基于LabVIEW的USB實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

　　通用串行總線USB（Universal Serial Bus）作為一種新型的數(shù)據(jù)通信接口在越來越廣闊的領(lǐng)域得到應(yīng)用。而基于USB接口的數(shù)據(jù)采集卡與傳統(tǒng)的PCI卡及ISA卡相比具有即插即用、熱插拔、傳輸速度快、通用性強(qiáng)、易擴(kuò)展和性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)。

　　USB 的應(yīng)用程序一般用Visual C++編寫,較為復(fù)雜,LabVIEW語言是一種基于圖形程序的編程語言,內(nèi)含豐富的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)信號分析分析以及控制等子程序,用戶利用創(chuàng)建和調(diào)用子程序的方法編寫程序,使創(chuàng)建的程序模塊化,易于調(diào)試、理解和維護(hù),而且程序編程簡單、直觀。因此它特別適用于數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)。利用它編制USB應(yīng)用程序,把LabVIEW語言和USB總線緊密結(jié)合起來的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)將集成兩者的優(yōu)點(diǎn)。USB總線可以實(shí)現(xiàn)對外部數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)高速的采集,把采集的數(shù)據(jù)傳送到主機(jī)后再通過LabVIEW的功能模塊順利實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)顯示、分析和存儲。

　　1 、USB及其在數(shù)據(jù)采集設(shè)備中的應(yīng)用

　　USB 自1995年在Comdex上亮相以來,已廣泛地為各PC廠家所支持?，F(xiàn)在生產(chǎn)的PC幾乎都配置了USB接口,Microsoft的Windows 98、NT以及Mac OS、Linux等流行操作系統(tǒng)都增加對USB的支持。USB具有速度快、設(shè)備安裝和配置容易、易于擴(kuò)展、能夠采用總線供電、使用靈活等主要優(yōu)點(diǎn),應(yīng)用越來越廣泛。

　　一個(gè)實(shí)用的USB數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件一般包括微控制器、USB通信接口以及根據(jù)系統(tǒng)需要添加的A/D轉(zhuǎn)換器和EPROM、 SRAM等。為了擴(kuò)展其用途,還可以加上多路模擬開關(guān)和數(shù)字I/O端口。系統(tǒng)的A/D、數(shù)字I/O的設(shè)計(jì)可沿用傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法,根據(jù)采集的精度、速率、通道數(shù)等諸元素選擇合適的芯片,設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)充分注意抗干擾性,尤其對A/D采集更是如此。在微控制器和USB接口的選擇上有兩種方式：一種是采用普通單片機(jī)加上專用的USB通信芯片;另一種是采用具備USB通信功能的單片機(jī)。USB的另一大優(yōu)點(diǎn)是可以總線供電,在數(shù)據(jù)采集設(shè)備中耗電量通道不大,因此可以設(shè)計(jì)成總線供電。

　　一個(gè)USB設(shè)備的軟件一般包括主機(jī)的驅(qū)動(dòng)程序、應(yīng)用程序和寫進(jìn)ROM里面的Firmware。Windows98提供了多種USB設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序,但還沒有一種專門針對數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),所以必須針對特定的設(shè)備編制驅(qū)動(dòng)程序。盡管系統(tǒng)已經(jīng)提供了很多標(biāo)準(zhǔn)接口函數(shù),但編制驅(qū)動(dòng)程序仍然是USB開發(fā)中最困難的一件事。通常采用Windows DDK實(shí)現(xiàn),但現(xiàn)在有許多第三方軟件廠商提供了各種各樣的生成工具,如Compuware的Driver Works、Blue Waters的Driver Wizard等軟件能夠輕易地生成高質(zhì)量的USB驅(qū)動(dòng)程序。單片機(jī)程序的編制也同樣困難,而且沒有任何一家廠商提供了自動(dòng)生成的工具。編制一個(gè)穩(wěn)定、完善的單片機(jī)程序直接關(guān)系到設(shè)備性能,必須給予充分的重視。以上兩個(gè)程序是開發(fā)者所關(guān)心的,而用戶卻不太關(guān)心。用戶關(guān)心的是如何高效地通過鼠標(biāo)操作設(shè)備,如何處理和分析采集進(jìn)來的大量數(shù)據(jù)。因此還必須有高質(zhì)量的用戶軟件。用戶軟件必須有友好的界面、強(qiáng)大的數(shù)據(jù)分析和處理能力以及提供給用戶進(jìn)行再開發(fā)的接口。

　　2、 LabVIEW及其外部動(dòng)態(tài)鏈接庫的調(diào)用

　　LabVIEW 是美國國家儀器（NI）公司開發(fā)的一種基于圖形程序的虛擬儀表編程語言,其在測試與測量、數(shù)據(jù)采集、儀器控制、數(shù)字信號分析、工廠自動(dòng)化等領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用。LabVIEW程序稱為虛擬儀器程序（簡稱VI）,主要包括兩部分：前面板（即人機(jī)界面）和方框圖程序。前面板用于模擬真實(shí)儀器的面板操作,可設(shè)置輸入數(shù)值、觀察輸出值以及實(shí)現(xiàn)圖表、文本等顯示。框圖程序應(yīng)用圖形編程語言編寫,相當(dāng)于傳統(tǒng)程序的源代碼。其用于傳送前面板輸入的命令參數(shù)到儀器以執(zhí)行相應(yīng)的操作。LabVIEW的強(qiáng)大功能在于層次化結(jié)構(gòu),用戶可以把創(chuàng)建的VI程序當(dāng)作子程序調(diào)用,以創(chuàng)建更復(fù)雜的程序,而且,調(diào)用階數(shù)可以是任意的。 LabVIEW這種創(chuàng)建和調(diào)用子程序的方法使創(chuàng)建的程序模塊化,易于調(diào)試、理解和維護(hù)。LabVIEW編程方法與傳統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)方法不同,它擁有流程圖程序設(shè)計(jì)語言的特點(diǎn),擺脫了傳統(tǒng)程序語言線形結(jié)構(gòu)的束縛。LabVIEW的執(zhí)行順序依方塊圖間數(shù)據(jù)的流向決定,而不像一般通用的編程語言逐行執(zhí)行。在編寫方框圖程序時(shí),只需從功能模塊中選用不同的函數(shù)圖標(biāo),然后再以線條相互連接,即可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸。

