基于PXIe和LabVIEW的動物運動力學數據采集系統

2．1．2 信號調理與數據采集模塊
信號調理與數據采集模塊是數據采集系統中最重要的部分，其關鍵硬件是數據采集卡。NI公司的產品擁有高效的軟件、模塊化I／O硬件和用于集成的軟硬件平臺，充分發揮了虛擬儀器技術性能高，擴展性強，開發時間少，以及出色的集成等優勢。因此該系統選用NI公司的PXIe數據采集模塊。
該模塊的數據采集卡集信號調理與模／數轉換于一體，包含8個獨立的通道，每個通道配有獨立的模／數轉換器，采樣率達到25．6 kS／s，分辨率為24 b，精度可達0．02％。其橋接輸入模塊能夠進行1／4，1／2和全橋的自動同步測量，可用于測試高性能應變、載荷、力值與力矩等。8通道橋接輸入模塊可在單個機箱中擴展到136通道，在多機箱同步時可擴展到數千條通道。
系統需要以較高的采樣率采集72組通道的數據，該數據采集系統提供足夠高的采樣率和獨立的通道，使72組通道的數據采集快速、精確，而且互不干擾。傳感器陣列的數據通過前置接線端子傳送到數據采集卡，前置接線端子可以自動檢測到信號，支持熱拔插，安裝方便。數據采集卡封裝在18槽3U的機箱中，提高了系統的抗干擾能力。在同步采集時，單片機發送觸發信號給PXIe的時鐘卡實現外部觸發。早期使用的基于PCI總線的數據采集系統，采用單獨的信號調理模塊和采集模塊，只有一個模／數轉換器，通過多路復用實現多通道的數據采集。相比之下，PXIe系統集信號調理與數據采集于一體，不需要外接電腦，實現了整個實驗裝置一體化，可以方便地進行360°旋轉(模擬動物在空間不同傾斜表面的運動)；每個通道配有獨立的模／數轉換器，實現了多通道數據的同步采集；安裝和調試方便，操作簡單。從實際應用情況看，PXIc系統精度高，穩定性好，可以方便地進行多通道拓展。
2．2 行為數據采集
2．2．1 高速攝像蟣
高速攝像機型號為Olympus i-SPEED 3，其提供了高分辨率、超低光照靈敏度和高達150 000 f／s的錄制速度。在2000 f／s以下，分辨率為1 280×1024，具有多種觸發方式(如前觸發、中間觸發和后觸發等)，通過CF卡可以無限擴展容量。實驗時，單片機發送觸發信號給高速攝像機，實現圖像數據和力學數據的同步采集。根據圖像資料，可以更加精確地判斷動物腳掌和傳感器的接觸情況，并且能夠掌握動物不同運動姿態時腳掌的三維接觸力學信息。
2．2．2 冷光源
冷光源是繼白熾燈、LCD、LFD等光源產品之后出現的新型光源，發光原理是在電場作用下，產生電子碰撞激發熒光材料產生發光現象，具有十分優良的光學特性。當高速攝像機采用較高的幀數進行拍攝時，調節冷光源的位置和角度，提高光照強度，冷光源的不發熱特性避免了影響實驗動物和系統。