LabVIEW與USB的數(shù)據(jù)通信方案實現(xiàn) - 全文

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　　1 引言

　　LabVIEW是一種基于圖形程序的虛擬儀器編程語言，在測試與測量、數(shù)據(jù)采集、儀器控制、數(shù)字信號分析、工廠自動化等領域獲得了廣泛的應用。LabVIEW程序采用方框圖編程，具有友好的人機界面，在前面板中有用于模擬真實儀器面板的控件可供調(diào)用，可用于設置輸入數(shù)值、觀察輸出值以及實現(xiàn)圖表、文本等顯示。傳統(tǒng)的用LabVIEW讀寫USB設備的方法是：先用VC或Delphi編寫動態(tài)鏈接庫DLL文件，在DLL中通過調(diào)用WIN API函數(shù)讀寫USB設備的數(shù)據(jù)，并存在緩沖區(qū)中，在LabVIEW中通過對DLL文件的調(diào)用提取緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)。介紹了在LabVIEW下，通過調(diào)用NI-VISA子程序控件，實現(xiàn)與USB設備的直接通信，避免了二次編程的麻煩和數(shù)據(jù)的中轉。

　　2 USB底層驅動程序設計

　　USB底層驅動開發(fā)工具有Windows DDK和第三方開發(fā)工具，如Driver studio和 Win driver等，但是使用這些工具開發(fā)驅動難度大、效率底。在這里，介紹如何借用LabVIEW的NI-VISA子程序控件作為USB的底層驅動。

　　VISA(Virtual Instrument Software Architecture，ni.corn/visa)是一個用來與各種儀器總線進行通訊的高級應用編程接口(API)。他不受平臺、總線和環(huán)境的限制。通用串行總線(USB)是一個基于信息的通訊總線。這表示PC機與USB設備通過發(fā)送指令和數(shù)據(jù)進行通訊，而這些指令和數(shù)據(jù)是通過總線以文本或二進制數(shù)據(jù)的形式發(fā)送的。每個USB設備都有各自的指令集?？梢允褂肗I-VISA的讀寫功能向儀器發(fā)送這些指令，并讀取儀器的反饋。

　　NI-VISA從3.0版開始支持USB通訊，他有2種VISA類函數(shù)(Resource Class)，可以控制2類USB設備：USB INSTR設備與USB RAW設備。符合USB測試和測量類(USBTMC)協(xié)議的USB設備可以通過使用USB INSTR類函數(shù)控制，他們使用488.2標準通訊。對于這些設備，只需以與GPIB儀器通訊同樣的方式，使用"VISA Open"，"VISA Close"，"VISA Read"和"VISAWrite"功能。USBTMC設備符合VISA USB INSTR類函數(shù)能夠理解的協(xié)議。USBTMC設備相對來說控制較為復雜，因為每個設備可以使用各自的通信協(xié)議，而這些通信協(xié)議一般都是由設備的生產(chǎn)廠家自定的。

　　為了使用NI-VISA，必須先讓Windows將NI-VI-SA作為設備的缺省驅動程序使用。在Windows環(huán)境中，可以通過INF文檔做到這一點。INF文件是系統(tǒng)硬件設備配置文件，USB驅動程序通過INF文件中的PID(產(chǎn)品識別號)和VID(廠商識別號)識別USB設備。NI-VISA 3.0中包含的VISA Driver Development Wizard(DDW)可以為USB設備創(chuàng)建一個INF文檔。下面簡單介紹創(chuàng)建INF文檔的過程：

　　(1)在安裝了NI-VISA后，啟動VISA Driver Devel-opment Wizard程序，出現(xiàn)了為PXI/PCI或USB設備創(chuàng)建一個INF文檔的向導，選擇USB設備，點NEXT，出現(xiàn)VI-SA DDW基本設備信息窗口。

