基于LABVIEW平臺的數(shù)據(jù)采集卡軟件設計

1、    基于LABVIEW平臺的數(shù)據(jù)采集卡軟件設計    基于LABVIEW平臺的數(shù)據(jù)采集卡軟件設計    類別：無線通信      引言 作為專業(yè)測控領域的軟件開發(fā)平臺，LABVIEW內含豐富的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)信號分析以及功能強大的DAQ助手，搭建數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)更為輕松，便于硬件設計人員直接對硬件的操控展開設計。此外，它可通過DLL、CIN節(jié)點、ActiveX、.NET或MATLAB腳本節(jié)點等技術，實現(xiàn)與其它編程語言混

2、合編程，通過調用外部驅動代碼使它與設備的連接變得非常容易。由于采用數(shù)據(jù)流模型，LABVIEW可以自動規(guī)劃多線程任務，可充分利用PC系統(tǒng)處理器的處理能力，從而提高模塊的采集效率。本文基于LABVIEW開發(fā)環(huán)境，以庫函數(shù)節(jié)點的調用方式及結構，實現(xiàn)了一種中頻數(shù)據(jù)采集與處理卡軟件的設計。 數(shù)據(jù)采集卡軟件結構 采集卡軟件是基于PC的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)重要組成部分，它與硬件形成一個完整的數(shù)據(jù)采集、分析和顯示系統(tǒng)，軟件分為上層應用程序和驅動程序。上層應用程序用以完成數(shù)據(jù)的分析、存儲和顯示等。驅動程序則可直接對數(shù)據(jù)采集硬件的寄存器編程，管理數(shù)據(jù)采集硬件的操作并把它和處理器中斷、DMA和內存這些計算機資源結合在一起。

3、 驅動程序隱藏了復雜的硬件底層編程細節(jié)，為用戶提供容易理解的接口。NI公司為基于NI數(shù)據(jù)采集設備的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)提供了相應的接口驅動及VI函數(shù) (VI，Virtual Instrument)。對于一些不常見的硬件設備或用戶研發(fā)的硬件設備，NI沒有提供合適的驅動。但是，如前所述，LABVIEW還提供了很多其它的通信接口，包括調用庫函數(shù)節(jié)點(Call Library Function TCP/IP、Data Socket、OPC、共享變量、DDE和.NET等。通過這些通信接口，LABVIEW能夠實現(xiàn)與任何設備的通信。值得留意的是LABVIEW具有調用庫函數(shù)節(jié)點和代碼接口節(jié)點兩種方法，可以結合C語言的

4、編程靈活性和LABVIEW G語言的直觀便捷特點，大幅提高LABVIEW對用戶數(shù)據(jù)采集卡的軟件設計支持。可進一步利用LABVIEW豐富的數(shù)據(jù)分析資源，節(jié)約系統(tǒng)開發(fā)成本。 LABVIEW提供的數(shù)據(jù)采集卡的常用驅動方式有兩種，調用C語言源代碼方式(CIN方式)，以及調用動態(tài)鏈接庫方式(CLF方式)。 CIN方式是實現(xiàn)LABVIEW與C語言混合編程的一種媒介，CIN通過輸入、輸出端口實現(xiàn)兩種語言之間的數(shù)據(jù)傳遞。輸入、輸出端口的個數(shù)可由設計者根據(jù)實際需要確定，當LABVIEW的程序運行到CIN節(jié)點時，數(shù)據(jù)由CIN的輸入端口傳遞給C源代碼圖標，程序轉去執(zhí)行C源代碼，代碼執(zhí)行完后，執(zhí)行的數(shù)據(jù)結果由CIN輸

5、出端口返回至LABVIEW。 CLF是一種動態(tài)鏈接庫（DLL）的調用方式。DLL是一種應用程序在運行時與庫文件連接起來的技術，在WINDOWS的管理下，應用程序與對應DLL之間建立鏈接關系，根據(jù)鏈接產生的重定位信息，轉去執(zhí)行DLL中相應的代碼。LABVIEW中，可通過CLF(調用路徑為Function>>Advanced>>Call Library Function)功能模塊實現(xiàn)調用。 調用CIN節(jié)點需要有C語言編程的支持，它能夠將代碼集成在VI中作為單獨的一個VI發(fā)布，CIN 支持的參數(shù)類型比DLL 函數(shù)多，可使用LABVIEW 定義的任何參數(shù)類型，但制作CIN的過程

