借助智能DAQ, 获得高级数据采集技术

概述

多功能智能DAQ设备配有自定义式板载处理功能，最大限度地为系统定时及触发提供灵活性能。 与控制设备功能的固定ASIC不同，智能DAQ采用基于FPGA的系统定时控制器，令所有模拟和数字I/O能够根据特定应用操作接受相应的配置。 本指南展示了：如何使用R系列智能DAQ板卡和NI LabVIEW FPGA，灵活自如地执行数据采集任务

入门

NI LabVIEW FPGA模块帮助DAQ系统的开发者灵活自如地进行应用程序编程以实现各类输入/输出操作。 用户无需预先了解VHDL等硬件设计工具，便可将LabVIEW代码嵌入FPGA芯片并获得硬件定时的速度和可靠性。

让我们先从数据采集硬件的常用组件切入论题。 假设您拥有了模数转换器(ADC)、数模转换器(DAC)和数字输入/输出线，则所有I/O便要根据实际操作接受某种方式的定时和控制。 典型的多功能数据采集设备采用功能齐全的ASIC，满足了大多数的功能性需求。

比如：M系列DAQ设备通过DAQ-STC2，控制着各类硬件组件的定时和触发。 智能DAQ硬件（如：R系列DAQ设备）区别于市面上的其他任何数据采集设备，因为在控制设备功能方面智能DAQ用基于FPGA的系统定时控制器取代了传统ASIC，从而使得所有模拟和数字I/O都能根据特定应用操作接受相应的配置。 可重配置FPGA芯片通过NI LabVIEW FPGA模块进行编程，此时NI LabVIEW的数据流模式仍旧适用，不过采用了一组新函数控制最底层的设备I/O。

LabVIEW FPGA I/O节点并不通过NI-DAQmx函数负责实现常见的任务和功能，而是灵活自如地在各个通道最底层上运行。 通过以下各部分的内容，我们将了解NI-DAQmx的特定实例，并学习如何通过智能DAQ定制各类数据采集任务。

定时和触发

实现高级数据采集的智能DAQ主要用于定制定时和触发。 下方的范例程序框图展现了：NI-DAQmx帮助实现的触发式模拟输入任务。

图1. 通过NI-DAQmx实现的触发式模拟输入

如图1所示，智能DAQ并未使用不同函数配置通道，而是通过名为I/O节点的函数读写各路模拟和数字通道。 让我们看看使用NI LabVIEW FPGA中I/O节点所获得的相同功能。

图2. 通过智能DAQ和NI LabVIEW FPGA实现的触发式模拟输入

上图既没有针对全局通道、采样时钟、触发的配置函数，也没有开始、停止和清除等任务。 所有内容都被1个简单的模拟I/O读取所取代；全部定时都为本地LabVIEW结构（如：While循环和条件结构）所控制。由于整个程序框图均在FPGA硬件内执行，LabVIEW代码的运行便体现出硬件定时的速度和可靠性。

让我们更深入地了解一下该程序框图的运行方式。 模拟I/O节点并不指定某个采样速率，而使用For循环采集各个样本。 与之对应的ADC在I/O节点被调用时，负责对输入信号进行实际数字化，因而通过For循环接受定时。 若想在100 kHz的频率下进行信号采样，针对循环的延迟就必须设定为10 ?s。 循环的定时器函数从第2轮循环迭代开始便确保着特定的时间延迟，用户因而能够通过顺序结构保证样本之间存在着指定的时间间隔。 NI LabVIEW FPGA*能强大的条件结构，实际代表了用于封装各类代码的硬件触发。 由于所有的函数和结构都通过逻辑单元在硬件内运行，所以条件结构确保开始具有实时10 ?s时间精度的采样。 最后需指出的是，由于操作位于硬件层，只涉及几个层次的抽象处理，因此用户无需清除任务ID或释放内存。

就基于FPGA的智能DAQ硬件而言，其真正的优势是能够定制各类定时和触发，并在硬件中进行信号处理和决策。 现在让我们了解一下：针对某类自定义应用，需对模拟输入触发做出哪些修改。 若我们希望在2路模拟输入通道的某路电压超过指定范围时便触发采集，又该如何修改呢？ 借助NI LabVIEW FPGA，此类任务的执行易如反掌。

图 3. 通过智能DAQ和NI LabVIEW FPGA实现的自定义触发式模拟输入

这里，我们已经为程序框图添加了第2个I/O节点和第2个比较函数，以及1个布尔"或"函数。 智能DAQ硬件为所有的模拟输入通道提供专用ADC，因而2路通道能够接受同步采样；同时，只要任何1路通道的电压超过了指定范围，条件结构便会执行"真"条件，并开始以10 ?s时间精度进行采样。 请记住：缺少智能DAQ便不可能生成类似的触发；在其他DAQ硬件上应用时，触发需要具有更高延迟的软件定时来实现。 如果此后我们希望通过扩展将监控范围从2路通道延伸至全部8路通道，甚至希望添加数字触发，就需要简化自定义代码。 添加预触发扫描后，用户便可对输入通道不断进行采样并将数据传送至FIFO缓冲器。 触发器一旦接受读取，FIFO缓冲器和此后的采样便可经由DMA通道，被传送至主机。

如果我们希望借助NI-DAQmx驱动，对第2模拟输入通道进行采样，则该程序框图与图1所示的内容相差无几。然而限制依然存在，因为2路通道均被迫引用相同的触发器并以相同的时钟频率进行采样。 现在我们来看看：智能DAQ和NI LabVIEW FPGA帮助实现的各类多通道采样。

图4. 通过智能DAQ实现的触发式同步模拟输入

图4（上图）展现了：如何基于模拟输入通道0中的模拟触发器，对2路不同的模拟输入通道进行同步采样。由于智能DAQ设备均配有独立的ADC，在同一I/O节点中的2路通道可在完全相同的时刻接受采样。 典型的多功能DAQ设备可通过一个ADC多路复用所有通道，因此，各路通道必须共享相同的采样时钟和触发线。 图5（下图）展现了：智能DAQ硬件其实能够以独立的速率，对不同的模拟输入通道进行采样。 在独立回路中放置模拟输入I/O节点后，每路通道会以完全不同的速率进行采样，然后各自通过2条DMA通道读写硬盘。

图5. 通过智能DAQ实现的触发式多速率模拟输入

来源：维库开发网