引言

作為專(zhuān)業(yè)測(cè)控領(lǐng)域的軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)，LabVIEW內(nèi)含豐富的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)信號(hào)分析以及功能強(qiáng)大的DAQ助手，搭建數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)更為輕松，便于硬件設(shè)計(jì)人員直接對(duì)硬件的操控展開(kāi)設(shè)計(jì)。此外，它可通過(guò)DLL、CIN節(jié)點(diǎn)、ActiveX、.NET或MATLAB腳本節(jié)點(diǎn)等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)與其它編程語(yǔ)言混合編程，通過(guò)調(diào)用外部驅(qū)動(dòng)代碼使它與設(shè)備的連接變得非常容易。由于采用數(shù)據(jù)流模型，LabVIEW可以自動(dòng)規(guī)劃多線(xiàn)程任務(wù)，可充分利用PC系統(tǒng)處理器的處理能力，從而提高模塊的采集效率。本文基于LabVIEW開(kāi)發(fā)環(huán)境，以庫(kù)函數(shù)節(jié)點(diǎn)的調(diào)用方式及結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了一種中頻數(shù)據(jù)采集與處理卡軟件的設(shè)計(jì)。

數(shù)據(jù)采集卡軟件結(jié)構(gòu)

采集卡軟件是基于PC的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)重要組成部分，它與硬件形成一個(gè)完整的數(shù)據(jù)采集、分析和顯示系統(tǒng)，軟件分為上層應(yīng)用程序和驅(qū)動(dòng)程序。上層應(yīng)用程序用以完成數(shù)據(jù)的分析、存儲(chǔ)和顯示等。驅(qū)動(dòng)程序則可直接對(duì)數(shù)據(jù)采集硬件的寄存器編程，管理數(shù)據(jù)采集硬件的操作并把它和處理器中斷、DMA和內(nèi)存這些計(jì)算機(jī)資源結(jié)合在一起。

驅(qū)動(dòng)程序隱藏了復(fù)雜的硬件底層編程細(xì)節(jié)，為用戶(hù)提供容易理解的接口。NI公司為基于NI數(shù)據(jù)采集設(shè)備的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)提供了相應(yīng)的接口驅(qū)動(dòng)及VI函數(shù) (VI，Virtual Instrument)。對(duì)于一些不常見(jiàn)的硬件設(shè)備或用戶(hù)研發(fā)的硬件設(shè)備，NI沒(méi)有提供合適的驅(qū)動(dòng)。但是，如前所述，LabVIEW還提供了很多其它的通信接口，包括調(diào)用庫(kù)函數(shù)節(jié)點(diǎn)(Call Library Function Node, CLF)、代碼接口節(jié)點(diǎn)(Code Interface Node, CIN)、TCP/IP、Data Socket、OPC、共享變量、DDE和.NET等。通過(guò)這些通信接口，LABVIEW能夠?qū)崿F(xiàn)與任何設(shè)備的通信。值得留意的是LabVIEW具有調(diào)用庫(kù)函數(shù)節(jié)點(diǎn)和代碼接口節(jié)點(diǎn)兩種方法，可以結(jié)合C語(yǔ)言的編程靈活性和LabVIEW G語(yǔ)言的直觀便捷特點(diǎn)，大幅提高LabVIEW對(duì)用戶(hù)數(shù)據(jù)采集卡的軟件設(shè)計(jì)支持。可進(jìn)一步利用LabVIEW豐富的數(shù)據(jù)分析資源，節(jié)約系統(tǒng)開(kāi)發(fā)成本。

LabVIEW提供的數(shù)據(jù)采集卡的常用驅(qū)動(dòng)方式有兩種，調(diào)用C語(yǔ)言源代碼方式(CIN方式)，以及調(diào)用動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)方式(CLF方式)。

CIN方式是實(shí)現(xiàn)LabVIEW與C語(yǔ)言混合編程的一種媒介，CIN通過(guò)輸入、輸出端口實(shí)現(xiàn)兩種語(yǔ)言之間的數(shù)據(jù)傳遞。輸入、輸出端口的個(gè)數(shù)可由設(shè)計(jì)者根據(jù)實(shí)際需要確定，當(dāng)LabVIEW的程序運(yùn)行到CIN節(jié)點(diǎn)時(shí)，數(shù)據(jù)由CIN的輸入端口傳遞給C源代碼圖標(biāo)，程序轉(zhuǎn)去執(zhí)行C源代碼，代碼執(zhí)行完后，執(zhí)行的數(shù)據(jù)結(jié)果由CIN輸出端口返回至LabVIEW。

