基于LABVIEW平臺的數據采集卡軟件設計
加入技術交流群
作為專業(yè)測控領域的軟件開發(fā)平臺，LABVIEW內含豐富的數據采集、數據信號分析以及功能強大的DAQ助手，搭建數據采集系統更為輕松，便于硬件設計人員直接對硬件的操控展開設計。此外，它可通過DLL、CIN節(jié)點、ActiveX、.NET或MATLAB腳本節(jié)點等技術，實現與其它編程語言混合編程，通過調用外部驅動代碼使它與設備的連接變得非常容易。由于采用數據流模型，LABVIEW可以自動規(guī)劃多線程任務，可充分利用PC系統處理器的處理能力，從而提高模塊的采集效率。本文基于LABVIEW開發(fā)環(huán)境，以庫函數節(jié)點的調用方式及結構，實現了一種中頻數據采集與處理卡軟件的設計。
數據采集卡軟件結構
采集卡軟件是基于PC的數據采集系統重要組成部分，它與硬件形成一個完整的數據采集、分析和顯示系統，軟件分為上層應用程序和驅動程序。上層應用程序用以完成數據的分析、存儲和顯示等。驅動程序則可直接對數據采集硬件的寄存器編程，管理數據采集硬件的操作并把它和處理器中斷、DMA和內存這些計算機資源結合在一起。
驅動程序隱藏了復雜的硬件底層編程細節(jié)，為用戶提供容易理解的接口。NI公司為基于NI數據采集設備的數據采集系統提供了相應的接口驅動及VI函數 (VI，Virtual Instrument)。對于一些不常見的硬件設備或用戶研發(fā)的硬件設備，NI沒有提供合適的驅動。但是，如前所述，LABVIEW還提供了很多其它的通信接口，包括調用庫函數節(jié)點(Call Library Function Node, CLF)、代碼接口節(jié)點(Code Interface Node, CIN)、TCP/IP、Data Socket、OPC、共享變量、DDE和.NET等。通過這些通信接口，LABVIEW能夠實現與任何設備的通信。值得留意的是LABVIEW具有調用庫函數節(jié)點和代碼接口節(jié)點兩種方法，可以結合C語言的編程靈活性和LABVIEW G語言的直觀便捷特點，大幅提高LABVIEW對用戶數據采集卡的軟件設計支持?？蛇M一步利用LABVIEW豐富的數據分析資源，節(jié)約系統開發(fā)成本。
LABVIEW提供的數據采集卡的常用驅動方式有兩種，調用C語言源代碼方式(CIN方式)，以及調用動態(tài)鏈接庫方式(CLF方式)。
CIN方式是實現LABVIEW與C語言混合編程的一種媒介，CIN通過輸入、輸出端口實現兩種語言之間的數據傳遞。輸入、輸出端口的個數可由設計者根據實際需要確定，當LABVIEW的程序運行到CIN節(jié)點時，數據由CIN的輸入端口傳遞給C源代碼圖標，程序轉去執(zhí)行C源代碼，代碼執(zhí)行完后，執(zhí)行的數據結果由CIN輸出端口返回至LABVIEW。
CLF是一種動態(tài)鏈接庫（DLL）的調用方式。DLL是一種應用程序在運行時與庫文件連接起來的技術，在WINDOWS的管理下，應用程序與對應DLL之間建立鏈接關系，根據鏈接產生的重定位信息，轉去執(zhí)行DLL中相應的代碼。LABVIEW中，可通過CLF(調用路徑為Function>>Advanced>>Call Library Function)功能模塊實現調用。
調用CIN節(jié)點需要有C語言編程的支持，它能夠將代碼集成在VI中作為單獨的一個VI發(fā)布，CIN 支持的參數類型比DLL 函數多，可使用LABVIEW 定義的任何參數類型，但制作CIN的過程復雜得多。使用這種方法的缺點是在數據采集過程中不能實時地進行數據的顯示，只能在數據全部采集結束后再一起顯示所采集的全部數據，這樣在需要較高執(zhí)行效率的場合就不適用。其次由于CIN節(jié)點在制作數據采集卡的驅動時，需要提供采集卡的硬件參數，需編制對硬件設備進行底層操作的庫函數，對于不清楚函數內核的程序員不適用。相比CIN方式，CLF方式更加簡單易學，開發(fā)者只需要熟悉DLL中的各個函數功能以及函數的參數及類型，在本文設計中，擬采用CLF方式實現驅動程序的調用。
基于CLF方式的采集卡軟件設計
本文所涉及的軟件控制對象是一款中頻數據采集與處理卡，具有14位A/D精度，最高采樣頻率為105MHz，4路模擬量輸入，提供高精度中頻信號數字化、多通道、多模式數字下變頻（DDC）等數字處理，軟件結構詳見圖1。
圖1 采集卡的軟件結構
圖2 VI的層級結構
LABVIEW應用程序分為用戶界面和圖標代碼，通過搭建和調用子VI編寫主體程序，各VI利用LABVIEW的CLF技術調用動態(tài)鏈接庫中的驅動函數，實現與硬件設備的數據交換。子VI將基本的驅動函數進行功能封裝。一個完整的LABVIEW應用程序通常由若干個子VI及其外部編程連線構成，VI的層級結構設計是設計虛擬儀器驅動程序的核心，各VI分別為組成驅動程序的模塊化子程序。設計中，動態(tài)鏈接庫由VC編寫，調用底層的驅動函數與設備通信。軟件包括兩類子VI函數集合，一類是低層組件VI集合，分為若干個獨立的軟件功能模塊，每個模塊負責控制儀器的某項特殊功能，這類VI是儀器驅動程序的基礎；另一類為高層應用VI集合，應用VI通過調用合適的組件VI以實現最通常的儀器設置和測量任務。顯然，就驅動程序開發(fā)而言，能否根據硬件特性成功構建組件VI集合是關鍵所在。VI層次結構如圖2所示。
如圖所示，按功能有兩個高層應用子VI集合：Config.vi，Config DDC.vi，這兩個子VI又分別調用低層組件子VI來完成特定的設置、配置任務。Config.vi完成采集卡的常規(guī)配置，例如對采集卡單次采集數量、FIFO滿深度、寄存器（硬件通道、時鐘、觸發(fā)、采集方式、采集模式等的控制）設置、采集卡的狀態(tài)查詢等；Config DDC.vi完成DDC的所有配置工作，包括對DDC的模式、抽取率、輸出格式、本振頻率、本振相位、增益、CFIR濾波參數、PFIR濾波參數等的設置，從而實現DDC的數字IQ分離、抽取、數字濾波、重采樣、多級增益調節(jié)、多種調制方式的解調等功能。其余低層組件VI實現設備的打開關閉、數據從數據采集卡到主機內存的傳送、數據保存等。無論應用子VI或組件子VI均為獨立可執(zhí)行程序，實現特定功能，各VI函數作為提供給用戶進行系統應用開發(fā)所需的各類操作。采用該結構，能夠使用戶在運行時修改虛擬儀器系統的運行邏輯與人機界面，可立即執(zhí)行，因此在用戶需要改變需求的情況下能迅速適配，數據采集卡具有可重構的特點，用戶也不必去關心硬件的實現細節(jié)。
評論