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

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，在信號測量、圖像處理、音頻信號處理等測量中，都要求進(jìn)行高速、高精度的數(shù)據(jù)采集。這就對數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計提出了2方面的要求：1)要求接口簡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，比如安裝不方便，傳輸速度慢，受計算機(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(Universal Serial Bus，簡稱USB)具有高傳輸速度、易擴(kuò)展、熱插拔和即插即用等特點，很好地克服了數(shù)據(jù)采集卡的缺點，容易實現(xiàn)低成本、高可靠性、多點的數(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是專為移動應(yīng)用或空間上有限制的應(yīng)用設(shè)計的，其即插即用的安裝最大程度降低了配置和設(shè)置時間，同時它直接與螺絲端子相連，從而降低了成本并簡化信號的連接。NI-DAQmx驅(qū)動程序和測量服務(wù)軟件提供了簡單易用的配置和編程界面，以USB-6281為硬件平臺，借助其提供的USB接口和NI-DAQmx驅(qū)動軟件，采用VC++高級語言編程，完成數(shù)據(jù)高速采集系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計
1．1 USB-6281簡介
USB-6281適用于地質(zhì)監(jiān)測、材料分析、環(huán)境感知、光學(xué)、光譜學(xué)、結(jié)構(gòu)測量及氣體探測，還包括醫(yī)療設(shè)備儀器，如心率監(jiān)測等儀器測試等領(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，同時還提供了增強型模擬輸出通道，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)來縮短校準(zhǔn)時間，提高精度。板載的低通濾波器能夠通過編程消除高頻噪聲，從而進(jìn)一步提高測量精度。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信號讀寫實現(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)動軟件和NI LabVIEW SignalExpress LE。NI-DAQmx驅(qū)動具有節(jié)省開發(fā)時間的特點，能夠?qū)崿F(xiàn)LabVIEW圖形化開發(fā)環(huán)境及基于文本語言(如ANSI C／C++、C#、Visual Basic．NET及Visual Basic 6．0)的代碼生成，包含超過3 000種測量實例、仿真設(shè)備及接線圖。
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的采樣頻率對被測信號進(jìn)行波形數(shù)據(jù)采集，然后對采集數(shù)據(jù)進(jìn)行正弦波擬合，通過提取出正弦信號的幅度、頻率等參數(shù)，計算出擬合正弦曲線。測量數(shù)據(jù)與擬合曲線模型對應(yīng)點的偏差值作為相應(yīng)點波形失真測量值，然后計算出測量序列的失真有效值，進(jìn)而最終獲得被測信號總失真度的測量值。
目前測量信號失真度的原理大致分為2類：基波剔除法和頻譜分析法。本文采用頻譜分析法，即通過計算出各次諧波的大小來計算失真度。測量方法采用數(shù)字化方法，先通過將信號數(shù)字化并送入計算機(jī)，再由計算機(jī)計算出失真度。失真度的計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)在計算量上要小得多。采用FFT對量化后的被測信號處理，獲得基波和各次諧波的電壓，從而計算出失真度。這種方法實現(xiàn)起來比較簡單，而且通過一些補償算法可以有效減少誤差。
計算機(jī)通過高速數(shù)字采集卡采集被測信號，經(jīng)A／D轉(zhuǎn)換后讀入計算機(jī)，由計算機(jī)對采集的信號進(jìn)行FFT變換，形成被測信號的二維幅度一頻率數(shù)組。計算機(jī)顯示出信號的幅度一頻率特性曲線，同時，對數(shù)組計算得到基波系數(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