虛擬儀器技術及應用LabVIEW數據采集9.2.1數據采集卡的類型數據采集卡的產生

為了滿足IBM-PC機及其兼容機用于數據采集與控制的需要，國內外許多廠商生產了各種各樣的數據采集板卡（或I/O板卡）。這類板卡均參照IBM-PC機的總線技術標準設計和生產，用戶只要把這類板卡插入IBM-PC機主板上相應的I/O擴展槽中，就可以迅速方便地構成一個數據采集與處理系統，從而大大節省了硬件的研制時間和投資，又可以充分利用IBM-PC機的軟硬件資源，還可以使用戶集中精力對數據采集與處理中的理論和方法進行研究、進行系統設計以及程序的編制等。數據采集卡的種類

基于PC總線的板卡種類很多，其分類方法也有很多種。按照板卡處理信號的不同可以分為模擬量輸入板卡(A/D卡)、模擬量輸出板卡(D/A卡)、開關量輸入板卡、開關量輸出板卡、脈沖量輸入板卡、多功能板卡等。其中多功能板卡可以集成多個功能，如數字量輸入/輸出板卡將模擬量輸入和數字量輸入/輸出集成在同一張卡上。根據總線的不同，可分為PCI板卡和ISA板卡。

PCI-5121智能CAN接口卡

還有其它一些專用I/O板卡，如智能接口卡、虛擬存儲板（電子盤）、信號調理板、專用（接線）端子板等，這些種類齊全、性能良好的I/O板卡與IPC配合使用，使系統的構成十分容易。

常用的數據采集卡

1．模擬量輸入卡（A/D卡）

在工業測控系統中，輸入信號往往是模擬量，這就需要一個裝置把模擬量轉換成數字量，各種A/D芯片就是用來完成此類轉換的。在實際的計算機測控系統中，不是以A/D芯片為基本單元，而是制成商品化的A/D板卡。模擬量輸入板卡根據使用的A/D轉換芯片和總線結構不同，性能有很大的區別。板卡通常有單端輸入、差分輸人以及兩種方式組合輸入三種。板卡內部通常設置一定的采樣緩沖器，對采樣數據進行緩沖處理，緩沖器的大小也是板卡的性能指標之一。在抗干擾方面，A/D板卡通常采取光電隔離技術，實現信號的隔離。板卡模擬信號采集的精度和速度指標通常由板卡所采用的A/D轉換芯片決定。

例如，下圖所示為研華PCI-1713模擬量輸入卡。該板卡具有32路單端或16路差分模擬量輸入，或組合輸入方式，12位A/D轉換分辨率，A/D轉換器的采樣速率可達100kHz，每個輸入通道的增益可編程，卡上有4K采樣FIFO緩沖器，2500VDC隔離保護，支持軟件、內部定時器觸發或外部觸發。

2．模擬量輸出卡（D/A卡）

計算機內部處理采用的是數字量，而執行機構采用的是模擬量。計算機通過D/A板卡將數字量轉化為模擬量，從而通過控制執行機構的動作去控制生產工藝過程。

D/A轉換板卡同樣依據其采用的D/A轉換芯片的不同，轉換性能指標有很大的差別。

例如，下圖所示為研華PCI-1720U模擬量輸出卡。該板卡具有四路12位D/A輸出通道，多種輸出范圍。由于能夠在輸出和PCI總線之間提供2500VDC的隔離保護，PCI-1720非常適合需要高電壓保護的工業場合。

3．數字量輸入/輸出卡（I/O卡）

計算機測控系統通過數字量輸入板卡采集工業生產過程的離散輸入信號，并通過數字量輸出板卡對生產過程或控制設備進行開關式控制（二位式控制）。將數字量輸入和數字量輸出功能集成在一塊板卡上，就稱為數字量輸入/輸出板卡，簡稱I/O板卡。

例如，下圖所示為研華PCI-1730數字量輸入/輸出卡，它提供了16路數字量輸入和16路數字量輸出，高輸出驅動能力和中斷能力，具有2500VDC高電壓隔離I/O通道。4．脈沖量輸入/輸出板卡

工業控制現場有許多高速的脈沖信號，如旋轉編碼器、流量檢測信號等，這些都要用脈沖量輸入板卡或一些專用測量模塊進行測量。脈沖量輸入/輸出板卡可以實現脈沖數字量的輸出和采集，并可以通過跳線器選擇計數、定時、測頻等不同工作方式，計算機可以通過該板卡方便地讀取脈沖計數值，也可測量脈沖的頻率或產生一定頻率的脈沖。考慮到現場強電的干擾，該類型板卡多采用光電隔離技術，使計算機與現場信號之間全部隔離，來提高板卡測量的抗干擾能力。例如，下圖所示的研華PCI-1780U計數器/定時器卡，是基于PCI總線設計的接口卡。該卡使用了AM9513芯片，能夠通過CPLD實現計數器/定時器功能。此外，該卡還提供8個16位計數器通道，并具有8通道可編程時鐘資源，8路TTL數字量輸出/8路TTL數字量輸入，最高輸入頻率達20MHz，有多種時鐘可以選擇，可編程計數器輸出，同時有計數器門選通功能。

