要原因,可以有针对性采取有效的降噪措施,使其噪声符合规定要求,以保障工人的健康。因此,开发噪声信号采集系统是首要任务。
本系统是基于虚拟仪器技术开发完成的。虚拟仪器的概念是美国NI公司在1986年提出的。它是由计算机硬件资源、模块化仪器硬件和用于数据分析、过程通讯及图形用户界面的软件组成的测控系统,是一种由计算机操纵的模块化仪器系统。伴随着计算机技术的不断深化,虚拟仪器无疑在现代工业中将扮演更为重要的角色,因而也成为今后测控领域的研究重点。利用NI公司提供的Lab VIEW技术开发平台,结合噪声信号采集硬件,能方便快捷地开发完成噪声信号采集系统。
1系统硬件
本系统硬件主要包括爱华AWA14425传声器、爱华AWA14604前置放大器和NI USB-4431数据采集卡等组成。
1.1测试传声器与前置放大器
测试传声器与前置放大器是本系统的重要组成部分,它把采集到的声音信号直接转换为与之有确定对应关系并且容易检测的电信号输出,以满足信息的传输、记录、显示、分析、处理等要求。
杭州爱华AWA14425测试传声器是精密的声学测量用声-电换能器,用于将声信号转换为电信号。采用镍振膜和镍合金外壳,并进行特殊的稳定性处理,具有频率范围宽、频率特性好、动态范围宽、动态特性好、温度和长时间稳定性好等优点。其中预极化测试电容传声器,由于不需要另加极化电压,电路简单,使用更加广泛。传声器外径Φ12.7mm(1/2inch),标称灵敏度40m V/Pa,极化电压V=0,频率范围10~16000Hz,频响特性自由场,动态范围17~140d B,电容量20p F。
杭州爱华AWA14604前置放大器是输入电阻很高、输入电容很小、输出阻抗很低的特种放大器,用来与测试传声器配合,进行阻抗变换和前置放大。AWA14604型前置放大器为恒流源(ICP)前置放大器,由恒流源供电,使用BNC插头输出,可很方便地连接。频率范围10~100,000Hz,测量范围15~134d B,增益-0.15d B,ICP工作电压2~10m A,极化电压V=0,外径Φ12.7mm(1/2 inch)。
爱华AWA14425测试传声器和AWA14604前置放大器如图1所示。
1.2数据釆集卡
美国Ni公司的USB-4431数据采集卡如图2所示,是一款具有5通道的便携式USB动态信号采集模块,用于通过集成电路压电式(IEPE)与非集成电路压电式(IEPE)传感器进行高精度声音和振动测量,具有可溯源至NIST的校准。USB-4431数据采集卡具有4路模拟输入(AI)通道,每路同步采样率最高102.4k S/s。四路通道均具有针对传感器的信号调理功能。第五路通道是一个模拟输出通道。USB-4431的AI通道具有100d B动态范围,且每个AI通道具有用于加速度计和麦克风的软件可选式交流/直流耦合IEPE信号调理。这些通道还可兼容IEEE 1451.4(TEDS)传感器,以实现传感器即插即用功能。模拟输出(AO)通道是激励-响应测试的理想之选,可同步至AI通道。AO通道还具有最高96KS/s的更新速率和89d B的动态范围。USB-4431数据采集卡具有24位分辨率,可使模拟输出(AO)和模拟输入(AI)通道获得良好的信噪比。因此采用USB-4431作为噪声分析系统的数据采集卡是很好的选择。
2噪声信号采集系统软件
开发完成的噪声信号采集系统软件主要包括噪声信号采集与存储模块、噪声信号处理与分析模块两部分,界面如图3所示。
2.1噪声信号采集与存储模块
噪声信号采集模块可采集并存储原始的噪声信号,用户可以设置设备名、物理通道、噪声频率范围、传声器灵敏度及采样频率等参数,系统能采集环境噪声信号,并实时显示噪声信号波形图和声压级。采集过程的起止可通过“开始采集”和“停止采集”两个按钮控制,采集信号以TDMS文件格式存储。TDMS文件是NI公司最新推出的数据管理系统。TDMS文件以二进制方式存储数据,它同时拥有方便、高速以及文件小、易存取等诸多优势。它在具备二进制文件优点的同时,又具备关系型数据库的一些优点,它还可以在NI的各种数据分析或挖掘软件之间进行无缝交互,TDMS文件查看器以树形方式列出文件的属性和数据。
2.2噪声信号处理与分析模块
噪声信号处理与分析主要包括信号读取、数字滤波、时域分析、频谱分析等功能。信号读取主要完成对已存储的TDMS文件格式噪声信号的重新读取并显示波形图。在噪声信号采集、转换和传输过程中,会在采集的数据中混入干扰信号。因此,信号必须经过滤波器滤波。系统中采用数字滤波器。数字滤波器是用有限精度算法实现的离散时间线性非时变系统,可以将所需运算编成程序让计算机来执行。数字滤波器不需要增加额外的硬件,而且可随时根据需要更换滤波算法实现不同的滤波方法,因此具有长期工作时稳定性高、精度高、灵活性大等优点。系统中主要选择Butterworth低通滤波器。其特点是通频带内的频率响应曲线最大限度平坦,没有起伏,而在阻频带则逐渐下降为零。时域分析是直接在时域中对系统进行分析的方法,包括信号的均值、均方值、峰值及卷积和相关性分析等。频谱分析是信号的一种频域分析方法,为了解信号的频率成份以及每种成份的强度大小,它利用傅立叶变换将时域信号转换为频域信号。通过分析噪声信号的频率组成和相应量的大小,可以判断机电设备噪声源及产生噪声的原因。
3结论
基于NI公司的Lab VIEW虚拟仪器技术平台,开发完成了噪声信号采集系统,并能实现噪声信号的采集、处理与分析等功能。在此基础上,可进一步进行噪声源识别与噪声污染治理等方面的研究。
参考文献
[1]贺启环.环境噪声控制工程[M].北京:清华大学出版社,2011.
[2]中国安全生产科学研究院.建设项目职业病危害评价[M].徐州:中国矿业大学出版社,2012.
[3]白云,高育鹏,胡小江.基于Lab VIEW的数据采集与处理技术[M].西安:西安电子科技大学出版社,2009.
[4]Jeffrey Travis,Jim Kring.Lab VIEW大学实用教程(第三版)[M].乔瑞萍等译.北京:电子工业出版,2011.
[5]杭州爱华仪器有限公司.测试传声器[EB/OL].http://www.hzaihua.com.cn/products_show.aspx id=114.
[6]杭州爱华仪器有限公司.前置放大器[EB/OL].http://www.hzaihua.com.cn/products_show.aspxid=37.
[7]美国国家仪器(NI)有限公司.USB-4431数据采集卡[EB/OL].sine.ni.com/nips/cd s/view/p/lang/zhs/nid/206676.
