基于LabVIEW德USB實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)-設(shè)計(jì)應(yīng)用

精品文檔-下載后可編輯基于LabVIEW德USB實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)-設(shè)計(jì)應(yīng)用通用串行總線ＵＳＢ（ＵｎｉｖｅｒｓａｌＳｅｒｉａｌＢｕｓ）作為一種新型的數(shù)據(jù)通信接口在越來越廣闊的領(lǐng)域得到應(yīng)用。而基于ＵＳＢ接口的數(shù)據(jù)采集卡與傳統(tǒng)的ＰＣＩ卡及ＩＳＡ卡相比具有即插即用、熱插拔、傳輸速度快、通用性強(qiáng)、易擴(kuò)展和性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)。ＵＳＢ的應(yīng)用程序一般用ＶｉｓｕａｌＣ＋＋編寫，較為復(fù)雜，花費(fèi)的時(shí)間較長。由美國國家儀器(ＮＩ)公司開發(fā)的ＬａｂＶＩＥＷ語言是一種基于圖形程序的編程語言，內(nèi)含豐富的數(shù)據(jù)采集、數(shù)字信號(hào)分析以及控制等子程序，用戶利用創(chuàng)建和調(diào)用子程序的方法編寫程序，使創(chuàng)建的程序模塊化，易于調(diào)試、理解和維護(hù)，而且程序編制簡單、直觀。因此它特別適用于數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)。利用它編制ＵＳＢ應(yīng)用程序，把ＬａｂＶＩＥＷ語言和ＵＳＢ總線緊密結(jié)合起來的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)將集成兩者的優(yōu)點(diǎn)。ＵＳＢ總線可以實(shí)現(xiàn)對(duì)外部數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)高速的采集，把采集的數(shù)據(jù)傳送到主機(jī)后再通過ＬａｂＶＩＥＷ的功能模塊順利實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的顯示、分析和存儲(chǔ)。

１ＵＳＢ及其在數(shù)據(jù)采集設(shè)備中的應(yīng)用

ＵＳＢ自１９９５年在Ｃｏｍｄｅｘ上亮相以來已廣泛地為各ＰＣ廠家所支持。現(xiàn)在生產(chǎn)的ＰＣ幾乎都配備了ＵＳＢ接口，Ｍｉｃｒｏｓｏｆｔ的Ｗｉｎｄｏｗｓ９８、ＮＴ以及ＭａｃＯＳ、Ｌｉｎｕｘ等流行操作系統(tǒng)都增加了對(duì)ＵＳＢ的支持。ＵＳＢ具有速度快、設(shè)備安裝和配置容易、易于擴(kuò)展、能夠采用總線供電、使用靈活等主要優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用越來越廣泛。

