電子表格、文字處理、數(shù)據(jù)庫、網(wǎng)絡(luò)瀏覽器、服務(wù)器、電子郵件、飛行模擬器、毀滅戰(zhàn)士?——在我們讓個人電腦做的所有工作中，沒有比高速、實時數(shù)據(jù)采集更能完成任務(wù)的了。沒有哪個應(yīng)用程序能比多通道數(shù)據(jù)采集程序更快地揭示PC、軟件或兩者的弱點(diǎn)，以每通道超過1 kHz的速度將數(shù)據(jù)流式傳輸?shù)酱疟P，同時保持實時顯示。按照這些速度，看似表現(xiàn)良好的軟件可能會瓦解，PC本身可以模仿其曾祖父‘286的性能。

在高速數(shù)據(jù)采集問題破壞關(guān)鍵測試之前發(fā)現(xiàn)它是本文的主題。在其中，我們將探索軟件特性，這些特性不僅允許高速測量，而且可以在速度較慢的PC上進(jìn)行。在此過程中，我們將涉及可執(zhí)行文件大小和數(shù)據(jù)文件格式等主題。我們還將討論高級采樣技術(shù)，例如智能過采樣和每通道可選采樣率。我們將通過探索間隙檢測器例程及其對高速數(shù)據(jù)采集的重要性，探討軟件在出現(xiàn)問題時應(yīng)如何反應(yīng)。最后，我們將介紹波形審查軟件的重要性，該軟件可幫助您評估采集的數(shù)據(jù)。

為您的 PC 提供真正的工作

本文的前提是高速數(shù)據(jù)采集測試PC的性能。在走得太遠(yuǎn)之前，最好先解釋一下為什么要增強(qiáng)您對本文中描述的概念的理解。讓我們首先跟蹤PC必須執(zhí)行的操作才能獲取單個點(diǎn)。我們對“采集”的定義包括數(shù)據(jù)采集的所有常見元素，而不僅僅是模擬到數(shù)字（ADC）讀數(shù)的簡單傳輸。它們包括維護(hù)實時顯示、處理鍵盤和鼠標(biāo)中斷、多任務(wù)處理等。如果您是PC，您將在高速數(shù)據(jù)采集應(yīng)用中執(zhí)行以下操作：

如果在所謂的即時模式下工作（不太可能用于高速數(shù)據(jù)采集），則輪詢數(shù)據(jù)采集設(shè)備以獲取ADC值。掃描列表更合適，允許將采集的數(shù)據(jù)連續(xù)流到內(nèi)存中。在這種情況下，確定下一個讀數(shù)，然后獲取它。

將獲取的值存儲到磁盤緩沖區(qū)中，直到流式傳輸?shù)酱疟P為止。

將采集的數(shù)據(jù)繪制在實時顯示屏上。不要作弊！用線條連接各個樣本，以便您的用戶可以解釋正在發(fā)生的事情。此外，不要發(fā)呆。延遲幾秒鐘的顯示違反了實時的定義。確保你不會落后。

在這里，您將通過Microsoft和Windows提供的多層代碼進(jìn)行工作。此過程的進(jìn)展取決于您的時鐘速度和顯卡的智能性。它還取決于程序的編碼效率。程序員是采取了簡單的方法并使用系統(tǒng)調(diào)用，還是他是一個專業(yè)人士，他鉆到了你最基本的水平，并允許你使用節(jié)省時間的匯編代碼？

由于典型應(yīng)用需要以ADC計數(shù)以外的單位縮放信息，因此必須將每個讀數(shù)乘以m縮放常數(shù)，然后添加b縮放常數(shù)。此操作將原始 ADC 計數(shù)轉(zhuǎn)換為顯示時有意義的值，如 psi 或伏特。

磁盤緩沖區(qū)已滿嗎？然后將數(shù)據(jù)塊流式傳輸?shù)接脖P。并檢查以確保所有數(shù)據(jù)都成功了。硬盤驅(qū)動器似乎總是落后。執(zhí)行這些操作，但不要中斷實時顯示或流入磁盤緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)流。生澀的實時顯示太難解釋，緩沖區(qū)溢出意味著數(shù)據(jù)永遠(yuǎn)丟失。

及時監(jiān)控用戶的鼠標(biāo)和鍵盤活動并做出反應(yīng)（在幾百毫秒內(nèi)）。在測試過程中，情況會發(fā)生變化，用戶可能希望用注釋注釋任何給定的事件，在X或Y方向上擴(kuò)展或收縮實時顯示，更改顯示波形的數(shù)量或順序，甚至更改波形校準(zhǔn)。

