一種改進(jìn)的基于LabVIEW 的DAQ 采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)?

張海波 畢敬騰 李廷軍

（海軍航空大學(xué)航空基礎(chǔ)學(xué)院 煙臺 264001）

1 引言

數(shù)據(jù)采集（DAQ）是使用計(jì)算機(jī)測量電壓、電流、溫度、壓力或聲音等電子、物理現(xiàn)象的過程。典型的DAQ 系統(tǒng)由傳感器、DAQ 測量硬件和帶有可編程軟件的計(jì)算機(jī)組成。與傳統(tǒng)的測量系統(tǒng)相比，基于PC 的DAQ 系統(tǒng)利用行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算機(jī)的處理、生產(chǎn)、顯示和連通能力，提供靈活且開發(fā)快速的測量解決方案［1～4］。當(dāng)前基于NI LabVIEW 的DAQ 系統(tǒng)在科研教育領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。使用Lab-VIEW 開發(fā)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，具有可視化編程，結(jié)構(gòu)清晰，開發(fā)速度快，運(yùn)行穩(wěn)定，支持硬件廣泛的特點(diǎn)［5～7］。

對于簡單的數(shù)據(jù)采集工作利用LabVIEW 提供的DAQ 硬件示例即可滿足要求。但是該示例僅給出基本的實(shí)現(xiàn)方式，并沒有與狀態(tài)機(jī)及事件處理等程序結(jié)構(gòu)相結(jié)合，因而無法滿足實(shí)際的開發(fā)需求。

在LabVIEW 自帶示例項(xiàng)目中的數(shù)據(jù)采集結(jié)構(gòu)有生產(chǎn)者消費(fèi)者模型和狀態(tài)機(jī)模型。但生產(chǎn)者消費(fèi)者模型沒有考慮DAQ 系統(tǒng)在不同狀態(tài)間轉(zhuǎn)換的問題。LabVIEW 現(xiàn)有狀態(tài)機(jī)模型沒有實(shí)現(xiàn)有效的采集過程控制和數(shù)據(jù)處理的分離，如果連續(xù)長時間采集大量數(shù)據(jù)容易造成用戶界面的鎖定和無響應(yīng)。由于LabVIEW 圖形化編程的特點(diǎn)，導(dǎo)致兩種結(jié)構(gòu)在遇到需要添加大量虛擬控件的時候，如果未合理的設(shè)計(jì)程序結(jié)構(gòu)，隨著程序規(guī)模的不斷擴(kuò)大，會造成擴(kuò)展不方便，使得后續(xù)程序設(shè)計(jì)過程復(fù)雜繁瑣，增加后續(xù)開發(fā)的難度［8～11］。

針對以上問題，本文設(shè)計(jì)一種結(jié)合了狀態(tài)機(jī)、隊(duì)列和事件驅(qū)動結(jié)構(gòu)的DAQ 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，并合理設(shè)計(jì)了多個結(jié)構(gòu)之間的相對位置，實(shí)現(xiàn)后續(xù)程序的拓展。

2 總體架構(gòu)設(shè)計(jì)

LabVIEW 程序天然是并行執(zhí)行，因此多個循環(huán)之間是并行執(zhí)行的。要實(shí)現(xiàn)控制程序的運(yùn)行順序，一種思路是采用平鋪式順序執(zhí)行結(jié)構(gòu)，但是該結(jié)構(gòu)在小規(guī)模、簡單的采集中較為合適，隨著程序規(guī)模的擴(kuò)大拖動改變程序框?qū)o程序的設(shè)計(jì)帶來巨大的挑戰(zhàn)。另一種思路則是采用數(shù)據(jù)流控制的方法，即通過VI 之間數(shù)據(jù)交換的先后順序進(jìn)行數(shù)據(jù)控制［12～13］。

本文提出的結(jié)構(gòu)采用第二種思路。經(jīng)過長期實(shí)踐第二種思路可以有效避免隨著程序規(guī)模的擴(kuò)大造成的不斷改變多個框圖大小的問題。