CLF是一種動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)（DLL）的調(diào)用方式。DLL是一種應(yīng)用程序在運(yùn)行時(shí)與庫(kù)文件連接起來(lái)的技術(shù)，在WINDOWS的管理下，應(yīng)用程序與對(duì)應(yīng)DLL之間建立鏈接關(guān)系，根據(jù)鏈接產(chǎn)生的重定位信息，轉(zhuǎn)去執(zhí)行DLL中相應(yīng)的代碼。LabVIEW中，可通過(guò)CLF(調(diào)用路徑為Function>>Advanced>>Call Library Function)功能模塊實(shí)現(xiàn)調(diào)用。

調(diào)用CIN節(jié)點(diǎn)需要有C語(yǔ)言編程的支持，它能夠?qū)⒋a集成在VI中作為單獨(dú)的一個(gè)VI發(fā)布，CIN 支持的參數(shù)類(lèi)型比DLL 函數(shù)多，可使用LABVIEW 定義的任何參數(shù)類(lèi)型，但制作CIN的過(guò)程復(fù)雜得多。使用這種方法的缺點(diǎn)是在數(shù)據(jù)采集過(guò)程中不能實(shí)時(shí)地進(jìn)行數(shù)據(jù)的顯示，只能在數(shù)據(jù)全部采集結(jié)束后再一起顯示所采集的全部數(shù)據(jù)，這樣在需要較高執(zhí)行效率的場(chǎng)合就不適用。其次由于CIN節(jié)點(diǎn)在制作數(shù)據(jù)采集卡的驅(qū)動(dòng)時(shí)，需要提供采集卡的硬件參數(shù)，需編制對(duì)硬件設(shè)備進(jìn)行底層操作的庫(kù)函數(shù)，對(duì)于不清楚函數(shù)內(nèi)核的程序員不適用。相比CIN方式，CLF方式更加簡(jiǎn)單易學(xué)，開(kāi)發(fā)者只需要熟悉DLL中的各個(gè)函數(shù)功能以及函數(shù)的參數(shù)及類(lèi)型，在本文設(shè)計(jì)中，擬采用CLF方式實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)程序的調(diào)用。

基于CLF方式的采集卡軟件設(shè)計(jì)

本文所涉及的軟件控制對(duì)象是一款中頻數(shù)據(jù)采集與處理卡，具有14位A/D精度，最高采樣頻率為105MHz，4路模擬量輸入，提供高精度中頻信號(hào)數(shù)字化、多通道、多模式數(shù)字下變頻（DDC）等數(shù)字處理，軟件結(jié)構(gòu)詳見(jiàn)圖1。



圖1 采集卡的軟件結(jié)構(gòu)


圖2 VI的層級(jí)結(jié)構(gòu)

LabVIEW應(yīng)用程序分為用戶(hù)界面和圖標(biāo)代碼，通過(guò)搭建和調(diào)用子VI編寫(xiě)主體程序，各VI利用LabVIEW的CLF技術(shù)調(diào)用動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)中的驅(qū)動(dòng)函數(shù)，實(shí)現(xiàn)與硬件設(shè)備的數(shù)據(jù)交換。子VI將基本的驅(qū)動(dòng)函數(shù)進(jìn)行功能封裝。一個(gè)完整的LABVIEW應(yīng)用程序通常由若干個(gè)子VI及其外部編程連線(xiàn)構(gòu)成，VI的層級(jí)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是設(shè)計(jì)虛擬儀器驅(qū)動(dòng)程序的核心，各VI分別為組成驅(qū)動(dòng)程序的模塊化子程序。設(shè)計(jì)中，動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)由VC編寫(xiě)，調(diào)用底層的驅(qū)動(dòng)函數(shù)與設(shè)備通信。軟件包括兩類(lèi)子VI函數(shù)集合，一類(lèi)是低層組件VI集合，分為若干個(gè)獨(dú)立的軟件功能模塊，每個(gè)模塊負(fù)責(zé)控制儀器的某項(xiàng)特殊功能，這類(lèi)VI是儀器驅(qū)動(dòng)程序的基礎(chǔ)；另一類(lèi)為高層應(yīng)用VI集合，應(yīng)用VI通過(guò)調(diào)用合適的組件VI以實(shí)現(xiàn)最通常的儀器設(shè)置和測(cè)量任務(wù)。顯然，就驅(qū)動(dòng)程序開(kāi)發(fā)而言，能否根據(jù)硬件特性成功構(gòu)建組件VI集合是關(guān)鍵所在。VI層次結(jié)構(gòu)如圖2所示。