這是一個多任務(wù)Windows環(huán)境，（堅果?。┯脩魟倓倖覯icrosoft Excel。去加載Excel電子表格并在那里執(zhí)行一些計算。是的，這是一個實時應(yīng)用程序，用戶希望同時在屏幕上顯示Excel電子表格和數(shù)據(jù)采集實時。并且不要將任何數(shù)據(jù)丟棄到磁盤。這就是像這樣的實時應(yīng)用程序中的死亡之吻。

現(xiàn)在，當(dāng)ADC數(shù)據(jù)以每秒1，000、10，000、200，000甚至500，000個樣本的速度從數(shù)據(jù)采集設(shè)備飛向你時，執(zhí)行所有這些操作。畢竟，你是奔騰。這應(yīng)該不是問題。

考慮到所有這些細(xì)節(jié)（以及我遺漏的更多細(xì)節(jié)），真正的實時數(shù)據(jù)采集應(yīng)用程序竟然能正常工作，真是令人驚訝。事實是，許多人沒有。

越大越好

我們生活在一個計算機(jī)軟件通常被稱為英國媒體報道軟件的時代。我們在PC上安裝了硬盤，其容量僅在五年前是不可想象的，但我們?nèi)匀恍枰ㄆ谏?。文?a target="_blank">處理器和電子表格應(yīng)用程序的規(guī)模正在爆炸式增長，數(shù)據(jù)采集軟件似乎正在遵循這一趨勢。雖然在文字處理等非實時應(yīng)用程序中可能越大越好，但在實時數(shù)據(jù)采集的敏捷世界中，大小是一個障礙。因此，衡量實時數(shù)據(jù)采集程序速度的第一個標(biāo)準(zhǔn)是其數(shù)據(jù)文件大小。需要 500 KB 內(nèi)存的應(yīng)用程序應(yīng)該比需要快速處理 5 MB 代碼的替代應(yīng)用程序更有效。由于功能會消耗內(nèi)存，因此您應(yīng)該考慮這一點(diǎn)，并嘗試在口哨聲和鈴鐺與性能之間取得平衡。此外，許多應(yīng)用程序?qū)⒓虞d動態(tài)鏈接庫 （DLL）。確保數(shù)據(jù)文件大小的度量包括應(yīng)用程序和關(guān)聯(lián)的 DLL。

更高級的語言產(chǎn)生更龐大的代碼

計算機(jī)編程語言遵循從非常困難到非常易于使用的層次結(jié)構(gòu)。最低級別和最難使用的是機(jī)器代碼，即處理器為執(zhí)行給定任務(wù)而執(zhí)行的實際 1 和 0。我認(rèn)識的沒有人以這種乏味和耗時的水平編寫現(xiàn)代 PC。

接下來是匯編代碼，它是機(jī)器代碼級別的一種簡寫。處理器操作由助記符和（通常）十六進(jìn)制代碼表示。在此級別編寫的程序通過匯編程序以生成由處理器運(yùn)行的機(jī)器代碼。匯編程序的構(gòu)造和調(diào)試最復(fù)雜，但它們在執(zhí)行時間和大小方面都能生成最有效的代碼。他們是編程層次結(jié)構(gòu)的純種馬。

編程階梯的下一步，使我們離處理器更遠(yuǎn)，是一個重要的步驟：高級語言。也許你聽說過C，BASIC，F(xiàn)ORTRAN或Pascal。這些高級語言是最廣為人知的，C和BASIC（包括其基于Windows的Visual BASIC表親）成為最流行的語言。但兩者之間存在巨大差異。C 比 BASIC 更接近處理器，因此在執(zhí)行時間和大小方面生成更有效的代碼。

階梯的最后一級是圖形編程語言，如TestPoint，HP VEE，Visual Designer和LabVIEW。在這里，匯編甚至高級編程的神秘性質(zhì)讓位于高度可視化和不那么晦澀的環(huán)境中對功能塊的圖形操作。你為這種便利付出的代價是批量的，我之前描述的處理器在數(shù)兆字節(jié)的代碼中徘徊的圖像。不要指望在這個級別上會妨礙編程效率。

適當(dāng)?shù)嘏鋫淞司幊陶Z言的細(xì)微差別，我們終于可以直奔主題：詢問使用哪種語言來編程您正在考慮的應(yīng)用程序。一個用C編程的，在程序集級別編程的時間關(guān)鍵任務(wù)，在所有條件相同的情況下，將比用Visual BASIC或圖形編程語言編程的更有效的工具。

