黃陳英 楊 霞

[摘要]介紹虛擬儀器的構(gòu)建方法,結(jié)合MCC公司的USB-1408FS數(shù)據(jù)采集卡,介紹基于USB的DAQ虛擬實(shí)驗(yàn)儀器的開發(fā)過程和方法。

[關(guān)鍵詞]DAQ虛擬儀器設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào):TP3文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1671-7597(2009)1210083-01

一、引言

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和電子技術(shù)的不斷發(fā)展,推動(dòng)了虛擬儀器的廣泛應(yīng)用。為了掌握開發(fā)虛擬儀器的技術(shù),除了必須了解虛擬儀器本身的工作原理和機(jī)制,熟練掌握其開發(fā)技術(shù)尤為重要。

二、虛擬儀器的構(gòu)建

虛擬儀器是傳統(tǒng)儀器的一種模擬,數(shù)據(jù)采集、儀器控制、過程監(jiān)控和自動(dòng)測(cè)試是實(shí)驗(yàn)室研究和自動(dòng)測(cè)試領(lǐng)域廣泛存在的任務(wù)。一臺(tái)普通的儀器一般由信號(hào)采集、數(shù)據(jù)處理和結(jié)果輸出三大功能模塊組成。虛擬儀器是傳統(tǒng)儀器的模擬,也是按照“信號(hào)的采集-數(shù)據(jù)的分析與處理-結(jié)果的輸出顯示”的結(jié)構(gòu)模式建立的。USB-1408FS是美國(guó)MCC(Measurement Computing Corporation)公司的基于USB接口的用于DAQ虛擬儀器開發(fā)的產(chǎn)品,主要應(yīng)用于數(shù)據(jù)采集開發(fā)。數(shù)據(jù)采集卡是構(gòu)建虛擬DAQ儀器的必要的硬件部分。本文將以USB-1408FS為例探討DAQ虛擬儀器的開發(fā)。

三、基于USB-1408FS的DAQ虛擬儀器硬件設(shè)計(jì)

虛擬儀器的第一個(gè)結(jié)構(gòu)模塊為信號(hào)的采集。這個(gè)部分采用USB-1408FS作為數(shù)據(jù)采集卡。USB-1408FS是一種基于USB接口的DAQ模塊,帶有8個(gè)模擬輸入通道,達(dá)到14-bit分辨率,采樣速度48kS/s,2個(gè)D/A輸出端和16位的數(shù)字I/O。模擬信號(hào)可以從USB-1408FS的8個(gè)模擬輸入通道輸入,用USB接口與計(jì)算機(jī)連接。可以采用傳感器,也可以采用多功能信號(hào)發(fā)生器作為USB-1408FS的數(shù)據(jù)源。USB-1408FS不需要外接電源,通過USB數(shù)據(jù)線可以直接把信號(hào)輸入到計(jì)算機(jī)的USB接口。虛擬儀器的輸出與顯示部分由計(jì)算機(jī)完成。計(jì)算機(jī)上安裝了USB-1408FS的驅(qū)動(dòng)控制程序,同時(shí)安

裝了虛擬儀器設(shè)計(jì)軟件,利用軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)采集來的數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步的處理,并利用顯示器實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的輸出。

四、DAQ虛擬儀器軟件設(shè)計(jì)與開發(fā)

(一)軟件設(shè)計(jì)框圖

USB-1408FS支持VB、VC/C++、VB.NET、C#.NET、LabVIEW等軟件開發(fā)。其中LabVIEW框圖代替復(fù)雜的程序代碼,用圖標(biāo)、連線構(gòu)成程序流程圖,是采用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的高效快速的圖形化編程語言,開發(fā)容易。

虛擬儀器的設(shè)計(jì)包括硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)。軟件設(shè)計(jì)開發(fā)遵從一定的開發(fā)流程。DAQ虛擬儀器開發(fā)流程圖如圖1:

(二)開發(fā)DAQ虛擬儀器

1.分析USB-1408FS接口功能。在硬件設(shè)計(jì)階段,已經(jīng)了解到該數(shù)據(jù)采集卡的各項(xiàng)參數(shù)指標(biāo)。USB-1408FS有40個(gè)引腳,采用不同的接線模式可以實(shí)現(xiàn)8通道單端模擬輸入通道和4差分模擬輸入通道。兩種通道模式,各引腳輸出內(nèi)容會(huì)發(fā)生變化。在軟件設(shè)計(jì)時(shí),應(yīng)該結(jié)合這兩種不同的模式設(shè)計(jì)程序。

