基于PXI总线的数据采集系统设计

摘要
虚拟仪器是在计算机基础上通过增加相关硬件和软件构建而成的、具有可视化界面的仪器，它融合了测试理论、仪器原理和技术、计算机接口技术、高速总线技术以及图形软件编程技术等于一体，利用计算机强大的数字的处理能力来实现仪器的诸多功能，打破了传统仪器的框架，形成了一种新的仪器模式。

本文首先阐述了测控技术和虚拟仪器技术的现状及以后的发展趋势，探讨了虚拟仪器的相关技术、LabVIEW的相关知识，然后阐述了有关数据采集的理论，给出了数据采集系统的框图和硬件结构图。

在分析本设计功能的基础上，介绍了程序模块化设计、数据库相关知识、LabVIEW的多线程等技术，最后给出了设计的前面板及程序框图。

本设计采用了NI-PXI 6281数据采集卡，利用虚拟仪器及其相关技术实现了多通道数据采集。

该系统具有多路采集、实时显示、存储管理与密码保护等功能。

关键词：虚拟仪器；数据采集；MySQL；LabVIEW
-I-
Abstract
Virtual instrument is based on computer related hardware and software by increasing the building made with a visual interface of the instrument, which combines the test theory, theory and technology equipment, computer interface technology, high-speed bus technology and graphics software programming technology is equal to one, the use of powerful digital computer processing power to achieve the instrument's many features, breaking the traditional instruments of the framework, the formation of a new instrument model.
This paper describes the measurement and control technology and virtual instrument technology status and future development trend of related technology of virtual instrument, LabVIEW related knowledge, and then expounded on the theory of data acquisition, data acquisition system is given and the hardware block diagram structure. In the analysis of the design features, based on the procedures introduced modular design, database-related knowledge, LabVIEW multithreading technology, given the design front panel and block diagram.
This design uses a virtual NI-PXI 6281 data acquisition card, the use of virtual instruments and related technology to achieve a multi-channel data acquisition. The system has multi-channel acquisition, display, storage management and password protection.
Keywords: Virtual Instrument, DAQ, MySQL, LabVIEW
-II-
目录
摘要 (I)
ABSTRACT (II)
第1章绪论 (1)
1.1课题来源及研究的目的和意义 (1)
1.2国内外在该方向的研究现状及分析 (2)
1.2.1 测控技术的国内外现状 (2)
1.2.2 虚拟仪器的国内外现状 (3)
1.3本设计所做的工作 (5)
第2章虚拟仪器 (6)
2.1虚拟仪器的相关技术 (6)
2.1.1 虚拟仪器的概念 (6)
2.1.2 虚拟仪器的特点及优势 (6)
2.1.3 虚拟仪器和传统仪器的比较 (7)
2.1.4 虚拟仪器的硬件技术 (9)
2.1.5 虚拟仪器的软件技术 (11)
2.1.6 虚拟仪器测试系统的组成 (12)
2.2虚拟仪器的开发软件 (13)
2.2.1 虚拟仪器的开发语言 (13)
2.2.2 图形化虚拟仪器开发平台——LabVIEW (13)
2.3本章小结 (15)
第3章数据采集系统的总体方案设计 (16)
3.1数据采集的相关介绍 (16)
3.1.1 数据采集的基本任务 (16)
3.1.2 数据采采集的相关技术 (16)
3.1.3 输入信号的类型 (17)
3.1.4 输入信号的连接方式 (18)
3.1.5 测量系统的分类 (18)
3.1.6 测量系统的选择 (20)
3.1.7 采集系统的一般组成及各部分功能描述 (21)
3.2数据采集卡的选择 (22)
3.2.1 数据采集卡的主要性能指标 (22)
3.2.2 数据采集卡(DAQ卡)的组成 (23)
3.2.3 PXI-6281 (23)
3.3本章小结 (24)
第4章系统软件设计的相关技术 (25)
4.1程序模块化设计概述 (25)
-III-
4.1.1 程序设计的模块化原则 (25)
4.1.2 软件系统的模块化设计原则 (26)
4.1.3 本设计中的模块化设计 (27)
4.2数据库技术 (28)
4.2.1 数据库技术概述 (28)
4.2.2ADO与数据库的交互技术 (29)
4.2.3 MySQL数据库 (30)
4.2.4 Access数据库 (30)
4.2.5 LabSQL数据库访问技术 (31)
4.3多线程技术 (31)
4.3.1 Windows的多线程机制 (31)
4.3.2 LabVIEW与多线程 (32)
4.3.3 多线程技术在本设计中的应用 (32)
4.4本章小结 (32)
第5章多通道数据采集系统的实现 (33)
5.1登陆系统 (33)
5.2通道参数配置 (34)
5.3实时数据采集系统 (35)
5.4实时数据显示 (37)
5.5数据存储与查询 (38)
结论 (40)
参考文献 (41)
致谢 (42)
附录 (43)
-IV-
第1章绪论
1.1 课题来源及研究的目的和意义
随着计算机的快速发展，由美国国家仪器公司NI(National Instruments)提出的虚拟仪器技术引发了测试领域一场重大变革，开创了“软件即是仪器”的先河，目前虚拟仪器技术的应用日益广泛。