6、復雜得多。使用這種方法的缺點是在數(shù)據(jù)采集過程中不能實時地進行數(shù)據(jù)的顯示，只能在數(shù)據(jù)全部采集結束后再一起顯示所采集的全部數(shù)據(jù)，這樣在需要較高執(zhí)行效率的場合就不適用。其次由于CIN節(jié)點在制作數(shù)據(jù)采集卡的驅動時，需要提供采集卡的硬件參數(shù)，需編制對硬件設備進行底層操作的庫函數(shù)，對于不清楚函數(shù)內核的程序員不適用。相比CIN方式，CLF方式更加簡單易學，開發(fā)者只需要熟悉DLL中的各個函數(shù)功能以及函數(shù)的參數(shù)及類型，在本文設計中，擬采用CLF方式實現(xiàn)驅動程序的調用。 基于CLF方式的采集卡軟件設計 本文所涉及的軟件控制對象是一款中頻數(shù)據(jù)采集與處理卡，具有14位A/D精度，最高采樣頻率為105MHz，4路模擬量

7、輸入，提供高精度中頻信號數(shù)字化、多通道、多模式數(shù)字下變頻（DDC）等數(shù)字處理，軟件結構詳見圖1。 圖1 采集卡的軟件結構 圖2 VI的層級結構 LABVIEW應用程序分為用戶界面和圖標代碼，通過搭建和調用子VI編寫主體程序，各VI利用LABVIEW的CLF技術調用動態(tài)鏈接庫中的驅動函數(shù)，實現(xiàn)與硬件設備的數(shù)據(jù)交換。子VI將基本的驅動函數(shù)進行功能封裝。一個完整的LABVIEW應用程序通常由若干個子VI及其外部編程連線構成，VI的層級結構設計是設計虛擬儀器驅動程序的核心，各VI分別為組成驅動程序的模塊化子程序。設計中，動態(tài)鏈接庫由VC編寫，調用底層的驅動函數(shù)與設備通信。軟件包括兩類子VI函數(shù)集合，一

8、類是低層組件VI集合，分為若干個獨立的軟件功能模塊，每個模塊負責控制儀器的某項特殊功能，這類VI是儀器驅動程序的基礎；另一類為高層應用VI集合，應用VI通過調用合適的組件VI以實現(xiàn)最通常的儀器設置和測量任務。顯然，就驅動程序開發(fā)而言，能否根據(jù)硬件特性成功構建組件VI集合是關鍵所在。VI層次結構如圖2所示。 如圖所示，按功能有兩個高層應用子VI集合：Config.vi，Config DDC.vi，這兩個子VI又分別調用低層組件子VI來完成特定的設置、配置任務。Config.vi完成采集卡的常規(guī)配置，例如對采集卡單次采集數(shù)量、FIFO滿深度、寄存器（硬件通道、時鐘、觸發(fā)、采集方式、采集模式等的控制

9、）設置、采集卡的狀態(tài)查詢等；Config DDC.vi完成DDC的所有配置工作，包括對DDC的模式、抽取率、輸出格式、本振頻率、本振相位、增益、CFIR濾波參數(shù)、PFIR濾波參數(shù)等的設置，從而實現(xiàn)DDC的數(shù)字IQ分離、抽取、數(shù)字濾波、重采樣、多級增益調節(jié)、多種調制方式的解調等功能。其余低層組件VI實現(xiàn)設備的打開關閉、數(shù)據(jù)從數(shù)據(jù)采集卡到主機內存的傳送、數(shù)據(jù)保存等。無論應用子VI或組件子VI均為獨立可執(zhí)行程序，實現(xiàn)特定功能，各VI函數(shù)作為提供給用戶進行系統(tǒng)應用開發(fā)所需的各類操作。采用該結構，能夠使用戶在運行時修改虛擬儀器系統(tǒng)的運行邏輯與人機界面，可立即執(zhí)行，因此在用戶需要改變需求的情況下能迅速適配

10、，數(shù)據(jù)采集卡具有可重構的特點，用戶也不必去關心硬件的實現(xiàn)細節(jié)。 DLL的調用 在LABVIEW 中調用DLL時，把編寫好的DLL放在當前目錄或特定目錄下，然后根據(jù)應用程序的需要，確定參數(shù)個數(shù)和參數(shù)類型及調用規(guī)則，在LABVIEW中正確地配置DLL 。首先從函數(shù)模板Function 中調用CLF 節(jié)點，雙擊彈出設置對話框，如圖2所示。對話框中，第一個參數(shù)Library Name Path 填入需要調用的動態(tài)鏈接庫文件的名字和路徑。第二個參數(shù)Function 接口線路中調用，DLL 的執(zhí)行期將等到用戶接口線程(即LABVIEW環(huán)境下的VI 應用程序) 執(zhí)行DLL 的導出函數(shù)調用時才開始；Run i

11、n any Thread 表示允許多個線程同時調用這個DLL。在編制DLL 過程中，充分考慮了線程保護的同步機制，如使用臨界區(qū)、互斥、信號量等，線程安全較為確定，那么可以選用Run in any Thread方式，這將有助于提高DLL調用的性能；反之，可選Run in UI Thread。第四個參數(shù)是對DLL的調用規(guī)則，可選擇C或stdcall，在此選擇stdcall。LABVIEW調用庫函數(shù)設置界面如圖3所示，其中Parameters項是對參數(shù)選項的設置，根據(jù)調用的函數(shù)，添加和設置相應的參數(shù)，參數(shù)名稱、類型和數(shù)據(jù)類型，且要與被調用函數(shù)中的參數(shù)名相同。需要注意的是，當調用多個函數(shù)時要分別填寫參

