《電子技術(shù)應(yīng)用》
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LabVIEW與USB的直接數(shù)據(jù)通信
Icbuy
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摘要:   LabVIEW是一種基于圖形程序的虛擬儀器編程語言,在測(cè)試與測(cè)量、數(shù)據(jù)采集、儀器控制、數(shù)字信號(hào)分析、工廠自動(dòng)化等領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用。LabVIEW程序采用方框圖編程,具有友好的人機(jī)界面,在前面板中有用于模擬真實(shí)儀器面板的控件可供調(diào)用,可用于設(shè)置輸入數(shù)值、觀察輸出值以及實(shí)現(xiàn)圖表、文本等顯示。
關(guān)鍵詞: LabView USB 虛擬儀器 編程語言
Abstract:
Key words :
  1 引言

  LabVIEW" title="LabVIEW">LabVIEW是一種基于圖形程序的虛擬儀器" title="虛擬儀器">虛擬儀器編程語言" title="編程語言">編程語言,在測(cè)試與測(cè)量、數(shù)據(jù)采集、儀器控制、數(shù)字信號(hào)分析、工廠自動(dòng)化等領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用。LabVIEW程序采用方框圖編程,具有友好的人機(jī)界面,在前面板中有用于模擬真實(shí)儀器面板的控件可供調(diào)用,可用于設(shè)置輸入數(shù)值、觀察輸出值以及實(shí)現(xiàn)圖表、文本等顯示。實(shí)現(xiàn)LabVIEW對(duì)數(shù)據(jù)的采集和處理,傳統(tǒng)的是采用數(shù)據(jù)采集卡,但是這些數(shù)據(jù)采集設(shè)備存在安裝不便、價(jià)格昂貴、受計(jì)算機(jī)插槽數(shù)量、地址、中斷資源的限制,可擴(kuò)展性差,同時(shí)在一些電磁干擾性強(qiáng)的測(cè)試現(xiàn)場(chǎng),可能無法專門對(duì)其做電磁屏蔽,從而導(dǎo)致采集的數(shù)據(jù)失真。在LabVIEW下使用USB" title="USB">USB總線,可以同樣實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集,并且彌補(bǔ)了采集卡的不足。

  傳統(tǒng)的用LabVIEW讀寫USB設(shè)備的方法是:先用VC或Delphi編寫動(dòng)態(tài)鏈接庫DLL文件,在DLL中通過調(diào)用WIN API函數(shù)讀寫USB設(shè)備的數(shù)據(jù),并存在緩沖區(qū)中,在LabVIEW中通過對(duì)DLL文件的調(diào)用提取緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)。介紹了在LabVIEW下,通過調(diào)用NI-VISA子程序控件,實(shí)現(xiàn)與USB設(shè)備的直接通信,避免了二次編程的麻煩和數(shù)據(jù)的中轉(zhuǎn)。

  2 USB底層驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)

  USB底層驅(qū)動(dòng)開發(fā)工具有Windows DDK和第三方開發(fā)工具,如Driver studio和 Win driver等,但是使用這些工具開發(fā)驅(qū)動(dòng)難度大、效率底。在這里,介紹如何借用LabVIEW的NI-VISA子程序控件作為USB的底層驅(qū)動(dòng)。

  VISA(Virtual Instrument Software Architecture,ni.corn/visa)是一個(gè)用來與各種儀器總線進(jìn)行通訊的高級(jí)應(yīng)用編程接口(API)。他不受平臺(tái)、總線和環(huán)境的限制。通用串行總線(USB)是一個(gè)基于信息的通訊總線。這表示PC機(jī)與USB設(shè)備通過發(fā)送指令和數(shù)據(jù)進(jìn)行通訊,而這些指令和數(shù)據(jù)是通過總線以文本或二進(jìn)制數(shù)據(jù)的形式發(fā)送的。每個(gè)USB設(shè)備都有各自的指令集。可以使用NI-VISA的讀寫功能向儀器發(fā)送這些指令,并讀取儀器的反饋。