[8]陈树学,刘萱.Lab VIEW宝典[M].北京:电子工业出版社,2011.
采集虚拟网 篇4
心电图 (ECG) 是心脏除极和复极过程的一种电生理过程的反应。在医学上, 心电图是诊断心血管疾病的一种重要手段, 因此, 心电信号的采集与分析在医学诊断、科学研究及实验教学中均具有重要意义。传统的心电记录方法主要靠心电图机来完成, 它将仪器的功能以硬件电路的形式固化在仪器内部, 对电路生产技术要求高, 且功能单一, 不容易更新维护。
虚拟仪器 (virtual instrument, VI) 的出现改变了传统仪器的设计与生产方式, 它充分利用计算机强大的图形界面和数据处理能力完成对测量数据的显示和分析, 将仪器功能由生产厂家定义转变为由用户自己定义。虚拟仪器的核心思想是“软件即是仪器”[1], 也就是用软件来实现传统仪器中绝大部分甚至全部由硬件电子电路实现的功能。因此, 利用虚拟仪器技术, 用户可以很方便地定义和设计各种仪器。
本文针对传统心电图机存在的问题, 基于虚拟仪器技术, 设计开发一种心电信号采集与分析系统, 使医学仪器的设计简单化、功能软件化。
1 系统的总体结构
系统的总体结构如图1所示, 包括硬件和软件两部分。硬件部分由心电电极、导联、信号调理电路、USB数据采集卡、计算机组成, 将拾取的心电信号经过放大滤波, 由数据采集卡将其转换为数字信号并传输到计算机。软件部分通过LabVIEW编程, 实现信号的采集、处理及分析等功能。
2 硬件设计
2.1 心电电极与导联
心电信号的采集离不开心电电极和导联, 所谓导联就是在人体表面任何2点放置2个电极, 将导线与采集系统的正输入端或负输入端相连, 从而描记出这2点间的心电电位差变化。本文采用的是标准III导联[2], 即左下肢电极连接于系统的正极, 左上肢电极连接于系统的负极, 当左下肢电位高于左上肢时, 记录出正向波, 反之, 则记录出负向波。导联中的电极采用金属电极。
2.2 信号调理电路
通过心电电极从人体体表获取的心电信号非常微弱, 通常只有0.05~5 m V, 频率主要集中在0.5~100 Hz, 加上人体、工频等各种干扰, 因此在信号采集之前, 必须对信号进行调理。信号调理电路主要是对信号进行放大滤波处理。本系统中的信号调理电路[3,4]由前置放大及右腿驱动电路、二级放大及高通滤波电路、低通滤波电路、50 Hz陷波电路组成。
2.2.1 前置放大及右腿驱动电路
由于大部分的噪声是以共模信号存在于人体, 为了降低共模信号干扰, 同时对心电信号进行有限度的放大, 设计了前置放大及右腿驱动电路 (如图2 (a) 所示) 。放大器选择低功耗、高精度的AD620, AD620内部集成了3个OP07运放, 具有高输入电阻、高共模抑制比、低漂移、低噪声, 通过外接可调电阻R3, 可实现1~1 000倍的放大。由于输入信号中存在比心电信号大很多的直流信号, 因此前置放大电路的放大倍数不宜太大。本设计中R3电阻为一固定值, 实现7倍放大。从前置放大电路2个相等的偏置电阻R4和R5中间取出人体共模电压, 经OP07反向放大后与右腿相连, 构成右腿驱动电路, 经过这样一个并联负反馈从而有效衰减了人体的共模信号。
2.2.2 二级放大及高通滤波电路
经前置放大后, 信号还很弱, 同时为了滤除信号中的低频噪声, 设计了二级放大及高通滤波电路 (如图2 (b) 所示) 。二级放大采用OP07, 通过调整R2和R3的值, 实现60倍的放大。C1和R1构成RC一阶高通滤波电路, 截止频率为4.7 Hz。经过两级放大后, 输出电压在2 V左右。
2.2.3 低通滤波电路
经过两级放大和高通滤波后, 心电信号中仍存在高于100 Hz的高频噪声干扰, 为了将这部分噪声滤掉, 设计了二阶低通滤波电路 (如图2 (c) 所示) 。
2.2.4 50 Hz陷波电路
为了滤除50 Hz工频干扰, 采用双T带阻滤波电路 (如图2 (d) 所示) , 在设计中采用等容值的双电容并联来代替普通单电容, 使其在容值上更加匹配。
2.3 数据采集卡
根据总线的不同, 数据采集卡有PCI总线、PXI总线、USB总线等。本文选用的是NI公司的USB总线, M系列6210多功能数据采集卡。相对于其他类型的数据采集卡, USB数据采集卡具有如下优点:安装、携带方便;不容易受机箱内环境的干扰;不受计算机插槽数量、地址、中断自由限制;在一些电磁干扰较强的测试现场, 可以专门对其进行电磁屏蔽, 避免采集的数据失真等。
USB 6210数据采集卡具有16路模拟输入, 16 bits分辨率, 250 k S/s单通道采样率, 4路数字输入线, 4路数字输出线, 每通道有4个可编程输入范围 (0.2~10 V) 。其即插即用的安装最大程度地降低了配置和设置时间, 同时它能直接与螺丝端子相连, 从而削减了成本并简化了信号的连接。
3 软件设计
虚拟仪器的核心思想是“软件即是仪器”。本系统除了实现传统心电图机的数据采集功能外, 主要特点在于通过软件编程来自定义信号采集、处理、分析、存储、显示等功能。软件部分采用Lab VIEW2010进行设计, 包括登录界面、数据采集模块、预处理模块、数据分析模块、数据存储模块等。软件流程如图3所示。
心电采集模块主要通过设置数据采集卡的连接方式、通道号、采样频率及采样点等参数, 完成对数据采集卡的初始化, 并进行数据采集。参数的初始化是通过调用Lab VIEW中的数据采集卡助手 (DAQmx) 节点来控制DAQmx设备完成数据采集[5]。数据采集卡提供了差分模式、参考单端模式、非参考单端模式3种采集方式。为了抑制共模信号, 本文采用差分模式进行信号采集。图4是利用本系统采集的一段心电信号。除了实时的硬件采集外, 本系统还设计了基于MIT-BIH心电数据库[6]的虚拟模块, 以弥补实物模块的不可预知性故障, 增加系统灵活性。
预处理模块主要包括信号的去噪及平滑处理。首先采用3阶IIR巴特沃斯滤波器, 去除50 Hz工频干扰, 通过0.03~160 Hz带通滤波器, 截取ECG主要能量, 最后通过3阶移动平均矩形窗进行平滑处理, 消除高频干扰。程序框图如图5所示。
数据分析模块包括心电信号的小波变换、QRS波群检测及HRV分析。首先利用“Multiresolution Analysis Express”函数选择db6小波对信号进行8级的小波分解, 使用D4和D5子带重建信号。之所以利用D4和D5子带进行重建, 是因为几乎所有的QRS细节都处于这2个子带中, 使得后续的QRS检测更为精确。然后利用Lab VIEW中的“Waveform Peak Detection.vi”, 检测输入波形数据中给定阈值范围内的所有波峰点或波谷点, 实现QRS波群检测[7]。得到QRS波群信号后, 将R峰值信号保存, 利用Lab VIEW中的“Biomedical Startup Kit Source Code”工具包进行心电信号的HRV分析[8,9], 包括RR间期的统计、Poincare散点图、FFT频谱测量、AR频谱测量等。图6 (a) 和6 (b) 分别是QRS波群检测与HRV分析结果。
数据存储模块主要完成对采集的数据和处理后的数据及波形进行存储, 以便实现对数据的回放、分析和打印等。
4 结论
本文基于虚拟仪器技术设计开发了一心电信号采集与分析系统, 首先针对心电信号特点, 设计了信号调理电路, 然后通过USB数据采集卡将信号采集到计算机, 最后通过Lab VIEW软件实现信号的采集、显示、处理与分析等功能。与传统心电图机相比, 该系统设计灵活, 功能强大, 扩展性强, 具有较好的实用价值。
摘要：目的:设计开发一种基于虚拟仪器技术的心电信号采集与分析系统。方法:将心电电极拾取的心电信号, 由导联经信号调理电路放大滤波后, 利用NI 6210数据采集卡, 通过LabVIEW软件编程实现心电信号的采集、处理与分析。结果:该系统可实现标准III导联心电信号的采集、显示、存储和心电信号的预处理、QRS波检测及HVR分析等。结论:利用虚拟仪器技术能够方便、灵活地设计功能强大、扩展性强的医学仪器。
关键词：虚拟仪器,心电信号,信号调理电路,数据采集卡,LabVIEW
参考文献
[1]林正盛.虚拟仪器技术及其发展[J].现代计量测试, 1997 (4) :10-14.
