第14章數(shù)據(jù)采集與儀器控制第14章數(shù)據(jù)采集與儀器控制1引子數(shù)據(jù)采集與儀器控制是LabVIEW最具競爭力的核心技術(shù)之一。NI公司提供了種類豐富的硬件設(shè)備以滿足不同的測量與控制需求，其中包括數(shù)據(jù)采集(DAQ)硬件、實(shí)時測量與控制、PXI與CompactPCI、信號調(diào)理、開關(guān)、分布式I/O、機(jī)器視覺、運(yùn)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(shè)備。應(yīng)用遍布電子、機(jī)械、通信、汽車制造、生物、醫(yī)藥、化工、科研和教育等各個行業(yè)領(lǐng)域。通過豐富的驅(qū)動程序，LabVIEW能輕松實(shí)現(xiàn)與任何NI提供的硬件設(shè)備通訊。不僅如此，通過通用的驅(qū)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。引子數(shù)據(jù)采集與儀器控制是LabVIEW最具競爭力的核心技術(shù)之2安裝驅(qū)動安裝驅(qū)動3本章內(nèi)容14.1數(shù)據(jù)采集（DAQ）14.1.1數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的構(gòu)成14.1.2NI-DAQmx14.2儀器控制簡介14.3選擇合適的總線14.4儀器驅(qū)動程序14.4.1可編程儀器標(biāo)準(zhǔn)命令SCPI14.4.2VISA14.4.3IVI——可互換的虛擬儀器驅(qū)動程序14.5直接I/O（DirectI/O）14.5.1儀器I/O助手（InstrumentI/OAssistant）14.5.2PortI/O14.5.3NISpy——調(diào)試驅(qū)動的好幫手14.6與第三方硬件連接本章內(nèi)容14.1數(shù)據(jù)采集（DAQ）414.1.1數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的構(gòu)成數(shù)據(jù)采集（DataAcQuisition，DAQ）是指從傳感器和其它待測設(shè)備等模擬或數(shù)字被測單元中自動采集信息的過程。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是結(jié)合基于計算機(jī)的測量軟硬件產(chǎn)品來實(shí)現(xiàn)靈活的、用戶自定義的測量系統(tǒng)。一個完整的DAQ系統(tǒng)包括傳感器或變換器、信號調(diào)理設(shè)備、數(shù)據(jù)采集和分析硬件、計算機(jī)、驅(qū)動程序和應(yīng)用軟件等。14.1.1數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的構(gòu)成數(shù)據(jù)采集（DataAcQu514.1.1數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的構(gòu)成典型的基于PC的數(shù)據(jù)采集(DAQ)系統(tǒng)

14.1.1數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的構(gòu)成典型的基于PC的數(shù)據(jù)采集(D614.1.1數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的構(gòu)成1.傳感器和變換器傳感器感應(yīng)物理信息并生成可測量的電信號。例如熱電偶、電阻式測溫計（RTD）、熱敏電阻器和IC傳感器可以把溫度轉(zhuǎn)變?yōu)锳DC可測量的模擬信號。

14.1.1數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的構(gòu)成1.傳感器和變換器714.1.1數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的構(gòu)成2.信號調(diào)理從傳感器得到的信號可能會很微弱，或者含有大量噪聲，或者是非線性的等等，這種信號在進(jìn)入采集卡之前必須經(jīng)過信號調(diào)理。信號調(diào)理的方法主要包括放大、衰減、隔離、多路復(fù)用、濾波、激勵和數(shù)字信號調(diào)理等

14.1.1數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的構(gòu)成2.信號調(diào)理814.1.1數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的構(gòu)成3.數(shù)據(jù)采集設(shè)備通過信號調(diào)理后的信號就可以與數(shù)據(jù)采集設(shè)備連接了。通常情況下數(shù)據(jù)采集設(shè)備是一個數(shù)據(jù)采集卡，與計算機(jī)的連接可以采用多種方式。NI的數(shù)據(jù)采集設(shè)備支持的總線類型包括PCI、PCIExpress、PXI、PCMCIA、USB、CompactFlash、Ethernet以及火線等各種總線。數(shù)據(jù)采集卡的功能包括模擬輸入、模擬輸出、數(shù)字I/O、觸發(fā)采集和定時I/O。14.1.1數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的構(gòu)成3.數(shù)據(jù)采集設(shè)備914.1.1數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的構(gòu)成4.PC與軟件軟件使PC與數(shù)據(jù)采集硬件形成了一個完整的數(shù)據(jù)采集、分析和顯示系統(tǒng)。軟件分為驅(qū)動程序和上層應(yīng)用程序。驅(qū)動程序可以直接對數(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(nèi)存這樣的計算機(jī)資源結(jié)合在一起。驅(qū)動程序隱藏了復(fù)雜的硬件底層編程細(xì)節(jié)，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(qū)動程序。上層應(yīng)用程序用來完成數(shù)據(jù)的分析，存儲和顯示等。LabVIEW就是一個極佳的開發(fā)上層應(yīng)用程序的開發(fā)平臺。

14.1.1數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的構(gòu)成4.PC與軟件1014.1.2NI-DAQmxNI-DAQmx是LabVIEW7.0以來新增的DAQ軟件。它包括支持200多種NI數(shù)據(jù)采集設(shè)備的驅(qū)動，并提供相應(yīng)的VI函數(shù)。此外它還包括Measurement&AutomationExplorer(MAX)、數(shù)據(jù)采集助理(DAQAssistant)以及VILogger數(shù)據(jù)記錄軟件。通過這些工具并結(jié)合LabVIEW可以節(jié)省大量的系統(tǒng)配置、開發(fā)和記錄數(shù)據(jù)的時間。14.1.2NI-DAQmxNI-DAQmx是LabVIE1114.1.2NI-DAQmx1.Measurement&AutomationExplorer(MAX)快速檢測及配置所有硬件通過測試面板驗(yàn)證硬件的運(yùn)作狀況實(shí)施簡便、交互式的測量給Ι/Ο通道命名14.1.2NI-DAQmx1.Measurement1214.1.2NI-DAQmx舉例：通過MAX配置串口屬性

