基于LabVIEW的USB实时数据采集处理系统的实现

摘要：介绍了以图形化编程语言LabVIEW为应用程序开发平台的USB数据采集处理系统的设计,并给出了LabVIEW对外部动态链接库的调用方法以及USB驱动程序的设计方法。

关键词：USB LabVIEW 数据采集

通用串行总线USB（Universal Serial Bus）作为一种新型的数据通信接口在越来越广阔的领域得到应用。而基于USB接口的数据采集卡与传统的PCI卡及ISA卡相比具有即插即用、热插拔、传输速度快、通用性强、易扩展和性价比高等优点。

USB 的应用程序一般用Visual C++编写,较为复杂,LabVIEW语言是一种基于图形程序的编程语言,内含丰富的数据采集、数据信号分析分析以及控制等子程序,用户利用创建和调用子程序的方法编写程序,使创建的程序模块化,易于调试、理解和维护,而且程序编程简单、直观。因此它特别适用于数据采集处理系统。利用它编制USB应用程序,把LabVIEW语言和USB总线紧密结合起来的数据采集系统将集成两者的优点。USB总线可以实现对外部数据实时高速的采集,把采集的数据传送到主机后再通过LabVIEW的功能模块顺利实现数据显示、分析和存储。

1 、USB及其在数据采集设备中的应用

USB 自1995年在Comdex上亮相以来,已广泛地为各PC厂家所支持。现在生产的PC几乎都配置了USB接口,Microsoft的Windows 98、NT以及Mac OS、Linux等流行操作系统都增加对USB的支持。USB具有速度快、设备安装和配置容易、易于扩展、能够采用总线供电、使用灵活等主要优点,应用越来越广泛。

一个实用的USB数据采集系统硬件一般包括微控制器、USB通信接口以及根据系统需要添加的A/D转换器和EPROM、 SRAM等。为了扩展其用途,还可以加上多路模拟开关和数字I/O端口。系统的A/D、数字I/O的设计可沿用传统的设计方法,根据采集的精度、速率、通道数等诸元素选择合适的芯片,设计时应充分注意抗干扰性,尤其对A/D采集更是如此。在微控制器和USB接口的选择上有两种方式：一种是采用普通单片机加上专用的USB通信芯片;另一种是采用具备USB通信功能的单片机。USB的另一大优点是可以总线供电,在数据采集设备中耗电量通道不大,因此可以设计成总线供电。

一个USB设备的软件一般包括主机的驱动程序、应用程序和写进ROM里面的Firmware。Windows98提供了多种USB设备的驱动程序,但还没有一种专门针对数据采集系统,所以必须针对特定的设备编制驱动程序。尽管系统已经提供了很多标准接口函数,但编制驱动程序仍然是USB开发中最困难的一件事。通常采用Windows DDK实现,但现在有许多第三方软件厂商提供了各种各样的生成工具,如Compuware的Driver Works、Blue Waters的Driver Wizard等软件能够轻易地生成高质量的USB驱动程序。单片机程序的编制也同样困难,而且没有任何一家厂商提供了自动生成的工具。编制一个稳定、完善的单片机程序直接关系到设备性能,必须给予充分的重视。以上两个程序是开发者所关心的,而用户却不太关心。用户关心的是如何高效地通过鼠标操作设备,如何处理和分析采集进来的大量数据。因此还必须有高质量的用户软件。用户软件必须有友好的界面、强大的数据分析和处理能力以及提供给用户进行再开发的接口。

2、 LabVIEW及其外部动态链接库的调用

LabVIEW 是美国国家仪器（NI）公司开发的一种基于图形程序的虚拟仪表编程语言,其在测试与测量、数据采集、仪器控制、数字信号分析、工厂自动化等领域获得了广泛的应用。LabVIEW程序称为虚拟仪器程序（简称VI）,主要包括两部分：前面板（即人机界面）和方框图程序。前面板用于模拟真实仪器的面板操作,可设置输入数值、观察输出值以及实现图表、文本等显示。框图程序应用图形编程语言编写,相当于传统程序的源代码。其用于传送前面板输入的命令参数到仪器以执行相应的操作。LabVIEW的强大功能在于层次化结构,用户可以把创建的VI程序当作子程序调用,以创建更复杂的程序,而且,调用阶数可以是任意的。 LabVIEW这种创建和调用子程序的方法使创建的程序模块化,易于调试、理解和维护。LabVIEW编程方法与传统的程序设计方法不同,它拥有流程图程序设计语言的特点,摆脱了传统程序语言线形结构的束缚。LabVIEW的执行顺序依方块图间数据的流向决定,而不像一般通用的编程语言逐行执行。在编写方框图程序时,只需从功能模块中选用不同的函数图标,然后再以线条相互连接,即可实现数据的传输。

LabVIEW虽有接口卡的驱动和管理程序,但主要是针对NI公司自己生产的卡。对于普通的I/O卡,还不能直接被LabVIEW所应用,必须采取其他方法。其中可以用LabVIEW的