张妍，杨玲
(西安石油大学电子工程学院，陕西西安710065)
摘要：基于N t 4431数据采集卡和图形化编程软件LabVIEW 设计了瞬变电磁信号高精度采集系统，系统适用于瞬变电 磁信号的采集及简单的实时信号处理，系统中信号采集模块由NI -4431实现，其他功能，包括信号的采集、处理、存储和 用户界面等，均在上位机(LabVIEW 2014)实现。实验表明，该系统能够完成对瞬变电磁信号的实时采集与处理，采集精 度高，具有较好的应用前景。 关键词:M -4431；高精度采集；瞬变电磁中图分类号:TP 391.41
文献标识码:A
文章编号:1673-1131( 2017 )04-0098-02
信息采集11]是信息科学的一个重要分支，随着电子信息技 术的快速发展和计算机技术的广泛应用，信息采集系统己经 广泛应用于石油勘探、环境分析、科学实验等各个领域。本文 基于N M 431数据采集卡，利用图形化编程语言LabVIEW 01设 计了集数据采集、处理、存储和显示为一体的瞬变电磁信号髙 精度采集系统。系统具有稳定性髙、精度高等特点，人机交互 界面友好直观、易于操作和维护。
1数据采集卡NI 4431简介
M -4431数据采集卡是一款5通道USB 动态信号采集
模块，用于通过集成电路压电式与非集成电路压电式传感器 进行髙精度声音和振动测量。其中，它的四路通道具有针对 传感器141的信号调理功能。第五路通道是一个模拟输出通道。
第五通道模拟输出(AO )通道可同步至A I 通道。A O 通道的 更新速率为96 kS /s ，其动态范围为89 db ，可以实现高速高精 度测量。NI -4431模块具有多路模拟输入(AI )通道，所有AI 通道同时进行采样，采样率范围可从1 S /s 到102.4kS /s ，而且 A I 通道的动态范围为100 d
B ，每个A I 通道用于加速度计和
麦克风的软件可选式交流/直流耦合与IEPE 信号调理。这些 通道还兼容IEEE 1451.4 (TEDS )传感器，可实现传感器即插 即用的功能
2瞬变电磁理论
瞬变电磁法w 是以电磁感应原理为基础的人工源电磁探 测方法，利用不接地回线或接地线源向地下发射一次脉冲磁 场，在一次脉冲磁场间歇期间利用线圈或接地电极观测地下 介质中引起的二次感应涡流场，通过对感应二次场信息的提 取和分析，研究地层介质的分布情况、电阻率等。其麵信号 —般为脉冲信号、双极性波、斜阶跃波等。
3瞬变电磁信号采集系统设计
3.1倍号采集系统构成
图1信号采集系统原理框图
信号采集系统由信号接收模块、信号调理模块、NI - 4431
防御素数据采集卡、上位机软件模块和信号输出模块五部分组成。本
设计基于:NI -4431数据采集卡，采用LabVIEW 开发出了一套 性能稳定、精度髙的瞬变电磁信号采集系统。通过简单设计 外围电路，编写相应的程序，对所采集的瞬变电磁信号进行相 应的处理，可用于实验室的试验研究使用[6)。系统的原理框图 如图1所示。
3.2数据采集卡参数配置 3.2.1数据采集卡测试方式选择
N 1-4431的数据采集方式有差分测试和单端测试两种，而
单端测试又可分为参考地单端（RSE )和非参考地单端 (NRSE )。釆用差分测试模式时，不仅可以避免接地回线的干
扰，也可以避兔因环境引起的共模干扰。差分测试模式一般 适用于:①低电平信号(例如小于IV );②信号电缆没有屏蔽 或者比较长的情况，环境噪声比较大;③每一个输入信号要求 单独的参考点。单端测试系统可以使用两倍的测试通道，其 信号都参考一个公共参考点也就是仪器放大器的负极，当输 入信号不具有差分测试模式的特点时可使用单端测试系统。 而RSE 测试系统将信号参考点与仪器模拟输入进行连接，可 用于测试浮地信号;NRSE 测试系统所有输入信号均已接地， 因此信号参考点不需要再接地，可以避免接地回路的干扰。 由于本系统激励信号为瞬变电磁信号，并考虑到R SE 方式 的劣势以及差分方式抗干扰能力较强的特点，本文采用差分 方式。
3.2.2数据采集卡定时设置
NI -4431数据采集卡采集模式有四种：1采样(按要求)、1
采样(硬件定时)、N 采样和连续采样。其中，1采样(按要求)
指定任务采集或生成一个采样。1采样(硬件定时)指定任务 在硬件时钟的一个边沿上采集或生成一个采超前止水后浇带
样。N 采样指定 任务采集或生成有限个采样，具体个数由待读取/写入采样指 定。连续采样指定任务在停止前始终采集或生成脉冲。如果 在连续模式下使用Signal Express 在DAQ 助手任务中的每个
循环中采集一个采样，或生成一个脉冲，可配置N 采样或N 脉
冲的定时设置。此处我们通过DAQ 助手任务采集一个采样， 因此选择N 采样。
3.2.3教据采集卡触发器配置
NI -4431数据采集卡的触发类型有：模拟边沿、模拟窗、数
字边沿、数字模式和软件触发' 模拟边沿触发是当模拟信号 达到指定电平时开始或停止触发。模拟窗触发是当触发信号 的电压进入或离开指定范围时开始或停止触发。数字边沿触 发是在数字脉冲的上升沿或下降沿开始或停止触发。数字模
