基于LabVIEW的多功能信號(hào)采集與多通道定時(shí)計(jì)數(shù)器／觸發(fā)器的設(shè)計(jì)

摘要：隨著虛擬儀器計(jì)數(shù)的發(fā)展，軟件即設(shè)備的思想已然成為科研儀器設(shè)備需求的發(fā)展趨勢(shì)。文中利用現(xiàn)有硬件平臺(tái)，給出了一個(gè)基于LabVIEW的虛擬儀器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方法。該虛擬儀器不僅可實(shí)現(xiàn)多達(dá)24路以上通道的同步、異步精確計(jì)數(shù)功能，還可用于完成可控交互的定時(shí)觸發(fā)和信號(hào)采集，同時(shí)能對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)、顯示和回放。試驗(yàn)證明，結(jié)合設(shè)備軟件化理念和虛擬儀器的實(shí)現(xiàn)，該方法可大幅提高現(xiàn)有設(shè)備的利用率，節(jié)約科研成本。
關(guān)鍵詞：信號(hào)采集；LabVIEW；LabvIEW RT；虛擬儀器

0 引言
    隨著電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等的快速發(fā)展，虛擬儀器(Virtual Instrument，VI)技術(shù)已得到了廣泛應(yīng)用。
    LabVIEW和C、DELPHI等一樣，是一種程序開(kāi)發(fā)環(huán)境，但其最大的區(qū)別在于使用了圖形化的編程語(yǔ)言(G語(yǔ)言)。LabVIEW可以依托高性能設(shè)備，實(shí)現(xiàn)高精度的測(cè)量控制，并可根據(jù)需求快速實(shí)現(xiàn)設(shè)備的軟件化、虛擬化，以滿足多種多樣的應(yīng)用需求。
    設(shè)備的軟件化、虛擬化已經(jīng)成為現(xiàn)代測(cè)控的發(fā)展方向。它不僅可以提高設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)效率，同時(shí)還可以大大節(jié)省硬件投入成本，提升已有硬件資源的利用率。因此，本文提出了基于LabVIEW的虛擬儀器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)思想
    為了更好地應(yīng)用擴(kuò)展性，提高系統(tǒng)采集和執(zhí)行精度，系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用了上、下位機(jī)的機(jī)構(gòu)。
    上位機(jī)采用普通PC機(jī)或通用工控機(jī)，預(yù)裝Windows XP操作系統(tǒng)，主要運(yùn)行虛擬儀器的人機(jī)交互界面。
    下位機(jī)預(yù)裝LabVIEW RT系統(tǒng)，運(yùn)行測(cè)量與控制程序。其硬件組成主要有PXI-1045機(jī)箱、PXI-8108控制器、PXI-6608板卡、PXI-6229板卡，以及外部硬件信號(hào)條例模塊。
    系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

2 系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)
    系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)主要包括硬件和軟件兩部分，主要工作流程如圖2所示。
2．1 硬件的組成及工作原理
    硬件系統(tǒng)主要由普通PC機(jī)或工控機(jī)、PXI機(jī)箱及匹配的控制器、板卡，以及外部信號(hào)調(diào)理模塊組成。
    硬件系統(tǒng)的工作原理比較直觀，通過(guò)信號(hào)調(diào)理模塊，將信號(hào)源轉(zhuǎn)換為板卡可接入的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，通過(guò)對(duì)板卡工作模式的設(shè)定，來(lái)完成同步、異步的定時(shí)器計(jì)數(shù)、觸發(fā)和數(shù)據(jù)采集工作。
2．2 軟件的組成及設(shè)計(jì)
    軟件系統(tǒng)采用上、下位機(jī)結(jié)構(gòu)。其中，上位機(jī)軟件開(kāi)發(fā)采用的是Windowrs XP操作系統(tǒng)平臺(tái)和LabVIEW軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)。下位機(jī)軟件則基于LabVIEW RT操作系統(tǒng)平臺(tái)和LabVIEW軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)進(jìn)行開(kāi)發(fā)。系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)的采集應(yīng)用了兩種不同的通信編程方法。對(duì)于試后數(shù)據(jù)采集的應(yīng)用，例如定時(shí)器高速計(jì)數(shù)方式，采用了共享變量方法；對(duì)于過(guò)程數(shù)據(jù)的采集，使用了基于TCP／IP的通訊編程。
2．2．1 上位軟件
    上位軟件主要完成人機(jī)交互功能，對(duì)虛擬儀器進(jìn)行配置與使用，同時(shí)對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示、保存及回放等操作，其上位軟件的主界面如圖3所示。

    軟件在首次使用或有硬件配置更改的情況下，需要對(duì)硬件進(jìn)行資源配置、使用配置、初始化操作。例如定時(shí)計(jì)數(shù)器的使用配置，如圖4所示。