  NI-VISA從3.0版開始支持USB通訊,他有2種VISA類函數(shù)(Resource Class),可以控制2類USB設(shè)備:USB INSTR設(shè)備與USB RAW設(shè)備。符合USB測(cè)試和測(cè)量類(USBTMC)協(xié)議的USB設(shè)備可以通過使用USB INSTR類函數(shù)控制,他們使用488.2標(biāo)準(zhǔn)通訊。對(duì)于這些設(shè)備,只需以與GPIB儀器通訊同樣的方式,使用"VISA Open","VISA Close","VISA Read"和"VISAWrite"功能。USBTMC設(shè)備符合VISA USB INSTR類函數(shù)能夠理解的協(xié)議。USBTMC設(shè)備相對(duì)來說控制較為復(fù)雜,因?yàn)槊總€(gè)設(shè)備可以使用各自的通信協(xié)議,而這些通信協(xié)議一般都是由設(shè)備的生產(chǎn)廠家自定的。

  為了使用NI-VISA,必須先讓W(xué)indows將NI-VI-SA作為設(shè)備的缺省驅(qū)動(dòng)程序使用。在Windows環(huán)境中,可以通過INF文檔做到這一點(diǎn)。INF文件是系統(tǒng)硬件設(shè)備配置文件,USB驅(qū)動(dòng)程序通過INF文件中的PID(產(chǎn)品識(shí)別號(hào))和VID(廠商識(shí)別號(hào))識(shí)別USB設(shè)備。NI-VISA 3.0中包含的VISA Driver Development Wizard(DDW)可以為USB設(shè)備創(chuàng)建一個(gè)INF文檔。下面簡單介紹創(chuàng)建INF文檔的過程:

  (1)在安裝了NI-VISA后,啟動(dòng)VISA Driver Devel-opment Wizard程序,出現(xiàn)了為PXI/PCI或USB設(shè)備創(chuàng)建一個(gè)INF文檔的向?qū)?,選擇USB設(shè)備,點(diǎn)NEXT,出現(xiàn)VI-SA DDW基本設(shè)備信息窗口。

  (2)進(jìn)行這一步時(shí),需要清楚USB的PID和VID。這些數(shù)字可以在安裝USB設(shè)備的時(shí)候?qū)ζ溥M(jìn)行確認(rèn),并在想要與設(shè)備通訊的時(shí)候,尋找他的地址。依據(jù)USB的規(guī)格,兩個(gè)數(shù)字都是16位16進(jìn)制數(shù)字,并應(yīng)該由設(shè)備制造商提供。例如在后面介紹基于USB的虛擬示波器用到USB接口芯片PDIUSBD12的PID和VID分別是0x0471和0x0666;這一步設(shè)置完成后,點(diǎn)擊NEXT,進(jìn)行最后一步的設(shè)置。

  (3)USB Instrument Prefix(USB儀器前綴)只是一個(gè)描述符,可以用他來識(shí)別本設(shè)備所用的相關(guān)文檔。在USB Instrument Prefix中輸入相應(yīng)信息,并在"output file directory"中選擇存放這些文檔的目錄,然后點(diǎn)擊Finish。INF文檔就被建好并保存至指定的位置。

  這時(shí)候,只要復(fù)制生成的INF文件夾到系統(tǒng)盤Win-dows文件夾下INF文件夾,點(diǎn)擊右鍵,安裝即可。這時(shí),插上USB設(shè)備,Windows系統(tǒng)就能探測(cè)到,并根據(jù)INF硬件配置文件選擇NI-VISA作為底層驅(qū)動(dòng)程序。在Lab-VIEW中,只需調(diào)用NI-VISA的相關(guān)控件,即可實(shí)現(xiàn)對(duì)USB設(shè)備的讀寫操作。

