基于LABVIEW平台的数据采集卡软件设计
作为专业测控领域的软件开发平台，LABVIEW内含丰富的数据采集、数据信号分析以及功能强大的DAQ助手，搭建数据采集系统更为轻松，便于硬件设计人员直接对硬件的操控展开设计。此外，它可通过DLL、CIN节点、ActiveX、.NET或MATLAB脚本节点等技术，实现与其它编程语言混合编程，通过调用外部驱动代码使它与设备的连接变得非常容易。由于采用数据流模型，LABVIEW可以自动规划多线程任务，可充分利用PC系统处理器的处理能力，从而提高模块的采集效率。本文基于LABVIEW开发环境，以库函数节点的调用方式及结构，实现了一种中频数据采集与处理卡软件的设计。
数据采集卡软件结构
采集卡软件是基于PC的数据采集系统重要组成部分，它与硬件形成一个完整的数据采集、分析和显示系统，软件分为上层应用程序和驱动程序。上层应用程序用以完成数据的分析、存储和显示等。驱动程序则可直接对数据采集硬件的寄存器编程，管理数据采集硬件的操作并把它和处理器中断、DMA和内存这些计算机资源结合在一起。
驱动程序隐藏了复杂的硬件底层编程细节，为用户提供容易理解的接口。NI公司为基于NI数据采集设备的数据采集系统提供了相应的接口驱动及VI函数 (VI，Virtual Instrument)。对于一些不常见的硬件设备或用户研发的硬件设备，NI没有提供合适的驱动。但是，如前所述，LABVIEW还提供了很多其它的通信接口，包括调用库函数节点(Call Library Function Node, CLF)、代码接口节点(Code Interface Node, CIN)、TCP/IP、Data Socket、OPC、共享变量、DDE和.NET等。通过这些通信接口，LABVIEW能够实现与任何设备的通信。值得留意的是LABVIEW具有调用库函数节点和代码接口节点两种方法，可以结合C语言的编程灵活性和LABVIEW G语言的直观便捷特点，大幅提高LABVIEW对用户数据采集卡的软件设计支持。可进一步利用LABVIEW丰富的数据分析资源，节约系统开发成本。
LABVIEW提供的数据采集卡的常用驱动方式有两种，调用C语言源代码方式(CIN方式)，以及调用动态链接库方式(CLF方式)。
CIN方式是实现LABVIEW与C语言混合编程的一种媒介，CIN通过输入、输出端口实现两种语言之间的数据传递。输入、输出端口的个数可由设计者根据实际需要确定，当LABVIEW的程序运行到CIN节点时，数据由CIN的输入端口传递给C源代码图标，程序转去执行C源代码，代码执行完后，执行的数据结果由CIN输出端口返回至LABVIEW。
CLF是一种动态链接库（DLL）的调用方式。DLL是一种应用程序在运行时与库文件连接起来的技术，在WINDOWS的管理下，应用程序与对应DLL之间建立链接关系，根据链接产生的重定位信息，转去执行DLL中相应的代码。LABVIEW中，可通过CLF(调用路径为Function>>Advanced>>Call Library Function)功能模块实现调用。
调用CIN节点需要有C语言编程的支持，它能够将代码集成在VI中作为单独的一个VI发布，CIN 支持的参数类型比DLL 函数多，可使用LABVIEW 定义的任何参数类型，但制作CIN的过程复杂得多。使用这种方法的缺点是在数据采集过程中不能实时地进行数据的显示，只能在数据全部采集结束后再一起显示所采集的全部数据，这样在需要较高执行效率的场合就不适用。其次由于CIN节点在制作数据采集卡的驱动时，需要提供采集卡的硬件参数，需编制对硬件设备进行底层操作的库函数，对于不清楚函数内核的程序员不适用。相比CIN方式，CLF方式更加简单易学，开发者只需要熟悉DLL中的各个函数功能以及函数的参数及类型，在本文设计中，拟采用CLF方式实现驱动程序的调用。
基于CLF方式的采集卡软件设计
本文所涉及的软件控制对象是一款中频数据采集与处理卡，具有14位A/D精度，最高采样频率为105MHz，4路模拟量输入，提供高精度中频信号数字化、多通道、多模式数字下变频（DDC）等数字处理，软件结构详见图1。
图1 采集卡的软件结构
图2 VI的层级结构
LABVIEW应用程序分为用户界面和图标代码，通过搭建和调用子VI编写主体程序，各VI利用LABVIEW的CLF技术调用动态链接库中的驱动函数，实现与硬件设备的数据交换。子VI将基本的驱动函数进行功能封装。一个完整的LABVIEW应用程序通常由若干个子VI及其外部编程连线构成，VI的层级结构设计是设计虚拟仪器驱动程序的核心，各VI分别为组成驱动程序的模块化子程序。设计中，动态链接库由VC编写，调用底层的驱动函数与设备通信。软件包括两类子VI函数集合，一类是低层组件VI集合，分为若干个独立的软件功能模块，每个模块负责控制仪器的某项特殊功能，这类VI是仪器驱动程序的基础；另一类为高层应用VI集合，应用VI通过调用合适的组件VI以实现最通常的仪器设置和测量任务。显然，就驱动程序开发而言，能否根据硬件特性成功构建组件VI集合是关键所在。VI层次结构如图2所示。
如图所示，按功能有两个高层应用子VI集合：Config.vi，Config DDC.vi，这两个子VI又分别调用低层组件子VI来完成特定的设置、配置任务。Config.vi完成采集卡的常规配置，例如对采集卡单次采集数量、FIFO满深度、寄存器（硬件通道、时钟、触发、采集方式、采集模式等的控制）设置、采集卡的状态查询等；Config DDC.vi完成DDC的所有配置工作，包括对DDC的模式、抽取率、输出格式、本振频率、本振相位、增益、CFIR滤波参数、PFIR滤波参数等的设置，从而实现DDC的数字IQ分离、抽取、数字滤波、重采样、多级增益调节、多种调制方式的解调等功能。其余低层组件VI实现设备的打开关闭、数据从数据采集卡到主机内存的传送、数据保存等。无论应用子VI或组件子VI均为独立可执行程序，实现特定功能，各VI函数作为提供给用户进行系统应用开发所需的各类操作。采用该结构，能够使用户在运行时修改虚拟仪器系统的运行逻辑与人机界面，可立即执行，因此在用户需要改变需求的情况下能迅速适配，数据采集卡具有可重构的特点，用户也不必去关心硬件的实现细节。
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