基于PXIe硬件的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設計與開發(fā)

摘 要：PXIe硬件數(shù)據(jù)設備采用PCI Express總線技術(shù)，具有較好的性能。同時，通過模塊化的組合，使得采集系統(tǒng)具有可擴展性。因此，該文采用C#語言，基于PXIe硬件，設計和開發(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、實時數(shù)據(jù)采集和歷史數(shù)據(jù)回放3種主要功能。試驗結(jié)果表明該系統(tǒng)可以方便和高效地采集機械設備運轉(zhuǎn)過程中的相關(guān)數(shù)據(jù)。

關(guān)鍵詞：PXIe硬件；數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)；C#語言；模塊化組合；設計

中圖分類號：TP31 文獻標志碼：A 文章編號：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

在當前工業(yè)4.0和智能制造的大背景下，機械設備的數(shù)據(jù)采集與分析已成為提升生產(chǎn)效率、保障設備安全運行的關(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致靈活性較低，隨著物聯(lián)網(wǎng)（IoT）、大數(shù)據(jù)和云計算等技術(shù)的發(fā)展，構(gòu)建一個高效、智能的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)變得越來越重要。國內(nèi)外已經(jīng)有許多學者對數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進行了深入研究，Temple等[1]開發(fā)了一個用于佩戴式傳感器高分辨率數(shù)據(jù)采集和實時處理的模塊化開源核心系統(tǒng)，為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設計提供了新思路；Ilias等[2]建立了一個用于手術(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)庫的建立提供了重要支持；Soto-Ocampo等[3]研究了用于旋轉(zhuǎn)機械狀態(tài)監(jiān)測的低成本、高頻率數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，為振動分析和機械設備監(jiān)測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)設計，可實現(xiàn)對傳感器平臺或電子設備輸出的直流電信號、室內(nèi)環(huán)境信息進行實時監(jiān)測、采集、顯示、數(shù)據(jù)存儲等功能，但數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的可擴展性較差，無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)設計，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)傳輸及存儲的設計，通過在FPGA內(nèi)部調(diào)用PCIe IP核實現(xiàn)了PCIe高速傳輸?shù)墓δ?，通過對DDR3控制器的設計實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的存儲功能，對DMA控制器的設計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]在文獻中提到了基于FPGA的拉曼分布式光纖測溫系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集處理模塊設計，展示了在光纖測溫系統(tǒng)中數(shù)據(jù)采集處理模塊的重要性和設計方法。譚光興等[8]則介紹了基于Java語言的遠程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設計與實現(xiàn)，強調(diào)了遠程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在實時監(jiān)測和數(shù)據(jù)處理方面的應用前景。通過對國內(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)在各個領(lǐng)域都有著廣泛的應用前景。

PXIe的全稱為PCI Extensions for Instrumentation，是一種硬件標準體系并且可以應用于測試與測量領(lǐng)域的開放性，PXIe融合了高速的PCI Express總線技術(shù)與精密的定時同步機能[9]。PXIe可以提供堅實的基礎設施支撐以滿足高效率數(shù)據(jù)獲取和自動化測試系統(tǒng)的應用。PXIe系統(tǒng)與傳統(tǒng)的測試架構(gòu)對比，可以展現(xiàn)出更優(yōu)的帶寬性能和更低的延遲特性，故而成為實時數(shù)字信號處理及高速數(shù)據(jù)采集的首選方案。因此，本文針對PXIe硬件系統(tǒng)，開發(fā)了一套數(shù)據(jù)采集軟件。

1 PXIe硬件采集設備

本文采用簡儀公司出產(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槽混合插槽機箱，具有高數(shù)據(jù)傳輸、高時鐘精度、低相位抖動和低功耗波紋噪聲的特定，專為PXIe數(shù)據(jù)采集卡而設計。

2 數(shù)據(jù)采集軟件的設計

在PXIe硬件數(shù)據(jù)采集設備的基礎上，開發(fā)相應的數(shù)據(jù)采集軟件。根據(jù)對相關(guān)數(shù)據(jù)采集軟件的調(diào)研和分析，將本文所開發(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)化為所對應的物理量。然而，在機械測試領(lǐng)域，經(jīng)常采用IEPE型加速度傳感器采集加速度信號，如果采集板卡支持IEPE功能，當接入IEPE型加速度傳感器的時候，需要打開IEPE開關(guān)，讓板卡對IEPE傳感器提供4 mA的電流激勵。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；進一步可以設置濾波器，對采集數(shù)據(jù)進行濾波。