  3 LabVIEW驅(qū)動(dòng)程序編寫

  強(qiáng)大、靈活的儀器控制功能是LabVIEW區(qū)別于其他編程語言的主要特點(diǎn)。LabVIEW不僅提供數(shù)百種不同接口測(cè)試儀器的驅(qū)動(dòng)程序,而且還支持VISA,SCPI和IVI等最新的程控軟件標(biāo)準(zhǔn),為用戶設(shè)計(jì)開發(fā)先進(jìn)的測(cè)試系統(tǒng)提供了軟件支持。VISA是用于儀器編程的標(biāo)準(zhǔn)I/O函數(shù)庫及相關(guān)規(guī)范的總稱,一般稱之為VISA庫。VISA庫駐留于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中,是計(jì)算機(jī)與儀器之間的軟件層連接,用以實(shí)現(xiàn)對(duì)儀器的程控。對(duì)軟件開發(fā)者來說,他是一個(gè)可調(diào)用的操作函數(shù)集,他本身不提供儀器編程能力,只是一個(gè)高層API(應(yīng)用程序接口),通過調(diào)用底層的驅(qū)動(dòng)程序來控制儀器設(shè)備。

  NI-VISA支持3種類型的USB管道:控制、批量和中斷。NI-VISA探測(cè)到USB儀器時(shí),他會(huì)對(duì)儀器進(jìn)行自動(dòng)掃描,尋找各種類型的最低可用端點(diǎn)。如使用NI-VI-SA中的VISA USB Control In和VISA USB Control Out來通過控制型管道傳輸數(shù)據(jù),使用VISA Read和VISAWrite來通過批量型管道傳輸數(shù)據(jù)。

  作為儀器I/O函數(shù)庫,VISA編程與傳統(tǒng)的I/O軟件編程基本相同,主要通過設(shè)備I/O端口的讀寫操作和屬性控制,實(shí)現(xiàn)與儀器的命令與數(shù)據(jù)交換。LabVIEW中所有的VISA節(jié)點(diǎn)均在Function模板→All Functions子模板→Instrument I/O子模板→VISA子模板中。在這里,只用到了VISA Open,VISA Close,VISA Write和VISARead四個(gè)節(jié)點(diǎn)即可實(shí)現(xiàn)和USB設(shè)備的雙向通信。當(dāng)完成對(duì)USB設(shè)備的INF硬件配置后,就可以用VISA Open節(jié)點(diǎn)打開該資源,建立計(jì)算機(jī)與這些VISA資源的通信管道;與VISA Open節(jié)點(diǎn)相反,VISA Close節(jié)點(diǎn)用于將打開的VISA資源關(guān)閉;VISA Write節(jié)點(diǎn)的功能是將writebuffer端口輸入字符串?dāng)?shù)據(jù)發(fā)送到儀器中;VISA Read節(jié)點(diǎn)的功能是從儀器中讀出數(shù)據(jù);

  介紹完上面的4個(gè)節(jié)點(diǎn),就可以用上面4個(gè)節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)LabVIEW對(duì)USB批量數(shù)據(jù)收發(fā),如圖1所示。當(dāng)然,這需要前述INF文件的支持和與USB接口的單片機(jī)程序的支持,在圖1中VISA resource name端口用于指定需要打開的VISA資源的名稱,實(shí)際上就是前面生成INF配置文件中的VISA資源儀器描述符。這里,向USB發(fā)送字符串“connect test”,連接測(cè)試,單片機(jī)通過USB接口芯片將發(fā)送過去的數(shù)據(jù)回傳給LabVIEW。在前面板的read buffer顯示框中能顯示出“connect test”字符串。

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  4 基于IJSB的虛擬示波器的實(shí)現(xiàn)

