NI-6002數據采集卡的調試與應用

裴 銳，陳政宇

（1.沈陽工業大學 信息科學與工程學院，沈陽 110870；2．沈陽計量測試院，沈陽 110179；3.北京尚麗外國語學校 康福國際部，北京 100093）

NI-6002數據采集卡是NI高性價比USB多功能I/O設備，NI USB DAQ設備包含適用于各種應用開發環境和編程語言的軟件支持和資源。USB、PCI和PCI Express輕便小巧，適合進行臺式儀器測量。DAQExpress軟件提供了一種交互式方法，可更快地完成首次測量。NI-DAQmx驅動程序支持所有NI DAQ硬件，使用NI DAQ設備無縫進行測量，不必安裝額外的驅動程序。對于高級測量和自動化應用，隨附的NI-DAQmx驅動程序可為LabVIEW編程提供全面支持，并支持ANSI C、Python、Visual C# .NET和Visual Basic.NET等編程語言。

1 NI-DAQmx平臺

使用NI-DAQmx可以節省編程時間，常見的測量應用有：加速度、頻率（模擬）、角位移、控制、邊沿計數、電流生成、電流測量、數字值生成、數字值測量、占空比、力、頻率（數字）、線位移、周期（數字）、壓強、接近度、脈沖生成、脈沖寬度、電阻、半周期（數字）、聲壓、應變、扭矩、溫度、兩邊沿間隔、速度、電壓生成和電壓測量[1]。

1.1 直交流電壓測量

測量電壓，絕大多數測量設備可測量或讀取電壓。通常測量的電壓有兩種：直流（DC）和交流（AC）。直流電壓用于測量隨時間變化緩慢的現象，例如：溫度、壓力、應變。在直流信號中，可在給定時間點測量精確的幅值。輸出范圍為0V～10V，對應的風速為0mph～200mph。通過下列方程對數據進行換算：在該方程中，3V的量值對應60mph的風速：3 V×20 mph/V = 60 mph。平均值操作是取平均數可改善對噪聲或迅速變化信號的測量精度。對于陣風，風速圖形與噪聲的圖形類似。29 mph的風速為測量的峰值，但并不表示風速一直保持在29 mph。更好的表示方法是求取一段時間內測量到的風速值的平均值。取平均數可消除頻率為50Hz或60 Hz的電源線路噪聲。對于沒有屏蔽的傳感器連線，電源線周圍的磁場振蕩可產生噪聲。由于電源線的噪聲為正弦波，或者類似于正弦波，其一個周期的平均值為0。掃描率為噪聲周期的整數倍時，對整數個周期取平均值就可清除電源線的噪聲。對于頻率為50Hz～60Hz的噪聲，可將采樣率設置為300采樣/秒，并對每30個點取平均值。注意，300是50和60的整數倍。對于頻率為50 Hz的噪聲，一個周期為300/50 = 6個點。對于頻率為60 Hz的噪聲，一個周期為300/60 = 5個點。30是5和6的整數倍，因此可確保對整數個周期取平均值[2]。

測量交流電壓時，交流電壓的波形為連續遞增和遞減，然后轉換極性。交流電壓常用于家庭、實驗室或工業設備，絕大多數電源線傳送交流電。通過測量交流電壓可測量信號的最大值、最小值，以及峰峰值。信號的峰峰值是電壓值的最大變化，從最大值至最小值。交流信號的電壓、電流和功率不是常量，會隨交流信號而變化。但是，通過Vrms（均方根）即交流電壓均方根（RMS）測量電壓、電流和功率時，連接到120V交流信號源（VAC）的負載所產生的功率，與連接到120V直流信號源（VDC）的負載所產生的功率相同。通過RMS，直流信號的功率公式也適用于交流信號。對于正弦波，Vrms = Vpp/2的平方根[3]。

1.2 加速度及頻率測量

加速度是速度相對于時間變化的速率。加速計是一種用電壓表示加速度的傳感器，可用于測量振動和沖擊，它通常以g為單位，將加速度轉化為電壓。例如，對于輸出為10 mV/g的傳感器，加速度為5g時，輸出為50 mV[4]。

