基于PXIe和LabVIEW的動物運動力學數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

2．1．2 信號調(diào)理與數(shù)據(jù)采集模塊
信號調(diào)理與數(shù)據(jù)采集模塊是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中最重要的部分，其關(guān)鍵硬件是數(shù)據(jù)采集卡。NI公司的產(chǎn)品擁有高效的軟件、模塊化I／O硬件和用于集成的軟硬件平臺，充分發(fā)揮了虛擬儀器技術(shù)性能高，擴展性強，開發(fā)時間少，以及出色的集成等優(yōu)勢。因此該系統(tǒng)選用NI公司的PXIe數(shù)據(jù)采集模塊。
該模塊的數(shù)據(jù)采集卡集信號調(diào)理與模／數(shù)轉(zhuǎn)換于一體，包含8個獨立的通道，每個通道配有獨立的模／數(shù)轉(zhuǎn)換器，采樣率達到25．6 kS／s，分辨率為24 b，精度可達0．02％。其橋接輸入模塊能夠進行1／4，1／2和全橋的自動同步測量，可用于測試高性能應(yīng)變、載荷、力值與力矩等。8通道橋接輸入模塊可在單個機箱中擴展到136通道，在多機箱同步時可擴展到數(shù)千條通道。
系統(tǒng)需要以較高的采樣率采集72組通道的數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)提供足夠高的采樣率和獨立的通道，使72組通道的數(shù)據(jù)采集快速、精確，而且互不干擾。傳感器陣列的數(shù)據(jù)通過前置接線端子傳送到數(shù)據(jù)采集卡，前置接線端子可以自動檢測到信號，支持熱拔插，安裝方便。數(shù)據(jù)采集卡封裝在18槽3U的機箱中，提高了系統(tǒng)的抗干擾能力。在同步采集時，單片機發(fā)送觸發(fā)信號給PXIe的時鐘卡實現(xiàn)外部觸發(fā)。早期使用的基于PCI總線的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，采用單獨的信號調(diào)理模塊和采集模塊，只有一個模／數(shù)轉(zhuǎn)換器，通過多路復用實現(xiàn)多通道的數(shù)據(jù)采集。相比之下，PXIe系統(tǒng)集信號調(diào)理與數(shù)據(jù)采集于一體，不需要外接電腦，實現(xiàn)了整個實驗裝置一體化，可以方便地進行360°旋轉(zhuǎn)(模擬動物在空間不同傾斜表面的運動)；每個通道配有獨立的模／數(shù)轉(zhuǎn)換器，實現(xiàn)了多通道數(shù)據(jù)的同步采集；安裝和調(diào)試方便，操作簡單。從實際應(yīng)用情況看，PXIc系統(tǒng)精度高，穩(wěn)定性好，可以方便地進行多通道拓展。
2．2 行為數(shù)據(jù)采集
2．2．1 高速攝像蟣
高速攝像機型號為Olympus i-SPEED 3，其提供了高分辨率、超低光照靈敏度和高達150 000 f／s的錄制速度。在2000 f／s以下，分辨率為1 280×1024，具有多種觸發(fā)方式(如前觸發(fā)、中間觸發(fā)和后觸發(fā)等)，通過CF卡可以無限擴展容量。實驗時，單片機發(fā)送觸發(fā)信號給高速攝像機，實現(xiàn)圖像數(shù)據(jù)和力學數(shù)據(jù)的同步采集。根據(jù)圖像資料，可以更加精確地判斷動物腳掌和傳感器的接觸情況，并且能夠掌握動物不同運動姿態(tài)時腳掌的三維接觸力學信息。
2．2．2 冷光源
冷光源是繼白熾燈、LCD、LFD等光源產(chǎn)品之后出現(xiàn)的新型光源，發(fā)光原理是在電場作用下，產(chǎn)生電子碰撞激發(fā)熒光材料產(chǎn)生發(fā)光現(xiàn)象，具有十分優(yōu)良的光學特性。當高速攝像機采用較高的幀數(shù)進行拍攝時，調(diào)節(jié)冷光源的位置和角度，提高光照強度，冷光源的不發(fā)熱特性避免了影響實驗動物和系統(tǒng)。