摘 要:針對(duì)直升機(jī)旋翼試驗(yàn)臺(tái)測(cè)試系統(tǒng)的要求，使用LabVIEW平臺(tái)以及DataSocket網(wǎng)絡(luò)技術(shù)開(kāi)發(fā)了網(wǎng)絡(luò)化多通道數(shù)據(jù)采集及處理系統(tǒng)。該系統(tǒng)由服務(wù)器端和客戶端組成，服務(wù)器端負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集、保存及發(fā)布，并具有頻譜、功率譜、自相關(guān)、時(shí)域分析以及文件回放、數(shù)字濾波、波形監(jiān)測(cè)等功能?？蛻舳酥饕?fù)責(zé)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程顯示。兩者之間通過(guò)DataSocket Server建立連接。該系統(tǒng)通用性和可移植性強(qiáng)，可用于其他用途的測(cè)試領(lǐng)域。

關(guān)鍵詞:LabVIEW;DataSocket網(wǎng)絡(luò)技術(shù);數(shù)據(jù)采集;文件回放

中圖分類號(hào):TP274文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

文章編號(hào):1004-373X(2010)02-182-03

Networked Data Acquisition and Processing System Based on LabVIEW

CHEN Songlin1，HUANG Jianping2

(1.School of Electronic and Information Engineering，Nanchang Hongkong University，Nanchang，330063，China;

2.Key Lab.of Helicopter Rotor Dyn.National Defense Sci.and Tech.，Helicopter Research and Development Institute，Jingdezhen，333001，China)

Abstract:Requirements for the helicopter rotor tower testing system，using LabVIEW platform and Socket network technology developed a network of multi_channel data acquisition and processing system.The system consists of server_side and client_side components，the server_side responsible for data acquisition，save and publish，with the spectrum，power spectrum，autocorrelation，time_domain analysis and document playback，digital filtering，waveform monitoring function.Client is mainly responsible for the data remote display，a connection is established with DataSocket Server.This system has strong versatility and portability，it also can be used to test area for other purposes.

Keywords:LabVIEW;DataSocket network technology;data acquisition;file playback

0 引 言

在進(jìn)行直升機(jī)旋翼試驗(yàn)時(shí)，需要對(duì)試驗(yàn)臺(tái)各系統(tǒng)的參數(shù)進(jìn)行采集，包括槳葉、槳轂、旋翼軸等旋轉(zhuǎn)測(cè)試參數(shù)和天平、傳動(dòng)系統(tǒng)、滑油系統(tǒng)等非旋轉(zhuǎn)參數(shù);同時(shí)，還需要對(duì)關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，對(duì)重要參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理。

根據(jù)試驗(yàn)臺(tái)的需要，測(cè)試系統(tǒng)通常包括:數(shù)據(jù)采集處理單元、監(jiān)視報(bào)警單元和示波單元等。傳統(tǒng)的方法是每個(gè)單元相互獨(dú)立，都要配備單獨(dú)的數(shù)據(jù)采集器。這樣做的優(yōu)點(diǎn)是單一的故障不會(huì)影響到系統(tǒng)其他部分，缺點(diǎn)是浪費(fèi)設(shè)備、通用性和可移植性差。隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、虛擬儀器技術(shù)的飛速發(fā)展，這種基于現(xiàn)場(chǎng)的測(cè)試系統(tǒng)被逐步淘汰。