[2]祝顺燕.心电信号的采集和便携式心电图机的设计[D].南京:东南大学, 2005:10-12.
[3]朱大缓, 郭育华, 汪公社.便携式心电检测放大电路设计[J].医疗卫生装备, 2008, 29 (5) :21-23.
[4]侯宏花, 桂志国.人体心电心音信号定征分析系统设计[J].医疗卫生装备, 2010, 31 (4) :24-27.
[5]赵艳辉, 赵修良, 周超, 等.基于LabVIEW的心电信号采集系统[J].电子设计工程, 2011, 19 (5) :30-31.
[6]宋春丽.怎样识读MIT-BIH中的心电信号[J].科技资讯, 2010 (9) :27.
[7]黄进文, 王威廉.基于LabVIEW的心电信号QRS波群离散极值点识别法[D].昆明:云南大学信息学院, 2008:1-4.
[8]文张斌, 颜回中.基于LabVIEW的HRV分析系统设计[D].广州:暨南大学信息技术研究所, 2010:1-5.
采集虚拟网 篇5
MSP430F5529单片机集成了AD转换器和USB2.0接口, 硬件电路简单, 减少了信号干扰, 易于实现。传统的USB驱动程序开发难度大。而NI公司的NI-VISA driver wizard软件可帮助用户快速生成USB驱动文件, 开发者无须花费大量精力学习USB协议的细节, 便能实现单片机与PC的通信。不过更简单的方法是直接安装TI公司提供的USB_CDC通信驱动文件MSP430_CDC.inf, 利用虚拟串口实现USB通信。
1 系统硬件组成
系统整个架构如图1所示。
MSP430F5529芯片是数据采集模块的核心, 该单片机是一种超低功耗的16位混合模拟控制器, 内置12位SAR内核的AD转换模块, 在没有CPU干预下, 该缓冲器允许对16路独立采集而来的ADC信号进行转化和存储。最高采样速度可达200kbps。转换基准电压均可软件选择内部或外部电压源。该单片机内部的基准电压可设置为1.5V或2.5V。信号调理电路应将信号控制在转换基准电压范围内。同时该单片机还集成USB2.0接口模块, 其内部SRAM为8K, 在使用USB通信时占用2K的SRAM。这样的高度集成使得一个最小单片机系统就构成一个采集卡。用户需注意ADC接地和干扰防范, 具体硬件电路参考用户手册即可。
2 系统软件组成
系统软件设计主要包括USB固件程序设计, USB驱动程序设计以及Lab VIEW软件程序设计三个部分。
USB固件程序从功能上分为USB通信和AD数据采集两部分。从最底层开发USB通信程序对不熟悉USB协议的人来讲是不可能完成的任务。参考TI公司官方网站USB开发资源包使问题变得简单, 它包含了开发一个基于USB的MSP430项目所需的所有源代码和示例应用程序。开发者可直接套用其框架和USB API库函数完成, 如果用户使用的是CCS集成开发环境, 通过Help-->Welcome to CCS打开欢迎界面, 展开MSP430ware, 在这里可导入相关例程。
固件开发的另一部分就是AD采集程序的编写。MSP430的AD采集模块功能强大, 有四种转化模式:单通道模式, 重复单通道模式, 序列模式和重复序列模式。本文用6.6端口实现单通道多次转换采集端口, 其相关控制寄存器设置语句如下:
传统USB驱动开发对于非计算机专业的用户来讲难度很大。但是利用NI-VISA提供的USB驱动程序生成软件使得问题简化。首先打开NI-VISA Driver Wizard开发向导, 根据提示输入USB设备相关信息, 主要是VID (USB Manufacturer ID) 和PID (USB Model Code) 的正确填写 (MSP430F5529的VID为“0x2047”, PID为“0x0400”) 。然后将配置好的INF文件安装在Windows环境下, 再将USB设备插入主机完成驱动程序的安装。完成后可用NI MAX软件做通信测试, 打开NI MAX设备和接口项, 发现MSP430F5529支持三种常见设备分别是通信设备类 (CDC) , 人机接口设备类 (HID) , 大容量存储类 (MSC) , 并显示为USB RAW设备。对于USB RAW设备, 每个设备可能使用它们自己的通信协议, 用户须了解相关USB通信协议, 若程序中USB相关参数设置不正确会导致通信错误。还有没有更简单的方法?
