LabVIEW虛擬儀器入門(mén)與測(cè)控應(yīng)用100例 課件 第9章 LabVIEW數(shù)據(jù)采集

虛擬儀器技術(shù)及應(yīng)用LabVIEW數(shù)據(jù)采集9.2.1數(shù)據(jù)采集卡的類型數(shù)據(jù)采集卡的產(chǎn)生

為了滿足IBM-PC機(jī)及其兼容機(jī)用于數(shù)據(jù)采集與控制的需要，國(guó)內(nèi)外許多廠商生產(chǎn)了各種各樣的數(shù)據(jù)采集板卡（或I/O板卡）。這類板卡均參照IBM-PC機(jī)的總線技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)和生產(chǎn)，用戶只要把這類板卡插入IBM-PC機(jī)主板上相應(yīng)的I/O擴(kuò)展槽中，就可以迅速方便地構(gòu)成一個(gè)數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)，從而大大節(jié)省了硬件的研制時(shí)間和投資，又可以充分利用IBM-PC機(jī)的軟硬件資源，還可以使用戶集中精力對(duì)數(shù)據(jù)采集與處理中的理論和方法進(jìn)行研究、進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)以及程序的編制等。數(shù)據(jù)采集卡的種類

基于PC總線的板卡種類很多，其分類方法也有很多種。按照板卡處理信號(hào)的不同可以分為模擬量輸入板卡(A/D卡)、模擬量輸出板卡(D/A卡)、開(kāi)關(guān)量輸入板卡、開(kāi)關(guān)量輸出板卡、脈沖量輸入板卡、多功能板卡等。其中多功能板卡可以集成多個(gè)功能，如數(shù)字量輸入/輸出板卡將模擬量輸入和數(shù)字量輸入/輸出集成在同一張卡上。根據(jù)總線的不同，可分為PCI板卡和ISA板卡。

PCI-5121智能CAN接口卡

還有其它一些專用I/O板卡，如智能接口卡、虛擬存儲(chǔ)板（電子盤(pán)）、信號(hào)調(diào)理板、專用（接線）端子板等，這些種類齊全、性能良好的I/O板卡與IPC配合使用，使系統(tǒng)的構(gòu)成十分容易。

常用的數(shù)據(jù)采集卡

1．模擬量輸入卡（A/D卡）

在工業(yè)測(cè)控系統(tǒng)中，輸入信號(hào)往往是模擬量，這就需要一個(gè)裝置把模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，各種A/D芯片就是用來(lái)完成此類轉(zhuǎn)換的。在實(shí)際的計(jì)算機(jī)測(cè)控系統(tǒng)中，不是以A/D芯片為基本單元，而是制成商品化的A/D板卡。模擬量輸入板卡根據(jù)使用的A/D轉(zhuǎn)換芯片和總線結(jié)構(gòu)不同，性能有很大的區(qū)別。板卡通常有單端輸入、差分輸人以及兩種方式組合輸入三種。板卡內(nèi)部通常設(shè)置一定的采樣緩沖器，對(duì)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行緩沖處理，緩沖器的大小也是板卡的性能指標(biāo)之一。在抗干擾方面，A/D板卡通常采取光電隔離技術(shù)，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的隔離。板卡模擬信號(hào)采集的精度和速度指標(biāo)通常由板卡所采用的A/D轉(zhuǎn)換芯片決定。

例如，下圖所示為研華PCI-1713模擬量輸入卡。該板卡具有32路單端或16路差分模擬量輸入，或組合輸入方式，12位A/D轉(zhuǎn)換分辨率，A/D轉(zhuǎn)換器的采樣速率可達(dá)100kHz，每個(gè)輸入通道的增益可編程，卡上有4K采樣FIFO緩沖器，2500VDC隔離保護(hù)，支持軟件、內(nèi)部定時(shí)器觸發(fā)或外部觸發(fā)。

2．模擬量輸出卡（D/A卡）

計(jì)算機(jī)內(nèi)部處理采用的是數(shù)字量，而執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用的是模擬量。計(jì)算機(jī)通過(guò)D/A板卡將數(shù)字量轉(zhuǎn)化為模擬量，從而通過(guò)控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)作去控制生產(chǎn)工藝過(guò)程。

D/A轉(zhuǎn)換板卡同樣依據(jù)其采用的D/A轉(zhuǎn)換芯片的不同，轉(zhuǎn)換性能指標(biāo)有很大的差別。

例如，下圖所示為研華PCI-1720U模擬量輸出卡。該板卡具有四路12位D/A輸出通道，多種輸出范圍。由于能夠在輸出和PCI總線之間提供2500VDC的隔離保護(hù)，PCI-1720非常適合需要高電壓保護(hù)的工業(yè)場(chǎng)合。