總體上，程序可分為三個部分如圖1所示。

圖1 程序總體結(jié)構(gòu)圖

第一部分是整個程序運(yùn)行環(huán)境設(shè)定部分，此處不涉及采集設(shè)備的初始化。這一部分的主要作用是設(shè)定軟件運(yùn)行時所需要的中間變量、控件初始狀態(tài)、數(shù)據(jù)文件及數(shù)據(jù)庫等外部程序環(huán)境。這一部分是整個采集系統(tǒng)的起點(diǎn)，因此在運(yùn)行的時候應(yīng)是第一個運(yùn)行，且僅運(yùn)行一次。

第二部分為數(shù)據(jù)采集狀態(tài)控制結(jié)構(gòu)。其作用是實(shí)現(xiàn)整個采集系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集的開始結(jié)束，并針對采集過程中的系統(tǒng)及控制消息進(jìn)行處理。

第三部分為數(shù)據(jù)采集執(zhí)行結(jié)構(gòu)。其主要功能是完成數(shù)據(jù)的采集、寫入及顯示。

總體上三個部分是相互獨(dú)立的。程序運(yùn)行環(huán)境部分僅執(zhí)行一次完成環(huán)境設(shè)定，與后面的兩個結(jié)構(gòu)之間的數(shù)據(jù)交換采用局部變量進(jìn)行。數(shù)據(jù)采集狀態(tài)控制結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)采集執(zhí)行結(jié)構(gòu)為循環(huán)結(jié)構(gòu)。兩個結(jié)構(gòu)之間通過隊(duì)列進(jìn)行數(shù)據(jù)的交換。下面重點(diǎn)對數(shù)據(jù)采集控制結(jié)構(gòu)和執(zhí)行結(jié)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)討論。

3 分系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 狀態(tài)機(jī)設(shè)計(jì)

根據(jù)采集系統(tǒng)的特點(diǎn)，本設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)將整個小懶蟲過程分為初始化、退出、事件處理、開始采集及結(jié)束采集。

初始化狀態(tài)完成DAQ、串口等數(shù)據(jù)采集設(shè)備端口的初始化。如圖2所示。

圖2 初始化狀態(tài)

退出是在所有采集結(jié)束之后完成，因而在退出之前應(yīng)判斷完成數(shù)據(jù)采集的DAQ 是否已正確關(guān)閉，所采集到的數(shù)據(jù)是否已正確寫入磁盤數(shù)據(jù)文件中。

3.2 事件處理設(shè)計(jì)

在本文提出的數(shù)據(jù)采集程序結(jié)構(gòu)中，將事件處理與狀態(tài)機(jī)相結(jié)合。如圖3所示。

圖3 事件處理基本結(jié)構(gòu)

圖3 所示的四個事件中，其中超時是事件結(jié)構(gòu)創(chuàng)建時系統(tǒng)默認(rèn)的。開始采集事件對應(yīng)狀態(tài)機(jī)中的開始采集狀態(tài)，停止采集對應(yīng)狀態(tài)機(jī)中的停止采集狀態(tài)，退出對應(yīng)狀態(tài)機(jī)中的退出狀態(tài)。此處的三個事件僅是響應(yīng)界面UI 中開始采集、停止采集和退出三個按鈕的消息，具體的處理過程通過狀態(tài)的轉(zhuǎn)變進(jìn)入到相應(yīng)的狀態(tài)中進(jìn)行處理。如果開發(fā)者有其他的事件在程序運(yùn)行過程中進(jìn)行響應(yīng)，只需要在事件結(jié)構(gòu)中添加相應(yīng)事件即可。以上結(jié)構(gòu)可方便的實(shí)現(xiàn)功能擴(kuò)展，二不用更改程序結(jié)構(gòu)。

3.3 DAQ設(shè)備初始化

原有的例程僅是提供演示，并不適合應(yīng)用于實(shí)際的工程項(xiàng)目中。本文結(jié)合DAQ 設(shè)備采集基本結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)了采集程序結(jié)構(gòu)給出的DAQ 設(shè)備數(shù)據(jù)采集控制與采集過程相分離的結(jié)構(gòu)。

