第14章labview之?dāng)?shù)據(jù)采集與儀器控制

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最具競爭力的核心技術(shù)之一。 NI公司提供了種類豐富的硬件設(shè)備以滿足不同的測量與控制需求，其中包括數(shù)據(jù)采集(DAQ)硬件、實(shí)時(shí)測量與控制、PXI與Compact PCI、信號(hào)調(diào)理、開關(guān)、分布式I/O、機(jī)器視覺、運(yùn)動(dòng)控制、GPIB、串口和儀器控制、聲音與振動(dòng)測量分析、PAC(可編程自動(dòng)化控制器)、VXI和VME等各種設(shè)備。應(yīng)用遍布電子、機(jī)械、通信、汽車制造、生物、醫(yī)藥、化工、科研和教育等各個(gè)行業(yè)領(lǐng)域。 通過豐富的驅(qū)動(dòng)程序，LabVIEW能輕松實(shí)現(xiàn)與任何NI提供的硬件設(shè)備通訊。不僅如此，通過通用的驅(qū)動(dòng)程序或接口，例如VIS

2、A、IVI、OPC、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(dòng),.,本章內(nèi)容,14.1 數(shù)據(jù)采集（DAQ） 14.1.1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的構(gòu)成 14.1.2 NI-DAQmx 14.2 儀器控制簡介 14.3 選擇合適的總線 14.4 儀器驅(qū)動(dòng)程序 14.4.1 可編程儀器標(biāo)準(zhǔn)命令SCPI 14.4.2 VISA 14.4.3 IVI可互換的虛擬儀器驅(qū)動(dòng)程序 14.5 直接I/O（Direct I/O） 14.5.1儀器I/O助手（Instrument I/O Assistant） 14.5.2 Port I/O 14.5.3 NI Spy調(diào)試驅(qū)動(dòng)

3、的好幫手 14.6 與第三方硬件連接,.,14.1.1 數(shù)據(jù)采集系統(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(dòng)采集信息的過程。 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是結(jié)合基于計(jì)算機(jī)的測量軟硬件產(chǎn)品來實(shí)現(xiàn)靈活的、用戶自定義的測量系統(tǒng)。 一個(gè)完整的DAQ系統(tǒng)包括傳感器或變換器、信號(hào)調(diào)理設(shè)備、數(shù)據(jù)采集和分析硬件、計(jì)算機(jī)、驅(qū)動(dòng)程序和應(yīng)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)物理信息并生成可測量的電信號(hào)。 例如熱電偶、電阻式測溫計(jì)（RTD）

4、、熱敏電阻器和IC傳感器可以把溫度轉(zhuǎn)變?yōu)锳DC可測量的模擬信號(hào)。,.,14.1.1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的構(gòu)成,2. 信號(hào)調(diào)理 從傳感器得到的信號(hào)可能會(huì)很微弱，或者含有大量噪聲，或者是非線性的等等，這種信號(hào)在進(jìn)入采集卡之前必須經(jīng)過信號(hào)調(diào)理。 信號(hào)調(diào)理的方法主要包括放大、衰減、隔離、多路復(fù)用、濾波、激勵(lì)和數(shù)字信號(hào)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 通過信號(hào)調(diào)理后的信號(hào)就可以與數(shù)據(jù)采集設(shè)備連接了。通常情況下數(shù)據(jù)采集設(shè)備是一個(gè)數(shù)據(jù)采集卡，與計(jì)算機(jī)的連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、Compa

5、ctFlash、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)采集和定時(shí)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)采集硬件形成了一個(gè)完整的數(shù)據(jù)采集、分析和顯示系統(tǒng)。 軟件分為驅(qū)動(dòng)程序和上層應(yīng)用程序。 驅(qū)動(dòng)程序可以直接對(duì)數(shù)據(jù)采集硬件的寄存器編程，管理數(shù)據(jù)采集硬件的操作并把它和處理器中斷、DMA和內(nèi)存這樣的計(jì)算機(jī)資源結(jié)合在一起。驅(qū)動(dòng)程序隱藏了復(fù)雜的硬件底層編程細(xì)節(jié)，為用戶提供容易理解的接口。一般來說，硬件廠商在賣出硬件的同時(shí)也會(huì)提供驅(qū)動(dòng)程序。 上層應(yīng)用程序用來完成數(shù)據(jù)的分析，存儲(chǔ)和顯示等。LabVIEW就是一個(gè)

