基于虛擬儀器的USB接口數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘 要: 為了利用虛擬儀器技術(shù)實(shí)現(xiàn)通過USB接口的數(shù)據(jù)采集及處理，介紹了虛擬儀器及其開發(fā)環(huán)境LabVIEW的特點(diǎn)，分析了LabVIEW 中的數(shù)據(jù)采集技術(shù)，給出了利用虛擬儀器技術(shù)實(shí)現(xiàn)通過USB接口的數(shù)據(jù)采集及處理系統(tǒng)的應(yīng)用實(shí)例。設(shè)計(jì)測試表明，將虛擬儀器與LabVIEW結(jié)合用于常規(guī)的數(shù)據(jù)采集、測試、測量等任務(wù)，可以減少系統(tǒng)的開發(fā)時間，同時也提高了編程效率，節(jié)省了系統(tǒng)成本。關(guān)鍵詞:虛擬儀器; 數(shù)據(jù)采集; LabVIEW; USB接口

中圖分類號:TN919-34; TP202 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A

文章編號:1004-373X(2010)22-0175-03

Design of Multi-channel Data Acquisition and Processing System Based on Virtual Instrument

WANG Shu-fang

(College of Information Engineering， Beijing Institute of Petrochemical Technology， Beijing 102600， China)

Abstract:To achieve data acquisition and processing through USB interface by the aid of virtual instruments， the characteristics of the virtual instruments and the development environment-Labview are introduced， the Labview data acquisition technology is analyzed， and the application examples which realize the data acquisition and proceesing through USB interface by the virtual instrument technology are offered. The testing result shows that the application of virtual instrument and Labview in conventional data acquisition and data processesing can shorten system development time， improve the programming efficiency， and reduce the system cost. Keywords: virtual instrument; data acquisition; LabVIEW; USB interface

虛擬儀器技術(shù)在計(jì)算機(jī)測控領(lǐng)域得到了快速廣泛的推廣應(yīng)用，從簡單的儀器控制、數(shù)據(jù)采集到尖端的測控和工業(yè)自動化;從大學(xué)實(shí)驗(yàn)室到工業(yè)現(xiàn)場;從探索研究到技術(shù)集成都可以發(fā)現(xiàn)了虛擬儀器技術(shù)應(yīng)用的很多實(shí)例。國內(nèi)外相關(guān)學(xué)者對此做了很多的研究工作。

1 虛擬儀器與圖形化編程語言-LabVIEW

虛擬儀器(virtual instrument，VI)是一種基于計(jì)算機(jī)的儀器，就是在通用計(jì)算機(jī)上加上軟件和硬件，使得使用者在操作這臺計(jì)算機(jī)時，就像是在操作一臺他自己設(shè)計(jì)的專用傳統(tǒng)電子儀器。在虛擬儀器系統(tǒng)中，硬件僅僅是為了解決信號的輸入輸出，軟件才是整個儀器系統(tǒng)的關(guān)鍵，任何一個使用者都可以通過修改軟件的方法，很方便地增減儀器系統(tǒng)的功能與規(guī)模，所以有“軟件就是儀器”之說。虛擬儀器技術(shù)的出現(xiàn)，徹底打破了傳統(tǒng)儀器由廠家定義，形成用戶無法改變功能的模式，虛擬儀器技術(shù)給用戶一個充分發(fā)揮自己才能和想象力的空間。用戶(而不是廠家)可以隨心所欲地根據(jù)自己的需求，設(shè)計(jì)自己的儀器系統(tǒng)，滿足多種多樣的應(yīng)用需求[1]。

LabVIEW是美國NI公司開發(fā)的面向計(jì)算機(jī)測控領(lǐng)域的虛擬儀器軟件開發(fā)平臺，它是一種功能強(qiáng)大的圖形編程語言，但它與傳統(tǒng)的文本編程語言(如C語言)不同，采用了一種基于流程圖的圖形化編程形式，因此也被稱為G語言(graphical language)。這種圖形化的編程形式，方便了非軟件專業(yè)的工程師快速編制程序[2]。

