基于LabWindows／CVI的双通道数据采集系统

摘要 介绍了使用Labwindows／CVI和DAQ／PXI-2005数据采集卡搭建的数据测量系统。通过传感器将所测特征信号变为电信号传输，再用数据采集卡采集传送给处理器，用LabWindow／CVI搭建数据处理和显示的人机交互界面，实现对物体特征的测量。该系统可以实时显示所测物体特征，修改数据采集时的各项参数，显示采集到数据的波形，存储、调用采集到的数据。
关键词 LabWindows／CVI；数据采集卡；人机交互界面；数据存储

    物体的特征有多种，如温度、压力、流量、液位等，本文以温度为例。通过获知部分特征，可以确定其当前状况。因此特征的获知尤为重要。通常用专业的仪器测量这些信号，所需仪器较昂贵。虚拟仪器利用高性能的模块化硬件，加上高效灵活的软件完成测试。目前国内、国际虚拟仪器市场，主要采用LabView软件，但LabView作为一款图形化的开发工具，不够灵活。因此NI公司推出了面向测控领域的LabWindo ws／CVI软件开发平台，这款测量软件将控件和编程结合在一起，灵活高效。

1 总体架构
    首先通过传感器测量物体的特征，以温度为例，将模拟温度信号转换为相应大小的电压信号，对电压信号进行调理放大并去噪，然后通过数据采集卡对电压信号进行采集，实现A／D转换，处理所采信号，将之转变为相应的温度信号加以显示，如图1所示。

1．1 硬件方面
    处理器用PXI-8106。PXI-8106是2．16 GHzIntelCore2 Duo双核处理器。PXI-8106插在PXI机箱的0号插槽上，通过机箱上的高速PXI总线与插在1号插槽上的PXI数据采集卡相连接。LabWindows／CVI与NI的数据采集卡配套使用灵活方便，但考虑到成本，选用了凌华公司的PXI-2005数据采集卡。其是一款4通道16位并行多功能数据采集卡，最高采样速率为500 ksample／s，满足项目需要。
1．2 软件方面
    使用NI公司的LnbWindows／CVI编写上位机界面，对采集到的数据进行处理和显示。
    LabWindows／CVI是NI公司推出的面向计算机测控领域的虚拟仪器软件开发平台，能够在多操作系统下运行。LabWindows／CVI将用于测控的专业工具与C语言平台结合，利用测控专业工具的集成化开发环境、交互式编程方法、函数面板和丰富的库函数大幅增强了C语言的功能，为开发设计人员编写检测系统、数据采集系统、过程监控系统等应用软件提供了一个理想的软件开发环境。
    LabWindows／CVI适用于测试盒测量的ANSI C开发环境，提高了生产效率，广泛用于制造测试、军事／航天、通讯、设计验证和汽车工业等领域。

2 测量系统
    测量系统首先要驱动数据采集卡，对数据进行采集，并进行数据处理，最后将处理结果显示到界面上。
2．1 数据采集卡的驱动
    在驱动数据采集的过程如下：数据采集卡首先要经过硬件初始化，这个过程多数由生产商提供的驱动程序完成。初始化完成以后，在工程内加入D2K-Dask．lih，就可使用生产商提供的软件操作语句对数据采集卡进行控制。
    数据采集卡的硬件驱动一般由硬件生产厂家提供的驱动完成。硬件生产厂家会提供函数库以供使用该数据采集卡。
2．1．1 PXI-2005编程所用主要函数
    (1)D2K_Register_Card。
    该函数用于初始化凌华的板卡，函数原型为：D2K_Register_Card(U16 CardType，U16card_num)。
    CardType是板卡类型，如使用PXI-2005即添DAQ_2005；card_num为板卡所插插槽，只用一块板卡就添0，有两块板卡则用0、1区分开。
    (2)D2K_AI_ContBufferSetup。
    为连续采集数据分配内存，函数原型为：D2K_AI_ContBufferSetup(U16 CardNumber，void*Buffer，U32 ReadCount，U16*BufferId)。
    CardNumber是所操作板卡的ID；*Buffer即分配内存的名称；ReadCount为所需内存的大小；*BufferId是分配好内存返回的序列。
    (3)D2K_AI_ContSeanChannels。
    开始连续的A／D转换，函数原型为：D2K_AI_ContScanChannels(U16 CardNumber，U16 Channel，U16Build，U32 ReadScans，U32 ScanIntrv，U32 SampIntrv，U16 SyneMode)。
    Channel为使用的最多的通道数，如PXI-2005可以使用0，1，2，3这4个通道；BufId为数据存放的内存位置；ReadScans为每通道采样数；最大扫描速率除以ScanIntrv即为当前扫描速率；SampIntrv为A／D转换最小间隔，最大采样速率除以SampIntrv即为当前采样速率。
    (4)D2K_Release_Card。
    释放使用中的数据采集卡，函数原型为：D2K_Release_Card(U16 CardNumber)。
2．1．2 PXI-2005数据采集卡驱动实例
    驱动凌华PXI-2005数据采集卡，进行4通道、采样速率为500 kHz、每通道采样点数为60 000的采样。
2．2 软件整体设计
    软件设计总体框图如图2所示。