　　LabVIEW雖有接口卡的驅(qū)動(dòng)和管理程序,但主要是針對NI公司自己生產(chǎn)的卡。對于普通的I/O卡,還不能直接被LabVIEW所應(yīng)用,必須采取其他方法。其中可以用LabVIEW的 PortIn和PortOut功能,但此法應(yīng)用簡單,無法實(shí)現(xiàn)較復(fù)雜的接口功能。而采用動(dòng)態(tài)鏈接庫,可以根據(jù)具體需要編寫適當(dāng)?shù)某绦?靈活利用 LabVIEW的各項(xiàng)功能。用戶可以自己編寫DLLs實(shí)現(xiàn)LabVIEW與硬件的鏈接。用VC++6.0編制動(dòng)態(tài)鏈接庫,首先生成DLL框架, AppWizard將自動(dòng)生成項(xiàng)目文件,但不產(chǎn)生任何代碼,所有代碼均需用戶自己鍵入。DLL需要的文件有：①h函數(shù)聲明文件;②c源文件;③def定義文件。H文件的作用是聲明DLL要實(shí)現(xiàn)的函數(shù)原型,供DLL編譯使用,同時(shí)還提供應(yīng)用程序編譯使用。C文件是實(shí)現(xiàn)具體文件的源文件,它有一個(gè)入口點(diǎn)函數(shù), 在DLL被初次調(diào)用的運(yùn)行,做一些初始化工作。一般情況下,用戶無須做什么初始化工作,只需保留入口點(diǎn)函數(shù)框架即可。def文件是DLL項(xiàng)目中比較特殊的文件,它用來定義該DLL項(xiàng)目將輸出哪些函數(shù),只有該文件列出的函數(shù)才能被應(yīng)用函數(shù)調(diào)用。要輸出的函數(shù)名列在該文件EXPORTS關(guān)鍵字下面。

　　3、 基于AN2131Q的單光子采集系統(tǒng)

　　該采集系統(tǒng)由筆者自行開發(fā)并用于單光子計(jì)數(shù)種子活性快速檢測儀中。它主要由將光子信號轉(zhuǎn)為電信號的光電倍增管（PMT）及其輔助電路和基于AN2131Q的 USB采集卡組成。PMT及其前置放大器、放大器、甄別器等輔助電路能將微弱的光子信號轉(zhuǎn)換為15ns的標(biāo)準(zhǔn)TTL脈沖信號,脈沖信號經(jīng)過分頻處理后再被 USB采集,USB將采集的結(jié)果實(shí)時(shí)地傳給主機(jī)處理。

　　3.1 USB采集卡的硬件組成

　　該采集卡由微控制器、USB通信接口、主機(jī)以及數(shù)字I/O端口組成,如圖1所示。

　　筆者設(shè)計(jì)了一種同步傳輸方式的單片方案,應(yīng)用了內(nèi)置微處理器的USB設(shè)計(jì)——EZ-USB AN2131Q。它是Cypress公司的一種內(nèi)嵌微控制器的80腳USB芯片,包含三個(gè)8位多功能口,8位數(shù)據(jù)端口,16位地址端口,二個(gè)USB數(shù)據(jù)端口,二個(gè)可定義16位的定時(shí)/計(jì)數(shù)器和其他輸入輸出端口。其采用一種基于內(nèi)部RAM的解決方案,允許客戶隨時(shí)不斷地設(shè)置和升級,不受端口數(shù)、緩沖大小和傳輸速度及傳輸方式的限制。片內(nèi)嵌有一個(gè)增強(qiáng)型8051微控制器,其4個(gè)時(shí)鐘的循環(huán)周期使它比標(biāo)準(zhǔn)8051的速度快3倍。采用同步傳輸方式將單片機(jī)的計(jì)數(shù)值實(shí)時(shí)傳送給主機(jī),而主機(jī)對計(jì)數(shù)器的控制信號則采用塊傳輸方式傳送。EZ-USB是Cypress公司推出的USB開發(fā)系統(tǒng),它為USB外設(shè)提供了一種很好的集成化解決方案。EZ-USB在其內(nèi)核已做了大量繁瑣的、重復(fù)性的工作,這樣就簡化了開發(fā)代碼,進(jìn)而縮短了開發(fā)周期。此外,開發(fā)商還提供了配套的開發(fā)軟件（包括編譯軟件uVision 51、調(diào)試軟件dScope 51、控制軟件EZUSB Controll Panel）以及驅(qū)動(dòng)程序GPD（General Purpose Driver）接口,以便于用戶進(jìn)行開發(fā)使用。