1、整理ppt第第14章章 數據采集與儀器控制數據采集與儀器控制整理ppt引子n數據采集與儀器控制是LabVIEW最具競爭力的核心技術之一。nNI公司提供了種類豐富的硬件設備以滿足不同的測量與控制需求，其中包括數據采集(DAQ)硬件、實時測量與控制、PXI與Compact PCI、信號調理、開關、分布式I/O、機器視覺、運動控制、GPIB、串口和儀器控制、聲音與振動測量分析、PAC(可編程自動化控制器)、VXI和VME等各種設備。應用遍布電子、機械、通信、汽車制造、生物、醫藥、化工、科研和教育等各個行業領域。n通過豐富的驅動程序，LabVIEW能輕松實現與任何NI提供的硬件設備通訊。不僅如此，通過

2、通用的驅動程序或接口，例如VISA、IVI、OPC、ActiveX和DLL等，LabVIEW幾乎能與任何廠商甚至自制的硬件通訊。整理ppt安裝驅動整理ppt本章內容n14.1 數據采集（數據采集（DAQ）n14.1.1 數據采集系統的構成n14.1.2 NI-DAQmxn14.2 儀器控制簡介儀器控制簡介n14.3 選擇合適的總線選擇合適的總線n14.4 儀器驅動程序儀器驅動程序n14.4.1 可編程儀器標準命令SCPIn14.4.2 VISA n14.4.3 IVI可互換的虛擬儀器驅動程序n14.5 直接直接I/O（Direct I/O）n14.5.1儀器I/O助手（Instrument I

3、/O Assistant）n14.5.2 Port I/On14.5.3 NI Spy調試驅動的好幫手n14.6 與第三方硬件連接與第三方硬件連接整理ppt14.1.1 數據采集系統的構成數據采集系統的構成n數據采集（數據采集（Data AcQuisition，DAQ）是指從傳感器和其它待測設備等模擬或數字被測單元中自動采集信息的過程。n數據采集系統是結合基于計算機的測量軟硬件產品來實現靈活的、用戶自定義的測量系統。n一個完整的DAQ系統包括傳感器或變換器、信號調理設備、數據采集和分析硬件、計算機、驅動程序和應用軟件等。整理ppt14.1.1 數據采集系統的構成數據采集系統的構成n典型的基于典

4、型的基于PC的數據采集的數據采集(DAQ)系統系統 整理ppt14.1.1 數據采集系統的構成數據采集系統的構成n1. 傳感器和變換器傳感器和變換器n傳感器感應物理信息并生成可測量的電傳感器感應物理信息并生成可測量的電信號。信號。n例如熱電偶、電阻式測溫計（例如熱電偶、電阻式測溫計（RTD）、）、熱敏電阻器和熱敏電阻器和IC傳感器可以把溫度轉變傳感器可以把溫度轉變為為ADC可測量的模擬信號。可測量的模擬信號。 整理ppt14.1.1 數據采集系統的構成數據采集系統的構成n2. 信號調理信號調理n從傳感器得到的信號可能會很微弱，或者含有大量噪聲，從傳感器得到的信號可能會很微弱，或者含有大量噪聲，

5、或者是非線性的等等，這種信號在進入采集卡之前必須經或者是非線性的等等，這種信號在進入采集卡之前必須經過信號調理。過信號調理。n信號調理的方法主要包括放大、衰減、隔離、多路復用、信號調理的方法主要包括放大、衰減、隔離、多路復用、濾波、激勵和數字信號調理等濾波、激勵和數字信號調理等 整理ppt14.1.1 數據采集系統的構成數據采集系統的構成n3. 數據采集設備數據采集設備n通過信號調理后的信號就可以與數據采集設通過信號調理后的信號就可以與數據采集設備連接了。通常情況下數據采集設備是一個備連接了。通常情況下數據采集設備是一個數據采集卡，與計算機的連接可以采用多種數據采集卡，與計算機的連接可以采用多

