CN104698867A - 基于m文件系统函数的数据采集卡的数据交互方法 - Google Patents
基于m文件系统函数的数据采集卡的数据交互方法 Download PDFInfo
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Abstract
基于M文件系统函数的数据采集卡的数据交互方法，属于信息处理及建模仿真技术领域。现有的部分数据采集卡不支持SIMULINK方式采集信号。一种基于M文件系统函数的数据采集卡的数据采集方法，系统函数初始化阶段；并验证采集卡硬件参数与软件描述是否匹配；进行外部实际环境中数据的持续、实时采集，并调用验证匹配子函数将判断出正确的数据输出至Simulink环境，进行信号采集循环阶段。实现对所有信号实时数据采集。一种基于M文件系统函数的数据采集卡的数据输出方法，系统函数初始化阶段；并验证采集卡硬件参数与软件描述是否匹配；调用计算输出子函数，进行Simulink环境里的虚拟信号的持续、实时采集，并调用采集卡底层验证匹配子函数判断出采集的数据中正确的数据，进行信号输出循环阶段。实现对所有信号实时数据输出。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于M文件系统函数的数据采集卡的数据交互方法。
背景技术
MATLAB对数据采集卡实现数据实时采集的方式主要包括DAQ工具箱方式、编写函数M文件方式、SIMULINK的S函数方式。
DAQ(DataAcquisitionToolbox)工具箱提供能够直接与数据采集硬件交互的模块库，利用这些库可以简单地获取模拟量或数字量数据。该方式的不足是不通用化，即一些采集卡不能用该方法实现Matlab对数据的采集。通过编写函数M文件的方式可以很简单实现对模拟量或数字量数据的获取。该方式的不足是采集的数据只能在CommandWindow中显示，不便于对采集的信号进行后续处理；并且采集信号的速度较慢，不满足实时性要求。
SIMULINK方式是一种采用MATLAB代码，即M文件，编写具有模型接口的系统函数的方法。系统函数是采用非图形化方式(即计算机语言，区别于SIMULINK的系统模块)描述的一个功能自定义模块。因为SIMULINK具有适应面广，结构和流程清晰，模型内码更容易向其他硬件移植等优点，所以研究采用SIMULINK方式编写适用于数据采集卡的系统函数是亟需解决的问题。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有的部分数据采集卡不支持SIMULINK方式采集信号的问题，而提出一种基于M文件系统函数的数据采集卡的数据交互方法。
一种基于M文件系统函数的数据采集卡的数据采集方法，所述仿真控制方法通过以下步骤实现：
步骤一、主函数调用模块本身初始化子函数，进入系统函数初始化阶段；并增加验证匹配子函数，验证采集卡硬件参数与软件描述是否匹配；
步骤二、主函数调用计算输出子函数，进行外部实际环境中数据的持续、实时采集，并调用采集卡底层验证匹配子函数判断出步骤一采集的数据中正确的数据，输出至Simulink环境，进行信号采集循环阶段；
步骤三、主函数调用仿真结束子函数，进入仿真结束阶段。
一种基于M文件系统函数的数据采集卡的数据输出方法，所述仿真控制方法通过以下步骤实现：
步骤一、主函数调用模块本身初始化子函数，进入系统函数初始化阶段；并增加验证匹配子函数，验证采集卡硬件参数与软件描述是否匹配；
步骤二、主函数调用计算输出子函数，进行Simulink环境里用以仿真的虚拟信号的持续、实时采集，并调用采集卡底层验证匹配子函数判断出步骤一采集的数据中正确的数据，进行信号输出循环阶段；
步骤三、主函数调用仿真结束子函数，进入仿真结束阶段。