一個(gè)實(shí)用的ＵＳＢ數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件一般包括微控制器、ＵＳＢ通信接口以及根據(jù)系統(tǒng)需要添加的Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換器和ＥＰＲＯＭ、ＳＲＡＭ等。為了擴(kuò)展其用途，還可以加上多路模擬開關(guān)和數(shù)字Ｉ／Ｏ端口。系統(tǒng)的Ａ／Ｄ、數(shù)字Ｉ／Ｏ的設(shè)計(jì)可沿用傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，根據(jù)采集的精度、速率、通道數(shù)等諸元素選擇合適的芯片，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)充分注意抗干擾性，尤其對(duì)Ａ／Ｄ采集更是如此。在微控制器和ＵＳＢ接口的選擇上有兩種方式：一種是采用普通單片機(jī)加上專用的ＵＳＢ通信芯片；另一種是采用具備ＵＳＢ通信功能的單片機(jī)。ＵＳＢ的另一大優(yōu)點(diǎn)是可以總線供電，在數(shù)據(jù)采集設(shè)備中耗電量通常不大，因此可以設(shè)計(jì)成總線供電。一個(gè)ＵＳＢ設(shè)備的軟件一般包括主機(jī)的驅(qū)動(dòng)程序、應(yīng)用程序和寫進(jìn)ＲＯＭ里面的Ｆｉｒｍｗａｒｅ。Ｗｉｎｄｏｗｓ９８提供了多種ＵＳＢ設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序，但還沒有一種專門針對(duì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，所以必須針對(duì)特定的設(shè)備編制驅(qū)動(dòng)程序。盡管系統(tǒng)已經(jīng)提供了很多標(biāo)準(zhǔn)接口函數(shù)，但編制驅(qū)動(dòng)程序仍然是ＵＳＢ開發(fā)中困難的一件事。通常采用ＷｉｎｄｏｗｓＤＤＫ實(shí)現(xiàn)，但現(xiàn)在有許多第三方軟件廠商提供了各種各樣的生成工具，如Ｃｏｍｐｕｗａｒｅ的ＤｒｉｖｅｒＷｏｒｋｓ、ＢｌｕｅＷａｔｅｒｓ的ＤｒｉｖｅｒＷｉｚａｒｄ等軟件能夠輕易地生成高質(zhì)量的ＵＳＢ驅(qū)動(dòng)程序。單片機(jī)程序的編制也同樣困難，而且沒有任何一家廠商提供了自動(dòng)生成的工具。編制一個(gè)穩(wěn)定、完善的單片機(jī)程序直接關(guān)系到設(shè)備性能，必須給予充分的重視。以上兩個(gè)程序是開發(fā)者所關(guān)心的，而用戶卻不大關(guān)心。用戶關(guān)心的是如何高效地通過鼠標(biāo)操作設(shè)備，如何處理和分析采集進(jìn)來的大量數(shù)據(jù)。因此還必須有高質(zhì)量的用戶軟件。用戶軟件必須有友好的界面、強(qiáng)大的數(shù)據(jù)分析和處理能力以及提供給用戶進(jìn)行再開發(fā)的接口。２ＬａｂＶＩＥＷ及其外部動(dòng)態(tài)鏈接庫的調(diào)用