2017年第4期 信息通信
2017
led矿灯(总第 172 期）
INFORMATION & COMMUNICATIONS (Sum . No 172)
信
号输出模块
上
位机软件模块
431数据采集卡
4信号调理模块
信号接收模块外部激励信号98
图4偶数次采样瞬变电磁信号处理程序框图
3.4实验
基于:NI -4431数据采集卡的瞬变电磁信号高精度采集系 统显示界面如图5所示，根据所设计的信号采集系统，分别进 行了瞬变电磁信号采集、处理及波形显示等实验，结果理想。
图5模拟的是基于NI -4431数据采集卡采集外部输入的 瞬变电磁信号，并用所编写的上位机处理程序处理后的显示 界面图，图上的异常部分为瞬变电磁信号探测到周围金属异 常体时的反应。实验证明，用此方法来采集并处理瞬变电磁 信号是完全可行的，并且采集速度和精度符合要求。食品安全检测试纸
图5上位机软件程序界面
4结语
1SM 431是一个多通道髙精度的数据采集卡，LabVIEW 是 —个功能强大的虚拟仪器编译环境，将两者相互结合进行设
计，给予用户更多的选择性。本文从瞬变电磁信号奇偶次采 样的不同特征出发，结合虚拟开发平台LabVIEW 中D A Q 助 手的内置函数，建立了一个抉速高精度的信号采集系统，并给 出了具体的实验结果。结果表明，该系统性能稳定，融入了模 块化的设计思想，易于和分析。参考文献：
[1]孟雪梅.信息采集C M ].吉林人民出版社，1995.⑵陈锡辉，张银鸿.LabVIEW 8.20程序设计从入门到精通[M ].
清华大学出版社,2007.[3] 美国国家仪器(NI )有限公司.USB -4431数据采集卡[EB /
OL ].http ://sine .m /nips /cds /view /p /lang /zhs /md /206676[4] 周旭.现代传感器技术[M ].国防工业出版社，2007.[5] 薛国强，李貅，底青云•瞬变电磁法理论与应用研究进展[J ].
地球物理学进展，2007,22⑷:1195-1200.[6] 曾璐，陆荣双.基于LabVIEW 的数据采集系统设计[J ].电
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系[J ]•实验室研究与探索基金项目：本项目由国家大学生创新项目颁目编号:20151070S 222) 资助。
式触发是某个特定的数字模式发生时开始或停止触发。软件 触发是单击Signal Express 顶部工具栏上的Trigger 按钮时触 发采集。由于外部激励信号为瞬变电磁信号，虚拟通道为电 压，我们选择模拟边沿触发，设置触发器的斜率为上升，触发 电平设置为250mV 。3.3上位机软件模块
上位机软件模块就是LabVIEW 对NI ~4431数据采集卡 自带的LabVIEW 子VI (DAQ 助手环境下的数据采集驱动程 序)进行调用的基础上，通过编写相应程序，分别实现信号采 集、处理及输出显示等功能。3.3.1 DAQ 助手
DAQ 助手是一个对话框式的图形化向导界面，其配置了
通道、任务和刻度信息等数据采集功能函数。通过该界面可
以交互地创建NI -DAQmx 虚拟通道，编辑和运行DAQ 任务。
NI -DAQmx 虚拟通道包括DAQ 设备上的物理通道和对这个 物理通道的配置信息DAQ 助手如图2所示。
本地导航DAQ 助丰
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图2 D A Q 助手及参数配置
3.3.2上位机软件程序
上位机软件程序中，先通过1SM 431数据采集卡配置好采 集瞬变电磁信号的参数，再通过D A Q 助手调用这些参数。将 NI ~4431数据采集卡采集所得采样波形数组中的波形数据提 取出来，由于瞬变电磁信号奇数次上升沿和偶数次上升沿采 集的信号方向相反，因此可将奇数次采样和偶数次采样所得 数据分离之后再分别进行处理。由于NW 431数据采集卡是 连续采样，我们根据需要选择任意十次偶数采样和任意十次 奇数采样，并且将每一次偶数采样和每一次奇数采样所得的 数据存储起来，并逐个成像显示。当偶数或奇数采样点数为 2500个点时，一次采样循环结束，进入下一次循环。上位机软 件处理程序流程图如图3所示。
图3上位机软件程序流程图
偶数次采样所得信号和奇数次采样所得信号的处理过程 相同，以偶数次采样得到的瞬变电磁信号处理过程为例，图4 所示为上位机软件瞬变电磁信号处理程序框图。
DAQ 助孚
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信息通信
张妍等：基于N I -4431的瞬变电磁信号髙精度采集系统设计
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