自制便攜式虛擬儀器的快速實(shí)現(xiàn)方法

　　1.引言

　　隨著計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)和信號(hào)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(shí)，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。總的來(lái)說(shuō)，虛擬儀器是計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)的產(chǎn)物。與傳統(tǒng)儀器相比，它改變了以往的按鈕、按鍵和旋鈕等的操作方式和簡(jiǎn)單的顯示界面，虛擬儀器借助于PC計(jì)算機(jī)WINDOWS操作系統(tǒng)強(qiáng)大的圖形功能，使人機(jī)交互的操作更加友好和便捷;對(duì)于數(shù)據(jù)處理，應(yīng)用計(jì)算機(jī)軟件的強(qiáng)大功能可以靈活地選擇所需要的算法處理（數(shù)字濾波、統(tǒng)計(jì)分析和數(shù)值計(jì)算），而不像傳統(tǒng)儀器那樣，其數(shù)據(jù)處理功能固定。

　　目前，國(guó)內(nèi)外許多公司（比如美國(guó)的NI公司）都有相當(dāng)優(yōu)良的虛擬儀器產(chǎn)品，然而其價(jià)格之高，讓我們這些高校科研室的工作者們“敬而遠(yuǎn)之”。然而，隨著電子元器件產(chǎn)品的不斷高密度集成化以及計(jì)算機(jī)軟件工具開發(fā)的日益多樣性和開放性，這些科技技術(shù)發(fā)展為我們自研自制虛擬儀器提供了良好的開發(fā)手段和方法。本文詳細(xì)介紹了自行設(shè)計(jì)適合自身需要的虛擬儀器的全過(guò)程。實(shí)現(xiàn)了自制虛擬儀器的可行性、經(jīng)濟(jì)性、快速性和便攜性。

　　2.整體設(shè)計(jì)

　　虛擬儀器是以計(jì)算機(jī)硬件為平臺(tái)，以傳感器、模塊化硬件接口卡以及測(cè)量軟件構(gòu)成的虛實(shí)相結(jié)合的測(cè)量系統(tǒng)。虛擬儀器的數(shù)據(jù)和控制信號(hào)必須通過(guò)計(jì)算機(jī)總線來(lái)獲取和傳輸。現(xiàn)有的虛擬儀器大多建立在PC、PCI、ISA等并行通用總線或IEEE488、VXI、PXI等儀器專用總線的基礎(chǔ)上。在仔細(xì)研究了虛擬儀器的設(shè)計(jì)制作后，不難發(fā)現(xiàn)虛擬儀器采用了現(xiàn)代計(jì)算機(jī)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(jì)和傳統(tǒng)的儀器制作過(guò)程是相同的?？偟膩?lái)說(shuō)，虛擬儀器的設(shè)計(jì)分硬件部分和軟件部分兩大塊設(shè)計(jì)。

　　無(wú)論是傳統(tǒng)的儀器還是虛擬儀器都少不了信號(hào)采集部分，傳統(tǒng)的儀器把信號(hào)采集后加以信號(hào)處理并直接顯示出來(lái)，沒(méi)有和計(jì)算機(jī)交互的過(guò)程。虛擬儀器是將信號(hào)采集后的結(jié)果利用計(jì)算機(jī)接口技術(shù)送往計(jì)算機(jī)進(jìn)行后期的處理和顯示。所以我們的虛擬儀器的硬件設(shè)計(jì)包括數(shù)據(jù)采集板卡和板卡接口的設(shè)計(jì)。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(jī)箱內(nèi)環(huán)境的干擾，而且受計(jì)算機(jī)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(shí)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(diǎn)，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(shí)間較短，能夠?qū)崿F(xiàn)便攜式的要求。因而我們擬設(shè)計(jì)的虛擬儀器的硬件板卡是帶有USB接口的數(shù)據(jù)采集卡。

　　虛擬儀器軟件部分的設(shè)計(jì)包括硬件板卡底層固件、板卡驅(qū)動(dòng)程序、上層信號(hào)處理程序以及顯示操作面板設(shè)計(jì)。其中，驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)采用DriverStudio驅(qū)動(dòng)程序開發(fā)工具，采用美國(guó)NI公司的WINDOWS/CVI進(jìn)行信號(hào)處理顯示和用戶操作面板的設(shè)計(jì)。

　　A）硬件的設(shè)計(jì)

　　虛擬儀器的好壞關(guān)鍵是硬件部分的設(shè)計(jì)，而硬件的關(guān)鍵是數(shù)據(jù)采集卡的設(shè)計(jì)。硬件部分主要是數(shù)據(jù)采集卡及其接口電路設(shè)計(jì)硬件部分完成信號(hào)的接受及模擬信號(hào)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(jì)算機(jī)進(jìn)行處理及結(jié)果顯示等硬件功能。數(shù)據(jù)采集卡和PC機(jī)是虛擬儀器的基本硬件，是應(yīng)用軟件的物理環(huán)境。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(biāo)的主要因素。根據(jù)需設(shè)計(jì)的虛擬儀器的用途和性能要求，擬設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)采集板卡性能指標(biāo)如下：①最大數(shù)據(jù)采集率為1MSPS;②信號(hào)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(hào)采集數(shù)率為1MSPS。對(duì)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(chǔ)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(shí)現(xiàn)1MB/S的數(shù)據(jù)傳輸速率，能夠滿足擬設(shè)計(jì)的虛擬儀器的要求。整個(gè)板卡主要的電路原理設(shè)計(jì)如圖一所示。



