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1、基于NI数据采集卡的数据采集及处理,学生姓名：李刚 指导教师：李建,2013级19班 1319011966,国内外研究现状,国外数据采集器的现况11随着国外微电子技术,计数机技术,测控技术和数字通信技术的发展,目前国外数据采集技术已经较初期有了很大的发展, 从近来国外公司展示的新产品可以看出,主要的发展可以概括为功能多样,体积减小和使用方便等三个方面。此外，数据采集器的特点还反映在如下几个方面：（1）它既是一台数据采集器，又是一台功能较全的机器状态分析仪，不仅有常用的时域分析和频域FFT分析，而且还可以做倒谱，细化，包络谱和时频域分析等功能；(2）它既是采集器，又可以兼做其它仪器来用， 如法国
2、迈威公司的 MOVILOG 数据采集器,就可作为一台动平衡仪来用, 它不但可以做单一平面的动平衡,还可以做六个平面的动平衡；（3）储存量大，从低频到高频频率测量范围宽，能适应机器从低速到高速的各种监测范围需要；（4）可利用振动传感器或过程传感器或电量传感器等输入多种物理量，如振动加速度，位移，相位，转速，温度，压力，流量，电压，电流和功率等，形成多参数监测统；（5）数据采集器配套的软件是以通用窗口的软件为基础，功能较强。 一套软件可同时支持数种不同型号与不同档次的数据采集器。（6）数据采集器已经安装了 LCD 背光显示屏，并尽量减少了操作键，元器件高度集成化，并减轻机器的重量；采用防水防撞击的
3、密封外壳，能适应恶劣的工业环境。,上世纪80年代末到90年代初，我国一些仪器厂已研制出了多种数据采集器，其中单通道的有SP201，SC247型,双通道的有EG3300，YE5938 型,超小型的有911，902和921型。具有采集静态信号的有 SMC-9012型,所配套的软件包基本上包括了设备维修管理和基本频谱分析两大部分,能够适应机器设备的一般状况监测和故障诊断,基本已经达到了国外数据采集器的初期水平。 但是，国内数据采集器与目前国外数据采集器相比，在技术上仍然存在着一定的差距，主要表现在由于受国内振动等传感器水平的限制，分析频率范围不宽，给一些低速的机器或轴承的诊断等带来了一定的困难。由于
4、数据采集器的内存不大，数据采集器本身的信号处理功能不强， 在现场只能做一些简单诊断，精密诊断需要离线到计算机上去做。现场精密诊断功能较弱，设备的软件水平仍在设备维修管理和基本频谱分析上徘徊，机器故障诊断专家系统还需完善，软件人机界面有待改进。,选题依据,数据采集卡的工作原理数据采集卡主要由模数转换电路、数模转换电路、计数定时电路、中心控制逻辑电路等组成，是一个具有两个模拟量输入通道，一个模拟量输出通道的采用ISA计算机总线标准的插卡。在数据采集卡中，模数转换电路的转换芯片选用12位的内部带采样保持器的AD1674，其启动方式为程序启动和以8253定时器为主的定时启动，对转换结束的识别也设计了程
5、序查询和中断两种方式。数据采集卡的工作原理（1）模入通道的选择及其衰减和AD放大器增益选择电路采用程序控制。（2）中心控制电路采用可编程器件GAL，从而使数据采集卡的结构紧凑，电路简洁，且GAL芯片的软件编程可根据硬件的需要随时调整。（3）AD的启动有程序启动和定时启动两种方式，AD转换结束识别有程序查询和中断两种方式。（4）DA的参考电压通过控制电路引用AD的基准电压。,研究目的与意义,研究目的：为了测量电压、电流、温度、压力或声音等物理现象。基于PC的数据采集，通过模块化硬件、应用软件和计算机的结合，进行测量。尽管数据采集系统根据不同的应用需求有不同的定义，但各个系统采集、分析和显示信息的