14.1.2NI-DAQmx舉例：通過MAX配置串口屬性1314.1.2NI-DAQmx測試串口操作

14.1.2NI-DAQmx測試串口操作1414.1.2NI-DAQmx2.DAQ助手（DAQAssistant）DAQ助手提供了一個對話框式的向?qū)в糜跍y量任務(wù)的配置、測試和自動代碼生成。配合ExpressVI，通過DAQAssistant可以在數(shù)分鐘內(nèi)搭建一個專業(yè)的數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)。14.1.2NI-DAQmx2.DAQ助手（DAQAs1514.1.2NI-DAQmx

配置虛擬通道

14.1.2NI-DAQmx配置虛擬通道1614.1.2NI-DAQmx自動生成代碼

14.1.2NI-DAQmx自動生成代碼1714.2儀器控制簡介儀器控制是指通過PC上的軟件遠(yuǎn)程控制總線上的一臺或多臺儀器。它比單純的數(shù)據(jù)采集要復(fù)雜的多。它需要將儀器或設(shè)備與計算機(jī)連接起來協(xié)同工作，同時還可以根據(jù)需要延伸和拓展儀器的功能。通過計算機(jī)強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理、分析、顯示和存儲能力，可以極大的擴(kuò)充儀器的功能，這就是虛擬儀器的基本含義。14.2儀器控制簡介儀器控制是指通過PC上的軟件遠(yuǎn)程控制總1814.2儀器控制簡介一個完整的儀器控制系統(tǒng)除了包括計算機(jī)和儀器外，還必須建立儀器與計算機(jī)的通路以及上層應(yīng)用程序。通路包括總線和針對不同儀器的驅(qū)動程序上層應(yīng)用程序用于發(fā)送控制命令、儀器的控制面板顯示以及數(shù)據(jù)的采集、處理、分析、顯示和存儲等。14.2儀器控制簡介一個完整的儀器控制系統(tǒng)除了包括計算機(jī)和1914.2儀器控制簡介基于LabVIEW的儀器控制系統(tǒng)構(gòu)架

LabVIEW圖形化開發(fā)環(huán)境InstrumentDriversDirectI/O(InstrumentI/OAssistant)GPIB串口以太網(wǎng)PXIVXIUSBOPC，ActiveX，DLL，SharedVariableCANModBus無線InstrumentsInstrumentsInstrumentsInstrumentsPCIPCIExpress火線…14.2儀器控制簡介基于LabVIEW的儀器控制系統(tǒng)構(gòu)架2014.3選擇合適的總線在開發(fā)一個測量系統(tǒng)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(shè)備一樣重要。硬件總線可以影響測量的性能、系統(tǒng)搭建時間和便攜性等。14.3選擇合適的總線在開發(fā)一個測量系統(tǒng)時，選擇正確的總線2114.3選擇合適的總線獨(dú)立總線，用于架式和堆式儀器的通信。獨(dú)立總線包括T&M專用總線（如GPIB）和PC標(biāo)準(zhǔn)總線（如串行總線RS-232、以太網(wǎng)、USB、無線和IEEE1394）。一些獨(dú)立總線可用作其他獨(dú)立總線的中介，如USB到GPIB的轉(zhuǎn)換器。模塊化總線，將接口總線合并到儀器中。模塊化總線包括PCI、PCIExpress、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(dú)立總線的中介，如PCI-GPIB控制卡。14.3選擇合適的總線獨(dú)立總線，用于架式和堆式儀器的通信。2214.3.1獨(dú)立總線1.GPIB通用接口總線（GPIB－GeneralPurposeInterfaceBus）是獨(dú)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(yīng)用設(shè)計的。GPIB是一種數(shù)字的、8位并行通信接口，數(shù)據(jù)傳輸速率高達(dá)8M字節(jié)/秒。該總線可為一個系統(tǒng)控制器提供多達(dá)15臺儀器連接，連線長度小于20米。PC本身很少帶有GPIB。實(shí)際上，用戶通常使用一個插卡（如PCI-GPIB）或一個外部轉(zhuǎn)換器（如GPIB-USB）在自己的PC中增加GPIB儀器控制功能。14.3.1獨(dú)立總線1.GPIB2314.3.1獨(dú)立總線2.串行總線（RS-232和RS-485）RS-232是串行通信規(guī)范，是傳統(tǒng)意義上的“串行”總線的最為常見的規(guī)范。RS-232也是一個相對較慢的接口，典型的數(shù)據(jù)速率低于20k字節(jié)/秒，雖然有些產(chǎn)品能夠達(dá)到更高的數(shù)據(jù)吞吐量。由于RS-232連線長度最長只能達(dá)到15米，而且只能點(diǎn)對點(diǎn)通訊，不適合工業(yè)現(xiàn)場應(yīng)用。因此出現(xiàn)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(dá)到1200米。PC上都不帶RS-485的接口，因此在接入電腦前需要通過485-232轉(zhuǎn)換器或485-USB轉(zhuǎn)換器才能接入PC。14.3.1獨(dú)立總線2.串行總線（RS-232和RS-42414.3.1獨(dú)立總線3.USB通用串行總線（USB-UniversalSerialBus）的設(shè)計主要用于將PC的外圍設(shè)備（如鍵盤、鼠標(biāo)、掃描儀和移動硬盤等）連接到PC。USB是一項即插即用技術(shù)最初的USB1.1規(guī)范定義了兩種數(shù)據(jù)傳輸模式和速度：低速模式（Low-Speed）（最大吞吐量可達(dá)1.5Mbits/s或200Kbytes/s）和全速模式（Full-Speed）（最大吞吐量可達(dá)12Mbits/s或1.5Mbytes/s）。最新的USB規(guī)范——USB2.0完全后向兼容低速和全速設(shè)備，同時也定義了一種新的高速模式（Hi-Speed），該模式下數(shù)據(jù)傳輸速率高達(dá)480Mbits/s。14.3.1獨(dú)立總線3.USB2514.3.1獨(dú)立總線4.以太網(wǎng)5.CAN6.IEEE1394(火線)7.無線14.3.1獨(dú)立總線4.以太網(wǎng)2614.3.2模塊化總線1.PCIPCI總線是當(dāng)今使用最廣泛的計算機(jī)內(nèi)部總線之一。

