基于LabVIEW的多通道數據采集系統的研究

引言
在計算機廣泛應用的今天，數據采集的重要性是十分顯著的。它是計算機與外部物理環境連接的通道。基于虛擬儀器技術的數據采集系統的提出在一定程度上解決了傳統數據采集所面臨的問題，虛擬儀器數據采集系統成為當今數據采集系統發展的重要方向。本文在虛擬儀器技術的基礎上對多通道數據采集系統進行了設計．將傳感器獲取的模擬信號，經過信號調理后。輸入到NIPCI-622l數據采集卡，實現多路信號的采集，然后經過PCI總線送入PC機，并對實驗數據進行實時顯示、記錄、分析處理，包括采集數據的平均值濾波，采樣波形的實時顯示，并以一定的時間間隔插入數據庫進行保存，邊采集邊保存，并通過數據庫技術實現了歷史數據的檢索。

1 數據采集系統工作原理
假設現在對一個模擬信號x(t)每隔△t時間采樣一次。時間間隔△t被稱為采樣間隔或者采樣周期。它的倒數1／△t被稱為采樣頻率．單位是采樣數／每秒。t=O，△t，2Δt，3Δt…等等，x(t)的數值就被稱為采樣值。所有x(O)，x(△t)，x(2Δt)都是采樣值。這樣信號x(t)可以用一組分散的采樣值來表示：

一個模擬信號和它采樣后的采樣值。采樣間隔是△t，采樣點在時域上是離散的。如果對信號x(t)采集N個采樣點，那么x(t)就可以用以下數列表示：x={x[O]，x[1]，x[2]，x[3]，…，x[N―1])，該數列被稱為信號x(t)的數字化顯示或者采樣顯示。此數列中僅僅用下標變量編制索引，不含有任何關于采樣率(或Δt)的信息。所以如果已知該信號的采樣值和采樣率，就能得出信號x(t)的頻率。
根據采樣定理。最低采樣頻率必須是信號頻率的兩倍。由恩奎斯特頻率可知，如果信號中包含頻率高于奈奎斯特頻率的成分，信號將在直流和恩奎斯特頻率之間畸變。采樣率過低的結果是還原的信號的頻率看上去與原始信號不同。這種信號畸變叫做混疊。出現的混頻偏差是輸入信號的頻率和最靠近的采樣率整數倍的差的絕對值。為了避免這種情況的發生，通常在信號被采集(A／lD)之前，經過一個低通濾波器，將信號中高于奈奎斯特頻率的信號成分濾去。理論上設置采樣頻率為被采集信號最高頻率成分的2倍就夠了。但實際上工程中選用5倍～10倍，有時為了較好地還原波形，甚至更高一些。

2 多通道采集系統方案設計
在多通道采集系統設計方案上．該系統硬件構成主要由傳感器、前端信號調理電路板和NI-6221數據采集卡三部分組成。在軟件構成上，需要進行設備驅動程序的設計和運用虛擬儀器開發環境進行虛擬面板的開發。
工作過程中，整個系統從被測對象開始．通過傳感器轉換成電信號，經過信號調理模塊進行簡單的信號處理，將信號送至數據采集卡進行采集。然后用軟件進行處理。在采集過程中將數據保存到數據庫里，實現了歷史數據的訪問。總體設計框圖如圖1所示。

2．1 傳感器
傳感器部分是跟外界溝通的門戶，負責把外界的各種物理信息，如光、壓力、溫度、聲音等物理信號變成電信號。因為被測試對象的信號來源已經是變換好了的電信號，所以傳感器部分在設計中沒有得到具體體現，但是這部分是設計過程中必需要考慮的。
2．2 信號調理電路板
從傳感器得到的信號大多要經過調理才能進入數據采集設備，信號調理功能包括放大、隔離、濾波等。由于不同傳感器有不同的特性，除通用功能外，還要根據具體傳感器的特性和要求來設計特殊的信號調理功能。信號調理的通用功能如下：
(1)放大。微弱信號都要進行放大以提高分辨率和降低噪聲，使凋理后信號的電壓范圍和A／D的電壓范圍相匹配。信號調理模塊應盡可能靠近信號源或傳感器．使得信號在受到傳輸信號的環境噪聲影響之前已被放大．使信噪比得到改善。
(2)隔離。隔離是指使用變壓器、光或電容耦合等方法在被測系統和測試系統之間傳遞信號，避免直接的電連接。使用隔離的原因：一是從安全的角度考慮；二是隔離可使從數據采集卡讀出來的數據不受地電位和輸入模式的影響。如果數據采集卡的地與信號地之間有電位差，而又不進行隔離，那么就有可能形成接地回路．引起誤差。
(3)濾波。信號調理系統可以從被測試信號中濾除不需要的成分或噪聲。大多數信號調理模塊都包含低通濾波器，以濾除截止頻率以上的所有干擾信號頻率成分。
2．3 數據采集卡的選用
數據采集板卡的性能與眾多因素相關，要根據具體情況而定。所以在選擇數據采集卡構成系統時，首先必須對數據采集卡的性能指標有所了解。
(1)采樣頻率
采樣頻率的高低，決定了在一定時間內獲取原始信號信息的多少．為了能夠較好的再現原始信號，不產生波形失真，采樣率必須要足夠高才行。根據奈奎斯特理論采樣頻率至少是原信號的兩倍，但實際中，一般都需要5倍～10倍。
(2)采樣方法
采集卡通常都有好幾個數據通道，如果所有的數據通道都輪流使用同一個放大器和A／D轉換器．要比每個通道單獨使用各自的經濟的多，但這僅適用于對時間不是很重要的場合。如果采樣系統對時間要求嚴格，則必須同時采集，這就需要每個通道都有自己的放大和A／D轉換器。但是處于成本的考慮。現在普遍流行的是各個數據通道公用一套放大器和A／D轉換器。
(3)分辨率
ADC的位數越多．分辨率就越高，可區分的電壓就越小。例如，三位的A／D轉換把模擬電壓范圍分成23=8段，每段用二進制代碼在000到lll之間表示。因而，數字信號不能真實地反映原始信號，因為一部分信息被漏掉了。如果增加到十二位．代碼數從8增加到212=4096，這樣就可以獲得十分精確的模擬信號數字化表示。