多任務(wù)并行處理一般是通過多線程技術(shù)來實(shí)現(xiàn)的，不同的任務(wù)實(shí)際上通過各自的線程輪流占用CPU時間片來達(dá)到“同時”處理的目的。LabVIEW也采用了多線程技術(shù)，而且與傳統(tǒng)文本式的編程語言相比，有兩大優(yōu)點(diǎn):LabVIEW把線程完全抽象出來，編程者不需對線程進(jìn)行創(chuàng)建、撤銷及同步等操作;LabVIEW使用圖形化的數(shù)據(jù)流執(zhí)行方式，因此在調(diào)試程序時，可以非常直觀地看到代碼的并行運(yùn)行狀態(tài)，這使編程者很容易理解多任務(wù)的概念[3]。

虛擬儀器的硬件由儀器硬件和計(jì)算機(jī)硬件2部分組成。應(yīng)用軟件由儀器驅(qū)動程序、開發(fā)環(huán)境和用戶接口3部分組成[4-5]。

2 數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)的功能和組成

2.1 系統(tǒng)功能

數(shù)據(jù)采集(data acquisition，DAQ)與處理系統(tǒng)的基本功能是物理信號的測量、采集與處理。要使計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能夠測量物理信號，首先要使用傳感器把物理信號轉(zhuǎn)換成電壓或者電流之類的電信號。通常不能把被測信號直接連接到DAQ卡，而必須使用信號調(diào)理輔助電路，將信號進(jìn)行一定的預(yù)處理。總之，數(shù)據(jù)采集與處理是借助軟件來控制整個DAQ系統(tǒng)的，包括采集原始數(shù)據(jù)、分析數(shù)據(jù)和輸出與存儲數(shù)據(jù)。

2.2 系統(tǒng)組成

設(shè)計(jì)過程中采用煉油廠高溫?zé)煔獍l(fā)電系統(tǒng)的工藝參數(shù)檢測作為應(yīng)用對象。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

系統(tǒng)的硬件包括溫度傳感器、壓力傳感器、位移傳感器等傳感器、信號調(diào)理模塊、數(shù)據(jù)采集卡和工控機(jī)。信號調(diào)理模塊選用的是美國國家儀器公司的NI SCXI-1102型溫度調(diào)理模塊和NI SCXI-1520型應(yīng)變信號調(diào)理模塊，用這2個模塊完成對采集信號的預(yù)處理;數(shù)據(jù)采集卡采用的是NI USB-6008DAQ 型;工控機(jī)采用的是具有PXI插槽的一臺計(jì)算機(jī)和一臺PC機(jī)。

整個系統(tǒng)共設(shè)置8路模擬輸入端口，2路模擬輸出端口，12路數(shù)字輸入/輸出端口，1路事件計(jì)數(shù)端口。

(1) NI SCXI-1102的特點(diǎn)和功能。 NI SCXI-1102專為高精度熱電偶測量而設(shè)計(jì)。 它們具有相同的架構(gòu)，該架構(gòu)的每路輸入通道包括了一個儀器放大器和一個2 Hz的低通濾波器。 在此架構(gòu)下，可以通過高達(dá)333 SPS(每通道3 μs)的速度來掃描SCXI-1102及其他模塊的模擬輸入通道，也可掃描冷端溫度補(bǔ)償傳感器及其他輸入通道。 SCXI-1102可采集mV、V、0~20 mA以及4~20 mA電流的輸入信號。 每個模塊的所有通道都可以被DAQ設(shè)備的某一路通道采集，也可另加模塊，以增加通道數(shù)。