3．?dāng)?shù)字量輸入/輸出卡（I/O卡）

計(jì)算機(jī)測(cè)控系統(tǒng)通過(guò)數(shù)字量輸入板卡采集工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程的離散輸入信號(hào)，并通過(guò)數(shù)字量輸出板卡對(duì)生產(chǎn)過(guò)程或控制設(shè)備進(jìn)行開(kāi)關(guān)式控制（二位式控制）。將數(shù)字量輸入和數(shù)字量輸出功能集成在一塊板卡上，就稱為數(shù)字量輸入/輸出板卡，簡(jiǎn)稱I/O板卡。

例如，下圖所示為研華PCI-1730數(shù)字量輸入/輸出卡，它提供了16路數(shù)字量輸入和16路數(shù)字量輸出，高輸出驅(qū)動(dòng)能力和中斷能力，具有2500VDC高電壓隔離I/O通道。4．脈沖量輸入/輸出板卡

工業(yè)控制現(xiàn)場(chǎng)有許多高速的脈沖信號(hào)，如旋轉(zhuǎn)編碼器、流量檢測(cè)信號(hào)等，這些都要用脈沖量輸入板卡或一些專用測(cè)量模塊進(jìn)行測(cè)量。脈沖量輸入/輸出板卡可以實(shí)現(xiàn)脈沖數(shù)字量的輸出和采集，并可以通過(guò)跳線器選擇計(jì)數(shù)、定時(shí)、測(cè)頻等不同工作方式，計(jì)算機(jī)可以通過(guò)該板卡方便地讀取脈沖計(jì)數(shù)值，也可測(cè)量脈沖的頻率或產(chǎn)生一定頻率的脈沖?？紤]到現(xiàn)場(chǎng)強(qiáng)電的干擾，該類型板卡多采用光電隔離技術(shù)，使計(jì)算機(jī)與現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)之間全部隔離，來(lái)提高板卡測(cè)量的抗干擾能力。例如，下圖所示的研華PCI-1780U計(jì)數(shù)器/定時(shí)器卡，是基于PCI總線設(shè)計(jì)的接口卡。該卡使用了AM9513芯片，能夠通過(guò)CPLD實(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù)器/定時(shí)器功能。此外，該卡還提供8個(gè)16位計(jì)數(shù)器通道，并具有8通道可編程時(shí)鐘資源，8路TTL數(shù)字量輸出/8路TTL數(shù)字量輸入，最高輸入頻率達(dá)20MHz，有多種時(shí)鐘可以選擇，可編程計(jì)數(shù)器輸出，同時(shí)有計(jì)數(shù)器門(mén)選通功能。

