基于PXIe總線和LabVIEW的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的解決方案

針對(duì)當(dāng)今測(cè)試項(xiàng)目中對(duì)大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集與處理的需求，本文設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了基于PXIe總線和RAID0磁盤陣列的多通道高速數(shù)據(jù)采集流盤系統(tǒng)。系統(tǒng)以虛擬儀器技術(shù)作為基礎(chǔ)，結(jié)合LabVIEW 2009作為開發(fā)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了以最高3.3MS/s采樣率對(duì)64通道數(shù)據(jù)進(jìn)行連續(xù)采樣和實(shí)時(shí)存盤的功能，同時(shí)介紹了TDMS格式在高速數(shù)據(jù)流盤時(shí)的優(yōu)點(diǎn)，為開發(fā)多通道、高采樣率、大量數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)存盤系統(tǒng)的工程師提供了一套具有可靠性、適應(yīng)性、靈活性和拓展性的解決方案，具有一定的參考價(jià)值。

1. 引言

隨著測(cè)控技術(shù)的發(fā)展及其應(yīng)用范圍的不斷擴(kuò)大，數(shù)據(jù)采集方法及存儲(chǔ)技術(shù)在內(nèi)容和形式上都發(fā)生了巨大的變化。在此過程中，多通道、高采樣率以及大量數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)存盤的測(cè)試需求對(duì)現(xiàn)有的測(cè)試系統(tǒng)提出了挑戰(zhàn)，如何將測(cè)試過程中的大量數(shù)據(jù)進(jìn)行有效的存儲(chǔ)和分析，成為工程師們首先要考慮的問題。本文介紹了基于PXIe總線的數(shù)據(jù)采集卡和RAID0磁盤陣列的組合，并結(jié)合LabVIEW 2009作為開發(fā)平臺(tái)，以柔性測(cè)試技術(shù)為指導(dǎo)，為讀者提供了一個(gè)多通道、高采樣率、大量數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的解決方案。

2. 現(xiàn)狀

目前，多通道、高采樣率的數(shù)據(jù)采集卡市場(chǎng)上普遍存在，這類采集卡會(huì)瞬間產(chǎn)生大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，現(xiàn)階段數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)介質(zhì)以SATA接口硬盤為主，而SATA接口的硬盤又受到系統(tǒng)總線帶寬的限制，如PCI總線為133MB/s，PCIe總線最高為4GB/s，PXIe總線最高為6GB/s。因此，若要構(gòu)建一個(gè)具有可靠性、適應(yīng)性、靈活性和拓展性的多通道、高采樣率、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)存盤的系統(tǒng)，那么系統(tǒng)總線、數(shù)據(jù)傳輸方式、系統(tǒng)軟件架構(gòu)、硬件的技術(shù)指標(biāo)則非常重要。

3. 系統(tǒng)方案

為構(gòu)建多通道、高采樣率、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)存盤測(cè)試系統(tǒng)，我們的系統(tǒng)方案從軟件和硬件兩個(gè)方面分別闡述。

3.1 硬件系統(tǒng)

硬件平臺(tái)以NI的PXI為基礎(chǔ)。PXI平臺(tái)比較成熟的多通道、高采樣、大量數(shù)據(jù)存盤的方案是：PXIe數(shù)據(jù)采集卡+RAID磁盤陣列，此方案最高的數(shù)據(jù)吞吐量為：400-600MB/s，完全滿足此類系統(tǒng)的構(gòu)建，確保系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。

3.2 軟件系統(tǒng)

軟件平臺(tái)以NI的LabVIEW 20 DAQmx9.0為基礎(chǔ)。LabVIEW 2009中提供了新一代數(shù)據(jù)存儲(chǔ)格式TDMS 2.0，最高存儲(chǔ)速度為400MB/s，以超強(qiáng)適應(yīng)性來滿足數(shù)據(jù)采集過程中瞬間產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù)，確保系統(tǒng)大量數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)存儲(chǔ)的要求。

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3.2.1 軟件架構(gòu)

軟件架構(gòu)的高效與否將直接影響到程序的執(zhí)行效率，得益于多核處理器和LabVIEW的多線程運(yùn)行機(jī)制，工程師可以利用不同的線程完成對(duì)輸入信號(hào)的采集、處理、存儲(chǔ)的功能，通過提高軟件構(gòu)架的靈活性來提高程序執(zhí)行效率，使PXI系統(tǒng)發(fā)揮最大的性能。