事实上, 对于MSP430F5529的CDC通信, 无须用VISA驱动向导生成USB驱动程序。TI公司提供了USB_CDC通信驱动程序文件MSP430_CDC.inf, 用户直接安装就可以快速稳定的实现单片机与Lab VIEW间的通信。安装完毕, 打开windows系统的设备管理器, 在端口项目下显示MSP430_F5529_UE_CDC (COMxx) , 其中xx为串口号。这样的虚拟串口使得用户不需去了解USB协议, 而数据的传输却是通过USB接口完成的。
上位机Lab VIEW软件程序的编写利用NI-VISA函数按串口通信编写, 采用顺序结构:首先添加VISA资源名称控件, 配置串口函数, 添加VISA打开函数。这样通过串口资源选择和相关参数设置, 如波特率、数据位、停止位等, 完成初始化VISA设备的过程。然后调用VISA写入函数, 向单片机写入控制信息。单片机响应后采集数据并发送。再调用VISA读取函数读入采集的数据。要注意, VISA读取函数前需通过使用VISA Bytes at Serial Port节点查询当前串口接收缓冲区中的数据字节数。最后使用VISA关闭函数结束会话。图2为Lab VIEW读取程序框图。
下位机是12位ADC转换模块, 每发送两位数据为一个采集点, 上位机Lab VIEW中需对数据进行变换, 才能正确显示。
3 结束语
用信号发生器产生一个2V的正弦信号, Lab VIEW显示结果正确。该数据采集系统硬件上简单可靠。软件上, 利用TI公司提供的USB_CDC通信驱动文件和USB_API库函数, 使得不了解USB通信协议的用户也能快速实现与上位机Lab VIEW的通信, 极大的缩短开发时间。
摘要：基于低成本, 可靠性的思想设计了本数据采集系统。MSP430F5529单片机自身集成12位AD转换器和USB接口, 硬件电路简单可靠。上位机用Lab VIEW显示采集的数据波形。传统USB驱动开发复杂, 利用NI公司的NI-VISA driver wizard软件可快速生成USB驱动, 但若USB相关参数设置不正确, 容易出错。事实上, 直接利用TI公司提供的USBCDC虚拟串口通信驱动文件MSP430CDC.inf和USBCDCAPI库函数, 可以快速稳定的实现上下位机间的通信。
关键词：MSP430F5529,数据采集,USB,LabVIEW,NI-VISA
参考文献
[1]沈建华, 杨艳琴.MSP430系列16位超低功耗单片机原理与实践[M].北京:北京航空航天大学出版社, 2008.
[2]张桐, 陈国顺.精通Lab VIEW程序设计[M].北京:电子工业出版社, 2008.
[3]余志荣, 杨莉.基于NI-VISA与Lab VIEW的USB接口应用设计[J].单片机与嵌入式系统应用, 2007 (01) .
采集虚拟网 篇6
近几年来, 虚拟仪器技术发展迅猛, 其体现的优点越来越明显, 而基于数据采集器的虚拟仪器的优点更加明显, 其所需硬件少、可扩展性强, 一台虚拟仪器可以完成示波器、频谱分析仪、数字多用表等功能。虚拟仪器的计量保障是保证仪器的测量精度的必要手段, 但是, 目前国内还没有针对这类虚拟仪器出台的计量检定规程。
1 虚拟仪器的基本概念
虚拟仪器是一种概念仪器, 目前国际上还没有一个明确的标准和定义。虚拟仪器就是一种基于计算机的自动化测试仪器系统。普遍认为, 所谓虚拟仪器就是采用计算机开放体系结构取代传统的单机测量仪器, 对各种各样的数据进行计算机处理、显示和存储。虚拟仪器在基本原理上与传统仪器并无本质区别, 但是在仪器原理的实现上, 虚拟仪器与传统仪器却有以下所不同。
(1) 传统仪器侧重于硬件技术, 仪器功能的实现主要依赖硬件电路, 功能的扩展和性能的提高体现的是新材料、新工艺、新原理结构的发展。整个仪器各部分耦合性强, 关系密切, 一般不能拆分。而虚拟仪器侧重是通用软、硬件平台, 是数学模型、算法设计、软件手段与硬件技术的有机结合, 最终实现仪器功能和性能。虚拟仪器较多地体现了数学理论、信息理论及信息技术的应用。
(2) 传统仪器受硬件、体积重量限制, 实现功能较单一, 技术更新也较慢, 而虚拟仪器在同一硬件基础上, 可以实现多种功能, 随着数学研究和算法设计的发展, 虚拟仪器可以实现的功能增长速度很快, 性能提高也很快[1]。
2 虚拟仪器的计量检定
目前, 国内还没有专门出台虚拟仪器的计量检定规程, 现行虚拟仪器的计量检定还是根据与其测量功能相对应的传统仪器的计量检定规程进行计量, 即每一种功能都以其最终表现形式进行量传溯源, 整个计量检定工作需要不同的计量标准仪器根据不同的测量功能提供不同的计量标准信号, 即每一种功能按仪器整体进行计量检定。因为虚拟仪器每种功能都是建立在同一硬件基础上, 按照传统仪器的计量检定方法, 这会使计量检定工作陷入“疲于奔命”的尴尬境地, 计量资源、技术支持、人员配置与培训等都难以满足性能仪器快速发展带来的计量需求[2]。
虚拟仪器的通用硬件和算法软件属于两个不同的领域, 可以拆分, 因此, 其仪器主要构成部分的可分离性为虚拟仪器新的计量检定方法研究提供了可能。这里采用一种简单、便捷的计量检定办法对虚拟仪器进行计量, 这种计量检定方法侧重的是软件及数学模型作为仪器的一部分所体现出的性能的评价, 以及它与硬件平台的性能最终合成虚拟仪器总体性能的溯源问题[3]。它的核心思想是先利用计量标准仪器对虚拟仪器的硬件平台进行计量, 即对硬件平台在进行数据采集过程中的误差进行分析和评定, 得到硬件平台的技术指标, 如采集速率、转换精度等;利用软件产生符合硬件平台技术指标的仿真采样信号, 而后仪器软件平台采用各种不同的算法对仿真信号进行处理, 得到信号各种特征的测量结果, 对结果进行统计分析得到虚拟仪器的性能指标。不同的测量功能对于硬件平台的技术指标和所需标准信号的要求是不一样的, 因此, 其产生的仿真信号也是不同的[4]。
2.1 静态测量特性评定
基于数据采集器的虚拟仪器的静态测试功能主要是直流电压、电流、电阻测量, 电流、电阻数字化测量的核心技术与电压数字化测量相同, 不同之处是将电流、电阻转换为电压, 因此, 其计量检定方法与测电压功能的计量检定方法相同。其静态测量特性评定分为两个部分:硬件平台技术指标计量和软件平台技术指标计量。
2.1.1 硬件平台技术指标计量
