基于USB-6281的高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)及科學(xué)研究中的重要地位日益突出，在信號(hào)測(cè)量、圖像處理、音頻信號(hào)處理等測(cè)量中，都要求進(jìn)行高速、高精度的數(shù)據(jù)采集。這就對(duì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提出了2方面的要求：1)要求接口簡(jiǎn)單靈活且有較高的數(shù)據(jù)傳輸率；2)由于數(shù)據(jù)量通常較大，要求主機(jī)能夠?qū)?shù)據(jù)做出快速反應(yīng)，并及時(shí)進(jìn)行分析和處理。常用的數(shù)據(jù)采集卡一般是PCI卡或是ISA卡，這些采集卡存在諸多缺點(diǎn)，比如安裝不方便，傳輸速度慢，受計(jì)算機(jī)插槽數(shù)量、地址、中斷等資源的限制，可擴(kuò)展性差等。而通用串行總線(xiàn)(Universal Serial Bus，簡(jiǎn)稱(chēng)USB)具有高傳輸速度、易擴(kuò)展、熱插拔和即插即用等特點(diǎn)，很好地克服了數(shù)據(jù)采集卡的缺點(diǎn)，容易實(shí)現(xiàn)低成本、高可靠性、多點(diǎn)的數(shù)據(jù)采集。
USB-6281是National Instruments推出的一款USB高精度多功能M系列數(shù)據(jù)采集(DAQ)板卡，在高采樣率下也能保持高精度。USB-6281是專(zhuān)為移動(dòng)應(yīng)用或空間上有限制的應(yīng)用設(shè)計(jì)的，其即插即用的安裝最大程度降低了配置和設(shè)置時(shí)間，同時(shí)它直接與螺絲端子相連，從而降低了成本并簡(jiǎn)化信號(hào)的連接。NI-DAQmx驅(qū)動(dòng)程序和測(cè)量服務(wù)軟件提供了簡(jiǎn)單易用的配置和編程界面，以USB-6281為硬件平臺(tái)，借助其提供的USB接口和NI-DAQmx驅(qū)動(dòng)軟件，采用VC++高級(jí)語(yǔ)言編程，完成數(shù)據(jù)高速采集系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
1．1 USB-6281簡(jiǎn)介
USB-6281適用于地質(zhì)監(jiān)測(cè)、材料分析、環(huán)境感知、光學(xué)、光譜學(xué)、結(jié)構(gòu)測(cè)量及氣體探測(cè)，還包括醫(yī)療設(shè)備儀器，如心率監(jiān)測(cè)等儀器測(cè)試等領(lǐng)域。其主要特性如下：1)包含18位A／D轉(zhuǎn)換器，相比傳統(tǒng)16位設(shè)備其分辨率提高4倍，同時(shí)還提供了增強(qiáng)型模擬輸出通道，能夠?qū)崿F(xiàn)量程及偏移量可編程設(shè)定；2)集成了NI-PGIA 2自定義放大器和NI-MCal自校準(zhǔn)來(lái)縮短校準(zhǔn)時(shí)間，提高精度。板載的低通濾波器能夠通過(guò)編程消除高頻噪聲，從而進(jìn)一步提高測(cè)量精度。在±10 V范圍內(nèi)分辨力可達(dá)980 μV，在±100 mV范圍內(nèi)可達(dá)28 μV；3)NI信號(hào)讀寫(xiě)實(shí)現(xiàn)USB上的雙向高速數(shù)據(jù)流；4)具有16條單端或8條差分的模擬輸入通道，2條模擬輸出通道及24位數(shù)字I／O通道(DIO)，提供高達(dá)625 kS／s的18位模擬輸入(掃描時(shí)速度為500 kS／s)、速度為833 kS／s的16位模擬輸出；5)包含NI-DAQmx驅(qū)動(dòng)軟件和NI LabVIEW SignalExpress LE。NI-DAQmx驅(qū)動(dòng)具有節(jié)省開(kāi)發(fā)時(shí)間的特點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)LabVIEW圖形化開(kāi)發(fā)環(huán)境及基于文本語(yǔ)言(如ANSI C／C++、C#、Visual Basic．NET及Visual Basic 6．0)的代碼生成，包含超過(guò)3 000種測(cè)量實(shí)例、仿真設(shè)備及接線(xiàn)圖。
1．2 系統(tǒng)構(gòu)成
基于USB-6281的高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

采用NI的USB-6281數(shù)據(jù)采集卡以400 kHz的采樣頻率對(duì)被測(cè)信號(hào)進(jìn)行波形數(shù)據(jù)采集，然后對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行正弦波擬合，通過(guò)提取出正弦信號(hào)的幅度、頻率等參數(shù)，計(jì)算出擬合正弦曲線(xiàn)。測(cè)量數(shù)據(jù)與擬合曲線(xiàn)模型對(duì)應(yīng)點(diǎn)的偏差值作為相應(yīng)點(diǎn)波形失真測(cè)量值，然后計(jì)算出測(cè)量序列的失真有效值，進(jìn)而最終獲得被測(cè)信號(hào)總失真度的測(cè)量值。
目前測(cè)量信號(hào)失真度的原理大致分為2類(lèi)：基波剔除法和頻譜分析法。本文采用頻譜分析法，即通過(guò)計(jì)算出各次諧波的大小來(lái)計(jì)算失真度。測(cè)量方法采用數(shù)字化方法，先通過(guò)將信號(hào)數(shù)字化并送入計(jì)算機(jī)，再由計(jì)算機(jī)計(jì)算出失真度。失真度的計(jì)算方法采用快速傅里葉變換法(FFT)，快速傅里葉變換比直接傅里葉變換(DFT)在計(jì)算量上要小得多。采用FFT對(duì)量化后的被測(cè)信號(hào)處理，獲得基波和各次諧波的電壓，從而計(jì)算出失真度。這種方法實(shí)現(xiàn)起來(lái)比較簡(jiǎn)單，而且通過(guò)一些補(bǔ)償算法可以有效減少誤差。
計(jì)算機(jī)通過(guò)高速數(shù)字采集卡采集被測(cè)信號(hào)，經(jīng)A／D轉(zhuǎn)換后讀入計(jì)算機(jī)，由計(jì)算機(jī)對(duì)采集的信號(hào)進(jìn)行FFT變換，形成被測(cè)信號(hào)的二維幅度一頻率數(shù)組。計(jì)算機(jī)顯示出信號(hào)的幅度一頻率特性曲線(xiàn)，同時(shí)，對(duì)數(shù)組計(jì)算得到基波系數(shù)和各次諧波系數(shù)，最后，由基波和各次諧波系數(shù)計(jì)算出失真度。諧波失真是諧波分量的幅值和基波幅值的相對(duì)量，假如基波的幅值是A1，而二次諧波的幅值是A2，三次諧波的幅值是A3，N次諧波的幅值是AN，總諧波失真THD為