9.2.3基于數據采集卡的測控系統基于數據采集卡的計算機測控系統的組成如圖9-1所示。圖9-1基于數據采集卡的控制系統組成框圖1.計算機主機整個計算機控制系統的核心。由CPU、存儲器等構成。目前采用的主機有PC機及工業PC機（IPC）等。工作過程：接收由過程輸入通道發送的工業對象生產工況參數，按照人們預先安排的程序，自動地進行信息處理、分析和計算，并作出相應的控制決策或調節，以信息的形式通過輸出通道，及時發出控制命令，實現良好的人機聯系。2.傳感器功能：將非電物理量（如溫度、壓力、速度等）轉換成電壓或電流信號。例如，使用熱電偶可以獲得隨著溫度變化的電壓信號；轉速傳感器可以把轉速轉換為電脈沖信號。3.信號調理器功能：對傳感器輸出的電信號進行加工和處理，轉換成便于輸送、顯示和記錄的電信號（電壓或電流）。如果信號調理電路輸出的是規范化的標準信號（如4～20mA、1～5V等），這種信號調理電路稱為變送器。常見的信號調理電路：電橋電路、調制解調電路、濾波電路、放大電路、線性化電路、A-D轉換電路、隔離電路等。4.輸入/輸出板卡常用的I/O板卡包括模擬量輸入輸出（AI/AO）板卡、數字量（開關量）輸入輸出（DI/DO）板卡、脈沖量輸入輸出板卡及混合功能的接口板卡等。I/O接口是主機和板卡、外圍設備進行信息交換的紐帶。常用的I/O接口有并行接口、串行接口等。目前絕大部分I/O接口都是采用可編程接口芯片，它們的工作方式可以通過編程設置。5.執行機構常用的執行機構有各種電動、液動、氣動開關，電液伺服閥，交直流電動機，步進電機，各種有觸點和無觸點開關及電磁閥等。工作過程：接受計算機發出的控制信號，并把它轉換成執行機構的動作，使被控對象按預先規定的要求進行調整，保證其正常運行。6.驅動電路功能：使計算機輸出信號與執行機構匹配；向執行機構提供大電流、高電壓驅動信號，以帶動其動作。7.外圍設備主要是為了擴大計算機主機的功能而配置的。用于顯示、存儲、打印、記錄各種數據。包括輸入設備、輸出設備和存儲設備。常用的外圍設備有：打印機、圖形顯示器（CRT）、外部存儲器（軟盤、硬盤、光盤等）、記錄儀、聲光報警器等。8.人機設備人機對話的聯系紐帶，如操作臺。計算機通過操作臺向生產過程的操作人員顯示系統運行狀態、運行參數，發出報警信號；生產過程的操作人員通過操作臺向計算機輸入和修改控制參數，發出各種操作命令；程序員使用操作臺檢查程序；維修人員利用操作臺判斷故障等。9.通信接口對于復雜的生產過程，通過通信接口可構成網絡集成式計算機控制系統。系統采用多臺計算機分別執行不同的控制功能，既能同時控制分布在不同區域的多臺設備，又能實現管理功能。9.3LabVIEW與數據采集基于LabVIEW的數據采集系統結構一般如圖9-2所示。包括數據采集硬件、硬件驅動程序、驅動程序的用戶接口以及數據采集VI等部分。圖9-2基于LabVIEW的數據采集系統結構數據采集硬件：主要由計算機和其I/O接口設備兩部分組成。I/O接口設備主要執行信號的輸入、數據采集、放大、模/數轉換等任務。根據I/O接口設備總線類型的不同，系統的構成方式主要有五種：PC-DAQ插卡式虛擬儀器測試系統、GPIB虛擬儀器測試系統、VXI總線虛擬儀器測試系統、PXI總線虛擬儀器測試系統和串口總線虛擬儀器測試系統。PC-DAQ插卡式：最基本、最廉價的構成形式，充分利用了PC計算機的機箱、總線、電源及軟件資源。圖9-3是PC-DAQ插卡式系統應用示意圖。圖9-3PC-DAQ插卡式系統示意圖在使用前要進行硬件安裝和軟件設置。硬件安裝就是將DAQ卡插入PC的相應標準總線擴展插槽內，因采用PC本身的PCI總線或ISA總線，故稱由它組成的虛擬儀器為PC-DAQ插卡式虛擬儀器。DAQ硬件設備的基本功能：模擬量輸入（A-D）、模擬量輸出（D-A）、數字I/O（DigitalI/O）和定時（Timer）/計數（Counter）。LabVIEW為用戶提供了多種用于數據采集的函數、VIs和ExpressVIs。這些函數、VIs和ExpressVIs大體可以分為兩類，一類是TraditionalDAQVIs（傳統DAQ函數），另外一類是操作更為簡便的NI-DAQmx，這些組件主要位于函數選板中的測量I/O和儀器I/O子選板中。9.3.2DAQ助手的使用其中最為常用的選板是位于測量I/O選項中的DataAcquisition（數據采集）子選板，如圖9-4所示。圖9-4數據采集子選板DAQmx-數據采集子選板：包含所有的DAQ函數。在所有的DAQ函數中，使用最多的是DAQ助手，DAQ助手是一個圖形化的界面，用于交互式地創建、編輯和運行NI-DAQmx虛擬通道和任務。一個NI-DAQmx任務是虛擬通道、定時和觸發信息、以及其他與采集或生成相關屬性的組合。一個NI-DAQmx虛擬通道包括一個DAQ設備上的物理通道和對這個物理通道的配置信息，例如輸入范圍和自定義縮放比例。DAQ助手在函數選板測量I/O選項中的DAQmx-數據采集子選板中，如圖9-5所示。圖9-5DAQ助手位置將DAQ助手節點圖標放置到程序框圖上，系統會自動彈出如圖9-6所示新建任務對話框。圖9-6新建任務對話框以DAQ模擬電壓輸入為例來介紹DAQ助手的使用方法。1.選擇“模擬輸入”，如圖9-7所示。圖9-7選擇“模擬輸入”2.選擇“電壓”，用于采集電壓信號。然后系統彈出如圖9-8所示的選擇設備通道對話框。圖9-8選擇設備通道3.選擇“ai0”（通道0），單擊“完成”按鈕，將彈出圖9-9所示輸入配置對話框。圖9-9輸入配置4.單擊“確定”按鈕，對DAQ進行初始化。初始化完成后可利用DAQ助手采集電壓電號。設計程序前面板和程序框圖分別如圖9-10和圖9-11所示。圖9-10程序前面板圖9-11程序框圖