6、極佳的開發(fā)上層應(yīng)用程序的開發(fā)平臺(tái)。,.,14.1.2 NI-DAQmx,NI-DAQmx是LabVIEW 7.0以來新增的DAQ軟件。它包括支持200多種NI數(shù)據(jù)采集設(shè)備的驅(qū)動(dòng)，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。通過這些工具并結(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(shí)間。,.,14.1.2 NI-DAQmx,1. Measurement & Automation Explorer (MAX) 快速檢測及配置所有硬件 通過

7、測試面板驗(yàn)證硬件的運(yùn)作狀況 實(shí)施簡便、交互式的測量 給/通道命名,.,14.1.2 NI-DAQmx,舉例：通過MAX配置串口屬性,.,14.1.2 NI-DAQmx,測試串口操作,.,14.1.2 NI-DAQmx,2. DAQ助手（DAQ Assistant） DAQ助手提供了一個(gè)對(duì)話框式的向?qū)в糜跍y量任務(wù)的配置、測試和自動(dòng)代碼生成。配合Express VI，通過DAQ Assistant可以在數(shù)分鐘內(nèi)搭建一個(gè)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(dòng)生成代碼,.,14.2 儀器控制簡介,儀器控制是指通過PC上的軟件遠(yuǎn)程

8、控制總線上的一臺(tái)或多臺(tái)儀器。 它比單純的數(shù)據(jù)采集要復(fù)雜的多。它需要將儀器或設(shè)備與計(jì)算機(jī)連接起來協(xié)同工作，同時(shí)還可以根據(jù)需要延伸和拓展儀器的功能。 通過計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理、分析、顯示和存儲(chǔ)能力，可以極大的擴(kuò)充儀器的功能，這就是虛擬儀器的基本含義。,.,14.2 儀器控制簡介,一個(gè)完整的儀器控制系統(tǒng)除了包括計(jì)算機(jī)和儀器外，還必須建立儀器與計(jì)算機(jī)的通路以及上層應(yīng)用程序。 通路包括總線和針對(duì)不同儀器的驅(qū)動(dòng)程序 上層應(yīng)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、處理、分析、顯示和存儲(chǔ)等。,.,14.2 儀器控制簡介,基于LabVIEW的儀器控制系統(tǒng)構(gòu)架,.,14.3 選擇合適的總線,在開

9、發(fā)一個(gè)測量系統(tǒng)時(shí)，選擇正確的總線與選擇一個(gè)具有合適采樣速率和分辨率的設(shè)備一樣重要。 硬件總線可以影響測量的性能、系統(tǒng)搭建時(shí)間和便攜性等。,.,14.3 選擇合適的總線,獨(dú)立總線，用于架式和堆式儀器的通信。獨(dú)立總線包括T&M專用總線（如GPIB）和PC標(biāo)準(zhǔn)總線（如串行總線RS-232、以太網(wǎng)、USB、無線和IEEE 1394）。一些獨(dú)立總線可用作其他獨(dú)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增加一個(gè)獨(dú)立總線的中介，如PCI-GPIB控制卡。,.,14.3.1

10、獨(dú)立總線,1. GPIB 通用接口總線（GPIBGeneral Purpose Interface Bus）是獨(dú)立儀器上一種最通用的I/O接口。GPIB是專為測試測量和儀器控制應(yīng)用設(shè)計(jì)的。 GPIB是一種數(shù)字的、8位并行通信接口，數(shù)據(jù)傳輸速率高達(dá)8M字節(jié)/秒。該總線可為一個(gè)系統(tǒng)控制器提供多達(dá)15臺(tái)儀器連接，連線長度小于20米。 PC本身很少帶有GPIB。實(shí)際上，用戶通常使用一個(gè)插卡（如PCI-GPIB）或一個(gè)外部轉(zhuǎn)換器（如GPIB-USB）在自己的PC中增加GPIB儀器控制功能。,.,14.3.1 獨(dú)立總線,2. 串行總線（RS-232和RS-485） RS-232是串行通信規(guī)范，是傳統(tǒng)意義上

11、的“串行”總線的最為常見的規(guī)范。 RS-232也是一個(gè)相對(duì)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)品能夠達(dá)到更高的數(shù)據(jù)吞吐量。 由于RS-232連線長度最長只能達(dá)到15米，而且只能點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通訊，不適合工業(yè)現(xiàn)場應(yīng)用。因此出現(xiàn)了RS-485來解決這些問題，它采用差分的信號(hào)傳輸方式，最長距離可以達(dá)到1200米。 PC上都不帶RS-485的接口，因此在接入電腦前需要通過485-232轉(zhuǎn)換器或485-USB轉(zhuǎn)換器才能接入PC。,.,14.3.1 獨(dú)立總線,3. USB 通用串行總線（USB-Universal Serial Bus）的設(shè)計(jì)主要用于將PC的外圍設(shè)備（如鍵盤、鼠標(biāo)、掃描儀和移動(dòng)