ＬａｂＶＩＥＷ是美國國家儀器(ＮＩ)公司開發(fā)的一種基于圖形程序的虛擬儀表編程語言，其在測試與測量、數(shù)據(jù)采集、儀器控制、數(shù)字信號(hào)分析、工廠自動(dòng)化等領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用。ＬａｂＶＩＥＷ程序稱為虛擬儀器程序(簡稱ＶＩ)，主要包括兩部分：前面板即人機(jī)界面和方框圖程序。前面板用于模擬真實(shí)儀器的面板操作，可設(shè)置輸入數(shù)值、觀察輸出值以及實(shí)現(xiàn)圖表、文本等顯示。框圖程序應(yīng)用圖形編程語言編寫，相當(dāng)于傳統(tǒng)程序的源代碼。其用于傳送前面板輸入的命令參數(shù)到儀器以執(zhí)行相應(yīng)的操作。ＬａｂＶＩＥＷ的強(qiáng)大功能在于層次化結(jié)構(gòu)，用戶可以把創(chuàng)建的ＶＩ程序當(dāng)作子程序調(diào)用，以創(chuàng)建更復(fù)雜的程序，而且，調(diào)用階數(shù)可以是任意的。ＬａｂＶＩＥＷ這種創(chuàng)建和調(diào)用子程序的方法使創(chuàng)建的程序模塊化，易于調(diào)試、理解和維護(hù)。ＬａｂＶＩＥＷ編程方法與傳統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)方法不同，它擁有流程圖程序設(shè)計(jì)語言的特點(diǎn)，擺脫了傳統(tǒng)程序語言線形結(jié)構(gòu)的束縛。ＬａｂＶＩＥＷ的執(zhí)行順序依方塊圖間數(shù)據(jù)的流向決定，而不像一般通用的編程語言逐行執(zhí)行。在編寫方塊圖程序時(shí)，只需從功能模塊中選用不同的函數(shù)圖標(biāo)，然后再以線條相互連接，即可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸。ＬａｂＶＩＥＷ雖有接口卡的驅(qū)動(dòng)和管理程序，但主要是針對(duì)ＮＩ公司自己生產(chǎn)的卡。對(duì)于普通的Ｉ／Ｏ卡，還不能直接被ＬａｂＶＩＥＷ所應(yīng)用，必須采取其他方法。其中可以用ＬａｂＶＩＥＷ的ＰｏｒｔＩｎ和ＰｏｒｔＯｕｔ功能，但此法應(yīng)用簡單，無法實(shí)現(xiàn)較復(fù)雜的接口功能。而采用動(dòng)態(tài)鏈接庫，可以根據(jù)具體需要編寫適當(dāng)?shù)某绦?，靈活利用ＬａｂＶＩＥＷ的各項(xiàng)功能。用戶可以自己編寫ＤＬＬｓ實(shí)現(xiàn)ＬａｂＶＩＥＷ與硬件的鏈接。用ＶＣ＋＋６．０編制動(dòng)態(tài)鏈接庫，首先生成ＤＬＬ框架，ＡｐｐＷｉｚａｒｄ將自動(dòng)生成項(xiàng)目文件，但不產(chǎn)生任何代碼，所有代碼均需用戶自己鍵入。ＤＬＬ需要的文件有：①ｈ函數(shù)聲明文件；②ｃ源文件；③ｄｅｆ定義文件。ｈ文件的作用是聲明ＤＬＬ要實(shí)現(xiàn)的函數(shù)原型，供ＤＬＬ編譯使用，同時(shí)還提供應(yīng)用程序編譯使用。ｃ文件是實(shí)現(xiàn)具體文件的源文件，它有一個(gè)入口點(diǎn)函數(shù)，在ＤＬＬ被初次調(diào)用時(shí)運(yùn)行，做一些初始化工作。一般情況下，用戶無須做什么初始化工作，只需保留入口點(diǎn)函數(shù)框架即可。ｄｅｆ文件是ＤＬＬ項(xiàng)目中比較特殊的文件，它用來定義該ＤＬＬ項(xiàng)目將輸出哪些函數(shù)，只有該文件列出的函數(shù)才能被應(yīng)用函數(shù)調(diào)用。要輸出的函數(shù)名列在該文件ＥＸＰＯＲＴＳ關(guān)鍵字下面。３基于ＡＮ２１３１Ｑ的單光子采集系統(tǒng)

