叵雯亟因；文章编号：１６７１―４５９８１２０１０）０２―０；兰鍪翌蔓茎望篓兰；；中田分类号：ＴＨ８２３；文献标识码：Ａ；竺Ｌ；数据采集卡测量数字传感器信号的方法研究；姜阔胜，杨明亮，梁应选；（陕西理工学院机械工程学院，陕西汉中７２３００３；擅要：通用数据采集卡上的定时／计数器个数有限，要；关键词：数据采集卡Ｉ虚拟仪器技术Ｉ扩展；Ｓｔｕｄｙ；ｏｎ；Ｍｅｔｈｏｄ
文章编号：１６７１―４５９８１２０１０）０２―０２８３―０３
兰鍪翌蔓茎望篓兰；
中田分类号：ＴＨ８２３
文献标识码：Ａ
数据采集卡测量数字传感器信号的方法研究
姜阔胜，杨明亮，梁应选
（陕西理工学院机械工程学院，陕西汉中７２３００３）
擅要：通用数据采集卡上的定时／计数器个数有限，要用其构建含多个数字传感器的测量系统存在困难；为了解决上述问题，常规采用硬件扩展法，即在系统增加多路转换开关或者定时／计数器卡，但存在结构复杂、响应速度慢、性价比低等缺陷ｌ文中在研究定时／计数器原理的基础上，用模拟ｌｏ或数字ＩＯ完成数据采集、用软件实现定时、计数功能；并在搭建的液压系统上，对液压系统回路中的流量进行了测量、精度分析，给出了其具体的实现过程；实验证明，新方法减少了设备投资，提高了系统响应速度，节约成本，具有推广意义。
关键词：数据采集卡Ｉ虚拟仪器技术Ｉ扩展
Ｓｔｕｄｙ
Ｍｅｔｈｏｄ
Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ
ｏｆＤｉｇｉｔａｌＴｒａｎｓｄｕｃｅｒ
ＵｓｉｎｇＤａｔａＡｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎＣａｒｄ
ＪｉａｎｇＫｕｏｓｈｅｎｇ，ＹａｎｇＭｉｎｇｌｉａｎｇ，ＬｉａｎｇＹｉｎｇｘｕａｎ
（ＳｃｈｏｏｌｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＳｈａｎｘｉＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｈａｎｚｈｏｎｇ
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ
７２３００３，Ｃｈｉｎａ）
ｇｒｅａｔｗａｙ
ｎｕｍｂｅｒｏｆ
ｔｉｍｅｒ／ｃｏｕｎｔｅｒｓ
ｏｎｔｈｅｕｎｉｖｅｒｓａｌｄａｔａ
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ｄｉｆｆｉｃｕｌｔ
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ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ
ｃａｒｄｓ；ｖｉｒｔｕａｌｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ
ｅｘｐａｎｓｉｏｎ
伴随着ＣＡＴ的发展，尤其是虚拟仪器技术出现之后，各
总线通用隔离型可编程多功能计数器／定时器卡进行扩展［２］。上述方法均存在着硬件系统复杂、系统反应慢的问题。
针对上述情况，本文提出了采用模拟通道、数字通道采集数字传感器信号，用软件实现定时、计数功能测量频率的方法。并搭建流量测量试验系统，对几种方法进行验证。采用该方法采集的数据与传统的数据采集方法所得的数据进行了分析、比较。
