基于LabVIEW的多功能信號采集與多通道定時(shí)計數器／觸發(fā)器的設計

摘要：隨著(zhù)虛擬儀器計數的發(fā)展，軟件即設備的思想已然成為科研儀器設備需求的發(fā)展趨勢。文中利用現有硬件平臺，給出了一個(gè)基于LabVIEW的虛擬儀器的設計與實(shí)現方法。該虛擬儀器不僅可實(shí)現多達24路以上通道的同步、異步精確計數功能，還可用于完成可控交互的定時(shí)觸發(fā)和信號采集，同時(shí)能對試驗數據進(jìn)行存儲、顯示和回放。試驗證明，結合設備軟件化理念和虛擬儀器的實(shí)現，該方法可大幅提高現有設備的利用率，節約科研成本。
關(guān)鍵詞：信號采集；LabVIEW；LabvIEW RT；虛擬儀器

0 引言
隨著(zhù)電子技術(shù)、計算機技術(shù)、網(wǎng)絡(luò )技術(shù)等的快速發(fā)展，虛擬儀器(Virtual Instrument，VI)技術(shù)已得到了廣泛應用。
LabVIEW和C、DELPHI等一樣，是一種程序開(kāi)發(fā)環(huán)境，但其最大的區別在于使用了圖形化的編程語(yǔ)言(G語(yǔ)言)。LabVIEW可以依托高性能設備，實(shí)現高精度的測量控制，并可根據需求快速實(shí)現設備的軟件化、虛擬化，以滿(mǎn)足多種多樣的應用需求。
設備的軟件化、虛擬化已經(jīng)成為現代測控的發(fā)展方向。它不僅可以提高設計和開(kāi)發(fā)效率，同時(shí)還可以大大節省硬件投入成本，提升已有硬件資源的利用率。因此，本文提出了基于LabVIEW的虛擬儀器設計與實(shí)現。

1 系統設計思想
為了更好地應用擴展性，提高系統采集和執行精度，系統設計采用了上、下位機的機構。
上位機采用普通PC機或通用工控機，預裝Windows XP操作系統，主要運行虛擬儀器的人機交互界面。
下位機預裝LabVIEW RT系統，運行測量與控制程序。其硬件組成主要有PXI-1045機箱、PXI-8108控制器、PXI-6608板卡、PXI-6229板卡，以及外部硬件信號條例模塊。
系統總體設計框圖如圖1所示。

2 系統的實(shí)現
系統的實(shí)現主要包括硬件和軟件兩部分，主要工作流程如圖2所示。
2．1 硬件的組成及工作原理
硬件系統主要由普通PC機或工控機、PXI機箱及匹配的控制器、板卡，以及外部信號調理模塊組成。
硬件系統的工作原理比較直觀(guān)，通過(guò)信號調理模塊，將信號源轉換為板卡可接入的標準信號，通過(guò)對板卡工作模式的設定，來(lái)完成同步、異步的定時(shí)器計數、觸發(fā)和數據采集工作。
2．2 軟件的組成及設計
軟件系統采用上、下位機結構。其中，上位機軟件開(kāi)發(fā)采用的是Windowrs XP操作系統平臺和LabVIEW軟件開(kāi)發(fā)平臺。下位機軟件則基于LabVIEW RT操作系統平臺和LabVIEW軟件開(kāi)發(fā)平臺進(jìn)行開(kāi)發(fā)。系統對數據的采集應用了兩種不同的通信編程方法。對于試后數據采集的應用，例如定時(shí)器高速計數方式，采用了共享變量方法；對于過(guò)程數據的采集，使用了基于TCP／IP的通訊編程。
2．2．1 上位軟件
上位軟件主要完成人機交互功能，對虛擬儀器進(jìn)行配置與使用，同時(shí)對試驗數據進(jìn)行顯示、保存及回放等操作，其上位軟件的主界面如圖3所示。

