數據采集在現代工業生產及科學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、高精度的數據采集。這就對數據采集系統的設計提出了2方面的要求：1)要求接口簡單靈活且有較高的數據傳輸率；2)由于數據量通常較大，要求主機能夠對數據做出快速反應，并及時進行分析和處理。常用的數據采集卡一般是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，很好地克服了數據采集卡的缺點，容易實現低成本、高可靠性、多點的數據采集。
USB-6281是National Instruments推出的一款USB高精度多功能M系列數據采集(DAQ)板卡，在高采樣率下也能保持高精度。USB-6281是專為移動應用或空間上有限制的應用設計的，其即插即用的安裝最大程度降低了配置和設置時間，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驅動程序和測量服務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驅動軟件，采用VC++高級語言編程，完成數據高速采集系統。
1 系統結構設計
1．1 USB-6281簡介
USB-6281適用于地質監測、材料分析、環境感知、光學、光譜學、結構測量及氣體探測，還包括醫療設備儀器，如心率監測等儀器測試等領域。其主要特性如下：1)包含18位A／D轉換器，相比傳統16位設備其分辨率提高4倍，同時還提供了增強型模擬輸出通道，能夠實現量程及偏移量可編程設定；2)集成了NI-PGIA 2自定義放大器和NI-MCal自校準來縮短校準時間，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范圍內分辨力可達980 μV，在±100 mV范圍內可達28 μV；3)NI信號讀寫實現USB上的雙向高速數據流；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位數字I／O通道(DIO)，提供高達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驅動軟件和NI LabVIEW SignalExpress LE。NI-DAQmx驅動具有節省開發時間的特點，能夠實現LabVIEW圖形化開發環境及基于文本語言(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、仿真設備及接線圖。
1．2 系統構成
基于USB-6281的高速數據采集系統結構如圖1所示。
采用NI的USB-6281數據采集卡以400 kHz的采樣頻率對被測信號進行波形數據采集，然后對采集數據進行正弦波擬合，通過提取出正弦信號的幅度、頻率等參數，計算出擬合正弦曲線。測量數據與擬合曲線模型對應點的偏差值作為相應點波形失真測量值，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。測量方法采用數字化方法，先通過將信號數字化并送入計算機，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。
計算機通過高速數字采集卡采集被測信號，經A／D轉換后讀入計算機，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組。計算機顯示出信號的幅度一頻率特性曲線，同時，對數組計算得到基波系數和各次諧波系數，最后，由基波和各次諧波系數計算出失真度。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 系統軟件設計
利用NI-DAQmx驅動軟件和VC++，設計本系統數據采集流程圖如圖2所示，并給出主要部分程序代碼。
//設置波形發生任務
3 測試結果
實際應用中對正弦信號進行數據采集，對一個1 kHz的正弦波，用400 kHz的采樣頻率，采樣點數為4 096、單通道情況下進行數據采集。圖3是采集數據的圖形顯示，頻率為0．976 kHz，說明本采樣系統能夠精確采樣。
4 結束語
本系統采用NI的USB-6281作為高速數據采集系統的硬件平臺，以NI-DAQmx驅動軟件和VC++為編程語言，實現了高速數據采集。USB總線接口使用方便，熱插拔，即插即用，節省系統資源，成本低，性能可靠，在高采樣率下也能保持高精度。NI-DAQmx驅動程序和測量服務軟件提供了簡單易用的配置和編程界面，系統的擴展性和通用性好，應用面廣，可實現對工業生產中諸如溫度、壓力等各種物理量的測量和顯示。