种数据采集卡出现在科研、生产等众多应用场合［１“］。然而，各公司的板卡，如Ｎ１公司（ＰＣＩ－６０２３Ｅ、ＰＣＩ－６０２４Ｅ、ＰＣＩ－６２２１等有１６路ＡＩ／０；１６路ＤＩ／Ｏ｝２路定时／计数器）、研华的采集卡（如ＰＣＬ－８１８有１６路ＡＩ／Ｏ；１６路ＤＩ／Ｏ；１路定时／计数器），其有限的定时／计数器个数便成为多路数字传感器信号采集的瓶颈。随着数字式传感器的广泛使用，数据采集卡上有限的定时／计数器个数已无法满足测量系统的构建，有必要探索新的数字信号频率量的测量方法。
常用的方法主要有以下几种：（１）利用多路转换开关，如山东农业大学采用虚拟仪器技术开发ＱＣＳ００３液压试验台计算机辅助系统…，采用多路转换开关ＣＤ４０５１ＢＥ进行扩展，利用多余的数字输出口选通多路转换开关、扩展定时／计数器。（２）利用附加定时／计数器卡，如吉林大学机械学院开发的ＪＳＰ－０４快速组合式全功能液压教学实验平台，采用研华公司的ＰＣＬ－８３６多功能定时／计数器卡进行扩展，中国农业大学采用虚拟仪器技术开发的带传动性能参数实验系统采用ＡＭＰＣＩ－８２２０Ｈ
收稿Ｅｌ期：２００９―０８―２６｝修回日期：２００９―０９―２５．
作者简介：姜闻胜（１９８３一）．男，山东省威海市人，研究生?主要从事机械设备检测与诊断技术方向的研究。
杨明亮（１９５４一），男。陕西省富平县人，教授，硕士生导师，主要从事流体传动与控制、智能仪器方向的研究。
ｌ测量方法介绍
多路转换开关扩展定时／计数器测量数字传感器信号方法采用定时／计数器测量数字传感器信号是最常规的方法。
可以实现一个定时／计数器测量多个数字传感器的一对多式测量。该方法共用到：数字输出通道、多路转换开关ＣＤ４０５ｌＢＥ、定时／计数器。将数字传感器信号接到多路转换开关ＣＤ４０５１ＢＥ的输入端口上。然后通过采集卡的数字输出功能选通多路转换开关的ＩＮＨ、Ａ、Ｂ、Ｃ四个控制端口。多路转换开关的输出接口与采集卡的定时／计数器相连接。这样，通过数字输出选通多路开关实现一个被测量对象与数据采集卡的定时／计数器端口接通。经定时／计数器将脉冲信号采集进去。以下步骤说明了如何使用板载的一个定时器产生采样时钟来作为硬件定时采样时钟。
１）创建一个数字输出任务，选通ＣＤ４０５１ＢＥ。
２）开始定时／计数器输入任务，循环获得多组频率值求均值。
实验用ＮＩ公司ＰＣＩ－６２２１数据采集卡定时／计数器的最高
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计算机测量与拧制
３）开始数字输入。
采样频率８０ＭＨｚ，远远高于流量计的最高信号频率为１４００Ｈｚ。由香农定理知道完全符合测试条件，也完全满足工程应用上的要求。同时，由于定时／计数器是获得多个值求均值，可以有效地解决压力脉动问题。
具体程序很多，此处不再赘述，参考文献［３］。１．２模拟通道测量数字传感器信号方法
采用模拟通道测量数字传感器信号的方法，就是把传感器输出的脉冲信号通过模拟通道采集进计算机，通过设置采样数和采样频率，使采样时间内包含若干个脉冲周期，通过数据采集卡模拟信号输入通道将脉冲信号完整采集进来后，利用ＬａｂＶＩＥＷ里面的提取单频信号子ＶＩ可以获得信号频率。
以下步骤说明了如何使用板载的一个定时器产生采样时钟来作为硬件定时采样时钟。
１）创建一个模拟输入或者输出任务，并且指定其采样频率。
２）开始模拟输入任务。
３）利用ＬａｂＶＩＥＷ里面的提取单频信号信息ｖｉ获得采集进来的信号的频率。具体程序如图１
４）利用ＬａｂＶＩＥＷ里面的提取单频信号信息ｖｉ获得采集进来的信号的频率。
实验用Ｎｌ公司ＰＣＩ一６２２１数据采集卡数字关联Ｉ／Ｏ的最高采样频率１ＭＨｚ，远远高于流量计的最高信号频率为１４００Ｈｚ。采用模拟通道采集符合香农定理，能达到所需要的精度。
图２数字通道测量数字传感器信号
同时，在软件中设定获得多个值后求均值，可以有效地解决压力脉动问题。具体程序如图２所示。