該采集系統(tǒng)由筆者自行開發(fā)并用于單光子計(jì)數(shù)種子活性快速檢測儀中。它主要由將光子信號(hào)轉(zhuǎn)為電信號(hào)的光電倍增管（ＰＭＴ）及其輔助電路和基于ＡＮ２１３１Ｑ的ＵＳＢ采集卡組成。ＰＭＴ及其前置放大器、放大器、甄別器等輔助電路能將微弱的光子信號(hào)轉(zhuǎn)換為１５ｎｓ的標(biāo)準(zhǔn)ＴＴＬ脈沖信號(hào)，脈沖信號(hào)經(jīng)過分頻處理后再被ＵＳＢ采集，ＵＳＢ將采集的結(jié)果實(shí)時(shí)地傳給主機(jī)處理。

３．１ＵＳＢ采集卡的硬件組成

該采集卡由微控制器、ＵＳＢ通信接口、主機(jī)以及數(shù)字Ｉ／Ｏ端口組成，如圖１所示。

筆者設(shè)計(jì)了一種同步傳輸方式的單片方案，應(yīng)用了內(nèi)置微處理器的ＵＳＢ芯片--ＥＺ－ＵＳＢＡＮ２１３１Ｑ。它是Ｃｙｐｒｅｓｓ公司的一種內(nèi)嵌微控制器的８０腳ＵＳＢ芯片，包含三個(gè)８位多功能口，８位數(shù)據(jù)端口，１６位地址端口，二個(gè)ＵＳＢ數(shù)據(jù)端口，二個(gè)可定義為１６位的定時(shí)／計(jì)數(shù)器和其他輸入輸出端口。其采用一種基于內(nèi)部ＲＡＭ的解決方案，允許客戶隨時(shí)不斷地設(shè)置和升級(jí)，不受端口數(shù)、緩沖大小和傳輸速度及傳輸方式的限制。片內(nèi)嵌有一個(gè)增強(qiáng)型的８０５１微控制器，其４個(gè)時(shí)鐘的循環(huán)周期使它比標(biāo)準(zhǔn)８０５１的速度快３倍。采用同步傳輸方式將單片機(jī)的計(jì)數(shù)值實(shí)時(shí)傳送給主機(jī)，而主機(jī)對(duì)計(jì)數(shù)器的控制信號(hào)則采用塊傳輸方式傳送。ＥＺ－ＵＳＢ是Ｃｙｐｒｅｓｓ公司推出的ＵＳＢ開發(fā)系統(tǒng)，它為ＵＳＢ外設(shè)提供了一種很好的集成化解決方案。ＥＺ－ＵＳＢ在其內(nèi)核已做了大量繁瑣的、重復(fù)性的工作，這樣就簡化了開發(fā)代碼，進(jìn)而縮短了開發(fā)周期。此外，開發(fā)商還提供了配套的開發(fā)軟件(包括編譯軟件ｕＶｉｓｉｏｎ５１、調(diào)試軟件ｄＳｃｏｐｅ５１、控制軟件ＥＺ－ＵＳＢＣｏｎｔｒｏｌｌＰａｎｅｌ)以及驅(qū)動(dòng)程序ＧＰＤ(ＧｅｎｅｒａｌＰｕｒｐｏｓｅＤｒｉｖｅｒ)接口，以便于用戶進(jìn)行開發(fā)使用。

３．２ＵＳＢ采集卡的軟件構(gòu)成

在ＵＳＢ的Ｆｉｒｍｗａｒｅ中，采取同步傳輸(ＩｓｏｃｈｒｏｎｏｕｓＴｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ)和塊傳輸(ＢｕｌｋＴｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ)兩種傳輸方式。同步方式用來實(shí)時(shí)傳送采集的數(shù)據(jù)，塊傳輸主要用來傳輸主機(jī)的命令信號(hào)和ＵＳＢ的狀態(tài)信息。塊傳輸中利用端點(diǎn)(Ｅｎｄｐｏｉｎｔ)２。兩種傳輸方式的中斷程序如下：

ｖｏｉｄＩＳＲ＿Ｓｕｔｏｋ(ｖｏｉｄ)ｉｎｔｅｒｒｕｐｔ０／／塊傳輸方式{／／ｉｎｉｔｉａｌｉｚｅｔｈｅｃｏｕｔｅｒｓｉｎｔｈｅ８０５１ＴＭＯＤ＝０ｘ０５；ＴＣＯＮ＝０ｘ１０；ＴＨ０＝０；ＴＬ０＝０；ｔｈｂ＝０；

ＥＺＵＳＢ＿ＩＲＱ＿ＣＬＥＡＲ（）；ＵＳＢＩＲＱ＝ｂｍＳＵＴＯＫ；／／ＣｌｅａｒＳＵＴＯＫＩＲＱ}ｖｏｉｄＩＳＲ＿Ｓｏｆ（ｖｏｉｄ）ｉｎｔｅｒｒｕｐｔ０／／同步傳輸方式{ｉｆ（ＴＣＯＮ＆０ｘ２０）{／／ＤｅａｌｗｉｔｈｔｈｅｃｏｕｎｔｅｒｏｖｅｒｆｌｏｗＴＨ０＝０；ＴＬ０＝０；ＴＨＢ＋＋；ＴＣＯＮ＆＝０ｘｄｆ；}

ＩＮ８ＤＡＴＡ＝ＴＨ０；／／３ＢｙｔｅｓｃｏｕｎｔｅｒｒｅｓｕｌｔＩＮ８ＤＡＴＡ＝ＴＬ０；ＩＮ８ＤＡＴＡ＝ＴＨＢ；ＥＺＵＳＢ＿ＩＲＱ＿ＣＬＥＡＲ（）；ＵＳＢＩＲＱ＝ｂｍＳＯＦ；／／ＣｌｅａｒＳＯＦＩＲＱ}