軟件在首次使用或有硬件配置更改的情況下，需要對硬件進(jìn)行資源配置、使用配置、初始化操作。例如定時(shí)計數器的使用配置，如圖4所示。

2．2．2 下位軟件
下位軟件負責按照上位軟件對各板卡的配置和模式設定情況進(jìn)行初始化，并根據上位軟件啟動(dòng)、停止等指令執行相應的數據采集和定時(shí)器計數與觸發(fā)工作。
結合實(shí)際應用驗證，模擬信號量的檢測和采集使用Queuce數據結構，可以保證程序運行中小會(huì )出現丟失或復制數據的現象，但對于定時(shí)計數板卡PXI-6608的應用方式，將直接導致多路定時(shí)計數采集的成敗。
對于PXI-6608板卡的應用，在多種計數模式中，“CI兩個(gè)邊沿的間隔”方式比較特殊，且在用于多個(gè)定時(shí)計數器(具體個(gè)數取決于PXI-6608板卡的使用個(gè)數及每塊板卡選用的定時(shí)計數器數量)同步采集時(shí)，根據使用方法的不同，會(huì )導致不同的結果。因此，在該虛擬儀器的設計過(guò)程中，主要講述“CI兩個(gè)邊沿的間隔”方式的兩種使用方法和特點(diǎn)，以及DI／O使用中值得注意的問(wèn)題。
2．2．2．1 “CI兩個(gè)邊沿的間隔”方式計數的實(shí)現方法及其對比
第一種使用方法是采用計數器單采樣方式，其配置和使用方法如圖5所示，圖中的常量參數可根據實(shí)際使用進(jìn)行修改。

該方法的特點(diǎn)如下：
(1)配置和使用簡(jiǎn)單，在進(jìn)行數量較少且為單點(diǎn)計數時(shí)，可以采用該方法，但通道傳輸方式的設置在該方法下將不起作用。
(2)對每個(gè)定時(shí)計數器只能采集一個(gè)時(shí)間，且可同時(shí)采集的數量與板卡和選用的定時(shí)器組合方式有關(guān)。例如同時(shí)對3塊PXI-6608板卡的24個(gè)定時(shí)計數器進(jìn)行并行采集時(shí)，能成功采集的定時(shí)器數量不會(huì )超過(guò)12個(gè)；
(3)在進(jìn)行多路定時(shí)計數器的采集過(guò)程中，若同步采集的定時(shí)器中有任何一個(gè)產(chǎn)生超時(shí)錯誤，則將導致其后的所有采集任務(wù)全部超時(shí)。
第二種使用方法是采用計數器多采樣方式，其配置和使用方法如圖6所示，圖中的常量參數可根據實(shí)際使用進(jìn)行修改。

該方法的特點(diǎn)如下：
(1)可根據使用需要，對通道傳輸方式進(jìn)行設定，如中斷方式、DMA方式等。使用該方法，可以使任意通道數的定時(shí)計數器同步采集；
(2)各定時(shí)計數器采集任務(wù)互不影響；
(3)對每個(gè)定時(shí)計數器可以進(jìn)行單個(gè)時(shí)間或多個(gè)連續時(shí)間的計數采集。
2．2．2．2 PXI-6608板卡DI／O的使用
PXI-6608板卡處理進(jìn)行定時(shí)計數的采集外，還可以初始化為DI／O方式，完成5V TTL的輸入／輸出。在使用配置時(shí)，需要注意占空比的設定，否則可能無(wú)法達到5V電壓的輸出。

3 結語(yǔ)
本文設計實(shí)現的虛擬儀器，不僅配置和使用靈活，而且在大大節省科研成本投入的基礎上，進(jìn)一步提高了設備的利用率。在整個(gè)設計過(guò)程中，首次在實(shí)際應用中使用了高達20多路定時(shí)計數器并行采集，實(shí)現了多路定時(shí)器同步計數的方法，在工程應用中，具有一定借鑒意義。此外，從虛擬儀器的角度，同時(shí)突破了傳統測量設備在硬件構成、數據存儲以及測量方法中的限制，做到了設備的軟件化、虛擬化，在未來(lái)的科研、生產(chǎn)中將具有更廣闊的應用前景。