　　(2)進行這一步時，需要清楚USB的PID和VID。這些數(shù)字可以在安裝USB設備的時候對其進行確認，并在想要與設備通訊的時候，尋找他的地址。依據(jù)USB的規(guī)格，兩個數(shù)字都是16位16進制數(shù)字，并應該由設備制造商提供。例如在后面介紹基于USB的虛擬示波器用到USB接口芯片PDIUSBD12的PID和VID分別是0x0471和0x0666;這一步設置完成后，點擊NEXT，進行最后一步的設置。

　　(3)USB Instrument Prefix(USB儀器前綴)只是一個描述符，可以用他來識別本設備所用的相關文檔。在USB Instrument Prefix中輸入相應信息，并在"output file directory"中選擇存放這些文檔的目錄，然后點擊Finish。INF文檔就被建好并保存至指定的位置。

　　這時候，只要復制生成的INF文件夾到系統(tǒng)盤Win-dows文件夾下INF文件夾，點擊右鍵，安裝即可。這時，插上USB設備，Windows系統(tǒng)就能探測到，并根據(jù)INF硬件配置文件選擇NI-VISA作為底層驅動程序。在Lab-VIEW中，只需調(diào)用NI-VISA的相關控件，即可實現(xiàn)對USB設備的讀寫操作。

　　3 LabVIEW驅動程序編寫

　　強大、靈活的儀器控制功能是LabVIEW區(qū)別于其他編程語言的主要特點。LabVIEW不僅提供數(shù)百種不同接口測試儀器的驅動程序，而且還支持VISA，SCPI和IVI等最新的程控軟件標準，為用戶設計開發(fā)先進的測試系統(tǒng)提供了軟件支持。VISA是用于儀器編程的標準I/O函數(shù)庫及相關規(guī)范的總稱，一般稱之為VISA庫。VISA庫駐留于計算機系統(tǒng)中，是計算機與儀器之間的軟件層連接，用以實現(xiàn)對儀器的程控。對軟件開發(fā)者來說，他是一個可調(diào)用的操作函數(shù)集，他本身不提供儀器編程能力，只是一個高層API(應用程序接口)，通過調(diào)用底層的驅動程序來控制儀器設備。

　　NI-VISA支持3種類型的USB管道：控制、批量和中斷。NI-VISA探測到USB儀器時，他會對儀器進行自動掃描，尋找各種類型的最低可用端點。如使用NI-VI-SA中的VISA USB Control In和VISA USB Control Out來通過控制型管道傳輸數(shù)據(jù)，使用VISA Read和VISAWrite來通過批量型管道傳輸數(shù)據(jù)。

　　作為儀器I/O函數(shù)庫，VISA編程與傳統(tǒng)的I/O軟件編程基本相同，主要通過設備I/O端口的讀寫操作和屬性控制，實現(xiàn)與儀器的命令與數(shù)據(jù)交換。LabVIEW中所有的VISA節(jié)點均在Function模板→All Functions子模板→Instrument I/O子模板→VISA子模板中。在這里，只用到了VISA Open，VISA Close，VISA Write和VISARead四個節(jié)點即可實現(xiàn)和USB設備的雙向通信。當完成對USB設備的INF硬件配置后，就可以用VISA Open節(jié)點打開該資源，建立計算機與這些VISA資源的通信管道;與VISA Open節(jié)點相反，VISA Close節(jié)點用于將打開的VISA資源關閉;VISA Write節(jié)點的功能是將writebuffer端口輸入字符串數(shù)據(jù)發(fā)送到儀器中;VISA Read節(jié)點的功能是從儀器中讀出數(shù)據(jù);

　　介紹完上面的4個節(jié)點，就可以用上面4個節(jié)點實現(xiàn)LabVIEW對USB批量數(shù)據(jù)收發(fā)，如圖1所示。當然，這需要前述INF文件的支持和與USB接口的單片機程序的支持，在圖1中VISA resource name端口用于指定需要打開的VISA資源的名稱，實際上就是前面生成INF配置文件中的VISA資源儀器描述符。這里，向USB發(fā)送字符串“connect test”，連接測試，單片機通過USB接口芯片將發(fā)送過去的數(shù)據(jù)回傳給LabVIEW。在前面板的read buffer顯示框中能顯示出“connect test”字符串。