6、種方式。方式。nNI的數據采集設備支持的總線類型包括的數據采集設備支持的總線類型包括PCI、PCI Express、PXI、PCMCIA、USB、CompactFlash、Ethernet以及火線等各種以及火線等各種總線。總線。n數據采集卡的功能包括模擬輸入、模擬輸出、數據采集卡的功能包括模擬輸入、模擬輸出、數字數字I/O、觸發采集和定時、觸發采集和定時I/O。整理ppt14.1.1 數據采集系統的構成數據采集系統的構成n4. PC與軟件與軟件n軟件使軟件使PC與數據采集硬件形成了一個完整的數據與數據采集硬件形成了一個完整的數據采集、分析和顯示系統。采集、分析和顯示系統。n軟件分為驅動程序和上

7、層應用程序。軟件分為驅動程序和上層應用程序。n驅動程序可以直接對數據采集硬件的寄存器編程，管理驅動程序可以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、數據采集硬件的操作并把它和處理器中斷、DMA和內存和內存這樣的計算機資源結合在一起。驅動程序隱藏了復雜的這樣的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，為用戶提供容易理解的接口。一般硬件底層編程細節，為用戶提供容易理解的接口。一般來說，硬件廠商在賣出硬件的同時也會提供驅動程序。來說，硬件廠商在賣出硬件的同時也會提供驅動程序。n上層應用程序用來完成數據的分析，存儲和顯示等。上層應用程序用來完成數據的分

8、析，存儲和顯示等。LabVIEW就是一個極佳的開發上層應用程序的開發平就是一個極佳的開發上層應用程序的開發平臺。臺。 整理ppt14.1.2 NI-DAQmxnNI-DAQmx是LabVIEW 7.0以來新增的DAQ軟件。它包括支持200多種NI數據采集設備的驅動，并提供相應的VI函數。n此外它還包括Measurement & Automation Explorer(MAX)、數據采集助理(DAQ Assistant)以及VI Logger數據記錄軟件。通過這些工具并結合LabVIEW可以節省大量的系統配置、開發和記錄數據的時間。整理ppt14.1.2 NI-DAQmxn1. Meas

9、urement & Automation Explorer (MAX)n快速檢測及配置所有硬件快速檢測及配置所有硬件n通過測試面板驗證硬件的運作狀況通過測試面板驗證硬件的運作狀況n實施簡便、交互式的測量實施簡便、交互式的測量n給給/通道命名通道命名整理ppt14.1.2 NI-DAQmxn舉例：通過舉例：通過MAX配置串口屬性配置串口屬性 整理ppt14.1.2 NI-DAQmxn測試串口操作測試串口操作 整理ppt14.1.2 NI-DAQmxn2. DAQ助手（助手（DAQ Assistant）nDAQ助手提供了一個對話框式助手提供了一個對話框式的向導用于測量任務的配置、的向導用于

10、測量任務的配置、測試和自動代碼生成。配合測試和自動代碼生成。配合Express VI，通過，通過DAQ Assistant可以在數分鐘內搭可以在數分鐘內搭建一個專業的數據獲取系統。建一個專業的數據獲取系統。整理ppt14.1.2 NI-DAQmxn 配置虛擬通道配置虛擬通道 整理ppt14.1.2 NI-DAQmxn自動生成代碼自動生成代碼 整理ppt14.2 儀器控制簡介儀器控制簡介n儀器控制是指通過PC上的軟件遠程控制總線上的一臺或多臺儀器。n它比單純的數據采集要復雜的多。它需要將儀器或設備與計算機連接起來協同工作，同時還可以根據需要延伸和拓展儀器的功能。n通過計算機強大的數據處理、分析、

11、顯示和存儲能力，可以極大的擴充儀器的功能，這就是虛擬儀器的基本含義。 整理ppt14.2 儀器控制簡介儀器控制簡介n一個完整的儀器控制系統除了包括計算機和儀器外，還必須建立儀器與計算機的通路以及上層應用程序。n通路包括總線和針對不同儀器的驅動程序n上層應用程序用于發送控制命令、儀器的控制面板顯示以及數據的采集、處理、分析、顯示和存儲等。整理ppt14.2 儀器控制簡介儀器控制簡介n基于基于LabVIEW的儀器控制系統構架的儀器控制系統構架 LabVIEW圖形化開發環境圖形化開發環境Instrument DriversDirect I/O(Instrument I/O Assistant)GPI

