基于LabVIEW 語(yǔ)言實(shí)現PCI-1714 采集卡的全過(guò)程

摘要：基于虛擬儀器技術(shù)， 利用LabVIEW 語(yǔ)言進(jìn)行信號采集系統的研制具有重要意義。文章介紹信號采集與處理系統的主要流程。詳細介紹PCI-1714 數據采集卡的原理及功能，通過(guò)數據采集程序實(shí)例介紹基于LabVIEW 語(yǔ)言實(shí)現PCI-1714 采集卡的全過(guò)程，利用LabVIEW 語(yǔ)言編寫(xiě)的程序用于將存儲數據調出，并對信號波形特點(diǎn)進(jìn)行分析。

1 概述

實(shí)驗室虛擬儀器工程平臺(LabVIEW)是一種專(zhuān)門(mén)用于數據采集、分析及儀器控制的圖形化軟件，它所開(kāi)發(fā)的虛擬儀器將計算機強大的數據處理能力與儀器的硬件測試控制能力很好地結合在一起。

LabVIEW 的圖形化開(kāi)發(fā)環(huán)境具有精確、高效、功能強大、開(kāi)發(fā)簡(jiǎn)易、實(shí)時(shí)性強、界面友好等優(yōu)點(diǎn)，為用戶(hù)提供了強大功能和使用的靈活性， 非常適合用于進(jìn)行仿真、實(shí)時(shí)檢測和控制。目前，LabVIEW 已經(jīng)成為測試領(lǐng)域應用最廣泛和最有前途的軟件開(kāi)發(fā)平臺之一，也是應用最廣、發(fā)展最快、功能最強的圖形化軟件開(kāi)發(fā)集成環(huán)境之一。

虛擬儀器可以利用高性能的模塊化硬件， 結合高效靈活的軟件來(lái)完成各種測試、測量和自動(dòng)化應用，與傳統的測量?jì)x器相比，具有成本低、功能強大、集成度高、質(zhì)量可靠、維護方便等優(yōu)點(diǎn)，能很方便地組建測試系統，滿(mǎn)足多種測量要求。因此，基于虛擬儀器技術(shù)， 利用LabVIEW 語(yǔ)言進(jìn)行信號采集系統的研制具有重要意義。

LabVIEW 虛擬儀器主要包括前面板、框圖和圖標/ 接口部件三部分。

前面板是VI 的交互式用戶(hù)界面， 即用戶(hù)與程序代碼發(fā)生聯(lián)系的窗口。VI 前面板是控件和指示器的組合，控件仿真常規儀器上的輸入輸出設備類(lèi)型，如旋鈕和開(kāi)關(guān)，并提供一種機制，將輸入從前面板傳送到基本框圖。

信號采集與處理系統主要應用的是數據采集卡的A / D(模/ 數)轉換功能，通過(guò)數據采集卡將采集端采集到的模擬電信號利用高速模數轉換電路轉換為數字信號，經(jīng)過(guò)數據采集卡板載緩存，最后利用計算機中的程序不斷從緩存中提取數據， 存入計算機中，并進(jìn)行相關(guān)處理，提取有用數據進(jìn)行硬盤(pán)存儲。

利用LabVIEW 語(yǔ)言編寫(xiě)數據采集卡的驅動(dòng)程序，對信號分析處理及存儲流程如圖1 所示。

圖1 信號采集與處理系統總流程圖。

2 PCI-1714 數據采集卡

Advantech 公司的PCI-1714 是一款PCI 接口的高速4 通道同步數據采集卡， 可用于高速數據采集應用，性?xún)r(jià)比較高，適用于儀器測試、圖像處理、視頻數字化處理及聲音與振動(dòng)測試等領(lǐng)域。

