LABVIEW數(shù)據(jù)采集與儀器控制（61頁)ppt課件

1、第14章 數(shù)據(jù)采集與儀器控制.引子數(shù)據(jù)采集與儀器控制是LabVIEW最具競爭力的中心技術(shù)之一。NI公司提供了種類豐富的硬件設(shè)備以滿足不同的丈量與控制需求，其中包括數(shù)據(jù)采集(DAQ)硬件、實時丈量與控制、PXI與Compact PCI、信號調(diào)理、開關(guān)、分布式I/O、機器視覺、運動控制、GPIB、串口和儀器控制、聲音與振動丈量分析、PAC(可編程自動化控制器)、VXI和VME等各種設(shè)備。運用遍及電子、機械、通訊、汽車制造、生物、醫(yī)藥、化工、科研和教育等各個行業(yè)領(lǐng)域。經(jīng)過豐富的驅(qū)動程序，LabVIEW能輕松實現(xiàn)與任何NI提供的硬件設(shè)備通訊。不僅如此，經(jīng)過通用的驅(qū)動程序或接口，例如VISA、IVI、O

2、PC、ActiveX和DLL等，LabVIEW幾乎能與任何廠商甚至自制的硬件通訊。.安裝驅(qū)動.本章內(nèi)容14.1 數(shù)據(jù)采集DAQ14.1.1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的構(gòu)成14.1.2 NI-DAQmx14.2 儀器控制簡介14.3 選擇適宜的總線14.4 儀器驅(qū)動程序14.4.1 可編程儀器規(guī)范命令SCPI14.4.2 VISA 14.4.3 IVI可互換的虛擬儀器驅(qū)動程序14.5 直接I/ODirect I/O14.5.1儀器I/O助手Instrument I/O Assistant14.5.2 Port I/O14.5.3 NI Spy調(diào)試驅(qū)動的好幫手14.6 與第三方硬件銜接.14.1.1 數(shù)據(jù)采集

3、系統(tǒng)的構(gòu)成數(shù)據(jù)采集Data AcQuisition，DAQ是指從傳感器和其它待測設(shè)備等模擬或數(shù)字被測單元中自動采集信息的過程。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是結(jié)合基于計算機的丈量軟硬件產(chǎn)品來實現(xiàn)靈敏的、用戶自定義的丈量系統(tǒng)。一個完好的DAQ系統(tǒng)包括傳感器或變換器、信號調(diào)理設(shè)備、數(shù)據(jù)采集和分析硬件、計算機、驅(qū)動程序和運用軟件等。.14.1.1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的構(gòu)成典型的基于PC的數(shù)據(jù)采集(DAQ)系統(tǒng) .14.1.1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的構(gòu)成1. 傳感器和變換器傳感器感應(yīng)物理信息并生成可丈量的電信號。例如熱電偶、電阻式測溫計RTD、熱敏電阻器和IC傳感器可以把溫度轉(zhuǎn)變?yōu)锳DC可丈量的模擬信號。 .14.1.1 數(shù)據(jù)采集系

4、統(tǒng)的構(gòu)成2. 信號調(diào)理從傳感器得到的信號能夠會很微弱，或者含有大量噪聲，或者是非線性的等等，這種信號在進入采集卡之前必需經(jīng)過信號調(diào)理。信號調(diào)理的方法主要包括放大、衰減、隔離、多路復用、濾波、鼓勵和數(shù)字信號調(diào)理等 .14.1.1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的構(gòu)成3. 數(shù)據(jù)采集設(shè)備經(jīng)過信號調(diào)理后的信號就可以與數(shù)據(jù)采集設(shè)備銜接了。通常情況下數(shù)據(jù)采集設(shè)備是一個數(shù)據(jù)采集卡，與計算機的銜接可以采用多種方式。NI的數(shù)據(jù)采集設(shè)備支持的總線類型包括PCI、PCI Express、PXI、PCMCIA、USB、CompactFlash、Ethernet以及火線等各種總線。數(shù)據(jù)采集卡的功能包括模擬輸入、模擬輸出、數(shù)字I/O、觸發(fā)

5、采集和定時I/O。.14.1.1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的構(gòu)成4. PC與軟件軟件使PC與數(shù)據(jù)采集硬件構(gòu)成了一個完好的數(shù)據(jù)采集、分析和顯示系統(tǒng)。軟件分為驅(qū)動程序和上層運用程序。驅(qū)動程序可以直接對數(shù)據(jù)采集硬件的存放器編程，管理數(shù)據(jù)采集硬件的操作并把它和處置器中斷、DMA和內(nèi)存這樣的計算機資源結(jié)合在一同。驅(qū)動程序隱藏了復雜的硬件底層編程細節(jié)，為用戶提供容易了解的接口。普通來說，硬件廠商在賣出硬件的同時也會提供驅(qū)動程序。上層運用程序用來完成數(shù)據(jù)的分析，存儲和顯示等。LabVIEW就是一個極佳的開發(fā)上層運用程序的開發(fā)平臺。 .14.1.2 NI-DAQmxNI-DAQmx是LabVIEW 7.0以來新增的DAQ

