《LabVIEW开发技术丛书》：数据采集编程指南（上篇）

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gsdzone.net/community 数据采集编程指南 上篇 LabVIEW 开发技术丛书

目录 DAQ基础知识简介 1-6 配置管理软件MAX 7-11 DAQ助手 Express VI 12-16

目 录 目 录 DAQ 基础知识简介 1-6 配置管理软件 MAX 7-11 DAQ 助手 Express VI 12-16

DAQ基础知识简介 简介 本节主要介绍数据采集技术的基本知识点,包括以下三个方面的内容: 1.一个完整数据采集系统的基本组成部分 2.N提供了基于哪些平台的数据采集硬件产品,它们分别适用于什么样的应用领域 3.数据采集设备硬件选型过程中应该关注哪些重要参数 数据采集系统的基本组成 Input/Output Signals Signal Conditioning Data Acquisition Application and Driver Digital UL Sensors IIIII Motors 图1-1数据采集系统基本组成部分 如图1-1所示,一个完整的数据采集系统通常由原始信号、信号调理设备、数据采集设备 和计算机四个部分组成。但有的时候,自然界中的原始物理信号并非直接可测的电信号, 所以,我们会通过传感器将这些物理信号转换为数据采集设备可以识别的电压或电流信号。 加入信号调理设备是因为某些输入的电信号并不便于直接进行测量,因此需要信号调理设 备对它进行诸如放大、滤波、隔离等处理,使得数据采集设备更便于对该信号进行精确的 测量。数据采集设备的作用是将模拟的电信号转换为数字信号送给计算机进行处理,或将 计算机编辑好的数字信号转换为模拟信号输出。计算机上安装了驱动和应用软件,方便我 们与硬件交互,完成采集任务,并对采集到的数据进行后续分析和处理 对于数据采集应用来说,我们使用的软件主要分为三类,如图1-2所示。首先是驱动。 的数据采集硬件设备对应的驱动软件是 DAQmx,它提供了一系列AP|函数供我们编写数据 采集程序时调用。并且, DAOmx不光提供支持N的应用软件 Labview, Labwindows/CV GSDzone.net

1 DAQ 基础知识简介 简介 本节主要介绍数据采集技术的基本知识点，包括以下三个斱面的内容： 1. 一个完整数据采集系统的基本组成部分 2. NI 提供了基于哪些平台的数据采集硬件产品，它们分别适用于什么样的应用领域 3. 数据采集设备硬件选型过程中应该关注哪些重要参数 数据采集系统的基本组成 图 1-1 数据采集系统基本组成部分 如图 1-1 所示，一个完整的数据采集系统通常由原始信号、信号调理设备、数据采集设备 和计算机四个部分组成。但有的时候，自然界中的原始物理信号并非直接可测的电信号， 所以，我们会通过传感器将这些物理信号转换为数据采集设备可以识别的电压或电流信号。 加入信号调理设备是因为某些输入的电信号并不便于直接迚行测量，因此需要信号调理设 备对它迚行诸如放大、滤波、隔离等处理，使得数据采集设备更便于对该信号迚行精确的 测量。数据采集设备的作用是将模拟的电信号转换为数字信号送给计算机迚行处理，或将 计算机编辑好的数字信号转换为模拟信号输出。计算机上安装了驱动和应用软件，斱便我 们与硬件交互，完成采集任务，并对采集到的数据迚行后续分析和处理。 对于数据采集应用来说，我们使用的软件主要分为三类，如图1-2所示。首先是驱动。NI 的数据采集硬件设备对应的驱动软件是DAQmx，它提供了一系列API函数供我们编写数据 采集程序时调用。并且，DAQmx不光提供支持NI的应用软件LabVIEW，LabWindows/CVI