如圖所示，按功能有兩個(gè)高層應(yīng)用子VI集合：Config.vi，Config DDC.vi，這兩個(gè)子VI又分別調(diào)用低層組件子VI來(lái)完成特定的設(shè)置、配置任務(wù)。Config.vi完成采集卡的常規(guī)配置，例如對(duì)采集卡單次采集數(shù)量、FIFO滿(mǎn)深度、寄存器（硬件通道、時(shí)鐘、觸發(fā)、采集方式、采集模式等的控制）設(shè)置、采集卡的狀態(tài)查詢(xún)等；Config DDC.vi完成DDC的所有配置工作，包括對(duì)DDC的模式、抽取率、輸出格式、本振頻率、本振相位、增益、CFIR濾波參數(shù)、PFIR濾波參數(shù)等的設(shè)置，從而實(shí)現(xiàn)DDC的數(shù)字IQ分離、抽取、數(shù)字濾波、重采樣、多級(jí)增益調(diào)節(jié)、多種調(diào)制方式的解調(diào)等功能。其余低層組件VI實(shí)現(xiàn)設(shè)備的打開(kāi)關(guān)閉、數(shù)據(jù)從數(shù)據(jù)采集卡到主機(jī)內(nèi)存的傳送、數(shù)據(jù)保存等。無(wú)論應(yīng)用子VI或組件子VI均為獨(dú)立可執(zhí)行程序，實(shí)現(xiàn)特定功能，各VI函數(shù)作為提供給用戶(hù)進(jìn)行系統(tǒng)應(yīng)用開(kāi)發(fā)所需的各類(lèi)操作。采用該結(jié)構(gòu)，能夠使用戶(hù)在運(yùn)行時(shí)修改虛擬儀器系統(tǒng)的運(yùn)行邏輯與人機(jī)界面，可立即執(zhí)行，因此在用戶(hù)需要改變需求的情況下能迅速適配，數(shù)據(jù)采集卡具有可重構(gòu)的特點(diǎn)，用戶(hù)也不必去關(guān)心硬件的實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)。

