基于LabVIEW和USB-CAN卡的实时数据采集系统及应用.pdf

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1、基于LabVIEW和USB-CAN卡的实时数据采集系统及应用第六图书馆针对燃料电池电动汽车所用大功率DC/DC变换器开发了一套基于LabVIEW和USBCAN卡的实时数据采集和控制系统,实现了PC机与CAN总线间的通信。针对燃料电池电动汽车所用大功率DC/DC变换器开发了一套基于LabVIEW和USBCAN卡的实时数据采集和控制系统,实现了PC机与CAN总线间的通信。虚拟仪器 LabVIEW USBCAN ActiveX 数据采集电子技术应用杜青 汪殿龙王兴媛 齐铂金北京航空航天大学机械学院,北京1000832007第六图书馆第六图书馆基于 L a b VI E W 和 U S B-C A N

2、卡的 实时数据采集系统及应用 杜 青，汪殿龙，王兴媛，齐铂金(北京航 空航天大 学 机械学院，北 京 1 0 0 0 8 3)摘要：针 对 燃 料 电 池 电动 汽 车 所 用 大 功 率 D C D C 变 换 器 开 发 了 一 套 基 于 L a b V I E W 和 U S B C A N卡 的 实 时数 据 采 集 和控 制 系统，实现 了 P C机 与 C A N 总 线 间 的通 信。关 键 词：虚拟 仪 器L a b V I E W U S B C A N Ac t i v e X 数 据 采 集 大 功率 D C D C变换 器 在燃 料 电池 电动 汽 车 中是 关 键零

3、部件之 一。为 了研究 其变换 规 律及进 行 数据 分析，需要对其 各类 参数 进 行 数据 采 集。L a b VI E w 是美 国 N I 公 司推 出的一种 虚拟仪 器 软件 开发 工具，是 当今 计算 机 辅助 测试(C A T)领域 的一 项 重 要技 术，功 能 强 大，开 发 效率高，界面 友好 美 观，因此 采用 基 于 L a b VI E w 的开 发 平 台研究 大 功率 D C D C变换 器数 据 采集 系 统是 一种 有 效 可行 的途 径。1测试 系统结 构 图 燃 料 电 池 电 动 汽 车 用 D C DC 变 换 器 功 率 高 达 1 o 0 k w

4、以 上，输 入输 出 电压 电 流、工 作温 度 是 变换 器 的 主要 状态 参数。为 了及 时准 确 地 了解 和分 析 D C DC的 工作 状 态就 需要 记 录并 分 析 上述 各 参数，因此，开发 一 套 DC D C变 换器实 时 数据采 集 系统是 必要 的。C A N总线 因具 有实 时性 强、可 靠性 高、通 信速 率快、总线 协 议 错误 处 理 机制 完 善等 特 点 而 广泛 应 用 于汽 车 电子业；US B总线 因其 传 输速 率快、即插 即用、通用 性 强、易扩展 和性 价 比高等 特点 而越 来愈 多地 应 用于 数据 采集 系 统 中。本 系 统采 用 1

5、1公 司 的 D S P 2 4 O 7作 为下 位 机 D C D C变 换器 控制 板 主控 芯 片，通 过改 变 P WM 驱动 波形 来控制 主 电路 I G B T开关 管通 断，以实 现对 出 口电 压 电流 的调 节。同时通 过霍 尔传 感器 将上 述参 数采 集到 2 4 0 7芯 片 中通 过 C A N 总线 经 US B C AN转 换 器将 信 号 发 送到 P C机 的 U S B 口，并 用 L a b VI E w 处 理 显示，硬 件 平 台如 图 1所 示。采 样 C A N 总线 U S B总 线 控 制 图 1测 试 系 统 结 构 图 L a b V I

6、 E W 提供 了 P C I总线、G P I B总 线、V I X 总线、串 口总线 的图形化驱 动程序，但 是没有直接 支持 J S B总线 驱动程序 的功能模块，这给使用 U S B设 备完成数 据采集 的用户带来 了一定 的困难。2 软 件 编 程 设 计 思 路 2 1 虚 拟 仪 器 开 发 层 次 图 虚拟 仪器 的 核心 思想 是“软件 即是仪 器”，用 软件 来 代替 传统 的硬件 仪 器，以节 约 成 本，提 高 开发 效 率和 增 强系 统的灵 活性。它的层 次结 构图 如图 2所 示【1 1。图 2 虚 拟仪 器 层 次 图 图 2中每 个模 块都 具 有标 准化 接

