基于MATLAB和研華板卡的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

鄧紅濤，李江全，田敏

（石河子大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，石河子832003）

近年來，數(shù)據(jù)采集技術(shù)被人們越來越廣泛的應(yīng)用于現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)研究領(lǐng)域，但大多數(shù)據(jù)采集開發(fā)系統(tǒng)只提供C語言等開發(fā)環(huán)境，而在對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理時(shí)，MATLAB因其擁有豐富的內(nèi)部函數(shù)和強(qiáng)大的圖形處理能力被廣泛應(yīng)用于實(shí)時(shí)信號測量和圖像處理領(lǐng)域中［1］。

為了使數(shù)據(jù)采集和處理開發(fā)環(huán)境統(tǒng)一化，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)利用MATLAB和研華數(shù)據(jù)采集卡實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集功能，利用數(shù)據(jù)采集（DAQ）工具箱提供一個(gè)測試和測量環(huán)境，使開發(fā)人員可以完全使用 MATLAB環(huán)境來開發(fā)、模擬和獲取分析測量數(shù)據(jù)，更容易將實(shí)驗(yàn)測量、數(shù)據(jù)分析和可視化的應(yīng)用結(jié)合在一起，簡化了系統(tǒng)的同時(shí)又提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

1 MATLAB數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)的組成

本系統(tǒng)在MATLAB環(huán)境下利用研華板卡進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)框圖Fig.1 Block diagram of system

系統(tǒng)需配置Matlab測量套件、數(shù)據(jù)采集板卡（即DAQ板卡）、連接電纜和端子板。構(gòu)建數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)時(shí)使用PCL－10168電纜和PCI－1710HG板卡與ADAM－3968接線端子板連接，使PCL－10168的68個(gè)針腳和ADAM－3968的68個(gè)接線端子對應(yīng)；將板卡插入計(jì)算機(jī)PCI插槽中［2］。

數(shù)據(jù)采集卡是本系統(tǒng)硬件核心部分，考慮到采樣頻率、輸入精度等技術(shù)指標(biāo)，選用研華PCI－1710板卡數(shù)據(jù)采集卡。PCI－1710是12位多功能數(shù)據(jù)采集卡，具有獨(dú)特的電路設(shè)計(jì)和完善的數(shù)據(jù)采集與控制功能，內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要有單端、差分模擬輸入通道、模擬輸出通道和觸發(fā)源連接三部分［3］。

利用研華數(shù)據(jù)采集卡能迅速、方便地構(gòu)成一個(gè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，從而大大節(jié)省系統(tǒng)設(shè)計(jì)和研制時(shí)間，同時(shí)可以充分利用PC機(jī)的軟硬件資源，使開發(fā)者集中大量精力對數(shù)據(jù)處理理論和方法進(jìn)行研究設(shè)計(jì)。

1.2 MATLAB數(shù)據(jù)采集原理

MATLAB在數(shù)據(jù)采集領(lǐng)域推出了DAQ（data acquisition）工具箱，把與數(shù)據(jù)采集硬件設(shè)備相關(guān)的驅(qū)動函數(shù)封裝在一起，并提供了基本的接口函數(shù)操作硬件設(shè)備，以適應(yīng)越來越多的標(biāo)準(zhǔn)或非標(biāo)準(zhǔn)的測試裝備使用計(jì)算機(jī)來構(gòu)建數(shù)據(jù)采集與分析系統(tǒng)［4］。

在MATLAB中提供的數(shù)據(jù)采集工具箱中，具有一整套命令和函數(shù)，調(diào)用該工具箱可以控制采集卡，完成數(shù)據(jù)采集功能，使整個(gè)數(shù)據(jù)采集程序簡單易懂。

在使用DAQ板卡時(shí)，DAQ工具箱提供了專門的適配器，將DAQ工具箱對應(yīng)到每個(gè)驅(qū)動程序。安裝相應(yīng)板卡的驅(qū)動程序后，在適配器列表中將顯示相應(yīng)的適配器名［5］。