一般的計算機(jī)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(dá)到1056Mbits/s。14.3.2模塊化總線1.PCI2714.3.2模塊化總線2.PCIExpress當(dāng)PC應(yīng)用需要更大量帶寬時，PCI總線在許多情況下達(dá)到了其物理極限?；疚锢韺佑捎米饕粋€發(fā)送對和一個接收對的一對單工通道構(gòu)成。每個方向的最初速率2.5Gbits/s為該方向提供了一個200MBytes/s的通信信道，這接近標(biāo)準(zhǔn)PCI數(shù)據(jù)速率的四倍。

類似PCI，PCIExpress的典型應(yīng)用不是直接用于儀器控制，而是作為外圍總線將GPIB設(shè)備連接到PC以用于儀器控制。但由于其很高的速率，PCIExpress可用作模塊化儀器的通信總線。此外，PCIExpress還支持熱交換和熱插拔功能。14.3.2模塊化總線2.PCIExpress2814.3.2模塊化總線3.PXI/CompactPCIPXI將PCI電氣總線特性與堅固的、模塊化的、歐洲卡機(jī)械封裝的CompactPCI相結(jié)合，并增加了專門的同步總線和關(guān)鍵的軟件特性，從而能夠承受常常存在于工業(yè)應(yīng)用中的惡劣環(huán)境。這使得PXI成為一個高性能的、低成本的、適用測量和自動化系統(tǒng)的布置平臺。

14.3.2模塊化總線3.PXI/CompactPCI2914.3.2模塊化總線4.VXI5.PCMCIA14.3.2模塊化總線4.VXI3014.4儀器驅(qū)動程序計算機(jī)與儀器進(jìn)行通訊的方式有兩種一種是基于寄存器的通信方式，另一種是基于消息的通信方式。具體采用哪種方式由儀器本身決定。14.4儀器驅(qū)動程序計算機(jī)與儀器進(jìn)行通訊的方式有兩種3114.4儀器驅(qū)動程序一個儀器驅(qū)動程序是一個包括高層函數(shù)的庫，這些高層函數(shù)支持控制某個儀器或某個儀器簇。一個儀器驅(qū)動程序是一個軟件例程集合，該集合對應(yīng)于一個計劃的操作，如配置儀器、從儀器讀取、向儀器寫入和觸發(fā)儀器等。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(diào)用封裝好的函數(shù)庫就能輕松實(shí)現(xiàn)對應(yīng)于該儀器的任何功能。14.4儀器驅(qū)動程序一個儀器驅(qū)動程序是一個包括高層函數(shù)的庫3214.4儀器驅(qū)動程序?yàn)榱藵M足儀器控制和測試應(yīng)用不同需求，存在兩種不同類型的儀器驅(qū)動程序:即插即用驅(qū)動程序可互換的虛擬儀器（IVI）驅(qū)動程序直接I/O14.4儀器驅(qū)動程序?yàn)榱藵M足儀器控制和測試應(yīng)用不同需求，存3314.4儀器驅(qū)動程序

IVI、Plug&Play和DirectI/O三種方式比較

14.4儀器驅(qū)動程序IVI、Plug&Play和Dire3414.4.1可編程儀器標(biāo)準(zhǔn)命令SCPI

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，譬如儀器A發(fā)送“A”表示讀回儀器名稱，儀器B可以發(fā)送“B”表示讀回儀器名稱。SCPI聯(lián)盟推出了可編程儀器標(biāo)準(zhǔn)命令SCPI(StandardCommandsforProgrammableInstruments)旨在規(guī)范一套標(biāo)準(zhǔn)的命令集。該命令集只是一個規(guī)范，和硬件無關(guān)。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(biāo)準(zhǔn)的命令集。14.4.1可編程儀器標(biāo)準(zhǔn)命令SCPI對于采用基于消息的3514.4.1可編程儀器標(biāo)準(zhǔn)命令SCPISCPI命令與編程語言無關(guān)。LabVIEW提供的MAX和儀器I/O助手都可以向指定儀器發(fā)送命令。14.4.1可編程儀器標(biāo)準(zhǔn)命令SCPISCPI命令與編程語3614.4.1可編程儀器標(biāo)準(zhǔn)命令SCPI例如TektronixTDS220示波器的SCPI命令集的例子：（1）*IDN?——返回儀器標(biāo)識，采用IEEE488.2標(biāo)記法；（2）CH<x>:PRObe?——查詢通道x的探頭衰減；（3）HARDCopy:FORMatBMP——設(shè)置硬拷貝格式為BMP格式。14.4.1可編程儀器標(biāo)準(zhǔn)命令SCPI例如Tektroni3714.4.2VISA