12、硬盤等）連接到PC。 USB是一項(xiàng)即插即用技術(shù) 最初的USB1.1規(guī)范定義了兩種數(shù)據(jù)傳輸模式和速度：低速模式（Low-Speed）（最大吞吐量可達(dá)1.5Mbits/s或200Kbytes/s）和全速模式（Full-Speed）（最大吞吐量可達(dá)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(shí)也定義了一種新的高速模式（Hi-Speed），該模式下數(shù)據(jù)傳輸速率高達(dá)480Mbits/s。,.,14.3.1 獨(dú)立總線,4. 以太網(wǎng) 5. CAN 6. IEEE1394(火線) 7. 無線,.,14.3.2 模塊化總線,1. PCI PCI總線是

13、當(dāng)今使用最廣泛的計(jì)算機(jī)內(nèi)部總線之一。 一般的計(jì)算機(jī)都有3個(gè)或更多的PCI插槽。PCI提供了高速的傳輸，理論帶寬達(dá)到1056Mbits/s。,.,14.3.2 模塊化總線,2. PCI Express 當(dāng)PC應(yīng)用需要更大量帶寬時(shí)，PCI總線在許多情況下達(dá)到了其物理極限。 基本物理層由用作一個(gè)發(fā)送對(duì)和一個(gè)接收對(duì)的一對(duì)單工通道構(gòu)成。每個(gè)方向的最初速率2.5Gbits/s為該方向提供了一個(gè)200MBytes/s的通信信道，這接近標(biāo)準(zhǔn)PCI數(shù)據(jù)速率的四倍。 類似PCI，PCI Express的典型應(yīng)用不是直接用于儀器控制，而是作為外圍總線將GPIB設(shè)備連接到PC以用于儀器控制。但由于其很高的速率，PCI

14、 Express可用作模塊化儀器的通信總線。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/CompactPCI PXI將PCI電氣總線特性與堅(jiān)固的、模塊化的、歐洲卡機(jī)械封裝的CompactPCI相結(jié)合，并增加了專門的同步總線和關(guān)鍵的軟件特性，從而能夠承受常常存在于工業(yè)應(yīng)用中的惡劣環(huán)境。這使得PXI成為一個(gè)高性能的、低成本的、適用測量和自動(dòng)化系統(tǒng)的布置平臺(tái)。,.,14.3.2 模塊化總線,4. VXI 5. PCMCIA,.,14.4 儀器驅(qū)動(dòng)程序,計(jì)算機(jī)與儀器進(jìn)行通訊的方式有兩種 一種是基于寄存器的通信方式， 另一種是基于消息的通信方式。

15、具體采用哪種方式由儀器本身決定。,.,14.4 儀器驅(qū)動(dòng)程序,一個(gè)儀器驅(qū)動(dòng)程序是一個(gè)包括高層函數(shù)的庫，這些高層函數(shù)支持控制某個(gè)儀器或某個(gè)儀器簇。 一個(gè)儀器驅(qū)動(dòng)程序是一個(gè)軟件例程集合，該集合對(duì)應(yīng)于一個(gè)計(jì)劃的操作，如配置儀器、從儀器讀取、向儀器寫入和觸發(fā)儀器等。 它將底層的通信命令或寄存器配置等封裝起來，用戶只需要調(diào)用封裝好的函數(shù)庫就能輕松實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)于該儀器的任何功能。,.,14.4 儀器驅(qū)動(dòng)程序,為了滿足儀器控制和測試應(yīng)用不同需求，存在兩種不同類型的儀器驅(qū)動(dòng)程序: 即插即用驅(qū)動(dòng)程序 可互換的虛擬儀器（IVI）驅(qū)動(dòng)程序 直接I/O,.,14.4 儀器驅(qū)動(dòng)程序,IVI、Plug&Play和Direct

16、 I/O三種方式比較,.,14.4.1 可編程儀器標(biāo)準(zhǔn)命令SCPI,對(duì)于采用基于消息的通信方式，理論上來說消息的格式可以任意。不同的儀器可以采用不同的消息解析方式，譬如儀器A發(fā)送“A”表示讀回儀器名稱，儀器B可以發(fā)送“B”表示讀回儀器名稱。 SCPI聯(lián)盟推出了可編程儀器標(biāo)準(zhǔn)命令SCPI(Standard Commands for Programmable Instruments)旨在規(guī)范一套標(biāo)準(zhǔn)的命令集。該命令集只是一個(gè)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標(biāo)準(zhǔn)的命令集。,.,14.4.1 可編程儀器標(biāo)準(zhǔn)命令SCPI,SCPI命令與編程語言無關(guān)。L