測量模擬頻率，某些設備可通過頻率－電壓電路直接測量模擬頻率。然而，某些設備只能測量電壓，必須通過軟件算法將測量值轉換為頻率。某些用于測量模擬頻率的設備，通過電路可產生與測量信號具有相同頻率的觸發。每當信號從“閾值電平--滯后”傳遞到閾值電平時，將產生觸發。脈沖發生器將通過這些觸發在每個頻率周期生成一個脈沖，輸入頻率范圍用于設置脈沖的寬度。輸入頻率范圍增加時，脈沖寬度將減小。脈沖序列將被轉換為直流信號，其電平與脈沖序列的占空比成正比。脈沖發生時，占空比是脈沖序列周期的分數。直流信號的電壓與輸入頻率成正比，因此可換算為該頻率值。在波形的重復中，滯后是在波形閾值水平之下加窗，通常用于避免信號中的噪聲或抖動造成的測量誤差。信號必須下降至低于閾值減去滯后值后，NI-DAQmx才認為波形在閾值線開始重復。對于無法直接測量頻率的設備，需要使用快速傅立葉變換（FFT）等軟件算法，將電壓轉換為頻率。無論使用現有VI和函數還是自行編程處理，采樣速率必須大于采樣信號最高頻率的兩倍[5]。

2 NI-6002數據采集卡

NI-6002數據采集卡，支持4通道差分輸入或8通道單段輸入，逐次逼近型ADC模擬采集分辨率為16位，最大采樣率為50kS/s。AI采集的FIFO緩沖支持2047個采樣值，采集觸發源可以是軟件觸發、PFI0硬件觸發和PFI1硬件觸發。模擬電壓可以輸入±10V電壓值，支持兩通道的DAC16位分辨率的模擬輸出，電壓輸出范圍是±10V，最大更新速率為5kS/s同步/通道，AO輸出的FIFO緩沖支持2047個采樣值，同樣支持軟件觸發、PFI0硬件觸發和PFI1硬件觸發。模擬輸出的驅動電流為±5mA，邊沿斜率為3V/μs，輸出端的阻抗為0.2Ω。數字I/O有端口0、端口1和端口2，P0.0～P0.7支持靜態數字輸入或輸出，P1.0、P1.2、P1.3支持靜態數字輸入或輸出，而P1.1（PFI1）和P2.0（PFI0）。每個數字I/O可以通過編程，獨立配置為輸入或輸出。NI-6002同時支持計算器1通道計數器功能，分辨率為32位，可以進行邊沿計數，上升沿或下降沿的升值計數，計數器接入源可以為PFI0或PFI1，最大輸入頻率為5MHz，最小電平脈沖寬度為100ns。NI-DAQ函數中集成了調用NI-6002的庫函數說明及應用例程，提供NI-DAQmx C Reference Help幫助、NI-DAQmx范例和NIDAQmx文檔。本文以模擬電壓輸入和模擬電壓輸出為例，介紹調用C語言實現單次操作和連續操作的過程[6-9]。

3 模擬電壓輸入

3.1 單次采集（內部時鐘）

NI-6002數據采集卡可以實現高速的多通道電壓采集，位于安裝目錄/Analog In/ Measure Voltage中的Acq-Int Clk工程是實現基于內部時鐘的單次采集。具體程序如下：DAQmxCreateTask("",&taskHandle)

//創建taskHandle采集任務的句柄

DAQmx Create AIVoltage Chan(task Hand le,"Dev 1/ai0","",DAQmx_Val_Cfg_Default,-10.0,10.0,DAQmx_Val_Volts,NULL)

// Dev1/ai0是通道0，Dev1/ai1是通道1，以此類推；空白項是name To AssignToChannel給采集通道的命名；DAQmx_Val_Cfg_Default是標準終端配置，分為：RSE參考單端測量，NRSE非參考單端測量，DIFF差分輸入和PSEUDODIFF，默認配置為RSE的參考單端測量；-10.0是采集電壓下限值，10.0是采集電壓上限值，對應采集電壓的單位伏對應DAQmx_Val_Volts。

DAQmxCfgSampClkTiming(taskHandle,"",10000.0,DAQmx_Val_Rising,DAQmx_Val_FiniteSamps,1000)

//10000.0是fs硬件的采樣率，單位：Hz；針對數據的DAQmx_Val_Rising上升沿或者數據的下降沿DAQmx_Val_Falling觸發；如果要達到明確的采樣個數配置DAQmx_Val_FiniteSamps，否則配置成DAQmx_Val_ContSamps進行連續采樣。采樣個數達到1000時，完成單次采樣操作。

DAQmxStartTask(taskHandle)

//啟動采集任務

DAQmxReadAnalogF64(taskHandle,1000,10.0,DAQmx_Val_Gro upByChannel,data,1000,&read,NULL)

//1000是讀取上述采集數據的個數，10.0是單次讀取操作超時時長，單位：s；采樣的數據不進行交叉保存，需配置成DAQmx_Val_GroupByChannel；數據進行保存的數組名稱：data，1000為數組的長度大小。