虚拟仪器是指以通用计算机作为系统控制器，由软件来实现人机交互和大部分仪器功能的一种计算机仪器系统。

与传统仪器不同，虚拟仪器是由通用计算机和一些功能化硬件模块组成的仪器系统。

在这种仪器系统中，不仅仪器的操作和测量结果的显示是借助于计算机显示器以及虚拟面板的形式来实现的，而且数据的传送、分析、处理都是由计算机软件来完成的，这就大大突破了传统仪器仪表在这方面的限制，方便了用户对仪器的使用、维护、扩展和升级等。

NI公司开发的LabVIEW是目前最为成功的虚拟仪器软件之一，它是一种基于G 语言的32位编译型图形化编程语言，其图形化界面可以方便地进行虚拟仪器的开发，并在测试测量、数据采集、仪器控制、数字信号处理等领域得到了广泛的应用。

实验室虚拟仪器工程平台（LabVIEW）是一种专门用于数据采集、分析及仪器控制的图形化软件，它所开发的虚拟仪器将计算机强大的数据处理能力与仪器的硬件测试控制能力很好地结合在一起。

LabVIEW的图形化开发环境具有精确、高效、功能强大、开发简易、实时性强、界面友好等优点，为用户提供了强大功能和使用的灵活性，非常适合用于进行仿真、实时检测和控制。

目前，LabVIEW已经成为测试领域应用最广泛和最有前途的软件开发平台之一，也是应用最广、发展最快、功能最强的图形化软件开发集成环境之一[1]。

虚拟仪器可以利用高性能的模块化硬件，结合高效灵活的软件来完成各种测试、测量和自动化应用，与传统的测量仪器相比，具有成本低、功能强大、集成度高、质量可靠、维护方便等优点，能很方便地组建测试系统，满足多种测量要求。

因此，基于虚拟仪器技术，利用LabVIEW语言进行信号采集系统的研制具有重要意义[2]。

LabVIEW虚拟仪器主要包括前面板、框图和图标/接口部件三部分。

前面板是VI的交互式用户界面，即用户与程序代码发生联系的窗口。

VI 前面板是控件和指示器的组合，控件仿真常规仪器上的输入输出设备类型，如旋钮和开关，并提供一种机制，将输入从前面板传送到基本框图。

信号采集与处理系统主要应用的是数据采集卡的A/D（模/数）转换功能，通过数据采集卡将采集端采集到的模拟电信号利用高速模数转换电路转换为数字信号，经过数据采集卡板载缓存，最后利用计算机中的程序不断从缓存中提取数据，存入计算机中，并进行相关处理，提取有用数据进行硬盘存储。

传统的高速计算机总线是PCI总线，数据传输速度可达到132Mb/s(32位)或者264Mb/s(64位)，但是由于它是计算机总线，不是为食品仪表专门设计的总线，干扰大，插槽数有限，不便于大型测试系统的建立。

因为，为了适应自动测试系统用户多用化和集成化的要求，NI公司推出了开放式、模块化食品总线规范规范PXI，即PCI在食品领域的扩展。

1.2 国内外在该方向的研究现状及分析
1.2.1 测控技术的国内外现状
早期的测控系统利用的是大型的仪表对各个设备状态进行监控，然后通过操作盘进行操控；计算机系统则是以计算机为主体，配合检测装置、执行机构与被控对象构成的整体，系统中的计算机用于生产过程的各种监控。

