李春春;季振山;张祖超;李实;陈小帅
【摘 要】在EAST全超导托卡马克核聚变放电实验中,某些信号需要低功耗、便捷的进行独立同步采集与分析;而现有的大型采集系统并不能满足此需求,所以需要设计一套低功耗的、便携式的多通道数据采集系统来保障EAST实验的顺利进行;系统具有界面友好、性能稳定等诸多优点;在LabVIE软件编程环境中,系统能够实现对多达32路信号的同步采集、实时显示、数据存储、数据分析以及历史数据回放等功能;经过实验测试,该系统运行稳定可靠,完全满足EAST实验的数据采集需求. 【期刊名称】《计算机测量与控制》
【年(卷),期】2015(023)007
【总页数】3页(P2492-2494)
【关键词】便携式;多通道;同步采集;数据采集系统;虚拟仪器
【作 者】李春春;季振山;张祖超;李实;陈小帅
【作者单位】中国科学院 等离子体物理研究所,合肥 230031;中国科学技术大学,合肥 230022;中国科学院 等离子体物理研究所,合肥 230031;中国科学院 等离子体物理研究所,合肥 230031;中国科学院 等离子体物理研究所,合肥 230031;中国科学院 等离子体物理研究所,合肥 230031
【正文语种】中 文一个人对话
【中图分类】TP3
乡村医生从业管理条例EAST（experimental advanced superconducting tokamak）是我国自行设计研制的世界上第一个“全超导非圆截面托卡马克”核聚变实验装置［1］。目前，在该实验装置上约有几千路物理诊断信号，数据采集系统提供快速、准确的数据支持，为物理实验人员的决策分析提供重要依据［2］。
在2014年的等离子体放电实验中，由于系统调试的需要，可能要对某道信号或几道信号进行单独地采集分析。为满足以上需求，我们采用图形化编程环境Lab VIEW作为软件开发工
具，设计了基于虚拟仪器技术的便携式多通道数据采集系统。
该系统具有以下4项功能：
1）集成了信号接线器、信号调理器和A/D转换器，提供便携性；注塑机联网
2）高达100kHz的同步采样率、16位的采样精度；
3）提供实验数据实时显示以及历史数据回放功能；
4）提供数据存储功能，从而对数据进行深层分析和研究。
1.1 设计目标
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在EAST实验装置中，部署着几套大型采集系统单元［2］，这些系统需要将采集信号经过传感器—信号调理—A/D等一系列转换才能完成采集；其次还需要提供精确的时钟信号，以确保时钟的同步性。而在EAST测试放电中，以上采集系统过于庞大，并不适合对某些信号进行单独采集，因此开发了便携式多通道数据采集系统。由于实验中需要对多通道数据进行采集，从而有大量的实验数据需要存储。所以在设计时要求该数据采集系统必须具
备多通道数据同步采集的能力以及数据存储的能力，这也是该系统设计的重点和难点。
1.2 硬件系统简介
该系统的采集设备采用了NI公司的Compact DAQ系列的产品，以下将对其硬件进行详细介绍［3-4］（硬件选型详见表1）。
1）机箱：
机箱是采集硬件的核心，主要实现I/O模块访问、测控实现，以及向上位机高速传输数据。机箱内置的逻辑门电路、I/O模块连接，通过定时、触发、输入/输出和同步等操作，实现对I/O模块的精确控制和数据采集。机箱和上位机之间通过Ethernet标准局域网通信协议实现网络通信。该系统采用的是Compact DAQ－9188机箱。
2）I/O模块：
I/O模块内置信号调理电路和驱动电源，可直接与传感器连接，支持热插拔。该系统采用的是NI 9215模块。它拥有独立的定时引擎以进行定时和同步，可溯源至NIST的标准，工作
温度范围在－40～70℃之间，支持4路同步采样模拟输入，还具有每通道高达100 kS/s的高速采样速率以及分辨率为16位的特点。
1.3 工作原理
在便携式数据采集系统的设计中，该系统硬件主要由待测信号、数据采集设备和计算机3个部分组成（系统硬件结构如图1所示）。数据采集设备的作用是将模拟的待测信号转换为数字信号并传送给计算机；计算机上安装了相应的驱动和应用软件，控制外围硬件有序工作，方便用户与硬件交互，完成采集任务，并对采集到的数据进行后续分析和处理。系统运行时，计算机作为上位机，cDAQ－9188平台作为下位机，机箱中插入NI 9215模拟输入模块，它负责将同步采集到的多通道信号进行A/D转换，然后经过以太网接口传送到上位机，而上位机负责对数据进行相应的处理和存储。系统的每个组成部分都具有体积小巧，低功耗的特点；整个系统便于携带，很适合移动测试。