6、軟件。它包括支持200多種NI數(shù)據(jù)采集設(shè)備的驅(qū)動，并提供相應(yīng)的VI函數(shù)。此外它還包括Measurement & Automation Explorer(MAX)、數(shù)據(jù)采集助理(DAQ Assistant)以及VI Logger數(shù)據(jù)記錄軟件。經(jīng)過這些工具并結(jié)合LabVIEW可以節(jié)省大量的系統(tǒng)配置、開發(fā)和記錄數(shù)據(jù)的時間。.14.1.2 NI-DAQmx1. Measurement & Automation Explorer (MAX)快速檢測及配置一切硬件經(jīng)過測試面板驗證硬件的運作情況實施簡便、交互式的丈量給/通道命名.14.1.2 NI-DAQmx舉例：經(jīng)過MAX配置串口屬性 .14.1.2 N

7、I-DAQmx測試串口操作 .14.1.2 NI-DAQmx2. DAQ助手DAQ AssistantDAQ助手提供了一個對話框式的導游用于丈量義務(wù)的配置、測試和自動代碼生成。配合Express VI，經(jīng)過DAQ Assistant可以在數(shù)分鐘內(nèi)搭建一個專業(yè)的數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)。.14.1.2 NI-DAQmx 配置虛擬通道 .14.1.2 NI-DAQmx自動生成代碼 .14.2 儀器控制簡介儀器控制是指經(jīng)過PC上的軟件遠程控制總線上的一臺或多臺儀器。它比單純的數(shù)據(jù)采集要復雜的多。它需求將儀器或設(shè)備與計算機銜接起來協(xié)同任務(wù)，同時還可以根據(jù)需求延伸和拓展儀器的功能。經(jīng)過計算機強大的數(shù)據(jù)處置、分析、顯

8、示和存儲才干，可以極大的擴展儀器的功能，這就是虛擬儀器的根本含義。 .14.2 儀器控制簡介一個完好的儀器控制系統(tǒng)除了包括計算機和儀器外，還必需建立儀器與計算機的通路以及上層運用程序。通路包括總線和針對不同儀器的驅(qū)動程序上層運用程序用于發(fā)送控制命令、儀器的控制面板顯示以及數(shù)據(jù)的采集、處置、分析、顯示和存儲等。.14.2 儀器控制簡介基于LabVIEW的儀器控制系統(tǒng)構(gòu)架 LabVIEW圖形化開發(fā)環(huán)境Instrument DriversDirect I/O(Instrument I/O Assistant)GPIB串口以太網(wǎng)PXIVXIUSBOPC，ActiveX，DLL，Shared Varia

9、bleCANModBus無線InstrumentsInstrumentsInstrumentsInstrumentsPCIPCI Express火線.14.3 選擇適宜的總線在開發(fā)一個丈量系統(tǒng)時，選擇正確的總線與選擇一個具有適宜采樣速率和分辨率的設(shè)備一樣重要。硬件總線可以影響丈量的性能、系統(tǒng)搭建時間和便攜性等。 .14.3 選擇適宜的總線獨立總線，用于架式和堆式儀器的通訊。獨立總線包括T&M公用總線如GPIB和PC規(guī)范總線如串行總線RS-232、以太網(wǎng)、USB、無線和IEEE 4。一些獨立總線可用作其他獨立總線的中介，如USB到GPIB的轉(zhuǎn)換器。 模塊化總線，將接口總線合并到儀器中。模塊化總線

10、包括PCI、PCI Express、VXI和PXI。這些總線也可用作為不包括該總線的PC添加一個獨立總線的中介，如PCI-GPIB控制卡。 .14.3.1 獨立總線1. GPIB通用接口總線GPIBGeneral Purpose Interface Bus是獨立儀器上一種最通用的I/O接口。GPIB是專為測試丈量和儀器控制運用設(shè)計的。 GPIB是一種數(shù)字的、8位并行通訊接口，數(shù)據(jù)傳輸速率高達8M字節(jié)/秒。該總線可為一個系統(tǒng)控制器提供多達15臺儀器銜接，連線長度小于20米。 PC本身很少帶有GPIB。實踐上，用戶通常運用一個插卡如PCI-GPIB或一個外部轉(zhuǎn)換器如GPIB-USB在本人的PC中添