硬件平台技术指标中对虚拟仪器静态测试功能影响较大的是转换精度, 其采集速率的误差影响可以忽略[5], 因此只对其转换精度进行计量。硬件平台转换精度的计量可以利用Fluke 5520A 标准校准源为其提供标准直流电压信号, 让仪器对标准电压进行采样, 对采样数据统计分析, 可以得到硬件平台转换的系统误差u及标准不确定度σ, 硬件平台转换过程中的测量误差ΔX服从N (u, σ2) 的正态分布。
2.1.2 软件平台技术指标计量
虚拟仪器软件平台主要是各种算法模型, 其误差主要是各种算法的误差, 每种算法的误差模型是不变的, 而需将硬件平台的测量数据作为输入, 计量方法一般是算法推导、仿真, 因此, 对软件平台技术指标的计量实际上是虚拟仪器软硬件平台技术指标合成的过程[6,7]。
在对软件平台技术指标的计量中, 首先由软件产生符合硬件平台技术指标的仿真信号, 即软件按照该硬件平台转换误差分布进行抽样, 样本容量为n, 根据公式:
式中:Xi为仿真采样数据;X为理想电压值;ΔXi为采样过程中的误差。利用虚拟仪器软件平台中静态测试功能算法, 如平均求和法, 递推求和法等, 对仿真采样数据Xi进行处理, 对处理结果进行统计分析, 根据分析结果对虚拟仪器静态测试功能做出评价。
2.2 动态测量特性评定
基于数据采集器的虚拟仪器的动态测试功能主要是动态信号测量, 如交流电压、电流测量, 幅频特性, 相位差测量等, 其动态测量特性评定与静态测量特性指标的两个部分相同。
2.2.1 硬件平台技术指标计量
在动态测试中硬件平台主要对动态信号进行离散化和量化, 其原理误差主要有两项:一项是离散化过程中用时间上离散的数据近似代替时间上连续的数据所产生误差, 主要取决于硬件平台的通道采集速率;另一项是对离散后的电压信号的幅值进行量化而产生的误差, 主要取决于硬件平台转换精度[8]。因此, 硬件平台的技术指标中对动态测试精度影响较大的除了上述的硬件平台的转换精度外, 还包括数据采集器的通道采集速率。转换精度的计量按照上述的方法进行计量, 通道采集速率是采集通道在单位时间内所采集的数据个数, 是比较重要的动态特性指标, 其计量多使用标准周期计数法[9]进行, 其基本思想是通过给数据采集系统的采集通道加载一个周期非常准确的标准信号, 启动数据采集系统对该信号进行采集, 找出采集数据个数中所包含的输入信号整周期的个数N, 以及N个信号整周期中包含的采集数据个数n。若标准信号频率为f, 周期为T, 数据采集系统通道采集速率为v, 则:
对输入的标准周期信号进行多次重复测量, 得出N个信号整周期的采集数据个数ni (i=1, 2, …, n) , 由式 (2) 得出数据采集通道采集速率vi (i=1, 2…, n) , 对其求平均得到通道采集速率
2.2.2 软件平台技术指标计量
在虚拟仪器动态测试中, 当其输入信号为一随时间变化的变化量, 设其输入信号为y=x (t) , 而其硬件平台的计量结果为测量误差ΔX服从N (u, σ2) 的正态分布, 其通道采集速率为
首先, 由计算机软件产生服从误差分布密度函数的抽样随机数, 其测量误差为ΔX～N (u, σ2) 的正态分布, 通道采集速率的误差Δv～N (0, σ
式中:yji′表示第j (j=1, 2, …, m) 组仿真采样数据中第i (i=1, 2, …, n) 个采样点的值。用各种算法对输入信号的仿真采样数据进行处理。如对数据进行相关分析、数字滤波、微分、积分、求有效值、傅里叶变换和小波变换, 得到信号的各方面信息。它有m组测量结果, 进行统计分析, 得到该虚拟仪器动态测试功能的计量评价结果。
3 实 例
以一个基于SCO 232型数据采集系统的虚拟仪器测量交流信号有效值为例, 其硬件平台SCO 232型数据采集系统的技术指标为其系统误差为0.108, 标准不确定度为0.049, 测量误差ΔX～N (0.108, 0.0492) , 采集速率v为2 kS/s, 其标准不确定度为0.86, 误差Δv～N (0, 0.862) 对一正弦交流信号x (t) =10sin (2πf0t) , 其中f0=50 Hz, 利用软件对信号进行仿真采样, 其理想输入信号曲线与仿真采样曲线如图1所示。
仿真采样数据为:x′ (i) =10sin (2πf0i/v′) +Δx, i=1, 2, …, n, 其中取1 000个采样点, 即n=1 000, 根据公式:
得到仿真采样信号的有效值如表1所示。
对结果进行统计分析得到该虚拟仪器测量交流电压信号有效值的系统误差为0.000 4 V, 随机不确定度为0.005 9 V。
4 结 语
由于虚拟仪器发展的历史比较短, 其计量检定工作在国内甚至国际几乎还是空白, 而虚拟仪器的计量检定工作又是不可缺的。基于数据采集器的虚拟仪器的计量评价是软件及数学模型作为仪器一部分所体现的性能的评价, 以及它与硬件平台的性能最终合成虚拟仪器总体性能的溯源问题。它的误差主要来源还是硬件部分, 因此其计量检定方案侧重对于硬件平台的计量检定。
参考文献
[1]金涛.虚拟仪器系统的误差分析方法的研究[D].重庆:重庆大学, 2005.
[2]马海瑞, 周爱军.虚拟测试仪器计量检定初探[J].国防技术基础, 2005 (6) :6-7.
[3]Deyst J P, Soulders T M, Solomon O M Jr.Bounds on Lea-stsquares Fourparameter Sine-Fit Errors Due to HarmonicDistortion and Noise[J].IEEE Trans.on Instru.Meas., 1995, 44 (3) :637-642.
[4]陈晓怀, 薄晓静, 王宏涛.基于蒙特卡罗方法的测量不确定度合成[J].仪器仪表学报, 2005, 26 (8) :759-761.
[5]梁志国.数据采集系统计量标准建立中的几个问题[J].测控技术, 1999, 18 (11) :12-14.
[6]Elmar Schrufer, Elektrische Messtechnik.8 Auflage[M].Beijing:Publishing House of Electronics Industry, 2005.
[7]王中宇, 葛尔矣, 杨文平, 等.一种小样本虚拟仪器测量不确定度评定新方法[J].计量学报, 2008, 29 (4) :387-392.
[8]丁颖, 李浚圣.数据采集系统中的不确定度分析[J].沈阳大学学报, 2006, 18 (2) :22-25.
[9]梁志国, 盛晓岩, 孙宇.计数法测量采集速率的不确定度评定[J].计量技术, 2003 (12) :54-56.