1.3 MATLAB數(shù)據(jù)采集步驟

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)整體軟件流程包括創(chuàng)建接口對象、配置測量通道、配置屬性、開始測量、采集數(shù)據(jù)、停止測量并刪除對象［6］。在每個(gè)流程中，DAQ工具箱存在簡單的函數(shù)完成相應(yīng)的功能。

1）創(chuàng)建接口對象。函數(shù)“analoginput”為DAQ板卡創(chuàng)建一個(gè)接口對象，使用命令ai＝analoginput（‘a(chǎn)dvantech’，0）完成設(shè)置。這樣，變量“ai”就有了一個(gè)對應(yīng)于研華DAQ板卡的新模擬量輸入、輸出對象。

2）配置測量通道。函數(shù)“addchannel”可用來配置有效通道。如果使用通道0，輸入命令ichan＝addchannel（ai，0）。函數(shù)“addchannel”的第1個(gè)參數(shù)為AI Object，第2個(gè)參數(shù)為Channel Number。此時(shí)主語將會創(chuàng)建一個(gè)對象（稱作通道對象）。

3）配置屬性。完成創(chuàng)建AI Object和Channel Object后，需要配置這些對象以執(zhí)行正確的操作，即要配置對象和編輯與該對象有關(guān)的屬性。利用命令 get（ai）、get（ichan）配置屬性［7］。

4）開始測量。配置完屬性并開始測量后，就可以獲得所需的測量數(shù)據(jù)。使用函數(shù)“start”啟動測量。

5）數(shù)據(jù)發(fā)送與保存。數(shù)據(jù)采集用AI Object作為參數(shù)輸入命令［data，time］＝getdata（ai，500），將獲取的測量數(shù)據(jù)發(fā)送到MATLAB的工作區(qū)。它有一個(gè)緩沖區(qū)，用來臨時(shí)保存DAQ板卡采集的數(shù)據(jù)。

6）停止測量并刪除對象。函數(shù)“stop”用于停止測量，使用AI Object作為參數(shù)輸入命令stop（ai）；測量完成后，可以通過函數(shù)“delete”刪除AI對象，使用命令delete（ai）。

2 系統(tǒng)測試的結(jié)果與分析

經(jīng)過仿真測試，利用MATLAB中DAQ工具箱和研華板卡設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)［8］，實(shí)現(xiàn)了對模擬信號和數(shù)字信號的輸入、輸出，并利用MATLAB設(shè)計(jì)圖像用戶界面。測試結(jié)果表明：該系統(tǒng)操作簡單、穩(wěn)定性高具有一定的實(shí)用性和先進(jìn)性。

下面分別介紹系統(tǒng)采集模擬信號、數(shù)字信號輸入和輸出測試的結(jié)果。

2.1 模擬信號輸入

設(shè)計(jì)模擬信號輸入電路，通過電位器產(chǎn)生一個(gè)模擬變化電壓（范圍是0～5V），送入板卡模擬量輸入0通道（管腳68），同時(shí)在電位器電壓輸出端接一信號指示燈，用以顯示電壓變化情況［9］。

當(dāng)測量電壓小于或大于設(shè)定下限電壓值（0.5 V）或上限電壓值（3.5V）時(shí)，程序畫面中相應(yīng)指示燈由綠色變?yōu)榧t色。

程序運(yùn)行結(jié)果如圖2所示。

2.2 模擬信號輸出

將板卡模擬量輸出（范圍0～10V）0通道（管腳58）接示波器顯示電壓變化波形，接發(fā)光二極管來顯示電壓大小變化（范圍為0～10V）。單擊“垂直滾動條”的上下箭頭，生成一間斷變化的數(shù)值（0～10），在程序畫面中產(chǎn)生一個(gè)隨之變化的曲線，同時(shí)，線路中發(fā)光二極管亮度隨之變化，在示波器中顯示程序畫面中相同波形。