２测量方法的实验研究
２．１实验系统介绍
为简化实验，我们在ＪＳＰ－０４Ｅ自组装液压试验台上，构建了如图３所示的试验系统。
如图３所示的实验测量系统，将两个流量传感器的输出信号分别分成三路，接到多路转换开关、模拟通道１和２、数字
图１模拟通道测量数字传感器信号程序
１．３数字通道测量数字传感器信号方法［１ｑ
通道１和２上，利用ＬａｂＶＩＥＷ的多线程功能，采用一个采集卡进行试验，以确保３种方法采集的数据是相同的［５￣７’１“。
数字通道常用于开关量的测量，不适宜做脉冲信号采集。以ＰＣＩ一６０２４Ｅ为例，该卡使用ＤＡＱ－ＳＴＣ芯片包括３个定时器组，它们分别控制着模拟输入、模拟输出和通用定时／计数功能。显然，数字通道没有硬件时钟，称之为静态ＤＩＯ。静态Ｄ１０依赖于系统，若用静态ＤＩＯ测量脉冲信号，只能在软件中采用ｗｈｉｌｅ循环，通过读取信号的下降沿变化循环监测Ｉ／０口状态。但其速度会根据主机的处理能力发生变化，无法保障采样精度。这里要提到Ｃｏｒｒｅｌａｔｅｄ（关联）ＤＩＯ，所谓关联ＤＩＯ就是将数字输入输出通道与模拟输入输出、定时／计数器的时钟或外部时钟源进行关联，这意味着稳定的时钟源来管理刷新率和采样率。即可以采用数字Ｉ／Ｏ进行脉冲信号的测量。
借用模拟输入、输出或者定时／计数器时钟作为数字任务的定时源。利用ＬａｂＶＩＥＷ里面的提取单频信号子ＶＩ可以获得信号频率。
以下步骤说明了如何使用板载的一个定时器产生采样时钟作为硬件定时采样时钟。
１）针对数字输入任务，创建一个定时器任务，产生一个固定频率的数字脉冲。
２）创建一个数字输入或者输出任务，并且指定其采样时钟源为内部定时器输出，该输出为定时器任务配置的脉冲输出。
２．２数字流量传感器
１为液压泵２、３为调速阀４、５为流量传感器６为溢流阀
图３试验系统示意图
该测量系统选用ＬＷＧＹ一６型数字流量传感器，输出信号为方波信号，由采集卡和计算机对一定时间内方波的个数计数，即可完成流量的测量。其流量测量公式为：ｑ一
生旦铲（ｍ３／ｈ）。其中ｑ为流量，，为测得的频率，忌为
传感器标定系数。
２．３实验结果和数据分析
图４为模拟通道采集的脉冲信号效果图，右端Ｄｅｖｌ／ａｉ０
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第２期姜阔胜．等：数据采集卡测帚数字传感器信号的方法研究
表示采用设备一。即：ＰＣＩ－６２２１的第一条模拟通道。（２）可以充分利用数据采集卡中模拟通道资源。数字Ｉ／Ｏ通道一般有１６路，采用本方法后，不用增加定时器／计数器采集卡。其缺点是需要外部提供时钟，程序稍微复杂。优点是，其采样频率高，对于ＰＣＩ一６２２１卡来说，其模拟采样频率最高为２５０ｋＳ／ｓ，而采用数字关联Ｉ／０最高采样频率可高达１ＭＨｚ。（３）被测信号频率低的情况下，推荐使用模拟信号扩展方法；在被测信号频率高的情况下，推荐使用数字关联Ｉ／０，并且最好用模拟输出时钟或者定时／计数器时钟。
（４）本方法是对硬件的应用创新，无需增加硬件设备，结构简单，可以降低成本。同样适合于其它虚拟仪器软件如：Ｖｉｓｕａｌ
Ｃ＋＋、ＶｉｓｕａｌＢａｓｉｃ、Ｌａｂｗｉｎｄｏｗｓ／ＣＶＩ、ＨＰＶＥＥ等。
图４采集脉冲效果
本文作者创新点：利用采集卡自身资源扩展定时／计数器，用模拟ＩＯ或数字１０完成数据采集，用软件实现定时、计数功能，最高可采集３４路数字脉冲信号。
下面表１是使用ＰＣＩ－６２２１分别采用三种方法在测得的三处流量数据表，在液压试验台上对ＬＷＧＹ一６型数字流量传感器进行测量的结果。
表１流鼍传感器数据表
测量次数定时／计数器编程（Ｌ／ｍｉｎ）模拟通道编
２．８８４
４．１１９
７．５４９
８．９３３
９．０５３
