虚拟仪器软件LabVIEW与数据采集

文章编号:100021220(2001)0420501203 收稿日期:2000203230　作者简介:陈敏,硕士,讲师,主要研究方向为人工智能与系统仿真.虚拟仪器软件LabV IE W 与数据采集陈　敏　汤晓安(国防科学技术大学　湖南长沙410073)摘　要:本文在介绍最新技术—虚拟仪器及其开发环境L abV IE W 特点的基础上,分析了L abV IE W 中的数据采集技术,并给出了数据采集应用实例.应用表明,L abV IE W 用于常规的数据采集、测试、测量等任务,可以减少系统的开发时间,同时也提高了编程效率.关键词:虚拟仪器;L abV IE W ;数据采集分类号:T P 274 文献标识码:A1　引言现代电子技术和计算机技术的迅猛发展和普及应用,使得自动化测试与电子测量仪器这个技术领域发生了革命性的变化.尤其是近年来美国国家仪器公司的创新产品—图形化编程环境L abV IE W 的出现,使得"虚拟仪器"的思想为工业界所接收."软件就是仪器"最本质地刻画了虚拟仪器的特征,它更多地强调了软件在仪器设计中的作用.所谓虚拟仪器,就是在通用计算机平台上,用户根据自己的需求定义和设计仪器的测试功能,其实质是将传统仪器硬件和最新计算机软件技术充分结合起来,以实现并扩展传统仪器的功能.与传统仪器相比,虚拟仪器在智能化程度、处理能力、性能价格比、可操作性等方面都具有明显的技术优势.目前国际上应用最广的虚拟仪器开发环境首推美国N I 公司(N ati onal Instrum ents Co rp .—国家仪器公司)的L ab 2V IE W 和H P 公司(惠普公司)的V EE 这两种软件.其中,V EE 主要面向仪器控制;而L abV IE W 功能相对更强、更全面.2　虚拟仪器开发环境—LabV IE WL abV IE W (L abo rato ry V irtual Instrum ent EngineeringW o rkbench )主要用于仪器控制、数据采集、数据分析等领域.作为V X I p lug&p lay 联盟的发起人之一,N I 公司一直致力于虚拟仪器的研究开发工作,到目前已经推出了几种版本的虚拟仪器集成开发环境和多种独立的虚拟仪器产品.近几年还开发了基于PC (ISA )总线和V X I 总线的数据采集模板系列,作为虚拟仪器平台的硬件支持.L abV IE W 是一种基于图形编程语言(G 语言)的开发环境.它与C 、Pascal 、Basic 等传统编程语言有着诸多相似之处,如,相似的数据类型、数据流控制结构、程序调试工具,以及层次化、模块化的编程特点等.但二者最大的区别在于:传统编程语言用文本语言编程;而L abV IE W 使用图形语言(即,各种图标、图形符号、连线等)以框图的形式编写程序.用L ab 2V IE W 编程无需具备太多编程经验,因为L abV IE W 使用的都是测试工程师们熟悉的术语和图标,如各种旋钮、开关、波形图等,界面非常直观形象,因此L abV IE W 对于没有丰富编程经验的测试工程师们来说无疑是个极好的选择.L abV IE W 包含丰富的函数库和子程序库,适用于W in 2dow s 3.1、W indow s 95、W indow s N T 、M acinto sh 、U nix 等多种不同的操作系统平台.L abV IE W 也拥有大量由N I 公司或第三方公司提供的、非常实用的支持软件:如,A pp licati on Builder (用于产生可执行文件)、SQL Too lk it (用于将L ab 2V IE W 程序与本地或远程数据库相连)等.这些特性为L ab 2V IE W 环境下应用程序的开发提供了方便.L abV IE W 是一个功能强大的集成开发环境,它完整地集成了与GP I B 、V X I 、R S 2232、R S 2485和内插式数据采集卡等硬件的通讯.L abV IE W 还具有内置程序库,提供了大量的连接机制,通过DLL s 、共享库、OL E 等途径实现与外部程序代码或软件系统的连接.使用L abV IE W 开发环境,用户可以创建32位的编译程序,从而为常规的数据采集、测试等任务提供了更快的执行速度.L abV IE W 是真正的编译器,用户可以创建独立的可执行程序,能够脱离开发环境而单独运行.一个L abV IE W 程序包括三个主要部分:前面板、框图程序、图标 接线端口.