7、口，可 以纵 向与相 邻 的模 块互 相通 信，也 可以使 同层 次 的虚拟模 块之 间 互 连。底 层 驱动程 序是 整个 软件 的基 础，其 功能首先 是 利 用硬件 模块 标准 接 口对其 进行 控制 和管 理，同时 为上 一 层 模块 提供 标准 的调 用接 口，使上 一层 软件设 计与 硬件 无关，从 而使 整个 系统 的开 发与仪 器 的硬件变化无 关。2 2 US B 总 线 驱 动 模 型 由于本 系 统 的硬 件平 台是通 过 U S B总线 实现 与 P C 机通 信，了解 和 掌握 U S B总线 的驱 动机制 是有 必要 的。Wi n d o w s操作 系统 下 US

8、 B总线 驱动模 型如 图 3所示 2 1。U S B驱动 程序 属于 WD M(Wi n 3 2 D r i v e r Mo d u l e)驱 动 程序，采 用分层 驱 动模式。驱 动程 序最上层 包 含一个 函 数 驱动 程序，它可 以是一个 类 别驱 动程序 或一 个特 定 的 设 备 驱 动 程序，用 于管 理应 用 层 与较 低层 总线 间 的 通 电子技术应用2 0 0 7 年第 7 期 欢迎订购 电子技术应 1)2 0 0 0 00 2 0 0 6 年合订光盘(0 1 a L _ 8 2 3 0 6 0 8 4)7 5 维普资讯 http:/ http:/ 第六图书馆第六图书

9、馆 图 3 Wi n d o w s操 作 系 统 F U S B 总 线 驱 动 模 型 信；驱 动程 序 模型 最 底层 包 含 一个 总 线驱 动 程序，用 于 管理 函数 驱动程 序与设 备 硬件 之间 的通 信；驱 动 程序 中 间 有 一个 或数 个过 滤 驱 动 程序 用 来辅 助 函数 驱 动 程序 与总线 驱动程 序。应用 程序 使用 Wi n 3 2 A P I函数 与操作 系统通信，驱 动程序 彼此 问使 用 I O请 求 封包 I R P(I O R e q u e s t P a c k e t)来通 信。Wi n d o w s 定 义 了一群驱 动程序 可 以使用

10、 的 I R P，每一 个 I R P执 行 一个 输 入 或输 出要 求。总线驱 动 程序 由操作 系统 提供，用 户不 需要 自己编程 开 发，设 备驱 动 程序 可 以 由操 作 系统 提供，也 可 以 由设 备 生产 厂 商提 供。3 具 体 编 程 实 现 3 1 VCI 函 数 调 用 流 程 图 本系 统采 用德 国 I XX A T公 司 的 U S B C AN卡完成 信 号转换。与 诸多 C A N卡厂 商一 样，I X X A T公 司为其 每块 P C C A N I n t e r f a c e都提 供 了一 套 功能 强大 的 软件 开发 包 VC I(Vi r

11、t u a l C A N I n t e r f a c e s)，以备 用户 在 P C机上 开发 应 用程 序 使用，该 开 发包 包 含 了基 于 Wi n d o w s A P I函数 的 De mo程 序和 通用 通信 程序 模块 D L L文 件，剩下 的工作 主 要 是 通 过 L a b V I E W 实 现 提 供 的各 种 功 能 函 数 的调 用，从 而完成 应用 程序 对设 备 的访 问。具 体操作 流 程 图 如 图 4所 示。3 2 L a b VI E W 编 程 实 现 在 L a b VI E W 中实 现对 VC I的访问有 两种方法：一种 方 法是通

12、 过 A d v a n c e d面板 中 C L F(C a l l L i b r a r y F u n c t i o n)节 点调用动态链 接库，另一种方 法是 通过 C o m mu n i c a t i o n面 板 中的 Ac t i v e X控件【3】直接使用 V C I中的方法和属性。C L F节点 的配 置方 法如 图 5所 示：用 户通 过 L i b r a r y N a m e o r P a t h来 选 择 DL L存 放 的 路 径，通 过 F u n c t i o n N am e来 选择要 使 用 的函数 名，C a l l i n g C o