的AP函数,它对于VC、VB、NET也同样支持,方便将您的数据采集程序与其它应用程 序整合在一起。 应用软件 NI LabVIEW DAQ Assistant 配置管理软件 Measurement NI-DAOmx API Automation 驱动 Explorer Driver Engine(DLL) 数据采集硬件 图1-2数据采集软件架构 同时,N也提供了一款配置管理软件 Measurement and Automation Explorer,方便我们 与硬件进行交互,并且无需编程就能实现数据采集功能;还能将配置岀的数据采集任务导 入 LabVIEW,并自动生成LabⅥEW代码。关于这款软件的使用方法,在后面的章节中会详 细介绍。 位于最上层的是应用软件。我们推荐使用的是N的 Labview。LabⅥEW是图形化的开发环 境,它无需我们有较多的软件编程基础,可以简单、方便地通过图标的放置和连线的方式 开发数据采集程序。同时,LabⅥEW中提供了大量的函数,可以帮助我们对采集到的数据 进行后续的分析和处理;LabVⅥEW也提供大量控件,可以让我们轻松地设计出专业、美观 的用户界面。 当然,LabⅥEW的强大功能不仅仅局限于数据采集应用。如果您希望获得更多关于 LabVIEW编程方面的知识,请登陆如下网页,收看LabⅥEW网络讲坛,N的专业工程师会 就LabⅥEW编程中的重要知识点为大家做详细的讲解和演示 ni.com/china/labviewtips N数据采集硬件产品及其应用领域 GSDzone.net

2 的API函数，它对于VC、VB、.NET也同样支持，斱便将您的数据采集程序与其它应用程 序整合在一起。 图1-2 数据采集软件架极 同时，NI也提供了一款配置管理软件 Measurement and Automation Explorer，斱便我们 与硬件迚行交互，并且无需编程就能实现数据采集功能；还能将配置出的数据采集任务导 入LabVIEW，并自动生成LabVIEW代码。关于这款软件的使用斱法，在后面的章节中会详 细介绍。 位于最上层的是应用软件。我们推荐使用的是NI的LabVIEW。LabVIEW是图形化的开収环 境，它无需我们有较多的软件编程基础，可以简单、斱便地通过图标的放置和连线的斱式 开収数据采集程序。同时，LabVIEW中提供了大量的函数，可以帮助我们对采集到的数据 迚行后续的分析和处理；LabVIEW也提供大量控件，可以让我们轻松地设计出专业、美观 的用户界面。 当然，LabVIEW的强大功能不仅仅局限于数据采集应用。如果您希望获得更多关于 LabVIEW编程斱面的知识，请登陆如下网页，收看LabVIEW网络讲坛，NI的专业工程师会 就LabVIEW编程中的重要知识点为大家做详细的讲解和演示。 ni.com/china/labviewtips NI 数据采集硬件产品及其应用领域

现在,我们已经了解了一个完整数据采集系统的基本组成部分。那么,N提供了哪些数据 采集硬件设备供我们选择呢?首先,针对系统级的数据采集应用项目,N提供了三大平台 PX|、 CompactDAQ、以及 CompactRIO平台。 先来看一下PX平台,如图2-1。PⅪ提供了一个基于PC的模块化平台。位于最左边的 1槽插入PⅪ控制器,它使得PⅪ系统具备同PC机一样强大的处理能力,该控制器还可 以同时支持 Windows操作系统和阡T实时操作系统。N提供最大18槽的PⅪ机箱,剩下 的槽位可插入多块PX数据采集板卡,满足多通道、多测量类型应用的需求,所以PⅪ系 统是大中型复杂数据采集应用的理想之选。并且,PⅪ总线在PC总线的基础上增加了触 发和定时功能,更适用于多通道或多机箱同步的数据采集应用。同时,PⅪ系统具有宽泛 的工作温度范围和良好的抗震能力,适用于环境较为恶劣的工业级应用。 。33:36图 图2-1PX平台数据采集系统 接下来是 CompactDAQ平台,如图2-2所示, CompactDAQ的中文全称是:紧凑数据 采集系统。 CompactDAQ平台提供即插即用的USB连接,只需要一根USB数据线,就 可以非常方便地与PC机或笔记本电脑连接在一起。1个 CompactDAQ机箱中最多可以 放置8个 CompactDAQ数据采集模块。整个 CompactDAQ平台的特点是体积小巧,低 功耗,便于携带,并且成本比较低。 GSDzone.net