前面板是L abV IE W 程序的交互式图形化用户界面,用于设置用户输入和显示程序输出(其中,用于让用户输入数据到程序中的控件称为"控制量";用于显示程序输出的控件称为"指示量"),目的是仿真真实仪器的前面板.框图程序则是利用图形语言对前面板上的控制量和指示量进行控制.图标 接线端口用于把L abV IE W 程序定义成一个子程序,以便在其它程序中加以调用,这使L abV IE W 得以实现层次化、模块化编程.3　LabV IE W 中的数据采集　第22卷第4期 2001年4月小型微型计算机系统M I N I -M I CRO SYST E M V o l 122N o 14　　A p r .2001 3.1　数据采集系统的任务和组成数据采集(DAQ :D ata A cqusiti on )系统的基本任务是物理信号的产生和测量.要使计算机系统能够测量物理信号,首先要使用传感器把物理信号转换成电压或者电流之类的电信号.通常不能把被测信号直接连接到DAQ 卡,而必须使用信号调理辅助电路,先将信号进行一定的预处理.总之,数据采集是借助软件来控制整个DAQ 系统的,包括采集原始数据、分析数据以及给出结果等.3.2　LabV I E W 中的数据采集程序L abV IE W 的DAQ 程序包括模拟输入、模拟输出、数字输入 输出、计数器操作等.在框图程序窗口下的功能模板(Functi ons Palette )中选择数据采集(D ata A cqusiti on ),可以看到6个子模板,分别是:模拟输入(A nalog Input )、模拟输出(A nalog O utput )、数字输入 输出(D igital I O )、计数器(Counter )、标定和配置(Calibrati on and Configurati on )以及信号调理(Signal Conditi oning ).其中,每个子模板又分成简单程序(Easy I O V Is )、中级程序(Inter m ediate V Is )、应用程序(U tility V Is )和高级程序(A dvanced V Is )四类.图1　前面板简单程序仅仅只是表面层接口程序,它能执行基本的模拟量输入、模拟量输出、数字I O 以及计数器 定时器操作.它简单易用,并且包含一个简单的出错处理方法.当出错时,将弹出一个对话框,显示出错信息,用户可以选择中止程序执行或者忽略错误.相对于简单程序而言,中级程序具备更多的硬件设置功能,使用上具有更大的灵活性,可以更有效地开发实用程序.它具有许多简单程序所缺乏的功能,如外部时钟等.它对出错的处理也更加灵活,可以把出错状态信息传递给其它程序,可以编程处理出错情况.应用程序是中级程序的通用组合,在功能和操作上与中级程序相同.高级程序涉及到与DAQ 驱动程序的低层接口.开发实用程序时通常并不需要用到高级程序,但当简单程序和中级程序不具备用于控制特殊DAQ 功能的输入时,可以使用高级程序来实现.高级程序从DAQ 驱动程序返回的状态信息最多.在实用程序的开发过程中,常用的数据采集V is 程序包括四类:模拟输入与输出、波形的输入与输出、扫描多个模拟输入通道、连续数据采集.3.2.1　模拟输入与输出模拟输入与输出是DAQ 卡的基本功能."A nalog Input "子模板下的"A I Samp le Channel "程序测量指定通道上信号的一个采样点,并返回测量值."A nalog O utput "子模板下的"AO U pdate Channel "程序把一个给定电压值在一个模拟输出通道上输出.3.2.2　波形的输入与输出在许多应用场合,一次只采样一个数据点是远远不够的.另外,采样点之间的间隔很难保持恒定,因为它取决于很多因素,如循环的执行速度、子程序的调用时间等等.而使用"A I A cquire W avefo r m "和"AO Generate W avefo r m "程序,就可以以大于单点操作的速度进行多点的数据采集和波形产生,并且用户可以自定义采样速率.图2　框图程序下例使用N I 公司出品的PC I 21200数据采集卡,从函数发生器(H P 公司生产的H P 33120A )采集一个正弦波,并在波形图上显示.此例中,须将模拟输入通道1(在通道配置向导中将此通道的名称定义为"scopeA ")接到函数发生器的正弦波输出端口上.如图1、图2.