基于虛擬儀器的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

向韻麟

關(guān)鍵詞： 數(shù)據(jù)處理; 系統(tǒng)設(shè)計; 虛擬儀器; 數(shù)據(jù)采集; 跨平臺; 運行效率

中圖分類號： TN919?34; TP274 ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標(biāo)識碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號： 1004?373X（2019）02?0005?04

Design and implementation of data processing system based on virtual instrument

XIANG Yunlin

（Wuhan University， Wuhan 430072， China）

Abstract： The traditional data processing system mainly takes the data of SCADA as the core， and uses the cross?platform as the data architecture to design the processing system. As a result， the data processing of the system without shared memory is inaccurate and inefficient. Therefore， a data processing system based on the virtual instrument is proposed and designed. The system is mainly divided into two parts of hardware and software. The hardware is mainly composed of the virtual instrument， digital I/O card， circular data acquisition card and data dispatching module. In the software part， the software implementation process of the data processing system is given. The experimental analysis was carried out. The experimental results show that in comparison with the traditional system， the improved design system for data processing has superior operation efficiency and higher accuracy of data processing results， which has a certain advantages.

Keywords： data processing; system design; virtual instrument; data acquisition; cross?platform; operation efficiency

0 ?引 ?言

20世紀(jì)80年代，世界上第一臺虛擬儀器問世，美國國家儀器公司NI第一次給出虛擬儀器的定義：虛擬儀器是一種可以實現(xiàn)用戶與計算機互動的計算機儀器系統(tǒng)。其原理是以計算機作為系統(tǒng)控制器，通過軟件達到人機互動目的，并且通過軟件還能實現(xiàn)儀器大部分的功能。虛擬儀器可以讓用戶按照自己的想法在虛擬面板上進行設(shè)計，通過測試軟件達到用戶所設(shè)計產(chǎn)物所具有的功能。虛擬儀器的功能包含了信號源、示波器、總線分析儀和諧波分析器等傳統(tǒng)測量儀器所具有的功能[1]。隨著電子技術(shù)和計算機技術(shù)的高速發(fā)展，誕生出一批打破了傳統(tǒng)儀器概念的新數(shù)據(jù)處理方法、理論和儀器，新的儀器技術(shù)從本質(zhì)上就與傳統(tǒng)的儀器不同。為了滿足不同用戶所具有的獨特需求，研究人員借助計算機來構(gòu)建數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，由此產(chǎn)生了虛擬儀器[2]。

傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理至少需要兩種儀器：一種是磁帶記錄儀，用來記錄電路信號;另一種是頻譜分析儀，用來對電路信號進行分析。傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)不僅存儲不方便，更改不方便，分析也不方便。因而，設(shè)計具有高準(zhǔn)確度、操作便利，能夠轉(zhuǎn)移、強大分析和處理功能的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)是至關(guān)重要的。

1 ?數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

在對數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)設(shè)計過程中，其主要由數(shù)據(jù)采集卡、數(shù)字I/O卡、傳感器、信號發(fā)生器、繼電器、計算機等組成，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)工作原理圖如圖1所示。

由圖1可以看出，用戶將其自定義的信息通過計算機及外部設(shè)備輸入到系統(tǒng)內(nèi)，由于輸入的信號并不能被采集卡直接使用，因此需要信號調(diào)理部分將輸入的電路信號轉(zhuǎn)化為采集卡能夠使用的信號。信號調(diào)理部分包含多個模塊，具體有電壓和電流的傳感器和電路放大器[3]。數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)能夠自動檢測被測設(shè)備的各種指標(biāo)，其原理是采用數(shù)字I/O卡模塊，它能夠控制繼電器的陣列，對輸入不同的電力信號進行自動的切換，以此來實現(xiàn)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的自動測試功能。信號發(fā)生器作為信號源，經(jīng)功率放大后提供給接收設(shè)備[4]。

2 ?硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 ?虛擬儀器的系統(tǒng)構(gòu)成

市面上的虛擬儀器有的是由一種系統(tǒng)構(gòu)成，還有的是由多種系統(tǒng)組合構(gòu)成。目前市面上常用的虛擬儀器有數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)[5]、GPIB儀器系統(tǒng)、VXI儀器系統(tǒng)以及將這三種系統(tǒng)組合的虛擬儀器。虛擬儀器的具體結(jié)構(gòu)見圖2。

2.2 ?數(shù)字I/O卡

數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的數(shù)字I/O卡模塊采用NI PCI?6503型號的設(shè)備。選用NI PCI?6503型號的主要原因是它的外圍接口達到24位，且每個外圍接口都可以實現(xiàn)程序編輯，也就是說該型號的設(shè)備擁有24路數(shù)字I/O通道可以使用。除此之外，NI PCI?6503型號設(shè)備還具有即插即用的優(yōu)點，不需要獨立的板卡管理器就可以工作。如圖3所示，PCI?6503型號設(shè)備是由輸入通道接口電路、輸入端子、82C55數(shù)字接口芯片、輸出端子、輸出通道接口電路組成[6]。