2．2．2 下位軟件
    下位軟件負(fù)責(zé)按照上位軟件對(duì)各板卡的配置和模式設(shè)定情況進(jìn)行初始化，并根據(jù)上位軟件啟動(dòng)、停止等指令執(zhí)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集和定時(shí)器計(jì)數(shù)與觸發(fā)工作。
    結(jié)合實(shí)際應(yīng)用驗(yàn)證，模擬信號(hào)量的檢測(cè)和采集使用Queuce數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，可以保證程序運(yùn)行中小會(huì)出現(xiàn)丟失或復(fù)制數(shù)據(jù)的現(xiàn)象，但對(duì)于定時(shí)計(jì)數(shù)板卡PXI-6608的應(yīng)用方式，將直接導(dǎo)致多路定時(shí)計(jì)數(shù)采集的成敗。
    對(duì)于PXI-6608板卡的應(yīng)用，在多種計(jì)數(shù)模式中，“CI兩個(gè)邊沿的間隔”方式比較特殊，且在用于多個(gè)定時(shí)計(jì)數(shù)器(具體個(gè)數(shù)取決于PXI-6608板卡的使用個(gè)數(shù)及每塊板卡選用的定時(shí)計(jì)數(shù)器數(shù)量)同步采集時(shí)，根據(jù)使用方法的不同，會(huì)導(dǎo)致不同的結(jié)果。因此，在該虛擬儀器的設(shè)計(jì)過(guò)程中，主要講述“CI兩個(gè)邊沿的間隔”方式的兩種使用方法和特點(diǎn)，以及DI／O使用中值得注意的問(wèn)題。
2．2．2．1 “CI兩個(gè)邊沿的間隔”方式計(jì)數(shù)的實(shí)現(xiàn)方法及其對(duì)比
    第一種使用方法是采用計(jì)數(shù)器單采樣方式，其配置和使用方法如圖5所示，圖中的常量參數(shù)可根據(jù)實(shí)際使用進(jìn)行修改。

    該方法的特點(diǎn)如下：
    (1)配置和使用簡(jiǎn)單，在進(jìn)行數(shù)量較少且為單點(diǎn)計(jì)數(shù)時(shí)，可以采用該方法，但通道傳輸方式的設(shè)置在該方法下將不起作用。
    (2)對(duì)每個(gè)定時(shí)計(jì)數(shù)器只能采集一個(gè)時(shí)間，且可同時(shí)采集的數(shù)量與板卡和選用的定時(shí)器組合方式有關(guān)。例如同時(shí)對(duì)3塊PXI-6608板卡的24個(gè)定時(shí)計(jì)數(shù)器進(jìn)行并行采集時(shí)，能成功采集的定時(shí)器數(shù)量不會(huì)超過(guò)12個(gè)；
    (3)在進(jìn)行多路定時(shí)計(jì)數(shù)器的采集過(guò)程中，若同步采集的定時(shí)器中有任何一個(gè)產(chǎn)生超時(shí)錯(cuò)誤，則將導(dǎo)致其后的所有采集任務(wù)全部超時(shí)。
    第二種使用方法是采用計(jì)數(shù)器多采樣方式，其配置和使用方法如圖6所示，圖中的常量參數(shù)可根據(jù)實(shí)際使用進(jìn)行修改。

    該方法的特點(diǎn)如下：
    (1)可根據(jù)使用需要，對(duì)通道傳輸方式進(jìn)行設(shè)定，如中斷方式、DMA方式等。使用該方法，可以使任意通道數(shù)的定時(shí)計(jì)數(shù)器同步采集；
    (2)各定時(shí)計(jì)數(shù)器采集任務(wù)互不影響；
    (3)對(duì)每個(gè)定時(shí)計(jì)數(shù)器可以進(jìn)行單個(gè)時(shí)間或多個(gè)連續(xù)時(shí)間的計(jì)數(shù)采集。
2．2．2．2 PXI-6608板卡DI／O的使用
    PXI-6608板卡處理進(jìn)行定時(shí)計(jì)數(shù)的采集外，還可以初始化為DI／O方式，完成5V TTL的輸入／輸出。在使用配置時(shí)，需要注意占空比的設(shè)定，否則可能無(wú)法達(dá)到5V電壓的輸出。

3 結(jié)語(yǔ)
    本文設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的虛擬儀器，不僅配置和使用靈活，而且在大大節(jié)省科研成本投入的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步提高了設(shè)備的利用率。在整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程中，首次在實(shí)際應(yīng)用中使用了高達(dá)20多路定時(shí)計(jì)數(shù)器并行采集，實(shí)現(xiàn)了多路定時(shí)器同步計(jì)數(shù)的方法，在工程應(yīng)用中，具有一定借鑒意義。此外，從虛擬儀器的角度，同時(shí)突破了傳統(tǒng)測(cè)量設(shè)備在硬件構(gòu)成、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)以及測(cè)量方法中的限制，做到了設(shè)備的軟件化、虛擬化，在未來(lái)的科研、生產(chǎn)中將具有更廣闊的應(yīng)用前景。