王樹(shù)東 何 明 王煥宇

(1．蘭州理工大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院,蘭州 730050；2.甘肅省工業(yè)過(guò)程先進(jìn)控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,蘭州 730050)

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，在線監(jiān)測(cè)與處理數(shù)據(jù)顯得尤為重要，NI公司發(fā)布的可編程控制器便可以較好地實(shí)現(xiàn)該功能。該控制器具有高頻處理器和用于網(wǎng)絡(luò)編程、通信與擴(kuò)展I/O的雙以太網(wǎng)端口。其采集卡采用硬盤(pán)熱備數(shù)據(jù)，能夠防止上位機(jī)數(shù)據(jù)丟失[1,2]；采集速率較高，且具有多種速率選擇。在有故障或特殊情況下，系統(tǒng)需要對(duì)大量數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄以便做更好的分析，并要求采集卡在高速率下進(jìn)行采集及存儲(chǔ)等。但是在正常情況下，采集卡只需較低速率運(yùn)行便可達(dá)到要求。因此，自動(dòng)變速率采集卡將在現(xiàn)代采集系統(tǒng)中具有廣泛的應(yīng)用前景。

數(shù)據(jù)采集就是利用LabVIEW驅(qū)動(dòng)程序?qū)?shù)據(jù)采集卡的參數(shù)和工作方式進(jìn)行正確設(shè)置并使其按設(shè)置工作。數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行數(shù)據(jù)采集并將實(shí)際采集的數(shù)據(jù)先用LabVIEW自帶的數(shù)組或者波形函數(shù)來(lái)代替。數(shù)據(jù)處理軟件設(shè)計(jì)包括濾波、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與讀取、波形顯示與處理(如傅立葉變換及譜密度計(jì)算等)。確定數(shù)據(jù)采集卡后，將采集卡的驅(qū)動(dòng)光盤(pán)放入計(jì)算機(jī)并按其指示進(jìn)行安裝，正確設(shè)置驅(qū)動(dòng)所要用的VI輸入/輸出參數(shù)，編寫(xiě)程序即可[3,4]實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集。

1 NI-RIO配置①

為設(shè)計(jì)采集及讀取等程序，首先需要對(duì)NI-RIO進(jìn)行配置，實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與設(shè)備的通信；然后通過(guò)設(shè)計(jì)上位機(jī)項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集及讀取等功能。將采集、讀取程序載入設(shè)備FPGA中，實(shí)現(xiàn)程序的自啟動(dòng)。將NI可編程控制器的第一個(gè)網(wǎng)絡(luò)端口接到上位機(jī)，插入插入式采集卡，上電初始化設(shè)備，打開(kāi)NI-MAX設(shè)備配置(圖1)。

圖1 NI-MAX設(shè)備配置

由于已連接設(shè)備，上位機(jī)已安裝設(shè)備驅(qū)動(dòng)，因此點(diǎn)擊NI-MAX遠(yuǎn)程系統(tǒng)即可掃描出已連接設(shè)備，即NI機(jī)箱與控制器，在此遠(yuǎn)程系統(tǒng)界面上可以看到設(shè)備的基本信息與基本參數(shù)。對(duì)其網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行設(shè)置，設(shè)置其IP地址，使采集器地址與上位機(jī)網(wǎng)絡(luò)地址在同一個(gè)網(wǎng)段。系統(tǒng)原為英文版，筆者設(shè)計(jì)的程序?yàn)橹形陌?，這樣會(huì)造成程序運(yùn)行錯(cuò)誤，因此需要對(duì)軟件進(jìn)行漢化。同時(shí)由于設(shè)備出廠時(shí)間和當(dāng)前時(shí)間不符，在存儲(chǔ)時(shí)，采集到的數(shù)據(jù)時(shí)間默認(rèn)為控制器時(shí)間，因此需要進(jìn)行時(shí)間配置，但要注意，在時(shí)間設(shè)置一欄修改時(shí)間并不能保證修改正確，因此進(jìn)行時(shí)間設(shè)置時(shí)需要在系統(tǒng)信息處查看。當(dāng)時(shí)間沒(méi)有修改正確時(shí)，在時(shí)間設(shè)置一欄修改的時(shí)間為上位機(jī)時(shí)間，但是在系統(tǒng)信息里卻是機(jī)器時(shí)間，出現(xiàn)時(shí)間不對(duì)應(yīng)的情況，因此需要再次修改。

