LabVIEW虛擬儀器入門(mén)與測(cè)控應(yīng)用100例 課件 第7-9章 LabVIEW文件IO與人機(jī)界面設(shè)計(jì)、LabVIEW串口通信、LabVIEW數(shù)據(jù)采集

虛擬儀器技術(shù)及應(yīng)用LabVIEW文件I/O與人機(jī)界面設(shè)計(jì)文件操作與管理：包括數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、參數(shù)輸入、系統(tǒng)管理都離不開(kāi)文件的建立、操作和維護(hù)。LabVIEW為文件的操作與管理提供了一組高效的VI集。人機(jī)界面：人與機(jī)器進(jìn)行交互的界面，人機(jī)界面的美觀性和人性化更是不可忽視的重點(diǎn)。7.1文件I/O概述LabVIEW提供多種類(lèi)型的文件格式供用戶使用，數(shù)據(jù)采集中經(jīng)常用到的文件類(lèi)型：文本文件、二進(jìn)制文件、數(shù)據(jù)記錄文件、電子表格文件、波形文件1.文本文件文本文件：以ASCII碼的格式存儲(chǔ)測(cè)量數(shù)據(jù)，在寫(xiě)入文本文件之前須將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為ASCII字符串。其通用性好，許多文本編輯工具都可以訪問(wèn)文本文件，如常用的MicrosoftWord、Excel等。2.二進(jìn)制文件二進(jìn)制文件：只能通過(guò)機(jī)器讀取。用來(lái)保存數(shù)值數(shù)據(jù)并訪問(wèn)文件中指定數(shù)字，或隨機(jī)訪問(wèn)文件中的數(shù)字。使用二進(jìn)制文件格式對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行讀/寫(xiě)操作時(shí)不需要任何的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，是一種效率很高的文件存儲(chǔ)格式，且占用硬盤(pán)空間較小。但記錄文件的通用性比較差。3.數(shù)據(jù)記錄文件數(shù)據(jù)記錄文件：本質(zhì)上是一種二進(jìn)制格式文件，以記錄的格式存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，一個(gè)記錄中可以包含多種不同類(lèi)型的數(shù)據(jù)。，這種數(shù)據(jù)記錄文件只能使用LabVIEW對(duì)其進(jìn)行讀/寫(xiě)操作。4.電子表格文件電子表格文件：一種文本文件，數(shù)據(jù)以ASCII碼的格式存儲(chǔ)，對(duì)輸入的數(shù)據(jù)在格式上作了一些規(guī)定，如用制表符Tab表示列標(biāo)記。5.波形文件波形文件：能夠?qū)⒉ㄐ螖?shù)據(jù)的許多信息保存下來(lái)，如波形的起始時(shí)刻、采樣間隔等。確定文件格式1）如需在其他應(yīng)用程序中訪問(wèn)這些數(shù)據(jù)，應(yīng)使用最常見(jiàn)且便于存取的文本文件。2）如需隨機(jī)讀寫(xiě)文件或讀取速度及磁盤(pán)空間有限，應(yīng)使用二進(jìn)制文件。它在磁盤(pán)空間利用和讀取速度方面優(yōu)于文本文件。3）如需在LabVIEW中處理復(fù)雜的數(shù)據(jù)記錄或不同的數(shù)據(jù)類(lèi)型，應(yīng)使用數(shù)據(jù)記錄文件。7.1.2文件操作典型的文件I/O操作包括以下流程：1）創(chuàng)建或打開(kāi)一個(gè)文件，文件打開(kāi)后，引用句柄即代表該文件的唯一標(biāo)識(shí)符。2）文件I/OVI或函數(shù)從文件中讀取或向文件寫(xiě)入數(shù)據(jù)。3）關(guān)閉該文件。引用句柄：一種特殊的數(shù)據(jù)類(lèi)型，位于控件選板的“引用句柄”子選板中。每次打開(kāi)/新建一個(gè)文件時(shí)，LabVIEW都會(huì)返回一個(gè)引用句柄。引用句柄包括文件的大小、訪問(wèn)權(quán)限等，所有針對(duì)該文件的操作都可以通過(guò)這個(gè)引用句柄進(jìn)行。文件被關(guān)閉后，引用句柄將被釋放。每次打開(kāi)文件時(shí)返回的引用句柄是不相同的。LabVIEW提供文件I/O節(jié)點(diǎn)位于函數(shù)選板上的“文件I/O”函數(shù)子選板中，如圖7-1所示。圖7-1“文件I/O”函數(shù)子選板人性化的人機(jī)界面可以讓用戶享受使用過(guò)程，減少用戶的操作時(shí)間，甚至在某些情況下能避免錯(cuò)誤的發(fā)生。因此，一個(gè)好的程序應(yīng)該在人機(jī)界面的設(shè)計(jì)上花費(fèi)足夠的時(shí)間和精力。7.2人機(jī)界面設(shè)計(jì)菜單的主要作用是使程序功能層次化，用戶在掌握了一個(gè)程序菜單的使用方法后，可以順利使用其他程序的菜單。LabVIEW提供了兩種創(chuàng)建菜單的方法，一是在菜單編輯器中完成設(shè)計(jì)；二是使用菜單函數(shù)子選板進(jìn)行菜單設(shè)計(jì)。菜單的設(shè)計(jì)與使用虛擬儀器技術(shù)及應(yīng)用LabVIEW串口通信8.1.1串行通信基本概念

（一）串行通信的含義什么是通信?