本发明的有益效果为：
本发明是应用SIMULINK为用户提供的User-DefinedFunctions库的M文件系统函数，采用MATLAB语言增加直接与数据采集卡硬件相连驱动函数，以实现能将实际信号采集到能够进行动态系统建模、仿真和综合分析的集成SIMULINK环境中的方法。基于SIMULINK具有适用面广、结构和流程清晰、灵活及内码更容易向其它硬件移植等优点，本发明利用简单的MATLAB语言增加的通用的系统函数，能够100％实现对所有信号实时数据采集，实现直接与硬件或第三方软件连接，进而应用或被应用于复杂的数字信号处理、控制、仿真及设计中。
另外，运用此方法能实现将SIMULINK环境中的信号经数据采集卡输出的功能。在仿真的过程中，可以实现实际信号与SIMULINK环境之间的相互通信功能。基于SIMULINK具有适用面广、结构和流程清晰、灵活及内码更容易向其它硬件移植等优点，本发明利用简单的MATLAB语言增加的通用的系统函数，能够100％实现对所有信号实时数据输出，实现直接与硬件或第三方软件连接，进而后续的应用或被应用于复杂的数字信号处理、控制、仿真及设计中。
附图说明
图1为本发明涉及的系统主函数仿真流程图；
图2为本发明涉及的采集信号的M文件系统函数总体流程图；
图3为本发明涉及的输出信号的M文件系统函数总体流程图；
图4为本发明涉及的系统函数是否直通的解释示意图；
图5为本发明涉及的软件描述与采集卡硬件参数之间关系示意图。
具体实施方式
具体实施方式一：
本实施方式的基于M文件系统函数的数据采集卡的数据采集方法，当利用数据采集卡硬件获取模拟量或数字量数据时，所述仿真控制方法通过以下步骤实现：
步骤一、主函数调用模块本身初始化子函数(Flag＝0)，进入系统函数初始化阶段；并增加验证匹配子函数，验证采集卡硬件参数与软件描述是否匹配；
步骤二、主函数调用计算输出子函数(Flag＝3)，进行外部实际环境中数据的持续、实时采集，并调用采集卡底层验证匹配子函数判断出步骤一采集的数据中正确的数据，输出至Simulink环境，进行信号采集循环阶段；
步骤三、主函数调用仿真结束子函数(Flag＝9)，进入仿真结束阶段。
具体实施方式二：
与具体实施方式一不同的是，本实施方式的基于M文件系统函数的数据采集卡的数据采集方法，步骤一所述系统函数初始化阶段的过程为，
步骤一一、主函数调用模块本身初始化子函数进行系统函数参数初始化，确定系统函数的初始条件：系统函数类型为连续型或离散型或二者混合型中的一种，系统函数输入输出个数，以及系统函数是否直通；
直通是指：系统函数有输入u，且系统函数的输出是输入的函数。比如，输出是sys，输入是u，则sys＝f(u)。
由图4知，数据采集过程没有输入u，故数据采集的系统函数不直通；数据输出过程含输入u，且其输出是输入的函数，所以数据输出的系统函数是直通的；
步骤一二、主函数调用模块本身初始化子函数进行采集卡初始化，设置采集信号的必要参数：申请内存空间、成员函数的申明以及宏定义，为采集信号的过程做准备；
步骤一三、采用调用采集卡底层验证匹配子函数的方式，验证采集卡硬件参数与软件描述是否匹配；若是，则进行步骤二的循环阶段，若否，则提示错误并返回步骤一一。为了区别不同板卡，每一块采集卡都有其唯一的一个ID。“软件描述”通过调用采集卡底层验证采集卡信息的驱动子函数以确定是否与硬件信息是否匹配。如图5所示，“软件描述”与“采集卡硬件参数”之间关系可以理解为“输入登入密码”与“之前设置登入密码”之间关系。“采集卡硬件参数”好比“之前设置登入密码”，登入时，要输入登入密码，只有密码对，才能登入系统，“软件描述”可以理解为“输入登入密码”。
具体实施方式三：