11、加GPIB儀器控制功能。.14.3.1 獨立總線2. 串行總線RS-232和RS-485RS-232是串行通訊規(guī)范，是傳統(tǒng)意義上的“串行總線的最為常見的規(guī)范。 RS-232也是一個相對較慢的接口，典型的數(shù)據(jù)速率低于20k字節(jié)/秒，雖然有些產(chǎn)品可以到達更高的數(shù)據(jù)吞吐量。 由于RS-232連線長度最長只能到達15米，而且只能點對點通訊，不適宜工業(yè)現(xiàn)場運用。因此出現(xiàn)了RS-485來處理這些問題，它采用差分的信號傳輸方式，最長間隔可以到達1200米。 PC上都不帶RS-485的接口，因此在接入電腦前需求經(jīng)過485-232轉(zhuǎn)換器或485-USB轉(zhuǎn)換器才干接入PC。 .14.3.1 獨立總線3. USB通

12、用串行總線USB-Universal Serial Bus的設(shè)計主要用于將PC的外圍設(shè)備如鍵盤、鼠標、掃描儀和挪動硬盤等銜接到PC。USB是一項即插即用技術(shù) 最初的USB1.1規(guī)范定義了兩種數(shù)據(jù)傳輸方式和速度：低速方式Low-Speed最大吞吐量可達1.5Mbits/s或200Kbytes/s和全速方式Full-Speed最大吞吐量可達12Mbits/s或1.5Mbytes/s。最新的USB規(guī)范USB 2.0完全后向兼容低速和全速設(shè)備，同時也定義了一種新的高速方式Hi-Speed，該方式下數(shù)據(jù)傳輸速率高達480Mbits/s。 .14.3.1 獨立總線4. 以太網(wǎng)5. CAN6. IEEE4(

13、火線)7. 無線.14.3.2 模塊化總線1. PCIPCI總線是當今運用最廣泛的計算機內(nèi)部總線之一。 普通的計算機都有3個或更多的PCI插槽。PCI提供了高速的傳輸，實際帶寬到達1056Mbits/s。 .14.3.2 模塊化總線2. PCI Express當PC運用需求更大量帶寬時，PCI總線在許多情況下到達了其物理極限。根本物理層由用作一個發(fā)送對和一個接納對的一對單工通道構(gòu)成。每個方向的最初速率2.5Gbits/s為該方向提供了一個200MBytes/s的通訊信道，這接近規(guī)范PCI數(shù)據(jù)速率的四倍。 類似PCI，PCI Express的典型運用不是直接用于儀器控制，而是作為外圍總線將GPI

14、B設(shè)備銜接到PC以用于儀器控制。但由于其很高的速率，PCI Express可用作模塊化儀器的通訊總線。此外，PCI Express還支持熱交換和熱插拔功能。 .14.3.2 模塊化總線3. PXI/CompactPCIPXI將PCI電氣總線特性與鞏固的、模塊化的、歐洲卡機械封裝的CompactPCI相結(jié)合，并添加了專門的同步總線和關(guān)鍵的軟件特性，從而可以接受經(jīng)常存在于工業(yè)運用中的惡劣環(huán)境。這使得PXI成為一個高性能的、低本錢的、適用丈量和自動化系統(tǒng)的布置平臺。 .14.3.2 模塊化總線4. VXI5. PCMCIA.14.4 儀器驅(qū)動程序計算機與儀器進展通訊的方式有兩種一種是基于存放器的通訊

15、方式，另一種是基于音訊的通訊方式。詳細采用哪種方式由儀器本身決議。 .14.4 儀器驅(qū)動程序一個儀器驅(qū)動程序是一個包括高層函數(shù)的庫，這些高層函數(shù)支持控制某個儀器或某個儀器簇。一個儀器驅(qū)動程序是一個軟件例程集合，該集合對應(yīng)于一個方案的操作，如配置儀器、從儀器讀取、向儀器寫入和觸發(fā)儀器等。它將底層的通訊命令或存放器配置等封裝起來，用戶只需求調(diào)用封裝好的函數(shù)庫就能輕松實現(xiàn)對應(yīng)于該儀器的任何功能。 .14.4 儀器驅(qū)動程序為了滿足儀器控制和測試運用不同需求，存在兩種不同類型的儀器驅(qū)動程序:即插即用驅(qū)動程序可互換的虛擬儀器IVI驅(qū)動程序直接I/O .14.4 儀器驅(qū)動程序 IVI、Plug&Play和D

16、irect I/O三種方式比較 .14.4.1 可編程儀器規(guī)范命令SCPI 對于采用基于音訊的通訊方式，實際上來說音訊的格式可以恣意。不同的儀器可以采用不同的音訊解析方式，譬如儀器A發(fā)送“A表示讀回儀器稱號，儀器B可以發(fā)送“B表示讀回儀器稱號。 SCPI聯(lián)盟推出了可編程儀器規(guī)范命令SCPI(Standard Commands for Programmable Instruments)旨在規(guī)范一套規(guī)范的命令集。該命令集只是一個規(guī)范，和硬件無關(guān)。無論是基于GPIB，串口還是VXI的任何儀器都可以采用符合SCPI規(guī)范的命令集。.14.4.1 可編程儀器規(guī)范命令SCPISCPI命令與編程言語無關(guān)。La