改變你的思維方式

我們是10進(jìn)制和字母表的生物。知道我們的數(shù)據(jù)采集程序創(chuàng)建的文件可以像閱讀早報一樣輕松地顯示、打印和解釋，這讓我們感到欣慰。不幸的是，基數(shù) 10 不是您 PC 的數(shù)字系統(tǒng)，它不知道 A 和 Z 之間的區(qū)別。為了實現(xiàn)高速實時數(shù)據(jù)采集，您必須接受PC的本質(zhì)并按照其條件使用它。這意味著一個以 2 為基數(shù)的數(shù)字系統(tǒng)和二進(jìn)制編碼的文件。為了了解原因，讓我們看一下從12位數(shù)據(jù)采集設(shè)備采集的單個樣本。

計算機(jī)喜歡在 8 的倍數(shù)（一個字節(jié)）的位組中工作。表示樣本值的 12 位二進(jìn)制數(shù)非常適合 16 位字（僅 2 個字節(jié)），PC 以這種形式將其寫入磁盤是有效的。但是，您希望PC在將值寫入磁盤之前將示例轉(zhuǎn)換為其ASCII等效項（我們可以讀取的）。這個看似合乎邏輯的簡單請求將寫入磁盤的字節(jié)數(shù)爆炸至少 2.5 倍。我們的 12 位 ADC 的范圍為 0 到 4095 計數(shù)。以 ASCII 可讀形式寫入磁盤計數(shù)每個字符占用一個字節(jié)，外加一個分隔符（如逗號），總共 5 個字節(jié)。在您希望以有意義的單位（如 psi）存儲數(shù)據(jù)的情況下，乘以m和b縮放常量會產(chǎn)生必須寫入磁盤的更多位數(shù)。單個樣本的 2 字節(jié)二進(jìn)制表示形式很容易分解為 10 個或更多 ASCII 字符（字節(jié)）。由此產(chǎn)生的 5：1 負(fù)擔(dān)將使您的 PC 和硬盤驅(qū)動器不堪重負(fù)，并最終限制您的最大數(shù)據(jù)采集速率。

這里有一個硬性規(guī)定：將數(shù)據(jù)作為ASCII字符存儲到磁盤的實時數(shù)據(jù)采集程序不是高速解決方案。任何精心構(gòu)思的程序不僅以二進(jìn)制補(bǔ)碼或其他非文本二進(jìn)制格式將數(shù)據(jù)存儲到磁盤，而且還提供在采集后將任何范圍的波形數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為ASCII的能力。

先進(jìn)的采樣技術(shù)

高速數(shù)據(jù)采集的第二大障礙，僅次于軟件本身，是硬盤驅(qū)動器的緩慢性。將現(xiàn)代處理器的速度與硬盤驅(qū)動器進(jìn)行比較是徒勞的。這就像比較光速和聲速。鑒于這種對比，我們可以得出結(jié)論，隨著數(shù)據(jù)采集應(yīng)用對硬盤驅(qū)動器的依賴性降低，速度的潛力也會增加。有兩種先進(jìn)的采樣方法可以將這種潛力變?yōu)楝F(xiàn)實：智能過采樣和每通道可選采樣率。

我在1997年6月號的《傳感器》雜志上發(fā)表的一篇文章中詳細(xì)描述了智能過采樣（IOS）。我不會在這里再次討論相同的內(nèi)容。但是，值得說明IOS的基本前提：任何高頻波形，當(dāng)充分采樣時，都可以減少到單個最小值，最大值或平均值，該值以精確和相等的間隔計算。這些計算值可以以比波形采樣慢得多的速度記錄到磁盤上。我們已經(jīng)在無數(shù)應(yīng)用程序中應(yīng)用了這種技術(shù)，不僅可以減輕系統(tǒng)占用磁盤的時間，還可以大大減少實際獲取到磁盤的數(shù)據(jù)量。后一種好處可以為后續(xù)波形分析增加更高的效率。