　　圖一

　　數(shù)據(jù)采集卡的工作原理：

　　首先，PC機(jī)上發(fā)出啟動(dòng)數(shù)據(jù)采集的請(qǐng)求，MAXIM114開始進(jìn)行信號(hào)采樣以及模數(shù)轉(zhuǎn)換，模數(shù)轉(zhuǎn)換后的結(jié)果存儲(chǔ)到雙端口存儲(chǔ)器IDT7024中，IDT7024的存儲(chǔ)深度為2K，單片機(jī)SST89E564通過(guò)輪詢計(jì)數(shù)器54HC4040的BA10位，一旦發(fā)現(xiàn)此位變?yōu)楦唠娢?，便從雙端口數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中讀出數(shù)據(jù)，并把數(shù)據(jù)傳給USB接口送往PC機(jī)。其中，當(dāng)雙端口存儲(chǔ)器IDT7024存滿2K個(gè)數(shù)據(jù)時(shí)便給計(jì)數(shù)器54HC4040發(fā)出清零信號(hào)，從此雙端口存儲(chǔ)器IDT7024進(jìn)行下一輪的2K數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的過(guò)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(diǎn)，在此，USB數(shù)據(jù)傳輸采用非同步的批量傳輸方式，單片機(jī)SST89E564一次只能發(fā)送64字節(jié)的數(shù)據(jù)給USB接口芯片PDIUSBD12。

　　B）軟件設(shè)計(jì)

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

　?。?）對(duì)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(qǐng)求、處理USB總線事件和自定義功能處理）、硬件提取層程序（對(duì)單片機(jī)的I/O口、數(shù)據(jù)總線等硬件接口進(jìn)行操作）、PDIUSBD12命令接口程序（對(duì)PDIUSBD12器件進(jìn)行操作的模塊子程序集）、中斷服務(wù)程序（當(dāng)PDIUSBD12向單片機(jī)發(fā)出中斷請(qǐng)求時(shí)，讀取PDIUSBD12的中斷傳輸來(lái)的數(shù)據(jù)，并設(shè)定事件標(biāo)志和Setup包數(shù)據(jù)緩沖區(qū)傳輸給主循環(huán)程序）和標(biāo)準(zhǔn)請(qǐng)求處理程序（對(duì)USB的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備請(qǐng)求進(jìn)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(jī)中的固件程序以后，進(jìn)行USB板卡的驅(qū)動(dòng)程序編寫。開發(fā)驅(qū)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(qū)動(dòng)程序開發(fā)工具，對(duì)于熟悉面向?qū)ο缶幊痰能浖_發(fā)員，DriverStudio是一個(gè)良好的驅(qū)動(dòng)開發(fā)工具，并且開發(fā)時(shí)間比較短。DriverStudio工具包中的DriverWorks提供了三個(gè)類：KDriver、KPnpDevice和KPnpLowerDevice，這三個(gè)類用于實(shí)現(xiàn)WDM驅(qū)動(dòng)程序的框架結(jié)構(gòu)。

　　在用到以上類外，開發(fā)USB驅(qū)動(dòng)程序還用到了DriverWorks提供的三個(gè)用于實(shí)現(xiàn)USB設(shè)備操作的類：KUsbLowerDevice、KUsbInterface和KUsbPipe類。其中，KPnpLowerDevice實(shí)例代表端點(diǎn)0,允許USB驅(qū)動(dòng)程序通過(guò)默認(rèn)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(qǐng)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(shí)際物理設(shè)備交互作用，驅(qū)動(dòng)程序用這個(gè)類獲取接口和管道信息;KusbPipe類對(duì)應(yīng)與管道，管道是主機(jī)和一個(gè)端點(diǎn)的信息連接，這個(gè)類用于初始化管道信息和管道操作控制。驅(qū)動(dòng)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(jí)語(yǔ)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(gè)工具提供了許多信號(hào)處理算法的功能模塊。用戶可以在應(yīng)用控制面板上自由組合所需要的信號(hào)處理功能。能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)處理和信號(hào)較正確的實(shí)時(shí)顯示的效果。如果有C或者VC編程基礎(chǔ)，可以在較短時(shí)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(jì)已經(jīng)完成，基本上能滿足我們所需的工程項(xiàng)目的測(cè)試要求，而且運(yùn)行良好。證實(shí)了一種快速的、經(jīng)濟(jì)的和有效的虛擬儀器設(shè)計(jì)方法。但是在虛擬儀器精度和實(shí)時(shí)顯示功能方面還是有待提高，這是在和大公司的虛擬儀器相比下的不足之處。這些值得我們繼續(xù)深入鉆研的地方。