基于虛擬儀器開發(fā)軟件平臺(tái)如何實(shí)現(xiàn)普通數(shù)據(jù)采集卡的設(shè)計(jì)

　　引 言

虛擬儀器技術(shù)是20世紀(jì)90年代發(fā)展起來的一種新技術(shù)，融計(jì)算機(jī)和總線技術(shù)、微電子技術(shù)、測(cè)量技術(shù)于一身，它是對(duì)傳統(tǒng)儀器的重大突破，是計(jì)算機(jī)技術(shù)與儀器技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。它利用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的強(qiáng)大功能，結(jié)合相應(yīng)的硬件，大大突破傳統(tǒng)儀器在數(shù)據(jù)處理、顯示和存儲(chǔ)以及系統(tǒng)維護(hù)和擴(kuò)展等方面的限制。虛擬儀器的眾多優(yōu)點(diǎn)使其得到了廣泛的應(yīng)用，然而當(dāng)今著名的虛擬儀器開發(fā)軟件（如LabVIEW等）只能支持NI公司生產(chǎn)的數(shù)據(jù)采集卡，而不能直接驅(qū)動(dòng)普通的數(shù)據(jù)采集卡。本文重點(diǎn)研究了在虛擬儀器開發(fā)軟件平臺(tái)LabVIEW下使用普通數(shù)據(jù)采集卡的方法。

1 虛擬儀器開發(fā)平臺(tái)LabVIEW與數(shù)據(jù)采集卡的連接

LabVIEW是美國NI公司推出的一種基于G語言（Graphics Language），即圖形化編程語言的虛擬儀器軟件開發(fā)工具，具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)采集功能，通常只支持NI公司的數(shù)據(jù)采集卡，而這些卡的價(jià)格比較昂貴。因此，為了能在LabVIEW平臺(tái)上驅(qū)動(dòng)普通的數(shù)據(jù)采集卡，用戶必須通過LabVIEW所提供的調(diào)用庫函數(shù)節(jié)點(diǎn)（call Library Function Node，CLFN）及代碼接口節(jié)點(diǎn)（Code Interface Node，CIN）等功能，將功能強(qiáng)大、編程靈活、而且已有很多現(xiàn)成程序模塊的C語言同Lab-VIEW中編程直觀方便的圖形化G語言結(jié)合起來，從而實(shí)現(xiàn)用普通的數(shù)據(jù)采集卡來采集數(shù)據(jù)的功能，使LabVIEW在對(duì)硬件的支持上有了一個(gè)質(zhì)的飛躍。

在LabVIEW中利用CLFN節(jié)點(diǎn)可以較容易地實(shí)現(xiàn)訪問動(dòng)態(tài)鏈接庫（DLL），而且在購買數(shù)據(jù)采集卡的時(shí)，廠商一般會(huì)給用戶提供動(dòng)態(tài)鏈接庫。所以研究在LabVIEW平臺(tái)下調(diào)用動(dòng)態(tài)鏈接庫驅(qū)動(dòng)普通的數(shù)據(jù)采集卡來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集更具有普遍性。

2 基于動(dòng)態(tài)鏈接庫的普通數(shù)據(jù)采集卡的驅(qū)動(dòng)

2．1 動(dòng)態(tài)鏈接庫概述

動(dòng)態(tài)鏈接是一種應(yīng)用程序在運(yùn)行時(shí)與庫文件連接起來的技術(shù)。動(dòng)態(tài)鏈接庫（DLL）是一個(gè)可以多方共享的程序模塊，提供函數(shù)供Windows應(yīng)用程序或其他的動(dòng)態(tài)鏈接函數(shù)庫直接或間接調(diào)用，只有在別的模塊中調(diào)用了它的某個(gè)函數(shù)以后才發(fā)生作用。它是在應(yīng)用程序運(yùn)行時(shí)被裝入和鏈接的，而不是把庫代碼復(fù)制到應(yīng)用程序中，只是在程序中記錄了函數(shù)的入口點(diǎn)和接口。動(dòng)態(tài)鏈接庫獨(dú)立于編程語言，因此LabVIEW可以調(diào)用用大多數(shù)語言（如Visual C++，C++ Builder等）編寫生成的動(dòng)態(tài)鏈接庫。在調(diào)用DLL的函數(shù)時(shí)，必須知道以下4個(gè)信息：函數(shù)返回的數(shù)據(jù)類型，函數(shù)調(diào)用的方式，函數(shù)的參數(shù)及類型，DLL庫文件的位置等。