虛擬儀器軟件架構(gòu)（VISA——VirtualInstrumentsSoftwareArchitecture）的目的是通過減少系統(tǒng)的建立時間來提高效率。隨著儀器類型的不斷增加和測試系統(tǒng)復(fù)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(guān)性對于I/O控制軟件來說變得至關(guān)重要。14.4.2VISA虛擬儀器軟件架構(gòu)（VISA——Vir3814.4.2VISA通過VISA用戶能與大多數(shù)儀器總線連接，包括GPIB、USB、串口、PXI、VXI和以太網(wǎng)。而無論底層是何種硬件接口，用戶只需要面對統(tǒng)一的編程接口——VISA14.4.2VISA通過VISA用戶能與大多數(shù)儀器總線連接3914.4.2VISAVISA函數(shù)面板14.4.2VISAVISA函數(shù)面板4014.4.2VISA通過VISA讀寫GPIB設(shè)備通過VISA讀寫串口設(shè)備14.4.2VISA通過VISA讀寫GPIB設(shè)備通過VIS4114.4.2VISA在VISAAdvanced面板下有更多的VISA高級函數(shù)。此外，為了更細(xì)節(jié)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(shù)。這些函數(shù)在InstrumentI/O面板下都能找到。譬如InstrumentI/O->Serial面板下提供的串口配置函數(shù)可以對串口進(jìn)行詳細(xì)的配置，譬如超時時間、波特率、數(shù)據(jù)位和奇偶校驗(yàn)等。14.4.2VISA在VISAAdvanced面板下有更4214.4.2VISA14.4.2VISA4314.4.3IVI——可互換的虛擬儀器驅(qū)動程序雖然VISA實(shí)現(xiàn)了程序與硬件接口的不相關(guān)性，但是并沒有實(shí)現(xiàn)儀器的可交換性。IVI驅(qū)動程序是更為復(fù)雜的儀器驅(qū)動程序，它的特點(diǎn)在于為那些需要可互換性、狀態(tài)緩存或儀器仿真的更為復(fù)雜的測試應(yīng)用提高了性能和靈活性。IVI驅(qū)動是NI測試系統(tǒng)中一個完整的組件。它基于VISA并被集成在NI提供的應(yīng)用程序開發(fā)環(huán)境中。14.4.3IVI——可互換的虛擬儀器驅(qū)動程序雖然VISA4414.4.3IVI——可互換的虛擬儀器驅(qū)動程序IVI構(gòu)架將傳統(tǒng)的儀器驅(qū)動程序分為兩部分：儀器專用驅(qū)動通用類驅(qū)動14.4.3IVI——可互換的虛擬儀器驅(qū)動程序IVI構(gòu)架將4514.4.3IVI——可互換的虛擬儀器驅(qū)動程序

IVI整體構(gòu)架14.4.3IVI——可互換的虛擬儀器驅(qū)動程序IVI整體4614.4.3IVI——可互換的虛擬儀器驅(qū)動程序IVI儀器驅(qū)動技術(shù)具有如下優(yōu)點(diǎn)：高性能儀器仿真能力儀器互換能力開發(fā)靈活性14.4.3IVI——可互換的虛擬儀器驅(qū)動程序IVI儀器驅(qū)4714.4.3IVI——可互換的虛擬儀器驅(qū)動程序目前為止，IVI基金會已經(jīng)制定了八類儀器規(guī)范（IVI基金會的目標(biāo)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(tǒng)中常用的儀器類型。IVI示波器類（Scope——IVIOscilloscope）IVI數(shù)字萬用表類（DMM——IVIDigitalMultimeter）IVI函數(shù)發(fā)生器類(FGen——IVIFunctionGenerator)IVI直流電源類（DCPwrSupply——IVIDCPowerSupply）IVI開關(guān)類（Switch——IVISwitch）IVI功率計類（PowerMeter——IVIPowerMeter）IVI射頻信號發(fā)生器類（RFSigGen——IVIRFSignalGenerator）IVI頻譜分析儀類（SpecAn——IVISpectrumAnalyzer）14.4.3IVI——可互換的虛擬儀器驅(qū)動程序目前為止，I4814.4.3IVI——可互換的虛擬儀器驅(qū)動程序IVI儀器驅(qū)動函數(shù)面板

14.4.3IVI——可互換的虛擬儀器驅(qū)動程序IVI儀器驅(qū)4914.4.3IVI——可互換的虛擬儀器驅(qū)動程序舉例：通過IVI示波器類驅(qū)動寫一個仿真示波器程序14.4.3IVI——可互換的虛擬儀器驅(qū)動程序舉例：通過I5014.4.3IVI——可互換的虛擬儀器驅(qū)動程序通過IVI儀器驅(qū)動實(shí)現(xiàn)的示波器界面

14.4.3IVI——可互換的虛擬儀器驅(qū)動程序通過IVI儀5114.5直接I/O（DirectI/O）如果沒有儀器的VISA或IVI驅(qū)動可得，那么你就需要利用集成至軟件開發(fā)環(huán)境中的交互式、直接I/O功能。14.5直接I/O（DirectI/O）如果沒有儀器的V5214.5.1儀器I/O助手（InstrumentI/OAssistant）儀器I/O助手提供了一個用戶界面來交互式地向一個設(shè)備寫入命令、讀取設(shè)備以及指定如何將響應(yīng)解析成與應(yīng)用相關(guān)的格式。

