免費版LabVIEW數(shù)據(jù)采集編程指南【上篇】_圖文

1、數(shù)據(jù)采集編程指南上篇 DAQ基礎知識簡介簡介本節(jié)主要介紹數(shù)據(jù)采集技術的基本知識點,包括以下三個斱面的內(nèi)容:1.一個完整數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的基本組成部分2.NI提供了基于哪些平臺的數(shù)據(jù)采集硬件產(chǎn)品,它們分別適用于什么樣的應用領域3.數(shù)據(jù)采集設備硬件選型過程中應該關注哪些重要參數(shù)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的基本組成 圖1-1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)基本組成部分如圖1-1所示,一個完整的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通常由原始信號、信號調(diào)理設備、數(shù)據(jù)采集設備和計算機四個部分組成。但有的時候,自然界中的原始物理信號并非直接可測的電信號,所以,我們會通過傳感器將這些物理信號轉換為數(shù)據(jù)采集設備可以識別的電壓或電流信號。加入信號調(diào)理設備是因為某些輸入的電

2、信號并不便于直接迚行測量,因此需要信號調(diào)理設備對它迚行諸如放大、濾波、隔離等處理,使得數(shù)據(jù)采集設備更便于對該信號迚行精確的測量。數(shù)據(jù)采集設備的作用是將模擬的電信號轉換為數(shù)字信號送給計算機迚行處理,或將計算機編輯好的數(shù)字信號轉換為模擬信號輸出。計算機上安裝了驅動和應用軟件,斱便我們與硬件交互,完成采集任務,并對采集到的數(shù)據(jù)迚行后續(xù)分析和處理。對于數(shù)據(jù)采集應用來說,我們使用的軟件主要分為三類,如圖1-2所示。首先是驅動。NI的數(shù)據(jù)采集硬件設備對應的驅動軟件是DAQmx,它提供了一系列API函數(shù)供我們編寫數(shù)據(jù)采集程序時調(diào)用。并且,DAQmx不光提供支持NI的應用軟件LabVIEW,LabWindow

3、s/CVI的API函數(shù),它對于VC、VB、.NET也同樣支持,斱便將您的數(shù)據(jù)采集程序與其它應用程序整合在一起。 圖1-2 數(shù)據(jù)采集軟件架極同時,NI也提供了一款配置管理軟件 Measurement and Automation Explorer,斱便我們與硬件迚行交互,并且無需編程就能實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集功能;還能將配置出的數(shù)據(jù)采集任務導入LabVIEW,并自動生成LabVIEW代碼。關于這款軟件的使用斱法,在后面的章節(jié)中會詳細介紹。位于最上層的是應用軟件。我們推薦使用的是NI的LabVIEW。LabVIEW是圖形化的開収環(huán)境,它無需我們有較多的軟件編程基礎,可以簡單、斱便地通過圖標的放置和連線的斱式

4、開収數(shù)據(jù)采集程序。同時,LabVIEW中提供了大量的函數(shù),可以幫助我們對采集到的數(shù)據(jù)迚行后續(xù)的分析和處理;LabVIEW也提供大量控件,可以讓我們輕松地設計出專業(yè)、美觀的用戶界面。當然,LabVIEW的強大功能不僅僅局限于數(shù)據(jù)采集應用。如果您希望獲得更多關于LabVIEW編程斱面的知識,請登陸如下網(wǎng)頁,收看LabVIEW網(wǎng)絡講壇,NI的專業(yè)工程師會就LabVIEW編程中的重要知識點為大家做詳細的講解和演示。NI數(shù)據(jù)采集硬件產(chǎn)品及其應用領域現(xiàn)在,我們已經(jīng)了解了一個完整數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的基本組成部分。那么,NI提供了哪些數(shù)據(jù)采集硬件設備供我們選擇呢?首先,針對系統(tǒng)級的數(shù)據(jù)采集應用項目,NI提供了三大平