2.確定開發(fā)的產(chǎn)品功能。結(jié)合USB-1408FS的硬件特征,可以構(gòu)建單通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。利用單通道單點(diǎn)采樣可以實(shí)現(xiàn)測(cè)量直流電壓信號(hào)。采用簡(jiǎn)單緩沖區(qū)技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)波形采集。根據(jù)USB-1408FS的功能特點(diǎn),可以分別實(shí)現(xiàn)模擬輸入、直流電壓測(cè)量、波形采集、頻率測(cè)量。

3.確定開發(fā)平臺(tái)。USB-1408FS支持VB、VC/C++、VB.NET、C#.NET,也支持NI的LabVIEW開發(fā)語言。USB-1408FS為L(zhǎng)abVIEW提供了強(qiáng)大的VI庫,它配套的MCC-DAQ軟件包為L(zhǎng)abVIEW提供了一個(gè)名為MCC Data Acquisition

的用戶函數(shù)庫。該庫包括了模擬信號(hào)輸入輸出、數(shù)字信號(hào)輸入輸出、計(jì)數(shù)器等,為在LabVIEW中使用USB-1408FS提供了有利條件。另外,LabVIEW中有很多頻率分析函數(shù),提供了多種頻率分析方法。LabVIEW還為用戶提供了多種用于數(shù)據(jù)采集的函數(shù)、VIs和Express VIs。這些組建主要位于函數(shù)模板中的Measurement I/O,Instrument I/O子模板中。虛擬儀器的硬件部分只是計(jì)算機(jī)I/O端口與外界的接口,軟件部分才是虛擬儀器的主體。筆者選擇采用LabVIEW作為虛擬實(shí)驗(yàn)儀器的開發(fā)工具。

4.開發(fā)虛擬儀器軟件。在前面已經(jīng)分析確定了要開發(fā)的產(chǎn)品后,在LabVIEW中進(jìn)行程序設(shè)計(jì)。在LabVIEW中開發(fā)虛擬儀器,主要分為兩個(gè)部分的設(shè)計(jì)。一是前面板的設(shè)計(jì)。根據(jù)設(shè)計(jì)的產(chǎn)品不同,前面板儀器會(huì)有所不同,設(shè)計(jì)首要考慮的因素是界面友好、操作方便。接下來是流程圖的設(shè)計(jì),這是對(duì)前面板控件的對(duì)應(yīng)端口進(jìn)行連線、設(shè)計(jì)輸入輸出顯示等。流程圖的編程在后面板中進(jìn)行,主要是對(duì)端口圖標(biāo)的連接。

5.程序調(diào)試運(yùn)行。這里主要是對(duì)程序進(jìn)行運(yùn)行,看看結(jié)果是否正常。通常有兩種辦法,一是直接運(yùn)行程序,看測(cè)試結(jié)果是否正確。另一個(gè)辦法是在程序流程圖中設(shè)置斷點(diǎn),檢查各斷點(diǎn)數(shù)據(jù)是否正常。對(duì)于一般的語法錯(cuò)誤,LabVIEW會(huì)自動(dòng)檢測(cè)出來,工具條上的程序運(yùn)行按鈕會(huì)變成斷線,錯(cuò)誤的程序不能運(yùn)行。如果是邏輯錯(cuò)誤,就需要設(shè)置斷點(diǎn)檢查。程序運(yùn)行無誤后,虛擬儀器開發(fā)工作就完成了。

五、結(jié)束語

本文介紹了用USB-1408FS開發(fā)DAQ虛擬實(shí)驗(yàn)儀器的基本方法和流程。采用了LabVIEW作為開發(fā)平臺(tái),具有開發(fā)周期短,操作方便,效率高的特點(diǎn)。USB接口的虛擬儀器安裝方便,是未來虛擬儀器的一個(gè)發(fā)展方向。

注:本文是樂山師范學(xué)院校級(jí)課題,課題名稱為《計(jì)算機(jī)虛擬實(shí)驗(yàn)儀器研究與開發(fā)》,項(xiàng)目編號(hào)為z0824。此文為該項(xiàng)目階段性成果。參加人員還有:楊霞、張貴紅、唐前軍、劉毅。

參考文獻(xiàn):

[1]陸綺榮,基于虛擬儀器技術(shù)個(gè)人實(shí)驗(yàn)室的構(gòu)建,電子工業(yè)出版社,2006.

[2]USB-1408FS用戶手冊(cè),http://www.mccdaq.com/.

作者簡(jiǎn)介:

黃陳英(1975-),女,漢族,四川新都人,講師,碩士,研究方向:教育技術(shù)、教育軟件開發(fā);楊霞(1977-),女,漢族,四川渠縣人,講師,碩士,研究方向:信息處理,數(shù)據(jù)挖掘。