9.2.3基于數(shù)據(jù)采集卡的測(cè)控系統(tǒng)基于數(shù)據(jù)采集卡的計(jì)算機(jī)測(cè)控系統(tǒng)的組成如圖9-1所示。圖9-1基于數(shù)據(jù)采集卡的控制系統(tǒng)組成框圖1.計(jì)算機(jī)主機(jī)整個(gè)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的核心。由CPU、存儲(chǔ)器等構(gòu)成。目前采用的主機(jī)有PC機(jī)及工業(yè)PC機(jī)（IPC）等。工作過(guò)程：接收由過(guò)程輸入通道發(fā)送的工業(yè)對(duì)象生產(chǎn)工況參數(shù)，按照人們預(yù)先安排的程序，自動(dòng)地進(jìn)行信息處理、分析和計(jì)算，并作出相應(yīng)的控制決策或調(diào)節(jié)，以信息的形式通過(guò)輸出通道，及時(shí)發(fā)出控制命令，實(shí)現(xiàn)良好的人機(jī)聯(lián)系。2.傳感器功能：將非電物理量（如溫度、壓力、速度等）轉(zhuǎn)換成電壓或電流信號(hào)。例如，使用熱電偶可以獲得隨著溫度變化的電壓信號(hào)；轉(zhuǎn)速傳感器可以把轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換為電脈沖信號(hào)。3.信號(hào)調(diào)理器功能：對(duì)傳感器輸出的電信號(hào)進(jìn)行加工和處理，轉(zhuǎn)換成便于輸送、顯示和記錄的電信號(hào)（電壓或電流）。如果信號(hào)調(diào)理電路輸出的是規(guī)范化的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)（如4～20mA、1～5V等），這種信號(hào)調(diào)理電路稱為變送器。常見(jiàn)的信號(hào)調(diào)理電路：電橋電路、調(diào)制解調(diào)電路、濾波電路、放大電路、線性化電路、A-D轉(zhuǎn)換電路、隔離電路等。4.輸入/輸出板卡常用的I/O板卡包括模擬量輸入輸出（AI/AO）板卡、數(shù)字量（開(kāi)關(guān)量）輸入輸出（DI/DO）板卡、脈沖量輸入輸出板卡及混合功能的接口板卡等。I/O接口是主機(jī)和板卡、外圍設(shè)備進(jìn)行信息交換的紐帶。常用的I/O接口有并行接口、串行接口等。目前絕大部分I/O接口都是采用可編程接口芯片，它們的工作方式可以通過(guò)編程設(shè)置。5.執(zhí)行機(jī)構(gòu)常用的執(zhí)行機(jī)構(gòu)有各種電動(dòng)、液動(dòng)、氣動(dòng)開(kāi)關(guān)，電液伺服閥，交直流電動(dòng)機(jī)，步進(jìn)電機(jī)，各種有觸點(diǎn)和無(wú)觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)及電磁閥等。工作過(guò)程：接受計(jì)算機(jī)發(fā)出的控制信號(hào)，并把它轉(zhuǎn)換成執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)作，使被控對(duì)象按預(yù)先規(guī)定的要求進(jìn)行調(diào)整，保證其正常運(yùn)行。6.驅(qū)動(dòng)電路功能：使計(jì)算機(jī)輸出信號(hào)與執(zhí)行機(jī)構(gòu)匹配；向執(zhí)行機(jī)構(gòu)提供大電流、高電壓驅(qū)動(dòng)信號(hào)，以帶動(dòng)其動(dòng)作。7.外圍設(shè)備主要是為了擴(kuò)大計(jì)算機(jī)主機(jī)的功能而配置的。用于顯示、存儲(chǔ)、打印、記錄各種數(shù)據(jù)。包括輸入設(shè)備、輸出設(shè)備和存儲(chǔ)設(shè)備。常用的外圍設(shè)備有：打印機(jī)、圖形顯示器（CRT）、外部存儲(chǔ)器（軟盤(pán)、硬盤(pán)、光盤(pán)等）、記錄儀、聲光報(bào)警器等。8.人機(jī)設(shè)備人機(jī)對(duì)話的聯(lián)系紐帶，如操作臺(tái)。計(jì)算機(jī)通過(guò)操作臺(tái)向生產(chǎn)過(guò)程的操作人員顯示系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)、運(yùn)行參數(shù)，發(fā)出報(bào)警信號(hào)；生產(chǎn)過(guò)程的操作人員通過(guò)操作臺(tái)向計(jì)算機(jī)輸入和修改控制參數(shù)，發(fā)出各種操作命令；程序員使用操作臺(tái)檢查程序；維修人員利用操作臺(tái)判斷故障等。9.通信接口對(duì)于復(fù)雜的生產(chǎn)過(guò)程，通過(guò)通信接口可構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)集成式計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。系統(tǒng)采用多臺(tái)計(jì)算機(jī)分別執(zhí)行不同的控制功能，既能同時(shí)控制分布在不同區(qū)域的多臺(tái)設(shè)備，又能實(shí)現(xiàn)管理功能。9.3LabVIEW與數(shù)據(jù)采集基于LabVIEW的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)一般如圖9-2所示。包括數(shù)據(jù)采集硬件、硬件驅(qū)動(dòng)程序、驅(qū)動(dòng)程序的用戶接口以及數(shù)據(jù)采集VI等部分。圖9-2基于LabVIEW的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)采集硬件：主要由計(jì)算機(jī)和其I/O接口設(shè)備兩部分組成。I/O接口設(shè)備主要執(zhí)行信號(hào)的輸入、數(shù)據(jù)采集、放大、模/數(shù)轉(zhuǎn)換等任務(wù)。根據(jù)I/O接口設(shè)備總線類型的不同，系統(tǒng)的構(gòu)成方式主要有五種：PC-DAQ插卡式虛擬儀器測(cè)試系統(tǒng)、GPIB虛擬儀器測(cè)試系統(tǒng)、VXI總線虛擬儀器測(cè)試系統(tǒng)、PXI總線虛擬儀器測(cè)試系統(tǒng)和串口總線虛擬儀器測(cè)試系統(tǒng)。PC-DAQ插卡式：最基本、最廉價(jià)的構(gòu)成形式，充分利用了PC計(jì)算機(jī)的機(jī)箱、總線、電源及軟件資源。圖9-3是PC-DAQ插卡式系統(tǒng)應(yīng)用示意圖。圖9-3PC-DAQ插卡式系統(tǒng)示意圖在使用前要進(jìn)行硬件安裝和軟件設(shè)置。硬件安裝就是將DAQ卡插入PC的相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)總線擴(kuò)展插槽內(nèi)，因采用PC本身的PCI總線或ISA總線，故稱由它組成的虛擬儀器為PC-DAQ插卡式虛擬儀器。DAQ硬件設(shè)備的基本功能：模擬量輸入（A-D）、模擬量輸出（D-A）、數(shù)字I/O（DigitalI/O）和定時(shí)（Timer）/計(jì)數(shù)（Counter）。LabVIEW為用戶提供了多種用于數(shù)據(jù)采集的函數(shù)、VIs和ExpressVIs。這些函數(shù)、VIs和ExpressVIs大體可以分為兩類，一類是TraditionalDAQVIs（傳統(tǒng)DAQ函數(shù)），另外一類是操作更為簡(jiǎn)便的NI-DAQmx，這些組件主要位于函數(shù)選板中的測(cè)量I/O和儀器I/O子選板中。9.3.2DAQ助手的使用其中最為常用的選板是位于測(cè)量I/O選項(xiàng)中的DataAcquisition（數(shù)據(jù)采集）子選板，如圖9-4所示。圖9-4數(shù)據(jù)采集子選板DAQmx-數(shù)據(jù)采集子選板：包含所有的DAQ函數(shù)。在所有的DAQ函數(shù)中，使用最多的是DAQ助手，DAQ助手是一個(gè)圖形化的界面，用于交互式地創(chuàng)建、編輯和運(yùn)行NI-DAQmx虛擬通道和任務(wù)。一個(gè)NI-DAQmx任務(wù)是虛擬通道、定時(shí)和觸發(fā)信息、以及其他與采集或生成相關(guān)屬性的組合。一個(gè)NI-DAQmx虛擬通道包括一個(gè)DAQ設(shè)備上的物理通道和對(duì)這個(gè)物理通道的配置信息，例如輸入范圍和自定義縮放比例。DAQ助手在函數(shù)選板測(cè)量I/O選項(xiàng)中的DAQmx-數(shù)據(jù)采集子選板中，如圖9-5所示。圖9-5DAQ助手位置將DAQ助手節(jié)點(diǎn)圖標(biāo)放置到程序框圖上，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)彈出如圖9-6所示新建任務(wù)對(duì)話框。圖9-6新建任務(wù)對(duì)話框以DAQ模擬電壓輸入為例來(lái)介紹DAQ助手的使用方法。1.選擇“模擬輸入”，如圖9-7所示。圖9-7選擇“模擬輸入”2.選擇“電壓”，用于采集電壓信號(hào)。然后系統(tǒng)彈出如圖9-8所示的選擇設(shè)備通道對(duì)話框。圖9-8選擇設(shè)備通道3.選擇“ai0”（通道0），單擊“完成”按鈕，將彈出圖9-9所示輸入配置對(duì)話框。圖9-9輸入配置4.單擊“確定”按鈕，對(duì)DAQ進(jìn)行初始化。初始化完成后可利用DAQ助手采集電壓電號(hào)。設(shè)計(jì)程序前面板和程序框圖分別如圖9-10和圖9-11所示。圖9-10程序前面板圖9-11程序框圖

