摘 要：PXIe硬件數(shù)據(jù)設(shè)備采用PCI Express總線技術(shù)，具有較好的性能。同時(shí)，通過(guò)模塊化的組合，使得采集系統(tǒng)具有可擴(kuò)展性。因此，該文采用C#語(yǔ)言，基于PXIe硬件，設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)一套數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。該數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)具有采集通道配置、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集和歷史數(shù)據(jù)回放3種主要功能。試驗(yàn)結(jié)果表明該系統(tǒng)可以方便和高效地采集機(jī)械設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中的相關(guān)數(shù)據(jù)。

關(guān)鍵詞：PXIe硬件；數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)；C#語(yǔ)言；模塊化組合；設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：TP31 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2024）31-0109-04

Abstract： The PXIe hardware data device adopts PCI Express bus technology and has good performance; at the same time， through the modular combination， the acquisition system is scalable. Therefore， this paper designs and develops a data acquisition system based on PXIe hardware using C# language. The data acquisition system has three main functions： acquisition channel configuration， real-time data acquisition and historical data playback. Test results show that the system can collect relevant data during the operation of mechanical equipment conveniently and efficiently.

Keywords： PXIe hardware; data acquisition system; C# language; modular combination; design

在當(dāng)前工業(yè)4.0和智能制造的大背景下，機(jī)械設(shè)備的數(shù)據(jù)采集與分析已成為提升生產(chǎn)效率、保障設(shè)備安全運(yùn)行的關(guān)鍵。傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集硬件種類較少，適用范圍狹小，且不具備可組合性，采集系統(tǒng)高度依賴采集硬件導(dǎo)致靈活性較低，隨著物聯(lián)網(wǎng)（IoT）、大數(shù)據(jù)和云計(jì)算等技術(shù)的發(fā)展，構(gòu)建一個(gè)高效、智能的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)變得越來(lái)越重要。國(guó)內(nèi)外已經(jīng)有許多學(xué)者對(duì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行了深入研究，Temple等[1]開(kāi)發(fā)了一個(gè)用于佩戴式傳感器高分辨率數(shù)據(jù)采集和實(shí)時(shí)處理的模塊化開(kāi)源核心系統(tǒng)，為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供了新思路；Ilias等[2]建立了一個(gè)用于手術(shù)中多模態(tài)數(shù)據(jù)同步采集的模塊化系統(tǒng)，為臨床數(shù)據(jù)庫(kù)的建立提供了重要支持；Soto-Ocampo等[3]研究了用于旋轉(zhuǎn)機(jī)械狀態(tài)監(jiān)測(cè)的低成本、高頻率數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，為振動(dòng)分析和機(jī)械設(shè)備監(jiān)測(cè)提供了新的解決方案。李茂泉[4]基于嵌入式的多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)傳感器平臺(tái)或電子設(shè)備輸出的直流電信號(hào)、室內(nèi)環(huán)境信息進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、采集、顯示、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等功能，但數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的可擴(kuò)展性較差，無(wú)法按照需求添加后續(xù)模塊。唐宇楓[5]基于FPGA的高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)，能根據(jù)不同傳感器的數(shù)據(jù)采集需求調(diào)整FPGA的內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)，具有一定的通用性，但其穩(wěn)定性不高。姚爽[6]基于PXIe的數(shù)據(jù)采集模塊中數(shù)據(jù)傳輸及存儲(chǔ)的設(shè)計(jì)，通過(guò)在FPGA內(nèi)部調(diào)用PCIe IP核實(shí)現(xiàn)了PCIe高速傳輸?shù)墓δ埽ㄟ^(guò)對(duì)DDR3控制器的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)功能，對(duì)DMA控制器的設(shè)計(jì)則有效減輕了處理器的壓力，提升了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的性能。陳洋等[7]在文獻(xiàn)中提到了基于FPGA的拉曼分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集處理模塊設(shè)計(jì)，展示了在光纖測(cè)溫系統(tǒng)中數(shù)據(jù)采集處理模塊的重要性和設(shè)計(jì)方法。譚光興等[8]則介紹了基于Java語(yǔ)言的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，強(qiáng)調(diào)了遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和數(shù)據(jù)處理方面的應(yīng)用前景。通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究現(xiàn)狀的分析，可以看出數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在各個(gè)領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用前景。