在该软件系统中，通过采用模块化设计的思想，实现了数据的同步采集、实时显示、存储、回放等基本功能。每个功能由一个模块来实现。主要有系统参数设置、数据采集处理、实验数据存储、数据实时显示和历史数据回放5个模块（如图2所示）。其中，系统参
数设置模块是对采集设备通道、触发模式等参数的设置；数据采集处理模块完成对炮号的获取、采样率的设置、在不同的采集模式下所采取的动作以及对采集到的实验数据进行分析和处理，并以波形图的方式实时显示；实验数据存储模块是将采集到的实验数据以TDMS文件的格式保存在计算机的磁盘中（TDMS是Lab VIEW特有的高速数据存储方式，保存、读取速度快，数据组织紧凑，操作方便、快捷）；历史数据回放模块是通过选择文件路径，使用户在数据采集完成之后可以对任意通道的实验数据进行读取和分析，并且可以实现动态地回放数据波形的整个过程。
2.1 软件设计
该系统主要完成多通道信号的采集、存储以及处理等功能。在设计时，首先要初始化参数；然后根据采集模式是连续采集还是有限采集来进入相应的采集状态；在数据采集的过程中，数据会以波形图的方式实时显示，同时还会将采集到的数据进行存储；采集停止后，仍然可以返回到“开始采集”状态，按照上述步骤进行下一轮的采集；在采集完成后，若需要对历史数据进行分析研究，则可以在选择文件保存路径后对数据进行后续处理，具体的软件流程图如图3所示。双汇收购史密斯菲尔德
2.2 软件编程实现
该系统采用基于虚拟仪器系统开发的语言Lab VIEW［5］（Laboratory Virtual instrument Engineering）来编程的。所谓虚拟仪器就是在以计算机为核心的硬件平台上，其功能由用户设计和定义，具有虚拟面板，其测试功能由测试软件实现的一种计算机数据采集系统。Lab VIEW是一种图形化的编程语言，它广泛地被工业界、学术界和研究实验室所接受，视为一个标准的数据采集和仪器控制软件［6］。Lab VIEWVI程序主要包括前面板和程序框图两个部分。前面板提供友好的图形界面，用于人机交互，程序框图是图形化源代码，用于实现各种逻辑功能。
如图4所示是数据采集系统的核心程序框图，其图中的主要变量定义如下。
采样率：根据采集的原始信号设置合适的采样率，为使采集到的信号能够平滑地显示，采样率至少为原始信号的2倍，本系统的采样率最大值为100kHz。
分配名称：通过使用通道选择函数（图中未标识）来识别外界的待测信号，并分解得到每个通道的名称，供创建虚拟通道时使用。
触发方式：包括内部触发和外部触发。内部触发模式下由系统内部提供高电平触发计数器计数；外部触发模式下，还需要设置触发源变量，它是通过BNC接口来接收外界信号，在采集－6秒时提供触发。
最小值/最大值：根据原始信号的幅值来设置。英国毒贩阿克毛
由图中可以看出，整个采集系统主要由4个部分组成。首先是参数设置部分，在该部分中，主要是设置接入的采集设备的通道参数、信号的幅值范围来初始化系统。
其次是数据采集部分，它是整个系统的核心，通过设置采样率、触发参数，利用采样时钟函数和触发函数来完成数据采集。然后是数据处理部分，它是将采集到的实验数据进行实时显示，可以同时显示多个通道间的波形，通道间用不同的颜来标识。最后是数据存储部分，通过选择存储路径，并调用子函数（其功能是将数据写入TDMS文件中）将数据保存在计算机的相应磁盘，该部分也是相当重要的，因为后续的数据分析、研究以及历史数据的回显都是建立在数据存储的基础来实现的。
图5是该系统的前面板，主要分为两部分，左边是参数设置部分，右边是波形图显示部分。
在左边可以设置炮号、采样率、通道配置、触发方式、幅值等参数，左下方的采集方式由连续采集和有限采集组成，当系统处于连续采集状态时，采集进度条直接充满，采集时间长度增加，直到手动点击“停止采集”；当系统处于有限采集状态时，需要设置“采集时间”变量，随着采集时间长度的增长，采集进度条开始慢慢填充，直至达到所需要的时间长度，采集进度条才会充满，然后系统会自动停止采集。在该前面板上，设置采样率为100kHz，采用外部触发，有限采集，时间长度为200 s，将正弦波和方波分别接入CH0和CH1通道上。右上方的波形图是对采集到的两路信号的实时显示，分别是时间段为20～180 s，峰－峰值为2 V的方波和正弦波；右下方的波形图是对上述正弦波的历史回放，可通过设置左边的“文件打开路径”参数来查看所需要的实验数据。
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