簡(jiǎn)單地說(shuō)，通信就是兩個(gè)人之間的溝通，也可以說(shuō)是兩個(gè)設(shè)備之間的數(shù)據(jù)交換。人類(lèi)之間的通信使用了諸如電話、書(shū)信等工具進(jìn)行；而設(shè)備之間的通信則是使用電信號(hào)。

并行通信串行通信

（二）串行通信的工作模式單工形式半雙工形式全雙工形式

（三）串行通信的通信參數(shù)1、波特率串行通信收、發(fā)雙方必須按照同樣的速率進(jìn)行串行通信，即收、發(fā)雙方采用同樣的波特率。我們通常將傳輸速度稱為波特率，指的是串行通信中每一秒所傳送的數(shù)據(jù)位數(shù)，單位是bps。2、數(shù)據(jù)位當(dāng)接收設(shè)備收到起始位后，緊接著就會(huì)收到數(shù)據(jù)位，數(shù)據(jù)位的個(gè)數(shù)可以是5、6、7或8位數(shù)據(jù)。在字符數(shù)據(jù)傳送的過(guò)程中，數(shù)據(jù)位從最低有效位開(kāi)始傳送。3、起始位當(dāng)發(fā)送設(shè)備要發(fā)送一個(gè)字符數(shù)據(jù)時(shí)，首先發(fā)出一個(gè)邏輯“0”信號(hào)，這個(gè)邏輯低電平就是起始位。起始位通過(guò)通信線傳向接收設(shè)備，當(dāng)接收設(shè)備檢測(cè)到這個(gè)邏輯低電平后，就開(kāi)始準(zhǔn)備接收數(shù)據(jù)位信號(hào)。因此，起始位所起的作用就是表示字符傳送的開(kāi)始。4、停止位在奇偶校驗(yàn)位或者數(shù)據(jù)位（無(wú)奇偶校驗(yàn)位時(shí)）之后是停止位。它可以是1位、1.5位或2位，停止位是一個(gè)字符數(shù)據(jù)的結(jié)束標(biāo)志。4、校驗(yàn)位為了預(yù)防錯(cuò)誤的產(chǎn)生，使用校驗(yàn)位作為檢查的機(jī)制。校驗(yàn)位即是用來(lái)檢查所傳送數(shù)據(jù)的正確性的一種核對(duì)碼，又分成奇校驗(yàn)與偶校驗(yàn)兩種，分別是檢查字符碼中1的數(shù)目是奇數(shù)或偶數(shù)。8.1.2串行通信標(biāo)準(zhǔn)（一）RS-232串口通信標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)識(shí)RS-232接口目前RS-232是PC機(jī)與通信工業(yè)中應(yīng)用最廣泛的一種串行接口，在PC機(jī)上的COM1、COM2接口，就是RS-232接口。

COM1COM2RS-232接口的應(yīng)用利用RS-232串行通信接口可實(shí)現(xiàn)兩臺(tái)個(gè)人計(jì)算機(jī)的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的通信；通過(guò)RS-232口可與其他外設(shè)（如智能調(diào)節(jié)儀、PLC等）近距離串行連接連接；通過(guò)RS-232口連接調(diào)制解調(diào)器可遠(yuǎn)距離地與其他計(jì)算機(jī)通信；將RS-232接口轉(zhuǎn)換為RS-422或RS-485接口，可實(shí)現(xiàn)一臺(tái)個(gè)人計(jì)算機(jī)與多臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備之間的通信。RS-232C接口的電氣特性

EIA-RS-232C對(duì)電氣特性、邏輯電平和各種信號(hào)線功能都作了規(guī)定。在TXD和RXD上：邏輯1為-3V～-15V；邏輯0為+3～+15V。在RTS、CTS、DSR、DTR和DCD等控制線上：信號(hào)有效（接通，ON狀態(tài)，正電壓）為+3V～+15V；信號(hào)無(wú)效（斷開(kāi)，OFF狀態(tài)，負(fù)電壓）為-3V～-15V。對(duì)于數(shù)據(jù)（信息碼）：邏輯“1”的電平低于-3V，邏輯“0”的電平高于+3V。RS-232C接口的電氣特性對(duì)于控制信號(hào)：接通狀態(tài)（ON）即信號(hào)有效的電平高于+3V，斷開(kāi)狀態(tài)（OFF）即信號(hào)無(wú)效的電平低于-3V，也就是當(dāng)傳輸電平的絕對(duì)值大于+3V時(shí)，電路可以有效地檢查出來(lái)，介于-3～+3V之間的電壓無(wú)意義。RS-232C接口連接器