PXIe的全稱為PCI Extensions for Instrumentation，是一種硬件標(biāo)準(zhǔn)體系并且可以應(yīng)用于測(cè)試與測(cè)量領(lǐng)域的開(kāi)放性，PXIe融合了高速的PCI Express總線技術(shù)與精密的定時(shí)同步機(jī)能[9]。PXIe可以提供堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)設(shè)施支撐以滿足高效率數(shù)據(jù)獲取和自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)的應(yīng)用。PXIe系統(tǒng)與傳統(tǒng)的測(cè)試架構(gòu)對(duì)比，可以展現(xiàn)出更優(yōu)的帶寬性能和更低的延遲特性，故而成為實(shí)時(shí)數(shù)字信號(hào)處理及高速數(shù)據(jù)采集的首選方案。因此，本文針對(duì)PXIe硬件系統(tǒng)，開(kāi)發(fā)了一套數(shù)據(jù)采集軟件。

1 PXIe硬件采集設(shè)備

本文采用簡(jiǎn)儀公司出產(chǎn)的PXIe-69529和PXIe-69818兩款PXIe數(shù)據(jù)采集卡，以及PXIe-2315數(shù)據(jù)采集機(jī)箱共同組成數(shù)據(jù)采集的硬件，如圖1所示。PXIe-69529為8通道24位高速采集卡，輸入范圍為±1 V和±10 V，最高采樣速率為204.8 kS/s，同時(shí)通道支持直流耦合IEPE功能。PXIe-69818為8通道16位超高速采集卡，輸入范圍為±1 V和±10 V，最高采樣速率為125 MS/s，不支持IEPE功能。PXIe-2315為5槽混合插槽機(jī)箱，具有高數(shù)據(jù)傳輸、高時(shí)鐘精度、低相位抖動(dòng)和低功耗波紋噪聲的特定，專為PXIe數(shù)據(jù)采集卡而設(shè)計(jì)。

2 數(shù)據(jù)采集軟件的設(shè)計(jì)

在PXIe硬件數(shù)據(jù)采集設(shè)備的基礎(chǔ)上，開(kāi)發(fā)相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集軟件。根據(jù)對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)采集軟件的調(diào)研和分析，將本文所開(kāi)發(fā)的數(shù)據(jù)采集軟件劃分為四大主要功能：采集通道配置、采樣參數(shù)設(shè)置功能、在線數(shù)據(jù)采集功能和歷史數(shù)據(jù)回放功能。

采集通道配置方面：首先，根據(jù)采集任務(wù)的要求，選擇不同類型的傳感器接入采集卡，雖然傳感器的輸出大部分為電壓值，但是需要在軟件中設(shè)置通道的輸入電壓范圍，以保證采集到數(shù)據(jù)處于最佳的采集區(qū)間，保障采集數(shù)據(jù)的精確性。其次，需要設(shè)置通道增益系數(shù)和通道偏置系統(tǒng)，將采集到的電壓值轉(zhuǎn)化為所對(duì)應(yīng)的物理量。然而，在機(jī)械測(cè)試領(lǐng)域，經(jīng)常采用IEPE型加速度傳感器采集加速度信號(hào)，如果采集板卡支持IEPE功能，當(dāng)接入IEPE型加速度傳感器的時(shí)候，需要打開(kāi)IEPE開(kāi)關(guān)，讓板卡對(duì)IEPE傳感器提供4 mA的電流激勵(lì)。此外，還可以選擇DC或者AC模式確定是否濾除采集數(shù)據(jù)中的直流分量；進(jìn)一步可以設(shè)置濾波器，對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波。