2．2 LabVIEW對(duì)DLL的調(diào)用

通過對(duì)Call Library Function Node的配置可以實(shí)現(xiàn)DLL的調(diào)用，關(guān)鍵要了解被調(diào)用的函數(shù)名稱、功能及其輸入／輸出參數(shù)。配置節(jié)點(diǎn)的目的在于指定DLL模塊中與LabVIEW數(shù)據(jù)交換的相應(yīng)驅(qū)動(dòng)函數(shù)。調(diào)用Call Library Function模塊，雙擊此模塊，在彈出CLF對(duì)話框中進(jìn)行節(jié)點(diǎn)配置，CLF函數(shù)配置對(duì)話框見圖1。第一個(gè)參數(shù)“庫名或路徑”，填入需要調(diào)用的動(dòng)態(tài)鏈接庫文件的名字和路徑。第二個(gè)參數(shù)“函數(shù)名”，是鏈接庫中要調(diào)用的函數(shù)名稱。當(dāng)在庫名或路徑欄中設(shè)定了DLL的路徑后，在函數(shù)名下拉框中就可以看到該動(dòng)態(tài)鏈接庫所包含的所有函數(shù)名。第三個(gè)參數(shù)“調(diào)用規(guī)范”，此欄中可以設(shè)置該動(dòng)態(tài)鏈接庫是標(biāo)準(zhǔn)WINAPI調(diào)用還是普通的C調(diào)用。一般來說，都采用C調(diào)用，但是對(duì)于API調(diào)用則必須選擇stdeall（WINAPI），最后一個(gè)需要注意的參數(shù)選項(xiàng)是線程安全選擇，此欄中可以選擇DLL是否可以被重入調(diào)用，默認(rèn)情況是在UI線程中運(yùn)行，即該動(dòng)態(tài)鏈接庫只能在User Interrace Thread下運(yùn)行。如果動(dòng)態(tài)鏈接庫中被調(diào)用的函數(shù)返回時(shí)間很長，那么就會(huì)導(dǎo)致LabVIEW不能執(zhí)行UI線程中的其他任務(wù)，因此界面反應(yīng)可能會(huì)很慢，甚至停止。這時(shí)候最好把它設(shè)為重入，若設(shè)置為重人，則該動(dòng)態(tài)鏈接庫可以由多個(gè)線程同時(shí)調(diào)用，但前提是必須保證該DLL能被多個(gè)線程同時(shí)安全調(diào)用。

在參數(shù)配置菜單下設(shè)置函數(shù)的返回值類型和輸入?yún)?shù)。對(duì)話框右側(cè)對(duì)應(yīng)每一個(gè)參數(shù)的參數(shù)名稱、類型、數(shù)據(jù)類型、參數(shù)傳遞方式。其中，需要注意的是數(shù)據(jù)類型選項(xiàng)，在不同的編譯平臺(tái)下，數(shù)據(jù)類型的定義名稱是不一樣的。為了將數(shù)據(jù)類型一一對(duì)應(yīng)，在LabVIEW中必須對(duì)數(shù)據(jù)類型名稱定義進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

3 普通數(shù)據(jù)采集卡在LabVIEW平臺(tái)下的應(yīng)用實(shí)例

以北京優(yōu)采公司的UA301A型A／D數(shù)據(jù)采集卡為例，該采集卡在LabVIEW平臺(tái)下不能直接被驅(qū)動(dòng)。該采集卡提供了一個(gè)動(dòng)態(tài)鏈接庫ua300a．dll，此動(dòng)態(tài)鏈接庫中提供了許多簡潔高效的采集和控制函數(shù)，支持UA301A采集器的各種功能。

