LabVIEW環(huán)境下的GPIB總線虛擬儀器開發(fā)

1、第1期CHINA MEASUREMENT TECHNOLOGY中國測試技術(shù)No 11LabVIEW 環(huán)境下的GPI B 總線虛擬儀器開發(fā)張小琴林建輝(西南交通大學(xué)牽引動力國家重點實驗室, 成都610031摘要LabVIEW 是當(dāng)今最流行的虛擬儀器開發(fā)平臺, 文中介紹了用LabVIEW 開發(fā)基于GPI B 總線的虛擬儀器的全過程及其硬件和軟件要求, 并給出了一個開發(fā)實例。實例為用LabVIEW 虛擬儀器開發(fā)平臺對一臺帶有GPI B 接口磁測量儀進行二次開發(fā), 構(gòu)建自己的虛擬儀器。與臺式儀器相比, 該虛擬儀器最突出的優(yōu)點是不需要其它數(shù)據(jù)采集卡便可完成磁場的實時采集測量, 并將采集結(jié)果保存到文件,

2、以供后續(xù)分析使用, 從而大大擴展了原有臺式儀器的功能。關(guān)鍵詞LabVIEW GPI B 實進采集Development of virtual instrument based on GPIB bus on LabVIEW flatAbstract :LabVIEWis the most popular developing flat of virtual instruments 1In this paper the whole process and the requirement to hardware and software are introduced and an applied e

3、xample is 1Own virtual instrument is built based on an existing magnetic meter with GPI with the importable instrument it does not need other DAQ card but can real 2time acquirement and then save the results for the later analysis , thus importable instrument 1K ey wods :LabVIEW; GIPB ;real 2time in

4、strument1前言數(shù)據(jù)采集、經(jīng)常遇到的實際任務(wù)。LabVIEW 的出現(xiàn)使普通的實驗室工作者也能在較短的時間內(nèi)構(gòu)建自己的測控系統(tǒng)。LabVIEW 采用圖形化語言進行編程, 拋棄了傳統(tǒng)的文本編程方式, 程序開發(fā)變得簡單直觀, 開發(fā)時間大大減少。盡管現(xiàn)有的測試測量儀器能提供很高程序上的測量自動化操作, 但有時仍然不能滿足實際測量的需要, 因為實際的測量要求往往隨實際的測量環(huán)境和測量目的不同而發(fā)生改變, 但臺式儀器的功能一般是固定不變的。例如一些臺式儀器雖然能對某些物理量進行實時測量, 但它并不能將整個測試過程的數(shù)據(jù)記錄下來, 儀器本身僅僅相當(dāng)于一個物理量指標(biāo)器。為了實現(xiàn)實時測量分析并記錄其測量結(jié)

5、果, 必需進行額外的工作。方法之一是利用儀器本身的模擬輸出接口, 配一個數(shù)據(jù)采集卡對模擬輸出信號進行采集并進行相應(yīng)的后續(xù)分析處理。方法之二是利用儀器本身提供的編程接口, 通過編程實現(xiàn)。與第一種方法相比, 第二種方法不需要額外的硬件, 使得測試系統(tǒng)變得簡單、方便。GPI B(G eneral Purpose Interface Bus 1是儀器與各種控制器(最常見的是計算機 之間的一種標(biāo)準(zhǔn)接口, 許多儀器都帶有此接口。就編程語言而言, 強大、靈活的儀器控制功能使LabVIEW 成為開發(fā)虛擬儀器的首選編程語言, 而且利用LabVIEW 開發(fā)的虛擬儀器具有很好的外觀效果, 其用戶界面可與實際儀器的操

6、作面板相媲美。本文介紹了用LabVIEW 開發(fā)基于GPI B 接口的虛擬儀器的一般步驟, 并給出了一個實際的開發(fā)實例。2GPI B 總線虛擬儀器的硬件描述GPI B 接口是一種8位數(shù)字并行通訊接口, 其數(shù)據(jù)傳輸速度為1Mbyte s 。GPI B 設(shè)備分為聽者(Listeners 、說者(Talkers 和控制器(C ontrollers 。說者負責(zé)發(fā)出消息(數(shù)據(jù)或命令 , 聽者負責(zé)接收消息(數(shù)據(jù)或命令 , 控制器(通常是一臺計算機 負責(zé)管理總線上的消息, 并指定通訊連接和發(fā)送GPI B 命令到指定的設(shè)備。有些GPI B 設(shè)備在不同的時候可以扮演不同角色, 有時充當(dāng)說者, 有時充當(dāng)聽者, 有時