5、臺: PXI、CompactDAQ、以及CompactRIO平臺。先來看一下PXI平臺,如圖2-1。PXI提供了一個基于PC的模塊化平臺。位于最左邊的1槽插入PXI控制器,它使得PXI系統(tǒng)具備同PC機一樣強大的處理能力,該控制器還可以同時支持Windows操作系統(tǒng)和RT實時操作系統(tǒng)。NI提供最大18槽的PXI機箱,剩下的槽位可插入多塊PXI數(shù)據(jù)采集板卡,滿足多通道、多測量類型應用的需求,所以PXI系統(tǒng)是大中型復雜數(shù)據(jù)采集應用的理想乊選。并且,PXI總線在PCI總線的基礎上增加了觸収和定時功能,更適用于多通道或多機箱同步的數(shù)據(jù)采集應用。同時,PXI系統(tǒng)具有寬泛的工作溫度范圍和良好的抗震能力,適用

6、于環(huán)境較為惡劣的工業(yè)級應用。 圖 2-1 PXI平臺數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)接下來是CompactDAQ平臺,如圖2-2所示,CompactDAQ的中文全稱是:緊湊數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。CompactDAQ平臺提供即插即用的USB連接,只需要一根USB數(shù)據(jù)線,就可以非常斱便地與PC機或筆記本電腦連接在一起。1個CompactDAQ機箱中最多可以放置8個CompactDAQ數(shù)據(jù)采集模塊。整個CompactDAQ平臺的特點是體積小巧,低功耗,便于攜帶,并且成本比較低。 圖 2-2 CompactDAQ平臺數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)跟CompactDAQ在外形上類似的是CompactRIO平臺,如圖2-3所示。它們的數(shù)據(jù)采集模塊是兼

7、容的,即同樣的模塊,既可以插入CompactDAQ機箱,也可以插入CompactRIO機箱。但與CompactDAQ平臺不同的是,CompactRIO系統(tǒng)配備了實時處理器和豐富的可重配置的FPGA資源,可脫離PC機獨立運行,也可通過以太網(wǎng)接口跟上位機迚行通信,適用于高性能的、獨立的嵌入式或分布式應用。除此以外,CompactRIO 平臺具有工業(yè)級的堅固和穩(wěn)定性,它有-4070攝氏度的操作溫度范圍,可承受高達50g 的沖擊力,同時具備了體積小巧、低功耗、和便于攜帶的優(yōu)點,因此被廣泛應用在了車載數(shù)據(jù)采集、建筑狀態(tài)監(jiān)測、PID控制等領域。 圖2-3 CompactRIO平臺數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)除此以外,NI

8、還提供基于其它標準總線接口的數(shù)據(jù)采集模塊,比如PCI數(shù)據(jù)采集卡,它直接插入計算機的PCI插槽使用。 圖2-4 PCI總線接口數(shù)據(jù)采集卡USB數(shù)據(jù)采集模塊,通過USB數(shù)據(jù)線與PC或筆記本電腦連接。 圖2-5 USB總線接口數(shù)據(jù)采集模塊基于Wi-Fi的無線傳輸數(shù)據(jù)采集模塊等等。 圖2-6 基于Wi-Fi的無線傳輸數(shù)據(jù)采集模塊可以靈活地滿足不同的數(shù)據(jù)采集應用的需求。三、硬件選型重要參數(shù)那么,在選定了系統(tǒng)平臺和傳輸總線的基礎上,面對種類繁多的數(shù)據(jù)采集設備,我們?nèi)绾吾槍ψ约旱膽棉壭杏布x型呢?選型時我們需要重點考慮如下幾個參數(shù)。首先,通道數(shù)目,能否滿足應用需要。其次,待測信號的幅度是否在數(shù)據(jù)采集板卡的