但是由于通信协议不开放，这种测控系统只是一个自封闭的系统，只能完成单一的测控功能，而不能实现通用。

随着科学技术的发展，在国防、通信、航空、制造等科技领域，要求测试和处理的信息数据量越来越大、而速度要求也越来越快。

但是测试的对象的空间位置却日益分散，测试系统也日益庞大，就此提出了测控现场化、远程化的要求。

网络化的测控技术源起于国外，是在计算机技术、通信技术迅猛发展，以及对大容量分布的测控终端的的大量需求的背景下发展起来，主要分为以下几个阶段：
第一阶段：起始于20世纪70年代通用仪器总线的出现时GPIB实现了计算机和测控系统的首次结合，这样使得测量仪器从独立的手工操作单台仪器开始向总线计算机控制的多台仪器的测控系统转变。

此阶段也是网络化测控系统的
雏形与起始阶段。

第二阶段：起始于20世纪80年代VXU标准化仪器总线的出现，此时VXI 系统可以将大型计算机昂贵的外设、VXI设备、通信线路等硬件资源和大型数据库等软件资源纳入网络，使得这些宝贵资源能够共享。

此阶段就是网络化的测控系统的初步发展阶段。

第三阶段：随着科学技术的发展，现场总线技术的出现带动了现场总线控制系统的飞速发展，使是的可以在一个工厂范围内通过总线将成千上万智能传感器等智能化的仪表组成一个网络化测控系统，此阶段是网络化测控系统的快速发展阶段。

第四阶段：在对现代要求极高的领域，转通的测控系统已经逐渐无法满足用户的要求，许多部门或大型企业迫切要求构建基于Internet或大型局域网的网络化测控系统，即通常所说的分布式测控网络，此阶段是网络化测控系统发展的成熟阶段[3]。

1.2.2 虚拟仪器的国内外现状
各种虚拟仪器开发平台为虚拟仪器的推广应用奠定了基础
美国NI公司在虚拟仪器概念出现以后，推出了图形化虚拟仪器专用开发平台LabVIEW。

这种平台采用独特的图形化编程方式，编程过程简单方便，是目前最受欢迎的虚拟仪器主流开发平台。

为了兼顾其他高级语言软件开发者的习惯，NI还推出了LabWindows/ CVI、Componentworks等交互式开发平台。

美国HP公司的HPVEE、Tektronis公司的Ez Test 和Tek TNS以及美国HEM Data公司的Snap-Marter平台软件，也是国际上公认的优秀虚拟仪器开发平台。

在国内，西安交大韩九强等采用面向对象技术研究了可组态生成不同虚拟仪器的可视化虚拟仪器软件开发平台，重庆大学秦树人等提出了虚拟仪器产品的网络化开发方法。

（1）软件工程领域的新方法新理论在虚拟仪器设计中得到广泛应用
面向对象技术(Object Oriented，OO)、ActiveX技术、组件技术(Component Object Model，COM)等被广泛用来进行虚拟仪器的测试分析软件和虚拟界面(控件) 软件设计，出现了许多数据处理高级分析软件和大量的仪器面板控件，这些软件为快速组建虚拟仪器提供了良好的条件。

（2）虚拟仪器开发向标准化方向发展
在1998年9月成立了IVI(Interchangeable Virtual Instrument) 基金会，IVI
基金会是最终用户、系统集成商和仪器制造商的一个开放的联盟。

目前，该组织已经制订了示波器/数字化仪、数字万用表、任意波形发生器/函数发生器、开关/多路复用器/矩阵及电源等五类仪器的规范。

IVI制订的虚拟仪器统一规范，提升了仪器驱动软件标准化水平[4]。

（3）虚拟仪器网络化、智能化初见端倪
伴随网络技术的高速发展，出现了以网络为基础、虚拟仪器为核心的/虚拟实验室( Virtual Laborato2ry) 0的概念。

