以資料擷取硬體與 NI-DAQmx 設計控制應用程式

需要適用於控制用途的資料擷取 (DAQ) 裝置時，能夠選擇的硬體多達數百種，因此，您需要考量幾項因素。首先，您要了解資料擷取用途所用的感測器需要多少個通道、需要哪一類資料，以及在濾波與訊號處理方面有哪些需求。接著需了解您需要 DAQ 裝置發揮的效能：以適當取樣率擷取清晰訊號所需的準確度、解析度、精確度以及潛時。這些資訊能協助您判斷您該選擇的 DAQ 平台。

完全了解自己的 I/O 之後，您就可以針對根據自己的用途選擇正確的硬體平台。下列所有系統均可使用 NI-DAQmx API 進行程式設計，以利快速輕鬆地存取資料與執行控制。

NI-DAQmx 是驅動程式軟體，用途是與 NI DAQ 量測裝置通訊，超過 200 種 NI 資料擷取裝置均內建這款量測裝置。NI-DAQmx 支援多種程式設計語言，包括 NI LabVIEW、LabWindows™/CVI、ANSI C/C++、Visual Basic 6.0 以及 C#/Visual Basic .NET。針對控制用途，NI-DAQmx 另可提供精確的功能 (如硬體時脈的單點函式呼叫)，並且支援 LabVIEW Real-Time 作業系統。

本技術文件著重說明 NI-DAQmx 驅動程式與 LabVIEW 的搭配使用。LabVIEW 圖形化程式設計軟體提供簡單易用的應用程式開發環境，是專為因應工程師以及科學家的專業需求所設計。只要具備初階程式設計經驗，就能設定硬體、使用感測器進行量測、比較量測值與預設值，以及更新輸出訊號。NI-DAQmx 驅動程式提供圖形化函式，除了能用於讀取和寫入值以外，也能直接與硬體 I/O 互通。LabVIEW 能完美整合軟硬體，因此能降低整體程式設計的複雜度，協助您節省開發時間。

NI-DAQmx 應用程式設計介面 (API) 完全可以從簡單的開/關控制擴充到 PID 與其他進階控制演算法。接下來的部分會提供範例，舉例說明執行各類控制系統時必須進行的圖形化程式設計。

反饋控制系統就跟量測作業一樣簡單，可比較量測值與理想值，接著再開啟/關閉致動器，設法接近理想值。這項操作通常需要驅動控制致動器供電量的繼電器或切換器。舉例來說，一般空調系統的運作原理就是如此。溫度讀取裝置 (通常是恆溫器) 會監控目前溫度，並在溫度超過理想值時啟動繼電器或切換器。繼電器會開啟空調系統，直到溫度回到舒適程度為止。

圖 3 是建立基本開/關控制系統的 LabVIEW 程式方塊圖範例。DAQmx Read.vi 函式會讀取溫度，再使用 Greater? 函式比較溫度值與目標值。若溫度高於 Setpoint 值，就會傳送 TRUE 到以 DAQmx Write.vi 函式控制繼電器的數位輸出通道。

許多建築物會同時安裝冷氣和暖氣，以利調節室內溫度。冷暖氣通常可以獨立運作，但您也可以使用 PC-based 資料擷取系統同時操作這兩種設備。

圖 4 是控制冷氣和暖氣的 LabVIEW 程式方塊圖範例。這個程式方塊圖比較測得溫度值與兩個不同的設定值，而這兩個目標值則分別與冷氣或暖氣相關。

額外運用邏輯就能進一步自訂控制系統並新增功能，例如目標值排程、溫度平均，以及怠滯區設定。您也可以在同一個 PC-based 控制系統中新增記錄資料與產生報表的功能。