与具体实施方式一或二不同的是，本实施方式的基于M文件系统函数的数据采集卡的数据采集方法，步骤二所述信号采集循环阶段的过程为，
步骤二一、主函数调用计算输出子函数(Flag＝3)，进行信号的持续、实时采集，并采用调用采集卡底层验证匹配子函数的方式，判断采集的数据是否正确；若否，则去除读取的信号，若是，则将读取的信号用于下一步骤；
步骤二二、将步骤二一确认为正确的读取的信号，输出至Simulink环境下；
步骤二三、主函数调用状态更新子函数(Flag＝2)，实时更新采集信号，更新系统主函数的离散状态量。
具体实施方式四：
与具体实施方式三不同的是，本实施方式的基于M文件系统函数的数据采集卡的数据采集方法，步骤三所述仿真结束阶段的过程为，
步骤三一、判断是否到达仿真停止时间；若否，则返回至步骤二一继续进行采集的数据是否正确的判断；若是，则进入步骤三二；
步骤三二、进行仿真结束的操作：关闭采集卡的输入通道，停止数据传输；释放在系统函数初始化阶段以及信号采集循环阶段分配的所有资源，避免对下次采集或输出信号造成影响。
具体实施方式五：
本实施方式的基于M文件系统函数的数据采集卡的数据输出方法，当需要将simulink环境中的信号进行信号处理或输入至第三方软件的输入端时，所述仿真控制方法通过以下步骤实现：
步骤一、主函数调用模块本身初始化子函数(Flag＝0)，进入系统函数初始化阶段；并增加验证匹配子函数，验证采集卡硬件参数与软件描述是否匹配；
步骤二、主函数调用计算输出子函数(Flag＝3)，进行Simulink环境里用以仿真的虚拟信号的持续、实时采集，并调用采集卡底层验证匹配子函数判断出步骤一采集的数据中正确的数据，进行信号输出循环阶段；
步骤三、主函数调用仿真结束子函数(Flag＝9)，进入仿真结束阶段。
具体实施方式六：
与具体实施方式五不同的是，本实施方式的基于M文件系统函数的数据采集卡的数据输出方法，步骤一所述系统函数初始化阶段的过程为，
步骤一一、主函数调用模块本身初始化子函数进行系统函数参数初始化，确定系统函数的初始条件：系统函数类型为连续型或离散型或二者混合型中的一种，系统函数输入输出个数，以及系统函数是否直通；
步骤一二、主函数调用模块本身初始化子函数进行采集卡初始化，设置采集信号的必要参数：申请内存空间、成员函数的申明以及宏定义，为采集信号的过程做准备；
步骤一三、采用调用采集卡底层验证匹配子函数的方式，验证采集卡硬件参数与软件描述是否匹配；若是，则进行步骤二的循环阶段，若否，则提示错误并返回步骤一一。
具体实施方式七：
与具体实施方式五或六不同的是，本实施方式的基于M文件系统函数的数据采集卡的数据输出方法，步骤二所述信号采集循环阶段的过程为，
步骤二一、将Simulink环境里系统函数的输入信号写入到采集卡中；
步骤二二、采用调用采集卡底层验证匹配子函数的方式，判断写入采集卡中的信号是否正确；若否，则去除读取的信号，若是，则将读取的信号用于下一步骤；
步骤二三、回读步骤二二中写入采集卡中确认为正确的信号，并由采集卡输出至实际环境；
步骤二四、主函数调用状态更新子函数(Flag＝2)，实时更新采集信号，更新系统主函数的离散状态量。
具体实施方式八：
与具体实施方式七不同的是，本实施方式的基于M文件系统函数的数据采集卡的数据采集方法，步骤三所述仿真结束阶段的过程为，
步骤三一、判断是否到达仿真停止时间；若否，则返回至步骤二一继续进行将Simulink环境里系统函数的输入信号写入到采集卡中；若是，则进入步骤三二；
步骤三二、进行仿真结束的操作：关闭采集卡的输出通道，停止数据传输；释放在系统函数初始化阶段以及信号采集循环阶段分配的所有资源，避免对下次采集或输出信号造成影响。
实施例1：