公頭母頭RS-232C接口的機(jī)械特性DB9接口連接器

9針串口的針腳功能

（二）RS-485串口通信標(biāo)準(zhǔn)

RS-485可以采用二線與四線方式，二線制可實(shí)現(xiàn)真正的多點(diǎn)雙向通信。其主要特點(diǎn)有：

1）RS-485的接口信號(hào)電平比RS-232-C降低了，不易損壞接口電路的芯片，且該電平與TTL電平兼容，可方便與TTL電路連接。

2）RS-485的數(shù)據(jù)最高傳輸速率為10Mbit/s。只有在很短的距離下才能獲得最高傳輸速率。因?yàn)镽S-485接口組成的半雙工網(wǎng)絡(luò)，一般只需二根連線，所以RS-485接口均采用屏蔽雙絞線傳輸。

3）RS-485接口抗共模干擾能力增強(qiáng)，即抗噪聲干擾性好，抗干擾性能大大高于RS-232接口,因而通信距離遠(yuǎn)，RS-485接口的最大傳輸距離大約為1200m。

4）RS-485需要接2個(gè)終端電阻，其阻值要求等于傳輸電纜的特性阻抗。在短距離傳輸時(shí)可不接終端電阻，即在300m以下可不接終端電阻，終端電阻接在傳輸總線的兩端。

5）RS-485接口在總線上允許連接多達(dá)128個(gè)收發(fā)器，具有多站能力，這樣用戶可以利用單一的RS-485接口方便地建立起設(shè)備網(wǎng)絡(luò)。

RS-485協(xié)議可以看作是RS-232協(xié)議的替代標(biāo)準(zhǔn)，與傳統(tǒng)的RS-232協(xié)議相比，其在通信速率、傳輸距離、多機(jī)連接等方面均有了非常大的提高，這也是工業(yè)系統(tǒng)中使用RS-485總線的主要原因。

RS-232與RS-485標(biāo)準(zhǔn)只對(duì)接口的電氣特性做出規(guī)定，而不涉及接插件、電纜或協(xié)議，在此基礎(chǔ)上用戶可以建立自己的高層通信協(xié)議。有關(guān)電氣參數(shù)見(jiàn)表3-4。8.1.3PC中的串行接口2．觀察計(jì)算機(jī)上串口位置和幾何特征

在PC主機(jī)箱后面板上，有各種各樣的接口，其中有兩個(gè)9針的接頭區(qū)，如圖2-1所示，這就是RS-232C串行通信端口。PC上的串行接口有多個(gè)名稱：232口、串口、通信口、COM口、異步口等。COM1COM1COM23．查看設(shè)備信息進(jìn)入Windows系統(tǒng)“我的電腦”，選擇系統(tǒng)屬性，在“設(shè)備管理器”列表中有端口COM和LPT設(shè)備信息，如圖所示。

查看端口屬性選擇通信端口COM1，單擊右鍵，選擇“屬性”，可以查看端口的低級(jí)設(shè)置及其資源。

4、硬件線路

當(dāng)兩臺(tái)串口設(shè)備通信距離較近時(shí)，可以直接連接，最簡(jiǎn)單的情況，在通信中只需三根線（發(fā)送線、接收線、信號(hào)地線）便可實(shí)現(xiàn)全雙工異步串行通信。在實(shí)際使用中常使用串口通信線將2個(gè)串口設(shè)備連接起來(lái)。串口線的制作方法非常簡(jiǎn)單：準(zhǔn)備2個(gè)9針的串口接線端子（因?yàn)橛?jì)算機(jī)上的串口為公頭，因此連接線為母頭），準(zhǔn)備3根導(dǎo)線（最好采用3芯屏蔽線），按圖7-1所示將導(dǎo)線焊接到接線端子上。

圖中的2號(hào)接收腳與3號(hào)發(fā)送腳交叉連接是因?yàn)樵谥边B方式時(shí)，把通信雙方都當(dāng)作數(shù)據(jù)終端設(shè)備看待，雙方都可發(fā)也可收。

串口通信線的制作串口通信線在計(jì)算機(jī)通電前，按圖所示將兩臺(tái)PC的COM1口用串口線連接起來(lái)。

特別注意：連接串口線時(shí)，計(jì)算機(jī)嚴(yán)禁通電，否則極易燒毀串口。

PC與PC串口通信線路PC與PC串口通信實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)PC與PC串口通信實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)8.1.4串口通信線路連接1.近距離通信線路連接

當(dāng)通信距離較近時(shí)，可以直接連接，只需使用少數(shù)幾根信號(hào)線。最簡(jiǎn)單的情況，只需三根線（發(fā)送線、接收線、信號(hào)地線）便可實(shí)現(xiàn)全雙工異步串行通信。2.遠(yuǎn)距離通信線路連接

