淺談自制便攜式虛擬儀器的快速實(shí)現方法

　　隨著(zhù)計算機軟硬件技術(shù)和信號處理技術(shù)的迅速發(fā)展，不僅使得已經(jīng)提出多年的虛擬儀器成為現實(shí)，并且逐步得到日益廣泛的應用和廣大科學(xué)工作者以及工程人員的青睞。虛擬儀器技術(shù)就是利用高性能的模塊化硬件，結合高效靈活的軟件來(lái)完成各種測試、測量和自動(dòng)化的應用。自1986年問(wèn)世以來(lái)，世界各國的工程師和科學(xué)家們都已將NI LabVIEW圖形化開(kāi)發(fā)工具用于產(chǎn)品設計周期的各個(gè)環(huán)節，從而改善了產(chǎn)品質(zhì)量、縮短了產(chǎn)品投放市場(chǎng)的時(shí)間，并提高了產(chǎn)品開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)效率。使用集成化的虛擬儀器環(huán)境與現實(shí)世界的信號相連，分析數據以獲取實(shí)用信息，共享信息成果，有助于在較大范圍內提高生產(chǎn)效率。虛擬儀器提供的各種工具能滿(mǎn)足我們任何項目需要。實(shí)現了自制虛擬儀器的可行性、經(jīng)濟性、快速性和便攜性。

　　2. 整體設計

　　虛擬儀器技術(shù)是在PC技術(shù)的基礎上發(fā)展起來(lái)的，所以完全"繼承"了以現成即用的PC技術(shù)為主導的最新商業(yè)技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，包括功能超卓的處理器和文件I/O，使您在數據高速導入磁盤(pán)的同時(shí)就能實(shí)時(shí)地進(jìn)行復雜的分析。此外，不斷發(fā)展的因特網(wǎng)和越來(lái)越快的計算機網(wǎng)絡(luò )使得虛擬儀器技術(shù)展現其更強大的優(yōu)勢。在仔細研究了虛擬儀器的設計制作后，不難發(fā)現虛擬儀器采用了現代計算機的外圍接口和數據處理軟件外，其數據采集部分硬件設計和傳統的儀器制作過(guò)程是相同的?？偟膩?lái)說(shuō)，虛擬儀器的設計分硬件部分和軟件部分兩大塊設計。

　　無(wú)論是傳統的儀器還是虛擬儀器都少不了信號采集部分，傳統的儀器把信號采集后加以信號處理并直接顯示出來(lái)，沒(méi)有和計算機交互的過(guò)程。虛擬儀器是將信號采集后的結果利用計算機接口技術(shù)送往計算機進(jìn)行后期的處理和顯示。所以我們的虛擬儀器的硬件設計包括數據采集板卡和板卡接口的設計。如果板卡接口采用并行總線(xiàn)（PCI、ISA等），那么板卡裝卸麻煩，易受到機箱內環(huán)境的干擾，而且受計算機插槽數量、電源功率以及地址、中斷資源的限制；如果使用專(zhuān)用的儀器總線(xiàn)，其成本和時(shí)間上受限制。在此我們采用USB總線(xiàn)作為硬件板卡接口，USB總線(xiàn)解決了一般通用總線(xiàn)的缺點(diǎn)，具有速度快、連線(xiàn)少、即插即用、自帶電源以及支持熱插拔等特性，并且其開(kāi)發(fā)時(shí)間較短，能夠實(shí)現便攜式的要求。因而我們擬設計的虛擬儀器的硬件板卡是帶有USB接口的數據采集卡。

　　虛擬儀器的硬件系統一般分為計算機硬件平臺和測控功能硬件。計算機硬件平臺可以是各種類(lèi)型的計算機，如臺式計算機、便攜式計算機、工作站、嵌入式計算機等。它管理著(zhù)虛擬儀器的軟件資源，是虛擬儀器的硬件基礎。因此，計算機技術(shù)在顯示、存儲能力、處理器性能、網(wǎng)絡(luò )、總線(xiàn)標準等方面的發(fā)展，導致了虛擬儀器系統的快速發(fā)展。

