淺談自制便攜式虛擬儀器的快速實現(xiàn)方法

1. 引言

　　隨著計算機軟硬件技術(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(xiàn)實，并且逐步得到日益廣泛的應(yīng)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(jié)合高效靈活的軟件來完成各種測試、測量和自動化的應(yīng)用。自1986年問世以來，世界各國的工程師和科學(xué)家們都已將NI LabVIEW圖形化開發(fā)工具用于產(chǎn)品設(shè)計周期的各個環(huán)節(jié)，從而改善了產(chǎn)品質(zhì)量、縮短了產(chǎn)品投放市場的時間，并提高了產(chǎn)品開發(fā)和生產(chǎn)效率。使用集成化的虛擬儀器環(huán)境與現(xiàn)實世界的信號相連，分析數(shù)據(jù)以獲取實用信息，共享信息成果，有助于在較大范圍內(nèi)提高生產(chǎn)效率。虛擬儀器提供的各種工具能滿足我們?nèi)魏雾椖啃枰?。實現(xiàn)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(shè)計

　　虛擬儀器技術(shù)是在PC技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，所以完全"繼承"了以現(xiàn)成即用的PC技術(shù)為主導(dǎo)的最新商業(yè)技術(shù)的優(yōu)點，包括功能超卓的處理器和文件I/O，使您在數(shù)據(jù)高速導(dǎo)入磁盤的同時就能實時地進行復(fù)雜的分析。此外，不斷發(fā)展的因特網(wǎng)和越來越快的計算機網(wǎng)絡(luò)使得虛擬儀器技術(shù)展現(xiàn)其更強大的優(yōu)勢。在仔細研究了虛擬儀器的設(shè)計制作后，不難發(fā)現(xiàn)虛擬儀器采用了現(xiàn)代計算機的外圍接口和數(shù)據(jù)處理軟件外，其數(shù)據(jù)采集部分硬件設(shè)計和傳統(tǒng)的儀器制作過程是相同的?？偟膩碚f，虛擬儀器的設(shè)計分硬件部分和軟件部分兩大塊設(shè)計。

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

　　虛擬儀器的硬件系統(tǒng)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。它管理著虛擬儀器的軟件資源，是虛擬儀器的硬件基礎(chǔ)。因此，計算機技術(shù)在顯示、存儲能力、處理器性能、網(wǎng)絡(luò)、總線標準等方面的發(fā)展，導(dǎo)致了虛擬儀器系統(tǒng)的快速發(fā)展。

　　A） 硬件的設(shè)計

　　虛擬儀器的好壞關(guān)鍵是硬件部分的設(shè)計，而硬件的關(guān)鍵是數(shù)據(jù)采集卡的設(shè)計。硬件部分主要是數(shù)據(jù)采集卡及其接口電路設(shè)計硬件部分完成信號的接受及模擬信號的預(yù)處理和轉(zhuǎn)換，經(jīng)模/數(shù)轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)送至計算機進行處理及結(jié)果顯示等硬件功能。數(shù)據(jù)采集卡是虛擬儀器的重要部件和唯一需要開發(fā)的硬件電路，其元件特性、電路結(jié)構(gòu)是決定虛擬儀器性能指標的主要因素。根據(jù)需設(shè)計的虛擬儀器的用途和性能要求，擬設(shè)計的數(shù)據(jù)采集板卡性能指標如下：①最大數(shù)據(jù)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(shù)模轉(zhuǎn)換器 MAXIM114，它的最大信號采集數(shù)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(diào)整器，它符合USB1.1版本規(guī)范，在批量模式和同步模式下均可實現(xiàn) 1MB/S的數(shù)據(jù)傳輸速率，能夠滿足擬設(shè)計的虛擬儀器的要求。整個板卡主要的電路原理設(shè)計如圖一所示。

　　圖 一

　　數(shù)據(jù)采集卡的工作原理：

　　數(shù)據(jù)采集（DAQ），是指從傳感器和其它待測設(shè)備等模擬和數(shù)字被測單元中自動采非電量或者電量信號，送到上位機中進行分析，處理。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是結(jié)合基于計算機或者其他專用測試平臺的測量軟硬件產(chǎn)品來實現(xiàn)靈活的、用戶自定義的測量系統(tǒng)。 數(shù)據(jù)采集卡，即實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集（DAQ）功能的計算機擴展卡，可以通過USB、PXI、PCI、PCI Express、火線（1394）、PCMCIA、ISA、CompactFlash、485、232、以太網(wǎng)、各種無線網(wǎng)絡(luò)等總線接入個人計算機。

