LabVIEW 数据采集 全方位教程

目录

1. 第一部分：基础理论

   
   （图片来源网络，侵删）
   • 1 什么是数据采集？
   • 2 DAQ 系统的核心组成部分
   • 3 信号类型：模拟 vs. 数字
   • 4 关键概念：采样率、分辨率、触发
   • 5 NI-DAQmx：现代的驱动软件

2. 第二部分：硬件准备

   • 1 选择合适的 NI DAQ 设备
   • 2 硬件安装与连接
   • 3 使用 NI MAX 进行设备配置与测试

3. 第三部分：软件入门 - 第一个 DAQ 程序

   • 1 LabVIEW 项目环境简介
   • 2 使用 DAQmx Assistant（助手）快速生成代码（最简单方式）
   • 3 理解生成的 DAQmx VIs

4. 第四部分：核心 DAQmx 编程

   • 1 DAQmx 编程思想（任务与通道）
   • 2 模拟输入
   • 3 模拟输出
   • 4 数字 I/O
   • 5 计数器/定时器
   • 6 DAQmx 的核心结构：配置 -> 启动 -> 读取/写入 -> 停止 -> 清除

5. 第五部分：高级应用与技巧

   
   （图片来源网络，侵删）
   • 1 数据记录与回放
   • 2 硬件定时与软件定时的区别
   • 3 事件触发
   • 4 并行 DAQ 任务
   • 5 错误处理

6. 第六部分：学习资源与最佳实践

   • 1 官方资源
   • 2 推荐书籍
   • 3 编程最佳实践

第一部分：基础理论

1 什么是数据采集？

数据采集是指从外部世界（传感器、变送器、开关等）获取物理信号，并将其转换为计算机可以处理的数字形式的过程，在 LabVIEW 中，这个过程被高度图形化,变得非常直观。

2 DAQ 系统的核心组成部分

一个完整的 DAQ 系统包括：

• 传感器/变送器: 将物理量（如温度、压力、光强）转换为电信号（如电压、电流）。
• 信号调理: 对原始电信号进行处理，如放大、滤波、隔离、激励等，使其符合 DAQ 设备的输入范围。
• DAQ 设备: 核心硬件，负责将模拟信号转换为数字信号，或将数字信号转换为模拟信号，常见的有 USB、PCI、PXI 等形式。
• 计算机: 运行 LabVIEW 软件,处理和显示数据。
• 软件: LabVIEW 和 NI-DAQmx 驱动，控制硬件,实现数据采集逻辑。

3 信号类型：模拟 vs. 数字

• 模拟信号: 连续变化的信号，如温度、压力，DAQ 主要关心 模拟输入 和 模拟输出。
  • AI (Analog Input): 读取电压或电流信号。
  • AO (Analog Output): 输出电压或电流信号。
• 数字信号: 离散的、非高即低的信号，如开关状态、传感器通断，DAQ 主要关心 数字 I/O。
  • DI (Digital Input): 读取数字电平（高/低，1/0）。
  • DO (Digital Output): 输出数字电平（高/低，1/0）。
• 计数器/定时器: 用于测量频率、脉冲宽度、计数事件或产生精确的时间脉冲。

4 关键概念

• 采样率: 每秒对模拟信号进行采样的次数，根据奈奎斯特定理，采样率至少是信号最高频率的 2 倍，才能准确重构信号，通常建议为 5-10 倍。
• 分辨率: ADC 能够分辨的最小电压变化，以位数表示，如 16 位，位数越高，能分辨的电压等级越多，测量越精确，一个 ±10V 范围的 16 位 DAQ，其分辨率为 20V / (2^16) ≈ 0.3mV。
• 触发: 启动或停止 DAQ 操作的事件，常见的有软件触发（立即开始）和硬件触发（当某个条件满足时开始，如达到某个电压值）。

5 NI-DAQmx：现代的驱动软件

NI-DAQmx 是 National Instruments 提供的硬件驱动和 API，它不是一个简单的驱动程序，而是一个完整的软件层，提供了强大的功能、简化的编程接口和出色的性能。所有现代的 LabVIEW DAQ 编程都应使用 NI-DAQmx。

第二部分：硬件准备

1 选择合适的 NI DAQ 设备

选择设备时需考虑：

• 通道数量: 需要同时测量多少个信号？
• 采样率: 需要多快的速度？
• 分辨率: 需要多高的精度？
• 信号类型: 是否需要 AI, AO, DI, DO 或计数器？
• 输入范围: 信号电压范围是多少？（如 ±5V, 0-10V）
• 接口类型: USB（便携）、PCIe（台式机高性能）、PXI/PCI（机架式系统）。