  本系統(tǒng)為在LabVIEW中實(shí)現(xiàn)示波器的功能。單片機(jī)對(duì)向USB示波器調(diào)理電路輸出的信號(hào)進(jìn)行96 k(多檔可調(diào))的高速連續(xù)AD采樣,并將采樣到的數(shù)據(jù)通過USB口傳給PC機(jī)的LabVIEW,LabVlEW對(duì)USB口傳來的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、測(cè)量、波形還原和顯示等相關(guān)操作。虛擬示波器的程序運(yùn)行界面如圖2所示,當(dāng)前輸入的是2.001 kHz的正弦波信號(hào),在軟件中顯示的波形以及測(cè)量結(jié)果與實(shí)際示波器上 得到的結(jié)果基本無異。在該程序模塊中,通過調(diào)用Lab-VIEW的相關(guān)控件,實(shí)現(xiàn)了對(duì)輸入的模擬信號(hào)的波形還原顯示、頻率測(cè)量、峰值測(cè)量、直流漂移測(cè)量等操作。

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  系統(tǒng)采用單片機(jī)和Philip公司生產(chǎn)的PDIUSBD12芯片構(gòu)成USB設(shè)備。由單片機(jī)實(shí)現(xiàn)AD采樣,經(jīng)USB接口完成采樣數(shù)據(jù)的傳輸。單片機(jī)的電路設(shè)計(jì)和軟件構(gòu)成在這里就不做詳細(xì)介紹。

  此系統(tǒng)硬件部分USB接口芯片采用的PDIUSBD12,他支持批量數(shù)據(jù)的長度為64B,所以就以64B為一幀進(jìn)行數(shù)據(jù)和命令的收發(fā)。在系統(tǒng)啟動(dòng)即檢測(cè)USB設(shè)備是否連接正常,正常才啟動(dòng)檢測(cè),否則提示連接不正常。當(dāng)啟動(dòng)檢測(cè)時(shí),USB總線上的數(shù)據(jù)的傳輸過程遵循以下步驟:

  (1)LabVIEW向USB設(shè)備發(fā)送啟動(dòng)控制命令幀,其中包含采樣頻率、存貯深度、持續(xù)時(shí)間等相關(guān)內(nèi)容。由于控制命令字不滿64B,其他部分進(jìn)行比特填充。

  (2)單片機(jī)通過USB接口芯片接收到控制命令,即按要求開始啟動(dòng)采樣。若為大于8k高速采樣命令,則進(jìn)行連續(xù)采樣,將采樣的數(shù)據(jù)存貯在數(shù)據(jù)緩沖區(qū)中,采樣結(jié)束后,將數(shù)據(jù)緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行60B每幀的拆分,并在60B數(shù)據(jù)的前面加上4個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)幀編號(hào)等相關(guān)內(nèi)容,通過USB總線將這些數(shù)據(jù)幀批量傳輸給LabVIEW。

  (3)若為小于8k的低速采樣命令,則進(jìn)行中斷采樣,將采樣的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在一個(gè)隊(duì)列中,在采樣過程中,若采樣的數(shù)據(jù)多于60B,即在主程序中取出隊(duì)列中60個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)并封裝成數(shù)據(jù)幀,啟動(dòng)USB數(shù)據(jù)的傳輸過程。采樣過程直至LabVIEW向USB設(shè)備發(fā)送停止命令幀。

  (4)在一次數(shù)據(jù)采樣結(jié)束后,LabVIEW向USB設(shè)備發(fā)送啟動(dòng)控制命令幀即可馬上進(jìn)行再次采樣。

  5 結(jié)語

  用戶可以根據(jù)不同的環(huán)境和要求選擇不同的通信方式,在低速的情況下可以采用串口,并口等方式,高速數(shù)據(jù)采集可以采用USB口,專用數(shù)據(jù)采集卡等,使用USB2.0協(xié)議的芯片支持的批量的數(shù)據(jù)幀長度可以達(dá)到512B,并且有更高的數(shù)據(jù)傳輸速度。介紹了在LabVIEW中實(shí)現(xiàn)USB通信的設(shè)計(jì)方法,并給出具體的設(shè)計(jì)步驟和方框圖程序。該方法具有硬件接口簡單、軟件編程方便、實(shí)用的特點(diǎn),在實(shí)際數(shù)據(jù)采集過程中具有一定參考價(jià)值。

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