17、abVIEW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 可編程儀器標(biāo)準(zhǔn)命令SCPI,例如Tektronix TDS220示波器的SCPI命令集的例子： （1）*IDN?返回儀器標(biāo)識(shí)，采用IEEE 488.2標(biāo)記法； （2）CH:PRObe?查詢通道x的探頭衰減； （3）HARDCopy: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）的目的是通過減少系統(tǒng)的建立時(shí)間來提高效率。 隨著儀器類型的不斷增加和測試系統(tǒng)復(fù)雜化的提高，人們

18、不希望為每一種硬件接口都要編寫不同的程序，因此I/O接口無關(guān)性對(duì)于I/O控制軟件來說變得至關(guān)重要。,.,14.4.2 VISA,通過VISA用戶能與大多數(shù)儀器總線連接，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，用戶只需要面對(duì)統(tǒng)一的編程接口VISA,.,14.4.2 VISA,VISA函數(shù)面板,.,14.4.2 VISA,通過VISA讀寫GPIB設(shè)備,通過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(jí)函數(shù)。此外，為了更細(xì)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(jí)控

19、制函數(shù)。這些函數(shù)在Instrument I/O面板下都能找到。 譬如Instrument I/O-Serial面板下提供的串口配置函數(shù)可以對(duì)串口進(jìn)行詳細(xì)的配置，譬如超時(shí)時(shí)間、波特率、數(shù)據(jù)位和奇偶校驗(yàn)等。,.,14.4.2 VISA,.,14.4.3 IVI可互換的虛擬儀器驅(qū)動(dòng)程序,雖然VISA實(shí)現(xiàn)了程序與硬件接口的不相關(guān)性，但是并沒有實(shí)現(xiàn)儀器的可交換性。 IVI驅(qū)動(dòng)程序是更為復(fù)雜的儀器驅(qū)動(dòng)程序，它的特點(diǎn)在于為那些需要可互換性、狀態(tài)緩存或儀器仿真的更為復(fù)雜的測試應(yīng)用提高了性能和靈活性。 IVI驅(qū)動(dòng)是NI測試系統(tǒng)中一個(gè)完整的組件。它基于VISA并被集成在NI提供的應(yīng)用程序開發(fā)環(huán)境中。,.,14.4

20、.3 IVI可互換的虛擬儀器驅(qū)動(dòng)程序,IVI構(gòu)架將傳統(tǒng)的儀器驅(qū)動(dòng)程序分為兩部分： 儀器專用驅(qū)動(dòng) 通用類驅(qū)動(dòng),.,14.4.3 IVI可互換的虛擬儀器驅(qū)動(dòng)程序,IVI整體構(gòu)架,.,14.4.3 IVI可互換的虛擬儀器驅(qū)動(dòng)程序,IVI儀器驅(qū)動(dòng)技術(shù)具有如下優(yōu)點(diǎn)： 高性能 儀器仿真能力 儀器互換能力 開發(fā)靈活性,.,14.4.3 IVI可互換的虛擬儀器驅(qū)動(dòng)程序,目前為止，IVI基金會(huì)已經(jīng)制定了八類儀器規(guī)范（IVI基金會(huì)的目標(biāo)是支持某一確定類儀器中95%的儀器），基本上涵蓋了測試系統(tǒng)中常用的儀器類型。 IVI示波器類（ScopeIVI Oscilloscope） IVI數(shù)字萬用表類（DMMIVI Dig

21、ital Multimeter） IVI函數(shù)發(fā)生器類(FGenIVI Function Generator) IVI直流電源類（DC Pwr SupplyIVI DC Power Supply） IVI開關(guān)類（SwitchIVI Switch） IVI功率計(jì)類（Power MeterIVI Power Meter） IVI射頻信號(hào)發(fā)生器類（RF Sig GenIVI RF Signal Generator） IVI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(dòng)程序,IVI儀器驅(qū)動(dòng)函數(shù)面板,.,14.4.3 IVI可互換的虛擬儀器驅(qū)動(dòng)程序,舉例：通過IVI示波器類驅(qū)動(dòng)寫一個(gè)仿真示波器程序,.,14.4.3 IVI可互換的虛擬儀器驅(qū)動(dòng)程序,通過IVI儀器驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)的示波器界面,.,14.5 直接I/O（Direct I/O）,如果沒有儀器的VISA或IVI驅(qū)動(dòng)可得，那么你就需要利用集成至軟件開發(fā)環(huán)境中的交互式、直接I/O功能。,