每通道可選采樣率是另一種旨在最小化磁盤訪問速率和采集數(shù)據(jù)量的技術(shù)。幾乎每個接觸高速數(shù)據(jù)采集的人都遇到過一個比其他信號慢得多的信號。它是在振動的同時采樣的熱電偶?；蚺c噴油器信號同時采樣的油壓。每個通道的可選采樣率采用高級編程，允許您基于每個通道分配采樣率。沒有它，您將面臨每秒 10，000 個樣本的采樣溫度和油壓的毫無意義的替代方案。每個通道分配采樣率的優(yōu)勢可以用數(shù)學(xué)來最好地描述。每個通道的可選采樣率（使用DATAQ Instruments的WinDaq/Pro+數(shù)據(jù)采集軟件模型）遵循以下一般等式：

有效吞吐量是數(shù)據(jù)流到磁盤的速率。采樣率除數(shù)是 1 到 255（含 1 和 255）的整數(shù)，可以按所示方式應(yīng)用，以縮放特定通道的采樣率吞吐量。圖 1顯示了WinDaq/Pro+ 軟件中的一個對話框，其中可以為每個采集的通道輸入采樣速率除數(shù)。

讓我們將此公式應(yīng)用于上述噴油器和機(jī)油壓力示例，假設(shè)有兩個噴油器信號和一個油壓信號。第一步確定必須對最高頻率信號進(jìn)行采樣的速率。這是上面的值S。我們已經(jīng)假設(shè)進(jìn)樣器的這個值是每秒10，000個樣本。如果我們進(jìn)一步假設(shè)進(jìn)樣器和壓力信號的采樣率除數(shù)分別為 1 和 255，則磁盤的有效吞吐量為：

在沒有每個通道可選采樣率的情況下，我們將被迫以每個通道 10，000 Hz（30，000 Hz 吞吐量）對所有通道進(jìn)行采樣。有了它，我們將吞吐量和由此產(chǎn)生的數(shù)據(jù)文件大小減少了 33%。這意味著高速數(shù)據(jù)采集鏈中最薄弱的環(huán)節(jié)——硬盤的壓力減少了33%。

最好的計劃？

即使您遵循上述所有準(zhǔn)則，您仍然可能會發(fā)現(xiàn)自己面臨難以逾越的高速限制。它可能以每秒 10，000 或數(shù)十萬個樣本的速度發(fā)生。在這種情況下，數(shù)據(jù)采集軟件的反應(yīng)方式是一個決定性特征，至少與速度本身一樣重要。也許您使用的軟件只是鎖定，顯示（充其量）臭名昭著的Windows消息“一般保護(hù)故障”，并向世界宣布Windows，應(yīng)用程序或兩者都已經(jīng)崩潰。雖然已經(jīng)指出了這一點(diǎn)，但你很可能更喜歡拍拍肩膀而不是在腸道上打這一拳。輸入間隙檢測器，這是一個復(fù)雜的軟件例程，用于跟蹤磁盤緩沖區(qū)填充和清空的速率。如果前者超過后者，則根據(jù)定義，采集的數(shù)據(jù)流中就出現(xiàn)了差距。此事件直接顯示在實時顯示屏上，不會進(jìn)一步中斷數(shù)據(jù)采集過程。圖2顯示了DATAQ Instruments的WinDaq/Pro+數(shù)據(jù)采集軟件中內(nèi)置的間隙檢測器計數(shù)器。該例程顯示數(shù)據(jù)流中檢測到的間隙數(shù)，以便您可以判斷問題的嚴(yán)重性（在長時間測試中，只有少數(shù)間隙可能無關(guān)緊要）。此外，該軟件在每個檢測到的間隙點(diǎn)插入一個注釋事件標(biāo)記，以便在回放和分析期間確定它們在數(shù)據(jù)流中的位置。

終局之戰(zhàn)

數(shù)據(jù)采集不是達(dá)到目的的手段。它只是為您的主要波形分析和解釋目標(biāo)奠定了基礎(chǔ)。由于高速數(shù)據(jù)采集應(yīng)用幾乎總是生成大型數(shù)據(jù)文件，有些文件大約為10或100兆字節(jié)，因此波形評估策略不應(yīng)是事后輕率的想法。不要像許多人那樣計劃將這些大文件導(dǎo)入Microsoft Excel。Excel和其他電子表格主要用于數(shù)字?jǐn)?shù)量非常少的會計應(yīng)用程序。您的數(shù)據(jù)文件實際上將淹沒這些應(yīng)用程序。您需要一個與數(shù)據(jù)采集應(yīng)用程序相反的回放和查看應(yīng)用程序。具體來說，反向磁盤流式傳輸。您的播放應(yīng)用程序應(yīng)處理任何數(shù)據(jù)文件大小，并允許您以正向或反向?qū)?shù)據(jù)從磁盤文件流式傳輸?shù)斤@示器。時間壓縮和擴(kuò)展是其他優(yōu)點(diǎn)。通過壓縮，您可以將數(shù)分鐘或數(shù)小時的采集數(shù)據(jù)壓縮到單個屏幕寬度上，以提供測試的鳥瞰圖。使用擴(kuò)展，您可以選擇特定的波形區(qū)域并圍繞它展開以進(jìn)行仔細(xì)查看。播放包的其他有用屬性包括基于光標(biāo)的時間和幅度測量、一些統(tǒng)計和頻率評估，以及導(dǎo)出轉(zhuǎn)換器以將特定波形段帶到其他應(yīng)用程序（如 Excel）進(jìn)行進(jìn)一步分析。