采集虚拟网 篇7
虚拟仪器(Virtual Instruments,简称VI)允许用户根据自身需求设计自己的仪器系统,充分利用计算机技术来实现和扩展传统仪器的功能[1]。虚拟仪器是由计算机硬件资源和良好人机交互功能的图形用户界面软件组成,在测控领域有广泛的应用,帮助工程技术人员解决了许多传统测控仪器所遇到的多种问题。例如黎芳等针对传统的电池电压检测系统不能满足燃料电池系统中采集量过多,实时性强的问题,提出了基于虚拟仪器和CAN总线构成的燃料电池电压检测系统[2]等。
动力电池技术作为电动汽车核心技术之一,对电动汽车整车性能起着决定性作用,为保证动力电池正常、安全、高效地在电动汽车上使用,在进行电动汽车开发与设计过程中,需要对动力电池性能进行全方位的测试实验。于此同时,动力电池实际应用中需要配置电池管理系统对电池运行状况进行监控,为电动汽车提供准确可靠的动力电池信息并对电池进行可靠的管理,而电池管理系统的工作是否正常直接影响到动力电池的性能发挥和寿命的衰减。
在进行动力电池性能试验和检验动力电池管理系统工作是否正常时,需要高精度的动力电池数据采集系统实时采集动力电池的电压、温度和电流等参数,对动力电池及其电池管理系统自身运行性能及各项功能进行实时监测,在动力电池系统出现故障时需要对其进行诊断,进而为分析动力电池性能和判断电池管理系统工作情况提供可靠的依据。而目前应用于动力电池高精度测试的设备比较少,而且价格昂贵,而低端的动力电池检测设备,操作过程复杂,测试人员劳动强度大,测量精度差,难以满足产品级的动力电池及其管理系统的测试需要。
相关领域的研究人员已开展了一系列基于虚拟仪器进行锂离子保护板校验和测试[3]、蓄电池内阻测试[4,5]等方面的研究,充分利用了虚拟仪器的多线程技术、直观易用的图形化人机交互界面技术等,与传统数据采集系统相比,该系统具有成本低、采样精度高、控制容易、使用灵活方便等特点[6]。
笔者所在的研发团队开发的基于虚拟仪器的锂离子动力电池数据采集系统可用于动力电池的实时监控和参数分析,采用PCI总线,扩展性好,采样速度高,测试精度容易得到保证,相关的成果可以用于高等学校电动汽车有关课程的实验配套设备建设,也可作为电动汽车产品开发与研究人员开展相关研究工作的配套实验工具,既可服务于教学,又能应用于科研,可在从事电动汽车相关教科研工作的企事业单位进行推广和应用。
2 关键技术问题
锂离子电池电气性能的测试参数多、精度要求高,传统的手动测试和现在的电池生产厂家的多级结构测试系统都不能满足实验室测试的要求[7]。
结合虚拟仪器技术开发电动汽车动力电池实验数据在线采集系统,利用高速PCI总线技术、分层管理理论和多线程技术,多路并行、高速采集动力电池各种实验数据,在有限的硬件资源情况下,灵活定制符合多种电动汽车用动力电池测试要求的测试方案,为动力电池及其管理系统的工作性能分析提供依据,可解决目前测试过程中采样速度低、成本高、劳动强度大、数据分析能力弱等缺点,使采集系统具有较高的灵活性、兼容性和可重用性,采集结果具有较强客观性和较高的自动化程度。
基于虚拟仪器的锂离子电池参数自动采集测试系统软件,配合实验室配套硬件如程控电源、电子负载、锂离子动力电池、工控主机和相关PCI总线DAQ数据采集板卡,通过CAN总线通信协议控制程控电源和电子负载,使其满足测试条件,同时用基于PCI总线的高速数据采集系统实时对原始数据进行采集,并通过软件滤波技术和数学算法进行数据处理,得出测试结果。测试人员可以在后续工作中根据测试结果对电池的性能进行分析,也可以将测试结果与电池系统原先配备的电池管理系统的测试结果进行对比,进而分析该电池管理系统工作情况是否正常。在软件开发过程中,如何合理运用Lab VIEW开发环境,开发基于PCI总线的DAQ数据采集系统,充分利用其提供的丰富的接口函数,使得软件开发周期大为缩短,测试流程尽量简单,测试结果尽量精确,是本采集与测试系统设计成功的关键。
另外,通过图形化编程语言,搭建直观易懂、操作简便的人机交互界面,可以大大减轻测试人员的工作量,避免测试过程中的错误操作,提高测试效率,保证测试的安全而顺利地进行。
(1)基于PCI总线提高系统通用性和降低系统成本
DAQ(Data Ac Quisition)数据采集,是基于计算机标准总线的内置功能插卡。利用DAQ可方便快速地组建基于计算机的虚拟仪器。而PCI(Peripheral Component Interconnect)是目前个人电脑中使用最为广泛的标准总线接口。基于PCI总线的虚拟仪器测试系统在性能、灵活性、易用性和价格等方面较传统仪器测试系统具有绝对优势。
(2)提高系统灵活性、界面友好性和自动化程度
虚拟仪器融合计算机强大的硬件资源,在数据处理、显示、存储等方面的突破传统仪器的限制,通过部分仪器硬件功能的软件化,降低了系统成本,增加了系统灵活性;利用计算机强大的数据处理能力,使复杂的数值算法得以在仪器中应用;而其高度自由的图形用户界面设计功能,使用户开发个性化强、界面友好、人机交互性能好的软件界面成为可能;另外其丰富的接口和通讯功能又可以实现高度的信息共享[8]。把虚拟仪器技术应用于系统的软硬件设计中,操作简单,自动化程度高,数据处理也更加方便。
3 基于虚拟仪器的动力电池数据采集系统硬件设计
动力电池数据采集系统硬件主要包括主控机、PCI总线数据采集接口卡、信号调理器、各种传感器、CAN总线接口卡等,如图1所示。采用基于PCI技术的高精度、高速率并行数据采集卡构成信号采集层,通过PCI总线将数据传输到主控机。
(1)动力电池单体电压采集
以车用锂离子动力电池为研究对象,根据锂离子动力电池的特点,其充放电过程中单体电池工作电压范围主要位于2.5 V~5 V之间,信号采集与调理模块可选用研华的PCI-1747U型PCI总线模拟量输入卡进行锂离子动力电池单体电压的采集。研华提供的该款PCI总线适用独立式高速模拟输入适配卡。它具有64路单端或32路差分16位高分辨率模拟量输入通道,取样率高达250 k S/s,针对A/D取样提供连续、不间断、高速的串流数据,以便控管内存。采集数据通过高速PCI总线上传至主控机。
(2)电池温度采集
动力电池温度采集要求能够及时反映动力电池温度变化情况,对采样速率的要求相对单体电压采集较低,按照当前电池管理系统温度采集模块的发展情况及精度要求,选择低速数据方式以降低测试成本。
笔者采用基于温度传感器DS18B20的温度巡检模块,采集电池温度信号,并通过总线接口卡与主控机进行通讯,将电池温度数据传输到主控机。
(3)电流采集
电池工作电流的采集采用霍尔式电流传感器,配合PCI总线模拟量输入采集卡实现采集。
(4)与电池管理系统数据通讯
电池管理系统采集到的参数通过CAN总线对外输出,因此,系统根据CAN总线通讯协议,利用研华PCI-1682U型CAN通讯卡实现与电池管理系统之间的数据通讯,进而掌握电池管理系统工作情况。PCI-1682U型CAN通讯卡是2端口CAN总线通用支持开放CAN协议的PCI通讯卡,在工业测控领域应用广泛。