目前，虚拟实验室已成功地应用于许多大型实验室的实验研究和高等学校的实验教学。

在人工智能研究的影响下，人们开始关注如何提高虚拟仪器的智能化水平. 重庆大学秦树人等提出的智能化控件的思想，通过具有一定智能的多功能控件提高虚拟仪器灵活性，本文作者提出了基于实例推理的虚拟仪器设计方法，通过对设计实例的查询、检索和适应、修改，实现软件资源的重用，提高虚拟仪器的设计效率。

（4）采用接口总线组建复杂虚拟仪器系统
虚拟仪器的突出成就不仅是可以利用PC机组建成为灵活的虚拟仪器，更重要的是它可以通过各种不同的接口总线，组建不同规模的自测试系统。

目前虚拟仪器系统开发采用的总线包括传统的RS232串行总线、GPIB通用接口总线、VXI 总线，以及已经被PC机广泛采用的USB通用串行总线和IEEE1394总线( Firewire)。

美国NI公司在1997年9月1日推出模块化仪器的主流平台PXI，这是与CompactPCI完全兼容的系统。

这种虚拟仪器模块化主流平台PXI/ CompactPCI的传输速度已经达到100Mb/s，是目前已经发布的最高传输速度。

国内虚拟仪器研究的起步较晚, 最早的研究也是从引进消化NI 的产品开始. 但经过多年研究, 我国已经在虚拟仪器开发方面形成了自己的特色.国家自然科学基金委员会已将虚拟仪器研究作为现代机械工程科学前沿学科之一，并被列为十五期间优先资助领域。

我国国民经济的持续快速发展，加快了企业的技术升级步伐，先进仪器设备的需求更加强劲，虚拟仪器赖以生存的个人计算机最近几年以极高的速度在中国发展，这些都为虚拟仪器在我国的普及奠定了良好的基础。

因此，我国的虚拟仪器存在巨大的发展潜力。

据专家预测，到十五末我国虚拟仪器行业的产值将达到仪器仪表行业总产值的50%。

国内虚拟仪器行业至今还没有形成具有自主知识产权的虚拟仪器核心开发技术，也没有相关的行业标准，虚拟仪器产业无论在规模还是在质量上都难以与国外同行匹敌，国外虚拟仪器产品几乎垄断了国内的市场。

加入WTO以后，我国虚拟仪器行业面临的形势更加严峻。

1.3 本设计所做的工作
本设计是以研究数据采集技术为目的，利用虚拟仪器技术、数字信号处理技术进行多通道数据采集，实时采集、实时处理、实时存储，信号采用NI-PXI 6281数据采集卡采集，由软件进行处理，进行数据的实时采集和存储功能等。

第2章虚拟仪器
2.1 虚拟仪器的相关技术
2.1.1 虚拟仪器的概念
虚拟仪器技术是测试技术和计算机技术相结合的产物，是两门学科最新技术的结晶，融合了测试理论、仪器原理和技术、计算机接口技术、高速总线技术以及图形软件编程技术于一体。

美国国家仪器公司NI（National Instruments）提出的虚拟测量仪器（VI）概念，引发了传统仪器领域的一场重大变革，使得计算机和网络技术得以长驱直入仪器领域，和仪器技术结合起来，从而开创了“软件即是仪器”的先河。

“软件即是仪器”这是NI公司提出的虚拟仪器理念的核心思想。

从这一思想出发，基于电脑或工作站、软件和I/O部件来构建虚拟仪器。

灵活高效的软件能帮助我们创建完全自定义的用户界面，模块化的硬件能方便地提供全方位的系统集成，标准的软硬件平台能满足对同步和定时应用的需求。

虚拟仪器的核心技术思想就是“软件即是仪器” 。

该技术把仪器分为计算机、仪器硬件和应用软件三部分。

虚拟仪器以通用计算机和配备标准数字接口的测量仪器（包括GPIB、RS-232等传统仪器以及新型的VXI模块化仪器）为基础，将仪器硬件连接到各种计算机平台上，直接利用计算机丰富的软硬件资源，将计算机硬件（处理器、存储器、显示器）和测量仪器（频率计、示波器、信号源）等硬件资源与计算机软件资源（包括数据的处理、控制、分析和表达、过程通讯以及图形用户界面）有机的结合起来。