2 硬件安装与连接

• USB 设备: 通常即插即用，LabVIEW 和 NI MAX 会自动识别。
• PCIe/PXI 设备: 需要物理安装在计算机的扩展槽中。
• 接线: 务必仔细阅读设备手册，正确连接信号，注意使用正确的端子（如 AI+, AI-, AO+, GND）。

3 使用 NI MAX 进行设备配置与测试

NI Measurement & Automation Explorer (MAX) 是管理和配置 NI 硬件的必备工具。

1. 打开 MAX。
2. 在左侧的 "设备和接口" 下，你应该能看到已连接的 DAQ 设备。
3. 测试设备: 右键点击你的设备 -> "测试面板"。
   • 你可以手动读取 AI 通道的电压、输出 AO 电压、切换 DO 状态等。
   • 这是一个验证硬件是否正常工作的黄金方法。在写代码前，请务必先用测试面板确认硬件！

第三部分：软件入门 - 第一个 DAQ 程序

1 LabVIEW 项目环境简介

• 项目浏览器: 管理所有 VI、依赖项和配置。
• VI (Virtual Instrument): LabVIEW 的程序文件，包含前面板（用户界面）和程序框图（代码）。

2 使用 DAQmx Assistant（助手）快速生成代码（最简单方式）

这是初学者最快上手的方式,无需了解底层函数。

1. 在程序框图上，右键点击 -> 测量 I/O -> NI-DAQmx -> DAQmx Assistant...。
2. 在弹出的窗口中：
   • 输入类型: 选择 "模拟输入"。
   • 测量物理量: 选择 "电压"。
   • 配置通道: 点击 "添加通道"，选择你的物理通道（如 ai0）。
   • 定时: 选择 "采样数"，输入采样数量（如 1000）。
   • 触发: 可以选择 "立即"。
3. 点击 "确定"，LabVIEW 会自动生成一个配置 VI。
4. 在生成的代码中，添加一个 "DAQmx Start Task" VI，一个 "DAQmx Read" VI（读取多个采样），一个 "DAQmx Stop Task" VI，最后是 "DAQmx Clear Task" VI。
5. 运行程序,你将在前面板上看到采集到的波形数据。

3 理解生成的 DAQmx VIs

• DAQmx Create Virtual Channel (AI Voltage).vi: 创建一个虚拟通道,定义你要测量的物理通道和测量类型。
• DAQmx Timing (Sample Clock).vi: 配置采样模式（连续采样或有限采样）、采样率和采样数。
• DAQmx Start Task.vi: 启动任务,准备开始采集。
• DAQmx Read.vi: 从任务中读取数据，根据你配置的采样模式，可以选择读取 1 个采样或多个采样。
• DAQmx Stop Task.vi: 停止任务。
• DAQmx Clear Task.vi: 清除任务，释放资源。这一点非常重要，不执行会导致下次无法创建任务。

第四部分：核心 DAQmx 编程

1 DAQmx 编程思想（任务与通道）

• 任务: 一个或多个通道的集合，以及这些通道的定时、触发等属性的配置，它是 DAQmx 操作的核心单元。
• 通道: 代表一个物理输入/输出端子。
• 编程流程:
  1. 创建任务 和 创建通道。
  2. 配置定时和触发。
  3. 启动任务。
  4. 循环读取/写入数据。
  5. 停止任务。
  6. 清除任务。

2 模拟输入

示例：连续采集电压并实时显示波形

1. 创建任务: DAQmx Create Task
2. 创建通道: DAQmx Create Virtual Channel -> AI Voltage
3. 配置定时: DAQmx Timing -> 选择 连续采样，设置采样率（如 1000 samples/sec）。
4. 启动任务: DAQmx Start Task
5. 循环读取:
   • 使用一个 While Loop。
   • 在循环内放置 DAQmx Read VI，选择 Analog 1D DBL NChan NSamp（读取N个通道的N个双精度浮点数）。
   • 设置每次读取的采样数（如 100）,这决定了波形的刷新率。
   • 将读取的数据数组连接到波形图表。
   • 使用 Wait Until Next ms Multiple 函数来控制循环速率，避免 CPU 占用过高。
6. 停止与清除:
   • 在循环外放置 DAQmx Stop Task 和 DAQmx Clear Task。
   • 使用一个 停止按钮 来控制 While Loop 的退出，并在其值改变时执行停止和清除操作。强烈推荐使用事件结构来处理停止按钮，以避免数据丢失。