17、bVIEW提供的MAX和儀器I/O助手都可以向指定儀器發(fā)送命令。.14.4.1 可編程儀器規(guī)范命令SCPI例如Tektronix TDS220示波器的SCPI命令集的例子：1*IDN?前往儀器標識，采用IEEE 488.2標志法；2CH:PRObe?查詢通道x的探頭衰減；3HARDCopy:FORMat BMP設(shè)置硬拷貝格式為BMP格式。.14.4.2 VISA 虛擬儀器軟件架構(gòu)VISAVirtual Instruments Software Architecture的目的是經(jīng)過減少系統(tǒng)的建立時間來提高效率。 隨著儀器類型的不斷添加和測試系統(tǒng)復雜化的提高，人們不希望為每一種硬件接口都要編寫不同

18、的程序，因此I/O接口無關(guān)性對于I/O控制軟件來說變得至關(guān)重要。 .14.4.2 VISA經(jīng)過VISA用戶能與大多數(shù)儀器總線銜接，包括GPIB、USB、串口、PXI、VXI和以太網(wǎng)。而無論底層是何種硬件接口，用戶只需求面對一致的編程接口VISA .14.4.2 VISAVISA函數(shù)面板.14.4.2 VISA經(jīng)過VISA讀寫GPIB設(shè)備經(jīng)過VISA讀寫串口設(shè)備.14.4.2 VISA在VISA Advanced面板下有更多的VISA高級函數(shù)。此外，為了更細節(jié)的控制譬如GPIB，串口和USB等接口，LabVIEW還提供了基于VISA的高級控制函數(shù)。這些函數(shù)在Instrument I/O面板下都能

19、找到。 譬如Instrument I/O-Serial面板下提供的串口配置函數(shù)可以對串口進展詳細的配置，譬如超時時間、波特率、數(shù)據(jù)位和奇偶校驗等。.14.4.2 VISA.14.4.3 IVI可互換的虛擬儀器驅(qū)動程序雖然VISA實現(xiàn)了程序與硬件接口的不相關(guān)性，但是并沒有實現(xiàn)儀器的可交換性。IVI驅(qū)動程序是更為復雜的儀器驅(qū)動程序，它的特點在于為那些需求可互換性、形狀緩存或儀器仿真的更為復雜的測試運用提高了性能和靈敏性。 IVI驅(qū)動是NI測試系統(tǒng)中一個完好的組件。它基于VISA并被集成在NI提供的運用程序開發(fā)環(huán)境中。 .14.4.3 IVI可互換的虛擬儀器驅(qū)動程序IVI構(gòu)架將傳統(tǒng)的儀器驅(qū)動程序分為

20、兩部分：儀器公用驅(qū)動通用類驅(qū)動 .14.4.3 IVI可互換的虛擬儀器驅(qū)動程序 IVI整體構(gòu)架.14.4.3 IVI可互換的虛擬儀器驅(qū)動程序IVI儀器驅(qū)動技術(shù)具有如下優(yōu)點： 高性能儀器仿真才干儀器互換才干開發(fā)靈敏性.14.4.3 IVI可互換的虛擬儀器驅(qū)動程序目前為止，IVI基金會曾經(jīng)制定了八類儀器規(guī)范IVI基金會的目的是支持某一確定類儀器中95%的儀器，根本上涵蓋了測試系統(tǒng)中常用的儀器類型。IVI示波器類ScopeIVI OscilloscopeIVI數(shù)字萬用表類DMMIVI Digital MultimeterIVI函數(shù)發(fā)生器類(FGenIVI Function Generator)IVI

21、直流電源類DC Pwr SupplyIVI DC Power SupplyIVI開關(guān)類SwitchIVI SwitchIVI功率計類Power MeterIVI Power MeterIVI射頻信號發(fā)生器類RF Sig GenIVI RF Signal GeneratorIVI頻譜分析儀類Spec AnIVI Spectrum Analyzer.14.4.3 IVI可互換的虛擬儀器驅(qū)動程序IVI儀器驅(qū)動函數(shù)面板 .14.4.3 IVI可互換的虛擬儀器驅(qū)動程序舉例：經(jīng)過IVI示波器類驅(qū)動寫一個仿真示波器程序 .14.4.3 IVI可互換的虛擬儀器驅(qū)動程序經(jīng)過IVI儀器驅(qū)動實現(xiàn)的示波器界面 .14.5 直接I/ODirect I/O假設(shè)沒有儀器的VISA或IVI驅(qū)動可得，那么