　　A） 硬件的設計

　　虛擬儀器的好壞關(guān)鍵是硬件部分的設計，而硬件的關(guān)鍵是數據采集卡的設計。硬件部分主要是數據采集卡及其接口電路設計硬件部分完成信號的接受及模擬信號的預處理和轉換，經(jīng)模/數轉換的數據送至計算機進(jìn)行處理及結果顯示等硬件功能。數據采集卡是虛擬儀器的重要部件和唯一需要開(kāi)發(fā)的硬件電路，其元件特性、電路結構是決定虛擬儀器性能指標的主要因素。根據需設計的虛擬儀器的用途和性能要求，擬設計的數據采集板卡性能指標如下：①最大數據采集率為1MSPS;②信號輸入范圍為+40伏～-40伏。我們選用了美信MAXIM公司的數模轉換器 MAXIM114，它的最大信號采集數率為1MSPS。對于USB接口芯片，我們采用Philips公司的PDIUSBD12芯片，PDIUSBD12芯片是高性能USB接口芯片，集成了SIE、FIFO存儲器、收發(fā)器以及電壓調整器，它符合USB1.1版本規范，在批量模式和同步模式下均可實(shí)現 1MB/S的數據傳輸速率，能夠滿(mǎn)足擬設計的虛擬儀器的要求。整個(gè)板卡主要的電路原理設計如圖一所示。

　　圖 一

　　數據采集卡的工作原理：

　　數據采集（DAQ），是指從傳感器和其它待測設備等模擬和數字被測單元中自動(dòng)采非電量或者電量信號，送到上位機中進(jìn)行分析，處理。數據采集系統是結合基于計算機或者其他專(zhuān)用測試平臺的測量軟硬件產(chǎn)品來(lái)實(shí)現靈活的、用戶(hù)自定義的測量系統。 數據采集卡，即實(shí)現數據采集（DAQ）功能的計算機擴展卡，可以通過(guò)USB、PXI、PCI、PCI Express、火線(xiàn)（1394）、PCMCIA、ISA、CompactFlash、485、232、以太網(wǎng)、各種無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )等總線(xiàn)接入個(gè)人計算機。

　　首先，PC機上發(fā)出啟動(dòng)數據采集的請求，MAXIM114開(kāi)始進(jìn)行信號采樣以及模數轉換，模數轉換后的結果存儲到雙端口存儲器IDT7024 中，IDT7024的存儲深度為2K，單片機SST89E564通過(guò)輪詢(xún)計數器54HC4040的BA10位，一旦發(fā)現此位變?yōu)楦唠娢?，便從雙端口數據存儲器中讀出數據，并把數據傳給USB接口送往PC機。其中，當雙端口存儲器IDT7024存滿(mǎn)2K個(gè)數據時(shí)便給計數器54HC4040發(fā)出清零信號，從此雙端口存儲器IDT7024進(jìn)行下一輪的2K數據存儲的過(guò)程。USB接口中的數據傳輸方式有控制傳輸、中斷傳輸、批量傳輸和同步傳輸。根據USB接口芯片 PDIUSBD12的特點(diǎn)，在此，USB數據傳輸采用非同步的批量傳輸方式，單片機SST89E564一次只能發(fā)送64字節的數據給USB接口芯片 PDIUSBD12。

　　應用時(shí)，數據采集系統置于被監控的設備處，通過(guò)傳感器對設備的電壓或者電流信號進(jìn)行采樣、保持，并送入A/D轉換器變成數字信號，然后將該信號送到FIFO中。當FIFO中存放的數據到了一定數目時(shí)，由ARM7從FIFO中讀出，然后通過(guò)ARM7的以太網(wǎng)接口或者RS232送給上位機?？紤]到要監控的設備可能會(huì )很多，所以設計了多路采集通道，他們經(jīng)過(guò)模擬開(kāi)關(guān)后再進(jìn)入A/D轉換器。CPLD是整個(gè)系統的控制核心，他控制采集通道的切換、A/D轉換器的啟/停、轉換后的數據在FIFO中的存放地址發(fā)生器、產(chǎn)生中斷請求以通知ARM7讀取存放在FIFO中的數據等。

