數據采集與儀器控制第1頁，共61頁，2023年，2月20日，星期五引子數據采集與儀器控制是LabVIEW最具競爭力的核心技術之一。NI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CompactPCI、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。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。第2頁，共61頁，2023年，2月20日，星期五安裝驅動第3頁，共61頁，2023年，2月20日，星期五本章內容14.1數據采集（DAQ）14.1.1數據采集系統的構成14.1.2NI-DAQmx14.2儀器控制簡介14.3選擇合適的總線14.4儀器驅動程序14.4.1可編程儀器標準命令SCPI14.4.2VISA14.4.3IVI——可互換的虛擬儀器驅動程序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——調試驅動的好幫手14.6與第三方硬件連接第4頁，共61頁，2023年，2月20日，星期五14.1.1數據采集系統的構成數據采集（DataAcQuisition，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。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。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。第5頁，共61頁，2023年，2月20日，星期五14.1.1數據采集系統的構成典型的基于PC的數據采集(DAQ)系統

第6頁，共61頁，2023年，2月20日，星期五14.1.1數據采集系統的構成1.傳感器和變換器傳感器感應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變為ADC可測量的模擬信號。

第7頁，共61頁，2023年，2月20日，星期五14.1.1數據采集系統的構成2.信號調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，這種信號在進入采集卡之前必須經過信號調理。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

第8頁，共61頁，2023年，2月20日，星期五14.1.1數據采集系統的構成3.數據采集設備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數據采集卡，與計算機的連接可以采用多種方式。NI的數據采集設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。數據采集卡的功能包括模擬輸入、模擬輸出、數字I/O、觸發采集和定時I/O。第9頁，共61頁，2023年，2月20日，星期五14.1.1數據采集系統的構成4.PC與軟件軟件使PC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。軟件分為驅動程序和上層應用程序。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、DMA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。上層應用程序用來完成數據的分析，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臺。

第10頁，共61頁，2023年，2月20日，星期五14.1.2NI-DAQmxNI-DAQmx是LabVIEW7.0以來新增的DAQ軟件。它包括支持200多種NI數據采集設備的驅動，并提供相應的VI函數。此外它還包括Measurement&AutomationExplorer(MAX)、數據采集助理(DAQAssistant)以及VILogger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。第11頁，共61頁，2023年，2月20日，星期五14.1.2NI-DAQmx1.Measurement&AutomationExplorer(MAX)快速檢測及配置所有硬件通過測試面板驗證硬件的運作狀況實施簡便、交互式的測量給Ι/Ο通道命名第12頁，共61頁，2023年，2月20日，星期五14.1.2NI-DAQmx舉例：通過MAX配置串口屬性

第13頁，共61頁，2023年，2月20日，星期五14.1.2NI-DAQmx測試串口操作

第14頁，共61頁，2023年，2月20日，星期五14.1.2NI-DAQmx2.DAQ助手（DAQAssistant）DAQ助手提供了一個對話框式的向導用于測量任務的配置、測試和自動代碼生成。配合ExpressVI，通過DAQAssistant可以在數分鐘內搭建一個專業的數據獲取系統。第15頁，共61頁，2023年，2月20日，星期五14.1.2NI-DAQmx

配置虛擬通道

第16頁，共61頁，2023年，2月20日，星期五14.1.2NI-DAQmx自動生成代碼

第17頁，共61頁，2023年，2月20日，星期五14.2儀器控制簡介儀器控制是指通過PC上的軟件遠程控制總線上的一臺或多臺儀器。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。通過計算機強大的數據處理、分析、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。第18頁，共61頁，2023年，2月20日，星期五14.2儀器控制簡介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。通路包括總線和針對不同儀器的驅動程序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。第19頁，共61頁，2023年，2月20日，星期五14.2儀器控制簡介基于LabVIEW的儀器控制系統構架

LabVIEW圖形化開發環境InstrumentDriversDirectI/O(InstrumentI/OAssistant)GPIB串口以太網PXIVXIUSBOPC，ActiveX，DLL，SharedVariableCANModBus無線InstrumentsInstrumentsInstrumentsInstrumentsPCIPCIExpress火線…第20頁，共61頁，2023年，2月20日，星期五14.3選擇合適的總線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。硬件總線可以影響測量的性能、系統搭建時間和便攜性等。第21頁，共61頁，2023年，2月20日，星期五14.3選擇合適的總線獨立總線，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-232、以太網、USB、無線和IEEE1394）。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。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增加一個獨立總線的中介，如PCI-GPIB控制卡。第22頁，共61頁，2023年，2月20日，星期五14.3.1獨立總線1.GPIB通用接口總線（GPIB－GeneralPurposeInterfaceBus）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。GPIB是一種數字的、8位并行通信接口，數據傳輸速率高達8M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。PC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。第23頁，共61頁，2023年，2月20日，星期五14.3.1獨立總線2.串行總線（RS-232和RS-485）RS-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。RS-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。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。PC上都不帶RS-485的接口，因此在接入電腦前需要通過485-232轉換器或485-USB轉換器才能接入PC。第24頁，共61頁，2023年，2月20日，星期五14.3.1獨立總線3.USB通用串行總線（USB-UniversalSerialBus）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。USB是一項即插即用技術最初的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）和全速模式（Full-Speed）（最大吞吐量可達12Mbits/s或1.5Mbytes/s）。最新的USB規范——USB2.0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。第25頁，共61頁，2023年，2月20日，星期五14.3.1獨立總線4.以太網5.CAN6.IEEE1394(火線)7.無線第26頁，共61頁，2023年，2月20日，星期五14.3.2模塊化總線1.PCIPCI總線是當今使用最廣泛的計算機內部總線之一。