12、B串口以太網PXIVXIUSBOPC，ActiveX，DLL，Shared VariableCANModBus無線InstrumentsInstrumentsInstrumentsInstrumentsPCIPCI Express火線整理ppt14.3 選擇合適的總線選擇合適的總線n在開發一個測量系統時，選擇正確的總線與選擇一個具有合適采樣速率和分辨率的設備一樣重要。n硬件總線可以影響測量的性能、系統搭建時間和便攜性等。 整理ppt14.3 選擇合適的總線選擇合適的總線n獨立總線獨立總線，用于架式和堆式儀器的通信。獨立總線包括T&M專用總線（如GPIB）和PC標準總線（如串行總線RS-

13、232、以太網、USB、無線和IEEE 1394）。一些獨立總線可用作其他獨立總線的中介，如USB到GPIB的轉換器。 n模塊化總線模塊化總線，將接口總線合并到儀器中。模塊化總線包括PCI、PCI Express、VXI和PXI。這些總線也可用作為不包括該總線的PC增加一個獨立總線的中介，如PCI-GPIB控制卡。 整理ppt14.3.1 獨立總線獨立總線n1. GPIBn通用接口總線（GPIBGeneral Purpose Interface Bus）是獨立儀器上一種最通用的I/O接口。GPIB是專為測試測量和儀器控制應用設計的。 nGPIB是一種數字的、8位并行通信接口，數據傳輸速率高達8

14、M字節/秒。該總線可為一個系統控制器提供多達15臺儀器連接，連線長度小于20米。 nPC本身很少帶有GPIB。實際上，用戶通常使用一個插卡（如PCI-GPIB）或一個外部轉換器（如GPIB-USB）在自己的PC中增加GPIB儀器控制功能。整理ppt14.3.1 獨立總線獨立總線n2. 串行總線（串行總線（RS-232和和RS-485）nRS-232是串行通信規范，是傳統意義上的“串行”總線的最為常見的規范。 nRS-232也是一個相對較慢的接口，典型的數據速率低于20k字節/秒，雖然有些產品能夠達到更高的數據吞吐量。 n由于RS-232連線長度最長只能達到15米，而且只能點對點通訊，不適合工業

15、現場應用。因此出現了RS-485來解決這些問題，它采用差分的信號傳輸方式，最長距離可以達到1200米。 nPC上都不帶RS-485的接口，因此在接入電腦前需要通過485-232轉換器或485-USB轉換器才能接入PC。 整理ppt14.3.1 獨立總線獨立總線n3. USBn通用串行總線（USB-Universal Serial Bus）的設計主要用于將PC的外圍設備（如鍵盤、鼠標、掃描儀和移動硬盤等）連接到PC。nUSB是一項即插即用技術 n最初的USB1.1規范定義了兩種數據傳輸模式和速度：低速模式（Low-Speed）（最大吞吐量可達1.5Mbits/s或200Kbytes/s）和全速模

16、式（Full-Speed）（最大吞吐量可達12Mbits/s或1.5Mbytes/s）。最新的USB規范USB 2.0完全后向兼容低速和全速設備，同時也定義了一種新的高速模式（Hi-Speed），該模式下數據傳輸速率高達480Mbits/s。 整理ppt14.3.1 獨立總線獨立總線n4. 以太網以太網n5. CANn6. IEEE1394(火線火線)n7. 無線無線整理ppt14.3.2 模塊化總線模塊化總線n1. PCInPCI總線是當今使用最廣泛的計算機內部總線是當今使用最廣泛的計算機內部總線之一。總線之一。 n一般的計算機都有3個或更多的PCI插槽。PCI提供了高速的傳輸，理論帶寬達到