程序運(yùn)行結(jié)果如圖3所示。

圖2 模擬信號輸入Fig.2 The input of analog signal

圖3 模擬信號輸出Fig.3 The output of analog signal

2.3 數(shù)字信號輸入［10］

由電氣開關(guān)和光電接近開關(guān)分別控制2個(gè)繼電器，繼電器的常開開關(guān)分別接板卡數(shù)字量輸入0通道（管腳56）和1通道（管腳22）。打開／關(guān)閉“電氣開關(guān)”，線路中DI指示燈1亮／滅，程序畫面中信號指示燈亮／滅（顏色改變）；用任何反光物體遮擋／離開“光電接近開關(guān)”，線路中DI指示燈2亮／滅，程序畫面中開關(guān)計(jì)數(shù)器文本中的數(shù)字從1開始累加。

程序運(yùn)行結(jié)果如圖4所示。

2.4 數(shù)字信號輸出［10］

板卡數(shù)字量輸出1通道（管腳13）接三極管基極，當(dāng)計(jì)算機(jī)輸出控制信號置13腳為高電平時(shí)，三極管導(dǎo)通，繼電器常開開關(guān)KR閉合，指示燈亮；當(dāng)置13腳為低電平時(shí)，三極管截止，繼電器常開開關(guān)KR打開，指示燈滅。

單擊“打開指示燈”按鈕，程序畫面中指示燈顏色變?yōu)榧t色，打開次數(shù)加1；同時(shí)，線路中DO指示燈亮；單擊“關(guān)閉指示燈”按鈕，程序畫面中指示燈顏色變?yōu)榫G色，關(guān)閉次數(shù)加1；同時(shí)，線路中DO指示燈滅。

程序運(yùn)行結(jié)果如圖5所示。

圖4 數(shù)字信號輸入Fig.4 The input of digital signal

圖5 數(shù)字信號輸出Fig.5 The output of digital signal

3 結(jié)語

本文介紹了在MATLAB環(huán)境下利用華板卡設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理在相同開發(fā)環(huán)境下的運(yùn)行，具有安裝方便、開發(fā)快捷、編程簡單［11］等優(yōu)點(diǎn)，在生產(chǎn)、生活及科研教學(xué)中都具有一定的實(shí)用性和先進(jìn)性。

［1］王世香.精通MATLAB接口與編程［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2007：11－12.

［2］朱可.基于研華板卡的高速采集程序［J］.中國科技財(cái)富，2009（14）：96－97.

［3］楊艷華，張曉海，穆興隆.基于PLC棉種脫絨加工酸控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)［J］.石河子大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2011，29（2）：131－133.

［4］劉衛(wèi)國，陳昭平，張穎.MATLAB程序設(shè)計(jì)與應(yīng)用［M］.北京：高等教育出版社，2006：77－78.

［5］于鋒，侯永海.基于PCI－1714的高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)［J］.微計(jì)算機(jī)信息，2005：60－62.

［6］田敏，李江全.案例解說 MATLAB典型控制應(yīng)用［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2010：103－105.

［7］PCI－1710Series 10／16bit Multifunction User's Manual.研華（中國）公司，2005.

［8］黃忠霖，周向明.控制系統(tǒng)MATLAB計(jì)算及仿真實(shí)訓(xùn)［M］.北京：國防工業(yè)出版社，2007：124－127.

［9］張因，邢彥梅，何巧.基于MATLAB數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.電聲技術(shù)，2010，34（9）：39－41.

［10］劉陽，馬蓉，曹衛(wèi)彬，等.基于ISO11783的拖拉機(jī)導(dǎo)航系統(tǒng)CAN節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)［J］.石河子大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2011，29（5）：641－644.

［11］王戰(zhàn)軍，沈明.基于 Matlab GUI的串口通信編程實(shí)現(xiàn)［J］.現(xiàn)代電子技術(shù)，2010，33（9）：46－48.