在DAQ 的初始化開始于DAQ 通道創(chuàng)建，在本文的程序結(jié)構(gòu)將其放置于初始化狀態(tài)中，如圖4所示。

圖4 DAQ初始化

創(chuàng)建成功則進(jìn)行DAQ 采樣時鐘及配置記錄相關(guān)子VI 的處理，為后續(xù)的采集數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好硬件。如果發(fā)生錯誤，則在主界面中的進(jìn)行提示。如圖5所示。

圖5 主界面狀態(tài)提示

以上工作完成之后如果無錯誤則進(jìn)入事件處理狀態(tài)等待下一步任務(wù)，當(dāng)點(diǎn)擊開始采集按鈕之后，事件處理程序?qū)?dāng)前的狀態(tài)改變到開始采集狀態(tài)，通過DAQmx 任務(wù)開始子VI 使程序開始采集。如圖6所示。

此時采集的過程還未開始，DAQmx 開始任務(wù)VI 給出的信息通過隊(duì)列方式發(fā)送給數(shù)據(jù)采集執(zhí)行結(jié)構(gòu)，如圖7所示。

圖6 采集開始狀態(tài)

圖7 隊(duì)列信息交設(shè)計(jì)

通過LabVIEW 中隊(duì)列的方式實(shí)現(xiàn)多個循環(huán)結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)交換和同步。

3.4 DAQ數(shù)據(jù)采集

DAQ設(shè)備實(shí)際的采集執(zhí)行結(jié)構(gòu)，如圖8所示。

圖8 數(shù)據(jù)采集執(zhí)行結(jié)構(gòu)

該循環(huán)結(jié)構(gòu)只有當(dāng)開始采集的隊(duì)列消息到來之后才執(zhí)行采集的循環(huán)過程。

采集過程的停止通過局部變量進(jìn)行控制，控制結(jié)果傳遞停止采集的消息使得圖8 中的停止采集變量為真，從而該循環(huán)停止，之后執(zhí)行DAQ 停止任務(wù)VI 實(shí)現(xiàn)任務(wù)的停止。此時數(shù)據(jù)采集狀態(tài)控制結(jié)構(gòu)仍然執(zhí)行，如果要繼續(xù)進(jìn)行采集，只需點(diǎn)擊開始采集即可恢復(fù)采集過程。

由以上各分系統(tǒng)的設(shè)計(jì)可以得出，本文提出的DAQ 數(shù)據(jù)采集結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了DAQ 設(shè)備設(shè)置初始化和采集的分離，同時結(jié)構(gòu)布局針對LavVIEW 的特點(diǎn)進(jìn)行了優(yōu)化，可方便對循環(huán)結(jié)構(gòu)進(jìn)行拖拽擴(kuò)展，有效避免了程序設(shè)計(jì)后期由于空間不夠而對程序進(jìn)行大幅改動的問題。

4 系統(tǒng)測試

前面分析了本文DAQ 數(shù)據(jù)采集程序總體框架及結(jié)構(gòu)，下面通過簡單的數(shù)據(jù)采集過程驗(yàn)證采集功能。采集設(shè)備使用NI myDAQ，如圖9所示。

圖9 NI myDAQ設(shè)備

采集程序前面板如圖10所示。

圖10 前面板界面

圖10 所示的界面中，波形圖用于顯示當(dāng)前采集的信號，DQAmx 物理通道控件用于選擇物理DAQ 設(shè)備，開始采集和結(jié)束采集用于控制采集的過程，退出則是指結(jié)束整個程序。

從程序運(yùn)行結(jié)果看，該系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成了DAQ系統(tǒng)的功能，并可在運(yùn)行過程中隨時中斷繼續(xù)采集過程。

5 結(jié)語

結(jié)合相應(yīng)的硬件設(shè)備，LabVIEW 具備強(qiáng)大的采集功能。本文利用狀態(tài)機(jī)、事件結(jié)構(gòu)、循環(huán)結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了一種改進(jìn)的DAQ 設(shè)備采集程序架構(gòu)。該設(shè)計(jì)具備良好的擴(kuò)展性，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集控制與處理的有效分離，可用于實(shí)時數(shù)據(jù)的采集、分析和存儲，滿足不同采集任務(wù)的需求。