DATAQ Instruments提供了這樣一個稱為WinDaqWaveform Browser的播放包?？蓮奈覀兊木W(wǎng)站免費(fèi)下載。

總結(jié)

成功的高速數(shù)據(jù)采集以效率為核心。您可以通過應(yīng)用您能負(fù)擔(dān)得起的最快的計算機(jī)來獲取效率。但不要忽視編程和操作效率，軟件設(shè)計人員應(yīng)該將其構(gòu)建到任何聲稱具有高速功能的產(chǎn)品中。這些，比其他任何事情都重要，將決定高速應(yīng)用的成功或失敗。

檢測三角洲運(yùn)載火箭中的繼電器顫振

想象一下，當(dāng)你被火箭發(fā)射到太空時，你會遇到什么樣的振動?，F(xiàn)在想象一下這些振動如何影響板載控制電路。由于在發(fā)射過程中即使一個這樣的組件發(fā)生故障也可能既昂貴又悲慘，因此工程師們努力在地面上盡可能多地模擬任務(wù)。一個特別值得關(guān)注的領(lǐng)域是由飛行的巨大振動引起的中繼顫動。

進(jìn)行了仿真，以確定板載繼電器組件在受到 70g、100 Hz 至 3 kHz 隨機(jī)振動時是否保持閉合狀態(tài)。工程師將最小采樣間隔定義為5 μs，總數(shù)據(jù)采集時間為3分鐘。這轉(zhuǎn)化為 200，000 Hz 的采樣率和大約 72 兆字節(jié)的數(shù)據(jù)文件大小。它還排除了使用最高采樣率為50，000 Hz的舊數(shù)據(jù)采集產(chǎn)品。取而代之的是，將小直流電流注入繼電器電路，并連接到在WinDaq/Pro實時軟件下運(yùn)行的DATAQ Instruments型號DI-400數(shù)據(jù)采集卡（現(xiàn)已過時）。這種組合能夠達(dá)到 500，000 Hz 的采樣率。由振動引起的繼電器電路中的任何中斷都會立即在WinDaq/Pro的實時顯示屏上顯示為尖峰（圖3），從而可以即時判斷繼電器性能。測試結(jié)束后，WinDaq/Pro創(chuàng)建的數(shù)據(jù)文件可以使用WinDaq波形瀏覽器軟件進(jìn)一步解釋。兩個軟件包的磁盤流功能允許獨(dú)立于數(shù)據(jù)文件大小進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和分析。

圖 1— 在 DATAQ InstrumentsWinDaq/Pro+ 軟件

中，通過為每個啟用的通道指定采樣速率除數(shù)來定義每個通道的采樣速率。

圖 2 — 當(dāng)超過最大采集速率時，軟件應(yīng)以文明的方式做出反應(yīng)。

在這里，WinDaq/Pro 軟件內(nèi)置的間隙檢測器顯示記錄到硬盤驅(qū)動器的數(shù)據(jù)流

中的中斷次數(shù)。間隙檢測器有助于定義問題的嚴(yán)重性，因為數(shù)據(jù)文件中只有少數(shù)間隙

可能無關(guān)緊要。

圖 3— 火箭發(fā)射期間的繼電器顫振，由 100 至 3kHz、70G 振動器模擬。

此文件以 200，000Hz 的頻率采集，并不間斷地流式傳輸?shù)酱疟P三分鐘。

結(jié)果是一個 72mb 的數(shù)據(jù)文件，其中一部分使用WinDaq波形瀏覽器

軟件顯示在此處。像這里顯示的那樣，中繼喋喋不休可能會使一項任務(wù)失敗，并帶來代價高昂和悲慘的后果。

審核編輯：郭婷