2.遠(yuǎn)距離通信線路連接

2.遠(yuǎn)距離通信線路連接

8.2LabVIEW中的串口通信LabVIEW串口通信功能函數(shù)包括：VISA配置串口函數(shù)、VISA寫(xiě)入函數(shù)、VISA讀取函數(shù)、VISA串口字節(jié)數(shù)函數(shù)、等如圖8-1所示。圖8-1LabVIEW串口通信功能函數(shù)1.“VISA配置串口”函數(shù)功能：從指定的儀器中讀取信息，對(duì)串口進(jìn)行初始化,可設(shè)置串口的波特率、數(shù)據(jù)位、停止位、校驗(yàn)位、緩存大小及流量控制等參數(shù)。輸入端口參數(shù)設(shè)置：VISA資源名稱端口表示指定要打開(kāi)的資源，即設(shè)置串口號(hào)；波特率端口用來(lái)設(shè)置波特率（默認(rèn)值為9600）；數(shù)據(jù)比特端口用來(lái)設(shè)置數(shù)據(jù)位（默認(rèn)值為8）；停止位端口用來(lái)設(shè)置停止位（默認(rèn)值為1位）；奇偶端口用來(lái)設(shè)置奇偶校驗(yàn)位（默認(rèn)為0，即無(wú)校驗(yàn)）。2.“VISA寫(xiě)入”函數(shù)功能：將輸出緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)發(fā)送到指定的串口。輸入端口參數(shù)設(shè)置：VISA資源名稱端口表示串口設(shè)備資源名，即設(shè)置串口號(hào)；寫(xiě)入緩沖區(qū)端口用于寫(xiě)入串口緩沖區(qū)的字符。輸出端口參數(shù)設(shè)置：返回?cái)?shù)表示實(shí)際寫(xiě)入數(shù)據(jù)的字節(jié)數(shù)。3.“VISA讀取”函數(shù)功能：將指定的串口接收緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)按指定字節(jié)數(shù)讀取到計(jì)算機(jī)內(nèi)存中。輸入端口參數(shù)設(shè)置：VISA資源名稱端口表示串口設(shè)備資源名；即設(shè)置串口號(hào)；字節(jié)總數(shù)端口表示要讀取的字節(jié)數(shù)。輸出端口參數(shù)設(shè)置：讀取緩沖區(qū)端口表示從串口讀到的字符；返回?cái)?shù)表示實(shí)際讀取數(shù)據(jù)的字節(jié)數(shù)。4.“VISA串口字節(jié)數(shù)”函數(shù)功能：返回指定串口的接收緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)。輸入端口參數(shù)設(shè)置：reference端口表示串口設(shè)備資源名，即設(shè)置串口號(hào)。輸出端口參數(shù)設(shè)置：NumberofBytesatserialport端口用于存放接收到的數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)。5.“VISA關(guān)閉”函數(shù)功能：結(jié)束與指定的串口資源之間的會(huì)話，即關(guān)閉串口資源。輸入端口參數(shù)設(shè)置：VISA資源名稱表示串口設(shè)備資源名，即設(shè)置串口號(hào)。“VISA串口中斷”函數(shù)：向指定的串口發(fā)送一個(gè)暫停信號(hào)。“VISA設(shè)置I/O緩沖區(qū)大小”函數(shù)：設(shè)置指定的串口的輸入輸出緩沖區(qū)大小。“VISA清空I/O緩沖區(qū)”函數(shù)：清空指定的串口的輸入輸出緩沖區(qū)。6.其他函數(shù)與串口操作有關(guān)的所有函數(shù)均要提供串口資源（VISAresourcename，VISA資源名稱），該控件位于控件選板中的I/O子選板中，如圖8-2所示。7.“VISA資源名稱”控件圖8-2提供串口資源的函數(shù)兩臺(tái)計(jì)算機(jī)之間的串口通信流程如圖8-3所示。8.2.2LabVIEW串口通信步驟圖8-3雙機(jī)串口通信流程圖1.調(diào)用“VISA配置串口”函數(shù)完成串口參數(shù)的設(shè)置。2.進(jìn)行串口數(shù)據(jù)收發(fā)。發(fā)送數(shù)據(jù)使用“VISA寫(xiě)入”函數(shù)，接收數(shù)據(jù)使用“VISA讀取”函數(shù)。3.串口使用結(jié)束后，使用“VISA關(guān)閉”函數(shù)結(jié)束與“VISA資源名稱”控件指定的串口之間的會(huì)話。基本步驟注意：在接收數(shù)據(jù)之前需要使用“VISA串口字節(jié)數(shù)”函數(shù)查詢當(dāng)前串口接收緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)，如果“VISA讀取”函數(shù)要讀取的字節(jié)數(shù)大于緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)，“VISA讀取”操作將一直等待，直至緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)達(dá)到要求的字節(jié)數(shù)。虛擬儀器技術(shù)及應(yīng)用LabVIEW數(shù)據(jù)采集9.2.1數(shù)據(jù)采集卡的類(lèi)型數(shù)據(jù)采集卡的產(chǎn)生

