自制便攜式虛擬儀器的一種快速實現(xiàn)方法

　　1. 引言

　　隨著計算機(jī)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?？偟膩碚f，虛擬儀器是計算機(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單的顯示界面，虛擬儀器借助于 PC計算機(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;對于數(shù)據(jù)處理，應(yīng)用計算機(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)計分析和數(shù)值計算），而不像傳統(tǒng)儀器那樣，其數(shù)據(jù)處理功能固定。

　　目前，國內(nèi)外許多公司（比如美國的NI公司）都有相當(dāng)優(yōu)良的虛擬儀器產(chǎn)品，然而其價格之高，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)計適合自身需要的虛擬儀器的全過程。實現(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

　　虛擬儀器是以計算機(jī)硬件為平臺，以傳感器、模塊化硬件接口卡以及測量軟件構(gòu)成的虛實相結(jié)合的測量系統(tǒng)。虛擬儀器的數(shù)據(jù)和控制信號必須通過計算機(jī)總線來獲取和傳輸?，F(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)計制作后，不難發(fā)現(xiàn)虛擬儀器采用了現(xiàn)代計算機(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(jī)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(jī)接口技術(shù)送往計算機(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(jī)箱內(nèi)環(huán)境的干擾，而且受計算機(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。

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

　　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(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(biāo)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。