單純開/關控制的精細度未必充分，有可能無法以必要的速度和精準度準確控制特定系統。比例積分微分 (PID) 控制是業界最常見的控制演算法。PID 控制器之所以能夠普及，原因在於這類控制器在許多不同的運作條件下都能發揮穩定的效能，而且操作方式相當簡單明瞭。LabVIEW 提供 PID Control Toolkit，可用於安裝預建的圖形化函式，輕鬆執行 PID 控制系統。圖 5 示範基本的 PID.vi 函式。

從名稱就能知道，PID 演算法包含三個基本係數：比例、積分和微分，調整這些係數即可得到最理想的響應。PID 控制器的基礎概念是讀取感測器，接著計算比例、積分和微分等響應，從而運算出理想的致動器輸出。控制器會將這三項要素加總，運算出輸出結果。圖 6 是 PID 控制迴路的程式方塊圖範例，這個迴路使用一個類比輸入通道和一個類比輸出通道。

除了 PID 控制之外，另有採廠房狀態空間模型架構的數種進階控制系統，以及數種以理想系統響應為基礎的自訂控制參數。要設計這樣的控制系統，必須具備控制系統理論知識與相關經驗。您可以使用 LabVIEW 專業版隨附的 LabVIEW Control Design and Simulation Module 進行必須要求如此複雜程度的用途。 這項軟體能協助您測試新設計的控制演算法並進行改版，能讓您省下製作原型及驗證先進控制系統所花的大量時間與資源。

NI-DAQmx 是功能強大的 API，適用於擷取資料與控制應用程式，但有些應用程式必須要求更高的精確度、更低的潛時，以及速度更快的控制迴圈，這是 DAQmx 無法提供的。Real-Time 作業系統 (RTOS) 能將所有資源分配到已經部署的應用程式，讓控制系統發揮最高的軟體精確度和穩定性。CompactRIO 和 PXI 控制器可以透過 LabVIEW 附加元件 LabVIEW Real-Time Module 使用這個 Real-Time 作業系統，以利發揮更高的精確度。軟體安裝完畢後，就能編譯 LabVIEW 圖形化程式碼，並針對選定的 Real-Time 目標調整出最適合的程式碼。使用 LabVIEW Real-Time Module 可以開發應用程式並將之部署至所有 NI Real-Time 硬體系統，包含標準的桌上型電腦與 PXI 系統。使用 NI-DAQmx 驅動程式軟體很容易就能將 PCI、PCI Express 及 PXI 平台裝置從 LabVIEW for Windows 移轉至 CompactRIO 或 PXI 上的 LabVIEW Real-Time，同時保留相同的函式呼叫與硬體設定。

針對要求控制迴圈發揮更高效能以及硬體時脈速度和穩定性的用途，可以考慮使用 LabVIEW FPGA Module 搭配 CompactRIO 或可重設的多功能裝置。 FPGA 是可重設的矽晶片，您可以使用相同的 LabVIEW 圖形化開發環境進行程式設計。CompactRIO 與可重設裝置均支援使用者定義的內建處理功能，以及完全靈活的 I/O 時序與觸發功能。以 LabVIEW FPGA Module 建立 NI LabVIEW 程式方塊圖，就能設定裝置功能。您的程式方塊圖可以在硬體中執行，讓您能夠直接即時控制所有 I/O 訊號，不需與處理器通訊。使用 CompactRIO 與可重設裝置即可建立多個 PID 控制迴圈，以最高 MHz 範圍的速度執行。

LabVIEW Real-Time 與 LabVIEW FPGA 的結合，能在高效能嵌入式控制用途發揮無可比擬的優勢。如需關於 FPGA 架構資料擷取裝置的詳細資訊，請深入了解 CompactRIO 與 R 系列多功能 RIO。

• 了解 CERN 如何使用 LabVIEW 與可重設硬體控制全球最大的粒子加速器
• 多功能 DAQ 硬體報價與規格產品頁面
• 立即免費試用 LabVIEW 下載頁面

LabWindows 商標經 Microsoft Corporation 授權使用。Windows 是 Microsoft Corporation 在美國與其他國家/地區的註冊商標。