為了滿足IBM-PC機(jī)及其兼容機(jī)用于數(shù)據(jù)采集與控制的需要，國(guó)內(nèi)外許多廠商生產(chǎn)了各種各樣的數(shù)據(jù)采集板卡（或I/O板卡）。這類(lèi)板卡均參照IBM-PC機(jī)的總線技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)和生產(chǎn)，用戶只要把這類(lèi)板卡插入IBM-PC機(jī)主板上相應(yīng)的I/O擴(kuò)展槽中，就可以迅速方便地構(gòu)成一個(gè)數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)，從而大大節(jié)省了硬件的研制時(shí)間和投資，又可以充分利用IBM-PC機(jī)的軟硬件資源，還可以使用戶集中精力對(duì)數(shù)據(jù)采集與處理中的理論和方法進(jìn)行研究、進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)以及程序的編制等。數(shù)據(jù)采集卡的種類(lèi)

基于PC總線的板卡種類(lèi)很多，其分類(lèi)方法也有很多種。按照板卡處理信號(hào)的不同可以分為模擬量輸入板卡(A/D卡)、模擬量輸出板卡(D/A卡)、開(kāi)關(guān)量輸入板卡、開(kāi)關(guān)量輸出板卡、脈沖量輸入板卡、多功能板卡等。其中多功能板卡可以集成多個(gè)功能，如數(shù)字量輸入/輸出板卡將模擬量輸入和數(shù)字量輸入/輸出集成在同一張卡上。根據(jù)總線的不同，可分為PCI板卡和ISA板卡。

PCI-5121智能CAN接口卡

還有其它一些專用I/O板卡，如智能接口卡、虛擬存儲(chǔ)板（電子盤(pán)）、信號(hào)調(diào)理板、專用（接線）端子板等，這些種類(lèi)齊全、性能良好的I/O板卡與IPC配合使用，使系統(tǒng)的構(gòu)成十分容易。

常用的數(shù)據(jù)采集卡

1．模擬量輸入卡（A/D卡）

在工業(yè)測(cè)控系統(tǒng)中，輸入信號(hào)往往是模擬量，這就需要一個(gè)裝置把模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，各種A/D芯片就是用來(lái)完成此類(lèi)轉(zhuǎn)換的。在實(shí)際的計(jì)算機(jī)測(cè)控系統(tǒng)中，不是以A/D芯片為基本單元，而是制成商品化的A/D板卡。模擬量輸入板卡根據(jù)使用的A/D轉(zhuǎn)換芯片和總線結(jié)構(gòu)不同，性能有很大的區(qū)別。板卡通常有單端輸入、差分輸人以及兩種方式組合輸入三種。板卡內(nèi)部通常設(shè)置一定的采樣緩沖器，對(duì)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行緩沖處理，緩沖器的大小也是板卡的性能指標(biāo)之一。在抗干擾方面，A/D板卡通常采取光電隔離技術(shù)，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的隔離。板卡模擬信號(hào)采集的精度和速度指標(biāo)通常由板卡所采用的A/D轉(zhuǎn)換芯片決定。

例如，下圖所示為研華PCI-1713模擬量輸入卡。該板卡具有32路單端或16路差分模擬量輸入，或組合輸入方式，12位A/D轉(zhuǎn)換分辨率，A/D轉(zhuǎn)換器的采樣速率可達(dá)100kHz，每個(gè)輸入通道的增益可編程，卡上有4K采樣FIFO緩沖器，2500VDC隔離保護(hù)，支持軟件、內(nèi)部定時(shí)器觸發(fā)或外部觸發(fā)。

2．模擬量輸出卡（D/A卡）

計(jì)算機(jī)內(nèi)部處理采用的是數(shù)字量，而執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用的是模擬量。計(jì)算機(jī)通過(guò)D/A板卡將數(shù)字量轉(zhuǎn)化為模擬量，從而通過(guò)控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)作去控制生產(chǎn)工藝過(guò)程。

D/A轉(zhuǎn)換板卡同樣依據(jù)其采用的D/A轉(zhuǎn)換芯片的不同，轉(zhuǎn)換性能指標(biāo)有很大的差別。

例如，下圖所示為研華PCI-1720U模擬量輸出卡。該板卡具有四路12位D/A輸出通道，多種輸出范圍。由于能夠在輸出和PCI總線之間提供2500VDC的隔離保護(hù)，PCI-1720非常適合需要高電壓保護(hù)的工業(yè)場(chǎng)合。

3．?dāng)?shù)字量輸入/輸出卡（I/O卡）

計(jì)算機(jī)測(cè)控系統(tǒng)通過(guò)數(shù)字量輸入板卡采集工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程的離散輸入信號(hào)，并通過(guò)數(shù)字量輸出板卡對(duì)生產(chǎn)過(guò)程或控制設(shè)備進(jìn)行開(kāi)關(guān)式控制（二位式控制）。將數(shù)字量輸入和數(shù)字量輸出功能集成在一塊板卡上，就稱為數(shù)字量輸入/輸出板卡，簡(jiǎn)稱I/O板卡。