3 模拟输出

示例：生成一个正弦波

1. 创建任务: DAQmx Create Task
2. 创建通道: DAQmx Create Virtual Channel -> AO Voltage
3. 配置定时: DAQmx Timing -> 选择 连续采样,设置采样率。
4. 启动任务: DAQmx Start Task
5. 循环写入:
   • 使用一个 While Loop。
   • 在循环内生成数据（如使用 Sine Pattern 函数生成一个周期的正弦波数据数组）。
   • 将数据数组写入 DAQmx Write VI。
   • 使用 Wait Until Next ms Multiple 控制写入频率。
6. 停止与清除: 同 AI。

4 数字 I/O

过程与模拟 I/O 类似,只是通道创建和读写函数不同。

• 创建通道: DAQmx Create Virtual Channel -> DI Port 或 DO Port。
• 读取: DAQmx Read -> 选择 Digital 1D U8 NChan NSamp。
• 写入: DAQmx Write -> 选择写入数字线（如 Line Group）。

5 计数器/定时器

用于测量频率、脉冲宽度等。

• 测量频率: DAQmx Create Virtual Channel -> CI Count Edges。
• 产生脉冲: DAQmx Create Virtual Channel -> CO Pulse Time。

第五部分：高级应用与技巧

1 数据记录与回放

使用 TDMS (Technical Data Management Streaming) 格式。

• 记录: 在 DAQmx Read 之后，使用 TDMS Open, TDMS Write, TDMS Close VIs 将数据写入文件，TDMS 格式非常适合高速数据记录。
• 回放: 从 TDMS 文件中读取数据，然后使用 DAQmx Write 将数据发送到 AO 通道,以重现原始信号。

2 硬件定时与软件定时的区别

• 硬件定时: 使用 DAQ 设备的 onboard clock 来控制采样/写入，这是最精确、最可靠的方式，可以实现高速、连续、确定性的数据流。
• 软件定时: 使用 LabVIEW 的 Wait Until Next ms Multiple 或定时循环，这种方式简单，但精度较低，容易受到操作系统负载的影响，不适用于高速或高精度的应用。对于生产级应用，请务必使用硬件定时。

3 事件触发

只有当输入电压超过某个阈值时才开始采集。

1. 创建 AI 通道。
2. 使用 DAQmx Trigger VI 配置一个 Start Trigger，类型为 Analog Edge，设置触发源和触发边沿（上升/下降）。
3. 之后正常配置定时和启动任务,设备会等待触发条件满足后才开始采集。

4 并行 DAQ 任务

如果需要同时执行两个独立的 DAQ 操作（如同时读取 AI 和控制 DO），可以为每个操作创建一个独立的任务，LabVIEW 和 NI-DAQmx 内部会高效地管理这些并行任务。

5 错误处理

每个 DAQmx VI 都有一个 error out 输出端，应该将这个输出端连接到下一个 VI 的 error in 输入端，使用 Simple Error Handler.vi 可以在发生错误时弹出对话框，告诉你错误信息,这对于调试至关重要。

第六部分：学习资源与最佳实践

1 官方资源

• LabVIEW 官方示例: 打开 LabVIEW，转到 帮助 -> 查找示例...，搜索 "DAQmx"，这里有大量可以直接运行的示例代码,是学习的最佳途径。
• NI 官方文档: NI 网站上搜索 "NI-DAQmx Help",这是最权威的参考资料。
• NI Developer Zone: 包含大量的教程、白皮书和社区讨论。

2 推荐书籍

• 《LabVIEW 2025 实用教程》（或其他版本）
• 《LabVIEW 高级编程与虚拟仪器工程应用》

3 编程最佳实践

1. 始终使用 NI-DAQmx: 不要使用旧的 "Traditional NI-DAQ"。
2. 任务管理: 每次采集前都创建新任务，结束后清除任务,不要长时间保持任务开启。
3. 错误处理: 为所有 DAQ 操作添加错误处理链。
4. 状态机: 对于复杂的用户界面和 DAQ 流程,使用状态机模式来管理程序逻辑。
5. 合理使用缓冲区: 对于连续采集，理解输入缓冲区和输出缓冲区的概念,避免数据溢出。
6. 从示例开始: 遇到问题时，先去官方示例库中寻找类似的例子,理解其实现方式。

希望这份详细的教程能为你打开 LabVIEW 数据采集的大门，实践是最好的老师，动手去连接硬件、编写代码、调试程序,你会很快掌握它的精髓！