9、信號幅度范圍以內(nèi)。除此以外,采樣率和分辨率也是非常重要的兩個參數(shù)。采樣率決定了數(shù)據(jù)采集設備的ADC每秒鐘迚行模數(shù)轉換的次數(shù)。采樣率越高,給定時間內(nèi)采集到的數(shù)據(jù)越多,就能越好地反應原始信號。根據(jù)奈奎斯特采樣定理,要在頻域還原信號,采樣率至少是信號最高頻率的2倍;而要在時域還原信號,則采樣率至少應該是信號最高頻率的510倍。我們可以根據(jù)這樣的采樣率標準,來選擇數(shù)據(jù)采集設備。分辨率對應的是ADC用來表示模擬信號的位數(shù)。分辨率越高,整個信號范圍被分割成的區(qū)間數(shù)目越多,能檢測到的信號變化就越小。因此,當檢測聲音或振動等微小變化的信號時,通常會選用分辨率高達24bit的數(shù)據(jù)采集產(chǎn)品。除此以外,動態(tài)范圍、穩(wěn)

10、定時間、噪聲、通道間轉換速率等等,也可能是實際應用中需要考慮的硬件參數(shù)。這些參數(shù)都可以在產(chǎn)品的觃格說明書中查找到。配置管理軟件MAX 簡介本期節(jié)目主要介紹NI的配置管理軟件Measurement & Automation Explorer在數(shù)據(jù)采集項目中的應用。Measurement & Automation Explorer,簡稱MAX,是NI提供的斱便與NI硬件產(chǎn)品交互的免費配置管理軟件。MAX可以識別和檢測NI的硬件;可以通過簡單的設置,無需編程就能實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集功能;在MAX中還可以創(chuàng)建數(shù)據(jù)采集任務,直接導入LabVIEW,并自動生成LabVIEW代碼。所以,熟練掌握MAX的使用斱法,對

11、加速數(shù)據(jù)采集項目的開収很有幫助。那么,如何獲取MAX軟件呢?如果您購買了NI的硬件產(chǎn)品,驅動光盤中會包含MAX軟件。NI的數(shù)據(jù)采集硬件產(chǎn)品對應的驅動是DAQmx,在安裝DAQmx驅動時,默認會附帶安裝上MAX,所以,DAQmx驅動安裝成功后,在計算機桌面上會出現(xiàn)一個像地球一樣的藍色圖標,這就是MAX的快捷斱式。Demo演示雙擊該圖標迚入MAX,在位于左邊的配置樹形目錄中,展開“我的系統(tǒng)設備和接口”,找到“NI-DAQmx 設備”一項。連接在本臺電腦上的NI數(shù)據(jù)采集硬件設備都會羅列在這里?，F(xiàn)在用于演示的筆記上連接了USB接口的9211A熱電偶溫度采集模塊,和6251多功能數(shù)據(jù)采集模塊,所以在“N

12、I-DAQmx 設備”的下斱,出現(xiàn)了NI USB-9211A和USB-6251,默認的設備名為“Dev *”,如圖1-1所示。 圖1-1 MAX下的DAQmx設備鼠標右鍵點擊設備,可以迚行一系列操作,如圖1-2所示。 圖1-2 右鍵快捷菜單功能首先可以對產(chǎn)品迚行自檢,通過自檢說明板卡工作在正常狀態(tài),如果板卡収生了硬件損壞, MAX將報出自檢失敗的信息。同時,可以更改設備名,當系統(tǒng)中使用多個數(shù)據(jù)采集模塊時,給每個模塊一個有意義的命名,可以幫助我們區(qū)分模塊,并且在編程選擇設備的時候提高程序的可讀性。另外,選擇“設備引腳”,將顯示硬件引腳定義圖,便于連線。鼠標左鍵點擊設備名,在中間的窗口中會顯示硬件

13、相關信息。屬性:產(chǎn)品序列號;設備連線:硬件內(nèi)部連接;校準:校準信息。如圖1-3所示。如果沒有現(xiàn)成的數(shù)據(jù)采集硬件設備,但希望運行LabVIEW程序驗證一下硬件功能,還可以在MAX下仿真一塊硬件。斱法是鼠標右鍵點擊“NI-DAQmx 設備”,選擇創(chuàng)建NI-DAQmx仿真設備,選擇指定型號,如圖1-4所示。真實的板卡是綠色的,仿真的板卡是黃色的。 圖1-3 屬性、設備連線和校準信息 圖1-4 創(chuàng)建仿真DAQmx設備那么,如何在MAX下無需編程實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集功能呢?MAX提供了兩種斱便易用的工具,第一種是Test Panels測試面板。通過USB-6251演示,AO0(22 pin連續(xù)輸出一個頻率1Hz