 
    LabWindows／CVI由自行选用的插件以及C代码组成，除此之外，系统还配有各类丰富的软件包，从而更方便地构建软件系统，界面如图3所示。

2．2．1 显示界面
    将采集到的数据显示到界面上，有两种方式：(1)静态方式。将所采集到的点一次性显示在界面上，如果要继续显示，则要将之前界面上的点擦除后才可以继续。(2)动态方式。以带状图实时显示图形数据，可以包含一个或多个同时刷新的曲线，每一条曲线代表一个连续量的数据通道。为显示处理过的数据，要选用静态显示。而静态显示只能显示一次，因此需要使用CVI内置时钟Timer隔几秒刷新显示数据。某一区间的数据可以以横轴为时间、纵轴为幅度显示，也可以其他方式显示。这里选择环形图显示。
2．2．2 环形图显示
    环形图显示如图4所示，显示的是温度信号，单位℃。图中有两个圆。大圆代表最大量程值，小圆代表最小量程值。图中共有86条线段，代表这一段时间被平分为86段，每条线段代表一个时间点。测量到的数据依照时间先后在这86个线段上逆时针标出，数据越大越靠近大圆，数据越小越靠近小圆。将这些点依次连接，易看到哪一时间点上的数据较大，而哪一时间点上的数据较小。直观地显示出所测时间内数据的大小变化。左下角最大量程显示的是大圆代表的值，最小量程显示着小圆代表的值，这两个量程可以重新输入设置，以便观察数据在更小量程里的变化。

3 数据的处理
3．1 数据的分离
    数据采集卡是将采集到的数据以交错方式存储内存当中。所谓交错即内存中的存储依次是第1，2，3，4通道的数据。以4通道采集为例，把第一位数据和每隔3位后的第4位数据存放在一起，形成了第一通道数据，从第3位开始，每隔3位数据存储在一起，则形成了第3通道数据。再将这些数据用于处理和显示。
3．2 数据的转换
    数据采集卡采集到的数据并不是10进制的电压数据，而是由某种对应关系对应得到的数字信号，需要进行一次转换得到10进制电压数据。转换原理如下：PXI-2005这款数据采集卡是16位的，采集最大电压范围是-10～+10 V；基准电压是+10 V，因此数字0对应-10 V，数字215对应0 V，数字216对应10 V。因此得出数据转换公式为
    data_D=data_collect／215×10．0-10．0            (1)
    这样就将从模拟电压上采集到的原始数字数据(data_collect)转换为相应的10进制数字电压数据(data_D)。
3．3 数据的存储
    数据是以TDMS格式存储，TDMS是NI公司主推的一种二进制记录文件，拥有高速、易存取等多种优势，能在NI的各种数据分析或软件之间进行无缝交互，而且提供一系列API函数供LabWindows／CVI使用。
    存储的数据是采集转换后的电压数据。每通道内的数据都是单独存储的，互不影响。存储后的TDMS文件可以通过安装CVI时同时安装的一个插件一Excel Importer打开，打开效果如图5和图6所示。

    PXI-2005这款数据采集卡是4通道的，本试验中只用到了两通道，如图6所示，只有1、3通道有数据存储，2、4通道的数据是0。
3．4 生成报表
    将采集到的数据计算后整理到word文件上以供打印。报表如图7所示。报表中存储的是已经转换的温度数据，单位℃。

    使用word的函数语句包含在wordrepoit．fp文件里，因此要先要在工程内加载wordreport．fp，然后才能使用其中包含的函数来制作word文件。

4 结束语
    由LabWindows／CVI搭建的数据采集系统，具有快速测量、实时显示等功能。搭配相应的传感器，容易制作成相应领域的测量仪器。同时CVI可以应用到大多数操作系统上，具有良好的移植性、使用简单。相比MFC，CVI的研发，因为拥有大量专业测控插件而显得更加方便快捷；相比LabView，CVI的可编程性使其更加灵活，更能满足研发人员的思想。同时，CVI插件的随意放大缩小功能也适合移植到大小不一的触摸屏上使用，适用于嵌入式系统。由此可见CVI在测量方面有着较大的优势，将成为虚拟仪器发展过程中的重要工具。