基于NIPXI-5105的多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設計分析

楊佳麗

（中國航發(fā)北京航科發(fā)動機控制系統(tǒng)科技有限公司，北京 102200）

0 引 言

壓力管道在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中的應用非常重要，主要承擔流體運輸工作，如石油輸送管道、化工管道以及其他液體材料管道等。而在管道具體工作中，工作環(huán)境較差和工作強度高都會影響管道使用壽命，也容易引起管道泄漏問題。管道泄漏問題的處理中，管道泄漏位置的信息數(shù)據(jù)采集是重要工作。本文研究的NIPXI-5105采集板卡多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)能夠完成管道泄漏多通道信號的信息采集，并定位監(jiān)控管道的運行工作，對管道維修和管理有非常重要的作用。

1 采集板卡和多通道信號采集器的分析

1.1 采集板卡的簡要介紹

采集板卡也被稱作為數(shù)據(jù)采集板卡，是一種應用計算機拓展技術的數(shù)據(jù)信息采集卡。如USB、PXI、PCI以及PCI Express等都是數(shù)據(jù)采集性能良好的采集板卡。當前，數(shù)據(jù)采集卡的發(fā)展非常快，已經(jīng)能夠滿足不同信號的數(shù)據(jù)采集工作，主要形式包括模擬量輸入板卡、開關量輸入板卡以及多功能板卡等，其中多功能板卡是一種能夠?qū)崿F(xiàn)多種信號采集的板卡裝置。

數(shù)據(jù)采集板卡主要工作技術參數(shù)如下。一是通道數(shù)參數(shù)。通道數(shù)參數(shù)對于數(shù)據(jù)采集板卡的數(shù)據(jù)采集效率有非常重要的影響，當前數(shù)據(jù)采集板卡分為單端采集板卡和差分采集板卡兩種。二是采樣頻率。數(shù)據(jù)采集板卡的采集頻率主要是指單位時間內(nèi)有效采集數(shù)據(jù)的點數(shù)，也是指數(shù)據(jù)采集板卡的工作效率。三是分辨率參數(shù)。數(shù)據(jù)采集板卡分辨率參數(shù)具體是指模擬量值為采樣數(shù)據(jù)的最低位。四是采集量程。數(shù)據(jù)采集板卡的采集量程是指板卡工作中的數(shù)據(jù)采集最大幅度，與數(shù)據(jù)采集板卡的工作范圍半徑有關。五是數(shù)據(jù)采集精度。數(shù)據(jù)采集板卡的數(shù)據(jù)采集精度是指數(shù)據(jù)采集板卡使用中的真實采集值與采集對象實際標準的絕對誤差，通常也代表數(shù)據(jù)采集板卡的工作效率。

NIPXI-5105采集板卡是一種性能優(yōu)良的數(shù)據(jù)采集板卡，具有良好信號數(shù)據(jù)采集精度、分辨率以及采樣頻率，且能夠完成多通道數(shù)應用，因此本文研究中選擇NIPXI-5105采集板卡作為多通道采集系統(tǒng)的基礎模塊。

1.2 多通道信號采集器的簡要介紹

多通道數(shù)據(jù)采集器的使用范圍更廣，是可以模擬信號輸出和采集更多信號的采集裝置，如USB接口數(shù)據(jù)采集產(chǎn)品和SZSC-16S采集系統(tǒng)等。其具有非常良好的信號采集功能，并能夠與電腦、手機以及其他電子設備的終端進行通道連接，不僅能夠提升信號采集功能，而且能夠?qū)崿F(xiàn)信號采集器應用范圍的拓展。當前，多通道信號采集器裝置廣泛應用于農(nóng)業(yè)與工業(yè)生產(chǎn)領域，農(nóng)業(yè)領域中應用的土壤水分傳感檢測裝置就利用了傳感技術與多通道數(shù)據(jù)信號采集技術。此外，多通道信號采集器裝置具有連接方便、數(shù)據(jù)信號采集精度高、信號數(shù)據(jù)采集速度快以及編程簡單的主要特點。另外，由于在本文研究管道泄漏問題采集過程中考慮到泄漏數(shù)據(jù)信號采集效率等因素，因此選擇設計多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

2 壓力管道泄漏位置數(shù)據(jù)信號信息采集的難點

壓力管道是石油化工企業(yè)材料和產(chǎn)品生產(chǎn)運輸?shù)闹匾b置，核心作用就是生產(chǎn)運輸。但是，當前壓力管道使用中經(jīng)常出現(xiàn)泄漏問題，一方面影響到了資源的生產(chǎn)利用，如石油管道泄漏，另一方面也會造成比較嚴重的安全風險，如天然氣壓力管道。因此，在實際生產(chǎn)過程中，對壓力管道泄漏源進行位置信號采集至關重要。而壓力管道的數(shù)據(jù)信號采集比較復雜，主要存在以下幾點信號采集困難。

