基于LABVIEW平臺的數(shù)據(jù)采集卡軟件設計
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作為專業(yè)測控領域的軟件開發(fā)平臺，LABVIEW內含豐富的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)信號分析以及功能強大的DAQ助手，搭建數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)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(xiàn)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(shù)據(jù)流模型，LABVIEW可以自動規(guī)劃多線程任務，可充分利用PC系統(tǒng)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(shù)節(jié)點的調用方式及結構，實現(xiàn)了一種中頻數(shù)據(jù)采集與處理卡軟件的設計。
數(shù)據(jù)采集卡軟件結構
采集卡軟件是基于PC的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)重要組成部分，它與硬件形成一個完整的數(shù)據(jù)采集、分析和顯示系統(tǒng)，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(shù)據(jù)的分析、存儲和顯示等。驅動程序則可直接對數(shù)據(jù)采集硬件的寄存器編程，管理數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)采集設備的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)提供了相應的接口驅動及VI函數(shù) (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(shù)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(xiàn)與任何設備的通信。值得留意的是LABVIEW具有調用庫函數(shù)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(shù)據(jù)采集卡的軟件設計支持。可進一步利用LABVIEW豐富的數(shù)據(jù)分析資源，節(jié)約系統(tǒng)開發(fā)成本。
LABVIEW提供的數(shù)據(jù)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(xiàn)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(xiàn)兩種語言之間的數(shù)據(jù)傳遞。輸入、輸出端口的個數(shù)可由設計者根據(jù)實際需要確定，當LABVIEW的程序運行到CIN節(jié)點時，數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(jù)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(xiàn)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(shù)類型比DLL 函數(shù)多，可使用LABVIEW 定義的任何參數(shù)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(shù)據(jù)采集過程中不能實時地進行數(shù)據(jù)的顯示，只能在數(shù)據(jù)全部采集結束后再一起顯示所采集的全部數(shù)據(jù)，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(shù)據(jù)采集卡的驅動時，需要提供采集卡的硬件參數(shù)，需編制對硬件設備進行底層操作的庫函數(shù)，對于不清楚函數(shù)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(shù)功能以及函數(shù)的參數(shù)及類型，在本文設計中，擬采用CLF方式實現(xiàn)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(shù)據(jù)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(shù)字化、多通道、多模式數(shù)字下變頻（DDC）等數(shù)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(shù)，實現(xiàn)與硬件設備的數(shù)據(jù)交換。子VI將基本的驅動函數(shù)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(shù)與設備通信。軟件包括兩類子VI函數(shù)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(xiàn)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(jù)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(shù)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(shù)、PFIR濾波參數(shù)等的設置，從而實現(xiàn)DDC的數(shù)字IQ分離、抽取、數(shù)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(xiàn)設備的打開關閉、數(shù)據(jù)從數(shù)據(jù)采集卡到主機內存的傳送、數(shù)據(jù)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(xiàn)特定功能，各VI函數(shù)作為提供給用戶進行系統(tǒng)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(tǒng)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(shù)據(jù)采集卡具有可重構的特點，用戶也不必去關心硬件的實現(xiàn)細節(jié)。
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