14.5.1儀器I/O助手（InstrumentI/OA5314.5.1儀器I/O助手（InstrumentI/OAssistant）

讀取數(shù)據(jù)并解析

14.5.1儀器I/O助手（InstrumentI/OA5414.5.1儀器I/O助手（InstrumentI/OAssistant）通過儀器I/O助手實(shí)現(xiàn)的測試程序14.5.1儀器I/O助手（InstrumentI/OA5514.5.2PortI/O儀器I/O助手是針對基于消息格式通信的儀器。對于基于寄存器通信格式的儀器，你只需要向指定的寄存器地址寫入數(shù)據(jù)或讀出數(shù)據(jù)。LabVIEW提供了兩個簡單的PortI/O函數(shù)用于讀寫寄存器端口。

14.5.2PortI/O儀器I/O助手是針對基于消息格5614.5.2PortI/O

通過PortI/O函數(shù)讀寫LPT并口

14.5.2PortI/O通過PortI/O函數(shù)讀寫5714.5.3NISpy——調(diào)試驅(qū)動的好幫手14.5.3NISpy——調(diào)試驅(qū)動的好幫手5814.6與第三方硬件連接LabVIEW擁有靈活的通訊方式以實(shí)現(xiàn)與第三方硬件連接動態(tài)鏈接庫（DLL）TCP/IPDataSocketOPC共享變量ActiveXDDE.net...14.6與第三方硬件連接LabVIEW擁有靈活的通訊方式以59小試身手1.什么是數(shù)據(jù)采集？數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的基本組成部分有哪些？每一部分的主要作用是什么？2.儀器控制和數(shù)據(jù)采集有何區(qū)別？3.比較各種獨(dú)立總線的最大傳輸距離與最大傳輸速率。小試身手1.什么是數(shù)據(jù)采集？數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的基本組成部分有哪60小試身手4.VISA和IVI的區(qū)別是什么？5.利用IVI驅(qū)動編寫一個類似書中圖14.25所示的仿真示波器。6.LabVIEW有哪些方式能與第三方硬件連接？7.利用你目前手邊所擁有的能與計算機(jī)通訊的設(shè)備，結(jié)合本章所學(xué)的知識，實(shí)現(xiàn)LabVIEW與該設(shè)備通訊。小試身手4.VISA和IVI的區(qū)別是什么？61演講完畢，謝謝觀看！演講完畢，謝謝觀看！62第14章數(shù)據(jù)采集與儀器控制第14章數(shù)據(jù)采集與儀器控制63引子數(shù)據(jù)采集與儀器控制是LabVIEW最具競爭力的核心技術(shù)之一。NI公司提供了種類豐富的硬件設(shè)備以滿足不同的測量與控制需求，其中包括數(shù)據(jù)采集(DAQ)硬件、實(shí)時測量與控制、PXI與CompactPCI、信號調(diào)理、開關(guān)、分布式I/O、機(jī)器視覺、運(yùn)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(shè)備。應(yīng)用遍布電子、機(jī)械、通信、汽車制造、生物、醫(yī)藥、化工、科研和教育等各個行業(yè)領(lǐng)域。通過豐富的驅(qū)動程序，LabVIEW能輕松實(shí)現(xiàn)與任何NI提供的硬件設(shè)備通訊。不僅如此，通過通用的驅(qū)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。引子數(shù)據(jù)采集與儀器控制是LabVIEW最具競爭力的核心技術(shù)之64安裝驅(qū)動安裝驅(qū)動65本章內(nèi)容14.1數(shù)據(jù)采集（DAQ）14.1.1數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的構(gòu)成14.1.2NI-DAQmx14.2儀器控制簡介14.3選擇合適的總線14.4儀器驅(qū)動程序14.4.1可編程儀器標(biāo)準(zhǔn)命令SCPI14.4.2VISA14.4.3IVI——可互換的虛擬儀器驅(qū)動程序14.5直接I/O（DirectI/O）14.5.1儀器I/O助手（InstrumentI/OAssistant）14.5.2PortI/O14.5.3NISpy——調(diào)試驅(qū)動的好幫手14.6與第三方硬件連接本章內(nèi)容14.1數(shù)據(jù)采集（DAQ）6614.1.1數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的構(gòu)成數(shù)據(jù)采集（DataAcQuisition，DAQ）是指從傳感器和其它待測設(shè)備等模擬或數(shù)字被測單元中自動采集信息的過程。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是結(jié)合基于計算機(jī)的測量軟硬件產(chǎn)品來實(shí)現(xiàn)靈活的、用戶自定義的測量系統(tǒng)。一個完整的DAQ系統(tǒng)包括傳感器或變換器、信號調(diào)理設(shè)備、數(shù)據(jù)采集和分析硬件、計算機(jī)、驅(qū)動程序和應(yīng)用軟件等。14.1.1數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的構(gòu)成數(shù)據(jù)采集（DataAcQu6714.1.1數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的構(gòu)成典型的基于PC的數(shù)據(jù)采集(DAQ)系統(tǒng)

14.1.1數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的構(gòu)成典型的基于PC的數(shù)據(jù)采集(D6814.1.1數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的構(gòu)成1.傳感器和變換器傳感器感應(yīng)物理信息并生成可測量的電信號。例如熱電偶、電阻式測溫計（RTD）、熱敏電阻器和IC傳感器可以把溫度轉(zhuǎn)變?yōu)锳DC可測量的模擬信號。

14.1.1數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的構(gòu)成1.傳感器和變換器6914.1.1數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的構(gòu)成2.信號調(diào)理從傳感器得到的信號可能會很微弱，或者含有大量噪聲，或者是非線性的等等，這種信號在進(jìn)入采集卡之前必須經(jīng)過信號調(diào)理。信號調(diào)理的方法主要包括放大、衰減、隔離、多路復(fù)用、濾波、激勵和數(shù)字信號調(diào)理等