一是壓力管道的工作運行環(huán)境相對比較差。壓力管道運行屬于室外運行，地下運行環(huán)境、運行環(huán)境溫度、運行環(huán)境濕度以及運行環(huán)境的微生物狀態(tài)都會對壓力管道工作運行造成影響，也會影響到壓力管道的信號采集活動。二是壓力管道在生產(chǎn)運輸中運輸產(chǎn)品和物質(zhì)也會對壓力管道造成一定程度的影響，如運輸?shù)氖秃突ぴ系任锲范季哂幸欢ǜg性，很容易出現(xiàn)壓力管道泄漏問題，并且其泄漏氣體環(huán)境也會對信號采集造成一定干擾，從而影響到信號采集效率。融合NIPXI-5105采集板卡與多通道信號采集系統(tǒng)，將有利于提升整體信號采集系統(tǒng)的采集范圍、采集抗干擾性以及采集速度。

3 NIPXI-5105采集板卡多通道數(shù)據(jù)信息采集系統(tǒng)地設計

3.1 LabVIEW軟件在設計中的應用

LabVIEW軟件是一種程序開發(fā)設計軟件，在具體的程序系統(tǒng)設計中使用到圖形化編輯語言G進行程序系統(tǒng)的編寫設計，其數(shù)據(jù)處理能力非常強大，并且能夠根據(jù)程序設計框圖對系統(tǒng)進行合理地設計。在NIPXI-5105多通道采集系統(tǒng)設計中，利用LabVIEW軟件構(gòu)件了時間狀態(tài)機模式。LabVIEW軟件事件狀態(tài)隨機模式之下，在系統(tǒng)程序設計中可以完成前面板程序設計鎖定。待所有程序流程設計完畢后，設計者想要使用LabVIEW軟件優(yōu)化設計程序時，可以完成對任意程序設計環(huán)節(jié)的解鎖，并對其進行優(yōu)化處理。前面板設計鎖定和解鎖的操作非常簡單，LabVIEW軟件系統(tǒng)模塊中有“鎖定前面板鎖定事件結(jié)束”的對話框，勾選對話框就可以完成鎖定。

3.2 NIPXI-5105采集板卡多通道數(shù)據(jù)信息系統(tǒng)的具體設計

3.2.1 系統(tǒng)整體設計原理分析

NIPXI-5105采集板卡多通道數(shù)據(jù)信息系統(tǒng)的設計原理分析包括以下幾點內(nèi)容。

（1）系統(tǒng)組成包括NIPXI-1041Q計算機箱、NIPXI-5105采集板卡系統(tǒng)以及傳感器系統(tǒng)等。其中NIPXI-1041Q計算機箱主要完成系統(tǒng)的驅(qū)動工作，NIPXI-5105采集板卡系統(tǒng)完成信號輸入與轉(zhuǎn)換的主要工作，而傳感器系統(tǒng)是整個多通道數(shù)據(jù)信息采集系統(tǒng)的前端窗口，主要完成壓力管道泄漏位置的監(jiān)控和信號采集。本次系統(tǒng)設計中采用8路同步采樣通道的NIPXI-5105采集板卡，其信號檢測采集精度更高，設計輸入范圍為50 mV～30 V[1]。

（2）系統(tǒng)軟件設計主要使用LabVIEW軟件，輸入阻抗可以達到50 Ω～1 MΩ，系統(tǒng)最大容量可以512 MB，可有效實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的優(yōu)化。

（3）系統(tǒng)的工作原理。首先，啟動系統(tǒng)后發(fā)出信號采集指令，傳感器采集系統(tǒng)采集被檢測管道的信號，并接收到管道反射信號。其次，NIPXI-5105采集板卡系統(tǒng)開始接收信號，將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號并直接傳輸?shù)缴衔粰C系統(tǒng)中。最后，信號采集信息LabVIEW軟件系統(tǒng)開始處理虛擬數(shù)據(jù)，并利用自身顯示模塊進行顯示，同時完成信號和數(shù)據(jù)的儲存工作。