(5)主控机选型
主控机是测试系统的核心,笔者采用研华AIMB-769母板,配合PCA-6114P12扩展卡实现各类PCI数据采集卡的安装。该母板为Intel酷睿2四核ATX母板,支持VGA,2路COM,单路LAN,能够满足高速数据处理要求。
4 图形化人机交互软件界面开发
图形化界面是虚拟仪器人机交互的主要组成部分,所开发的数据采集人机界面如图2所示。
动力电池数据采集的一种方式为通过电池管理系统的CAN通讯功能采集获取电池的各种参数,这种方式的优点是不仅可以获取电池的电压、电流和温度等一次参数,而且还可以获取剩余电量SOC等二次参数。本文用两个线程来实现基于CAN总线的数据采集,主线程为CAN通讯数据接收线程(如图3),辅线程为CAN总线数据解析线程(如图4)。前者主要完成CAN通讯接口卡的初始化设置和CAN总线数据的收发。所收到的数据通过局部变量的方式传递到数据分析线程,根据CAN通讯协议对数据进行分拣和分析。
动力电池数据采集的另一种方式为通过PCI数据采集卡获取电池单体的参数。这种方式的缺点是只能获取一次参数,二次参数需要经过计算得到。图5所示为单体电池电压采集线程。
如果数据采集的目的主要是监测单体电池的故障,或者电池管理系统采集电池的一次参数的功能是否正常,则只需将通过上述两种方法获得的电池一次参数进行对比分析即可。如果要实现电池管理系统二次参数计算精度验证等复杂功能,则需要进行二次开发,在通过PCI数据采集卡获取一次参数后,按照电池管理系统制定的算法策略或其他更精确的算法进行二次参数的计算,然后再与电池管理系统本身输出的二次参数进行对比。
5 结论
结合笔者开发过程,总结以下几点。
(1)基于PCI总线的高速、高精度DAQ数据采集系统硬件与基于多线程的多路并行同步数据采集软件相结合,精度高而成本低,在有限的硬件条件下满足动力电池参数高速数据采集要求,解决了常规测试仪器功能单一的问题,同时可以替代昂贵的专用测试仪器。
(2)基于PCI总线的DAQ数据采集系统可扩展性强,可在数据采集的基础上增加数据分析处理功能,进而实现电池的二次参数的复杂计算。
(3)通过图形化编程语言,搭建直观易懂、操作简便的人机交互界面,可以大大减轻测试人员的工作量,避免测试过程中的错误操作,提高测试效率,保证测试安全而顺利地进行。人性化的人机交互界面的设计也使得动力电池数据采集与分析更加方便直观。
参考文献
[1]张亚萍,马明星.虚拟仪器在汽车数据采集系统中的应用[J].成组技术与生产现代化,2009(03):17-20.
[2]黎芳,李迪,邱惠廷,等.基于虚拟仪器和CAN的燃料电池检测系统[J].微计算机信息,2009(16):84-85.
[3]于子敏,唐慧强,甘会川.基于虚拟仪器锂电池保护电路校验系统的实现[J].自动化与仪表,2011(04):46-49.
[4]杨权,周厚强,徐晓东,等.基于Lab Windows/CVI的锂离子电池内阻测试系统设计[J].电源技术,2012(04):483-485.
[5]刘登峰,邵天章,王琳.基于Lab VIEW的蓄电池内阻测试仪的设计[J].测控技术,2011(03):103-105.
[6]熊玉勇,张海鸥,王桂兰.基于虚拟仪器的磁电机定子自动检测系统[J].机电工程,2014,31(3):338-341.
[7]徐晓东,刘洪文,冯高辉.基于Lab Windows/CVI的锂离子电池测试系统设计[J].测控技术,2010(12):39-41.
采集虚拟网 篇8
在大规模渔场养殖过程中,有效的给食管理对于渔业养殖有着重要的经济与环保意义。因为过度的给食,将使得鱼食转换比(Fish conversion ration FCR)等于给食量(kg)除以生长量(kg))下降,过剩的食物将会引来微生物的争夺,从而带来水质的污染,影响鱼成长的生态环境;同时这些食物也为野生渔类生成提供了条件,造成高成本精饲料的损耗。另一方面,不足的给食,显然会影响鱼的生长速度,增加鱼之间由于竞食而产生的压力,导致FCR下降,影响产量。因此,寻求最佳给食方案是实现有效给食管理的目标之一。若能通过测量鱼在进食前后的状态与其食物需求之间的关系,在此基础上为给食量、摄食时间、频率、心理状态、检测外部侵袭等提供一定的辅助信息,则可确定动态的给食策略,保证给食量与鱼本身的食欲之间的匹配,制定最佳给食方案,构建自动给食系统,提高渔场的信息化水平,增加经济收益[1,2,3,4]。但在实际渔场环境中,由于鱼的高密度及水质的混浊,不易对鱼的食欲变化进行可视化观测,因此该问题成为一项具有挑战性的任务。科学研究表明,鱼的很多心理与生理行为都与其发出的声音有关(如摄食、产卵、生病、竞争、外侵等)[5],而声信号本身在水中传输损耗较低,加之鱼的高密度及水质的混浊,不易对鱼的食欲变化进行可视化观测,因此利用声信号来观测、研究其摄食状态特征,进而构建动态自动给食方案,有着重要的理论与实际工程应用价值。而完成这个目标的首要任务就是实验室条件下构建一个鱼声信号采集、传输系统,该系统可以完成鱼声信号的采集和存储。
1 硬件系统组成
基于LabVIEW的鱼声采集系统由硬件和软件两大部分组成,硬件包括计算机和数据采集设备NImyDAQ,软件包括利用LabVIEW编写的数据采集应用软件和NImyDAQ的驱动软件。系统和被测信号之间,通过传感器(水听器)连接。水听器的功能是将被测声音信号转换为电信号,水听器感测到的微弱鱼声信号,经过其内置的低噪声放大器后,传输到采集卡,采集卡在LabVIEW软件的驱动与控制下,实现对信号的放大、滤波、阻抗变换等调理环节,并实现A/D采样,采样频率可通过LabVIEW集成环境进行设置[6,7,8]。基于LabVIEW鱼声采集系统工作的总体结构图如图1所示。
标准水听器用于液体中(主要是水中)作为声学测量的电声接收换能器,它的灵敏度(自由场灵敏度或声压灵敏度)是经过准确校准的,其声学性能应符合所规定的要求。目前在各种水听器中只有用压电晶体或压电陶瓷作敏感元件的压电型水听器。国际电工委员会(IEC)制定的国际标准“IEC-500(1974)《标准水听器》”对压电型标准水听器的声学性能作出规定,如:灵敏度应在-180～-200 dB之间;频响特性在三个十倍程范围内起伏不大于±1.5 dB;动态范围大于60 dB;时间稳定性为一年校准一次而无可觉察的变化;水平方向的指向性是无向的,其偏差不超过+0、-3 dB;以及灵敏度随静压(水深)、温度等的许可变化范围。
本文中选用RHSA-20标准水听器,是由中船重工第715研究所设计制造,其性能与国外产品相比性价比更优。它是一种内置前置放大器的水听器,前放电压:+12 V,检测装置频率f≤160 Hz,灵敏度M≤175 dB;检测装置频率范围:1.25～10.00kHz,灵敏度M≤181 dB。