现有的SIMULINK环境的系统函数是由一个主函数和6个子函数组成，每个子函数代表一个不同阶段，有其相应的仿真流程标志向量，简称Flag值。在Simulink仿真过程中，主函数按顺序通过不同的Flag值来调用不同的子函数，来完成系统函数的仿真流程控制。其系统函数的仿真流程图如图1所示，大致分为模块的初始化、仿真结束以及仿真循环三个阶段。连续循环部分包括：计算微分值，计算下一个采样时间，计算模块输出；离散循环阶段：更新离散状态量、计算输出。
本发明考虑数据采集卡M文件编程系统函数模块是采样时间不变的离散系统，故其必由主函数和初始化子函数、计算输出子函数、状态更新子函数、仿真结束子函数4个子函数组成。其中初始化子函数需要对模块本身的系统函数参数初始化和对采集卡的初始化，并通过调用采集卡底层验证匹配子函数的方式验证采集卡的初始化后软件描述与数据采集卡硬件参数是否匹配，故M文件的系统函数增加了验证匹配这一子函数。
数据采集卡M文件系统函数模块可以分为与输出信号的M文件系统函数。采集信号的M文件系统函数是将实际信号经采集卡采集至SIMULINK环境中，并由系统函数模块的输出端输出，输出的信号可以进行信号的处理或作为第三方软件的输入端。其实现过程的总体流程图如图2所示，具体流程为：
步骤一、主函数调用模块本身初始化子函数(Flag＝0)，进入系统函数初始化阶段；并增加验证匹配子函数，验证采集卡硬件参数与软件描述是否匹配：
步骤一一、主函数调用模块本身初始化子函数进行系统函数参数初始化，确定系统函数的初始条件：系统函数类型为连续型或离散型或二者混合型中的一种，系统函数输入输出个数，以及系统函数是否直通；
步骤一二、主函数调用模块本身初始化子函数进行采集卡初始化，设置采集信号的必要参数：申请内存空间、成员函数的申明以及宏定义，为采集信号的过程做准备；
步骤一三、采用调用采集卡底层验证匹配子函数的方式，验证采集卡硬件参数与软件描述是否匹配；若是，则进行步骤二的循环阶段，若否，则提示错误并返回步骤一一；
步骤二、主函数调用计算输出子函数(Flag＝3)，进行信号的持续、实时采集，进入信号采集循环阶段：
步骤二一、主函数调用计算输出子函数(Flag＝3)，进行信号的持续、实时采集，并采用调用采集卡底层验证匹配子函数的方式，判断采集的数据是否正确；若否，则去除读取的信号，若是，则将读取的信号用于下一步骤；
步骤二二、将步骤二一确认为正确的读取的信号，输出至Simulink环境下；
步骤二三、主函数调用状态更新子函数(Flag＝2)，实时更新采集信号，更新系统主函数的离散状态量；
步骤三、主函数调用仿真结束子函数(Flag＝9)，进入仿真结束阶段：
步骤三一、判断是否到达仿真停止时间；若否，则返回至步骤二一继续进行采集的数据是否正确的判断；若是，则进入步骤三二；
步骤三二、进行仿真结束的操作：关闭采集卡的输入通道，停止数据传输；释放在系统函数初始化阶段以及信号采集循环阶段分配的所有资源，避免对下次采集或输出信号造成影响。
实施例2：
相应的，输出信号的M文件系统函数是将SIMULINK环境下的信号(可以是第三方软件输出信号)通过系统函数模块的输入端输入，经过写入输入数据和回读写入数据两个过程由数据采集卡输出，其实现过程的总体流程图如图3所示，具体流程为：
步骤一、主函数调用模块本身初始化子函数(Flag＝0)，进入系统函数初始化阶段；并增加验证匹配子函数，验证采集卡硬件参数与软件描述是否匹配：
步骤一一、主函数调用模块本身初始化子函数进行系统函数参数初始化，确定系统函数的初始条件：系统函数类型为连续型或离散型或二者混合型中的一种，系统函数输入输出个数，以及系统函数是否直通；
步骤一二、主函数调用模块本身初始化子函数进行采集卡初始化，设置采集信号的必要参数：申请内存空间、成员函数的申明以及宏定义，为采集信号的过程做准备；