DAQmxStopTask(taskHandle);

//結束采集任務

DAQmxClearTask(taskHandle);

//清除所創建的任務

DAQmxGetExtendedErrorInfo(errBuff,2048)

//如果上述操作出現錯誤，將對應錯誤信息輸出。

3.2 連續采集（內部時鐘）

NI-6002數據采集卡可以實現高速的多通道電壓采集，位于安裝目錄/Analog In/ Measure Voltage中的 Cont Acq-Int Clk工程是實現基于內部時鐘的連續采集。具體程序如下：DAQmxCreateTask("",&taskHandle)

//創建taskHandle采集任務的句柄

DAQmx Create AIVoltage Chan(task Handle,"Dev1/ai0","",DAQmx_Val_Cfg_Default,-10.0,10.0,DAQmx_Val_Volts,NULL)

//配置采集通道

DAQmxCfgSampClkTiming(taskHandle,"",10000.0,DAQmx_Val_Rising,DAQmx_Val_ContSamps,1000)

//初始化采樣配置參數

DAQmxRegisterEveryNSamplesEvent(taskHandle,DAQmx_Val_Acquired_Into_Buffer,1000,0,EveryNCallback,NULL)

//配置回調函數進入采集數據

DAQmxRegisterDoneEvent(taskHandle,0,DoneCallback,NULL)//循環調用回調函數進行采集

CVICALLBACK EveryNCallback(TaskHandle taskHandle, int32 everyNsamplesEventType, uInt32 nSamples, void *callbackData)//回調函數結束

int32 CVICALLBACK DoneCallback(TaskHandle taskHandle, int32 status, void *callbackData)

4 模擬輸出

4.1 單次輸出和（內部時鐘）

NI-6002數據采集卡可以實現高速的多通道電壓采集，位于安裝目錄/ Analog Out / Generate Voltage中的 Volt Update工程是實現基于內部時鐘的單次電壓輸出。具體程序如下：

DAQmxCreateTask("",&taskHandle)

//創建taskHandle采集任務的句柄

DAQmxCreateAOVoltageChan(taskHandle,"Dev1/ao0","",-10.0,10.0,DAQmx_Val_Volts,"")

//配置電壓輸出通道

DAQmxStartTask(taskHandle)

//開始采集任務

DAQmxWriteAnalogF64(taskHandle,1,1,10.0,DAQmx_Val_GroupByChannel,data,NULL,NULL)

//將數值中預置的數據輸出至硬件通道

DAQmxStopTask(taskHandle);

//停止輸出任務

DAQmxClearTask(taskHandle);

//清空采集任務

4.2 連續輸出（內部時鐘）

NI-6002數據采集卡可以實現高速的多通道電壓輸出，位于安裝目錄/ Analog Out / Cont Gen Volt Wfm-Int Clk中的ContGen-IntClk工程是實現基于內部時鐘的連續輸出[10]。for(;i＜1000;i++)

{

data[i]= 9.95*sin((double)i*2.0*PI/1000.0);

}

//初始化參數

DAQmxCreateTask("",&taskHandle)

//創建任務

DAQmxCreateAOVoltageChan(taskHandle,"Dev1/ao0","",-10.0,10.0,DAQmx_Val_Volts,NULL)

//初始化電壓輸出通道

DAQmxCfgSampClkTiming(taskHandle,"",1000.0,DAQmx_Val_Rising,DAQmx_Val_ContSamps,1000)

//配置回調函數進入電壓輸出

DAQmxRegisterDoneEvent(taskHandle,0,DoneCallback,NULL)

//配置回調函數

DAQmxWriteAnalogF64(taskHandle,1000,0,10.0,DAQmx_Val_GroupByChannel,data,NULL,NULL)

//將數值中預置的數據輸出至硬件通道

DAQmxStopTask(taskHandle);

//停止輸出任務

DAQmxClearTask(taskHandle);

//清空采集任務

DAQmxGetExtendedErrorInfo(errBuff,2048)

//獲取輸出的錯誤信息

5 結論

本文通過調用NI-DAQ的NI-6002的庫函數，實現了NI-6002數據采集卡的調用。介紹了NI-6002的硬件功能特性和在NI-DAQmx平臺上的典型測量應用，實現加速度頻率及交直流電壓的高速精確測量，并詳細闡述了模擬電壓輸入（單次操作和循環操作）及模擬電壓輸出（單次操作和循環操作）的4種工作模式的編程實現過程。針對上述應用開發出了上位機軟件，有效地提高了現場計量檢定效率和操作可靠性，達到了預期的設計效果。