2 系統(tǒng)整體框架

一個(gè)完整的LabVIEW程序主要包括前面板、程序框圖和圖標(biāo)與連接器窗格。前面板是一種交互式圖形化用戶界面，用于設(shè)置數(shù)據(jù)輸入和觀察數(shù)據(jù)輸出；程序框圖是定義VI功能的圖形化源代碼，根據(jù)所需功能利用圖形語(yǔ)言對(duì)前面板的控制量和指示量進(jìn)行控制；圖標(biāo)和連接器窗格用于把程序定義成一個(gè)子程序，當(dāng)需要調(diào)用子程序時(shí)只需用事件結(jié)構(gòu)或者真假結(jié)構(gòu)就能實(shí)現(xiàn)在其他程序中的調(diào)用。

信號(hào)采集與分析系統(tǒng)框圖如圖2所示，系統(tǒng)包括信號(hào)采集、信號(hào)處理分析及保存數(shù)據(jù)等部分。采用硬盤(pán)存儲(chǔ)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的熱備份，防止數(shù)據(jù)的丟失[5,6]。

圖2 信號(hào)采集與分析系統(tǒng)框圖

3 軟件設(shè)計(jì)

在機(jī)箱里需要配置兩個(gè)基本程序：一是設(shè)計(jì)FPGA工作模式的采集程序target(圖3)，該程序保證了采集系統(tǒng)的高速性和數(shù)據(jù)的高精度；二是在RT端設(shè)計(jì)讀取程序host，將數(shù)據(jù)從采集程序中取出。不同的采集卡設(shè)置采樣率的方式不同，本設(shè)計(jì)中采用了4塊兩種不同的采集卡，兩種采集卡分別根據(jù)Data Rate端口和計(jì)數(shù)器端口Count設(shè)置所需采樣率(低速2kbit，高速25kbit)[7,8]。

圖3 target程序

由于設(shè)計(jì)中采用了兩種采集卡，因此需要兩種設(shè)置方式配合進(jìn)行變速處理，變速回傳程序如圖4所示。但是系統(tǒng)在條件結(jié)構(gòu)下無(wú)法將變速設(shè)定值直接傳入變速函數(shù)中，并且由于變速函數(shù)默認(rèn)只有一個(gè)變速端口名(由target中的速率設(shè)定名而定)，因此本系統(tǒng)采用局部變量，變速局部變量如圖5所示。創(chuàng)建速率顯示控件，然后將顯示的速率采用局部變量分別上傳到變速函數(shù)中，間接地控制底層target程序中的速率輸入函數(shù)調(diào)整速率。索引數(shù)組索引采集卡的第16端口，當(dāng)采集到的數(shù)據(jù)大于10時(shí)，輸出為真；系統(tǒng)出現(xiàn)故障或者突發(fā)情況時(shí)，速率進(jìn)行變換，采用25kbit速率。假結(jié)構(gòu)與此同理，當(dāng)需要其他速率時(shí)只需要修改內(nèi)部速率值，通過(guò)顯示控件的局部變量回傳到速率輸入函數(shù)中，即可改變采集速率[9]。