14.1.1數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的構(gòu)成2.信號調(diào)理7014.1.1數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的構(gòu)成3.數(shù)據(jù)采集設(shè)備通過信號調(diào)理后的信號就可以與數(shù)據(jù)采集設(shè)備連接了。通常情況下數(shù)據(jù)采集設(shè)備是一個數(shù)據(jù)采集卡，與計算機(jī)的連接可以采用多種方式。NI的數(shù)據(jù)采集設(shè)備支持的總線類型包括PCI、PCIExpress、PXI、PCMCIA、USB、CompactFlash、Ethernet以及火線等各種總線。數(shù)據(jù)采集卡的功能包括模擬輸入、模擬輸出、數(shù)字I/O、觸發(fā)采集和定時I/O。14.1.1數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的構(gòu)成3.數(shù)據(jù)采集設(shè)備7114.1.1數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的構(gòu)成4.PC與軟件軟件使PC與數(shù)據(jù)采集硬件形成了一個完整的數(shù)據(jù)采集、分析和顯示系統(tǒng)。軟件分為驅(qū)動程序和上層應(yīng)用程序。驅(qū)動程序可以直接對數(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(nèi)存這樣的計算機(jī)資源結(jié)合在一起。驅(qū)動程序隱藏了復(fù)雜的硬件底層編程細(xì)節(jié)，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(qū)動程序。上層應(yīng)用程序用來完成數(shù)據(jù)的分析，存儲和顯示等。LabVIEW就是一個極佳的開發(fā)上層應(yīng)用程序的開發(fā)平臺。

14.1.1數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的構(gòu)成4.PC與軟件7214.1.2NI-DAQmxNI-DAQmx是LabVIEW7.0以來新增的DAQ軟件。它包括支持200多種NI數(shù)據(jù)采集設(shè)備的驅(qū)動，并提供相應(yīng)的VI函數(shù)。此外它還包括Measurement&AutomationExplorer(MAX)、數(shù)據(jù)采集助理(DAQAssistant)以及VILogger數(shù)據(jù)記錄軟件。通過這些工具并結(jié)合LabVIEW可以節(jié)省大量的系統(tǒng)配置、開發(fā)和記錄數(shù)據(jù)的時間。14.1.2NI-DAQmxNI-DAQmx是LabVIE7314.1.2NI-DAQmx1.Measurement&AutomationExplorer(MAX)快速檢測及配置所有硬件通過測試面板驗(yàn)證硬件的運(yùn)作狀況實(shí)施簡便、交互式的測量給Ι/Ο通道命名14.1.2NI-DAQmx1.Measurement7414.1.2NI-DAQmx舉例：通過MAX配置串口屬性

14.1.2NI-DAQmx舉例：通過MAX配置串口屬性7514.1.2NI-DAQmx測試串口操作

14.1.2NI-DAQmx測試串口操作7614.1.2NI-DAQmx2.DAQ助手（DAQAssistant）DAQ助手提供了一個對話框式的向?qū)в糜跍y量任務(wù)的配置、測試和自動代碼生成。配合ExpressVI，通過DAQAssistant可以在數(shù)分鐘內(nèi)搭建一個專業(yè)的數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)。14.1.2NI-DAQmx2.DAQ助手（DAQAs7714.1.2NI-DAQmx

配置虛擬通道

14.1.2NI-DAQmx配置虛擬通道7814.1.2NI-DAQmx自動生成代碼

14.1.2NI-DAQmx自動生成代碼7914.2儀器控制簡介儀器控制是指通過PC上的軟件遠(yuǎn)程控制總線上的一臺或多臺儀器。它比單純的數(shù)據(jù)采集要復(fù)雜的多。它需要將儀器或設(shè)備與計算機(jī)連接起來協(xié)同工作，同時還可以根據(jù)需要延伸和拓展儀器的功能。通過計算機(jī)強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理、分析、顯示和存儲能力，可以極大的擴(kuò)充儀器的功能，這就是虛擬儀器的基本含義。14.2儀器控制簡介儀器控制是指通過PC上的軟件遠(yuǎn)程控制總8014.2儀器控制簡介一個完整的儀器控制系統(tǒng)除了包括計算機(jī)和儀器外，還必須建立儀器與計算機(jī)的通路以及上層應(yīng)用程序。通路包括總線和針對不同儀器的驅(qū)動程序上層應(yīng)用程序用于發(fā)送控制命令、儀器的控制面板顯示以及數(shù)據(jù)的采集、處理、分析、顯示和存儲等。14.2儀器控制簡介一個完整的儀器控制系統(tǒng)除了包括計算機(jī)和8114.2儀器控制簡介基于LabVIEW的儀器控制系統(tǒng)構(gòu)架

