LabVIEW與USB的直接數(shù)據(jù)通信

1、LabVIEW與USB的直接數(shù)據(jù)通信廖傳書，黃道斌，孫旦均，李素芬（武漢理工大學(xué)信息工程學(xué)院湖北武漢430070）引言LabVIEW是一種基于圖形程序的虛擬儀器編程語言，在測試與測量、數(shù)據(jù)采集、儀器控制、數(shù)字信號分析、工廠自動化等領(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、觀察輸出值以及實現(xiàn)圖表、文本等顯示。實現(xiàn)LabVIEW對數(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、價格昂貴、受計算機(jī)插槽數(shù)量、地址、中斷資源的限制，可擴(kuò)展性差，同時在一些電磁干擾性強(qiáng)的測試現(xiàn)場

2、，可能無法專門對其做電磁屏蔽，從而導(dǎo)致采集的數(shù)據(jù)失真。在LabVIEW下使用USB總線，可以同樣實現(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編寫動態(tài)鏈接庫DLL文件，在DLL中通過調(diào)用WINAPI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)動程序設(shè)計USB底層驅(qū)動開發(fā)工具有WindowsDDK和第三方開發(fā)工具，如Driverstudio和

3、Windriver等，但是使用這些工具開發(fā)驅(qū)動難度大、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。VISA（VirtualInstrumentSoftwareArchitecture,ni.corn/visa）是一個用來與各種儀器總線進(jìn)行通訊的高級應(yīng)用編程接口（API）。他不受平臺、總線和環(huán)境的限制。通用串行總線（USB）是一個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USB設(shè)備都有各自的指令集?？梢允褂肗I-VISA的讀寫功能向儀器發(fā)送這些指令，并讀取儀器

4、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)(ResourceClass),可以控制2類USB設(shè)備：USBINSTR設(shè)備與USBRAW設(shè)備。符合USB測試和測量類(USBTMC)協(xié)議的USB設(shè)備可以通過使用USBINSTR類函數(shù)控制，他們使用488.2標(biāo)準(zhǔn)通訊。對于這些設(shè)備，只需以與GPIB儀器通訊同樣的方式，使用"VISAOpen","VISAClose","VISARead"和"VISAWhte”功能。USBTMC設(shè)備符合VISAUSBINSTR類函數(shù)能夠理解的協(xié)議。USBTMC設(shè)備相對來說

5、控制較為復(fù)雜，因為每個設(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)動程序使用。在Windows環(huán)境中，可以通過INF文檔做到這一點。INF文件是系統(tǒng)硬件設(shè)備配置文件，USB驅(qū)動程序通過INF文件中的PID(產(chǎn)品識別號)和VID(廠商識別號)識別USB設(shè)備。NI-VISA3.0中包含的VISADriverDevelopmentWizard(DDW)可以為USB設(shè)備創(chuàng)建一個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VISADriverDevel-op

6、mentWizard程序，出現(xiàn)了為PXI/PCI或USB設(shè)備創(chuàng)建一個INF文檔的向?qū)?，選才?USB設(shè)備，點NEXT,出現(xiàn)VI-SADDW基本設(shè)備信息窗口。(2)進(jìn)行這一步時，需要清楚USB的PID和VID。這些數(shù)字可以在安裝USB設(shè)備的時候?qū)ζ溥M(jìn)行確認(rèn)，并在想要與設(shè)備通訊的時候，尋找他的地址。依據(jù)USB的規(guī)格，兩個數(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，點擊NEXT,進(jìn)行最后一步的設(shè)置。(3)USBInstrumentPrefix(USB儀器前

7、綴)只是一個描述符，可以用他來識別本設(shè)備所用的相關(guān)文檔。在USBInstrumentPrefix中輸入相應(yīng)信息，并在"outputfiledirectory"中選擇存放這些文檔的目錄，然后點擊Finish。INF文檔就被建好并保存至指定的位置。這時候，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，點擊右鍵，安裝即可。這時，插上USB設(shè)備，Windows系統(tǒng)就能探測到，并根據(jù)INF硬件配置文件選擇NI-VISA作為底層驅(qū)動程序。在Lab-VIEW中，只需調(diào)用NI-VISA的相關(guān)控件，即可實現(xiàn)對USB設(shè)備的讀寫操作。3 LabVIEW驅(qū)動程序編寫強(qiáng)大、