1 LabVIEW及其DataSocket技術(shù)簡(jiǎn)介

LabVIEW是美國(guó)NI公司開(kāi)發(fā)的一種基于圖形程序的虛擬儀器開(kāi)發(fā)平臺(tái)，它以PC為核心，通過(guò)軟件建立虛擬儀器面板，配置特定的硬件接口模塊完成儀器控制、數(shù)據(jù)采集、顯示以及分析處理[1]。LabVIEW作為測(cè)試測(cè)量領(lǐng)域的專業(yè)軟件，其擁有豐富的圖形控件、友好的人機(jī)界面、強(qiáng)大的數(shù)據(jù)顯示、處理以及儀器控制能力等眾多優(yōu)點(diǎn)[2]。將網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與虛擬儀器技術(shù)相結(jié)合，構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)化虛擬儀器系統(tǒng)，是虛擬儀器系統(tǒng)發(fā)展的方向之一。LabVIEW提供的DataSocket技術(shù)是一種基于TCP/IP協(xié)議，面向測(cè)控的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。用戶不必進(jìn)行復(fù)雜的底層TCP編程就可以同時(shí)通過(guò)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)向多個(gè)終端發(fā)布現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量數(shù)據(jù)。

DataSocket由DataSocket API與DataSocket Server兩部分組成。DataSocket API是用戶訪問(wèn)或?qū)懭刖W(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的接口;DataSocket Server負(fù)責(zé)提供DataSocket技術(shù)自帶的協(xié)議(DataSocket Transfer Protocol，DSTP)協(xié)議和管理底層網(wǎng)絡(luò)通信。數(shù)據(jù)發(fā)布者通過(guò)DataSocket API以字節(jié)流的方式向DataSocket Server中寫入數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)訂閱者通過(guò)DataSocket API從DataSocket Server中還原數(shù)據(jù)。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件主要有凌華公司的PCI-9112數(shù)據(jù)采集卡、計(jì)算機(jī)、傳輸網(wǎng)絡(luò)、旋翼試驗(yàn)臺(tái)及分布在試驗(yàn)臺(tái)上的各種傳感器。其中采集卡具有16路單端或8路差分模擬輸入通道，12位采樣分辨率，110 kS/s最高采樣率，±10 V最大模擬輸入范圍，3個(gè)可獨(dú)立編程16位計(jì)數(shù)/定時(shí)器，攜帶A/D FIFO內(nèi)存。其性能可滿足一般工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)需要。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

2.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)由服務(wù)器端和客戶端組成，服務(wù)器端負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集、保存及發(fā)布，并具有頻譜、功率譜、自相關(guān)、時(shí)域分析以及文件回放、數(shù)字濾波、波形監(jiān)測(cè)等功能?？蛻舳素?fù)責(zé)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程顯示及保存。設(shè)在服務(wù)器端的DataSocket Server負(fù)責(zé)兩者之間的數(shù)據(jù)傳輸。

數(shù)據(jù)采集模式設(shè)為連續(xù)采集。為減少數(shù)據(jù)讀取周期，數(shù)據(jù)讀取和處理使用兩個(gè)并行循環(huán)。循環(huán)之間的數(shù)據(jù)傳輸使用隊(duì)列(Queue)技術(shù)。隊(duì)列結(jié)構(gòu)是一種先進(jìn)先出(FIFO)的結(jié)構(gòu)，可以保證有序的數(shù)據(jù)傳遞，避免競(jìng)爭(zhēng)或沖突。讀取循環(huán)連續(xù)讀取數(shù)據(jù)并放入隊(duì)列，處理循環(huán)連續(xù)從隊(duì)列讀取并刪除數(shù)據(jù)。如果數(shù)據(jù)處理周期大于讀取周期，新讀取的數(shù)據(jù)會(huì)緩存在隊(duì)列中，隊(duì)列內(nèi)存設(shè)置足夠大數(shù)據(jù)不會(huì)丟失。如果處理周期小于讀取周期，當(dāng)隊(duì)列為空時(shí)，在設(shè)置的時(shí)間內(nèi)處理循環(huán)處于等待狀態(tài)，數(shù)據(jù)不會(huì)重復(fù)分析。為進(jìn)一步減少數(shù)據(jù)讀取周期、保證參加統(tǒng)計(jì)的樣本數(shù)量，提高統(tǒng)計(jì)的準(zhǔn)確性，數(shù)據(jù)保存、時(shí)域處理及直方圖統(tǒng)計(jì)在采集停止后進(jìn)行。

3 程序?qū)崿F(xiàn)