2.1.2 虚拟仪器的特点及优势
虚拟仪器是基于计算机的功能化硬件模块和计算机软件构成的电子测试仪器，而软件是虚拟仪器的核心，如图2.1所示，其中软件的基础部分是设备驱动软件，而这些标准的仪器驱动软件使得系统的开发与仪器的硬件变化无关。

这是虚拟仪器最大的优点之一，有了这一点，仪器的开发和换代时间将大大缩短。

虚拟仪器中应用程序将可选硬件（如GPIB，VXI，RS-232，DAQ板）和可重复用库函数等软件结合在一起，实现了仪器模块间的通信、定时与触发。

源代码库函数为用户构造自己的虚拟仪器（VI）系统提供了基本的软件模块。

由于VI 的模块化、开放性和灵活性，以及软件是关键的特点，当用户的测试要求变化
时可以方便地由用户自己来增减硬、软件模块，或重新配置现有系统以满足新的测试要求。

这样，当用户从一个项目转向另一个项目时，就能简单地构造出新的VI系统而不丢失己有的硬件和软件资源[5]。

2.1.3 虚拟仪器和传统仪器的比较
虚拟仪器具有传统独立仪器无法比拟的优势（如表2-1所示）。

在高速度、高带宽和专业测试领域，独立仪器具有无可替代的优势。

在中低档测试领域，虚拟仪器可取代一部分独立仪器的工作，但完成复杂环境下的自动化测试是虚拟仪器的拿手好戏，是传统的独立仪器难以胜任的，甚至不可思议的工作。

1）传统仪器的面板只有一个，上面布置了种类繁多的显示和操作元件。

由此导致许多识读和操作错误。

虚拟仪器与之不同，它可以通过在几个分面板上的操作来实现比较复杂的功能。

这样，在每个分面板上就可以实现功能操作的单纯化和面板布置的简洁化，从而提高操作的正确性和便捷性。

同时，虚拟仪器的面板上的显示元件和操作元件的种类与形式不受标准元件和加工工艺的限制，由编程来实现，设计者可以根据用户的要求和操作需要来设计仪器面板。

2）在通用硬件平台确定后，软件取代传统仪器中由硬件完成的仪器功能。

3）仪器的功能是由用户根据需要用软件来定义，不是事先由厂家定义的。

4）仪器性能的改进和功能扩展只需更新相关软件设计，不需购买新仪器。

5）虚拟仪器开放、灵活，与计算机同步发展，与网络及其他周边设备互联。

6）由于其以PC为核心，使得许多数据处理的过程不必像过去那样由测试仪器本身来完成，而是在软件的支持下，利用PC机CPU的强大的数据处理功能来完成，使得基于虚拟仪器的测试系统的测试精度、速度大为提高，实现自动化、智能化、多任务测量。

7）可方便地存贮和交换测试数据，测试结果的表达方式更加丰富多样。

8）虚拟仪器在高性价比的条件下，降低系统开发和维护费用，缩短技术更新周期。

表2-1 虚拟仪器与传统仪器的比较
近年来，随着网络技术的发展，己经形成了网络虚拟仪器。

这是一种新型的基于Web 技术的虚拟仪器，使得虚拟仪器测试系统成为Internet/Intranet 的一部分，实现现场监控和管理。

在当前流行的C/S/D 网络模式下，利用嵌入式技术（包括数据库嵌入和网络模块的嵌入）可以充分利用有效资源，提高测试效率[6]。

图2-1 虚拟仪器开发框图
虚拟仪器技术的优势在于可由用户定义自己的专用仪器系统，且功能灵活，很容易构建，所以应用面极为广泛，其开发框图如图2-1所示。

虚拟仪器技术十分符合国际上流行的“硬件软件化”的发展趋势，因而常被称作“软件仪器” 。

它功能强大，可实现示波器、逻辑分析仪、频谱仪、信号发生器等多种普通仪器
全部功能，配以专用探头和软件还可检测特定系统的参数，如汽车发动机参数、汽油标号、炉窑温度、血液脉搏波、心电参数等多种数据；它操作灵活，完全图形化界面，风格简约，符合传统设备的使用习惯，用户不经培训即可迅速掌握操作规程。

2.1.4 虚拟仪器的硬件技术
（1）卡式仪器
传统仪器主要由控制面板和内部处理电路组成；而卡式仪器自身不带仪器面板，它必须借助计算机强大的图形环境，建立图形化的虚拟面板，完成对仪器的控制、数据分析和显示。