采樣參數(shù)設置方面：設置數(shù)據(jù)采集中2個關(guān)鍵的參數(shù)、采樣頻率和采樣點數(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，工程中通常設置為2.56倍。如果不清楚待采集信號的頻率分布，可以根據(jù)上文描述的設置濾波器環(huán)節(jié)，預先設定一個低通濾波器，此時為抗混疊濾波器，將采樣頻率設定為低通濾波器截止頻率的2.56倍即可。采樣點數(shù)決定了采集數(shù)據(jù)的頻率分辨率，當需要分析較細節(jié)的信號時，則增大采樣點數(shù)。當采樣頻率和采樣點數(shù)確定后，自動確定每條數(shù)據(jù)的采集時間。同時，在采樣模式上分為手動采集、定時采集和觸發(fā)采集。手動采集為數(shù)據(jù)采集人員手動點擊開始采集按鈕和采集結(jié)束按鈕，整個采集過程完全由采集人員來控制。定時采集為設定間隔時間和總的采集次數(shù)后，軟件自動定時采集數(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)信號自動采集數(shù)據(jù)。

在線數(shù)據(jù)采集方面：當設定好通道參數(shù)和采樣參數(shù)后，可以對實時數(shù)據(jù)進行采集。采集的過程中，各b99a5667efe6628b1b48b8cbbf4b0ced通道采集到的數(shù)據(jù)實時顯示其時域波形，并可以對數(shù)據(jù)進行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備硬件是否有外部干擾、通道參數(shù)是否設置正確、采樣參數(shù)是否設置合理以及目前采集的數(shù)據(jù)是否正確。與此同時，實時保存所采集到的各通道數(shù)據(jù)。

歷史數(shù)據(jù)回放方面：當數(shù)據(jù)采集完畢后，應用歷史數(shù)據(jù)回放功能，可以對已經(jīng)采集的數(shù)據(jù)進行回放，回放的內(nèi)容包括采集通道配置信息，采樣參數(shù)設置信息，不同通道的時域波形數(shù)據(jù)，不同通道的頻域波形數(shù)據(jù)。同時，具有數(shù)據(jù)導出功能，可以將采集的原始數(shù)據(jù)文件導出。

根據(jù)設計思路，數(shù)據(jù)采集軟件的運行流程如圖2所示。開始運行數(shù)據(jù)采集程序后，首先根據(jù)采集要求，設置通道參數(shù)和采樣參數(shù)，然后選擇采樣模式。軟件會根據(jù)設定的條件，自動檢測參數(shù)設置的合理性，當發(fā)現(xiàn)錯誤后，參數(shù)設置界面會重置，并顯示錯誤信息。開始采集后，數(shù)據(jù)一方面實時顯示，一方面存儲。采集結(jié)束后，可以對已采集數(shù)據(jù)進行回放。

3 數(shù)據(jù)采集軟件的實現(xiàn)

應用C#語言，開發(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)設置界面，設置內(nèi)容如上文所述。此外，為了避免對常用的測試任務反復設定通道參數(shù)和采集參數(shù)，可以將設置好的通道參數(shù)和采集參數(shù)保存為配置文件，再次測試時，直接讀取已保存的配置文件即可，有效地減少了工作量，降低了出錯的概率。

實時數(shù)據(jù)采集界面如圖4所示。在數(shù)據(jù)采集過程中，同時各通道的實時數(shù)據(jù)顯示窗口，可以方便地觀察各通道的時域波形或者幅值譜。在顯示功能方面，每個圖形顯示窗口都可以放大，方便觀察信號的細節(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，點擊某一個數(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，采集通道配置和采樣參數(shù)設置信息，在界面的上部區(qū)域顯示。

4 試驗驗證

應用所開發(fā)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對機械密封試驗臺運轉(zhuǎn)過程中的相關(guān)信號進行采集，包括聲發(fā)射信號、電渦流信號、預緊力信號和溫度信號，如圖6所示。

導出部分4通道溫度數(shù)據(jù)、預緊力數(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)較好地反映了試驗密封的運行狀態(tài)，也說明了本文所開發(fā)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的有效性。

5 結(jié)論

本文針對PXIe硬件數(shù)據(jù)采集設備，開發(fā)了相應的數(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)不同的測試任務和要求便捷地設置通道參數(shù)和采樣參數(shù)。在采集過程中，可以實時對數(shù)據(jù)進行觀察，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)導出，應用其他軟件，對數(shù)據(jù)進行進一步的分析。

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