12、數(shù)的個數(shù)和對應的類型，而且在調用過程中應保持數(shù)據(jù)位的一致。由于LABVIEW中的數(shù)據(jù)類型和不同編程語言對應的數(shù)據(jù)類型在形式上有些不一致，因此需要知道它們是如何對應的。如：LABVIEW中I16表示有符號16位整型，對應C語言中的short型。 設置后，LABVIEW將自動生成各參數(shù)的入口及出口狀態(tài)，完成調用庫函數(shù)節(jié)點的配置。對于外部的編程和連線，如Trigger.vi，如圖4所示。 圖3 LABVIEW調用庫函數(shù)設置界面 圖4 Trigger子VI程序框圖 DLL調用中的參數(shù)類型匹配 在LABVIEW中調用動態(tài)鏈接庫，難點在于參數(shù)類型匹配。最常用的三種數(shù)據(jù)類型是：數(shù)值類型、字符串、數(shù)值型數(shù)組。

13、設計中，將采集數(shù)據(jù)傳送到內存塊過程涉及到帶數(shù)組參數(shù)的函數(shù)調用，值得注意的是，LABVIEW 只支持 C 數(shù)據(jù)類型中的數(shù)值型數(shù)組，調用含有數(shù)組參數(shù)函數(shù)時，傳遞數(shù)組類型“Array Format”要選擇“Array Data Pointer”。這個設置中還有其他兩個選項（Array Handle，Array Handle Pointer），這種帶有“Handle”的參數(shù)類型都是表示LABVIEW定義的特殊類型的，在第三方的DLL中不會使用到。按前述步驟設置好CLF節(jié)點，連接外部輸入（采集數(shù)量size）和輸出（存放采集數(shù)據(jù)的數(shù)組）后，輸出沒有反應，檢查分析得知，數(shù)組參數(shù)作為輸出值時，要為輸出的數(shù)組數(shù)

14、據(jù)開辟空間，將輸入數(shù)據(jù)的指針復制給輸出數(shù)組數(shù)據(jù)指針并傳給驅動函數(shù)。在LABVIEW中開辟數(shù)據(jù)空間的方法有兩種： 1.創(chuàng)建一個長度滿足要求的數(shù)組，作為初始值傳遞給輸入?yún)?shù)，輸出數(shù)據(jù)就會被放置在輸入數(shù)組所在的內存空間內。 2.直接在參數(shù)配置面板上進行設置。在 Minimum size 中寫入一個固定的數(shù)值或選擇函數(shù)的其它數(shù)據(jù)參數(shù)，LABVIEW 就會按此大小為輸出數(shù)組開辟空間。 詳細設置如表1所示。字符串的使用與數(shù)組非常類似，實際上在C語言中字符串就是一個I8數(shù)組。 表1 調用含有數(shù)組參數(shù)函數(shù)舉例 圖5 采集波形顯示圖此外，布爾類型在DLL函數(shù)和LABVIEW VI之間傳遞沒有專有的數(shù)據(jù)類型，需利

15、用數(shù)值類型來傳遞。輸入時先把布爾值轉變?yōu)閿?shù)值，傳遞給DLL函數(shù)；輸出時把數(shù)值轉為布爾值。對于所調用的DLL 庫函數(shù)的參數(shù)類型，如果在配置框中找不到匹配的類型，可以在Type 框中選Adapt to Type，表示編程時指定的LABVIEW數(shù)據(jù)類型與DLL中參數(shù)類型進行自動匹配。LABVIEW也定義了一些特有的數(shù)據(jù)類型，例如復數(shù)類型、LV布爾類型。為了在動態(tài)鏈接庫中能對這些類型的數(shù)據(jù)進行操作，在LABVIEW目錄中的extcode.h文件對LABVIEW的各種數(shù)據(jù)類型進行了定義。在編寫動態(tài)鏈接庫時，通過引用該文件就可以在C代碼中對LABVIEW的這些獨有數(shù)據(jù)類型進行操作。 實驗與結論 程序設計采用循環(huán)順序執(zhí)行結構，主要設置三個調用動態(tài)鏈接庫節(jié)點。循環(huán)順序執(zhí)行結構中包括三幀，第一幀調用Config函數(shù)進行數(shù)據(jù)采集卡的初始化；第二幀循環(huán)調用datatrans函數(shù)采集數(shù)據(jù)至內存，并用波形圖顯示出來；第三幀調用deviceshut函數(shù)釋放采集卡所占資源，程序結束。圖5是設計完成的采集卡軟件工作界面，圖中顯示了對系統(tǒng)采集參數(shù)、處理參數(shù)配置以及采集波形的顯示等，波形顯示了對正弦信號采集4096個有效