DLL的調(diào)用

在LabVIEW 中調(diào)用DLL時(shí)，把編寫(xiě)好的DLL放在當(dāng)前目錄或特定目錄下，然后根據(jù)應(yīng)用程序的需要，確定參數(shù)個(gè)數(shù)和參數(shù)類(lèi)型及調(diào)用規(guī)則，在LabVIEW中正確地配置DLL 。首先從函數(shù)模板Function 中調(diào)用CLF 節(jié)點(diǎn)，雙擊彈出設(shè)置對(duì)話(huà)框，如圖2所示。對(duì)話(huà)框中，第一個(gè)參數(shù)Library Name Path 填入需要調(diào)用的動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)文件的名字和路徑。第二個(gè)參數(shù)Function Name 是鏈接庫(kù)中要調(diào)用的函數(shù)名稱(chēng)。第三個(gè)參數(shù)為線(xiàn)程調(diào)用方式，在DLL只被一個(gè)線(xiàn)程調(diào)用的情況下，兩種調(diào)用方式都可選擇，但在多線(xiàn)程調(diào)用情況下，需注意選擇。Run in UI Thread 表示在用戶(hù)接口線(xiàn)路中調(diào)用，DLL 的執(zhí)行期將等到用戶(hù)接口線(xiàn)程(即LabVIEW環(huán)境下的VI 應(yīng)用程序) 執(zhí)行DLL 的導(dǎo)出函數(shù)調(diào)用時(shí)才開(kāi)始；Run in any Thread 表示允許多個(gè)線(xiàn)程同時(shí)調(diào)用這個(gè)DLL。在編制DLL 過(guò)程中，充分考慮了線(xiàn)程保護(hù)的同步機(jī)制，如使用臨界區(qū)、互斥、信號(hào)量等，線(xiàn)程安全較為確定，那么可以選用Run in any Thread方式，這將有助于提高DLL調(diào)用的性能；反之，可選Run in UI Thread。第四個(gè)參數(shù)是對(duì)DLL的調(diào)用規(guī)則，可選擇C或stdcall，在此選擇stdcall。LabVIEW調(diào)用庫(kù)函數(shù)設(shè)置界面如圖3所示，其中Parameters項(xiàng)是對(duì)參數(shù)選項(xiàng)的設(shè)置，根據(jù)調(diào)用的函數(shù)，添加和設(shè)置相應(yīng)的參數(shù)，參數(shù)名稱(chēng)、類(lèi)型和數(shù)據(jù)類(lèi)型，且要與被調(diào)用函數(shù)中的參數(shù)名相同。需要注意的是，當(dāng)調(diào)用多個(gè)函數(shù)時(shí)要分別填寫(xiě)參數(shù)的個(gè)數(shù)和對(duì)應(yīng)的類(lèi)型，而且在調(diào)用過(guò)程中應(yīng)保持?jǐn)?shù)據(jù)位的一致。由于LabVIEW中的數(shù)據(jù)類(lèi)型和不同編程語(yǔ)言對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)類(lèi)型在形式上有些不一致，因此需要知道它們是如何對(duì)應(yīng)的。如：LabVIEW中I16表示有符號(hào)16位整型，對(duì)應(yīng)C語(yǔ)言中的short型。

設(shè)置后，LabVIEW將自動(dòng)生成各參數(shù)的入口及出口狀態(tài)，完成調(diào)用庫(kù)函數(shù)節(jié)點(diǎn)的配置。對(duì)于外部的編程和連線(xiàn)，如Trigger.vi，如圖4所示。

圖3LabVIEW調(diào)用庫(kù)函數(shù)設(shè)置界面

圖4 Trigger子VI程序框圖

DLL調(diào)用中的參數(shù)類(lèi)型匹配

在LabVIEW中調(diào)用動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)，難點(diǎn)在于參數(shù)類(lèi)型匹配。最常用的三種數(shù)據(jù)類(lèi)型是：數(shù)值類(lèi)型、字符串、數(shù)值型數(shù)組。設(shè)計(jì)中，將采集數(shù)據(jù)傳送到內(nèi)存塊過(guò)程涉及到帶數(shù)組參數(shù)的函數(shù)調(diào)用，值得注意的是，LabVIEW 只支持 C 數(shù)據(jù)類(lèi)型中的數(shù)值型數(shù)組，調(diào)用含有數(shù)組參數(shù)函數(shù)時(shí)，傳遞數(shù)組類(lèi)型“Array Format”要選擇“Array Data Pointer”。這個(gè)設(shè)置中還有其他兩個(gè)選項(xiàng)（Array Handle，Array Handle Pointer），這種帶有“Handle”的參數(shù)類(lèi)型都是表示LabVIEW定義的特殊類(lèi)型的，在第三方的DLL中不會(huì)使用到。按前述步驟設(shè)置好CLF節(jié)點(diǎn)，連接外部輸入（采集數(shù)量size）和輸出（存放采集數(shù)據(jù)的數(shù)組）后，輸出沒(méi)有反應(yīng)，檢查分析得知，數(shù)組參數(shù)作為輸出值時(shí)，要為輸出的數(shù)組數(shù)據(jù)開(kāi)辟空間，將輸入數(shù)據(jù)的指針復(fù)制給輸出數(shù)組數(shù)據(jù)指針并傳給驅(qū)動(dòng)函數(shù)。在LabVIEW中開(kāi)辟數(shù)據(jù)空間的方法有兩種：

1.創(chuàng)建一個(gè)長(zhǎng)度滿(mǎn)足要求的數(shù)組，作為初始值傳遞給輸入?yún)?shù)，輸出數(shù)據(jù)就會(huì)被放置在輸入數(shù)組所在的內(nèi)存空間內(nèi)。