采樣參數(shù)設(shè)置方面：設(shè)置數(shù)據(jù)采集中2個(gè)關(guān)鍵的參數(shù)、采樣頻率和采樣點(diǎn)數(shù)。采樣頻率直接決定采集數(shù)據(jù)的正確性，根據(jù)奈奎斯特采樣定理，采樣頻率必須大于待采集數(shù)據(jù)所包含最大頻率的2倍以上，工程中通常設(shè)置為2.56倍。如果不清楚待采集信號(hào)的頻率分布，可以根據(jù)上文描述的設(shè)置濾波器環(huán)節(jié)，預(yù)先設(shè)定一個(gè)低通濾波器，此時(shí)為抗混疊濾波器，將采樣頻率設(shè)定為低通濾波器截止頻率的2.56倍即可。采樣點(diǎn)數(shù)決定了采集數(shù)據(jù)的頻率分辨率，當(dāng)需要分析較細(xì)節(jié)的信號(hào)時(shí)，則增大采樣點(diǎn)數(shù)。當(dāng)采樣頻率和采樣點(diǎn)數(shù)確定后，自動(dòng)確定每條數(shù)據(jù)的采集時(shí)間。同時(shí)，在采樣模式上分為手動(dòng)采集、定時(shí)采集和觸發(fā)采集。手動(dòng)采集為數(shù)據(jù)采集人員手動(dòng)點(diǎn)擊開(kāi)始采集按鈕和采集結(jié)束按鈕，整個(gè)采集過(guò)程完全由采集人員來(lái)控制。定時(shí)采集為設(shè)定間隔時(shí)間和總的采集次數(shù)后，軟件自動(dòng)定時(shí)采集數(shù)據(jù)。觸發(fā)采樣為采集板卡接入外部觸發(fā)源，根據(jù)觸發(fā)信號(hào)自動(dòng)采集數(shù)據(jù)。

在線數(shù)據(jù)采集方面：當(dāng)設(shè)定好通道參數(shù)和采樣參數(shù)后，可以對(duì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。采集的過(guò)程中，各b99a5667efe6628b1b48b8cbbf4b0ced通道采集到的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示其時(shí)域波形，并可以對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行FFT變化，觀察數(shù)據(jù)的頻譜狀況，從而判斷傳感器或者采集設(shè)備硬件是否有外部干擾、通道參數(shù)是否設(shè)置正確、采樣參數(shù)是否設(shè)置合理以及目前采集的數(shù)據(jù)是否正確。與此同時(shí)，實(shí)時(shí)保存所采集到的各通道數(shù)據(jù)。

歷史數(shù)據(jù)回放方面：當(dāng)數(shù)據(jù)采集完畢后，應(yīng)用歷史數(shù)據(jù)回放功能，可以對(duì)已經(jīng)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行回放，回放的內(nèi)容包括采集通道配置信息，采樣參數(shù)設(shè)置信息，不同通道的時(shí)域波形數(shù)據(jù)，不同通道的頻域波形數(shù)據(jù)。同時(shí)，具有數(shù)據(jù)導(dǎo)出功能，可以將采集的原始數(shù)據(jù)文件導(dǎo)出。

根據(jù)設(shè)計(jì)思路，數(shù)據(jù)采集軟件的運(yùn)行流程如圖2所示。開(kāi)始運(yùn)行數(shù)據(jù)采集程序后，首先根據(jù)采集要求，設(shè)置通道參數(shù)和采樣參數(shù)，然后選擇采樣模式。軟件會(huì)根據(jù)設(shè)定的條件，自動(dòng)檢測(cè)參數(shù)設(shè)置的合理性，當(dāng)發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤后，參數(shù)設(shè)置界面會(huì)重置，并顯示錯(cuò)誤信息。開(kāi)始采集后，數(shù)據(jù)一方面實(shí)時(shí)顯示，一方面存儲(chǔ)。采集結(jié)束后，可以對(duì)已采集數(shù)據(jù)進(jìn)行回放。

3 數(shù)據(jù)采集軟件的實(shí)現(xiàn)

應(yīng)用C#語(yǔ)言，開(kāi)發(fā)了數(shù)據(jù)采集軟件。軟件的采集通道參數(shù)配置和采集參數(shù)設(shè)置界面如圖3所示。界面的上半部分為采集通道參數(shù)配置，下半部分為采集參數(shù)設(shè)置界面，設(shè)置內(nèi)容如上文所述。此外，為了避免對(duì)常用的測(cè)試任務(wù)反復(fù)設(shè)定通道參數(shù)和采集參數(shù)，可以將設(shè)置好的通道參數(shù)和采集參數(shù)保存為配置文件，再次測(cè)試時(shí)，直接讀取已保存的配置文件即可，有效地減少了工作量，降低了出錯(cuò)的概率。