在ＬａｂＶＩＥＷ應(yīng)用程序中設(shè)計(jì)了一Ｕｓｂ．ｄｌｌ文件作為ＬａｂＶＩＥＷ與ＵＳＢ的驅(qū)動(dòng)程序。由于ＥＺ－ＵＳＢ開發(fā)系統(tǒng)中已經(jīng)提供了底層驅(qū)動(dòng)程序（ＧＰＤ）接口函數(shù)，用戶只需調(diào)用這些函數(shù)即可與ＵＳＢ設(shè)備連接。因此在ＤＬＬ的編制中只需調(diào)用它提供的函數(shù)，大大節(jié)約了開發(fā)時(shí)間，提高了開發(fā)速度。創(chuàng)建的Ｕｓｂ．ｄｌｌ文件中包含了如下五個(gè)輸出函數(shù)，功能說明如表１所示。其定義如下：

ＬＰＳＴＲ＿ｄｅｃｌｓｐｅｃ（ｄｌｌｅｘｐｏｒｔ）＿ｓｔｄｃａｌｌＣｎｔｒｏｌ（ｉｎｔｉｎｐｕｔ）；ｉｎｔ＿ｄｅｃｌｓｐｅｃ（ｄｌｌｅｘｐｏｒｔ）＿ｓｔｄｃａｌｌＲｅａｄＲｅｓｕｌｔ（ｖｏｉｄ）；ｉｎｔ＿ｄｅｃｌｓｐｅｃ（ｄｌｌｅｘｐｏｒｔ）＿ｓｔｄｃａｌｌＳｔａｒｔＩｓｏＳｔｒｅａｍ（ｖｏｉｄ）；ｉｎｔ＿ｄｅｃｌｓｐｅｃ（ｄｌｌｅｘｐｏｒｔ）＿ｓｔｄｃａｌｌＳｔａｒｔＴｈｒｅａｄ（ｖｏｉｄ）；ｉｎｔ＿ｄｅｃｌｓｐｅｃ（ｄｌｌｅｘｐｏｒｔ）＿ｓｔｄｃａｌｌＳｔｏｐＴｈｒｅａｄ（ｖｏｉｄ）；

開啟設(shè)備和獲取采集數(shù)據(jù)的過程如圖２所示。它的主要功能有：開啟或關(guān)閉ＵＳＢ設(shè)備、檢測ＵＳＢ設(shè)備、設(shè)置ＵＳＢ數(shù)據(jù)傳輸管道（ｐｉｐｅ）和端點(diǎn)（ｅｎｄｐｏｉｎｔ）、實(shí)時(shí)從ＵＳＢ接口采集數(shù)據(jù)、顯示并分析數(shù)據(jù)。程序在ＶＣ＋＋６．０環(huán)境下編譯成功后自動(dòng)生成ＤＬＬ文件。調(diào)用時(shí)，在框圖程序窗口打開ＦｕｎｃｔｉｏｎＰａｌｅｔｔｅ功能模板，在Ａｄｖａｎｃｅｄ模塊包含有對(duì)庫函數(shù)的調(diào)用模塊，即ＣａｌｌＬｉｂｒａｒｙＦｕｎｃｔｉｏｎ。把編寫好的ＤＬＬｓ放在當(dāng)前目錄或特定目錄下。在功能模板放置函數(shù)調(diào)用模塊，然后選Ｃｏｎｆｉｇｕｒｅ，出現(xiàn)對(duì)話框。根據(jù)ＬａｂＶＩＥＷ與ＤＬＬｓ的參數(shù)對(duì)應(yīng)關(guān)系填寫好ＤＬＬ文件的路徑（ＤＬＬ文件不在當(dāng)前目錄下）、被調(diào)用函數(shù)名、參數(shù)的類型及返回類型。需要注意的是，當(dāng)調(diào)用多個(gè)函數(shù)時(shí)要分別填寫參數(shù)的個(gè)數(shù)和對(duì)應(yīng)的類型，而且在調(diào)用過程中應(yīng)保持?jǐn)?shù)據(jù)位的一致。填好選擇ＯＫ按鈕后，Ｌａ