借助智能DAQ獲得高級數據采集技術

多功能智能DAQ設備配有自定義式板載處理功能，最大限度地為系統定時及觸發提供靈活性能。與控制設備功能的固定ASIC不同，智能DAQ采用基于FPGA的系統定時控制器，令所有模擬和數字I/O能夠根據特定應用操作接受相應的配置。本指南展示了：如何使用R系列智能DAQ板卡和NI LabVIEW FPGA，靈活自如地執行數據采集任務。

1. 入門

NI LabVIEW FPGA模塊幫助DAQ系統的開發者靈活自如地進行應用程序編程以實現各類輸入/輸出操作。用戶無需預先了解VHDL等硬件設計工具，便可將LabVIEW代碼嵌入FPGA芯片并獲得硬件定時的速度和可靠性。

讓我們先從數據采集硬件的常用組件切入論題。假設您擁有了模數轉換器(ADC)、數模轉換器(DAC)和數字輸入/輸出線，則所有I/O便要根據實際操作接受某種方式的定時和控制。典型的多功能數據采集設備采用功能齊全的ASIC，滿足了大多數的功能性需求。比如：M系列DAQ設備通過DAQ-STC2，控制著各類硬件組件的定時和觸發。智能DAQ硬件（如：R系列DAQ設備）區別于市面上的其他任何數據采集設備，因為在控制設備功能方面智能DAQ用基于FPGA的系統定時控制器取代了傳統ASIC，從而使得所有模擬和數字I/O都能根據特定應用操作接受相應的配置。可重配置FPGA芯片通過NI LabVIEW FPGA模塊進行編程，此時NI LabVIEW的數據流模式仍舊適用，不過采用了一組新函數控制最底層的設備I/O。 LabVIEW FPGA I/O節點并不通過NI-DAQmx函數負責實現常見的任務和功能，而是靈活自如地在各個通道最底層上運行。通過以下各部分的內容，我們將了解NI-DAQmx的特定實例，并學習如何通過智能DAQ定制各類數據采集任務。

2. 定時和觸發

實現高級數據采集的智能DAQ主要用于定制定時和觸發。下方的范例程序框圖展現了：NI-DAQmx幫助實現的觸發式模擬輸入任務。

圖1. 通過NI-DAQmx實現的觸發式模擬輸入

如圖1所示，智能DAQ并未使用不同函數配置通道，而是通過名為I/O節點的函數讀寫各路模擬和數字通道。讓我們看看使用NI LabVIEW FPGA中I/O節點所獲得的相同功能。

圖2. 通過智能DAQ和NI LabVIEW FPGA實現的觸發式模擬輸入

上圖既沒有針對全局通道、采樣時鐘、觸發的配置函數，也沒有開始、停止和清除等任務。所有內容都被1個簡單的模擬I/O讀取所取代；全部定時都為本地LabVIEW結構（如：While循環和條件結構）所控制。由于整個程序框圖均在FPGA硬件內執行，LabVIEW代碼的運行便體現出硬件定時的速度和可靠性。讓我們更深入地了解一下該程序框圖的運行方式。模擬I/O節點并不指定某個采樣速率，而使用For循環采集各個樣本。與之對應的ADC在I/O節點被調用時，負責對輸入信號進行實際數字化，因而通過For循環接受定時。若想在100 kHz的頻率下進行信號采樣，針對循環的延遲就必須設定為10 μs。循環的定時器函數從第2輪循環迭代開始便確保著特定的時間延遲，用戶因而能夠通過順序結構保證樣本之間存在著指定的時間間隔。 NI LabVIEW FPGA中功能強大的條件結構，實際代表了用于封裝各類代碼的硬件觸發。由于所有的函數和結構都通過邏輯單元在硬件內運行，所以條件結構確保開始具有實時10 μs時間精度的采樣。最后需指出的是，由于操作位于硬件層，只涉及幾個層次的抽象處理，因此用戶無需清除任務ID或釋放內存。

就基于FPGA的智能DAQ硬件而言，其真正的優勢是能夠定制各類定時和觸發，并在硬件中進行信號處理和決策。現在讓我們了解一下：針對某類自定義應用，需對模擬輸入觸發做出哪些修改。若我們希望在2路模擬輸入通道的某路電壓超過指定范圍時便觸發采集，又該如何修改呢？借助NI LabVIEW FPGA，此類任務的執行易如反掌。

圖 3. 通過智能DAQ和NI LabVIEW FPGA實現的自定義觸發式模擬輸入

這里，我們已經為程序框圖添加了第2個I/O節點和第2個比較函數，以及1個布爾“或”函數。智能DAQ硬件為所有的模擬輸入通道提供專用ADC，因而2路通道能夠接受同步采樣；同時，只要任何1路通道的電壓超過了指定范圍，條件結構便會執行“真”條件，并開始以10 μs時間精度進行采樣。請記?。喝鄙僦悄蹹AQ便不可能生成類似的觸發；在其他DAQ硬件上應用時，觸發需要具有更高延遲的軟件定時來實現。如果此后我們希望通過擴展將監控范圍從2路通道延伸至全部8路通道，甚至希望添加數字觸發，就需要簡化自定義代碼。添加預觸發掃描后，用戶便可對輸入通道不斷進行采樣并將數據傳送至FIFO緩沖器。觸發器一旦接受讀取，FIFO緩沖器和此后的采樣便可經由DMA通道，被傳送至主機。

如果我們希望借助NI-DAQmx驅動，對第2模擬輸入通道進行采樣，則該程序框圖與圖1所示的內容相差無幾。然而限制依然存在，因為2路通道均被迫引用相同的觸發器并以相同的時鐘頻率進行采樣。現在我們來看看：智能DAQ和NI LabVIEW FPGA幫助實現的各類多通道采樣。

圖4. 通過智能DAQ實現的觸發式同步模擬輸入

圖4（上圖）展現了：如何基于模擬輸入通道0中的模擬觸發器，對2路不同的模擬輸入通道進行同步采樣。由于智能DAQ設備均配有獨立的ADC，在同一I/O節點中的2路通道可在完全相同的時刻接受采樣。典型的多功能DAQ設備可通過一個ADC多路復用所有通道，因此，各路通道必須共享相同的采樣時鐘和觸發線。圖5（下圖）展現了：智能DAQ硬件其實能夠以獨立的速率，對不同的模擬輸入通道進行采樣。在獨立回路中放置模擬輸入I/O節點后，每路通道會以完全不同的速率進行采樣，然后各自通過2條DMA通道讀寫硬盤。