3.2.2 系統(tǒng)的軟件整體設計

利用LabVIEW進行系統(tǒng)軟件設計，可以最大程度上完成軟件設計的優(yōu)化。以下是本文對系統(tǒng)軟件設計進行的分析。

（1）系統(tǒng)軟件參數(shù)設計。本次系統(tǒng)軟件設計中，系統(tǒng)參數(shù)設計利用LabVIEW軟件的時間狀態(tài)機模型，減少了系統(tǒng)輪詢機制帶來的資源消耗問題，從而保證了參數(shù)設計的合理性。LabVIEW軟件的時間狀態(tài)機模型下系統(tǒng)參數(shù)設計界面如圖1所示。其中，參數(shù)設計內(nèi)容主要包括板卡選擇參數(shù)、通道個數(shù)以及采樣頻率等內(nèi)容，通過合理參數(shù)設置可以保證系統(tǒng)能夠更加高效地完成數(shù)據(jù)采集工作[2]。

圖1 NIPXI-5105采集板卡系統(tǒng)軟件參數(shù)設置界面

（2）系統(tǒng)采集和顯示模塊的設計。NIPXI-5105采集板多通道信息采集系統(tǒng)中數(shù)據(jù)采集和顯示模塊是重要單元，對于系統(tǒng)的功能完善有重要作用。本次軟件設計中利用While循環(huán)結(jié)構(gòu)模塊來完成采集模塊設計，其中主要控制開始采集按鈕的工作。在While循環(huán)時間結(jié)構(gòu)應用后，選擇開始采集按鈕開始采集工作，并由NI—SCPE模塊完成采集程序的編寫，采集程序指令編寫完成后將程序指令發(fā)送到系統(tǒng)工作模塊中實現(xiàn)系統(tǒng)的采集功能。但在While循環(huán)結(jié)構(gòu)模塊運行過程中，一旦出現(xiàn)數(shù)據(jù)信息采集故障或者系統(tǒng)使用者完成停止按鈕驅(qū)動，程序就進入到非工作狀態(tài)，停止數(shù)據(jù)采集，前端的顯示模塊也自動轉(zhuǎn)化為初始界面并請求對數(shù)據(jù)進行保存。

（3）數(shù)據(jù)儲存模塊的設計。NIPXI-5105采集板多通道信息采集系統(tǒng)還具備數(shù)據(jù)信息儲存模塊，以方便對檢測的信息進行良好的數(shù)據(jù)儲存，提升了系統(tǒng)的工作效率。本次系統(tǒng)設計中，采用信號采集與信號數(shù)據(jù)信息儲存同時展開的模式，通過邊采集邊儲存優(yōu)化模式的建立，保證系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集頻率更高，數(shù)據(jù)采集量更大[3]。此外，在NIPXI-5105采集板多通道信息采集系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)采集的過程中主要使用到二進制文件形式來保存數(shù)據(jù)，從而提升數(shù)據(jù)儲存的精度控制。在系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)儲存的過程中，將采集的數(shù)據(jù)信息轉(zhuǎn)化了bin格式，并且保證數(shù)據(jù)儲存信息命名的唯一性。

NIPXI-5105采集板多通道信息采集系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)存儲的過程中首先要完成系統(tǒng)的初始啟動，其次通過初始啟動的完成建立數(shù)據(jù)采集指令，同時建立二進制數(shù)據(jù)儲存類文件，最后將采集到數(shù)據(jù)信號信息直接儲存到二級制數(shù)據(jù)文件夾中。

4 具體試驗分析

NIPXI-5105采集板多通道信息采集系統(tǒng)的設計可以測試壓力管道的泄漏源。在設計完成后為了保證系統(tǒng)設計能夠具有良好的實踐應用能力，需要進行試驗分析驗證。在進行具體的系統(tǒng)檢測試驗中，首先對系統(tǒng)電路進行檢測，保證電路能夠良好完成工作，其次要完成系統(tǒng)傳感器布置，傳感器的布置位置能夠?qū)ο到y(tǒng)采集精度造成一定程度的影響，最后檢測系統(tǒng)的硬件連接，主要包括NIPXI-5105采集板連接、傳感器連接以及NIPXI-1041Q計算機箱連接等，檢測連接完畢后啟動程序采集系統(tǒng)信號。

5 結(jié) 論

設計NIPXI-5105采集板多通道信息采集系統(tǒng)。在具體設計中通過硬件設計、軟件設計以及參數(shù)結(jié)構(gòu)設計等方面對NIPXI-5105采集板多通道信息采集系統(tǒng)進行合理地設計分析，在設計完成后進行試驗驗證，證明NIPXI-5105采集板多通道信息采集系統(tǒng)的實用性，表明其具有一定的應用價值。