步骤一三、采用调用采集卡底层验证匹配子函数的方式，验证采集卡硬件参数与软件描述是否匹配；若是，则进行步骤二的循环阶段，若否，则提示错误并返回步骤一一
步骤二、主函数调用计算输出子函数(Flag＝3)，进行信号的持续、实时采集，进入信号输出循环阶段：
步骤二一、将Simulink环境里系统函数的输入信号写入到采集卡中；
步骤二二、采用调用采集卡底层验证匹配子函数的方式，判断写入采集卡中的信号是否正确；若否，则去除读取的信号，若是，则将读取的信号用于下一步骤；
步骤二三、回读步骤二二中写入采集卡中确认为正确的信号，并由采集卡输出至实际环境；
步骤二四、主函数调用状态更新子函数(Flag＝2)，实时更新采集信号，更新系统主函数的离散状态量
步骤三、主函数调用仿真结束子函数(Flag＝9)，进入仿真结束阶段：
步骤三一、判断是否到达仿真停止时间；若否，则返回至步骤二一继续进行将Simulink环境里系统函数的输入信号写入到采集卡中；若是，则进入步骤三二；
步骤三二、进行仿真结束的操作：关闭采集卡的输出通道，停止数据传输；释放在系统函数初始化阶段以及信号采集循环阶段分配的所有资源，避免对下次采集或输出信号造成影响。
本发明的数据采集卡的M文件编程系统函数的方法可以适用所有支持MATLAB驱动的数据采集卡，运用本发明方法可以实现实际数据与SIMULINK环境中信号之间的相互交互，进而运用于复杂的设计和仿真中。
对比图1与图2、图3可以看出，M文件系统函数的流程与离散系统函数仿真流程类似，大致亦分为三个阶段，分别为初始化阶段、循环阶段及结束阶段。M文件系统函数初始化阶段为前提阶段，主要对模块参数和板卡进行初始化，只有初始化无误，编写的模块才能运行。循环阶段就是实现数据持续、实时的采集，其最核心部分是采集或输出信号，编程者可以实现合理的采集或输出信号及信号的处理；结束阶段主要目之一的是关闭采集卡的输入或输出通道，即停止数据传输。另一个目的是释放在系统函数初始化阶段以及信号采集循环阶段分配的所有资源，避免造成对下次采集或输出信号的影响。
在同一个Simulink环境里采集与输出的M文件系统函数的个数及种类不受限，他们之间的运行方式是串行的。实验证明，可以只进行从第三方采集信号或者只给第三方输出信号，或者同时与第三方进行数据交互(采集信号和输出信号)。在系统函数个数为10-15个的情况下，保证同时采集信号及输出信号的实时性要求。
Claims (8)
1.一种基于M文件系统函数的数据采集卡的数据采集方法，其特征在于：所述仿真控制方法通过以下步骤实现：
步骤一、主函数调用模块本身初始化子函数，进入系统函数初始化阶段；并增加验证匹配子函数，验证采集卡硬件参数与软件描述是否匹配；
步骤二、主函数调用计算输出子函数，进行外部实际环境中数据的持续、实时采集，并调用采集卡底层验证匹配子函数判断出步骤一采集的数据中正确的数据，输出至Simulink环境，进行信号采集循环阶段；
步骤三、主函数调用仿真结束子函数，进入仿真结束阶段。
2.根据权利要求1所述基于M文件系统函数的数据采集卡的数据采集方法，其特征在于：步骤一所述系统函数初始化阶段的过程为，
步骤一一、主函数调用模块本身初始化子函数进行系统函数参数初始化，确定系统函数的初始条件：系统函数类型为连续型或离散型或二者混合型中的一种，系统函数输入输出个数，以及系统函数是否直通；
步骤一二、主函数调用模块本身初始化子函数进行采集卡初始化，设置采集信号的必要参数：申请内存空间、成员函数的申明以及宏定义，为采集信号的过程做准备；
步骤一三、采用调用采集卡底层验证匹配子函数的方式，验证采集卡硬件参数与软件描述是否匹配；若是，则进行步骤二的循环阶段，若否，则提示错误并返回步骤一一。
3.根据权利要求1或2所述基于M文件系统函数的数据采集卡的数据采集方法，其特征在于：步骤二所述信号采集循环阶段的过程为，