(2) NI SCXI-1520的特點(diǎn)和功能。 NI SCXI-1520是8通道通用應(yīng)變片輸入模塊，具有進(jìn)行簡單或高級應(yīng)變測量所需要的所有功能。用戶可借助這一模塊，從應(yīng)變傳感器、力傳感器、扭矩傳感器和壓力傳感器上讀取信號。NI SCXI-1520包含在各類環(huán)境中均適于自動校準(zhǔn)的板載參考電壓。它的每路通道均配有可編程放大器和4級可編程Butter worth濾波器。每條通道還具有一個獨(dú)立0~10 V可編程激勵源。此外，SCXI-1520系統(tǒng)在模塊內(nèi)部提供了組成半橋電路的電阻網(wǎng)絡(luò)，并在SCXI-1314接線盒提供了1個350 Ω的插座式電阻，用以組成1/4橋。120 Ω的1/4橋電阻均隨附于接線盒。

(3) USB接口及NI USB-6008 DAQ的特點(diǎn)和功能。通用串行總線(universal serial bus，USB)是目前電腦上應(yīng)用較廣泛的接口規(guī)范，USB接口是電腦主板上的一種四針接口，其中中間2個針傳輸數(shù)據(jù)，兩邊2個針給外設(shè)供電。USB接口速度快，連接簡單，不需要外接電源，同時對外設(shè)有良好的兼容性，最多可連接127臺外設(shè)。USB有2個規(guī)范，即USB 1.1和USB 2.0[6-7]。

USB通用串行總線是由Intel，Microsoft，Compaq，IBM，NEC，Northern Telcom等幾家大廠商發(fā)起的新型外設(shè)接口標(biāo)準(zhǔn)。USB傳輸速度12 Mb/s，最新USB 2.0可達(dá)480 Mb/s;電纜最大長度5 m，USB電纜有4條線，2條信號線，2條電源線，可提供5 V電源;USB電纜還分屏蔽和非屏蔽2種，屏蔽電纜傳輸速度可達(dá)12 Mb/s，價格較貴，非屏蔽電纜速度為1.5 Mb/s，但價格便宜;USB通過串聯(lián)方式最多可串接127個設(shè)備，支持即插即用和熱插拔[8]。

NI USB-6008具有基本的數(shù)據(jù)采集功能，其應(yīng)用范圍包括簡單的數(shù)據(jù)記錄、便攜式測量和學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)，其技術(shù)參數(shù)如表1所示。NI USB-6008可使用LabVIEW 或C 以及自帶的NI-DAQ mx Base測量服務(wù)軟件編程， 創(chuàng)建用戶自定義的測量系統(tǒng)。但這些只能完成簡單的測量和分析，若要完成復(fù)雜的工程運(yùn)算或?qū)崟r控制還需借助其他的軟件環(huán)境[8]。

表1 NI USB-6008 DAQ卡的技術(shù)參數(shù)表

模擬輸入輸入精度采樣率/Hz輸入范圍 /V輸入量程模擬輸出輸出精度C/TI/O

8SE /4DI12 b10 000-20~+208212 112

3 數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

NI USB-6008通過USB接口與工控機(jī)相連，構(gòu)成一個數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)。

NI-DAQmx Base具有NI-DAQmx的部分功能，支持Windows，Linux，Mac OS X和Pocket PC操作系統(tǒng)。 簡潔的編程接口、可編程通道和任務(wù)生成以及與NI LabVIEW的高度集成使得應(yīng)用開發(fā)極為簡單。 該驅(qū)動軟件包含立即可用的LabVIEWVI和C函數(shù)實(shí)例，這些實(shí)例與具有完整功能的NI-DAQmx軟件中的相似[9]。

數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)的軟件包括驅(qū)動程序和用戶應(yīng)用程序，用戶應(yīng)用程序是用虛擬儀器的開發(fā)環(huán)境-LabVIEW設(shè)計(jì)的。

系統(tǒng)軟件采用LabVIEW編程，前面板如圖2所示。

圖2 前面板

框圖程序局部如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)框圖程序(局部)

4 結(jié) 語

設(shè)計(jì)測試表明，將虛擬儀器與LabVIEW 結(jié)合用于常規(guī)的數(shù)據(jù)采集與處理等任務(wù)，可以減少系統(tǒng)的開發(fā)時間，也可提高編程效率，節(jié)省系統(tǒng)成本。

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