基于虚拟仪器的USB接口数据处理系统设计

虚拟仪器技术在计算机测控领域得到了快速广泛的推广应用，从简单的仪器控制、数据采集到尖端的测控和工业自动化；从大学实验室到工业现场；从探索研究到技术集成都可以发现了虚拟仪器技术应用的很多领域。国内外相关学者对此做了很多的研究工作。

1 虚拟仪器与图形化编程语言-LabVIEW
    虚拟仪器(virtual instrument，VI)是一种基于计算机的仪器，就是在通用计算机上加上软件和硬件，使得使用者在操作这台计算机时，就像是在操作一台他自己设计的专用传统电子仪器。在虚拟仪器系统中，硬件仅仅是为了解决信号的输入输出，软件才是整个仪器系统
的关键，任何一个使用者都可以通过修改软件的方法，很方便地增减仪器系统的功能与规模，所以有“软件就是仪器”之说。虚拟仪器技术的出现，彻底打破了传统仪器由厂家定义，形成用户无法改变功能的模式，虚拟仪器技术给用户一个充分发挥自己才能和想象力的空间。用户(而不是厂家)可以随心所欲地根据自己的需求，设计自己的仪器系统，满足多种多样的应用需求。
    LabVIEW是美国NI公司开发的面向计算机测控领域的虚拟仪器软件开发平台，它是一种功能强大的图形编程语言，但它与传统的文本编程语言(如C语言)不同，采用了一种基于流程图的图形化编程形式，因此也被称为G语言(graphical language)。这种图形化的编程形式，方便了非软件专业的工程师快速编制程序。多任务并行处理一般是通过多线程技术来实现的，不同的任务实际上通过各自的线程轮流占用CPU时间片来达到“同时”处理的目的。LabVIEW也采用了多线程技术，而且与传统文本式的编程语言相比，有两大优点：LabVIEW把线程完全抽象出来，编程者不需对线程进行创建、撤销及同步等操作；LabVIEW使用图形化的数据流执行方式，因此在调试程序时，可以非常直观地看到代码的并行运行状态，这使编程者很容易理解多任务的概念。虚拟仪器的硬件由仪器硬件和计算机硬件2部分组成。应用软件由仪器驱动程序、开发环境和用户接口3部分组成。

2 数据采集与处理系统的功能和组成
2．1 系统功能
    数据采集(data acquisition，DAQ)与处理系统的基本功能是物理信号的测量、采集与处理。要使计算机系统能够测量物理信号，首先要使用传感器把物理信号转换成电压或者电流之类的电信号。通常不能把被测信号直接连接到DAQ卡，而必须使用信号调理辅助电路，将信号进行一定的预处理。总之，数据采集与处理是借助软件来控制整个DAQ系统的，包括采集原始数据、分析数据和输出与存储数据。
2．2 系统组成
    设计过程中采用炼油厂高温烟气发电系统的工艺参数检测作为应用对象。系统结构框图如图1所示。

    系统的硬件包括温度传感器、压力传感器、位移传感器等传感器、信号调理模块、数据采集卡和工控机。信号调理模块选用的是美国国家仪器公司的NI SCXI-1102型温度调理模块和NI SCXI-1520型应变信号调理模块，用这2个模块完成对采集信号的预处理；数据采集卡采用的是NI USB-6008DAQ型；工控机采用的是具有PXI插槽的一台计算机和一台PC机。
    整个系统共设置8路模拟输入端口，2路模拟输出端口，12路数字输入／输出端口，1路事件计数端口。
    (1)NI SCXI-1102的特点和功能。NI SCXI-1102专为高精度热电偶测量而设计。它们具有相同的架构，该架构的每路输入通道包括了一个仪器放大器和一个2 Hz的低通滤波器。在此架构下，可以通过高达333 SPS(每通道3μs)的速度来扫描SCXI-1102及其他模块的模拟输入通道，也可扫描冷端温度补偿传感器及其他输入通道。SCXI-1102可采集mV、V、0～20 mA以及4～20 mA电流的输入信号。每个模块的所有通道都可以被DAQ设备的某一路通道采集，也可另加模块，以增加通道数。
    (2)NI SCXI-1520的特点和功能。NI SCXI-1520是8通道通用应变片输入模块，具有进行简单或高级应变测量所需要的所有功能。用户可借助这一模块，从应变传感器、力传感器、扭矩传感器和压力传感器上读取信号。NI SCXI-1520包含在各类环境中均适于自动校准的板载参考电压。它的每路通道均配有可编程放大器和4级可编程Butter worth滤波器。每条通道还具有一个独立0～10 V可编程激励源。此外，SCXI-1520系统在模块内部提供了组成半桥电路的电阻网络，并在SCXI-1314接线盒提供了1个350 Ω的插座式电阻，用以组成l／4桥。120 Ω的1／4桥电阻均随附于接线盒。
    (3)USB接口及NI USB-6008 DAQ的特点和功能。通用串行总线(universal serial bus，USB)是目前电脑上应用较广泛的接口规范，USB接口是电脑主板上的一种四针接口，其中中间2个针传输数据，两边2个针给外设供电。USB接口速度快，连接简单，不需要外接电源，同时对外设有良好的兼容性，最多可连接127台外设。USB有2个规范，即USB 1．1和USB2．0。
    USB通用串行总线是由Intel，Microsoft，Compaq，IBM，NEC，Northern Telcom等几家大厂商发起的新型外设接口标准。USB传输速度12 Mb／s，最新USB2．0可达480 Mb／s；电缆最大长度5 m，USB电缆有4条线，2条信号线，2条电源线，可提供5 V电源；USB电缆还分屏蔽和非屏蔽2种，屏蔽电缆传输速度可达12 Mb／s，价格较贵，非屏蔽电缆速度为1．5 Mb／s，但价格便宜；USB通过串联方式最多可串接127个设备，支持即插即用和热插拔。
    NI USB-6008具有基本的数据采集功能，其应用范围包括简单的数据记录、便携式测量和学术机构的实验室试验，其技术参数如表1所示。NI USB-6008可使用LabVIEW或C以及自带的NI-DAQ mx Base测量服务软件编程，创建用户自定义的测量系统。但这些只能完成简单的测量和分析，若要完成复杂的工程运算或实时控制还需借助其他的软件环境。

3 数据采集与处理系统软件设计
    NI USB-6008通过USB接口与工控机相连，构成一个数据采集与处理系统。
    NI-DAQmx Base具有NI-DAQmx的部分功能，支持Windows，Linux，Mac OS X和Pocket PC操作系统。简洁的编程接口、可编程通道和任务生成以及与NI LabVIEW的高度集成使得应用开发极为简单。该驱动软件包含立即可用的LabVIEWVI和C函数实例，这些实例与具有完整功能的NI-DAQmx软件中的相似。
    数据采集与处理系统的软件包括驱动程序和用户应用程序，用户应用程序是用虚拟仪器的开发环境LabVIEW设计的。
    系统软件采用LabVIEW编程，前面板如图2所示。

4 结语
    设计测试表明，将虚拟仪器与LabVIEW结合用于常规的数据采集与处理等任务，可以减少系统的开发时间，也可提高编程效率，节省系统成本。