3.1 DataSocket Sever的建立

在使用DataSocket Sever之前，必須在DataSocket Sever Manager中建立預(yù)定義數(shù)據(jù)項(xiàng)并進(jìn)行相應(yīng)的各種配置。在開(kāi)始菜單中選擇“程序/National Instruments/DataSocket/DataSocket Sever Manger”選項(xiàng)，打開(kāi)“DataSocket Sever Manger”，在該程序中創(chuàng)建數(shù)據(jù)項(xiàng)并設(shè)置訪問(wèn)權(quán)限、客戶端最大數(shù)目。只有創(chuàng)建了數(shù)據(jù)項(xiàng)，服務(wù)器端和客戶端才能對(duì)該數(shù)據(jù)項(xiàng)進(jìn)行訪問(wèn)。完成設(shè)置后，選擇Settings/Save Setting Now選項(xiàng)保存當(dāng)前設(shè)置。

在開(kāi)始菜單中選擇“程序/National Instruments/DataSocket/DataSocket Sever”，啟動(dòng)DataSocket Sever后，它所包含的數(shù)據(jù)項(xiàng)就可以在被允許訪問(wèn)的計(jì)算機(jī)上通過(guò)DSTP訪問(wèn)。

當(dāng)軟件界面右上角的綠燈亮?xí)r，表示已成功連接DataSocket Seve中指定的數(shù)據(jù)項(xiàng)。紅燈亮則表示連接失敗。

3.2 服務(wù)器端數(shù)據(jù)采集及處理

臺(tái)灣凌華公司免費(fèi)提供的軟件包PCIS_DASK和DAQ_LVIEW PnP包含了采集卡驅(qū)動(dòng)及LabVIEW接口函數(shù)，利用這些函數(shù)可在LabVIEW 8.2平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集與處理。前面板和程序流程圖分別如圖2，圖3所示。

圖2 服務(wù)器端前面板圖

圖3 服務(wù)器端程序流程圖

當(dāng)采集開(kāi)始時(shí)啟動(dòng)兩個(gè)While Loop循環(huán)分別進(jìn)行數(shù)據(jù)采集及處理。采集循環(huán)中通過(guò)AI Config.vi以及AI Star.vi設(shè)置采樣通道、緩存大小、采樣模式、采樣率等參數(shù)并啟動(dòng)采集，連續(xù)向緩沖區(qū)寫入數(shù)據(jù)。用一個(gè)While Loop循環(huán)連續(xù)讀取緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)。第一次讀取數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)可設(shè)，以后每次讀取點(diǎn)數(shù)為緩沖區(qū)中所剩數(shù)據(jù)和設(shè)置值的較大者。

讀取的數(shù)據(jù)先經(jīng)濾波子VI進(jìn)行數(shù)字濾波，濾除試驗(yàn)中的隨機(jī)干擾和噪聲成分。使用了Butterworth濾波器，它在所有頻率上提供平滑的響應(yīng)，過(guò)渡帶下降較緩慢，陡峭程度同階數(shù)成正比。濾波后的數(shù)據(jù)分成兩個(gè)數(shù)據(jù)流，一個(gè)由Enquene Element.vi將數(shù)據(jù)添加到隊(duì)列尾部，供數(shù)據(jù)處理循環(huán)使用;一個(gè)送入Waveform Chart進(jìn)行波形顯示并寫入DataSocket Sever。

數(shù)據(jù)寫入DataSocket Sever有兩種方式:一是使用DataSocket API中DataSocket Write.vi;二是利用Waveform Chart控件屬性中的數(shù)據(jù)綁定功能。該系統(tǒng)使用第二種方式:右鍵點(diǎn)擊Waveform Chart，選擇屬性:數(shù)據(jù)綁定，在數(shù)據(jù)綁定選擇下拉框中“DataSocket”，訪問(wèn)類型選擇“只寫”，通過(guò)瀏覽選擇DataSocket Sever中指定數(shù)據(jù)項(xiàng)的路徑。