NI公司PCI-6023E數據采集卡:是NI公司E系列多功能數據采集卡之一，是一種性能優良的低價位的適合PC及其兼容機的采集卡。可與PC的PCI總線相連，它能夠完成模擬量輸入（A-D）、數字I/O及計數I/O等多種功能，非常適合搭建虛擬儀器系統。9.4典型數據采集卡PCI-6023E數據采集卡產品如圖9-12所示，與其配套進行數據采集的接線端子板是CB-68LP型，如圖9-13所示。圖9-12PCI-6023E數據采集卡圖9-13CB-68LP接線端子板將PCI-6023E數據采集卡插入計算機主板上PCI擴展插槽內，通過R6868數據電纜與CB-68LP接線端子板相連，就可在PC的控制下完成模擬信號輸入輸出，數字信號輸入輸出等功能。用PCI-6023E板卡構成的測控系統框圖如圖9-14所示。圖9-14基于PCI-6023E板卡的測控系統框圖圖9-15所示是CB-68LP接線端子板引腳圖。AI為模擬信號輸入端口，當選擇單端（single-ended）測量方式時，接線方式就是把信號源的正端接入AIn（n=0,1,…15）、信號源的負端接入AIGND。圖9-15CB-68LP接線端子板管腳圖當選擇差分（differential）測量方式時，接線方式是把信號源的正端接入AIn（n=0,1,…7）、信號源的負端接入AIn+8。P0.0～P0.7為8個數字信號輸入輸出通道，可以通過軟件設置每個數字通道為輸入或者輸出，對應接開關量的輸入和輸出。PCI-6023E有2個計數器：CTR0和CTR1，如果計數器信號只有1個、希望實現簡單的計數功能，那么只需要把計數器信號接到CTR0SRC或者CTR1SRC。安裝PCI-6023E數據采集卡驅動程序：虛擬儀器軟件開發環境安裝時，會自動安裝NI-DAQ軟件，它包含NI公司各種數據采集硬件的驅動程序。如果購買NI公司數據采集硬件，它還會免費提供一個NI-DAQ軟件，目的是使用戶得到最新版本的設備驅動程序。安裝完NI-DAQ后，函數模板中會出現DAQ子模板。一、基于數據采集卡控制系統組成

基于數據采集卡的計算機測控系統（PCs）的組成如圖所示。

由于PCs價格低廉、組成靈活、標準化程度高、結構開放、配件供應來源廣泛、應用軟件豐富等特點，PCs是一種很有應用前景的計算機測控系統。

二、PCI-1710HG數據采集卡的安裝PCI-1710HG數據采集卡1．安裝設備管理程序和驅動程序在測試板卡和使用研華驅動編程之前必須首先安裝研華設備管理程序DeviceManager和32bitDLL驅動程序。首先執行DevMgr.exe程序，根據安裝向導完成配置管理軟件的安裝；接著執行PCI1710.exe程序，按照提示完成驅動程序的安裝。

2．將板卡安裝到計算機中

關閉計算機電源，打開機箱，將PCI-1710HG板卡正確地插到一空閑的PCI插槽中，如圖所示，檢查無誤后合上機箱。

PCI-1710HG板卡安裝3、檢查板卡是否安裝正確4、查看板卡資源屬性5．配置板卡

在測試板卡和使用研華驅動編程之前必須首先對板卡進行配置，通過研華板卡配置軟件DeviceManager來實現。

6．板卡測試可以利用板卡附帶的測試程序對板卡的各項功能進行測試。運行設備測試程序：在研華設備管理