NI公司PCI-6023E數(shù)據(jù)采集卡:是NI公司E系列多功能數(shù)據(jù)采集卡之一，是一種性能優(yōu)良的低價(jià)位的適合PC及其兼容機(jī)的采集卡?？膳cPC的PCI總線相連，它能夠完成模擬量輸入（A-D）、數(shù)字I/O及計(jì)數(shù)I/O等多種功能，非常適合搭建虛擬儀器系統(tǒng)。9.4典型數(shù)據(jù)采集卡PCI-6023E數(shù)據(jù)采集卡產(chǎn)品如圖9-12所示，與其配套進(jìn)行數(shù)據(jù)采集的接線端子板是CB-68LP型，如圖9-13所示。圖9-12PCI-6023E數(shù)據(jù)采集卡圖9-13CB-68LP接線端子板將PCI-6023E數(shù)據(jù)采集卡插入計(jì)算機(jī)主板上PCI擴(kuò)展插槽內(nèi)，通過(guò)R6868數(shù)據(jù)電纜與CB-68LP接線端子板相連，就可在PC的控制下完成模擬信號(hào)輸入輸出，數(shù)字信號(hào)輸入輸出等功能。用PCI-6023E板卡構(gòu)成的測(cè)控系統(tǒng)框圖如圖9-14所示。圖9-14基于PCI-6023E板卡的測(cè)控系統(tǒng)框圖圖9-15所示是CB-68LP接線端子板引腳圖。AI為模擬信號(hào)輸入端口，當(dāng)選擇單端（single-ended）測(cè)量方式時(shí)，接線方式就是把信號(hào)源的正端接入AIn（n=0,1,…15）、信號(hào)源的負(fù)端接入AIGND。圖9-15CB-68LP接線端子板管腳圖當(dāng)選擇差分（differential）測(cè)量方式時(shí)，接線方式是把信號(hào)源的正端接入AIn（n=0,1,…7）、信號(hào)源的負(fù)端接入AIn+8。P0.0～P0.7為8個(gè)數(shù)字信號(hào)輸入輸出通道，可以通過(guò)軟件設(shè)置每個(gè)數(shù)字通道為輸入或者輸出，對(duì)應(yīng)接開(kāi)關(guān)量的輸入和輸出。PCI-6023E有2個(gè)計(jì)數(shù)器：CTR0和CTR1，如果計(jì)數(shù)器信號(hào)只有1個(gè)、希望實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的計(jì)數(shù)功能，那么只需要把計(jì)數(shù)器信號(hào)接到CTR0SRC或者CTR1SRC。安裝PCI-6023E數(shù)據(jù)采集卡驅(qū)動(dòng)程序：虛擬儀器軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境安裝時(shí)，會(huì)自動(dòng)安裝NI-DAQ軟件，它包含NI公司各種數(shù)據(jù)采集硬件的驅(qū)動(dòng)程序。如果購(gòu)買(mǎi)NI公司數(shù)據(jù)采集硬件，它還會(huì)免費(fèi)提供一個(gè)NI-DAQ軟件，目的是使用戶得到最新版本的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序。安裝完NI-DAQ后，函數(shù)模板中會(huì)出現(xiàn)DAQ子模板。一、基于數(shù)據(jù)采集卡控制系統(tǒng)組成

