基于LabVIEW的多功能信號采集與多通道定時計數器／觸發器的設計

摘要：隨著虛擬儀器計數的發展，軟件即設備的思想已然成為科研儀器設備需求的發展趨勢。文中利用現有硬件平臺，給出了一個基于LabVIEW的虛擬儀器的設計與實現方法。該虛擬儀器不僅可實現多達24路以上通道的同步、異步精確計數功能，還可用于完成可控交互的定時觸發和信號采集，同時能對試驗數據進行存儲、顯示和回放。試驗證明，結合設備軟件化理念和虛擬儀器的實現，該方法可大幅提高現有設備的利用率，節約科研成本。
關鍵詞：信號采集；LabVIEW；LabvIEW RT；虛擬儀器

0 引言
隨著電子技術、計算機技術、網絡技術等的快速發展，虛擬儀器(Virtual Instrument，VI)技術已得到了廣泛應用。
LabVIEW和C、DELPHI等一樣，是一種程序開發環境，但其最大的區別在于使用了圖形化的編程語言(G語言)。LabVIEW可以依托高性能設備，實現高精度的測量控制，并可根據需求快速實現設備的軟件化、虛擬化，以滿足多種多樣的應用需求。
設備的軟件化、虛擬化已經成為現代測控的發展方向。它不僅可以提高設計和開發效率，同時還可以大大節省硬件投入成本，提升已有硬件資源的利用率。因此，本文提出了基于LabVIEW的虛擬儀器設計與實現。

1 系統設計思想
為了更好地應用擴展性，提高系統采集和執行精度，系統設計采用了上、下位機的機構。
上位機采用普通PC機或通用工控機，預裝Windows XP操作系統，主要運行虛擬儀器的人機交互界面。
下位機預裝LabVIEW RT系統，運行測量與控制程序。其硬件組成主要有PXI-1045機箱、PXI-8108控制器、PXI-6608板卡、PXI-6229板卡，以及外部硬件信號條例模塊。
系統總體設計框圖如圖1所示。

2 系統的實現
系統的實現主要包括硬件和軟件兩部分，主要工作流程如圖2所示。
2．1 硬件的組成及工作原理
硬件系統主要由普通PC機或工控機、PXI機箱及匹配的控制器、板卡，以及外部信號調理模塊組成。
硬件系統的工作原理比較直觀，通過信號調理模塊，將信號源轉換為板卡可接入的標準信號，通過對板卡工作模式的設定，來完成同步、異步的定時器計數、觸發和數據采集工作。
2．2 軟件的組成及設計
軟件系統采用上、下位機結構。其中，上位機軟件開發采用的是Windowrs XP操作系統平臺和LabVIEW軟件開發平臺。下位機軟件則基于LabVIEW RT操作系統平臺和LabVIEW軟件開發平臺進行開發。系統對數據的采集應用了兩種不同的通信編程方法。對于試后數據采集的應用，例如定時器高速計數方式，采用了共享變量方法；對于過程數據的采集，使用了基于TCP／IP的通訊編程。
2．2．1 上位軟件
上位軟件主要完成人機交互功能，對虛擬儀器進行配置與使用，同時對試驗數據進行顯示、保存及回放等操作，其上位軟件的主界面如圖3所示。

軟件在首次使用或有硬件配置更改的情況下，需要對硬件進行資源配置、使用配置、初始化操作。例如定時計數器的使用配置，如圖4所示。

2．2．2 下位軟件
下位軟件負責按照上位軟件對各板卡的配置和模式設定情況進行初始化，并根據上位軟件啟動、停止等指令執行相應的數據采集和定時器計數與觸發工作。
結合實際應用驗證，模擬信號量的檢測和采集使用Queuce數據結構，可以保證程序運行中小會出現丟失或復制數據的現象，但對于定時計數板卡PXI-6608的應用方式，將直接導致多路定時計數采集的成敗。
對于PXI-6608板卡的應用，在多種計數模式中，“CI兩個邊沿的間隔”方式比較特殊，且在用于多個定時計數器(具體個數取決于PXI-6608板卡的使用個數及每塊板卡選用的定時計數器數量)同步采集時，根據使用方法的不同，會導致不同的結果。因此，在該虛擬儀器的設計過程中，主要講述“CI兩個邊沿的間隔”方式的兩種使用方法和特點，以及DI／O使用中值得注意的問題。
2．2．2．1 “CI兩個邊沿的間隔”方式計數的實現方法及其對比
第一種使用方法是采用計數器單采樣方式，其配置和使用方法如圖5所示，圖中的常量參數可根據實際使用進行修改。

該方法的特點如下：
(1)配置和使用簡單，在進行數量較少且為單點計數時，可以采用該方法，但通道傳輸方式的設置在該方法下將不起作用。
(2)對每個定時計數器只能采集一個時間，且可同時采集的數量與板卡和選用的定時器組合方式有關。例如同時對3塊PXI-6608板卡的24個定時計數器進行并行采集時，能成功采集的定時器數量不會超過12個；
(3)在進行多路定時計數器的采集過程中，若同步采集的定時器中有任何一個產生超時錯誤，則將導致其后的所有采集任務全部超時。
第二種使用方法是采用計數器多采樣方式，其配置和使用方法如圖6所示，圖中的常量參數可根據實際使用進行修改。

該方法的特點如下：
(1)可根據使用需要，對通道傳輸方式進行設定，如中斷方式、DMA方式等。使用該方法，可以使任意通道數的定時計數器同步采集；
(2)各定時計數器采集任務互不影響；
(3)對每個定時計數器可以進行單個時間或多個連續時間的計數采集。
2．2．2．2 PXI-6608板卡DI／O的使用
PXI-6608板卡處理進行定時計數的采集外，還可以初始化為DI／O方式，完成5V TTL的輸入／輸出。在使用配置時，需要注意占空比的設定，否則可能無法達到5V電壓的輸出。

3 結語
本文設計實現的虛擬儀器，不僅配置和使用靈活，而且在大大節省科研成本投入的基礎上，進一步提高了設備的利用率。在整個設計過程中，首次在實際應用中使用了高達20多路定時計數器并行采集，實現了多路定時器同步計數的方法，在工程應用中，具有一定借鑒意義。此外，從虛擬儀器的角度，同時突破了傳統測量設備在硬件構成、數據存儲以及測量方法中的限制，做到了設備的軟件化、虛擬化，在未來的科研、生產中將具有更廣闊的應用前景。