　　首先，PC機上發(fā)出啟動數(shù)據(jù)采集的請求，MAXIM114開始進行信號采樣以及模數(shù)轉(zhuǎn)換，模數(shù)轉(zhuǎn)換后的結(jié)果存儲到雙端口存儲器IDT7024 中，IDT7024的存儲深度為2K，單片機SST89E564通過輪詢計數(shù)器54HC4040的BA10位，一旦發(fā)現(xiàn)此位變?yōu)楦唠娢唬銖碾p端口數(shù)據(jù)存儲器中讀出數(shù)據(jù)，并把數(shù)據(jù)傳給USB接口送往PC機。其中，當(dāng)雙端口存儲器IDT7024存滿2K個數(shù)據(jù)時便給計數(shù)器54HC4040發(fā)出清零信號，從此雙端口存儲器IDT7024進行下一輪的2K數(shù)據(jù)存儲的過程。USB接口中的數(shù)據(jù)傳輸方式有控制傳輸、中斷傳輸、批量傳輸和同步傳輸。根據(jù)USB接口芯片 PDIUSBD12的特點，在此，USB數(shù)據(jù)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(jié)的數(shù)據(jù)給USB接口芯片 PDIUSBD12。

　　應(yīng)用時，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)置于被監(jiān)控的設(shè)備處，通過傳感器對設(shè)備的電壓或者電流信號進行采樣、保持，并送入A/D轉(zhuǎn)換器變成數(shù)字信號，然后將該信號送到FIFO中。當(dāng)FIFO中存放的數(shù)據(jù)到了一定數(shù)目時，由ARM7從FIFO中讀出，然后通過ARM7的以太網(wǎng)接口或者RS232送給上位機。考慮到要監(jiān)控的設(shè)備可能會很多，所以設(shè)計了多路采集通道，他們經(jīng)過模擬開關(guān)后再進入A/D轉(zhuǎn)換器。CPLD是整個系統(tǒng)的控制核心，他控制采集通道的切換、A/D轉(zhuǎn)換器的啟/停、轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)等。

　　B） 軟件設(shè)計

　　軟件部分的設(shè)計分為：數(shù)據(jù)采集板卡底層固件開發(fā)、板卡的驅(qū)動程序的開發(fā)和上層應(yīng)用程序的開發(fā)。

　?。?）對于帶有USB接口的數(shù)據(jù)采集板卡的固件開發(fā)，主要有主循環(huán)程序（發(fā)送USB請求、處理USB總線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(shù)據(jù)總線等硬件接口進行操作）、PDIUSBD12命令接口程序（對PDIUSBD12器件進行操作的模塊子程序集）、中斷服務(wù)程序（當(dāng)PDIUSBD12向單片機發(fā)出中斷請求時，讀取PDIUSBD12的中斷傳輸來的數(shù)據(jù)，并設(shè)定事件標志和Setup包數(shù)據(jù)緩沖區(qū)傳輸給主循環(huán)程序）和標準請求處理程序（對USB的標準設(shè)備請求進行處理）。全部的程序都是用C51編寫的，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，進行USB板卡的驅(qū)動程序編寫。開發(fā)驅(qū)動程序的工具有windriver、微軟提供的DDK和 Compuware的DriverStudio工具包，我們使用DriverStudio驅(qū)動程序開發(fā)工具，對于熟悉面向?qū)ο缶幊痰能浖_發(fā)員，DriverStudio是一個良好的驅(qū)動開發(fā)工具，并且開發(fā)時間比較短。DriverStudio工具包中的DriverWorks提供了三個類：KDriver、KPnpDevice和KPnpLowerDevice，這三個類用于實現(xiàn)WDM驅(qū)動程序的框架結(jié)構(gòu)。

　　在用到以上類外，開發(fā)USB驅(qū)動程序還用到了DriverWorks提供的三個用于實現(xiàn)USB設(shè)備操作的類：KUsbLowerDevice、 KUsbInterface和KUsbPipe類。其中，KPnpLowerDevice實例代表端點0,允許USB驅(qū)動程序通過默認控制管道控制USB 設(shè)備，如配置USB設(shè)備，傳輸各種控制和狀態(tài)請求；KusbInterface類的作用更多是結(jié)構(gòu)上的而非功能上的，其成員函數(shù)幾乎不與實際物理設(shè)備交互作用，驅(qū)動程序用這個類獲取接口和管道信息；KusbPipe類對應(yīng)與管道，管道是主機和一個端點的信息連接，這個類用于初始化管道信息和管道操作控制。驅(qū)動程序代碼在此略。

　?。?）虛擬儀器軟面板的開發(fā)在LABWINDOWS提供的CVI環(huán)境下完成的。這種圖形開發(fā)環(huán)境比其它高級語言（C和VC）開發(fā)的圖形界面不僅容易而且效果更好。并且這個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(chǔ)，可以在較短時間編寫出比較完美的所要的應(yīng)用程序。在這不列寫出具體的程序。

　　3. 總論

　　自制便攜式虛擬儀器設(shè)計已經(jīng)完成，基本上能滿足我們所需的工程項目的測試要求，而且運行良好。證實了一種快速的、經(jīng)濟的和有效的虛擬儀器設(shè)計方法。便攜式虛擬儀器具有精度高、運行穩(wěn)定、實時性好、抗干擾能力強、性價比高的特點。