17、1056Mbits/s。 整理ppt14.3.2 模塊化總線模塊化總線n2. PCI Expressn當當PC應用需要更大量帶寬時，應用需要更大量帶寬時，PCI總線在許多情總線在許多情況下達到了其物理極限。況下達到了其物理極限。n基本物理層由用作一個發送對和一個接收對的一基本物理層由用作一個發送對和一個接收對的一對單工通道構成。每個方向的最初速率對單工通道構成。每個方向的最初速率2.5Gbits/s為該方向提供了一個為該方向提供了一個200MBytes/s的通信信道，這接近標準的通信信道，這接近標準PCI數據速率的四倍。數據速率的四倍。 n類似PCI，PCI Express的典型應用不是直接用

18、于儀器控制，而是作為外圍總線將GPIB設備連接到PC以用于儀器控制。但由于其很高的速率，PCI Express可用作模塊化儀器的通信總線。此外，PCI Express還支持熱交換和熱插拔功能。 整理ppt14.3.2 模塊化總線模塊化總線n3. PXI/CompactPCInPXI將將PCI電氣總線特性與堅固的、模塊化的、電氣總線特性與堅固的、模塊化的、歐洲卡機械封裝的歐洲卡機械封裝的CompactPCI相結合，并增加相結合，并增加了專門的同步總線和關鍵的軟件特性，從而能夠了專門的同步總線和關鍵的軟件特性，從而能夠承受常常存在于工業應用中的惡劣環境。這使得承受常常存在于工業應用中的惡劣環境。這

19、使得PXI成為一個高性能的、低成本的、適用測量和成為一個高性能的、低成本的、適用測量和自動化系統的布置平臺。自動化系統的布置平臺。 整理ppt14.3.2 模塊化總線模塊化總線n4. VXIn5. PCMCIA整理ppt14.4 儀器驅動程序儀器驅動程序n計算機與儀器進行通訊的方式有兩種n一種是基于寄存器的通信方式，n另一種是基于消息的通信方式。n具體采用哪種方式由儀器本身決定。 整理ppt14.4 儀器驅動程序儀器驅動程序n一個儀器驅動程序是一個包括高層函數的庫，這些高層函數支持控制某個儀器或某個儀器簇。n一個儀器驅動程序是一個軟件例程集合，該集合對應于一個計劃的操作，如配置儀器、從儀器讀取

20、、向儀器寫入和觸發儀器等。n它將底層的通信命令或寄存器配置等封裝起來，用戶只需要調用封裝好的函數庫就能輕松實現對應于該儀器的任何功能。 整理ppt14.4 儀器驅動程序儀器驅動程序n為了滿足儀器控制和測試應用不同需求，存在兩種不同類型的儀器驅動程序:n即插即用驅動程序n可互換的虛擬儀器（IVI）驅動程序n直接I/O 整理ppt14.4 儀器驅動程序儀器驅動程序n IVI、Plug&Play和和Direct I/O三種方三種方式比較式比較 整理ppt14.4.1 可編程儀器標準命令SCPI n對于采用基于消息的通信方式，理論上來說消息的格式可以任意。不同的儀器可以采用不同的消息解析方式，

21、譬如儀器A發送“A”表示讀回儀器名稱，儀器B可以發送“B”表示讀回儀器名稱。 nSCPI聯盟推出了可編程儀器標準命令SCPI(Standard Commands for Programmable Instruments)旨在規范一套標準的命令集。該命令集只是一個規范，和硬件無關。無論是基于GPIB，串口還是VXI的任何儀器都可以采用符合SCPI標準的命令集。整理ppt14.4.1 可編程儀器標準命令SCPInSCPI命令與編程語言無關。LabVIEW提供的MAX和儀器I/O助手都可以向指定儀器發送命令。整理ppt14.4.1 可編程儀器標準命令SCPIn例如Tektronix TDS220示波

