基于USB-1408FS的DAQ虛擬實驗儀器開發

黃陳英 楊 霞

[摘要]介紹虛擬儀器的構建方法,結合MCC公司的USB-1408FS數據采集卡,介紹基于USB的DAQ虛擬實驗儀器的開發過程和方法。

[關鍵詞]DAQ虛擬儀器設計

中圖分類號:TP3文獻標識碼:A文章編號:1671-7597(2009)1210083-01

一、引言

隨著計算機技術和電子技術的不斷發展,推動了虛擬儀器的廣泛應用。為了掌握開發虛擬儀器的技術,除了必須了解虛擬儀器本身的工作原理和機制,熟練掌握其開發技術尤為重要。

二、虛擬儀器的構建

虛擬儀器是傳統儀器的一種模擬,數據采集、儀器控制、過程監控和自動測試是實驗室研究和自動測試領域廣泛存在的任務。一臺普通的儀器一般由信號采集、數據處理和結果輸出三大功能模塊組成。虛擬儀器是傳統儀器的模擬,也是按照“信號的采集-數據的分析與處理-結果的輸出顯示”的結構模式建立的。USB-1408FS是美國MCC(Measurement Computing Corporation)公司的基于USB接口的用于DAQ虛擬儀器開發的產品,主要應用于數據采集開發。數據采集卡是構建虛擬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。

三、基于USB-1408FS的DAQ虛擬儀器硬件設計

虛擬儀器的第一個結構模塊為信號的采集。這個部分采用USB-1408FS作為數據采集卡。USB-1408FS是一種基于USB接口的DAQ模塊,帶有8個模擬輸入通道,達到14-bit分辨率,采樣速度48kS/s,2個D/A輸出端和16位的數字I/O。模擬信號可以從USB-1408FS的8個模擬輸入通道輸入,用USB接口與計算機連接。可以采用傳感器,也可以采用多功能信號發生器作為USB-1408FS的數據源。USB-1408FS不需要外接電源,通過USB數據線可以直接把信號輸入到計算機的USB接口。虛擬儀器的輸出與顯示部分由計算機完成。計算機上安裝了USB-1408FS的驅動控制程序,同時安

裝了虛擬儀器設計軟件,利用軟件實現對采集來的數據進行進一步的處理,并利用顯示器實現對信號的輸出。

四、DAQ虛擬儀器軟件設計與開發

(一)軟件設計框圖

USB-1408FS支持VB、VC/C++、VB.NET、C#.NET、LabVIEW等軟件開發。其中LabVIEW框圖代替復雜的程序代碼,用圖標、連線構成程序流程圖,是采用工業標準的高效快速的圖形化編程語言,開發容易。

虛擬儀器的設計包括硬件設計和軟件設計。軟件設計開發遵從一定的開發流程。DAQ虛擬儀器開發流程圖如圖1:

(二)開發DAQ虛擬儀器

1.分析USB-1408FS接口功能。在硬件設計階段,已經了解到該數據采集卡的各項參數指標。USB-1408FS有40個引腳,采用不同的接線模式可以實現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,各引腳輸出內容會發生變化。在軟件設計時,應該結合這兩種不同的模式設計程序。

2.確定開發的產品功能。結合USB-1408FS的硬件特征,可以構建單通道數據采集系統、多通道數據采集系統。利用單通道單點采樣可以實現測量直流電壓信號。采用簡單緩沖區技術可以實現多個波形采集。根據USB-1408FS的功能特點,可以分別實現模擬輸入、直流電壓測量、波形采集、頻率測量。

3.確定開發平臺。USB-1408FS支持VB、VC/C++、VB.NET、C#.NET,也支持NI的LabVIEW開發語言。USB-1408FS為LabVIEW提供了強大的VI庫,它配套的MCC-DAQ軟件包為LabVIEW提供了一個名為MCC Data Acquisition

的用戶函數庫。該庫包括了模擬信號輸入輸出、數字信號輸入輸出、計數器等,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,提供了多種頻率分析方法。LabVIEW還為用戶提供了多種用于數據采集的函數、VIs和Express VIs。這些組建主要位于函數模板中的Measurement I/O,Instrument I/O子模板中。虛擬儀器的硬件部分只是計算機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作為虛擬實驗儀器的開發工具。

4.開發虛擬儀器軟件。在前面已經分析確定了要開發的產品后,在LabVIEW中進行程序設計。在LabVIEW中開發虛擬儀器,主要分為兩個部分的設計。一是前面板的設計。根據設計的產品不同,前面板儀器會有所不同,設計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計,這是對前面板控件的對應端口進行連線、設計輸入輸出顯示等。流程圖的編程在后面板中進行,主要是對端口圖標的連接。

5.程序調試運行。這里主要是對程序進行運行,看看結果是否正常。通常有兩種辦法,一是直接運行程序,看測試結果是否正確。另一個辦法是在程序流程圖中設置斷點,檢查各斷點數據是否正常。對于一般的語法錯誤,LabVIEW會自動檢測出來,工具條上的程序運行按鈕會變成斷線,錯誤的程序不能運行。如果是邏輯錯誤,就需要設置斷點檢查。程序運行無誤后,虛擬儀器開發工作就完成了。

五、結束語

本文介紹了用USB-1408FS開發DAQ虛擬實驗儀器的基本方法和流程。采用了LabVIEW作為開發平臺,具有開發周期短,操作方便,效率高的特點。USB接口的虛擬儀器安裝方便,是未來虛擬儀器的一個發展方向。

注:本文是樂山師范學院校級課題,課題名稱為《計算機虛擬實驗儀器研究與開發》,項目編號為z0824。此文為該項目階段性成果。參加人員還有:楊霞、張貴紅、唐前軍、劉毅。

參考文獻:

[1]陸綺榮,基于虛擬儀器技術個人實驗室的構建,電子工業出版社,2006.

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

作者簡介:

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