2.直接在參數(shù)配置面板上進(jìn)行設(shè)置。在 Minimum size 中寫(xiě)入一個(gè)固定的數(shù)值或選擇函數(shù)的其它數(shù)據(jù)參數(shù)，LabVIEW 就會(huì)按此大小為輸出數(shù)組開(kāi)辟空間。

詳細(xì)設(shè)置如表1所示。字符串的使用與數(shù)組非常類(lèi)似，實(shí)際上在C語(yǔ)言中字符串就是一個(gè)I8數(shù)組。

表1 調(diào)用含有數(shù)組參數(shù)函數(shù)舉例


圖5 采集波形顯示圖

此外，布爾類(lèi)型在DLL函數(shù)和LabVIEW VI之間傳遞沒(méi)有專(zhuān)有的數(shù)據(jù)類(lèi)型，需利用數(shù)值類(lèi)型來(lái)傳遞。輸入時(shí)先把布爾值轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)值，傳遞給DLL函數(shù)；輸出時(shí)把數(shù)值轉(zhuǎn)為布爾值。對(duì)于所調(diào)用的DLL 庫(kù)函數(shù)的參數(shù)類(lèi)型，如果在配置框中找不到匹配的類(lèi)型，可以在Type 框中選Adapt to Type，表示編程時(shí)指定的LabVIEW數(shù)據(jù)類(lèi)型與DLL中參數(shù)類(lèi)型進(jìn)行自動(dòng)匹配。LabVIEW也定義了一些特有的數(shù)據(jù)類(lèi)型，例如復(fù)數(shù)類(lèi)型、LV布爾類(lèi)型。為了在動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)中能對(duì)這些類(lèi)型的數(shù)據(jù)進(jìn)行操作，在LabVIEW目錄中的extcode.h文件對(duì)LabVIEW的各種數(shù)據(jù)類(lèi)型進(jìn)行了定義。在編寫(xiě)動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)時(shí)，通過(guò)引用該文件就可以在C代碼中對(duì)LabVIEW的這些獨(dú)有數(shù)據(jù)類(lèi)型進(jìn)行操作。

實(shí)驗(yàn)與結(jié)論

程序設(shè)計(jì)采用循環(huán)順序執(zhí)行結(jié)構(gòu)，主要設(shè)置三個(gè)調(diào)用動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)節(jié)點(diǎn)。循環(huán)順序執(zhí)行結(jié)構(gòu)中包括三幀，第一幀調(diào)用Config函數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集卡的初始化；第二幀循環(huán)調(diào)用datatrans函數(shù)采集數(shù)據(jù)至內(nèi)存，并用波形圖顯示出來(lái)；第三幀調(diào)用deviceshut函數(shù)釋放采集卡所占資源，程序結(jié)束。圖5是設(shè)計(jì)完成的采集卡軟件工作界面，圖中顯示了對(duì)系統(tǒng)采集參數(shù)、處理參數(shù)配置以及采集波形的顯示等，波形顯示了對(duì)正弦信號(hào)采集4096個(gè)有效數(shù)據(jù)點(diǎn)。

結(jié)果表明，數(shù)據(jù)卡的接口工作穩(wěn)定，數(shù)據(jù)正確無(wú)誤，達(dá)到了設(shè)計(jì)的目標(biāo)。上述方法成功實(shí)現(xiàn)了LabVIEW與采集卡驅(qū)動(dòng)程序的數(shù)據(jù)交換，進(jìn)而利用LabVIEW豐富的函數(shù)庫(kù)，能方便地實(shí)現(xiàn)采集卡的所有功能，搭建了以L(fǎng)abVIEW為應(yīng)用程序的數(shù)字采集處理系統(tǒng)。很明顯這種集成了VC++和LabVIEW圖形化編程語(yǔ)言各自?xún)?yōu)勢(shì)的采集處理系統(tǒng)不僅性?xún)r(jià)比高、通用性強(qiáng)、易于開(kāi)發(fā)、數(shù)據(jù)處理簡(jiǎn)單，且可以大大縮短開(kāi)發(fā)時(shí)間。采用CLF 技術(shù)，充分利用已有的動(dòng)態(tài)鏈接程序庫(kù)，可大大增強(qiáng)LabVIEW 和底層硬件的通信能力。