NImyDAQ是NI公司设计的一款兼具便携式和其他一系列功能的基于USB的数据采集卡。用户可以方便地使用NImyDAQ进行实际信号的测试和分析,不受时间地点的限制。其功能包括:模拟输入(analog input,AI)、模拟输出(analog output,AO)、数字I/O (digital input and output,DIO)、音频测试、电源、数字万用表(DMM)。
2 系统软件设计
基于Lab VIEW鱼声采集系统的软件由MAX管理软件、驱动软件和测试应用软件构成。其中MAX管理软件是和驱动软件一起由NI公司提供,NI测试与自动化资源管理器(MAX)能自动检测在同一个系统中的数据采集、GPIB、FieldPoint、PXI和VXI所有设备,并让你交互式地对它们进行配置[9,10]。数据采集软件为自行设计编写的虚拟仪器测试应用软件。
2.1 设计模式
LabVIEW的程序设计模式有标准状态机、队列消息处理器、生产者/消费者设计模式(事件)、生产者/消费者设计模式(数据)、用户界面事件处理器、主/从设计模式。基于LabVIEW鱼声采集系统软件设计采用了主/从设计模式,该模式有两个循环结构:主循环、从循环。主循环和从循环之间的同步通过通知器实现。主循环始终保持执行状态,并向一到多个从循环发送通知,使其执行代码。从循环收到通知后,将连续执行循环内部的代码直到完成任务,然后等待下一个通知。与该模式相比,生产者/消费者模式仅当队列中仍有数据时,消费者循环才会执行。采用该模式可以实现一边采集数据一边进行数据分析。
2.2 数据采集软件设计
基于LabVIEW的鱼声信息采集系统的应用软件设计流程图如图2所示。
基于LabVIEW编译环境所设计的鱼声信息采集系统的应用软件,具有图形化的人机交互界面,用户操作使用方便等特点,其前面板如图3所示。程序运行后,先设置数据采集的相关参数,设置好,按下“采集”按钮,开始数据采集;按下“分析”按钮显示信号分析的方法复选框,可以选择功率谱和联合时频分析。如果单选择“功率谱”则在显示区内只显示功率谱的波形图,如果单选择“联合时频”则在显示区内只显示联合时频分析的波形图,如果“功率谱”和“联合时频”均选择,则在显示区内以两个波形图的方式同时显示功率谱和联合时频分析的波形图。最后按下“停止”按钮程序停止数据采集,当所有队列中的数据全部被读取后程序停止运行。
3 测试条件
准备玻璃鱼缸一只,规格为1 200 mm×600 mm×750 mm;试验用鲫鱼一条,重量约250 g;水听器(包含前放与信号调理电路)一只,型号为RHSA20;数据采集卡为MYDAQ,8位,采样频率100 kHz,采集信号范围-0.1～+0.1 V,温度:10℃,加热时的温度25℃;数据记录时长:5～10 min。
3.1 测试数据分析
由于测试时处于冬季,鱼处于不怎么活动的状态,因此在进行系统测试时,采用外加干扰和加热鱼缸水温度的方法,使得鱼处于不同运动状态,以获得不同条件的数据。共采集3类数据:静止时的声信号、加温后的声信号和有外部干扰时的信号(分为人手扰动,与外部木棒扰动两种情况)。具体信号的波形及其统计特性如图4～7所示,图中的所有数据都进行了去均值与规范化处理,每一种情形的信号都对其作了直方图与累积概率分布特性分析。
(1) 4种不同状态下,其时域波形存在较大差异。当鱼静止时,信号较为密集,无明显的规律性;外部加扰时,信号存在明显的幅度突变点;而温度变化,信号的波形也发生改变,鱼的运动与振动,导致水听器接收的声信号也发生变化,有突变点,并呈现出近似的周期性波动。
(2) 4种不同状态下的累积概率分布图存在较大差别。从鱼声信号的特性来看,本身也属于随机信号。累积概率分布图可以粗略判断是否服从高斯分布。静止时,水听器感测到的信号为随机噪声,因此,其累积分布图近似为直线,可以看成服从零均值的高斯分布;存在外部干扰时,水听器的信号累积分布呈S形,与典型高斯分布不同;加温时,其累积分布可分为多段,也不满足高斯特性。
(3)根据前述两点,可以利用波形的累积概率分布图来区分不同声信号模态,用以区分鱼的不同状态。如可以进行外部入侵检测等。
4 结束语
文章给出一种基于虚拟仪器的鱼声数据采集系统构建方案,通过RHSA-20标准水听器感知鱼声信号,将鱼声信号的采集并传输至计算机,基于LabVIEW的myDAQ采集卡及开发套件对数据信号进行简要的分析,并对鱼声信号进行处理。测试与分析结果表明,该系统可以有效地测试在不同条件下水中鱼发出的声信号,为鱼声特征的分析与提取提供了条件。
参考文献
[1]李明磊,许肖梅.一种深水网箱鱼群状态监测的数据采集与远程传输技术研究[J].厦门大学学报:自然科学版, 2007,46(4):543-546.
[2]王强.深水网箱中水声鱼群实时监测系统的研究[D].厦门:厦门大学,2006.
[3]许肖梅.深水网箱鱼群监测仪中数据采集系统的研究[J].厦门大学学报:自然科学版,2004,43(3):381-385.
[4]张小康,许肖梅.基于LabVIEW的深水网箱鱼群监测系统的信号处理[J].海洋技术,2008,27(4):56-58.
[5]Lagarde rea J P,Mallekhb R,Marianic A.Acoustic characteristics of two feeding modes used by brown trout(Salmo trutta), rainbow trout(Oncorhynchus mykiss) and turbot(Scophthalmus maximus)[J].Aquaculture,2004,45(240):606 - 616.
[6]陈栋,崔秀华.虚拟仪器应用设计[M].西安:电子科技大学出版社,2009:155-185.
[7]Juell J E.Hydroacoustic detection of food waste-a method to estimate maximum food intake of fish population in sea cages [J].Aquacult Eng,1991,14(10):207-217.
[8]Summerfel S T,Holland,Hankins,et al.A hydroacoustic waste feed controller for tank systems[J].Water Sci,Technol,1995, 56(31):123-129.
[9]Mallekn L R,Enean J P,Cloutour C.An acoustic detector of turbot feeding activity[J].Aquaculture,2003,44(221):481 - 489.