例如，下圖所示為研華PCI-1730數(shù)字量輸入/輸出卡，它提供了16路數(shù)字量輸入和16路數(shù)字量輸出，高輸出驅(qū)動(dòng)能力和中斷能力，具有2500VDC高電壓隔離I/O通道。4．脈沖量輸入/輸出板卡

工業(yè)控制現(xiàn)場(chǎng)有許多高速的脈沖信號(hào)，如旋轉(zhuǎn)編碼器、流量檢測(cè)信號(hào)等，這些都要用脈沖量輸入板卡或一些專用測(cè)量模塊進(jìn)行測(cè)量。脈沖量輸入/輸出板卡可以實(shí)現(xiàn)脈沖數(shù)字量的輸出和采集，并可以通過(guò)跳線器選擇計(jì)數(shù)、定時(shí)、測(cè)頻等不同工作方式，計(jì)算機(jī)可以通過(guò)該板卡方便地讀取脈沖計(jì)數(shù)值，也可測(cè)量脈沖的頻率或產(chǎn)生一定頻率的脈沖?？紤]到現(xiàn)場(chǎng)強(qiáng)電的干擾，該類(lèi)型板卡多采用光電隔離技術(shù)，使計(jì)算機(jī)與現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)之間全部隔離，來(lái)提高板卡測(cè)量的抗干擾能力。例如，下圖所示的研華PCI-1780U計(jì)數(shù)器/定時(shí)器卡，是基于PCI總線設(shè)計(jì)的接口卡。該卡使用了AM9513芯片，能夠通過(guò)CPLD實(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù)器/定時(shí)器功能。此外，該卡還提供8個(gè)16位計(jì)數(shù)器通道，并具有8通道可編程時(shí)鐘資源，8路TTL數(shù)字量輸出/8路TTL數(shù)字量輸入，最高輸入頻率達(dá)20MHz，有多種時(shí)鐘可以選擇，可編程計(jì)數(shù)器輸出，同時(shí)有計(jì)數(shù)器門(mén)選通功能。