控制栏"#of samp les "定义采样点数,而"Samp les sec "定义采样率.3.3.3　扫描多个模拟输入通道A I A cquire W avefo r m s 程序(如图3)从多个输入通道以指定的采样率采集指定的采样点数,并返回采样结果数据到计算机中.Channels 控制栏指定要采样的多个通道编号,各个通道号间以逗号隔开,例如1,2,4.控制栏N um ber of sam 2p les ch 是每个通道要采集的采样点数.Scan rate 是每个通道每秒钟的采样点数即采样率.W avefo r m 是一个二维数组,包含模拟输入信号电压数值,以伏为单位.A ctual scan peri od 是实际采样率的倒数,由于计算机硬件的不同,实际采样率与指定的采样率可能有微小差异.3.3.4　连续数据采集连续数据采集又称实时数据采集,是在不中断数据采集过程的情况下,不间断地向计算机返回采集数据.数据采集开始后,DAQ 卡采集数据并存储在指定缓冲区中,然后L ab 2V IE W 每隔一段时间将一批数据送入计算机进行处理.如果缓冲区放满了,DAQ 卡就会重新从缓冲区的起始地址处写入新数据,原来的数据被覆盖.这个过程一直持续,直至采集到了指定数目的数据点,或者L abV IE W 主动中止了采集过程,205 小　型　微　型　计　算　机　系　统 2001年或者程序出现错误.这种工作方式对于需要把数据存入磁盘或者观察实时数据很有用.在连续数据采集程序中,用到了几个功能模块.其中,A IConfigure 程序用于设置设备编号、通道号和数据缓冲区大图3　A I A cquire W avefo r m s 程序小;A I Start 程序用指定的采样率,以后台工作方式开始连续数据采集过程;A I R ead 程序采集指定数目的采样点并返回数据到计算机中;A I C lear 程序停止数据采集并释放所有资源.4　结束语L abV IE W 是一个功能强大的虚拟仪器编程环境,它给予了用户更多的灵活性和更高的性能,简化了科学计算、过程控制和测试应用,增强了用户组建自己的科学和工程系统的能力.使用L abV IE W 开发环境进行仪器系统的设计、测试和实现,可以减少系统的开发时间,同时也提高了编程效率.参　考　文　献1L abV IE W U ser M anual ,N ati onal Instrum ents Co rpo rati on ,19962L abV IE W T uto rial ,N ati onal Instrum ents Co rpo rati on ,19963L abV IE W D ata A cqusiti on Basics M anual ,N ati onal Instrum ents Co rpo rati on ,1996V I RTUAL I N S TRU M ENT SO FT W ARE 2LABV I E W AND DA TA ACQUS I T I O NCH EN M in TAN G X iao 2an(Colleg e of A erosp ace A nd M a teria l E ng ineering ,N a tiona l U n iversity of D ef ence T echnology ,ChangS ha 410073,Ch ina )Abstract T h is paper introduces virtual instrum ent and its developm ent environm ent —L abV IE W ,then discusses the techno lo 2gy of data acqusitson in L abV IE W and give som e examp les.P ractice illustrates that L abV IE W can sho rten develop ing peri od of system s of data acqusiti on ,m easure ,etc .,increase their p rogramm e efficiency .Key words V irtual instrum ent ;L abV IE W ;D ata A cqusiti on (DAQ )3054期 陈　敏等:虚拟仪器软件L abV IE W 与数据采集 。