基于LabVIEW的多功能信號采集與多通道定時計數(shù)器／觸發(fā)器的設(shè)計

摘要：隨著虛擬儀器計數(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。文中利用現(xiàn)有硬件平臺，給出了一個基于LabVIEW的虛擬儀器的設(shè)計與實現(xiàn)方法。該虛擬儀器不僅可實現(xiàn)多達24路以上通道的同步、異步精確計數(shù)功能，還可用于完成可控交互的定時觸發(fā)和信號采集，同時能對試驗數(shù)據(jù)進行存儲、顯示和回放。試驗證明，結(jié)合設(shè)備軟件化理念和虛擬儀器的實現(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：信號采集；LabVIEW；LabvIEW RT；虛擬儀器

0 引言
隨著電子技術(shù)、計算機技術(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言(G語言)。LabVIEW可以依托高性能設(shè)備，實現(xiàn)高精度的測量控制，并可根據(jù)需求快速實現(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)代測控的發(fā)展方向。它不僅可以提高設(shè)計和開發(fā)效率，同時還可以大大節(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)計與實現(xiàn)。

1 系統(tǒng)設(shè)計思想
為了更好地應(yīng)用擴展性，提高系統(tǒng)采集和執(zhí)行精度，系統(tǒng)設(shè)計采用了上、下位機的機構(gòu)。
上位機采用普通PC機或通用工控機，預(yù)裝Windows XP操作系統(tǒng)，主要運行虛擬儀器的人機交互界面。
下位機預(yù)裝LabVIEW RT系統(tǒng)，運行測量與控制程序。其硬件組成主要有PXI-1045機箱、PXI-8108控制器、PXI-6608板卡、PXI-6229板卡，以及外部硬件信號條例模塊。
系統(tǒng)總體設(shè)計框圖如圖1所示。

2 系統(tǒng)的實現(xiàn)
系統(tǒng)的實現(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機或工控機、PXI機箱及匹配的控制器、板卡，以及外部信號調(diào)理模塊組成。
硬件系統(tǒng)的工作原理比較直觀，通過信號調(diào)理模塊，將信號源轉(zhuǎn)換為板卡可接入的標準信號，通過對板卡工作模式的設(shè)定，來完成同步、異步的定時器計數(shù)、觸發(fā)和數(shù)據(jù)采集工作。
2．2 軟件的組成及設(shè)計
軟件系統(tǒng)采用上、下位機結(jié)構(gòu)。其中，上位機軟件開發(fā)采用的是Windowrs XP操作系統(tǒng)平臺和LabVIEW軟件開發(fā)平臺。下位機軟件則基于LabVIEW RT操作系統(tǒng)平臺和LabVIEW軟件開發(fā)平臺進行開發(fā)。系統(tǒng)對數(shù)據(jù)的采集應(yīng)用了兩種不同的通信編程方法。對于試后數(shù)據(jù)采集的應(yīng)用，例如定時器高速計數(shù)方式，采用了共享變量方法；對于過程數(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交互功能，對虛擬儀器進行配置與使用，同時對試驗數(shù)據(jù)進行顯示、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，需要對硬件進行資源配置、使用配置、初始化操作。例如定時計數(shù)器的使用配置，如圖4所示。

2．2．2 下位軟件
下位軟件負責按照上位軟件對各板卡的配置和模式設(shè)定情況進行初始化，并根據(jù)上位軟件啟動、停止等指令執(zhí)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集和定時器計數(shù)與觸發(fā)工作。
結(jié)合實際應(yīng)用驗證，模擬信號量的檢測和采集使用Queuce數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，可以保證程序運行中小會出現(xiàn)丟失或復(fù)制數(shù)據(jù)的現(xiàn)象，但對于定時計數(shù)板卡PXI-6608的應(yīng)用方式，將直接導(dǎo)致多路定時計數(shù)采集的成敗。
對于PXI-6608板卡的應(yīng)用，在多種計數(shù)模式中，“CI兩個邊沿的間隔”方式比較特殊，且在用于多個定時計數(shù)器(具體個數(shù)取決于PXI-6608板卡的使用個數(shù)及每塊板卡選用的定時計數(shù)器數(shù)量)同步采集時，根據(jù)使用方法的不同，會導(dǎo)致不同的結(jié)果。因此，在該虛擬儀器的設(shè)計過程中，主要講述“CI兩個邊沿的間隔”方式的兩種使用方法和特點，以及DI／O使用中值得注意的問題。
2．2．2．1 “CI兩個邊沿的間隔”方式計數(shù)的實現(xiàn)方法及其對比
第一種使用方法是采用計數(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)實際使用進行修改。

該方法的特點如下：
(1)配置和使用簡單，在進行數(shù)量較少且為單點計數(shù)時，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)對每個定時計數(shù)器只能采集一個時間，且可同時采集的數(shù)量與板卡和選用的定時器組合方式有關(guān)。例如同時對3塊PXI-6608板卡的24個定時計數(shù)器進行并行采集時，能成功采集的定時器數(shù)量不會超過12個；
(3)在進行多路定時計數(shù)器的采集過程中，若同步采集的定時器中有任何一個產(chǎn)生超時錯誤，則將導(dǎo)致其后的所有采集任務(wù)全部超時。
第二種使用方法是采用計數(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)實際使用進行修改。

該方法的特點如下：
(1)可根據(jù)使用需要，對通道傳輸方式進行設(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)的定時計數(shù)器同步采集；
(2)各定時計數(shù)器采集任務(wù)互不影響；
(3)對每個定時計數(shù)器可以進行單個時間或多個連續(xù)時間的計數(shù)采集。
2．2．2．2 PXI-6608板卡DI／O的使用
PXI-6608板卡處理進行定時計數(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，需要注意占空比的設(shè)定，否則可能無法達到5V電壓的輸出。

3 結(jié)語
本文設(shè)計實現(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，進一步提高了設(shè)備的利用率。在整個設(shè)計過程中，首次在實際應(yīng)用中使用了高達20多路定時計數(shù)器并行采集，實現(xiàn)了多路定時器同步計數(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，同時突破了傳統(tǒng)測量設(shè)備在硬件構(gòu)成、數(shù)據(jù)存儲以及測量方法中的限制，做到了設(shè)備的軟件化、虛擬化，在未來的科研、生產(chǎn)中將具有更廣闊的應(yīng)用前景。