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1056Mbits/s。第27頁，共61頁，2023年，2月20日，星期五14.3.2模塊化總線2.PCIExpress當PC應用需要更大量帶寬時，PCI總線在許多情況下達到了其物理極限。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2.5Gbits/s為該方向提供了一個200MBytes/s的通信信道，這接近標準PCI數據速率的四倍。

類似PCI，PCIExpress的典型應用不是直接用于儀器控制，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，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。第28頁，共61頁，2023年，2月20日，星期五14.3.2模塊化總線3.PXI/CompactPCIPXI將PCI電氣總線特性與堅固的、模塊化的、歐洲卡機械封裝的CompactPCI相結合，并增加了專門的同步總線和關鍵的軟件特性，從而能夠承受常常存在于工業應用中的惡劣環境。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的布置平臺。

第29頁，共61頁，2023年，2月20日，星期五14.3.2模塊化總線4.VXI5.PCMCIA第30頁，共61頁，2023年，2月20日，星期五14.4儀器驅動程序計算機與儀器進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。第31頁，共61頁，2023年，2月20日，星期五14.4儀器驅動程序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。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、向儀器寫入和觸發儀器等。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。第32頁，共61頁，2023年，2月20日，星期五14.4儀器驅動程序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:即插即用驅動程序可互換的虛擬儀器（IVI）驅動程序直接I/O第33頁，共61頁，2023年，2月20日，星期五14.4儀器驅動程序

IVI、Plug&Play和DirectI/O三種方式比較

第34頁，共61頁，2023年，2月20日，星期五14.4.1可編程儀器標準命令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。SCPI聯盟推出了可編程儀器標準命令SCPI(StandardCommandsforProgrammableInstruments)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。第35頁，共61頁，2023年，2月20日，星期五14.4.1可編程儀器標準命令SCPISCPI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。第36頁，共61頁，2023年，2月20日，星期五14.4.1可編程儀器標準命令SCPI例如TektronixTDS220示波器的SCPI命令集的例子：（1）*IDN?——返回儀器標識，采用IEEE488.2標記法；（2）CH<x>:PRObe?——查詢通道x的探頭衰減；（3）HARDCopy:FORMatBMP——設置硬拷貝格式為BMP格式。第37頁，共61頁，2023年，2月20日，星期五14.4.2VISA

虛擬儀器軟件架構（VISA——VirtualInstrumentsSoftwareArchitecture）的目的是通過減少系統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。第38頁，共61頁，2023年，2月20日，星期五14.4.2VISA通過VISA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第39頁，共61頁，2023年，2月20日，星期五14.4.2VISAVISA函數面板第40頁，共61頁，2023年，2月20日，星期五14.4.2VISA通過VISA讀寫GPIB設備通過VISA讀寫串口設備第41頁，共61頁，2023年，2月20日，星期五14.4.2VISA在VISAAdvanced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。第42頁，共61頁，2023年，2月20日，星期五14.4.2VISA第43頁，共61頁，2023年，2月20日，星期五14.4.3IVI——可互換的虛擬儀器驅動程序雖然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。IVI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。IVI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。第44頁，共61頁，2023年，2月20日，星期五14.4.3IVI——可互換的虛擬儀器驅動程序IVI構架將傳統的儀器驅動程序分為兩部分：儀器專用驅動通用類驅動第45頁，共61頁，2023年，2月20日，星期五14.4.3IVI——可互換的虛擬儀器驅動程序

IVI整體構架第46頁，共61頁，2023年，2月20日，星期五14.4.3IVI——可互換的虛擬儀器驅動程序IVI儀器驅動技術具有如下優點：高性能儀器仿真能力儀器互換能力開發靈活性第47頁，共61頁，2023年，2月20日，星期五14.4.3IVI——可互換的虛擬儀器驅動程序目前為止，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儀器類型。IVI示波器類（Scope——IVIOscilloscope）IVI數字萬用表類（DMM——IVIDigitalMultimeter）IVI函數發生器類(FGen——IVIFunctionGenerator)IVI直流電源類（DCPwrSupply——IVIDCPowerSupply）IVI開關類（Switch——IVISwitch）IVI功率計類（PowerMeter——IVIPowerMeter）IVI射頻信號發生器類（RFSigGen——IVIRFSignalGenerator）IVI頻譜分析儀類（SpecAn——IVISpectrumAnalyzer）第48頁，共61頁，2023年，2月20日，星期五14.4.3IVI——可互換的虛擬儀器驅動程序IVI儀器驅動函數面板

第49頁，共61頁，2023年，2月20日，星期五14.4.3IVI——可互換的虛擬儀器驅動程序舉例：通過IVI示波器類驅動寫一個仿真示波器程序第50頁，共61頁，2023年，2月20日，星期五14.4.3IVI——可互換的虛擬儀器驅動程序通過IVI儀器驅動實現的示波器界面

第51頁，共61頁，2023年，2月20日，星期五14.5直接I/O（DirectI/O）如果沒有儀器的VISA或IVI驅動可得，那么你就需要利用集成至軟件開發環境中的交互式、直接I/O功能。第52頁，共61頁，2023年，2月20日，星期五14.5.1儀器I/O助手（InstrumentI/OAssistant）儀器