PCI-1714 是高速、高分辨力、高容量的PCI 數據采集卡， 配備4 組模擬輸入端， 具備同步采集功能。其特性可歸納為：a)內含4 個(gè)獨立ADC(模數轉換器)，可使4 個(gè)信道同步取樣，當4 組模擬輸入同時(shí)使用時(shí)，采樣頻率理論最高可達30 MS/s。b)每路ADC 內建32 K FIFO 內存，使用者在高速采樣時(shí)有足夠緩沖區可供暫存， 以維持數據采集速度及完整性。c)提供多種輸入范圍，包含±5 V、±2.5 V、±1 V、±0.5 V 等， 使用者通過(guò)工具程序即可輕松完成設定。d) 高達6 種觸發(fā)模式， 包含軟件觸發(fā)、Pacer、Post-Trigger、Pre-Trigger、Delay-Trigger 及About-Trigger 觸發(fā)方式，方便客戶(hù)按需求自行設定。

基于PCI-1714 的通用高速數據采集系統結構如圖2 所示。

圖2 基于PCI-1714 的高速數據采集系統結構框圖。

將需監測的現場(chǎng)信號經(jīng)濾波器濾波后送入PCI-1714 板卡， 卡上A / D 轉換器對信號進(jìn)行高速模數轉換。轉換數據首先暫存在板卡的32 K 板載FIFO (先入先出) 中， 當FIFO 半滿(mǎn)或全滿(mǎn)時(shí)，向DMA(動(dòng)態(tài)內存存取)控制器發(fā)送DMA 請求，使用直接內存存取方式，經(jīng)PCI(外設組件互連)總線(xiàn)將數據從FIFO 輸出到內部緩沖區中，PCI 總線(xiàn)傳輸帶寬很寬， 可以滿(mǎn)足4 通道高速同步采樣時(shí)所帶來(lái)的高速數據傳輸要求。

內部緩沖區作為高速數據采集系統的海量緩存，它與用戶(hù)緩沖區一樣，都是數據采集程序動(dòng)態(tài)分配給驅動(dòng)程序使用的兩塊內存區域， 區別在于內部緩沖區存放的是從FIFO 取來(lái)的原始值， 用戶(hù)緩沖區存放的是經(jīng)轉換之后的電壓值。

在進(jìn)行長(cháng)時(shí)間高速數據采集時(shí)，PCI-1714 多采用循環(huán)方式。在此方式下，啟動(dòng)一次采集過(guò)程能進(jìn)行無(wú)數次的A / D 轉換。此時(shí)內部緩沖區分成前后對等的兩個(gè)半區使用，當前半區填滿(mǎn)后，將此半區的數據向用戶(hù)緩沖區傳送， 同時(shí)將新轉換的數據放在內部緩沖區的后半部分。當后半區填滿(mǎn)后，此半區數據向用戶(hù)緩沖區傳送。同時(shí)自動(dòng)將新轉換的數據放到早已傳輸完畢的前半個(gè)緩沖區?？赏ㄟ^(guò)查詢(xún)狀態(tài)寄存器的狀態(tài)來(lái)判斷FIFO 緩沖區的狀態(tài)，分別判斷空標志位(Empty flag)、半滿(mǎn)標志位(Half full flag)以及全滿(mǎn)標志位(Full flag)。

內部緩沖區和用戶(hù)緩沖區的數據可以在程序控制下以文件的形式保存至計算機中， 實(shí)現采集數據永久性存儲，便于后期數據分析處理。

3 基于LabVIEW 語(yǔ)言實(shí)現的PCI-1714采集卡數據采集程序實(shí)例

下面介紹用LabVIEW 語(yǔ)言編寫(xiě)的PCI-1714 采集卡數據采集驅動(dòng)程序。該程序能夠實(shí)現對傳感系統外界信號的數據進(jìn)行連續采集， 并能根據需要對有用數據進(jìn)行存儲。

從功能上分，該程序主要分為三部分：a)對采集卡進(jìn)行初始化，完成采集卡重要工作參數的設置，如用戶(hù)緩存、采樣速率(scan rate)、輸入限制等。b)進(jìn)行數據采集和有用數據的存儲， 就是將數據先放入采集卡的板載緩存FIFO 中， 再由計算機讀取板載緩存中的數據， 寫(xiě)入由計算機的內存中分配出的用戶(hù)緩存， 然后根據需要將有用數據從內存中存入計算機硬盤(pán)。具體存儲格式可以為多種，該部分中包括的子VI 有讀取數據模塊、數據存儲模塊以及顯示所采集信號的時(shí)域圖形的模塊。c)在采集結束后關(guān)閉采集卡。