8、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。LabVIEW不僅提供數(shù)百種不同接口測試儀器的驅(qū)動程序，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)計開發(fā)先進(jìn)的測試系統(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庫駐留于計算機(jī)系統(tǒng)中，是計算機(jī)與儀器之間的軟件層連接，用以實現(xiàn)對儀器的程控。對軟件開發(fā)者來說，他是一個可調(diào)用的操作函數(shù)集，他本身不提供儀器編程能力，只是一個高層API（應(yīng)用程序接口），通過調(diào)用底層的驅(qū)動程序來控制儀器設(shè)備。NI-VISA支持3種類型的USB管道：控制、批量和中斷。NI-VI

9、SA探測到USB儀器時，他會對儀器進(jìn)行自動掃描，尋找各種類型的最低可用端點。如使用NI-VI-SA中的VISAUSBControlIn和VISAUSBControlOut來通過控制型管道傳輸數(shù)據(jù)，使用VISARead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，實現(xiàn)與儀器的命令與數(shù)據(jù)交換。LabVIEW中所有的VISA節(jié)點均在Function模板-AllFunctions子模板-InstrumentI/O子模板fVISA子模板中。在這里，只用到了VISAOpen,VISAClose,V

10、ISAWrite和VISARead四個節(jié)點即可實現(xiàn)和USB設(shè)備的雙向通信。當(dāng)完成對USB設(shè)備的INF硬件配置后，就可以用VISAOpen節(jié)點打開該資源，建立計算機(jī)與這些VISA資源的通信管道；與VISAOpen節(jié)點相反，VISAClose節(jié)點用于將打開的VISA資源關(guān)閉；VISAWrite節(jié)點的功能是將writebuffer端口輸入字符串?dāng)?shù)據(jù)發(fā)送到儀器中；VISARead節(jié)點的功能是從儀器中讀出數(shù)據(jù)；介紹完上面的4個節(jié)點，就可以用上面4個節(jié)點實現(xiàn)LabVIEW對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VISAresourcena

11、me端口用于指定需要打開的VISA資源的名稱，實際上就是前面生成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“connecttest,連接測試，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LabVIEWo在前面板的readbuffer顯示框中能顯示出“connecttest字符串。用tLaHVIKW中立現(xiàn)IKHH翼城W4基于IJSB的虛擬示波器的實現(xiàn)本系統(tǒng)為在LabVIEW中實現(xiàn)示波器的功能。單片機(jī)對向USB示波器調(diào)理電路輸出的信號進(jìn)行96k（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USB口傳來的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理

12、、測量、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2.001kHz的正弦波信號，在軟件中顯示的波形以及測量結(jié)果與實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，實現(xiàn)了對輸入的模擬信號的波形還原顯示、頻率測量、峰值測量、直流漂移測量等操作。陽2虎帆示斌霹穌外遺行界面系統(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

13、以64B為一幀進(jìn)行數(shù)據(jù)和命令的收發(fā)。在系統(tǒng)啟動即檢測USB設(shè)備是否連接正常，正常才啟動檢測，否則提示連接不正常。當(dāng)啟動檢測時，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)送啟動控制命令幀，其中包含采樣頻率、存貯深度、持續(xù)時間等相關(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個字節(jié)的數(shù)據(jù)幀編號等相關(guān)內(nèi)容，通過USB總線將這些數(shù)據(jù)幀批量傳輸給LabVIEW。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)存儲在一個隊歹I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列中60個字節(jié)數(shù)據(jù)并封裝成數(shù)據(jù)幀，啟動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)送啟動控制命令幀即可馬上進(jìn)行再次采樣