参考文献：
［１３姜万，录牛慧峰，赵春艳，等．基于虚拟仪器的电液比例方向阀
静动态特性综合ＣＡＴ系统［Ｊ］．传感器技术学报，２００５，１３―２２．［２］毕虎，律方成，李燕青，等．ＬａｂＶＩＥＷ中访问数据库的几种不
２．８７４４．１２２７．５３１８．９２６９．０４７１１．８７９１２．０１１
同方法［Ｊ］．微计算机信息，２００６，（０１―１）：１３１―１３４．
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［－４１李莉．中国农业大学采用虚拟仪器技术开发的带传动性能参数
１Ｉ．８８３１２．０２１
程（Ｌ／ｍｉｎ）数字通道编
２．８８０
４．１１６
７．５４６
８．９３１
９．０５１
１１．８８２
１１．８８１
１２．０１９
程（Ｉ。／ｍｉｎ）平均值
２．８７９
４．１１９
７．５４２
８．９３０
９．０５０
１２．０１７
实验系统［Ｄ］．北京：中国农业大学，２００５，ｌｌ一３２．
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２００８，２１（５）：１０―１１．
［６］谭保华，王垫，熊健民．基于ＵＳＢ总线技术的高速数据采集卡
上表数据可以看出，采用三种方法测量流量的数据基本一致，精度很高。实验证明采用本文方法获得精确的流量测量结果，是一条解决采集卡定时／计数器个数有限行之有效的方法。
研制［Ｊ］．计算机测量与控制，２００８，１６（１２）：１９８２―１９８４．［７］吴峰林，方昌林，顾
建．高速数据采集卡和多线程技术在液压
（１１）：１６９
伺服控制系统中的应用［Ｊ］．机床与液压，２００６，
―２１３．
（１）可以充分利用数据采集卡中模拟通道资源。采集卡中模拟通道的数量较多（一般为１６路），采用该方法可以减少采集卡的数量，简化数据采集系统。采用该方法，可以解决测频法中“士ｌ误差”问题，精度高。
注意模拟通道的采样频率较低（ＰＣＩ一６０２３Ｅ、ＰＣＩ一６０２４Ｅ、ＰＣＩ－６２２１等最高采样频率为２５０ｋＳ／ｓ；ＰＣＬ一８１８卡的最高采样频率５０ｋＳ／ｓ）。适合数字传感器的输出信号频率较低的情况。例如本实验中选用ＬＷＧＹ－６型数字流量传感器，其最高输出信号频率为１４００Ｈｚ。采用模拟通道采集符合香农定理，能达到所需要的精度。
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（４）：１―４．
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Ｐｒｏｇｒａｍｍｉｎｇ
ＬａｂＶＩＥＷ［ｚ］．Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ
１４３：Ｃ．
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孛蚌谆蛸谆蚋寸驴诤蛐诤蛐谆蚋诤蚋诤韭诤§坶哆罅曲诤鲫啦鲈诤蚋诤旦，诤旦｜博曲诤驴诤蚰喀蛸尊蚋球哆淖鲈谆驷诤螂诤蚋诤驷诤鲫诤辨书骂寸蚰诤蚋诤幽喀鲫咎蚋诤蚋诤垫诤蚋譬鲈谆蚋诤业乎哆社帅博明罅蚋罅蚋咎鲫嶙螂诤鲫诤鲫≮＿哆
（上接第２８２页）
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［５］张景霞，王润孝．基于产生式规则的装配顺序生成［刀．机床与液
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波，马玉祥．专家系统［Ｍ］．北京：北京理工大学出版
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出版社，２００４．