基于數(shù)據(jù)采集卡的計(jì)算機(jī)測(cè)控系統(tǒng)（PCs）的組成如圖所示。

由于PCs價(jià)格低廉、組成靈活、標(biāo)準(zhǔn)化程度高、結(jié)構(gòu)開(kāi)放、配件供應(yīng)來(lái)源廣泛、應(yīng)用軟件豐富等特點(diǎn)，PCs是一種很有應(yīng)用前景的計(jì)算機(jī)測(cè)控系統(tǒng)。

二、PCI-1710HG數(shù)據(jù)采集卡的安裝PCI-1710HG數(shù)據(jù)采集卡1．安裝設(shè)備管理程序和驅(qū)動(dòng)程序在測(cè)試板卡和使用研華驅(qū)動(dòng)編程之前必須首先安裝研華設(shè)備管理程序DeviceManager和32bitDLL驅(qū)動(dòng)程序。首先執(zhí)行DevMgr.exe程序，根據(jù)安裝向?qū)瓿膳渲霉芾碥浖陌惭b；接著執(zhí)行PCI1710.exe程序，按照提示完成驅(qū)動(dòng)程序的安裝。

2．將板卡安裝到計(jì)算機(jī)中

關(guān)閉計(jì)算機(jī)電源，打開(kāi)機(jī)箱，將PCI-1710HG板卡正確地插到一空閑的PCI插槽中，如圖所示，檢查無(wú)誤后合上機(jī)箱。

PCI-1710HG板卡安裝3、檢查板卡是否安裝正確4、查看板卡資源屬性5．配置板卡

在測(cè)試板卡和使用研華驅(qū)動(dòng)編程之前必須首先對(duì)板卡進(jìn)行配置，通過(guò)研華板卡配置軟件DeviceManager來(lái)實(shí)現(xiàn)。

6．板卡測(cè)試可以利用板卡附帶的測(cè)試程序?qū)Π蹇ǖ母黜?xiàng)功能進(jìn)行測(cè)試。運(yùn)行設(shè)備測(cè)試程序：在研華設(shè)備管理