13、n v e n t i o n s来选 择 n A P I或是 自己开发 的 C函数，通 过 Ad d D e l e t e P a r a m e t e r 来 增 加或 删 除 参数，通过 P a r a me t e r来设 置 参数 名，通 过 T y p e来 指定 参 数类 型。该节 点 使得 L a b V I E W 的功 能 更加全 面灵 活，应 用极 为广 泛。本 系 统采用 的是 第二 种 方法，即用 A c t i v e X控件来 实 现 函数 的调 用。3 2 1 Ac t i v e X简介 Ac t i v e X通 常翻译 为“微 软倡 导 的网络 化多媒

14、 体 对象 选择 硬 件 初 始 化 板卡 信 息 初 始 化 C A N 设 置接 收掩 码 初 始 化接 收 队列 配置 接 收 队 列 I D和 掩 码 初 始 化发 送 队 列 启 动 C A N 否 三 N 接 收 数 据 是 否 停 止?结 束 N 图 4 V C I函数 调 用 流 程 图 图 5 C L F节 点 设 置 技术”，它 实际 上是 一整 套建 立在 C O M(T h e C o mp o n e n t Ob j e c t Mo d e l 组 件对 象模 型)和 O L E(Ob j e c t L i n k e d A n d E m b e d d e

15、 d对象 连 接 与嵌 入)基 础之 上跨 越 编程语 言 的软 件 开发 方法 与规 范。所有 的 A c t i v e X 控 件都 是属 性 和方 法 的组 合 体，一组 属 性 和方 法 就构 成 了通 常所 说 的接 口。通 过利 用 A c t i v e X，L a b V I E W 既 可以作 为客户 机 控制 其 他外 部应 用 程序，又 可 以担 当服务 器，从 外部 应 用 程 序控 制 L a b VI E W【引。L a b VI E W 中的 A c t i v e X C o n t r o l s子模 板 提供 的 控制 型 控件 包 括：包容 器(c o

16、n t a i n e r)、变 体 数 据 类 型(v a r i ant)、自动化 标 志(a u t o m a t i o n r e f n u m)、调 用 节 点 7 6 欢迎 网上投稿 W WW a e t n e t c a W WW a e t n e t c o rn c a 电子技 术应 用2 0 0 7年 第 7期 维普资讯 http:/ http:/ 第六图书馆第六图书馆Me a s ur e me n t Co n t r ol Te c h no l o g y a n d I n s t r u me n t s (I n v o k e N o d e)及属

17、 性节 点(P r o p e r t y N o d e)。对 于这些 控 件 来说，L a b V l E W 已经变为客户端。一般情况下，任何 Ac t i v e X 控件 都 可 以嵌 入 到 L a b VI E W 中，然 后 使 用其 属 性 和 方 法，实 现所 需 的功 能I 4】，从 而使 程 序 功 能更 加 强 大，节 约 开 发 时 间。本 系统是 以 L a b VI E W 作 为 客户 端，以 VC I 作 为 服务 器实 现 P C与 U S B C AN卡 的通信。3 2 2 U SB C AN卡初始 化 欲调用 VC I 对象的属性和方法，首先要通过 A

18、 u t o ma t i o n O p e n节 点来 开启 A c t i v e X服 务 器，而 A u t o ma t i o n O p e n节 点 的 R e f n u m 输 入 是 由 Au t o ma t i o n R e f n u m 节 点 提供 的。如 图 6所示，在 前面 板放 置 A u t o ma t i o n R e f n u m 节 点，右 击 鼠标 弹 出菜 单，选 择 S e l e c t Ac t i v e X C l a s s，从 子菜 单 选 择“B r o w s e”，可 以看 到能 够获 取 的控 件 及其 属 性列

19、 表 以 及 系统 中的 L a b V I E W 接 口，在 这里 笔者 选择 VC I Wr a p p e r 1 0 T y p e L i b r a r y Ve r s i o n 1 0中 的 V C I Wr a p对 象，再 将 该 节点 与 A u t o ma t i o n O p e n节 点相 连，这 样 就打 开 了与 V C I 服 务 器相连 的 R e f n u m。通 过该 R e f n u m传 递 给模板 中其 他 节点 函数，进 而编程 实现具 体 功能。U S B C AN卡初 始化 是 通过 I n v o k e N o d e节 点