9.2.3基于數(shù)據(jù)采集卡的測(cè)控系統(tǒng)基于數(shù)據(jù)采集卡的計(jì)算機(jī)測(cè)控系統(tǒng)的組成如圖9-1所示。圖9-1基于數(shù)據(jù)采集卡的控制系統(tǒng)組成框圖1.計(jì)算機(jī)主機(jī)整個(gè)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的核心。由CPU、存儲(chǔ)器等構(gòu)成。目前采用的主機(jī)有PC機(jī)及工業(yè)PC機(jī)（IPC）等。工作過(guò)程：接收由過(guò)程輸入通道發(fā)送的工業(yè)對(duì)象生產(chǎn)工況參數(shù)，按照人們預(yù)先安排的程序，自動(dòng)地進(jìn)行信息處理、分析和計(jì)算，并作出相應(yīng)的控制決策或調(diào)節(jié)，以信息的形式通過(guò)輸出通道，及時(shí)發(fā)出控制命令，實(shí)現(xiàn)良好的人機(jī)聯(lián)系。2.傳感器功能：將非電物理量（如溫度、壓力、速度等）轉(zhuǎn)換成電壓或電流信號(hào)。例如，使用熱電偶可以獲得隨著溫度變化的電壓信號(hào)；轉(zhuǎn)速傳感器可以把轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換為電脈沖信號(hào)。3.信號(hào)調(diào)理器功能：對(duì)傳感器輸出的電信號(hào)進(jìn)行加工和處理，轉(zhuǎn)換成便于輸送、顯示和記錄的電信號(hào)（電壓或電流）。如果信號(hào)調(diào)理電路輸出的是規(guī)范化的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)（如4～20mA、1～5V等），這種信號(hào)調(diào)理電路稱為變送器。常見(jiàn)的信號(hào)調(diào)理電路：電橋電路、調(diào)制解調(diào)電路、濾波電路、放大電路、線性化電路、A-D轉(zhuǎn)換電路、隔離電路等。4.輸入/輸出板卡常用的I/O板卡包括模擬量輸入輸出（AI/AO）板卡、數(shù)字量（開(kāi)關(guān)量）輸入輸出（DI/DO）板卡、脈沖量輸入輸出板卡及混合功能的接口板卡等。I/O接口是主機(jī)和板卡、外圍設(shè)備進(jìn)行信息交換的紐帶。常用的I/O接口有并行接口、串行接口等。目前絕大部分I/O接口都是采用可編程接口芯片，它們的工作方式可以通過(guò)編程設(shè)置。5.執(zhí)行機(jī)構(gòu)常用的執(zhí)行機(jī)構(gòu)有各種電動(dòng)、液動(dòng)、氣動(dòng)開(kāi)關(guān)，電液伺服閥，交直流電動(dòng)機(jī)，步進(jìn)電機(jī)，各種有觸點(diǎn)和無(wú)觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)及電磁閥等。工作過(guò)程：接受計(jì)算機(jī)發(fā)出的控制信號(hào)，并把它轉(zhuǎn)換成執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)作，使被控對(duì)象按預(yù)先規(guī)定的要求進(jìn)行調(diào)整，保證其正常運(yùn)行。6.驅(qū)動(dòng)電路功能：使計(jì)算機(jī)輸出信號(hào)與執(zhí)行機(jī)構(gòu)匹配；向執(zhí)行機(jī)構(gòu)提供大電流、高電壓驅(qū)動(dòng)信號(hào)，以帶動(dòng)其動(dòng)作。7.外圍設(shè)備主要是為了擴(kuò)大計(jì)算機(jī)主機(jī)的功能而配置的。用于顯示、存儲(chǔ)、打印、記錄各種數(shù)據(jù)。包括輸入設(shè)備、輸出設(shè)備和存儲(chǔ)設(shè)備。常用的外圍設(shè)備有：打印機(jī)、圖形顯示器（CRT）、外部存儲(chǔ)器（軟盤(pán)、硬盤(pán)、光盤(pán)等）、記錄儀、聲光報(bào)警器等。8.人機(jī)設(shè)備人機(jī)對(duì)話的聯(lián)系紐帶，如操作臺(tái)。計(jì)算機(jī)通過(guò)操作臺(tái)向生產(chǎn)過(guò)程的操作人員顯示系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)、運(yùn)行參數(shù)，發(fā)出報(bào)警信號(hào)；生產(chǎn)過(guò)程的操作人員通過(guò)操作臺(tái)向計(jì)算機(jī)輸入和修改控制參數(shù)，發(fā)出各種操作命令；程序員使用操作臺(tái)檢查程序；維修人員利用操作臺(tái)判斷故障等。9.通信接口對(duì)于復(fù)雜的生產(chǎn)過(guò)程，通過(guò)通信接口可構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)集成式計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。系統(tǒng)采用多臺(tái)計(jì)算機(jī)分別執(zhí)行不同的控制功能，既能同時(shí)控制分布在不同區(qū)域的多臺(tái)設(shè)備，又能實(shí)現(xiàn)管理功能。9.3LabVIEW與數(shù)據(jù)采集基于LabVIEW的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)一般如圖9-2所示。包括數(shù)據(jù)采集硬件、硬件驅(qū)動(dòng)程序、驅(qū)動(dòng)程序的用戶接口以及數(shù)據(jù)采集VI等部分。圖9-2基于LabVIEW的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)采集硬件：主要由計(jì)算機(jī)和其I/O接口設(shè)備兩部分組成。I/O接口設(shè)備主要執(zhí)行信號(hào)的輸入、數(shù)據(jù)采集、放大、模/數(shù)轉(zhuǎn)換等任務(wù)。根據(jù)I/O接口設(shè)備總線類(lèi)型的不同，系統(tǒng)的構(gòu)成方式主要有五種：PC-DAQ插卡式虛擬儀器測(cè)試系統(tǒng)、GPIB虛擬儀器測(cè)試系統(tǒng)、VXI總線虛擬儀器測(cè)試系統(tǒng)、PXI總線虛擬儀器測(cè)試系統(tǒng)和串口總線虛擬儀器測(cè)試系統(tǒng)。PC-DAQ插卡式：最基本、最廉價(jià)的構(gòu)成形式，充分利用了PC計(jì)算機(jī)的機(jī)箱、總線、電源及軟件資源。圖9-3是PC-DAQ插卡式系統(tǒng)應(yīng)用示意圖。圖9-3PC-DAQ插卡式系統(tǒng)示意圖在使用前要進(jìn)行硬件安裝和軟件設(shè)置。硬件安裝就是將DAQ卡插入PC的相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)總線擴(kuò)展插槽內(nèi)，因采用PC本身的PCI總線或ISA總線，故稱由它組成的虛擬儀器為PC-DAQ插卡式虛擬儀器。DAQ硬件設(shè)備的基本功能：模擬量輸入（A-D）、模擬量輸出（D-A）、數(shù)字I/O（DigitalI/O）和定時(shí)（Timer）/計(jì)數(shù)（Counter）。LabVIEW為用戶提供了多種用于數(shù)據(jù)采集的函數(shù)、VIs和ExpressVIs。這些函數(shù)、VIs和ExpressVIs大體可以分為兩類(lèi)，一類(lèi)是TraditionalDAQVIs（傳統(tǒng)DAQ函數(shù)），另外一類(lèi)是操作更為簡(jiǎn)便的NI-DAQmx，這些組件主要位于函數(shù)選板中的測(cè)量I/O和儀器I/O子選板中。9.3.2DAQ助手的使用其中最為常用的選板是位于測(cè)量I/O選項(xiàng)中的DataAcquisition（數(shù)據(jù)采集）子選板，如圖9-4所示。圖9-4數(shù)據(jù)采集子選板DAQmx-數(shù)據(jù)采集子選板：包含所有的DAQ函數(shù)。在所有的DAQ函數(shù)中，使用最多的是DAQ助手，DAQ助手是一個(gè)圖形化的界面，用于交互式地創(chuàng)建、編輯和運(yùn)行NI-DAQmx虛擬通道和任務(wù)。一個(gè)NI-DAQmx任務(wù)是虛擬通道、定時(shí)和觸發(fā)信息、以及其他與采集或生成相關(guān)屬性的組合。一個(gè)NI-DAQmx虛擬通道包括一個(gè)DAQ設(shè)備上的物理通道和對(duì)這個(gè)物理通道的配置信息，例如輸入范圍和自定義縮放比例。DAQ助手在函數(shù)選板測(cè)量I/O選項(xiàng)中的DAQmx-數(shù)據(jù)采集子選板中，如圖9-5所示。圖9-5DAQ助手位置將DAQ助手節(jié)點(diǎn)圖標(biāo)放置到程序框圖上，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)彈出如圖9-6所示新建任務(wù)對(duì)話框。圖9-6新建任務(wù)對(duì)話框以DAQ模擬電壓輸入為例來(lái)介紹DAQ助手的使用方法。1.選擇“模擬輸入”，如圖9-7所示。圖9-7選擇“模擬輸入”2.選擇“電壓”，用于采集電壓信號(hào)。然后系統(tǒng)彈出如圖9-8所示的選擇設(shè)備通道對(duì)話框。圖9-8選擇設(shè)備通道3.選擇“ai0”（通道0），單擊“完成”按鈕，將彈出圖9-9所示輸入配置對(duì)話框。圖9-9輸入配置4.單擊“確定”按鈕，對(duì)DAQ進(jìn)行初始化。初始化完成后可利用DAQ助手采集電壓電號(hào)。設(shè)計(jì)程序前面板和程序框圖分別如圖9-10和圖9-11所示。圖9-10程序前面板圖9-11程序框圖