3.2.2 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)類型

通常在采樣率較小、數(shù)據(jù)量較小的情況下，可選擇直接讀取DBL數(shù)據(jù)。而當(dāng)采樣率較高、數(shù)據(jù)量較大時(shí)，可采用Raw 1D I16或者2D I16的格式讀取測(cè)量數(shù)據(jù)。其中，1D I16占用內(nèi)存最小，每個(gè)采樣點(diǎn)占用2Byte內(nèi)存，而每個(gè)DBL采樣點(diǎn)要占用8Byte內(nèi)存，因此在數(shù)據(jù)量較大時(shí)，采用I16格式可以顯著減少內(nèi)存和CPU占用率。兩種格式各有所長，不同情況下均可以發(fā)揮優(yōu)勢(shì)，使系統(tǒng)具有超強(qiáng)適應(yīng)性及靈活性。

3.2.3 數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制

采用IRQ或DMA傳輸采集數(shù)據(jù)可以極大減少CPU的占用率，從而全面提高系統(tǒng)的性能。

3.2.4 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方式

通常情況下，系統(tǒng)處理文件操作的API函數(shù)分配的緩沖區(qū)太小，在讀取大文件時(shí)性能較低。依據(jù)靈活性原則，在編程過程中，可選用支持“禁用緩沖”模式的API函數(shù)，避免軟件流盤速度上的瓶頸。

LabVIEW 2009中支持非緩沖格式流盤的函數(shù)有TDMS、二進(jìn)制以及Win32 API函數(shù)，開啟“禁用緩沖”可以顯著提高流盤的速度。

在LabVIEW 2009和DAQmx 9.0平臺(tái)下，可以利用DAQmx TDMS2.0集成流盤模塊DAQmx Configure Logging（TDMS），

如圖1所示：

這個(gè)API函數(shù)效率更高且編程簡單，占用系統(tǒng)資源較少，直接將原始數(shù)據(jù)的和通道的標(biāo)定信息從板卡通過DMA方式傳輸至硬盤，最高速度可達(dá)1.2GB/s。在采集的過程中，若不需要讀取通道的采樣值，可將本模塊的“操作”選為“記錄”，這樣，采樣值將被直接存儲(chǔ)為TDMS 2.0文件。如此靈活高效的存儲(chǔ)方式，恰如其分地詮釋了柔性測(cè)試技術(shù)所要求的靈活性。

4. 工程案例

某測(cè)試系統(tǒng)可以對(duì)系統(tǒng)中的64路信號(hào)進(jìn)行同步采樣，最高可達(dá)到3.3MS/s采樣率（所有通道）下的實(shí)時(shí)存盤，同時(shí)還可以300KS/S（所有通道）進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示、存盤。

而PXI硬件系統(tǒng)選用NI的18槽3U PXIe-1075機(jī)箱，PXIe-8130控制器、PXIe-6124等，PXIe-6124每通道4MS/s同步采樣速率、16位分辨率、1個(gè)獨(dú)享模塊至控制器間帶寬的PXIe接口；數(shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè)備選用NI-8262及HDD-8264 組成的RAID0磁盤陣列，最高數(shù)據(jù)吞吐量可達(dá)600MB/s左右。

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圖2所示為該系統(tǒng)的軟件主界面。

同時(shí)，該系統(tǒng)為用戶完善通道觸發(fā)功能，包括：模擬觸發(fā)、數(shù)字邊沿觸發(fā)、模擬參考觸發(fā)等，以滿足不同情況下的各種需求。此外，軟件采用狀態(tài)機(jī)框架結(jié)構(gòu)和模塊化的編程風(fēng)格，便于軟件功能的修訂和管理，充分實(shí)現(xiàn)柔性測(cè)試技術(shù)所要求的靈活性與拓展性。

程序框圖如圖3所示。

數(shù)據(jù)采集功能被封裝為功能模塊，通過DAQmx Configure Logging（TDMS） VI將測(cè)量數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)保存至硬盤，減少了CPU及內(nèi)存的使用率，提高了程序的執(zhí)行效率，具體實(shí)現(xiàn)方法如圖4所示。

5. 結(jié)語

本文闡述了多通道、高采樣、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)存盤的實(shí)現(xiàn)方法及應(yīng)注意的事項(xiàng)，以大量數(shù)據(jù)和一個(gè)系統(tǒng)實(shí)例為依據(jù)，深入分析了多通道高速數(shù)據(jù)采集的可靠性、適應(yīng)性、靈活性以及拓展性等特點(diǎn)。通過介紹NI TDMS數(shù)據(jù)存儲(chǔ)格式，為工程師開發(fā)多通道、高采樣率、大量實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)存盤測(cè)試系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方法提供了參考。

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