步骤二一、主函数调用计算输出子函数，进行信号的持续、实时采集，并采用调用采集卡底层验证匹配子函数的方式，判断采集的数据是否正确；若否，则去除读取的信号，若是，则将读取的信号用于下一步骤；
步骤二二、将步骤二一确认为正确的读取的信号，输出至Simulink环境下；
步骤二三、主函数调用状态更新子函数，实时更新采集信号，更新系统主函数的离散状态量。
4.根据权利要求3所述基于M文件系统函数的数据采集卡的数据采集方法，其特征在于：步骤三所述仿真结束阶段的过程为，
步骤三一、判断是否到达仿真停止时间；若否，则返回至步骤二一继续进行采集的数据是否正确的判断；若是，则进入步骤三二；
步骤三二、进行仿真结束的操作：关闭采集卡的输入通道，停止数据传输；释放在系统函数初始化阶段以及信号采集循环阶段分配的所有资源。
5.一种基于M文件系统函数的数据采集卡的数据输出方法，其特征在于：所述仿真控制方法通过以下步骤实现：
步骤一、主函数调用模块本身初始化子函数，进入系统函数初始化阶段；并增加验证匹配子函数，验证采集卡硬件参数与软件描述是否匹配；
步骤二、主函数调用计算输出子函数，进行Simulink环境里用以仿真的虚拟信号的持续、实时采集，并调用采集卡底层验证匹配子函数判断出步骤一采集的数据中正确的数据，进行信号输出循环阶段；
步骤三、主函数调用仿真结束子函数，进入仿真结束阶段。
6.根据权利要求5所述基于M文件系统函数的数据采集卡的数据输出方法，其特征在于：步骤一所述系统函数初始化阶段的过程为，
步骤一一、主函数调用模块本身初始化子函数进行系统函数参数初始化，确定系统函数的初始条件：系统函数类型为连续型或离散型或二者混合型中的一种，系统函数输入输出个数，以及系统函数是否直通；
步骤一二、主函数调用模块本身初始化子函数进行采集卡初始化，设置采集信号的必要参数：申请内存空间、成员函数的申明以及宏定义，为采集信号的过程做准备；
步骤一三、采用调用采集卡底层验证匹配子函数的方式，验证采集卡硬件参数与软件描述是否匹配；若是，则进行步骤二的循环阶段，若否，则提示错误并返回步骤一一。
7.根据权利要求5或6所述基于M文件系统函数的数据采集卡的数据输出方法，其特征在于：步骤二所述信号采集循环阶段的过程为，
步骤二一、将Simulink环境里系统函数的输入信号写入到采集卡中；
步骤二二、采用调用采集卡底层验证匹配子函数的方式，判断写入采集卡中的信号是否正确；若否，则去除读取的信号，若是，则将读取的信号用于下一步骤；
步骤二三、回读步骤二二中写入采集卡中确认为正确的信号，并由采集卡输出至实际环境；
步骤二四、主函数调用状态更新子函数，实时更新采集信号，更新系统主函数的离散状态量。
8.根据权利要求7所述基于M文件系统函数的数据采集卡的数据采集方法，其特征在于：步骤三所述仿真结束阶段的过程为，
步骤三一、判断是否到达仿真停止时间；若否，则返回至步骤二一继续进行将Simulink环境里系统函数的输入信号写入到采集卡中；若是，则进入步骤三二；
步骤三二、进行仿真结束的操作：关闭采集卡的输出通道，停止数据传输；释放在系统函数初始化阶段以及信号采集循环阶段分配的所有资源。
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| CN201510130385.8A CN104698867A (zh) | 2015-03-24 | 2015-03-24 | 基于m文件系统函数的数据采集卡的数据交互方法 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20150610 |
|
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |