自制便携式虚拟仪器的一种快速实现方法

　　1. 引言

　　随着计算机软硬件技术和信号处理技术的迅速发展，不仅使得已经提出多年的虚拟仪器成为现实，并且逐步得到日益广泛的应用和广大科学工作者以及工程人员的青睐。总的来说，虚拟仪器是计算机软硬件技术的产物。与传统仪器相比，它改变了以往的按钮、按键和旋钮等的操作方式和简单的显示界面，虚拟仪器借助于 PC计算机WINDOWS操作系统强大的图形功能，使人机交互的操作更加友好和便捷;对于数据处理，应用计算机软件的强大功能可以灵活地选择所需要的算法处理（数字滤波、统计分析和数值计算），而不像传统仪器那样，其数据处理功能固定。

　　目前，国内外许多公司（比如美国的NI公司）都有相当优良的虚拟仪器产品，然而其价格之高，让我们这些高校科研室的工作者们“敬而远之”。然而，随着电子元器件产品的不断高密度集成化以及计算机软件工具开发的日益多样性和开放性，这些科技技术发展为我们自研自制虚拟仪器提供了良好的开发手段和方法。本文详细介绍了自行设计适合自身需要的虚拟仪器的全过程。实现了自制虚拟仪器的可行性、经济性、快速性和便携性。

　　2. 整体设计

　　虚拟仪器是以计算机硬件为平台，以传感器、模块化硬件接口卡以及测量软件构成的虚实相结合的测量系统。虚拟仪器的数据和控制信号必须通过计算机总线来获取和传输。现有的虚拟仪器大多建立在PC、PCI、ISA等并行通用总线或IEEE488、VXI、PXI等仪器专用总线的基础上。在仔细研究了虚拟仪器的设计制作后，不难发现虚拟仪器采用了现代计算机的外围接口和数据处理软件外，其数据采集部分硬件设计和传统的仪器制作过程是相同的。总的来说，虚拟仪器的设计分硬件部分和软件部分两大块设计。

　　无论是传统的仪器还是虚拟仪器都少不了信号采集部分，传统的仪器把信号采集后加以信号处理并直接显示出来，没有和计算机交互的过程。虚拟仪器是将信号采集后的结果利用计算机接口技术送往计算机进行后期的处理和显示。所以我们的虚拟仪器的硬件设计包括数据采集板卡和板卡接口的设计。如果板卡接口采用并行总线（PCI、ISA等），那么板卡装卸麻烦，易受到机箱内环境的干扰，而且受计算机插槽数量、电源功率以及地址、中断资源的限制;如果使用专用的仪器总线，其成本和时间上受限制。在此我们采用USB总线作为硬件板卡接口，USB总线解决了一般通用总线的缺点，具有速度快、连线少、即插即用、自带电源以及支持热插拔等特性，并且其开发时间较短，能够实现便携式的要求。因而我们拟设计的虚拟仪器的硬件板卡是带有USB接口的数据采集卡。

　　虚拟仪器软件部分的设计包括硬件板卡底层固件、板卡驱动程序、上层信号处理程序以及显示操作面板设计。其中，驱动程序设计采用DriverStudio驱动程序开发工具，采用美国NI公司的WINDOWS/CVI进行信号处理显示和用户操作面板的设计。

　　A） 硬件的设计

　　虚拟仪器的好坏关键是硬件部分的设计，而硬件的关键是数据采集卡的设计。硬件部分主要是数据采集卡及其接口电路设计硬件部分完成信号的接受及模拟信号的预处理和转换，经模/数转换的数据送至计算机进行处理及结果显示等硬件功能。数据采集卡和PC机是虚拟仪器的基本硬件，是应用软件的物理环境。数据采集卡是虚拟仪器的重要部件和唯一需要开发的硬件电路，其元件特性、电路结构是决定虚拟仪器性能指标的主要因素。根据需设计的虚拟仪器的用途和性能要求，拟设计的数据采集板卡性能指标如下：①最大数据采集率为1MSPS;②信号输入范围为+40伏～-40伏，。我们选用了美信MAXIM公司的数模转换器 MAXIM114，它的最大信号采集数率为1MSPS。对于USB接口芯片，我们采用Philips公司的PDIUSBD12芯片，PDIUSBD12芯片是高性能USB接口芯片，集成了SIE、FIFO存储器、收发器以及电压调整器，它符合USB1.1版本规范，在批量模式和同步模式下均可实现 1MB/S的数据传输速率，能够满足拟设计的虚拟仪器的要求。整个板卡主要的电路原理设计如图一所示。

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　　图 一

　　数据采集卡的工作原理：

　　首先，PC机上发出启动数据采集的请求，MAXIM114开始进行信号采样以及模数转换，模数转换后的结果存储到双端口存储器IDT7024 中，IDT7024的存储深度为2K，单片机SST89E564通过轮询计数器54HC4040的BA10位，一旦发现此位变为高电位，便从双端口数据存储器中读出数据，并把数据传给USB接口送往PC机。其中，当双端口存储器IDT7024存满2K个数据时便给计数器54HC4040发出清零信号，从此双端口存储器IDT7024进行下一轮的2K数据存储的过程。USB接口中的数据传输方式有控制传输、中断传输、批量传输和同步传输。根据USB接口芯片 PDIUSBD12的特点，在此，USB数据传输采用非同步的批量传输方式，单片机SST89E564一次只能发送64字节的数据给USB接口芯片 PDIUSBD12。

　　B） 软件设计

　　软件部分的设计分为：数据采集板卡底层固件开发、板卡的驱动程序的开发和上层应用程序的开发。

　　（1）对于带有USB接口的数据采集板卡的固件开发，主要有主循环程序（发送USB请求、处理USB总线事件和自定义功能处理）、硬件提取层程序（对单片机的I/O口、数据总线等硬件接口进行操作）、PDIUSBD12命令接口程序（对PDIUSBD12器件进行操作的模块子程序集）、中断服务程序（当PDIUSBD12向单片机发出中断请求时，读取PDIUSBD12的中断传输来的数据，并设定事件标志和Setup包数据缓冲区传输给主循环程序）和标准请求处理程序（对USB的标准设备请求进行处理）。全部的程序都是用C51编写的，在这不列出具体的程序。

　　（2）在编好了单片机中的固件程序以后，进行USB板卡的驱动程序编写。开发驱动程序的工具有windriver、微软提供的DDK和 Compuware的DriverStudio工具包，我们使用DriverStudio驱动程序开发工具，对于熟悉面向对象编程的软件开发员，DriverStudio是一个良好的驱动开发工具，并且开发时间比较短。DriverStudio工具包中的DriverWorks提供了三个类：KDriver、KPnpDevice和KPnpLowerDevice，这三个类用于实现WDM驱动程序的框架结构。

　　在用到以上类外，开发USB驱动程序还用到了DriverWorks提供的三个用于实现USB设备操作的类：KUsbLowerDevice、 KUsbInterface和KUsbPipe类。其中，KPnpLowerDevice实例代表端点0,允许USB驱动程序通过默认控制管道控制USB 设备，如配置USB设备，传输各种控制和状态请求;KusbInterface类的作用更多是结构上的而非功能上的，其成员函数几乎不与实际物理设备交互作用，驱动程序用这个类获取接口和管道信息;KusbPipe类对应与管道，管道是主机和一个端点的信息连接，这个类用于初始化管道信息和管道操作控制。驱动程序代码在此略。

　　（3）虚拟仪器软面板的开发在LABWINDOWS提供的CVI环境下完成的。这种图形开发环境比其它高级语言（C和VC）开发的图形界面不仅容易而且效果更好。并且这个工具提供了许多信号处理算法的功能模块。用户可以在应用控制面板上自由组合所需要的信号处理功能。能够实现数据处理和信号较正确的实时显示的效果。如果有C或者VC编程基础，可以在较短时间编写出比较完美的所要的应用程序。在这不列写出具体的程序。

　　3. 总论

　　自制便携式虚拟仪器设计已经完成，基本上能满足我们所需的工程项目的测试要求，而且运行良好。证实了一种快速的、经济的和有效的虚拟仪器设计方法。但是在虚拟仪器精度和实时显示功能方面还是有待提高，这是在和大公司的虚拟仪器相比下的不足之处。这些值得我们继续深入钻研的地方。

　　参考文献：

　　[1] 沈兰荪 高速数据采集系统的原理与应用 人民邮电出版社，1995

　　[2] 邱寄帆 虚拟数字存储示波器高速数据采集卡的设计与实现 电测与仪表，2001年第6期

　　[3] 张风均等 LabWindows/CVI 开发入门和进阶 .北京:北京航空航天大学出版社，2001

　　[4] Walter Oney Programming the Windows Driver Model MicroSoft Press ，1999