2.3 ?循環(huán)數(shù)據(jù)采集卡

傳統(tǒng)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)采用單面采集卡進行數(shù)據(jù)采集，然而，有些數(shù)據(jù)的流量過大，并且對其采集所需要的時間較長，單面采集卡進行數(shù)據(jù)采集時運行所需要的RAM過大，幾乎不能實現(xiàn)[7?8]。因此本文設(shè)計的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，在考慮了計算機帶寬約束條件后，采用雙RAM進行數(shù)據(jù)采集，其具有價格低廉和速度快的優(yōu)點。數(shù)據(jù)采集卡的具體結(jié)構(gòu)見圖4。

通過計算機對控制邏輯復(fù)位，此時RAM1處于只寫的狀態(tài)，而RAM2處于可讀、可寫、可查找三狀態(tài)，地址計數(shù)器還原為0，此時將觸動A/D轉(zhuǎn)換。將轉(zhuǎn)換完成的數(shù)據(jù)存入RAM1中，然后觸動下一次A/D轉(zhuǎn)換，直到將RAM1存滿。RAM1存滿后，由控制邏輯將RAM1的只寫狀態(tài)更改為只讀狀態(tài)，RAM2更換為只寫狀態(tài)，將A/D轉(zhuǎn)換完成的數(shù)據(jù)存入RAM2[9]。在RAM1從只寫狀態(tài)轉(zhuǎn)換到只讀狀態(tài)的同時，地址計數(shù)器還原為0，發(fā)出的脈沖將觸動計算機進行取數(shù)，由于ISA總線在發(fā)出讀周期時RAM1會向總線發(fā)送數(shù)據(jù)[10]，因此對計算機讀一個數(shù)據(jù)并將其存儲僅硬盤的速度有很高的要求，該速度必須高于A/D轉(zhuǎn)換一次所用的時間，這樣才不會發(fā)生掉數(shù)的現(xiàn)象。

2.4 ?數(shù)據(jù)調(diào)度模塊

由計算框架自帶的調(diào)度器對分配到的空閑資源進行更加細(xì)粒度的分配和調(diào)度。整個資源調(diào)度器的架構(gòu)設(shè)計如圖5所示。

規(guī)則庫是資源調(diào)度器的調(diào)度依據(jù)，包括元數(shù)據(jù)庫、靜態(tài)特征庫和動態(tài)特征庫[11]。元數(shù)據(jù)庫常駐內(nèi)存，記錄了整個處理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)名稱、數(shù)據(jù)類型、數(shù)據(jù)范圍等基本數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)信息;靜態(tài)特征庫記錄了數(shù)據(jù)的實時度、關(guān)聯(lián)度等信息;動態(tài)特征庫記錄了動態(tài)數(shù)據(jù)信息。

3 ?軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計

在軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中，主要對數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)分析處理模塊和數(shù)據(jù)顯示存儲模塊進行分析并研究。其中，數(shù)據(jù)采集模塊的主要目的是為數(shù)據(jù)分析處理模塊提供數(shù)據(jù)源，其原理是通過數(shù)據(jù)采集卡采集被測信號，實現(xiàn)數(shù)據(jù)源的提供[12];數(shù)據(jù)分析處理模塊的主要功能是對數(shù)據(jù)采集模塊傳輸過來的信號進行濾波和FFT變換等，同時依照檢測到的信號特點對檢測的數(shù)據(jù)進行有時效性的分析;數(shù)據(jù)顯示存儲模塊是依據(jù)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的規(guī)則將信號的時域、頻域波形和其他參數(shù)等數(shù)據(jù)信息顯示在虛擬面板上。軟件設(shè)計流程如圖6所示。

4 ?實驗結(jié)果分析

4.1 ?實驗參數(shù)設(shè)置

實驗中其軟硬件參數(shù)設(shè)置如表1所示。

4.2 ?實驗結(jié)果分析

為了驗證改進系統(tǒng)在數(shù)據(jù)處理方面的有效性及可行性，以系統(tǒng)對數(shù)據(jù)處理精確度為指標(biāo)，采用改進系統(tǒng)與傳統(tǒng)跨平臺系統(tǒng)為對比，進行實驗對比分析，結(jié)果如圖7、圖8所示。圖中長方形部分表示數(shù)據(jù)處理部分，實心部分表示數(shù)據(jù)處理不全面。由圖7和圖8可知，采用傳統(tǒng)跨平臺系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)處理時，其數(shù)據(jù)處理過程中多次出現(xiàn)數(shù)據(jù)處理不全面且處理不完成的現(xiàn)象，約為14次，90.5 GB;采用改進處理系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)處理時，其數(shù)據(jù)處理結(jié)果出現(xiàn)3次處理不全面的問題，處理量達到了132.6 GB，相比傳統(tǒng)跨平臺系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理過程中出現(xiàn)處理不全的次數(shù)降低了11次，且數(shù)據(jù)處理量增加，具有一定的優(yōu)勢。

5 ?結(jié) ?論

針對傳統(tǒng)系統(tǒng)在處理數(shù)據(jù)過程中一直存在處理不全面且效率低的問題，提出并設(shè)計了基于虛擬儀器的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，并進行實驗分析。實驗結(jié)果表明，采用改進設(shè)計系統(tǒng)對數(shù)據(jù)進行處理，其系統(tǒng)的運行效率要優(yōu)于傳統(tǒng)系統(tǒng)，且數(shù)據(jù)處理結(jié)果準(zhǔn)確度較高，具有一定的優(yōu)勢。

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