超限報(bào)警子VI對(duì)各通道進(jìn)行波形監(jiān)測(cè)，當(dāng)所選通道的采集數(shù)據(jù)超過(guò)設(shè)置的限制值時(shí)，紅色報(bào)警燈亮。其主要用到了Amplitude and Levels.vi。

每次讀取的數(shù)據(jù)送入Insert Into Array.vi，利用移位寄存器將數(shù)據(jù)插入之前所有數(shù)據(jù)的尾部，停止采集后，所有數(shù)據(jù)流向時(shí)域、文件以及直方圖子VI。文件子VI中使用Write to Spreadsheet File.vi將數(shù)據(jù)及采樣率寫入Excel電子表格。時(shí)域子VI使用Basic Averaged DC_RMS.vi以及Amplitude and Levels.vi計(jì)算各通道的平均值、有效值、最大值、最小值。直方圖子VI使用Histogram.vi對(duì)所選通道進(jìn)行直方圖統(tǒng)計(jì)，顯示各數(shù)據(jù)點(diǎn)的概率分布。

數(shù)據(jù)處理循環(huán)使用Dequeue Element.vi從隊(duì)列中連續(xù)讀取并刪除數(shù)據(jù)，其超時(shí)等待設(shè)為1 s，即當(dāng)隊(duì)列為空時(shí)，循環(huán)等待1 s后若隊(duì)列中無(wú)元素則中止循環(huán)。頻譜分析使用FFT.vi對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行單邊FFT變換，計(jì)算信號(hào)的頻率組成成分。功率譜分析使用FFT Power Spectrum.vi計(jì)算隨機(jī)信號(hào)的能量分布。自相關(guān)分析使用AutoCorrelation.vi檢測(cè)信號(hào)中的周期成分。

當(dāng)接線板第1~3通道無(wú)輸入，第4通道接1 500 Hz，2.5 V的正弦波時(shí)，其功率譜、自相關(guān)分析、時(shí)域分析及直方圖統(tǒng)計(jì)界面如圖4所示。

3.3 文件回放

文件回放主要從Excel表格中讀取數(shù)據(jù)進(jìn)行波形顯示和分析。通過(guò)Read From Spreadsheet File.vi一次性讀取表格中所有數(shù)據(jù)，再通過(guò)While Loop循環(huán)以及Array Subset.vi逐次讀取設(shè)定的點(diǎn)數(shù)。在讀取循環(huán)中對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行頻譜、功率譜、自相關(guān)分析。數(shù)據(jù)讀取停止后，進(jìn)行時(shí)域分析以及直方圖統(tǒng)計(jì)。其程序框圖如圖5所示。

圖4 服務(wù)器端數(shù)據(jù)處理界面圖

圖5 服務(wù)器端文件回放程序框圖

3.4 客戶端數(shù)據(jù)顯示

客戶端通過(guò)DataSocket API中的DataSocket Read.vi以及一個(gè)While Loop循環(huán)連續(xù)地從DataSocket Sever中指定的數(shù)據(jù)項(xiàng)讀取數(shù)據(jù)并進(jìn)行顯示和保存，其程序框圖如圖6所示。

圖6 客戶端程序框圖

圖6中“dstp://20080715_0011/newdouble”為指定數(shù)據(jù)項(xiàng)的訪問(wèn)路徑。其格式為“dstp://計(jì)算機(jī)名/數(shù)據(jù)項(xiàng)名”。

4 結(jié) 語(yǔ)

該系統(tǒng)是基于直升機(jī)旋翼試驗(yàn)而開(kāi)發(fā)的，服務(wù)器端設(shè)在測(cè)控間，主要采集直升機(jī)旋翼試驗(yàn)臺(tái)上應(yīng)變、壓力、力、力矩等參數(shù)?？蛻舳嗽O(shè)在試驗(yàn)管理人員辦公室，對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。該系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理功能較多，通用性及可移植性強(qiáng)，還可用于其他用途的測(cè)試領(lǐng)域。

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