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数据采集卡测量数字传感器信号的方法研究
作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：引用次数：
姜阔胜， 杨明亮， 梁应选
陕西理工学院机械工程学院,陕西,汉中,723003计算机测量与控制
COMPUTER MEASUREMENT & CONTROL)0次
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本文研制的中医脉象测试系统包括传感器的选择、信号预处理电路的设计、USB数据采集卡的设计和利用虚拟仪器开发平台LabVIEW编制中医脉诊分析应用软件.该应用软件可进行脉象信号的时域、频域特征参数的提取,从不同角度满足中医脉象诊断分析的要求.数据采集与PC机的硬件连接采用USB接口通讯,提高了数据采集速度,增加了采集的通道,可在虚拟仪器面板对信号进行通道增益调节.该系统充分利用PC机的资源(尤其是其软件资源)及灵活性,使仪器的设计变得简单、更加模块化、易维护、可重复利用性好、省时经济.而且仪器的功能如分析处理、存储管理等能力加强,同时仪器的用户界面更加美观、友好,操作使用非常简便.
8.学位论文 吴伟斌 基于虚拟仪器技术的发动机测功系统 2004
发动机测试仪器经历了模拟仪器、数字化仪器和智能仪器三个阶段.W40型电涡流测功器是华南农业大学20世纪80年代初,为满足教学和科研需要,从德国进口的测功设备,能进行40kW以下的发动机的性能测试.该论文以原系统提供的测功器为基础,利用虚拟仪器技术,采用个人计算机(PC)、NI-PCI6024E数据采集(DAQ)卡和信号调理模块(SCXI)构建一个新的发动机测功系统.测功系统中,拉压传感器、磁电转速传感器、光电转速传感器和热电偶输出的信号经过信号调理模块,被隔离、滤波、放大、线性化后,进入DAQ卡和PC;另一方面,油耗仪、空气流量计和烟度计输出的信号,通过RS232C进入PC.通过图形化语言LabVIEW的编程,用户界面直观的显示在显示器上,并可方便调试.系统具有以下特点:(1)运用当今广泛使用、通用的PC作为平台,拥有丰富的硬件资源,如高性能CPU、大容量硬盘、彩色显示器等,有较强的数据处理、存储、通信和联网功能;(2)运用基于PCI总线的DAQ卡,使数模转换部分高度集成化,提高了数据采集精度和可靠性,并能充分利用机箱及其电源的便利,增加了测试系统的灵活性和扩展性,而又相对比VXI和PXI总线系统便宜;(3)在进入DAQ卡前,传感器输出的信号经过SCXI的隔离、放大、滤波等信号预处理,提高了信号的稳定性和可测量性;(4)使用了具有功能强大和图形界面良好的虚拟仪器软件LabVIEW,用户可自定义仪器完i成测试;(5)测量结果自动存储到EXCEL中,用户可以方便进行二次处理;(6)增加了烟度、空气流量和进气温度等测试项目,而且再扩展容易,如温度的SCXI有可接纳8个热电偶信号.最后,系统应用在190-12型单缸立式柴油发动机燃用0号柴油和16种代用燃料的稳态测功试验上,开发和调试时间为两个月,连续试验一个月.17种燃油在6种速度下重复测试3遍.系统的应用反映了系统有较高的灵活性和稳定性,操作方便,数据可靠且二次处理容易.另外,在调试程序期间,使用温度SCXI多个通道进行比较、监控,反映了系统的灵活性,而且扩展容易.将曲轴箱压力传感器、噪声传感器和机械振动传感器等添加入系统,并编出相应的程序,系统就能扩展成为完善的发动机试验台架测试系统.
