惠國娟 葛朓琳 鄢 思 邱佳偉

基于PXI總線的數(shù)據(jù)采集技術(shù)研究

惠國娟1葛朓琳2鄢 思1邱佳偉1

（1. 上海航天精密機(jī)械研究所，上海 201600；2. 上海機(jī)電工程研究所，上海 201109）

針對產(chǎn)品測試中數(shù)據(jù)采集的需求，提出了基于PXI總線的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，通過硬件統(tǒng)一配置，軟件模塊化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)信號的單通道采集和多通道采集，功能上滿足無源阻值導(dǎo)通和不同類型電壓信號采集的需求。

PXI總線；數(shù)據(jù)采集；單通道；多通道

1 引言

隨著自動化測試技術(shù)的不斷發(fā)展，基于PXI總線的虛擬儀器測試系統(tǒng)已成為總線化自動測試系統(tǒng)的一個(gè)重要分支。在航空航天領(lǐng)域，PXI總線測試系統(tǒng)也得到了廣泛應(yīng)用。本文基于PXI總線的數(shù)據(jù)采集技術(shù)展開研究，設(shè)計(jì)研究了一套數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了參數(shù)可配置的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集顯示、保存及數(shù)據(jù)回放等功能。

2 PXI總線介紹

PXI是NI公司于1997年發(fā)布的一種全新的開放性、模塊化儀器總線規(guī)則。PXI是以PCI及CompatPCI為基礎(chǔ)再加上一些PXI特有的信號組合而構(gòu)成的一個(gè)架構(gòu)，它通過增加用于多板同步觸發(fā)總線和參考時(shí)鐘、用于精準(zhǔn)定時(shí)的星形觸發(fā)總線以及相鄰模塊間高速通訊的具備總線來滿足實(shí)驗(yàn)和測量用戶的要求。PXI總線具有可靠性高、數(shù)據(jù)方式靈活、標(biāo)準(zhǔn)化程度高等特點(diǎn)，在航空航天領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

3 系統(tǒng)組成和總體設(shè)計(jì)原理

圖1 系統(tǒng)整體架構(gòu)圖

設(shè)計(jì)的基于PXI總線的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，系統(tǒng)整體架構(gòu)如圖1所示，硬件驅(qū)動程序?yàn)長abview中的數(shù)據(jù)采集硬件驅(qū)動程序，通過操作命令完成與硬件之間的數(shù)據(jù)傳遞。用戶通過驅(qū)動程序的接口對配置的數(shù)據(jù)采集硬件進(jìn)行所需的配置和測試，數(shù)據(jù)采集軟件按照設(shè)置采集、分析與處理相應(yīng)的數(shù)據(jù)。

3.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

根據(jù)測試需求，結(jié)合PXI系統(tǒng)特點(diǎn)，系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)選用以下PXI模塊化儀器：

機(jī)箱：標(biāo)準(zhǔn)NI PXI-1050機(jī)箱，8槽PXI，4槽SCXI（信號調(diào)理）；

控制器：內(nèi)嵌式系統(tǒng)控制器NI PXI-8110，2.26GHz Intelcore Q9100四核處理器，500G高性能硬盤，最高支持4G內(nèi)存；

模塊化儀表：PXI-4070，內(nèi)置12項(xiàng)測試功能的通用數(shù)字萬用表，可測電壓范圍±300VDC，電阻范圍0～100MΩ；

數(shù)據(jù)采集卡：a. PXI-6071E，具有64路單端/32路差分模擬輸入，采樣率1.25MS/s；b. PXI-6225，具有80路單端/40路差分模擬輸入，采樣率250KS/s；c. SCXI-1125，8通道隔離，±300VDC，10kHz濾波器，用于SCXI的電壓輸入模塊，所有通道可多路復(fù)用控制DAQ設(shè)備的單個(gè)通道，增加DAQ的通道數(shù)；

