基于虚拟仪器的数据处理系统设计与实现

关键词： 数据处理; 系统设计; 虚拟仪器; 数据采集; 跨平台; 运行效率

中图分类号： TN919⁃34; TP274                  文献标识码： A                   文章编号： 1004⁃373X（2019）02⁃0005⁃04

Design and implementation of data processing system based on virtual instrument

XIANG Yunlin

（Wuhan University， Wuhan 430072， China）

Abstract： The traditional data processing system mainly takes the data of SCADA as the core， and uses the cross⁃platform as the data architecture to design the processing system. As a result， the data processing of the system without shared memory is inaccurate and inefficient. Therefore， a data processing system based on the virtual instrument is proposed and designed. The system is mainly divided into two parts of hardware and software. The hardware is mainly composed of the virtual instrument， digital I/O card， circular data acquisition card and data dispatching module. In the software part， the software implementation process of the data processing system is given. The experimental analysis was carried out. The experimental results show that in comparison with the traditional system， the improved design system for data processing has superior operation efficiency and higher accuracy of data processing results， which has a certain advantages.

Keywords： data processing; system design; virtual instrument; data acquisition; cross⁃platform; operation efficiency

0  引  言

20世纪80年代，世界上第一台虚拟仪器问世，美国国家仪器公司NI第一次给出虚拟仪器的定义：虚拟仪器是一种可以实现用户与计算机互动的计算机仪器系统。其原理是以计算机作为系统控制器，通过软件达到人机互动目的，并且通过软件还能实现仪器大部分的功能。虚拟仪器可以让用户按照自己的想法在虚拟面板上进行设计，通过测试软件达到用户所设计产物所具有的功能。虚拟仪器的功能包含了信号源、示波器、总线分析仪和谐波分析器等传统测量仪器所具有的功能[1]。随着电子技术和计算机技术的高速发展，诞生出一批打破了传统仪器概念的新数据处理方法、理论和仪器，新的仪器技术从本质上就与传统的仪器不同。为了满足不同用户所具有的独特需求，研究人员借助计算机来构建数据处理系统，由此产生了虚拟仪器[2]。

传统的数据处理至少需要两种仪器：一种是磁带记录仪，用来记录电路信号;另一种是频谱分析仪，用來对电路信号进行分析。传统的数据处理系统不仅存储不方便，更改不方便，分析也不方便。因而，设计具有高准确度、操作便利，能够转移、强大分析和处理功能的数据处理系统是至关重要的。

1  数据处理系统整体结构

在对数据处理系统设计过程中，其主要由数据采集卡、数字I/O卡、传感器、信号发生器、继电器、计算机等组成，数据采集系统工作原理图如图1所示。

由图1可以看出，用户将其自定义的信息通过计算机及外部设备输入到系统内，由于输入的信号并不能被采集卡直接使用，因此需要信号调理部分将输入的电路信号转化为采集卡能够使用的信号。信号调理部分包含多个模块，具体有电压和电流的传感器和电路放大器[3]。数据处理系统能够自动检测被测设备的各种指标，其原理是采用数字I/O卡模块，它能够控制继电器的阵列，对输入不同的电力信号进行自动的切换，以此来实现数据处理系统的自动测试功能。信号发生器作为信号源，经功率放大后提供给接收设备[4]。

2  硬件结构设计

2.1  虚拟仪器的系统构成

市面上的虚拟仪器有的是由一种系统构成，还有的是由多种系统组合构成。目前市面上常用的虚拟仪器有数据采集系统[5]、GPIB仪器系统、VXI仪器系统以及将这三种系统组合的虚拟仪器。虚拟仪器的具体结构见图2。

2.2  数字I/O卡

数据处理系统的数字I/O卡模块采用NI PCI⁃6503型号的设备。选用NI PCI⁃6503型号的主要原因是它的外围接口达到24位，且每个外围接口都可以实现程序编辑，也就是说该型号的设备拥有24路数字I/O通道可以使用。除此之外，NI PCI⁃6503型号设备还具有即插即用的优点，不需要独立的板卡管理器就可以工作。如图3所示，PCI⁃6503型号设备是由输入通道接口电路、输入端子、82C55数字接口芯片、输出端子、输出通道接口电路组成[6]。

2.3  循环数据采集卡

传统数据处理系统采用单面采集卡进行数据采集，然而，有些数据的流量过大，并且对其采集所需要的时间较长，单面采集卡进行数据采集时运行所需要的RAM过大，几乎不能实现[7⁃8]。因此本文设计的数据处理系统，在考虑了计算机带宽约束条件后，采用双RAM进行数据采集，其具有价格低廉和速度快的优点。数据采集卡的具体结构见图4。

通过计算机对控制逻辑复位，此时RAM1处于只写的状态，而RAM2处于可读、可写、可查找三状态，地址计数器还原为0，此时将触动A/D转换。将转换完成的数据存入RAM1中，然后触动下一次A/D转换，直到将RAM1存满。RAM1存满后，由控制逻辑将RAM1的只写状态更改为只读状态，RAM2更换为只写状态，将A/D转换完成的数据存入RAM2[9]。在RAM1从只写状态转换到只读状态的同时，地址计数器还原为0，发出的脉冲将触动计算机进行取数，由于ISA总线在发出读周期时RAM1会向总线发送数据[10]，因此对计算机读一个数据并将其存储仅硬盘的速度有很高的要求，该速度必须高于A/D转换一次所用的时间，这样才不会发生掉数的现象。

2.4  数据调度模块

由计算框架自带的调度器对分配到的空闲资源进行更加细粒度的分配和调度。整个资源调度器的架构设计如图5所示。

规则库是资源调度器的调度依据，包括元数据库、静态特征库和动态特征库[11]。元数据库常驻内存，记录了整个处理系统的数据名称、数据类型、数据范围等基本数据结构信息;静态特征库记录了数据的实时度、关联度等信息;动态特征库记录了动态数据信息。

3  软件结构设计

在软件结构设计过程中，主要对数据采集模块、数据分析处理模块和数据显示存储模块进行分析并研究。其中，数据采集模块的主要目的是为数据分析处理模块提供数据源，其原理是通过数据采集卡采集被测信号，实现数据源的提供[12];数据分析处理模块的主要功能是对数据采集模块传输过来的信号进行滤波和FFT变换等，同时依照检测到的信号特点对检测的数据进行有时效性的分析;数据显示存储模块是依据数据处理系统的规则将信号的时域、频域波形和其他参数等数据信息显示在虚拟面板上。软件设计流程如图6所示。

4  实验结果分析

4.1  实验参数设置

实验中其软硬件參数设置如表1所示。

4.2  实验结果分析

为了验证改进系统在数据处理方面的有效性及可行性，以系统对数据处理精确度为指标，采用改进系统与传统跨平台系统为对比，进行实验对比分析，结果如图7、图8所示。图中长方形部分表示数据处理部分，实心部分表示数据处理不全面。由图7和图8可知，采用传统跨平台系统进行数据处理时，其数据处理过程中多次出现数据处理不全面且处理不完成的现象，约为14次，90.5 GB;采用改进处理系统进行数据处理时，其数据处理结果出现3次处理不全面的问题，处理量达到了132.6 GB，相比传统跨平台系统数据处理过程中出现处理不全的次数降低了11次，且数据处理量增加，具有一定的优势。

5  结  论

针对传统系统在处理数据过程中一直存在处理不全面且效率低的问题，提出并设计了基于虚拟仪器的数据处理系统，并进行实验分析。实验结果表明，采用改进设计系统对数据进行处理，其系统的运行效率要优于传统系统，且数据处理结果准确度较高，具有一定的优势。

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