NI公司PCI-6023E數(shù)據(jù)采集卡:是NI公司E系列多功能數(shù)據(jù)采集卡之一，是一種性能優(yōu)良的低價(jià)位的適合PC及其兼容機(jī)的采集卡?？膳cPC的PCI總線相連，它能夠完成模擬量輸入（A-D）、數(shù)字I/O及計(jì)數(shù)I/O等多種功能，非常適合搭建虛擬儀器系統(tǒng)。9.4典型數(shù)據(jù)采集卡PCI-6023E數(shù)據(jù)采集卡產(chǎn)品如圖9-12所示，與其配套進(jìn)行數(shù)據(jù)采集的接線端子板是CB-68LP型，如圖9-13所示。圖9-12PCI-6023E數(shù)據(jù)采集卡圖9-13CB-68LP接線端子板將PCI-6023E數(shù)據(jù)采集卡插入計(jì)算機(jī)主板上PCI擴(kuò)展插槽內(nèi)，通過(guò)R6868數(shù)據(jù)電纜與CB-68LP接線端子板相連，就可在PC的控制下完成模擬信號(hào)輸入輸出，數(shù)字信號(hào)輸入輸出等功能。用PCI-6023E板卡構(gòu)成的測(cè)控系統(tǒng)框圖如圖9-14所示。圖9-14基于PCI-6023E板卡的測(cè)控系統(tǒng)框圖圖9-15所示是CB-68LP接線端子板引腳圖。AI為模擬信號(hào)輸入端口，當(dāng)選擇單端（single-ended）測(cè)量方式時(shí)，接線方式就是把信號(hào)源的正端接入AIn（n=0,1,…15）、信號(hào)源的負(fù)端接入AIGND。圖9-15CB-68LP接線端子板管腳圖當(dāng)選擇差分（differential）測(cè)量方式時(shí)，接線方式是把信號(hào)源的正端接入AIn（n=0,1,…7）、信號(hào)源的負(fù)端接入AIn+8。P0.0～P0.7為8個(gè)數(shù)字信號(hào)輸入輸出通道，可以通過(guò)軟件設(shè)置每個(gè)數(shù)字通道為輸入或者輸出，對(duì)應(yīng)接開(kāi)關(guān)量的輸入和輸出。PCI-6023E有2個(gè)計(jì)數(shù)器：CTR0和CTR1，如果計(jì)數(shù)器信號(hào)只有1個(gè)、希望實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的計(jì)數(shù)功能，那么只需要把計(jì)數(shù)器信號(hào)接到CTR0SRC或者CTR1SRC。安裝PCI-6023E數(shù)據(jù)采集卡驅(qū)動(dòng)程序：虛擬儀器軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境安裝時(shí)，會(huì)自動(dòng)安裝NI-DAQ軟件，它包含NI公司各種數(shù)據(jù)采集硬件的驅(qū)動(dòng)程序。如果購(gòu)買(mǎi)NI公司數(shù)據(jù)采集硬件，它還會(huì)免費(fèi)提供一個(gè)NI-DAQ軟件，目的是使用戶得到最新版本的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序。安裝完NI-DAQ后，函數(shù)模板中會(huì)出現(xiàn)DAQ子模板。一、基于數(shù)據(jù)采集卡控制系統(tǒng)組成