矩陣開關(guān)：PXI-1166，32通道，±150VDC；

多路復(fù)用開關(guān)：SCXI-1130，256路單線通路，128路雙線通路。

圖2 系統(tǒng)硬件配置框圖

系統(tǒng)硬件配置如圖2所示，控制器板卡、DAQ板卡、數(shù)字萬用表板卡、開關(guān)板卡等通過PXI機(jī)箱內(nèi)部總線組成一個(gè)測試系統(tǒng)，通過外部適配器、測試電纜與產(chǎn)品對接，通過控制器連接顯示器、鼠標(biāo)、鍵盤，形成人機(jī)交互界面。

根據(jù)被測產(chǎn)品信號特征，系統(tǒng)對DAQ模塊板卡進(jìn)行了信號區(qū)分，低壓信號（不高于10V）通過PXI-6071E、PXI-6225板卡采集，高壓信號（不高于300V）通過SCXI-1125板卡采集。

3.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

基于PXI總線的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)，應(yīng)用基于Labview虛擬儀器的開發(fā)技術(shù)，采用模塊化和層次化設(shè)計(jì)思想，根據(jù)測試要求，將系統(tǒng)分為兩個(gè)功能模塊：單通道數(shù)據(jù)采集及監(jiān)測模塊、多通道并行數(shù)據(jù)采集及監(jiān)測模塊。系統(tǒng)軟件工作流程圖如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)軟件工作流程圖

軟件中單通道數(shù)據(jù)采集監(jiān)測模式主要用于無源阻值導(dǎo)通或單路信號電壓測量，信號測量模式為串行模式；多通道數(shù)據(jù)采集監(jiān)測模式，信號測量模式為并行模式，主要用于測試過程中數(shù)據(jù)曲線的實(shí)時(shí)顯示，此方案設(shè)計(jì)的軟件界面最多可同時(shí)顯示六路信號波形。

4 系統(tǒng)詳細(xì)設(shè)計(jì)

4.1 單通道數(shù)據(jù)采集及監(jiān)測模塊

4.1.1 信號通路設(shè)計(jì)

圖4 單通道信號通路設(shè)計(jì)圖

單通道數(shù)據(jù)采集及監(jiān)測模塊信號通路設(shè)計(jì)圖如圖4所示，功能實(shí)現(xiàn)通過PXI-4070萬用表板卡和SCXI-1130多路復(fù)用開關(guān)組合實(shí)現(xiàn)，SCXI-1130為單線制256通道/兩線制128通道高壓多路復(fù)用開關(guān)，配合SCXI-1377接線盒使用，采用兩線制接線方式，SCXI-1377板卡輸出OUT-0、OUT-1分別接萬用表板卡的正、負(fù)輸入端，需測試信號正負(fù)端接入SCXI-1377板卡對應(yīng)的正負(fù)輸入接線點(diǎn)，軟件做好相應(yīng)的信號點(diǎn)配置，即可實(shí)現(xiàn)單路信號選通采集及監(jiān)測。

4.1.2 軟件模塊設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)首先定義每一信號通路對應(yīng)的信號，并將信號名稱在用戶交互界面以列表框形式顯示，PXI-4070萬用表板卡功能選項(xiàng)作為可配置項(xiàng)（可選擇電阻或電壓測量）在用戶界面顯示，萬用表板卡輸出同時(shí)接入波形圖在用戶界面顯示，單通道數(shù)據(jù)采集軟件流程如圖5所示。

圖5 單通道采集軟件流程圖

本方案設(shè)計(jì)的單通路采集及監(jiān)測模塊主要特點(diǎn)：一次采集并顯示一個(gè)通路阻值或電壓信號，電壓測量模式下測量范圍為±300VDC，通過軟件功能設(shè)置，可實(shí)現(xiàn)電阻測量和電壓測量的切換；通過定制轉(zhuǎn)接電纜與適配器連接，以及軟件參數(shù)配置，可實(shí)現(xiàn)模塊通用化，滿足不同產(chǎn)品的測試需求。

4.2 多通道并行數(shù)據(jù)采集及監(jiān)測模塊

4.2.1 信號通路設(shè)計(jì)