6、目的却都相同。数据采集系统整合了信号、传感器、激励器、信号调理、数据采集设备和应用软件。实现用NI数据采集卡，实现对电机相应参数的数据采集。 研究背景：随着社会的不断进步，为了保障人们能够健康安全的使用各种资源，需要对各个资源供给设备实时的监控，例如电力供电系统、工业控制系统、网络等，确保这些直接关系人们生活的资源安全可靠。 国家电力监管委员会公告 2011 年第 3 号文件2011 年供电监管报告指出，在选取检查的 215 家供电企业中，总共发现供电质量问题涉及的企业有 133 家，这些企业存在着基础数量错误、漏录、运行事件错录以及电压监测点数不足，设置不合理等问题；一方面，造成电能质量问题
7、的因素逐渐增加，另一方面人们对电能质量以及电能的可靠性要求越来越高；电能质量问题对电网和配电系统造成的直接危害和可能对人类生活和生产造成的损失也越来越大，电能质量的好坏直接关系到了国民经济的总体效益。一个计算中心如果失去电源 3 秒就有可能破坏数小时的数据处理结果而造成上百万上千万的经济损失；在大型机器制造厂，1 秒的电压突降就有可能造成生产状况异常或者质量破坏。因此一方面我们必须做好防范措施，另一方面必须要做好及时发现问题和及时解决问题的准备，这就迫切需要对供电系统能够实时准确的监控，出现问题能够及时得到通知并解决，确保出现的问题第一时间被解决，提高供电的质量。,在互联网发展的过程中也滋生了
8、大量不稳定的因素，大量垃圾信息、大量网络攻击应运而生，据赛门铁克公司 2011 年的安全状况调查报告显示，在 2011 年的 12 个月中，71%的受访企业受到网络攻击，在遭受攻击的企业中，92%的企业因为遭受到攻击而导致损失，据 Imperva 对 2011 年 6 月11 月对网络恶意程序的分析中指出每月被检测的网络应用程序要遭受到 13 万次38 万次不等的攻击，最高时，每小时就会遭受 3 万 8 千次攻击；为了减少因网络攻击而遭受的损失，我们应该做好网络监控工作，及时发现网络中的垃圾和破坏信息，并且及时做出处理和防范工作。 而绝大部分监控系统都要能够及时正确的获取大量监控数据，因此对一
9、种可靠及时的数据采集系统的需求越来越迫切，本研究课题基于这一点设计了一个基于硬件获取数据的数据采集系统。数据采集系统应用于各种场合，特别是工业控制、网络监控等，采集系统分为软件和硬件的，软件上的有 winpcap、sniffer 等，他们都采用通用网卡作为硬件基础数据获取来源，优点是成本低，集成了网络协议栈分析，大都通过将网卡设置成混杂模式，在获取网卡数据之前，数据会通过操作系统的协议栈处理，再交由采集软件处理，因此采集性能较低。而基于硬件的采集系统不需要经过操作系统的协议栈处理，可直接获取数据，采集性能较高，通过多路的采集更能扩展采集速度，但是成本较高。,现今大部分基于硬件的采集系统的接受接
10、口都是 RS-644 总线接口，即LVDS(低电压差分信号)接口，具有低功耗、低误码率和高速的特点，其理论最高传输速率达到1.923Gbps，但是其传输的距离最多几米，如果需要长距离传输数据，就要进行额外的设计，例如采用高速串行数据自接口自适应电缆均衡器及电缆驱动芯片来扩展 LVDS 的传输距离；而采用 RJ-45 接口作为采集数据接收端，传输速率有 10Mbps/100Mbps/1000Mbps，传输距离可超过百米甚至更长，例如 75-7同轴电缆为 200250 米，而使用光纤的传输距离更能够达到几公里。采集系统传输到 PC 上的总线技术从早期的以 ISA 总线到现在的 USB 总线和PCI
11、-E 总线，数据采集卡的采集速度越来越快，这正是其需求量日益剧增的表现；早期ISA总线最大传输速率为16MB/S，USB总线较灵活，从USB1.0的192KB/S，USB2.0 的60MB/S 到现在的 USB3.0 的 640MB/S，在数据传输领域占据了重要的地位，而现在主流的总线技术是 PCI 和 PCI-E 总线技术，因为 PCI 和 PCI-E 总线速度快，可靠性高，灵活方便的特性，特别是 PCI-E 总线，PCI-E X16 2.0 版本的接口可达到 10GB/S；早期PCI-E 总线接口是采用专用的接口,芯片，成本较高而且开发的灵活性也降低了，而采FPGA的IPCORE 生成PC
