自制便攜式虛擬儀器的一種快速實現(xiàn)方法

　　1. 引言

　　隨著計算機軟硬件技術和信號處理技術的迅速發(fā)展，不僅使得已經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用和廣大科學工作者以及工程人員的青睞。總的來說，虛擬儀器是計算機軟硬件技術的產物。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WINDOWS操作系統(tǒng)強大的圖形功能，使人機交互的操作更加友好和便捷;對于數(shù)據處理，應用計算機軟件的強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)據處理功能固定。

　　目前，國內外許多公司（比如美國的NI公司）都有相當優(yōu)良的虛擬儀器產品，然而其價格之高，讓我們這些高校科研室的工作者們“敬而遠之”。然而，隨著電子元器件產品的不斷高密度集成化以及計算機軟件工具開發(fā)的日益多樣性和開放性，這些科技技術發(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。本文詳細介紹了自行設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、經濟性、快速性和便攜性。

　　2. 整體設計

　　虛擬儀器是以計算機硬件為平臺，以傳感器、模塊化硬件接口卡以及測量軟件構成的虛實相結合的測量系統(tǒng)。虛擬儀器的數(shù)據和控制信號必須通過計算機總線來獲取和傳輸。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上。在仔細研究了虛擬儀器的設計制作后，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)據處理軟件外，其數(shù)據采集部分硬件設計和傳統(tǒng)的儀器制作過程是相同的。總的來說，虛擬儀器的設計分硬件部分和軟件部分兩大塊設計。

　　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果利用計算機接口技術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計包括數(shù)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（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(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，能夠實現(xiàn)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(shù)據采集卡。

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

　　A） 硬件的設計

　　虛擬儀器的好壞關鍵是硬件部分的設計，而硬件的關鍵是數(shù)據采集卡的設計。硬件部分主要是數(shù)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，經模/數(shù)轉換的數(shù)據送至計算機進行處理及結果顯示等硬件功能。數(shù)據采集卡和PC機是虛擬儀器的基本硬件，是應用軟件的物理環(huán)境。數(shù)據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(shù)據采集板卡性能指標如下：①最大數(shù)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(shù)模轉換器 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)據傳輸速率，能夠滿足擬設計的虛擬儀器的要求。整個板卡主要的電路原理設計如圖一所示。