基于虚拟仪器的连续实时数据采集系统

基于虚拟仪器的连续实时数据采集系统吴庆鸣!程怀舟!陈!东!周小宏!武汉大学"湖北武汉G !""#$#?.,-2,:.:3V ’4+-2)’@4-4N 6K :232-2.,583-’)E 43’1.,S 20-:4+(,3-0:)’,-$#I &+06&+0"J "E )*"B -&K C /B "J "E )4/+0"!"G #A &-/C /+0!R :&4,=,2>’032-8"R :&4,G !""#$"?&2,4#!!摘要$介绍了一个采用数据采集卡和信号调理电路组成的;?@N h 虚拟仪器系统"运用多线程技术%双缓冲技术%数据库技术以及模块化设计思想"实现了多参量连续实时数据采集&关键词"虚拟仪器#连续实时数据采集#P 4I J R 2,1.H 3$?S (#超前地质预报中图分类号"%;$#G文献标识码"N文章编号"D ""D $$F #%$""F &"G ""F #"!收稿日期"$""G D $$B基金项目"’十五(国家重大技术装备研制项目%\\"$"!"!"$"$&.789:-,9"(,-0.1:6’14;?@N hI 43’1>20-:4+2,3-0:)’,-383-’)H &26&236.)*.3’1./14-446J K :232-2.,64014,1327,4+6.,12-2.,2,76206:2-!H &26&41.*-3):+-2-&0’41-’6&,2K:’3!1.:I +’I ://’02,7-’6&,2K :’3!14-4I 43’-’6&,2K :’34,1-&’21’4./).1:+401’327,C %&’6.,-2,:.:30’4+-2)’14-446J K:232-2.,./):+-2*404)’-’0230’4+2^’1C ;%<=/:>8">20-:4+2,3-0:)’,-#6.,-2,:.:30’4+-2)’14-446K :232-2.,#P 4I R 2,1.H 3$?S (#41>4,6’7’.+.7264+*0’126-2.,"!引言隧道开挖施工过程中!运用超前钻机水平钻孔是地质预测预报最直接有效的手段)D *!也是目前国内外广泛采用的超前预报方法+它可通过实时监测钻机钻进过程中的钻速,钻头压力,转速,旋转力矩,给水量,返水量,返水颜色,浓度变化以及岩粉鉴定!较准确地预测隧道掌子面前方的不良地质段和性状)$*+运用美国a (公司的P 4I R 2,1.H 3$?S (F i F 虚拟仪器开发软件和台湾研华;?P B D B M @多功能数据采集卡!对超前钻机水平钻进过程中的参数进行实时监测!实现了多参量的连续实时数据采集!简化了数据采集的过程!方便了数据的处理和信息的解译!并使测试系统具有良好的扩展性能+D !系统总体设计超前水平钻机钻孔参数数据采集系统硬件包括传感器,信号调理电路,数据采集卡,工控机,打印机以及摄像头等!上位机操作系统以R 2,1.H 3$"""为平台!P 4I R 2,1.H 3$?S (F C F 为开发工具!以研华;?P B D B M @数据采集卡作为转换元件!利用计算机强大的图形界面和数据分析处理能力!对测量数据进行显示,存储和报表打印!并将试验数据存入数据库+系统结构如图D 所示+图D !系统结构传感器接收被测信号!将被测信号转换为电量信号#信号调理电路将传感器输出的电量信号进行整形,转换和滤波处理!变成标准信号#数据采集卡采集信号调理电路的电压信号!转换成计算机能处理的数字信号#通过数据采集卡驱动程序!数字信号进入计算机#在P 4I R 2,1.H 3$?S (平台下!调用信号处理函数,编写程序和设计虚拟仪器面板)!*+给水返水量,返水颜色等信息经过摄像头和工控机=5E 接口!在显示器上显示+数据采集卡是本系统的硬件核心部分+由于采用集成的多功能数据采集卡;?P B D B M @而使数据采集的过程大大简化!而且性能稳定!可靠性好+;?P B D B M @数据采集卡是一种高效,多功能数据-#F -.