　　B） 軟件設計

　　軟件部分的設計分為：數據采集板卡底層固件開(kāi)發(fā)、板卡的驅動(dòng)程序的開(kāi)發(fā)和上層應用程序的開(kāi)發(fā)。

　?。?）對于帶有USB接口的數據采集板卡的固件開(kāi)發(fā)，主要有主循環(huán)程序（發(fā)送USB請求、處理USB總線(xiàn)事件和自定義功能處理）、硬件提取層程序（對單片機的I/O口、數據總線(xiàn)等硬件接口進(jìn)行操作）、PDIUSBD12命令接口程序（對PDIUSBD12器件進(jìn)行操作的模塊子程序集）、中斷服務(wù)程序（當PDIUSBD12向單片機發(fā)出中斷請求時(shí)，讀取PDIUSBD12的中斷傳輸來(lái)的數據，并設定事件標志和Setup包數據緩沖區傳輸給主循環(huán)程序）和標準請求處理程序（對USB的標準設備請求進(jìn)行處理）。全部的程序都是用C51編寫(xiě)的，在這不列出具體的程序。

　?。?）在編好了單片機中的固件程序以后，進(jìn)行USB板卡的驅動(dòng)程序編寫(xiě)。開(kāi)發(fā)驅動(dòng)程序的工具有windriver、微軟提供的DDK和 Compuware的DriverStudio工具包，我們使用DriverStudio驅動(dòng)程序開(kāi)發(fā)工具，對于熟悉面向對象編程的軟件開(kāi)發(fā)員，DriverStudio是一個(gè)良好的驅動(dòng)開(kāi)發(fā)工具，并且開(kāi)發(fā)時(shí)間比較短。DriverStudio工具包中的DriverWorks提供了三個(gè)類(lèi)：KDriver、KPnpDevice和KPnpLowerDevice，這三個(gè)類(lèi)用于實(shí)現WDM驅動(dòng)程序的框架結構。

　　在用到以上類(lèi)外，開(kāi)發(fā)USB驅動(dòng)程序還用到了DriverWorks提供的三個(gè)用于實(shí)現USB設備操作的類(lèi)：KUsbLowerDevice、 KUsbInterface和KUsbPipe類(lèi)。其中，KPnpLowerDevice實(shí)例代表端點(diǎn)0,允許USB驅動(dòng)程序通過(guò)默認控制管道控制USB 設備，如配置USB設備，傳輸各種控制和狀態(tài)請求；KusbInterface類(lèi)的作用更多是結構上的而非功能上的，其成員函數幾乎不與實(shí)際物理設備交互作用，驅動(dòng)程序用這個(gè)類(lèi)獲取接口和管道信息；KusbPipe類(lèi)對應與管道，管道是主機和一個(gè)端點(diǎn)的信息連接，這個(gè)類(lèi)用于初始化管道信息和管道操作控制。驅動(dòng)程序代碼在此略。

　?。?）虛擬儀器軟面板的開(kāi)發(fā)在LABWINDOWS提供的CVI環(huán)境下完成的。這種圖形開(kāi)發(fā)環(huán)境比其它高級語(yǔ)言（C和VC）開(kāi)發(fā)的圖形界面不僅容易而且效果更好。并且這個(gè)工具提供了許多信號處理算法的功能模塊。如果有C或者VC編程基礎，可以在較短時(shí)間編寫(xiě)出比較完美的所要的應用程序。在這不列寫(xiě)出具體的程序。

　　3. 總論

　　自制便攜式虛擬儀器設計已經(jīng)完成，基本上能滿(mǎn)足我們所需的工程項目的測試要求，而且運行良好。證實(shí)了一種快速的、經(jīng)濟的和有效的虛擬儀器設計方法。便攜式虛擬儀器具有精度高、運行穩定、實(shí)時(shí)性好、抗干擾能力強、性?xún)r(jià)比高的特點(diǎn)。