LabVIEW圖形化開發(fā)環(huán)境InstrumentDriversDirectI/O(InstrumentI/OAssistant)GPIB串口以太網(wǎng)PXIVXIUSBOPC，ActiveX，DLL，SharedVariableCANModBus無線InstrumentsInstrumentsInstrumentsInstrumentsPCIPCIExpress火線…14.2儀器控制簡介基于LabVIEW的儀器控制系統(tǒng)構(gòu)架8214.3選擇合適的總線在開發(fā)一個測量系統(tǒng)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(shè)備一樣重要。硬件總線可以影響測量的性能、系統(tǒng)搭建時間和便攜性等。14.3選擇合適的總線在開發(fā)一個測量系統(tǒng)時，選擇正確的總線8314.3選擇合適的總線獨(dú)立總線，用于架式和堆式儀器的通信。獨(dú)立總線包括T&M專用總線（如GPIB）和PC標(biāo)準(zhǔn)總線（如串行總線RS-232、以太網(wǎng)、USB、無線和IEEE1394）。一些獨(dú)立總線可用作其他獨(dú)立總線的中介，如USB到GPIB的轉(zhuǎn)換器。模塊化總線，將接口總線合并到儀器中。模塊化總線包括PCI、PCIExpress、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(dú)立總線的中介，如PCI-GPIB控制卡。14.3選擇合適的總線獨(dú)立總線，用于架式和堆式儀器的通信。8414.3.1獨(dú)立總線1.GPIB通用接口總線（GPIB－GeneralPurposeInterfaceBus）是獨(dú)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(yīng)用設(shè)計的。GPIB是一種數(shù)字的、8位并行通信接口，數(shù)據(jù)傳輸速率高達(dá)8M字節(jié)/秒。該總線可為一個系統(tǒng)控制器提供多達(dá)15臺儀器連接，連線長度小于20米。PC本身很少帶有GPIB。實(shí)際上，用戶通常使用一個插卡（如PCI-GPIB）或一個外部轉(zhuǎn)換器（如GPIB-USB）在自己的PC中增加GPIB儀器控制功能。14.3.1獨(dú)立總線1.GPIB8514.3.1獨(dú)立總線2.串行總線（RS-232和RS-485）RS-232是串行通信規(guī)范，是傳統(tǒng)意義上的“串行”總線的最為常見的規(guī)范。RS-232也是一個相對較慢的接口，典型的數(shù)據(jù)速率低于20k字節(jié)/秒，雖然有些產(chǎn)品能夠達(dá)到更高的數(shù)據(jù)吞吐量。由于RS-232連線長度最長只能達(dá)到15米，而且只能點(diǎn)對點(diǎn)通訊，不適合工業(yè)現(xiàn)場應(yīng)用。因此出現(xiàn)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(dá)到1200米。PC上都不帶RS-485的接口，因此在接入電腦前需要通過485-232轉(zhuǎn)換器或485-USB轉(zhuǎn)換器才能接入PC。14.3.1獨(dú)立總線2.串行總線（RS-232和RS-48614.3.1獨(dú)立總線3.USB通用串行總線（USB-UniversalSerialBus）的設(shè)計主要用于將PC的外圍設(shè)備（如鍵盤、鼠標(biāo)、掃描儀和移動硬盤等）連接到PC。USB是一項即插即用技術(shù)最初的USB1.1規(guī)范定義了兩種數(shù)據(jù)傳輸模式和速度：低速模式（Low-Speed）（最大吞吐量可達(dá)1.5Mbits/s或200Kbytes/s）和全速模式（Full-Speed）（最大吞吐量可達(dá)12Mbits/s或1.5Mbytes/s）。最新的USB規(guī)范——USB2.0完全后向兼容低速和全速設(shè)備，同時也定義了一種新的高速模式（Hi-Speed），該模式下數(shù)據(jù)傳輸速率高達(dá)480Mbits/s。14.3.1獨(dú)立總線3.USB8714.3.1獨(dú)立總線4.以太網(wǎng)5.CAN6.IEEE1394(火線)7.無線14.3.1獨(dú)立總線4.以太網(wǎng)8814.3.2模塊化總線1.PCIPCI總線是當(dāng)今使用最廣泛的計算機(jī)內(nèi)部總線之一。

一般的計算機(jī)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(dá)到1056Mbits/s。14.3.2模塊化總線1.PCI8914.3.2模塊化總線2.PCIExpress當(dāng)PC應(yīng)用需要更大量帶寬時，PCI總線在許多情況下達(dá)到了其物理極限。基本物理層由用作一個發(fā)送對和一個接收對的一對單工通道構(gòu)成。每個方向的最初速率2.5Gbits/s為該方向提供了一個200MBytes/s的通信信道，這接近標(biāo)準(zhǔn)PCI數(shù)據(jù)速率的四倍。

類似PCI，PCIExpress的典型應(yīng)用不是直接用于儀器控制，而是作為外圍總線將GPIB設(shè)備連接到PC以用于儀器控制。但由于其很高的速率，PCIExpress可用作模塊化儀器的通信總線。此外，PCIExpress還支持熱交換和熱插拔功能。14.3.2模塊化總線2.PCIExpress9014.3.2模塊化總線3.PXI/CompactPCIPXI將PCI電氣總線特性與堅固的、模塊化的、歐洲卡機(jī)械封裝的CompactPCI相結(jié)合，并增加了專門的同步總線和關(guān)鍵的軟件特性，從而能夠承受常常存在于工業(yè)應(yīng)用中的惡劣環(huán)境。這使得PXI成為一個高性能的、低成本的、適用測量和自動化系統(tǒng)的布置平臺。