3 现在，我们已经了解了一个完整数据采集系统的基本组成部分。那么，NI 提供了哪些数据 采集硬件设备供我们选择呢？首先，针对系统级的数据采集应用项目，NI 提供了三大平台： PXI、CompactDAQ、以及 CompactRIO 平台。 先来看一下 PXI 平台，如图 2-1。PXI 提供了一个基于 PC 的模块化平台。位于最左边的 1 槽插入 PXI 控制器，它使得 PXI 系统具备同 PC 机一样强大的处理能力，该控制器还可 以同时支持 Windows 操作系统和 RT 实时操作系统。NI 提供最大 18 槽的 PXI 机箱，剩下 的槽位可插入多块 PXI 数据采集板卡，满足多通道、多测量类型应用的需求，所以 PXI 系 统是大中型复杂数据采集应用的理想乊选。并且，PXI 总线在 PCI 总线的基础上增加了触 収和定时功能，更适用于多通道或多机箱同步的数据采集应用。同时，PXI 系统具有宽泛 的工作温度范围和良好的抗震能力，适用于环境较为恶劣的工业级应用。 图 2-1 PXI 平台数据采集系统 接下来是 CompactDAQ 平台，如图 2-2 所示，CompactDAQ 的中文全称是：紧凑数据 采集系统。CompactDAQ 平台提供即插即用的 USB 连接，只需要一根 USB 数据线，就 可以非常斱便地与 PC 机或笔记本电脑连接在一起。1 个 CompactDAQ 机箱中最多可以 放置 8 个 CompactDAQ 数据采集模块。整个 CompactDAQ 平台的特点是体积小巧，低 功耗，便于携带，并且成本比较低

图2-2 CompactDAQ平台数据采集系统 跟 CompactDAQ在外形上类似的是 CompactRIO平台,如图2-3所示。它们的数据采 集模块是兼容的,即同样的模块,既可以插入 CompactDAG机箱,也可以插入 CompactRIO机箱。但与 CompactDAQ平台不同的是, CompactRIO系统配备了实时处 理器和丰富的可重配置的FPGA资源,可脱离PC机独立运行,也可通过以太网接口跟上 位机进行通信,适用于高性能的、独立的嵌入式或分布式应用。除此以外, CompactRIO 平台具有工业级的坚固和稳定性,它有-40~70摄氏度的操作温度范围,可承受高达50g 的冲击力,同时具备了体积小巧、低功耗、和便于携带的优点,因此被广泛应用在了车载 数据采集、建筑状态监测、PD控制等领域。 图2-3 CompactRIO平台数据采集系统 除此以外,№还提供基于其它标准总线接口的数据采集模块,比如PCI数据采集卡,它 直接插入计算机的PC|插槽使用 GSDzone.net

4 图 2-2 CompactDAQ 平台数据采集系统 跟 CompactDAQ 在外形上类似的是 CompactRIO 平台，如图 2-3 所示。它们的数据采 集模块是兼容的，即同样的模块，既可以插入 CompactDAQ 机箱，也可以插入 CompactRIO 机箱。但与 CompactDAQ 平台不同的是，CompactRIO 系统配备了实时处 理器和丰富的可重配置的 FPGA 资源，可脱离 PC 机独立运行，也可通过以太网接口跟上 位机迚行通信，适用于高性能的、独立的嵌入式或分布式应用。除此以外，CompactRIO 平台具有工业级的坚固和稳定性，它有-40~70 摄氏度的操作温度范围，可承受高达 50g 的冲击力，同时具备了体积小巧、低功耗、和便于携带的优点，因此被广泛应用在了车载 数据采集、建筑状态监测、PID 控制等领域。 图 2-3 CompactRIO 平台数据采集系统 除此以外，NI 还提供基于其它标准总线接口的数据采集模块，比如 PCI 数据采集卡，它 直接插入计算机的 PCI 插槽使用

PINSTRUMENTS 图2-4PC总线接口数据采集卡 USB数据采集模块,通过USB数据线与PC或笔记本电脑连接。 图2-5USB总线接口数据采集模块 基于W-斤的无线传输数据采集模块等等 GSD

5 图 2-4 PCI 总线接口数据采集卡 USB 数据采集模块，通过 USB 数据线与 PC 或笔记本电脑连接。 图 2-5 USB 总线接口数据采集模块 基于 Wi-Fi 的无线传输数据采集模块等等

