基于vxi 总线的多通道高速数据采集和留盘系统的实现
收稿日期:2001-09-25
作者简介:刘晓林(1976—
),男,陕西临潼人,硕士研究生,主要从事测试和信号处理方面的研究工作;冯燕(1963—
),女,硕士导师,副教授,主要研究方向为信号处理和测控技术。
文章编号:1000-8829(2002)04-0025-03
基于VXI 总线的多通道高速数据采集和留盘系统的实现
Realization of Multi 2Channel H igh 2Sp eed Data Acquisition and Throughput System Ba sed on VXIbus
(西北工业大学电子工程系,陕西西安 710072) 刘晓林
,冯 燕
摘要:VXI 总线具有高速、开放、标准化、抗干扰能力
强等特点。本文介绍了一种基于VXI 总线的多通道高速数据采集和留盘系统的组成、工作原理和软件设计。运行结果表明:系统操作简单,实现了实时数据采集、留盘、监视及事后处理等功能,并且抗干扰能力强。关键词:虚拟仪器(V I );VXI 总线;数据采集和留盘中图分类号:TP274文献标识码:B
Abstract :VXIbus has some advantages such as high speed ,opening ,standardization and the ability of strong anti 2jamming.The structure ,the operating principle and s oftware design of multi 2channel data acquisition and throughput sys 2tem based on VXIbus are discussed.Experiment results show that the system realizes the functions of data acquisition ,throughput and process etc.It can be easily operated and has strong ability of anti 2jamming.
K ey w ords :Virtual Instrumentation (V I );VXIbus ;data
acquisition and throughput
虚拟仪器(V I ,Virtual Instrumentation )通过应用程序将通用计算机与仪器硬件结合起来,用户可以通过友好的图形界面(通常称为虚拟前面板)操作计算机,就像操作自己定义、设计的一台传统仪器一样。根据数据采集/激励模块所用硬件的不同,虚拟仪器可分为GPIB 、PC 2DAQ 和VXI 等不同的体系结构。虽然各种体系结构的虚拟仪器都能和计算机共享系统资源,但其共享资源的程度是不同的,即虚拟仪器所能达
到的性能指标和系统能力不仅与采集模块的性能有关,而且与系统的体系结构有关。VXI 总线是能够实现真正虚拟仪器体系结构的总线之一。
VXI 总线是VM E 总线在仪器领域的扩展(VM E 2bus eXtension for Instrumentation )。VXI 总线严格规定了模块电磁兼容的要求,具有低噪声和高级同步能力,为线性和大动态范围的ADC 和DAC 模块提供了好的环境;VXI 总线标准的局部总线可作为相邻模块间专用通信路径,增加了工作带宽;VXI 总线系统将消息基仪器和寄存器基仪器统一在同一环境下,不但为各个仪器模块提供了定时和同步的能力,而且提供了开放的、标准化的高速处理器总线;VXI 总线系统利用MXI (Multi 2system eXtension Interface bus )总线与外部计算机相连或采用嵌入式计算机结构,极大地提高了仪器与计算机之间的数据传输速度,从而大大加快了VXI 总线虚拟仪器的测试速度,能更好地满足测试实时性的要求。所以VXI 总线为实现虚拟仪器提供了一个极好的平台。
1 系统要求与组成
要求系统能实现32通道信号的同步采集与实时留盘,采样精度为16位,最高采样频率为每通道196kS/s ,连续留盘时间不小于20min ,可选择采样通道、采样频率和欲监视的通道并能对留盘数据进行处理、显示和打印,并且具有较强的抗干扰能力。
由于VXI 总线不仅能更好地满足测试实时性的要求,而且有众多的功能模块可供选择,考虑到实际的应用需求,因此系统被选定为VXI 体系结构。
基于VXI 总线的多通道高速数据采集和留盘系统采取带有MXI 接口的计算机和MXI 零槽控制器相连的MXI 控制方式。系统主要由数据采集模块、数据存储模块、零槽控制器、外挂硬盘和计算机组成。系统连接如图1所示,VXI 机箱内插入了4个数据采集模
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52?基于VXI 总线的多通道高速数据采集和留盘系统的实现北京本原同济科技发展有限公司 研华授权技术支持中心 Tel :010-******** http :∥https://www.wendangku.net/doc/0311730429.html,
块、1个数据存储模块、2个外挂的SCSI 高速硬盘和1个零槽控制器模块
。
图1 系统连接示意图
数据采集模块选用HP 公司的HP E1433A 模块。
该模块为8通道、16位采样精度、最高196608S/s 的采样率、基于寄存器基的VXI 模块。数据存储模块也选用HP 公司的产品,型号为HP E1562E 。该模块是基于消息基的VXI 模块,常用于将大量的数据捕获到磁盘中。零槽控制器选用N I 公司的VXI 2MXI 22/B ,插于VXI 机箱后部的插槽。
2 系统工作原理
为了提高测试系统的时实性,确保在32路高速采
样的情况下,采样数据能够连续存储于外部的SCSI 设备中,同时在计算机的显示器上能同步监视测试波形。系统采用了高速局部总线技术和性能价格比较高的外挂计算机的MXI 控制方式。
HP E1433A 集成了信号调理、模拟/数字抗混叠处理、在板DSP 、标准4M RAM (可扩充至32M ),优化了整个系统性能。HP E1433A 使用浮点数字信号处理器计算模块的测量结果。浮点数字信号处理器能把数据通过VXI 总线送到宿主计算机,也能通过局部总线传送到另一个VXI 模块,并能同时进行这两种传送。这就使得HP E1433A 模块能把测试数据送至HP E1562E 数据存储模块,并同时将该测试数据通过VXI 总线发送到宿主计算机以监控数据采集和留盘过程成为可能。
HP E1562E 提供了两条SCSI 总线,每条总线上各有一个控制器,分别控制内部的两块SCSI 设备的读写操作。内部SCSI 设备容量为4.29G B 。另外,该模块面板上还有两个SCSI 接口,可以和外接的大容量SCSI 设备通过SCSI 电缆连接,通过程序控制可以同时写数据到多个SCSI 设备,即扩充了留盘容量又提高了系统的吞吐率。必须注意的是外挂SCSI 设备的数据传输方式应该是快速宽差分(Wide differen 2tial )。
VXI 总线的局部总线是一种非常灵活的菊花链
总线结构,便于相邻的模块进行单独通信。通过局部
总线,基于VXI 总线的A/D 模块间能以大于10MB/s 的持续速率传输数据,极大地增强了VXI 总线测试系统的能力。系统工作原理图如图2所示
。
图2 系统工作原理图
在测试软件的控制下,HP E1433A 通过模块间的局部总线传递数据。局部总线就像一个数据管道,左边的模块依次把数据放在右边模块的后边形成数据流。HP E1562E 接受数据流到自己的FIFO 。同时把一部分欲监视通道的数据通过系统总线拷贝到控制器中。控制器将数据传送给宿主计算机,在屏幕上实时显示被测信号的波形。虽然HP E1562E 中的两块SCSI 设备总容量有8G 之多,但此模块的单次留盘只能完成所需容量的40%左右,不能达到系统的技术要求(196kS/s 的采样率,32通道,持续留盘不小于20min )。因此采用了外挂大容量SCSI 设备的方法,放弃对HP E1562E 内部SCSI 设备的使用,通过HP E1562E 模块前面板的SCSI A 和SCSI B 接口与外接大容量SCSI 设备相连,将数据存储到外接SCSI 高速硬盘。
3 系统软件设计
在虚拟仪器开发过程中,软件扮演着极为重要的角色。从功能上讲,这些软件的涵盖面极为广泛,从控制特定硬件接口的设备驱动程序到开发整套系统所需的开发环境包都包括在内。这些软件的质量和性能最终决定了所开发的仪器系统的质量和用途。
本系统的软件是在专用于虚拟仪器的软件开发平台LabWindows/CV I (C for Virtual Instrumentation )下完成的。LabWindows/CV I 将功能强大、使用灵活的C 语言平台与用于数据采集、分析和显示的测控专业工具库有机地结合起来。它的集成开发平台、交互式编程方法、功能面板和丰富的库函数,为熟悉C 语言的科技人员建立检测系统、自动测量系统、数据采集系统、过程监控系统等提供了极大的方便。
系统软件部分具有以下功能:数据采集前,可以进行通道选择和参数设置;数据采集时,被选择的采集通道以设定的采样频率对输入信号进行设定时间内的数
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62?《测控技术》2002年第21卷第4期
北京长城工业控制计算机技术公司 OR.APPRO.ICS.TMI 系列工控机 电话:010-********
据采集和留盘,要求不丢失数据,同时能够在计算机上实时监视某些通道的数据采集过程;事后处理,能够将原始数据转化为通用的数据格式,能对数据进行各种计算和变换,能在屏幕上显示各通道的数据和波形以及频谱等,能打印数据和波形。系统软件结构如图3所示
。
图3 系统软件结构图
采集留盘、格式转化、波形显示和打印功能是4个
相对独立的功能模块,而管理功能模块把这4个模块结合在一起形成整个数据采集和留盘系统。
采集留盘功能模块主要完成参数设置、数据采集、实时监视、实时留盘和环境参数保存等功能,需要对HP E1433A 和HP E1562E 进行编程控制。流程为:初始化E1433A 、E1562E 以及通道选择和参数设置;启动Sequence 直到规定的字节数被全部接收到以后这个过程才会结束,否则会一直等待;启动Sequence 后,触发采集过程,设定局部总线和VXI 系统总线同时传输数据,局部总线上的数据被HP E1562E 所保存,而VXI 系统总线上的数据用来在屏幕上显示波
形,完成实时监视功能。
格式转化功能模块完成读取环境参数、将原始数据转化为电压数据文件的功能,需要对HP E1562E 进行操作。根据读取的环境参数,可以确定要从外挂的SCSI 设备转化的数据量以及要保存的文件数,格式转化是通过HP E1562E 内部的两个SCSI 控制器从外挂的SCSI 设备读出原始的十六进制数据,乘以每个通道的增益计算出电压进行保存。
波形显示通过定位文件指针可以实现任意时刻的波形显示。通过设置每屏显示的点数可以把波形拉长,通过设置每屏刷新的点数控制波形显示的速度,并且在显示过程中具有暂停和继续功能。
4 结束语
系统充分利用模块间的高速局部总线技术,保证了测试数据的实时性;通过计算机实时监视留盘的数据波形,保证了存储数据的有效性。系统已全部完成并交付使用,运行结果表明该系统人机界面友好,操作简单,实现了实时数据采集、留盘、监视及事后处理等功能,特别是抗干扰性能强,适用于舰载、机载和野外等场合。参考文献:
[1] Roy P M.Architecture Considerations in High 2performance VXI Data
Acquisition System[J ].VXI Journal ,1996,7(2).
[2] National Instruments.Measurement and Automation Catalogue [Z].
1999.
[3] National https://www.wendangku.net/doc/0311730429.html,bwindows/CVI User Guide[Z].1997.[4] 陈光礻禹.VXI 总线测试平台技术[M ].成都:电子科技出版社,
1996.
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(上接第24页)
到来的时间。
满足上述算法的相序就是正确的,否则是错误的相序。为防止某次误判断,当连续100次相序出错时,认为发生错相故障。上述算法可根据图4进行验证。以R 相上升沿脉冲先到为例,设首先捕捉到R 相上升沿,参照点为时序图4的起始点,则各相上升沿到来的时间为
R T x x =20ms ,S T x x ≈6.7ms ,T T x x ≈13.3ms 显然,S T x x 3 三相电源故障诊断程序流程图 根据上述结论,编制了相应三相电源故障诊断子 程序,该子程序是在定时中断服务程序中调用,定时中断周期是0.4ms ,子程序流程如图5所示。其中,Count 是计数器单元;T x x 是每周期的对照时间,每0.4ms 加1。当三相电源故障已经发生,另外调用三相电源故障处理子程序。 4 结束语 本小型中央冷暖空调控制系统的功能、界面以及抗干扰性能都达到了用户的需求。同时,采用新的三相电源故障诊断方法,结合数字滤波,有效防止了室外机三相电源故障对系统造成的不良影响。该系统已投产,经多家用户的运行表明,系统非常可靠,室外机三相电源故障捕捉及时,故障诊断的误判断率为零,完全满足厂家的指标要求。□ ? 72?基于VXI 总线的多通道高速数据采集和留盘系统的实现北京本原同济科技发展有限公司 研华工控机与数据采集全系列 Tel :010-******** http :∥https://www.wendangku.net/doc/0311730429.html,