實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集界面如圖4所示。在數(shù)據(jù)采集過(guò)程中，同時(shí)各通道的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示窗口，可以方便地觀察各通道的時(shí)域波形或者幅值譜。在顯示功能方面，每個(gè)圖形顯示窗口都可以放大，方便觀察信號(hào)的細(xì)節(jié)。

歷史數(shù)據(jù)回放界面如圖5所示。加載已采集數(shù)據(jù)后，所有的數(shù)據(jù)文件展示在界面的左側(cè)欄，點(diǎn)擊某一個(gè)數(shù)據(jù)文件，則該數(shù)據(jù)文件包含的各通道數(shù)據(jù)在右側(cè)顯示。與此同時(shí)，采集通道配置和采樣參數(shù)設(shè)置信息，在界面的上部區(qū)域顯示。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

應(yīng)用所開(kāi)發(fā)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對(duì)機(jī)械密封試驗(yàn)臺(tái)運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中的相關(guān)信號(hào)進(jìn)行采集，包括聲發(fā)射信號(hào)、電渦流信號(hào)、預(yù)緊力信號(hào)和溫度信號(hào)，如圖6所示。

導(dǎo)出部分4通道溫度數(shù)據(jù)、預(yù)緊力數(shù)據(jù)和聲發(fā)射數(shù)據(jù)，分別作圖，如圖7、圖8和圖9所示。

可以發(fā)現(xiàn)上述數(shù)據(jù)較好地反映了試驗(yàn)密封的運(yùn)行狀態(tài)，也說(shuō)明了本文所開(kāi)發(fā)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的有效性。

5 結(jié)論

本文針對(duì)PXIe硬件數(shù)據(jù)采集設(shè)備，開(kāi)發(fā)了相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集軟件。軟件為通用型數(shù)據(jù)采集軟件，可以根據(jù)不同的測(cè)試任務(wù)和要求便捷地設(shè)置通道參數(shù)和采樣參數(shù)。在采集過(guò)程中，可以實(shí)時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行觀察，判斷采集數(shù)據(jù)的正確性。采集完畢后，除了回放歷史數(shù)據(jù)，還可以將數(shù)據(jù)導(dǎo)出，應(yīng)用其他軟件，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步的分析。

參考文獻(xiàn)：

[1] TEMPLE S D， CRAVER H M， GAUR P， et al. Modular Open-Core System for Collection and Near Real-Time Processing of High-Resolution Data from Wearable Sensors[J]. Applied System Innovation， 2023，6（5）.

[2] ILIAS M， CHARLES G， CELINE P， et al. A modular system for the synchronized multimodal data acquisition during Awake Surgery： towards the emergence of a dedicated clinical database[J]. Annual International Conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society，2023：1-4.

[3] SOTO-OCAMPO R C， MERA M J， CANO-MORENO D J， et al. Low-Cost， High-Frequency， Data Acquisition System for Condition Monitoring of Rotating Machinery through Vibration Analysis-Case Study[J]. Sensors， 2020，20（12）.

[4] 李茂泉.基于嵌入式的多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D].呼和浩特：內(nèi)蒙古大學(xué)，2021.

[5] 唐宇楓.基于FPGA的高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D].上海：華東師范大學(xué)，2022.

[6] 姚爽.基于PXIe的數(shù)據(jù)采集模塊中數(shù)據(jù)傳輸及存儲(chǔ)的設(shè)計(jì)[D].成都：電子科技大學(xué)，2019.

[7] 陳洋，喬麗君，曹康怡，等.基于FPGA的拉曼分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集處理模塊設(shè)計(jì)[J].激光與光電子學(xué)進(jìn)展，2024，61（17）：117-125.

[8] 譚光興，甘景，戚秋晨.基于Java語(yǔ)言的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].科技與創(chuàng)新，2024（1）：19-22.

[9] 張子涵，劉士興，曹宏睿，等.PXIe平臺(tái)可重構(gòu)數(shù)字化核儀器軟件框架設(shè)計(jì)[J].核電子學(xué)與探測(cè)技術(shù)，2022，42（4）：657-663.