　　4 基于IJSB的虛擬示波器的實現(xiàn)

　　本系統(tǒng)為在LabVIEW中實現(xiàn)示波器的功能。單片機對向USB示波器調(diào)理電路輸出的信號進行96 k(多檔可調(diào))的高速連續(xù)AD采樣，并將采樣到的數(shù)據(jù)通過USB口傳給PC機的LabVIEW，LabVlEW對USB口傳來的數(shù)據(jù)進行處理、測量、波形還原和顯示等相關操作。虛擬示波器的程序運行界面如圖2所示，當前輸入的是2.001 kHz的正弦波信號，在軟件中顯示的波形以及測量結果與實際示波器上 得到的結果基本無異。在該程序模塊中，通過調(diào)用Lab-VIEW的相關控件，實現(xiàn)了對輸入的模擬信號的波形還原顯示、頻率測量、峰值測量、直流漂移測量等操作。

　　系統(tǒng)采用單片機和Philip公司生產(chǎn)的PDIUSBD12芯片構成USB設備。由單片機實現(xiàn)AD采樣，經(jīng)USB接口完成采樣數(shù)據(jù)的傳輸。單片機的電路設計和軟件構成在這里就不做詳細介紹。

　　此系統(tǒng)硬件部分USB接口芯片采用的PDIUSBD12，他支持批量數(shù)據(jù)的長度為64B，所以就以64B為一幀進行數(shù)據(jù)和命令的收發(fā)。在系統(tǒng)啟動即檢測USB設備是否連接正常，正常才啟動檢測，否則提示連接不正常。當啟動檢測時，USB總線上的數(shù)據(jù)的傳輸過程遵循以下步驟：

　　(1)LabVIEW向USB設備發(fā)送啟動控制命令幀，其中包含采樣頻率、存貯深度、持續(xù)時間等相關內(nèi)容。由于控制命令字不滿64B，其他部分進行比特填充。

　　(2)單片機通過USB接口芯片接收到控制命令，即按要求開始啟動采樣。若為大于8k高速采樣命令，則進行連續(xù)采樣，將采樣的數(shù)據(jù)存貯在數(shù)據(jù)緩沖區(qū)中，采樣結束后，將數(shù)據(jù)緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)進行60B每幀的拆分，并在60B數(shù)據(jù)的前面加上4個字節(jié)的數(shù)據(jù)幀編號等相關內(nèi)容，通過USB總線將這些數(shù)據(jù)幀批量傳輸給LabVIEW。

　　(3)若為小于8k的低速采樣命令，則進行中斷采樣，將采樣的數(shù)據(jù)存儲在一個隊列中，在采樣過程中，若采樣的數(shù)據(jù)多于60B，即在主程序中取出隊列中60個字節(jié)數(shù)據(jù)并封裝成數(shù)據(jù)幀，啟動USB數(shù)據(jù)的傳輸過程。采樣過程直至LabVIEW向USB設備發(fā)送停止命令幀。

　　(4)在一次數(shù)據(jù)采樣結束后，LabVIEW向USB設備發(fā)送啟動控制命令幀即可馬上進行再次采樣。

　　5 結語

　　用戶可以根據(jù)不同的環(huán)境和要求選擇不同的通信方式，在低速的情況下可以采用串口，并口等方式，高速數(shù)據(jù)采集可以采用USB口，專用數(shù)據(jù)采集卡等，使用USB2.0協(xié)議的芯片支持的批量的數(shù)據(jù)幀長度可以達到512B，并且有更高的數(shù)據(jù)傳輸速度。介紹了在LabVIEW中實現(xiàn)USB通信的設計方法，并給出具體的設計步驟和方框圖程序。該方法具有硬件接口簡單、軟件編程方便、實用的特點，在實際數(shù)據(jù)采集過程中具有一定參考價值。