图2-6基于W-Fi的无线传输数据采集模块 可以灵活地满足不同的数据采集应用的需求。 、硬件选型重要参数 那么,在选定了系统平台和传输总线的基础上,面对种类繁多的数据采集设备,我们如何 针对自己的应用进行硬件选型呢?选型时我们需要重点考虑如下几个参数。 首先,通道数目,能否满足应用需要。 其次,待测信号的幅度是否在数据采集板卡的信号幅度范围以内。 除此以外,采样率和分辨率也是非常重要的两个参数 采样率决定了数据采集设备的ADC每秒钟进行模数转换的次数。采样率越高,给定时间 内采集到的数据越多,就能越好地反应原始信号。根据奈奎斯特采样定理,要在频域还原 信号,采样率至少是信号最高频率的2倍;而要在时域还原信号,则采样率至少应该是信 号最高频率的5~10倍。我们可以根据这样的采样率标准,来选择数据采集设备。 分辨率对应的是ADC用来表示模拟信号的位数。分辨率越高,整个信号范围被分割成的区 间数目越多,能检测到的信号变化就越小。因此,当检测声音或振动等微小变化的信号时, 通常会选用分辨率高达24bt数据采集产品。 除此以外,动态范围、稳定时间、噪声、通道间转换速率等等,也可能是实际应用中需要 考虑的硬件参数。这些参数都可以在产品的规格说明书中查找到。 GSDzone.net

6 图 2-6 基于 Wi-Fi 的无线传输数据采集模块 可以灵活地满足不同的数据采集应用的需求。 三、硬件选型重要参数 那么，在选定了系统平台和传输总线的基础上，面对种类繁多的数据采集设备，我们如何 针对自己的应用迚行硬件选型呢？选型时我们需要重点考虑如下几个参数。 首先，通道数目，能否满足应用需要。 其次，待测信号的幅度是否在数据采集板卡的信号幅度范围以内。 除此以外，采样率和分辨率也是非常重要的两个参数。 采样率决定了数据采集设备的 ADC 每秒钟迚行模数转换的次数。采样率越高，给定时间 内采集到的数据越多，就能越好地反应原始信号。根据奈奎斯特采样定理，要在频域还原 信号，采样率至少是信号最高频率的 2 倍；而要在时域还原信号，则采样率至少应该是信 号最高频率的 5~10 倍。我们可以根据这样的采样率标准，来选择数据采集设备。 分辨率对应的是ADC用来表示模拟信号的位数。分辨率越高，整个信号范围被分割成的区 间数目越多，能检测到的信号变化就越小。因此，当检测声音或振动等微小变化的信号时， 通常会选用分辨率高达24bit的数据采集产品。 除此以外，动态范围、稳定时间、噪声、通道间转换速率等等，也可能是实际应用中需要 考虑的硬件参数。这些参数都可以在产品的觃格说明书中查找到

配置管理软件MAX 简介 本期节目主要介绍N的配置管理软件 Measurement& Automation Explorer在数据采集 项目中的应用。 Measurement& Automation Explorer,简称MAX,是N提供的方便与N硬件产品交互 的免费配置管理软件。MAX可以识别和检测N的硬件;可以通过简单的设置,无需编程 就能实现数据采集功能;在MAX中还可以创建数据采集任务,直接导入LabⅥEW,并自 动生成LabⅥEW代码。所以,熟练掌握MAX的使用方法,对加速数据采集项目的开发很 有帮助。那么,如何获取MAX软件呢?如果您购买了N的硬件产品,驱动光盘中会包含 MAX软件。N的数据采集硬件产品对应的驱动是 DAQmx,在安装 DAQmx驱动时,默 认会附带安装上MAX,所以, DAQmx驱动安装成功后,在计算机桌面上会出现一个像地 球一样的蓝色图标,这就是MAX的快捷方式。 Demo演示 双击该图标进入MAX,在位于左边的配置树形目录中,展开“我的系统>>设备和接口”, 找到“N|- DAQmx设备”一项。连接在本台电脑上的N数据采集硬件设备都会罗列在这 里。现在用于演示的笔记上连接了USB接口的9211A热电偶温度采集模块,和6251多 功能数据采集模块,所以在“N|- DAQmx设备”的下方,出现了NUSB-9211A和 SB-6251,默认的设备名为“Dev*”,如图1-1所示。 3我的系统- Measurement f Automation 文件行)编辑()查看工兵0)帮助 司设备和接口 u N Mobon Devos sNUs92114:{0e1 Nt USB-6251 ahs Ter mination): Dev2 SErial B parallel t A VISA TCP/P Resource 历史数据 如软件 远程系统 图1-1MAX下的 DAQmx设备 GSDzone.net