12、I-E 接口开发成本降低了，灵活性提高了，本采集系统即是采用 FPGA 的IPCORE 生成的 PCI-E 接口。 现今绝大部分采集系统的数据传输技术都是采用 DMA 方式，而在系统的DMA 缓存申请方面大部分都是采用操作系统提供的 DMA 缓存申请接口，用这个接口申请缓存一方面空间大小受到限制，一方面有可能会失败，为了确保 DMA 缓存申请成功大部分开发人员都采用较小量 DMA 缓存申请，从几十 KB 到几 MB，将大块数据分成几次小块 DMA 传输，这样就增加了DMA 传输次数，就这一点提出了新的见解，设计了一种海量 DMA 传输的方式，在采集速度达到600Mbps 的情况下，每秒进行 D
13、MA 传输的次数最多为 2 次，提高了数据传输效率。,研究内容,在Matlab或LABVIEW环境下应用NI数据采集卡实现实时数据采集,并通过链接动态链接库,在C-MEX文件中调用NI数据采集卡的驱动函数,成功驱动数据采集卡获取数据。通过掌握该方法,用Matlab或LABVIEW控制高性能数据采集卡对电机的运行参数数据进行采集及处理。,拟解决主要问题,运用数据采集技术，虚拟仪器技术，构建一个电机测试系统，实现电机的型式试验和出厂试验等功能 。,研究步骤,1 查阅课题相关文献； 2 掌握NI数据采集卡的使用方法； 3 掌握电机运行规律，电机的相应参数的测试方法； 4 掌握LABVIEW和MATL
14、AB的使用方法，能够对采集的数据进行分析； 5 掌握硬件电路工作原理，及数据采集调试程序； 6 系统功能调试。,研究方法,先从整体角度构建该系统的设计思想，详细分析系统的各类数据及其相互关系，给出了系统的数据流图，并对系统进行了模块划分分析系统各个模块的具体实现，详细探讨数据的采集、数据保存技术等实现中的重点难点问题。系统构建完成后，在LABVIEW或MATLAB中对所采集的电机数据进行整合分析。,进度安排,3月01日3月15日 寻找研究课题，多方筛选，与老师确定课题名称。分析课题的背景，了解课题的意义和目的，搜集国内外发展现状，查阅与课题相关的中文与外文资料。 3月16日3月31日 对所需资
15、料及相关技术知识进行深入了解，大概确定总体的设计方向，进行外文翻译，准备开题报告和开题答辩。 4月01日4月15日 进行多方面的比较，明确总体的方案制定，有明确的方向。 4月16日6月01日 详细的方案设计。 6月02日6月15日 论文的撰写、打印出装订、进行最终答辩。,主要参考文献,1 张金美. 基于虚拟仪器的电机测试系统的研究D. 江南大学, 2008. 2. 周锋. 基于虚拟仪器的电机测试系统研究D. 重庆大学, 2006. 3 夏玉龙. 基于虚拟仪器的电机测试系统D. 上海应用技术学院, 2015. 4. 蔺薇薇. 基于虚拟仪器技术的电机参数测试系统的研究D. 大庆石油学院, 2008
16、. 5 谢文强. 基于虚拟仪器的异步电机性能测试系统的研制D. 西安科技大学, 2012. 6 李海彬. 基于USB总线的电机测试虚拟仪器的研究与实现D. 河北工业大学, 2007. 7 刘海浪, 张瑞宾, LIUHai-lang,等. 基于LabVIEW的电机转速测试实验系统设计J. 装备制造技术, 2014(12):37-38. 8 Baltaci K, Yildiz F. NI LabView data acquisition system design using hydrogen fuel cellC/ International Conference on Application of Information and Communication Technologies. IEEE, 2009:1-6. 9 Yu J, Liu C. Design of self-tuning PID controller with fuzzy variable parameters based,