以数据采集卡为例，它通常具有A/D转换、D/A 转换、数字I/O和计数器/定时器等功能，有些还具有数字滤波和数字信号处理的功能。

现在的多功能数据采集卡多采用了“虚拟硬件(Virtual Hardware，简称VH)的技术，它的思想源于可编程器件，使用户通过程序能够方便地改变硬件的功能或性能参数，从而依靠硬件设备的柔性来增强其适用性和灵活性。

目前市面上的VH，其采样率和精度都是可变的。

由于卡式仪器与计算机结合紧密，能够充分利用已有的计算机资源，较之传统仪器成本更低廉、使用更灵活、性能更强，因此它是一种极具潜力的仪器种类。

（2）总线技术
I/O接口设备主要用来完成被测输入信号的采集、放大、模数转换。

可根据实际情况采用不同的I/O接口硬件设备，如数据采集卡/板(DAQ)、GPIB总线仪器、VXI总线仪器、串口仪器、USB等。

虚拟仪器的构成主要有五种类型，如图2-2所示[7]。

图2-2 虚拟仪器构成方式
DAQ(Data Acquisition)数据采集卡是指基于计算机标准总线(如ISA、PCI、
USB等)的内置功能插卡。

其中USB是最新技术的数据采集卡，具有精度高，可携性好等优点，它更加充分地利用计算机的资源，大大增加了测试系统的灵活性和扩展性；利用DAQ卡可方便快速地构建虚拟仪器系统。

在性能上，随着A/D转换技术，滤波技术和信号调理技术的发展，DAQ卡的采样速率已达1GB/s，精度高达24位，通道数高达64个，并具有数字I/O，模拟I/O和计数器/定时器等通道。

各仪器厂家生产了大量的DAQ卡功能模块供用户选择，如示波器、串行数据分析仪、动态信号分析仪、任意波形发生器等。

在计算机上挂接多个DAQ 功能模块，配合相应的软件，就可以构成一台具有多功能的测试仪器。

这种基于计算机的仪器，既具有高档仪器的测量品质，又能满足测量需求的多样性。

对我国大多数用户来说，它具有很高的性能价格比，是一种特别适合我国国情的虚拟仪器方案。

GPIB(General Purpose Interface Bus)通用接口总线，是计算机和仪器的标准通信协议。

GPIB的硬件规格和软件协议以纳入国际工业标准IEEE-488.1和IEEE-488.2，它是最早的仪器总线，目前多数仪器都配备了遵循IEEE-488的GPIB 接口。

典型的GPIB测试系统包括一台计算机，一块基于GPIB总线的接口卡和多台GPBI仪器软件及相应的传感模块硬件。

每台GPIB仪器有单独的地址，由计算机控制操作。

系统中的仪器可以增加、减少或更换，只需对计算机的控制软件作相应的改动。

基于GPIB总线结构的接口卡数据传输速率一般低于500kb/s，不适合与对系统速度要求较高的应用。

VXI(VME bus eXtension for Instrumentation )是VME总线在仪器领域的扩展，上个世纪1993年VXI总线1.4版本被批准为IEEE-1155标准，成为开放式工业标准。

仪器专用总线在吸收IEEE-488的成功经验基础上，增加了10MHz 时钟线，模拟和数字混合总线，星形总线等高速总线，定时关系严格，兼有计算机总线和仪器总线的优点。

PXI(PCI eXtension For Instrumentation)是Compact PCI总线在仪器领域的扩展，是NI公司于1997年发布的一种新的开放性、模块化仪器总线规范。

其核心是Compact PCI结构和Microsoft Windows软件。

PXI是在PCI内核技术上增加了成熟的技术规范和要求形成的。

PXI增加了用于多个板卡同步的触发总线和10MHz参考时钟、用于精确定时的星形触发总线，以及用于相邻模块间高速通信的局部总线等，来满足实验和测量用户的要求。

PXI兼容Compact PCI机械规范，并增加了空气冷却装置、环境测试（温度、湿度、振动和冲击实验）等要求。

这样可保证多厂商产品的互操作性和系统的易集成性。