圖4 變速回傳程序

圖5 變速局部變量

硬盤(pán)剩余空間顯示如圖6所示。16路數(shù)據(jù)量較大，采用720Gbit硬盤(pán)；存儲(chǔ)時(shí)間較長(zhǎng)，磁盤(pán)滿時(shí)為一個(gè)月左右。硬盤(pán)在使用中無(wú)法判斷其存儲(chǔ)空間是否已滿，由于更換硬盤(pán)不便，為防止數(shù)據(jù)丟失，因此通過(guò)獲取卷信息函數(shù)來(lái)獲取硬盤(pán)的剩余空間。通過(guò)全局變量上傳到監(jiān)控上位機(jī)剩余空間顯示控件，當(dāng)超過(guò)限定值時(shí)，即更換硬盤(pán)，防止數(shù)據(jù)丟失。

圖6 硬盤(pán)剩余空間顯示

4 存儲(chǔ)系統(tǒng)

硬盤(pán)存儲(chǔ)系統(tǒng)(圖7)分為兩部分：一部分?jǐn)?shù)據(jù)存儲(chǔ)在上位監(jiān)控系統(tǒng)的SQL Server數(shù)據(jù)庫(kù)中，通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)ADO寫(xiě)入控件將采集到的16路數(shù)據(jù)寫(xiě)入數(shù)據(jù)庫(kù)；另一部分為硬盤(pán)熱備，為了防止上位機(jī)出現(xiàn)故障而丟失數(shù)據(jù)。系統(tǒng)為二進(jìn)制TDMS設(shè)計(jì)，將一路時(shí)間16路數(shù)據(jù)寫(xiě)入文件。在host端程序采用隊(duì)列將數(shù)據(jù)傳遞到存儲(chǔ)系統(tǒng)中，采樣速率不同，存儲(chǔ)的方式也不同：以2kbit速率采集時(shí)，存儲(chǔ)1kbit數(shù)據(jù)；25kbit速率采集時(shí)，每路存儲(chǔ)25kbit數(shù)據(jù)。

圖7 硬盤(pán)存儲(chǔ)系統(tǒng)

5 方案驗(yàn)證

軟件在采集到第16路數(shù)據(jù)時(shí)超過(guò)設(shè)定值，系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)變速采集和變速存儲(chǔ)。硬盤(pán)數(shù)據(jù)如圖8所示，為變速存儲(chǔ)的TDMS文件，打開(kāi)為Excel文本，其中107ms時(shí)存儲(chǔ)25kbit數(shù)據(jù)，在152ms時(shí)為2kbit數(shù)據(jù)。由于速率轉(zhuǎn)換過(guò)程和軟件運(yùn)行期間都存在固定的系統(tǒng)時(shí)間，因此會(huì)出現(xiàn)時(shí)間偏差，但45ms的偏差在可接受范圍之內(nèi)，并且通過(guò)觀察硬盤(pán)數(shù)據(jù)，在速率穩(wěn)定運(yùn)行期間數(shù)據(jù)都可靠地存儲(chǔ)到硬盤(pán)中，實(shí)現(xiàn)了變速率存儲(chǔ)的要求，數(shù)據(jù)準(zhǔn)確且精度較高。使用獲取卷信息函數(shù)與全局變量的方法解決了硬盤(pán)剩余空間觀察不便的問(wèn)題，使軟件使用更加方便，保證了硬盤(pán)的可靠存儲(chǔ)。

圖8 硬盤(pán)數(shù)據(jù)

6 結(jié)束語(yǔ)

自動(dòng)變速率數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)根據(jù)采集到的數(shù)據(jù)判斷采用何種采集速率，采用局部變量傳遞采集速率實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)變速率采集，速率轉(zhuǎn)換過(guò)程和軟件運(yùn)行期間存在固定的系統(tǒng)時(shí)間，因此會(huì)出現(xiàn)時(shí)間偏差，時(shí)間偏差相對(duì)整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間來(lái)說(shuō)在可接受范圍之內(nèi)。硬盤(pán)存儲(chǔ)空間較大，無(wú)法判斷長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行情況下硬盤(pán)空間是否已滿，采用獲取卷信息函數(shù)的方法來(lái)獲取硬盤(pán)剩余空間，以便及時(shí)更換硬盤(pán)，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的可靠存儲(chǔ)。

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