机械与电子/$""F %G&采集卡!适用于(E 9;?"g %"N %及其兼容机#它为用户提供D $位N "@!@"N 转换器$D A 位数字量输入输出以及D A 位可编程计数"定时功能!其中在@9N %存储器直接访问&方式下!最高N "@转换采样速率达D ""‘M ^#此卡还提供’D A 路单端模拟量输入或B 路差分模拟量输入%通过跳线选择&(D‘E 字的_(_d %先进先出&数据缓冲器(查询方式$@9N 方式和中断方式!种数据传输%采集&方式(软件触发$可编程计数器%(,-’+B $F G &触发和外部脉冲触发!种N "@触发方式)G *#其自带接线端子板$数据线可以很方便地实现与传感器及上位机的联接和数据传输!数据采集卡上的自动通道"增益扫描电路取代软件控制来实现采样期间多路开关的切换!为取得实时可靠的数据提供了硬件保障#$!系统软件设计!C "!编程环境P 4I R 2,1.H 3"?S (是一个基于N a 5(?的交互式可视化软件开发环境!它将功能强大$应用广泛的?语言与测控专业工具有机地结合起来!利用它的集成化开发环境$交互式编程方法$丰富的函数面板$强大的接口功能$丰富的库函数以及功能齐全的软件工具包!大大增强了?语言的功能)F *#它将源代码编辑$强有力的仪器库$!$位N a 5(?编译$链接$调试以及标准N a 5(?库集成在一个交互式开发环境中!极大地简化了图形用户接口的设计!同时为使用者提供了灵活的$内置式数据采集分析和显示功能#相对于S ?$S E $;E 等其他开发工具!P 4I R 2,1.H 3"?S (具有更强的硬件控制和数据分析处理能力!特别适用于各种测试$控制$故障分析及信息处理软件的开发!尤其是大型$复杂的测控软件!可获得优良的测控性能)A *#在P 4I R 2,1.H 3"?S (F C F 中!还加入了数据库和网络开发的软件包!使其能够满足超大容量数据的存储和大型分布式远程网络测控系统的开发#!C !!采集卡的驱动由于;?P B D B M @数据采集卡并非a (公司生产!P 4I R 2,1.H 3"?S (软件本身不带有该卡的驱动程序#我们利用研华公司提供的+N 1>4,-’6&@’J >26’@02>’0S $C $,来驱动板卡!只要将安装目录下的+N 134*2!$C +2I ,!+@Q S (?Q C M ,!+@02>’0C &,以及+d 5C M ,G 个文件添加到工程文件中一起编译!就可以在源程序中调用N ;(函数驱动采集卡#!C #!多线程技术系统软件整体结构如图$所示#图$!系统软件结构为了充分利用系统资源!实现实时数据采集!系统软件按照模块化的程序设计方法!采用多线程技术#在系统初始化$自检和采集系统参数设置过程中!除主线程外!另有$个线程在并行!线程之间的通讯通过管道技术实现#主线程响应用户界面操作!其中一个次线程负责多通道数据的实时采集!并采用双缓冲技术和消息机制!把采集到的数据实时存储到数据库和发送到管道实时显示#另一个次线程通过管道消息驱动机制!当管道中有数据时可以直接读出并显示#管道函数可通过函数?)-Ja ’H %5h !?)-V ’41%5h @4-4及?)-R 02-’%5h @4J -4等函数实现#!C $!双缓冲技术一般采用的单缓冲模式只能采集一定长度的连续数据供计算机分析$显示和存储!这种模式易于实现!但它不能采集到无限长的连续数据!同时受到计算机内存限制)#*#由于本数据采集系统要求无限长连续数据采集并实时显示!因此单缓冲模式无法满足需求#为此!设计了基于双缓冲技术的数据采集和@9N 传输技术#双缓冲技术!如图!所示!就是在一定长度的缓图!!双缓冲区的循环工作方式-B F -.机械与电子/$""F %G&冲区中开辟$块大小相同的连续内存区域N!E"采集的数据首先存入缓冲区N!存满后自动向E缓存区写数据!同时置位缓冲区满标志!计算机采用@9N高速读取N缓存区的数据后!缓冲区满标志自动复位#当E缓存区写满后!自动向N缓存区写数据!覆盖以前的数据!同时置位缓冲区满标志!计算机读取并处理E缓存区的数据"如此循环操作!只要保证在数据写往某缓存区之前!该缓存区的数据已被计算机读取$计算机采用@9N读取该组数据的时间极短%!就能用一定长度的缓冲区实现无限长数据的连续采集处理和实时显示"!C%!模块化程序设计数据采集系统软件采用模块化&结构化的设计思想!提高了编程效率!增强了软件的可维护性和可扩展性"系统软件模块结构可分为以下#个部分"-D信号采集模块"负责各种标准信号的采集!按通道传送给显示&存储模块!并对输入的波形信号进行同步!其中还包括硬件的初始化和采集参数的设置"7D数据存储模块"按照规定的格式将采集到的数据存入数据库",D数据显示模块"根据不同的需要实时显示数据的波形&轨迹和各种谱图">D信号分析模块"是整个超前地质预报系统的核心!目的是通过被测物理量预测预报掌子面前方不良地质状况"采用的数据分析方法有’时域分析&频域分析&相关分析&回归分析&数理统计&趋势分析和高级分析等"%D数据库管理模块"实现对数据库中各类数据进行有效的管理!同时存放检测数据和结论!根据检测内容做出记录表单"L D文件管理模块"提供数据输出&报表打印以及历史查询"0D涌水量视频监测模块"监测钻进过程中的给水返水量&返水颜色和浓度变化等"!C&!数据库技术系统应用的是5h P5’0>’0数据库!由于P4I J R2,1.H3(?S(没有数据库引擎!要在P4I R2,J 1.H3(?S(开发环境下使用数据库!则必须安装P4I R2,1.H3附带的5h P%..+‘2-工具包!利用开放数据库连接$d@E?%驱动程序实现"为了实现系统对数据库的操作!使用5h P标准查询语言!通过d@E?将其与数据库相连"开放数据库连接$d*’,@4-4E43’?.,,’6-2>2-8%是微软公司提出的开放式标准数据库互连接口!使用时首先使开发的数据库成为d@E?的数据源!从控制面板调用d@E?启动程序!加入要添加的数据源!此后在建立的工程文件中加人5h P C M和d@E?!$C @P P!在文件中首先分配d@E?环境!再为连接分配内存!最后通过5h P?.,,’6-$%函数实现与数据库的连接)B*"在以后的操作中!即可使用结构化查询语言5h P对数据库进行操作"!!结束语超前水平钻机钻孔参数数据采集系统以P4I J R2,1.H3(?S(F C F虚拟仪器编程语言作为软件开发平台!以性能稳定&数据处理能力强大的工控机为硬件系统的核心!以优秀的;?P B D B M@数据采集卡作为((d接口设备!并在软件设计上多项技术综合运用!大大缩短了系统开发周期!同时使得系统具有良好的可视性&交互性和扩展性"参考文献’)D*!石新栋C圆梁山隧道主要地质问题及对策)[*C岩土工程界!$""$!F$A%’G G U G A C)$*!丁恩保!等C隧道工程地质预报方法探讨)[*C工程地质学报!D O O F!!$D%’$B U!G C)!*!刘君华!等C基于P4I R2,1.H3(?S(的虚拟仪器设计)9*C北京’电子工业出版社!$""!C)G*!;?P B D B M@=3’0+394,:4+)\*C%42H4,’N1>4,-’6& ?.C!P-1C!D O O G C)F*!张毅刚!等C虚拟仪器软件开发环境P4I R2,1.H3(?S(A C")9*C北京’机械工业出版社!$""$C)A*!廖生行!等C比例阀虚拟测试系统的开发与设计)[*C液压与气动!$""$!$B%’$!U$G C)#*!张怀相!等C应用虚拟仪器技术实现液压元件的特性分析)[*C机床与液压!$""!!$G%’$$A U$$#C)B*!李士波!等C一种基于虚拟仪器技术的故障检测系统设计)[*C电测与仪表!$""!!G"$B%’!$U!G C作者简介’吴庆鸣!$D O G#U%男!湖北武汉人!武汉大学动力与机械学院教授&博士生导师!研究方向为机电控制技术",OF,-机械与电子.$""F$G%。