14.3.2模塊化總線3.PXI/CompactPCI9114.3.2模塊化總線4.VXI5.PCMCIA14.3.2模塊化總線4.VXI9214.4儀器驅(qū)動程序計算機(jī)與儀器進(jìn)行通訊的方式有兩種一種是基于寄存器的通信方式，另一種是基于消息的通信方式。具體采用哪種方式由儀器本身決定。14.4儀器驅(qū)動程序計算機(jī)與儀器進(jìn)行通訊的方式有兩種9314.4儀器驅(qū)動程序一個儀器驅(qū)動程序是一個包括高層函數(shù)的庫，這些高層函數(shù)支持控制某個儀器或某個儀器簇。一個儀器驅(qū)動程序是一個軟件例程集合，該集合對應(yīng)于一個計劃的操作，如配置儀器、從儀器讀取、向儀器寫入和觸發(fā)儀器等。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(diào)用封裝好的函數(shù)庫就能輕松實(shí)現(xiàn)對應(yīng)于該儀器的任何功能。14.4儀器驅(qū)動程序一個儀器驅(qū)動程序是一個包括高層函數(shù)的庫9414.4儀器驅(qū)動程序?yàn)榱藵M足儀器控制和測試應(yīng)用不同需求，存在兩種不同類型的儀器驅(qū)動程序:即插即用驅(qū)動程序可互換的虛擬儀器（IVI）驅(qū)動程序直接I/O14.4儀器驅(qū)動程序?yàn)榱藵M足儀器控制和測試應(yīng)用不同需求，存9514.4儀器驅(qū)動程序

IVI、Plug&Play和DirectI/O三種方式比較

14.4儀器驅(qū)動程序IVI、Plug&Play和Dire9614.4.1可編程儀器標(biāo)準(zhǔn)命令SCPI

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，譬如儀器A發(fā)送“A”表示讀回儀器名稱，儀器B可以發(fā)送“B”表示讀回儀器名稱。SCPI聯(lián)盟推出了可編程儀器標(biāo)準(zhǔn)命令SCPI(StandardCommandsforProgrammableInstruments)旨在規(guī)范一套標(biāo)準(zhǔn)的命令集。該命令集只是一個規(guī)范，和硬件無關(guān)。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(biāo)準(zhǔn)的命令集。14.4.1可編程儀器標(biāo)準(zhǔn)命令SCPI對于采用基于消息的9714.4.1可編程儀器標(biāo)準(zhǔn)命令SCPISCPI命令與編程語言無關(guān)。LabVIEW提供的MAX和儀器I/O助手都可以向指定儀器發(fā)送命令。14.4.1可編程儀器標(biāo)準(zhǔn)命令SCPISCPI命令與編程語9814.4.1可編程儀器標(biāo)準(zhǔn)命令SCPI例如TektronixTDS220示波器的SCPI命令集的例子：（1）*IDN?——返回儀器標(biāo)識，采用IEEE488.2標(biāo)記法；（2）CH<x>:PRObe?——查詢通道x的探頭衰減；（3）HARDCopy:FORMatBMP——設(shè)置硬拷貝格式為BMP格式。14.4.1可編程儀器標(biāo)準(zhǔn)命令SCPI例如Tektroni9914.4.2VISA

虛擬儀器軟件架構(gòu)（VISA——VirtualInstrumentsSoftwareArchitecture）的目的是通過減少系統(tǒng)的建立時間來提高效率。隨著儀器類型的不斷增加和測試系統(tǒng)復(fù)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(guān)性對于I/O控制軟件來說變得至關(guān)重要。14.4.2VISA虛擬儀器軟件架構(gòu)（VISA——Vir10014.4.2VISA通過VISA用戶能與大多數(shù)儀器總線連接，包括GPIB、USB、串口、PXI、VXI和以太網(wǎng)。而無論底層是何種硬件接口，用戶只需要面對統(tǒng)一的編程接口——VISA14.4.2VISA通過VISA用戶能與大多數(shù)儀器總線連接10114.4.2VISAVISA函數(shù)面板14.4.2VISAVISA函數(shù)面板10214.4.2VISA通過VISA讀寫GPIB設(shè)備通過VISA讀寫串口設(shè)備14.4.2VISA通過VISA讀寫GPIB設(shè)備通過VIS10314.4.2VISA在VISAAdvanced面板下有更多的VISA高級函數(shù)。此外，為了更細(xì)節(jié)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(shù)。這些函數(shù)在InstrumentI/O面板下都能找到。譬如InstrumentI/O->Serial面板下提供的串口配置函數(shù)可以對串口進(jìn)行詳細(xì)的配置，譬如超時時間、波特率、數(shù)據(jù)位和奇偶校驗(yàn)等。14.4.2VISA在VISAAdvanced面板下有更10414.4.2VISA14.4.2VISA10514.4.3IVI——可互換的虛擬儀器驅(qū)動程序雖然VISA實(shí)現(xiàn)了程序與硬件接口的不相關(guān)性，但是并沒有實(shí)現(xiàn)儀器的可交換性。IVI驅(qū)動程序是更為復(fù)雜的儀器驅(qū)動程序，它的特點(diǎn)在于為那些需要可互換性、狀態(tài)緩存或儀器仿真的更為復(fù)雜的測試應(yīng)用提高了性能和靈活性。IVI驅(qū)動是NI測試系統(tǒng)中一個完整的組件。它基于VISA并被集成在NI提供的應(yīng)用程序開發(fā)環(huán)境中。14.4.3IVI——可互換的虛擬儀器驅(qū)動程序雖然VISA10614.4.3IVI——可互換的虛擬儀器驅(qū)動程序IVI構(gòu)架將傳統(tǒng)的儀器驅(qū)動程序分為兩部分：儀器專用驅(qū)動通用類驅(qū)動14.4.3IVI——可互換的虛擬儀器驅(qū)動程序IVI構(gòu)架將10714.4.3IVI——可互換的虛擬儀器驅(qū)動程序

IVI整體構(gòu)架14.4.3IVI——可互換的虛擬儀器驅(qū)動程序IVI整體10814.4.3IVI——可互換的虛擬儀器驅(qū)動程序IVI儀器驅(qū)動技術(shù)具有如下優(yōu)點(diǎn)：高性能儀器仿真能力儀器互換能力開發(fā)靈活性14.4.3IVI——可互換的虛