為了使用PCI-1714 進(jìn)行連續高速的數據采集，需要對采集速率、用戶(hù)緩存大小等重要參數進(jìn)行合理設置。如前所述，數據采集卡進(jìn)行A / D 轉換時(shí)是連續進(jìn)行的， 也就是說(shuō)采集卡往板載緩存中放入數據是連續進(jìn)行的， 而計算機從板載緩存FIFO 中讀取數據放入用戶(hù)緩存時(shí)是在FIFO 半滿(mǎn)或全滿(mǎn)的狀態(tài)下批量讀取的，同時(shí)，如果要進(jìn)行數據的存儲，從用戶(hù)緩存再向硬盤(pán)中寫(xiě)入數據時(shí)也是批量進(jìn)行的。

由于用戶(hù)緩存的大小受計算機內存空間大小的限制，不可能無(wú)限大，在使用過(guò)程中，只能盡量設得比較大，一般可以設為內存的十分之一左右。在保持一定的數據采樣率并且用戶(hù)緩存確定的情況下， 如果存儲過(guò)程中，單批量寫(xiě)入硬盤(pán)的數據過(guò)少，會(huì )出現不能及時(shí)將數據從用戶(hù)緩存中讀出， 從而導致用戶(hù)緩存溢出的錯誤。而當單批量寫(xiě)入硬盤(pán)的數據過(guò)多時(shí)，又會(huì )出現從用戶(hù)緩存讀取數據過(guò)快， 可能會(huì )讀出空數據的錯誤，所以這幾個(gè)參數必須互相配合設定才能使采集卡獲得良好的采集和數據存儲的性能。

4 基于LabVIEW 的數據調用與處理

利用上述程序完成信號采集的同時(shí)可以將有用信號存儲，用于后續分析，下面舉例說(shuō)明如何將存儲之后的波形數據重新調出并進(jìn)行分析。

將以TXT 格式存儲的數據從文件中調出并進(jìn)行頻譜分析的程序。在程序前面板中可以同時(shí)將一段數據表示的信號時(shí)域波形及利用“FFT 功率譜”VI分析獲得功率譜波形顯示出來(lái)。

利用LabVIEW 語(yǔ)言編寫(xiě)一個(gè)用于將存儲數據調出并對信號波形特點(diǎn)進(jìn)行分析的程序，該程序可以將一個(gè)具有多信道的監測信號從存儲文件中調出，不同信道的監測信號各不相同，根據信號波形的特點(diǎn)，可以選用相關(guān)方法進(jìn)行信號處理，分析各信號對應的監測環(huán)境的變化。利用LabVIEW 所提供的“調用庫函數節點(diǎn)”模塊，可以很方便地把C 語(yǔ)言編寫(xiě)的程序嵌入LabVIEW 程序中， 并且可以封裝成子VI，供主程序調用。適用于一些LabVIEW 語(yǔ)言編程效率不高的應用場(chǎng)合，利用“調用庫函數節點(diǎn)”模塊編寫(xiě)的子VI 程序。

5 結束語(yǔ)

從以上分析可以看出， 利用LabVIEW 語(yǔ)言可以方便地解決信號采集與處理領(lǐng)域的相關(guān)問(wèn)題，無(wú)論是對數據采集卡PCI1714 的驅動(dòng)編寫(xiě)、數據的存儲， 還是對數據的調用與分析都可以充分的調用該語(yǔ)言提供的專(zhuān)用VI， 并且在圖形化語(yǔ)言編寫(xiě)環(huán)境中，獲得清晰的數據流程。而且LabVIEW 語(yǔ)言也支持用戶(hù)對VI 的二次開(kāi)發(fā)，并可以調用其他語(yǔ)言編寫(xiě)的程序， 還可以將用戶(hù)自行編寫(xiě)的程序方便地封裝成標準VI，供后續程序調用，為提高程序編寫(xiě)的效率及擴展程序功能帶來(lái)極大方便。