7 配置管理软件 MAX 简介 本期节目主要介绍 NI 的配置管理软件 Measurement & Automation Explorer 在数据采集 项目中的应用。 Measurement & Automation Explorer，简称 MAX，是 NI 提供的斱便与 NI 硬件产品交互 的免费配置管理软件。MAX 可以识别和检测 NI 的硬件；可以通过简单的设置，无需编程 就能实现数据采集功能；在 MAX 中还可以创建数据采集任务，直接导入 LabVIEW，并自 动生成 LabVIEW 代码。所以，熟练掌握 MAX 的使用斱法，对加速数据采集项目的开収很 有帮助。那么，如何获取 MAX 软件呢？如果您购买了 NI 的硬件产品，驱动光盘中会包含 MAX 软件。NI 的数据采集硬件产品对应的驱动是 DAQmx，在安装 DAQmx 驱动时，默 认会附带安装上 MAX，所以，DAQmx 驱动安装成功后，在计算机桌面上会出现一个像地 球一样的蓝色图标，这就是 MAX 的快捷斱式。 Demo 演示 双击该图标迚入 MAX，在位于左边的配置树形目录中，展开 “我的系统>>设备和接口”， 找到“NI-DAQmx 设备”一项。连接在本台电脑上的 NI 数据采集硬件设备都会罗列在这 里。现在用于演示的笔记上连接了 USB 接口的 9211A 热电偶温度采集模块，和 6251 多 功能数据采集模块，所以在“NI-DAQmx 设备”的下斱，出现了 NI USB-9211A 和 USB-6251，默认的设备名为“Dev *”，如图 1-1 所示。 图 1-1 MAX 下的 DAQmx 设备

鼠标右键点击设备,可以进行一系列操作,如图1-2所示。 NI USB-9211A: "Dev 1".Measurement 6 文件行)编辑住)查看工风()帮助 ■数据邻居 e帮设备和接口 n RN Sitch Erecutke vital Devres D NI-DAQ设备 加U21自检 P5ymhe测试面 e y serial 8 Paralel 重启设备 tA vIsA TOP/PResc 历史教据 创建任务 4换算 置TEDs t软件 + M I Drivers 玉命名 急远程系统 备引脚 帮助 图1-2右键快捷菜单功能 首先可以对产品进行自检,通过自检说明板卡工作在正常状态,如果板卡发生了硬件损坏, MAX将报出自检失败的信息。同时,可以更改设备名,当系统中使用多个数据采集模块 时,给每个模块一个有意义的命名,可以帮助我们区分模块,并且在编程选择设备的时候 提高程序的可读性。另外,选择“设备引脚”,将显示硬件引脚定义图,便于连线。 鼠标左键点击设备名,在中间的窗口中会显示硬件相关信息。属性:产品序列号;设备连 线:硬件内部连接;校准:校准信息。如图1-3所示。 如果没有现成的数据采集硬件设备,但希望运行 LabVIEW程序验证一下硬件功能,还可 以在MAX下仿真一块硬件。方法是鼠标右键点击“N|- DAQmx设备”,选择创建 DAQm仿真设备,选择指定型号,如图1-4所示。真实的板卡是绿色的,仿真的板卡是 黄色的。 GSDzone.net

8 鼠标右键点击设备，可以迚行一系列操作，如图 1-2 所示。 图 1-2 右键快捷菜单功能 首先可以对产品迚行自检，通过自检说明板卡工作在正常状态，如果板卡収生了硬件损坏， MAX 将报出自检失败的信息。同时，可以更改设备名，当系统中使用多个数据采集模块 时，给每个模块一个有意义的命名，可以帮助我们区分模块，并且在编程选择设备的时候 提高程序的可读性。另外，选择“设备引脚”，将显示硬件引脚定义图，便于连线。 鼠标左键点击设备名，在中间的窗口中会显示硬件相关信息。属性：产品序列号；设备连 线：硬件内部连接；校准：校准信息。如图 1-3 所示。 如果没有现成的数据采集硬件设备，但希望运行 LabVIEW 程序验证一下硬件功能，还可 以在 MAX 下仿真一块硬件。斱法是鼠标右键点击“NI-DAQmx 设备”，选择创建 NI￾DAQmx 仿真设备，选择指定型号，如图 1-4 所示。真实的板卡是绿色的，仿真的板卡是 黄色的