多通道并行數(shù)據(jù)采集及監(jiān)測模塊信號通路設(shè)計(jì)如圖6所示，根據(jù)采集板卡的特性，需對輸入信號進(jìn)行分類：采集小于10V的單端輸入或差分輸入信號使用PXI-6071E、PXI-6225板卡；采集大于10V（不大于300V）的直流電壓信號使用SCXI-1125板卡（差分輸入模式）。其中，SCXI-1125板卡配合1166矩陣開關(guān)進(jìn)行通道開關(guān)控制，通過1166矩陣開關(guān)切換輸入通道，可將SCXI-1125板卡輸入信號通道由8路拓展為16路。

圖6 多通道信號通路設(shè)計(jì)圖

4.2.2 軟件模塊設(shè)計(jì)

將所有通路信號進(jìn)行信號定義，形成數(shù)列輸入列表框，用戶界面放置6個(gè)波形圖控件，每個(gè)波形圖均放置一個(gè)信號列表框供用戶選擇需要監(jiān)測的信號，軟件界面示意圖如圖7所示，軟件運(yùn)行時(shí)，只需在列表框選擇需需顯示信號，波形圖框即時(shí)顯示信號波形。

本方案設(shè)計(jì)的多通道并行數(shù)據(jù)采集及監(jiān)測模塊主要特點(diǎn)：多路信號同步采集并保存，軟件界面可同步顯示6路信號（顯示通路數(shù)由軟件設(shè)定），后續(xù)可查看保存的信號曲線；通過定制轉(zhuǎn)接電纜與適配器連接，以及軟件參數(shù)配置，可實(shí)現(xiàn)模塊通用化，從而滿足不同產(chǎn)品的測試需求。

4.2.3 試驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)本方案設(shè)計(jì)思路，搭建了硬件系統(tǒng)，配置了相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集軟件，針對單通道和多通道模式，分別輸入單路和6路5V直流電壓，并進(jìn)行通斷操作，從波形圖中可實(shí)時(shí)監(jiān)測到電壓通斷響應(yīng)信號，顯示的信號波形變化與實(shí)際通斷變化相一致，且經(jīng)多次試驗(yàn)驗(yàn)證，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定。

5 結(jié)束語

針對不同信號數(shù)據(jù)采集的需求，提出了一種基于PXI總線的數(shù)據(jù)采集監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，通過硬件固定配置、軟件參數(shù)可配置，配合不同的適配器，可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的通用化設(shè)計(jì)。通過試驗(yàn)驗(yàn)證，本方案設(shè)計(jì)的系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，各項(xiàng)數(shù)據(jù)采集功能運(yùn)行正常，為進(jìn)一步提高數(shù)據(jù)采集效率及系統(tǒng)的通用型開發(fā)研究提供了基礎(chǔ)。

1 謝冰，陳昌鑫，鄭賓. 基于Labview的數(shù)據(jù)采集及信號處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2011，14：173～175

2 張宇，黃偉忠，郝巖. 基于Labview的多功能數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]. 自動化儀表，2013(8)：24～26

3 楊忠仁，饒程，鄒建. 基于Labview的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)[J]. 重慶大學(xué)學(xué)報(bào)，2004(2)：32～34

4 崔紅梅. 面向測試系統(tǒng)的虛擬儀器設(shè)計(jì)與應(yīng)用研究[D]. 呼和浩特：內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)，2007

Research on Data Acquisition Technology based on PXI Bus

Hui Guojuan1Ge Tiaolin2Yan Si1Qiu Jiawei1

(1. Shanghai Aerospace Precision Machinery Research Institute, Shanghai 201600；2. Shanghai Electromechanical Engineering Research Institute, Shanghai 201109)

According to the demand of data acquisition in product testing, this paper puts forward a design scheme of data acquisition system based on PXI bus. Through unified hardware configuration and modular software design, single channel acquisition and multi-channel acquisition of signal are realized, which can meet the requirements of passive resistance conduction and different types of voltage signal acquisition.

PXI bus；data acquisition；single channel；multi-channel

TP274+.2

B

惠國娟（1979），高級工程師；測試技術(shù)專業(yè)；研究方向：數(shù)據(jù)采集技術(shù)。

2021-01-25