7、又作為控制器。GPI B 接口的優(yōu)點在于通過一個接口可以將多個GPI B 設(shè)備連接在一起, 同時完成多種不同物理量的測量。GPI B 的基地址共有31個, 為了獲得較高的數(shù)據(jù)傳輸速度, 連接35設(shè)備一般超過15個, 對于普通的測量這已經(jīng)足夠了。開發(fā)基于GPI B 總線的虛擬儀器一般需如下硬件:計算機、帶有GPI B 接口的測試儀器、GPI B 接口卡和GPI B 連接電纜。測試儀器的類型及數(shù)量取決于實際的測試要求, 儀器本身還要有與之配套的傳感器。GPI B 接口卡主要用于將儀器與計算機相連, 各GPI B 接口之間用GPI B 連接電纜連接。3GPI B 總線虛擬儀器的軟件要求用LabVIE

8、W 開發(fā)一個基于GPI B 總線的虛擬儀器的軟件包括:LabVIEW開發(fā)平臺、GPI B 接口卡驅(qū)動程序和儀器的LabVIEW 驅(qū)動程序(不是必需的 。當(dāng)然如果有儀器的LabVIEW 驅(qū)動程序, 創(chuàng)建虛擬儀器就更加方便了。儀器的LabVIEW 驅(qū)動程序負責(zé)儀器通信和控制的具體過程, 里面封裝了復(fù)雜的儀器編程細節(jié), 為用戶使用儀器提供了簡單的函數(shù)接口, 用戶不必對儀器硬件有專門的了解, 就可以通過儀器驅(qū)動程序來使用這些儀器。圖1為基于GPI B 總線的虛擬儀器結(jié)構(gòu)示意圖 。圖1基于GPI B 總線的虛擬儀器結(jié)構(gòu)示意圖4開發(fā)實例在此, 結(jié)合開發(fā)實例介紹了用LabVIEW 開發(fā)基于GPI B 總線的

9、虛擬儀器的全過程。實例為對一臺現(xiàn)有帶有GPI B 接口的磁測量儀進行二次開發(fā), 并開發(fā)出一個可完成磁場的實時采集測量, 并將采集結(jié)果保存到文件, 以供后續(xù)分析使用的磁測量虛擬儀器。實例中的GPI B 接口儀器是一臺由美國Lake Shore Cryotronics 公司生產(chǎn)的磁測量儀2, 可測量直流和交流磁場, 交流頻率范圍為10400Hz , 測量范圍取決于Hall 探頭, 最高可達30T 。它具有一個輸入通道, 兩個模擬輸出通道(一個為修正輸出, 一個為直接輸出 , 提供兩種編程接口,GPI B 接口和串行接口, 其中GPI B 接口的速率為每秒讀18次, 串行接口的速率為每秒讀15次。該

10、儀器能很方便的測量各種磁場, 但是它不能對所測數(shù)據(jù)進行保存, 而且也只具有一些最簡單的分析功能如最大值、相對值。GPI B 接口卡是美國國家儀器公司生產(chǎn)的GPI B 2PCII IIA , 該卡只支持Windows95或98, 有兩種工作模式, GPI B 2PCII 模式和GPI B 2PCIIA 模式, 公司推薦使用GPI B 2PCII 模式。另外, 該卡不是即插即用設(shè)備, 需要人工設(shè)置。實例中余下的硬件為一臺計算機和一條GPI B 連接電纜。計算機的操作系統(tǒng)為Windows98。首先, 安裝LabVIEW 開發(fā)平臺和GPI B 接口卡驅(qū)動程序。然后手動添加GPI B 接口卡, 根據(jù)操作

11、系統(tǒng)分配的資源, 結(jié)合GPI B 接口卡用戶手冊3進行相應(yīng)的跳線設(shè)置, 實例中該卡工作于GPI B 2PCII 模式, I O 地址為H2B8, 中斷為5,DMA 通道設(shè)為1。最后關(guān)閉計算機,將此GPI B 卡插入計算機內(nèi)的擴展槽內(nèi)。至此, 實例中的硬件設(shè)置及軟件安裝已經(jīng)完畢, 接下來將利用LabVIEW 來進行虛擬儀器編程。在LabVIEW 中為實現(xiàn)與GPI B 儀器通信有兩種方式4, 一種是利用函數(shù)模板中Instrument I O 子模板下的GPI B 相關(guān)函數(shù), 另一種是利用函數(shù)模板中Instrument I O 子模板下VISA 相關(guān)函數(shù), 實際上VISA 總線通信, 還能與許多、P

12、XI 接口儀器。本文采用VISA 相關(guān)函數(shù), 每一函數(shù)都有一個VISA 資源名稱參數(shù), 用來指明該函數(shù)對應(yīng)的硬件設(shè)備。本實例中的VISA 資源名稱為GPI B :12, 其中GPI B 用于指明指口的類型,12是磁測量儀器在GPI B 總線上的地址(出廠設(shè)定值 。與磁測量儀通信的第一步是建立計算機與儀器的連接, 此任務(wù)可以通過VISA 的OPEN 函數(shù)來實現(xiàn), 接著利用VISA 的WRITE 函數(shù), 可以根據(jù)需要向儀器發(fā)送各種命令,VISA 的READ 函數(shù)可以讀取儀器響應(yīng)的任何數(shù)據(jù), 完成所有測試任務(wù)后, 借助于VISA 的C LOSE 函數(shù)斷開計算機與磁測量儀的通信連接。值得注意的是, 多

