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,，要求主機能夠?qū)?shù)據(jù)做出快速反應(yīng)，并及時進行分析和處理。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,，受計算機插槽數(shù)量,、地址、中斷等資源的限制,，可擴展性差等,。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
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行波形數(shù)據(jù)采集,，然后對采集數(shù)據(jù)進行正弦波擬合,，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,，再由計算機計算出失真度,。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,，由計算機對采集的信號進行FFT變換,，形成被測信號的二維幅度一頻率數(shù)組。計算機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

2 測試結(jié)果
實際應(yīng)用中對正弦信號進行數(shù)據(jù)采集,，對一個1 kHz的正弦波，用400 kHz的采樣頻率,，采樣點數(shù)為4 096,、單通道情況下進行數(shù)據(jù)采集。圖3是采集數(shù)據(jù)的圖形顯示,，頻率為0．976 kHz,，說明本采樣系統(tǒng)能夠精確采樣。
3 結(jié)束語
本系統(tǒng)采用NI的USB-6281作為高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的硬件平臺,，以NI-DAQmx驅(qū)動軟件和VC++為編程語言,，實現(xiàn)了高速數(shù)據(jù)采集。USB總線接口使用方便,，熱插拔,，即插即用，節(jié)省系統(tǒng)資源,，成本低,，性能可靠，在高采樣率下也能保持高精度,。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,，系統(tǒng)的擴展性和通用性好，應(yīng)用面廣,，可實現(xiàn)對工業(yè)生產(chǎn)中諸如溫度,、壓力等各種物理量的測量和顯示。