9.期刊论文 朱余清.吴伟斌.洪添胜.I.A.M.Khalid.陈海生 基于虚拟仪器技术的发动机测功系统 -广西大学学报（自然科学版）)
随着计算机技术的发展,虚拟仪器技术正成为测试和控制领域的新工具.本文介绍了一个利用虚拟仪器技术,采用NI-PCI6024E数据采集卡、信号调理模块及PC机构成的柴油发动机测功系统.传感器输出的信号经过信号调理模块,被隔离、滤波、放大、线性化后,进入数据采集卡和PC机;另一方面,烟度计、油耗仪和流量计输出的信号,通过RS232C进入PC机.通过图形化语言LabVIEW的编程,用户界面直观的显示在显示器上,并可方便调试.系统应用在柴油发动机燃用柴油和16种植物油的稳态测功实验上,开发周期短且各参数测量误差与国家发动机试验标准对比,都满足要求.
10.学位论文 曾明 基于虚拟仪器平台的检测系统开发及信号处理方法的应用研究 2003
采用虚拟仪器技术,计算机技术与仪器技术相结合的产物,代表了仪器的最新发展方向,它把传统仪器中的某些硬件乃至整个仪器都用计算机软件替代,这样不仅可以节省硬件开支,而且缩短了研发时间,减小了设计难度.在众多的开发平台中,我们选择NI公司开发的图形化开发平台LabVIEW,这种平台的采用,使得设计者很容易构建复杂虚拟仪器测控系统.论文探讨了虚拟仪器应用研究的新方向,即虚拟仪器开发平台的功能扩展和基于虚拟仪器技术的应用程序开发.通用数据采集卡驱动程序开发就是针对虚拟仪器开发平台的功能扩展方面的研究.NI公司的数据采集卡系列相对比较昂贵,很多用户希望采用低价位同型的通用数据采集卡,但LabVIEW对于非NI公司产品是不支持的,所以与开发LabVIEW兼容的通用数据采集卡驱动程序是非常有必要的.在设计中我们充分利用LabVIEW平台的开发性,通过CIN调用代码接口节点、CLFN调用库函数节点及直接利用LabVIEW中In Port,Out Port控件三种方案,通过编制相应软件很好地解决通用数据采集卡驱动程序开发问题.本论文还介绍了利用虚拟仪器技术开发的两个应用实例,油品含水量智能检测系统设计是基于虚拟仪器平台的应用系统开发方面所做的研究,研究主要涉及如何充分而合理利用虚拟仪器平台的功能控件构建一个集信号采集、存储、分析和处理为一体的测试系统,油品含水量智能检测系统设计,为在这方面的研究提供了一个很好的研究对象.我们采用射频电容法测量油品中的含水量.由于电容传感器存在交叉灵敏度问题,为了解决交叉灵敏度对测量产生的影响,我们引入了多传感器信息融合技术.油品含水量智能检测系统具有测量精度高,操作简便,抗干扰能力强等众多优点.把虚拟仪器技术和信息融合技术这两项新技术有机地结合,应用于油品含水量检测,在国内尚无先例,处于领先水平.轧机振动在线监测系统设计是针对信号、数据处理方面开展的研究.在轧机振动监测系统设计中,使用了多种信号、数据处理方法,使基于虚拟仪器技术的检测系统具有强大信号、数据分析处理能力这一优势得以充分的体现.
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