UA301A為12位的A／D卡，系統(tǒng)中采用的是雙極性輸入信號(hào)和雙極性原碼的編碼方法。轉(zhuǎn)換的結(jié)果為二進(jìn)制數(shù)，轉(zhuǎn)換后得到0～4 095的數(shù)字量。為了直觀表示被測(cè)物理量，需將轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量變換為具有實(shí)際工程意義的數(shù)值。當(dāng)單極性信號(hào)輸入時(shí)，模擬電壓值V與數(shù)字量D的對(duì)應(yīng)關(guān)系可描述為：V=D／4 095×10；當(dāng)輸入信號(hào)為雙極性時(shí)，兩者的對(duì)應(yīng)關(guān)系為：V=（D-2 048）／4 095×10。這個(gè)轉(zhuǎn)換過程在驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)中可采用Case結(jié)構(gòu)來完成，把選擇輸入信號(hào)為單極性還是雙極性作為這個(gè)Case結(jié)構(gòu)的布爾值輸入。數(shù)據(jù)采集驅(qū)動(dòng)程序框圖如圖2所示。

圖2中4個(gè)CLF節(jié)點(diǎn)分別用來調(diào)用OpenUA300，minitz，readdataz，CloseUA300這四個(gè)函數(shù)。

對(duì)于LabVIEW與DLL函數(shù)之間傳遞數(shù)組類型數(shù)據(jù)，無論采用何種數(shù)組格式進(jìn)行傳遞，都需要在Lab-VIEW中為數(shù)組預(yù)先分配空間，也就是給該數(shù)組開辟緩存，不然會(huì)導(dǎo)致程序崩潰。該程序在采集數(shù)據(jù)前預(yù)先為其初始化一個(gè)二維數(shù)組空間，為了使采集到的數(shù)據(jù)在數(shù)組中的位置始終對(duì)應(yīng)于采樣的每一通道，初始化數(shù)組空間時(shí)設(shè)置每通道采樣點(diǎn)數(shù)為行，采集通道數(shù)為列，這樣數(shù)據(jù)從采集卡FIFO存入緩存時(shí)，每一列對(duì)應(yīng)每一通道的數(shù)據(jù)，省去了后續(xù)通過循環(huán)索引出各通道數(shù)據(jù)的繁瑣。

為了實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的連續(xù)采集，系統(tǒng)應(yīng)保持在循環(huán)狀態(tài)，設(shè)計(jì)中采用WhiIe循環(huán)來實(shí)現(xiàn)這一功能，但是Lab-VIEW在執(zhí)行While循環(huán)時(shí)，如果用戶沒有給它設(shè)定循環(huán)時(shí)間間隔，則它將以CPU的極限速度運(yùn)行。這樣可能會(huì)導(dǎo)致整個(gè)LabVIEW程序看上去像死機(jī)一樣，所以需要給While循環(huán)加上一個(gè)指定的時(shí)間間隔。在采集前首先設(shè)置采樣通道、采樣頻率、采樣點(diǎn)數(shù)、增益和數(shù)據(jù)傳輸方式等參數(shù)，該接口驅(qū)動(dòng)的前面板見圖3。

4 結(jié) 語

由此可以看出，在LabVIEW中調(diào)用動(dòng)態(tài)鏈接庫函數(shù)，來驅(qū)動(dòng)普通數(shù)據(jù)采集卡的技術(shù)，顯示出了Lab-VIEW強(qiáng)大的外部程序接口能力。應(yīng)用此方法設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)一方面可充分利用LabVIEW的界面友好、圖形顯示和虛擬儀器強(qiáng)大的開發(fā)功能等優(yōu)點(diǎn)；另一方面又能大大降低系統(tǒng)的開發(fā)成本，可以使LabVIEW在對(duì)硬件的支持上有一個(gè)質(zhì)的飛躍。通過LabVIEW的外部程序接口CLF節(jié)點(diǎn)訪問動(dòng)態(tài)鏈接庫來調(diào)用Windows標(biāo)準(zhǔn)庫函數(shù)，使得LabVIEW支持的數(shù)據(jù)采集板卡范圍突破了限制，同時(shí)也為Lab-VIEW訪問底層函數(shù)提供了一種新的思路。

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