22、器的SCPI命令集的例子：n（1）*IDN?返回儀器標識，采用IEEE 488.2標記法；n（2）CH:PRObe?查詢通道x的探頭衰減；n（3）HARDCopy:FORMat BMP設置硬拷貝格式為BMP格式。整理ppt14.4.2 VISA n虛擬儀器軟件架構（VISAVirtual Instruments Software Architecture）的目的是通過減少系統的建立時間來提高效率。 n隨著儀器類型的不斷增加和測試系統復雜化的提高，人們不希望為每一種硬件接口都要編寫不同的程序，因此I/O接口無關性對于I/O控制軟件來說變得至關重要。 整理ppt14.4.2 VISAn通過VISA

23、用戶能與大多數儀器總線連接，包括GPIB、USB、串口、PXI、VXI和以太網。而無論底層是何種硬件接口，用戶只需要面對統一的編程接口VISA 整理ppt14.4.2 VISAnVISA函數面板函數面板整理ppt14.4.2 VISA通過通過VISA讀寫讀寫GPIB設備設備通過通過VISA讀寫串口設備讀寫串口設備整理ppt14.4.2 VISAn在VISA Advanced面板下有更多的VISA高級函數。此外，為了更細節的控制譬如GPIB，串口和USB等接口，LabVIEW還提供了基于VISA的高級控制函數。這些函數在Instrument I/O面板面板下都能找到。 n譬如Instrument

24、 I/O-Serial面板下提供的串口配置函數可以對串口進行詳細的配置，譬如超時時間、波特率、數據位和奇偶校驗等。整理ppt14.4.2 VISA整理ppt14.4.3 IVI可互換的虛擬儀器驅動程序可互換的虛擬儀器驅動程序n雖然VISA實現了程序與硬件接口的不相關性，但是并沒有實現儀器的可交換性。nIVI驅動程序是更為復雜的儀器驅動程序，它的特點在于為那些需要可互換性、狀態緩存或儀器仿真的更為復雜的測試應用提高了性能和靈活性。 nIVI驅動是NI測試系統中一個完整的組件。它基于VISA并被集成在NI提供的應用程序開發環境中。 整理ppt14.4.3 IVI可互換的虛擬儀器驅動程序可互換的虛擬

25、儀器驅動程序nIVI構架將傳統的儀器驅動程序分為兩部分：n儀器專用驅動n通用類驅動 整理ppt14.4.3 IVI可互換的虛擬儀器驅動程序可互換的虛擬儀器驅動程序n IVI整體構架整體構架整理ppt14.4.3 IVI可互換的虛擬儀器驅動程序可互換的虛擬儀器驅動程序nIVI儀器驅動技術具有如下優點： n高性能高性能n儀器仿真能力儀器仿真能力n儀器互換能力儀器互換能力n開發靈活性開發靈活性整理ppt14.4.3 IVI可互換的虛擬儀器驅動程序可互換的虛擬儀器驅動程序n目前為止，IVI基金會已經制定了八類儀器規范（IVI基金會的目標是支持某一確定類儀器中95%的儀器），基本上涵蓋了測試系統中常用的

26、儀器類型。nIVI示波器類（ScopeIVI Oscilloscope）nIVI數字萬用表類（DMMIVI Digital Multimeter）nIVI函數發生器類(FGenIVI Function Generator)nIVI直流電源類（DC Pwr SupplyIVI DC Power Supply）nIVI開關類（SwitchIVI Switch）nIVI功率計類（Power MeterIVI Power Meter）nIVI射頻信號發生器類（RF Sig GenIVI RF Signal Generator）nIVI頻譜分析儀類（Spec AnIVI Spectrum Analyzer）整理ppt14.4.3 IVI可互換的虛擬儀器驅動程序可互換的虛擬儀器驅動程序nIVI儀器驅動函數面板儀器驅動函數面板 整理ppt14.4.3 IVI可互換的虛擬儀器驅動程序可互換的虛擬儀器驅動程序n舉例：通過IVI示波器類驅動寫一個仿真示波器程序 整理ppt14.4.3 IVI可互換的虛擬儀器驅動程序可互換的虛擬儀器驅動程序n通過通過IVI儀器驅動實現的示波器界面儀器驅動實現的示波器界面 整理ppt14.5 直接直接I/O（Direc