20、调 用 V C I _ S e l e c t Ha r d w a r e和 V C I P r e p a r e B o a r d两 个 函数完成，前者读取设备 号、设备 类型、名 称、厂 商 等信 息，后者生成 B o a r d Ha n d l e以供后续 程序使 用。3 2 3 CAN总线初 始化 C AN 总 线 初 始 化 是 通 过VC I _ I n i t C a n、VCIS e t Ac c Ma s k、VC I_C o n fi g Qu e u e、VC I C o n fi g R x-Q u e O b j 和 V C I _ S t a r t C A

21、 N这 几个 函数 完成 的。根据 约定 的协议，调用 VC I I n i t C a n设 置 C AN通道、波 特 率(2 5 0 k b p s)和工 作 模 式(扩 展 帧)，调 用 图 6 A u t o m a t i o n Re f n u m 节 点 设 置 3 2 6 实 验 数 据 结 果 图 7是 通过 E x c e l实时记 下 的实验 数据。可 以看 出，基 于 L a b V I E W 的大功 率 D C D C变换 器数 据 采集 系统 实 现 了数 据采集 的实 时性，在上 位机 上 能够 动态 地显示 采 集 到 的 电压、电流 等 数值 和波 形，并

22、 可 以 将采 集 到 的数 据 以 电子表 格 的形式 保存 下来，达 到设计 的要 求。VCIS e t Ac c Ma s k、VCI_C o n fi g Q u e u e和 V C I C o n fi g R x Q u e O b j 设 置 P C机接 收 I D及其 掩 码 以及 接 收 和发 送 队列 长 度 等 准备工作，最后 由 V C I S t a r t C AN启 动 C AN总线。3 2 4数 据发送 和接 收 发送 采 取 手 动方 式，当发 送按 钮按 下 时，给 定 的 电 压、电流 和 电源工 作 方式 信 号将通 过 V C I J m n s m

23、 i t O b j 函 数送 出给 D S P 2 4 0 7。接 收端采 用循 环采 样 方式 接 收 2 4 0 7 每 隔 5 0 ms发送 过来 的数据，该 数据 包 括 D C DC实 际 电 流、电压、温 度、l i f e值 和 S t a t u s F l a g状 态码。3 2 5 数 据 显 示 和 储 存 采样进来 的 电压和 电流信号 可 以通 过 L a b VI E W 前 面 板 中 的 N u me ri c C o n t r o l以数 字 方 式 显 示，也 可 以 通 过 Wa v e f o r m C h a r t以波形方 式实 时显示，温度

24、信号 可 以通 过 T h e r mo me t e r显示，I J i f e值 通 过 Ho ri z o n t a l G r a d u a t e d B a r显 示；数 据存 储一 般是 用 E x c e l 表 完成 的，可 以通过 使 用 L a b V I E W 中文件 I O模块或 用 A c t i v e X调用 E x c e l 组件_ 4】，笔者认 为前者更方便 些，用户可 以根据 自己的喜好 选择。图 7 实 验数 据 结 果 本 文设 计 了一 种硬 件基 于 U S B C A N卡，软 件基 于 L a b VI WE 的实 时数据 采 集控 制

25、 系统，分 析 了开发 虚拟 仪 器 与 U S B总线 通 信 的 软件 编程 思路，详 述 了基 于 Ac-t i v e X技 术 的 VC I 功 能 的调 用，成 功 实现 了 L a b VI E W 与 U S B C A N卡 的数据 交换。通过调 试 和实 际使用，本测 试 系统达 到 了设 计要 求，效 果 良好。参 考 文献【1】吴 立 力 信 号采 集 系 统 中 的信 号 传 输 显 示 与处 理【D】北 京：北 京 工 业 大 学，2 0 0 1 【2】宋 吉 超 基 于 U S B 2 0接 口的虚 拟 仪 器研 究【D】西 安：西 安 电子科 技 大学，2 0 0 5 【3】杨 乐 平，李 海 涛，赵 勇，等 L a b V I E W 高级 程 序 设 计【M】北 京：清 华 大 学 出版 社，2 o 0 3 【4】雷 振 山 L a b V I E W 7 E x p r e s s实 用技 术 教 程【M】北京：中 国铁 道 出 版社，2 0 0 4 (收稿 日期：2 0 0 7-0 2-1 2)电子技术应用2 0 0 7年第7期 欢迎订购 电子技术应 11)2 0 0 0-2 0 0 6 年合订光盘(0 1 o-8 2 3 0 6 0 8 4)7 7 维普资讯 http:/ http:/ 第六图书馆第六图书馆