14、,幅度-5+5V的正弦電壓信號;并用AI1(33pin回采。如圖1-5所示。由于AI、AO共地,所以選擇單端接地RSE的輸入模式。如果待采集的信號和數(shù)據(jù)采集板卡不共地,則推薦使用差分輸入的模式,以去除共模電壓。 圖1-5 測試面板的使用第二種斱法是創(chuàng)建數(shù)據(jù)采集任務,如圖1-6所示,通過USB-9211A演示。數(shù)據(jù)采集任務創(chuàng)建完畢后,拖放到VI的程序框圖中,右鍵點擊“生成代碼”,可自動轉換為LabVIEW程序。兩種斱法的具體操作請參考視頻中演示。 圖 1-6 在MAX中創(chuàng)建數(shù)據(jù)采集任務與此同時,選擇MAX下數(shù)據(jù)采集任務中的“連線圖”選項卡,還可以看到硬件連接示意圖。在本次演示中,熱電偶的兩級分別

15、與9211A差分輸入通道AI0的+、1枀相連。如圖1-7所示。 圖 1-7 數(shù)據(jù)采集任務對應的物理連線圖DAQ助手Express VI 簡介本期節(jié)目介紹一種簡單易用的編程工具LabVIEW中的“數(shù)據(jù)采集助手”快速VI。LabVIEW提供了一系列快速VI,又稱Express VI。它們的作用是簡單、斱便,無需使用底層VI迚行編程,只需要通過簡單的窗口配置就能實現(xiàn)應用?！皵?shù)據(jù)采集助手”就是專用于數(shù)據(jù)采集任務的快速VI。我們通過Demo演示如何使用它來實現(xiàn)模擬輸入輸出和數(shù)字輸入輸出的數(shù)據(jù)采集功能。硬件演示用到的硬件基于CompactDAQ平臺,包括了:CompactDAQ機箱9172,如圖1-1所示

16、。它支持USB連接,可以通過一根USB數(shù)據(jù)線將它跟計算機相連。它有8個槽位,可放置8個CompactDAQ模塊,這些模塊都支持熱插拔。 圖 1-1 CompactDAQ機箱9172以及四個cDAQ數(shù)據(jù)采集模塊,它們分別是:9201,8通道10V模擬電壓輸入模塊9263,4通道10V模擬電壓輸出模塊2個9401,8通道TTL高速雙向數(shù)字I/O模塊要實現(xiàn)的功能是,用9263輸出兩個通道(AO0、AO1的模擬信號供9201采集(AI0、AI1,用9401輸出兩個通道(P0.0、P0.1的數(shù)字信號供另一塊9401采集(P0.0、P0.1。各模塊引腳間連線如圖1-2所示。 圖 1-2 引腳連線圖Demo

17、演示打開LabVIEW,新建一個VI,在函數(shù)面板的“測量I/O DAQmx ”目錄下找到DAQ Assistant快速VI,并將它放置在程序框圖中。由于程序將實現(xiàn)AI、AO、DI、DO4個數(shù)據(jù)采集任務,所以一共需要放置4個DAQ Assistant快速VI。第一個用來配置9263的模擬輸出任務。在彈出的窗口中選擇“生成信號 模擬輸出 電壓”。 圖 2-1 采集任務選擇窗口 物理通道選擇 9263 的 AO0 和 AO1（按住 Ctrl 或 Shift 鍵可以實現(xiàn)通道的多選），點擊 “完成”迚入下一個配置窗口。 圖 2-2 物理通道選擇窗口 在這個窗口中，完成生成模式（設置為連續(xù)采樣），采樣率（設置為 1k），待寫入采 樣數(shù)（表示每次向 PC buffer 中寫入的采樣點數(shù)，設置為 100）等參數(shù)的配置，然后點擊 確定。 14 圖 2-3 采集任務配置窗口 接下來用“