13、數(shù)GPI B 接口儀器基于字符串格式的, 即使從儀器讀回的數(shù)字也是字符串格式的數(shù)字, 為了進行后續(xù)的分析處理必須將其轉(zhuǎn)化為數(shù)字類型。LabVIEW 中的函數(shù)模板中String 子模板下的Srting Numbder C onversion 下提供了一個專門從字符串中掃描數(shù)字的函數(shù), 利用此函數(shù)可以方便的將字符串格式的數(shù)字轉(zhuǎn)化成數(shù)字型。儀器的編程風(fēng)格有兩種方式:一種是非模塊化編程, 即針對特定的需要編寫特定的程序以滿足需要, 此方法直接, 容易實現(xiàn), 但其可擴充性差, 不便于后續(xù)升級和更改。另一種是模塊化編程, 即將儀器的各種功能模塊化, 然后根據(jù)需要選擇相應(yīng)的模塊來實現(xiàn)特定的要求, 該方法前期

14、工作投入大, 但其后續(xù)工作簡單, 且便于升級和更改。本實例采用模塊編程風(fēng)格。45根據(jù)美國NI 公司提出的“軟件就是儀器”的口號, 一個LabVIEW 就是一臺虛擬儀器, 通常一個LabVIEW程序包括三個部分:前面板、框圖和圖標(biāo)。圖2為實例虛擬儀器的框圖。 圖2實例虛擬儀器的框圖如圖2所示, 本框圖包括三個模塊, 即儀器設(shè)置模塊(CONFIG 模塊 、單位顯示模塊(UNIT DISP LAY 模塊 和數(shù)據(jù)采集測試模塊(TEST 模塊 主要用來完成測試相關(guān)參數(shù)的設(shè)定, B 址、單位設(shè)置、量程模式選擇(, 儀器將根 、磁場類型(交流或直流 , 如果測量的是交流磁場, 可通過Peak RMS 按鈕選

15、擇測量其峰值或平均值。單位顯示模塊主要用來指示測試結(jié)果的單位, 由于磁場存在兩種單位, 高斯(G auss 和特斯拉(Tesla , 而且對應(yīng)不同的量程有不同的單位, 如T 或mT 、kG 或G , 所以專門編寫了一個單位顯示模塊, 三個單位顯示分別為當(dāng)前讀數(shù)的單位及最大值和最小值的單位。數(shù)據(jù)采集測試模塊是該虛擬儀器的核心模塊, 主要完成磁場的測試, 根據(jù)實際測量需要任意指定磁場采樣間隔, 并將磁場的測量結(jié)果實時顯示, 測試完成后可將全部測試結(jié)果以文件方式保存, 以便后續(xù)分析處理。另外, 本模塊只提供兩個最簡單的分析功能, 即測量結(jié)果的最大值和最小值。對于更復(fù)雜的數(shù)據(jù)分析處理, 如譜分析, 可

16、利用LabVIEW 豐富分析函數(shù)庫編寫其他的模塊加以實現(xiàn), 本虛擬儀器暫不涉及。此外, 由圖2可以看出模塊化的編程, 不僅使程序結(jié)構(gòu)變得十分簡單, 而且編程者可以不必了解儀器的底層通信協(xié)議, 因為與儀器通信的底層編程已封裝在模塊內(nèi)部, 從而進一步簡化了虛擬儀器的開發(fā)。圖3(略 為實例虛擬器的前面板, 左邊為測試結(jié)果, 、最小值和測試曲線; 右, “停止開始”開關(guān)用于停止, “保存”按鈕用于將測試結(jié)果存盤。, 此虛擬儀器最大特點在于它能進行實時采集測量, 并將采集結(jié)果保存到文件, 以供后續(xù)分析使用。嚴(yán)格意義上說, 基于臺式儀器的虛擬儀器不僅可以實現(xiàn)臺式儀器的所有功能, 而且還可以實現(xiàn)臺式儀器所不具備的功能, 尤其是測試結(jié)果后續(xù)分析與處理, 因為測試結(jié)果的分析處理不依賴于硬件, 完全取決于實際的要求。此外, 虛擬儀器還具有易升級, 易更改等優(yōu)點。5結(jié)論文中介紹了采用LabVIEW 虛擬儀器開發(fā)平臺開發(fā)基于GPI B 總線的虛擬儀器的硬件及軟件要求。結(jié)合磁測量虛擬儀器開發(fā)實例, 介紹了開發(fā)基于GPI B 總線的虛擬儀器的全過程。實驗證明該虛擬儀器能很好地完成磁場的實時采集測量, 并將測試結(jié)果存盤以供后續(xù)分析使用, 此功能是臺式磁測量儀所不具備的功能, 從而大大擴充了臺式儀器的功能。參考文獻1