基于PCI 总线多用虚拟仪器的开发与集成

摘要: 利用LabVIEW 虚拟仪器设计平台与PCI 总线数据采集卡构建了一个虚拟仪器系统。本文详细地介绍了利用美国NI 公司的LabVIEW 图形化编程语言, 进行虚拟仪器的开发, 包括系统硬件和软件的设计。该仪器具有数据采集, 波形显示, 参数测量, 频谱分析, 数据存储, 频率特性测试等多种功能。

关键词：虚拟仪器；PCI 总线；LabVIEW

引言

由于电子技术、计算机技术和网络技术的高速发展及其在电子测量技术与仪器领域中的应用, 新的测试理论、方法、领域及其新仪器结构不断出现, 电子测量仪器的功能和作用也发生了质的变化。在这种背景下, 20 世纪80 年代末, 美国成功地研制了虚拟仪器。虚拟仪器的实质是利用计算机显示器的显示功能模拟传统的控制面板, 以多种形式表达输出检测结果,利用计算机强大的软件功能实现信号的运算、分析和处理, 利用I/O 接口设备完成信号的采集、测量与调理、从而完成各种测试功能。

虚拟仪器的构成方式主要有5 种类型: ①DAQ 系统, 以数据采集板、信号调理电路及计算机为仪器硬件平台组成的插卡式虚拟仪器系统, 这种系统要用到PCI 和ISA 计算机总线, 使用时将数据采集卡插入计算机的空槽即可; ②GPIB 系统, 以GPIB 标准总线为仪器硬件平台组成的虚拟仪器测试系统; ③VXI 系统,以VXI 标准总线为平台组成的虚拟仪器系统; ④PXI系统, 以PXI 标准总线仪器模块与计算机为仪器硬件平台组成的虚拟仪器测试系统; ⑤串口系统, 以SERIAL标准总线为仪器硬件平台组成的虚拟仪器测试系统。

上述系统都是通过应用软件使仪器硬件与通用计算机结合。由于个人计算机巨大的用户拥有量, 因此对现有个人计算机进行改造, 扩大计算机的使用功能, 提高计算机的利用率就显得非常重要。在上述构成方案中, 基于个人计算机总线的测量系统是构成VI的最基本的方式, 也是最廉价的方式, 可以有效地利用当前用户已有的计算机。本虚拟仪器就是采用这种系统。

硬件模块设计

此虚拟仪器由一块基于PCI 总线的多功能数据采集卡和相应的软件组成, 将它们安装在一台运行的PC 机上, 即可构成一个功能强大的数字虚拟仪器。系统结构框图如图1 所示。


数据采集卡

PCI 总线是美国INTER 公司首选提出的一种先进的高性能局部总线, 可同时支持各组外围设备。PCI 总线以33MHz/66MHz 的时钟频率操作, 采用32/64 位地址/数据总线, 数据传输速率可高达132Mbps (33MHz/32 位), 且具有即插即用、低功耗、适应性强等特点。PCI 总线的基本传输机制是突发成组传输, 同时支持存储器空间和I/O 空间的突发传输, 而且PCI 总线独立于处理器, 采用总线主控和同步操作, 并且有极小的存取延时, 已成为微型机的总线标准。

基于计算机内部PCI 总线的插卡式数据采集系统是虚拟仪器最基本、最经济的构成形式。由于PCI总线传输速率高, 数据吞吐量大, 是数据采集卡设计的主流。基于PCI 总线的多功能数据采集控制卡是一块性价比较好的产品, 支持DMA 方式和双缓冲区模式, 保证了实时信号的不间断采集和存储。它支持单极和双极性模拟信号输入, 信号输入范围分别为-5v～+5v 和0~10v。提供16 路单端、8 路差动模拟输入通道, 2 路独立的D/A 输出通道, 24 线的TTL 型数字I/O, 3 个16 位定时计数器等多种功能。当然由于条件限制我们选择的PCI 卡的采样速率远不能达到信号带宽的要求。但目前市场上采样速率达200MS/s 的PCI 数据采集卡已有成熟产品, 所以技术上实现高带宽的虚拟数字仪器已不存在问题。实际测量是输入信号通过BNC 接头从输入端子进入数据采集卡进行数据采集同时用NI 公司提供的Measurement Automation进行简单的设置便可完成系统软件与数据采集卡之间的通讯。

软件模块设计

此虚拟仪器是采用模块化的软件设计思想来编写的, 每个功能的实现由一个模块完成, 系统软件总体上包括数据采集、波形显示、参数测量、频谱分析、数据存储和频率特性测试等六大模块, 其功能结构框图如图2 所示。


该仪器按功能可分为虚拟数字存储示波器、虚拟频谱分析仪、虚拟频率特性测试仪等三大部分。

虚拟数字存储示波器
虚拟数字示波器主要由软件控制完成信号的采集、处理和显示, 实现基于PCI 总线的数据采集、波形显示、参数测量及波形存储等功能。

数据采集模块
数据采集模块是虚拟示波器的软件的核心, 主要完成数据采集的控制, 包括触发控制、通道控制、时基控制等。其中触发控制包括触发模式、触发斜坡和触发电平控制, 通道控制主要控制哪一通道进行测量和频谱分析, 时基控制主要控制采集卡扫描率、每一通道扫描次数( 取样率) 。采集模块采用了功能模块→ Data Acquisition 子模块→Analog Input 子模块→AnalogInput Utilities 子模块中的AI Waveform Scan.vi 来控制PCI 数据采集卡进行数据采集。

波形显示模块
软件提供了波形显示模式, 通过显示通道选择按键可任意显示某一通道或两通道输入信号的波形。波形显示类型可选择频谱信号显示或时域信号显示, 还可根据需要进行线性显示。

参数测量模块
参数测量模块主要包括电压参数和频率、周期等几个时间参数的测量, 并显示其测量结果。其中与波形测试有关的几个参数是上升时间、下降时间、上冲、下冲、占空比等。

数据存储和回放模块
按键“写盘”控制是否进行数据存储; 按键“读盘”控制是否从数据文件中读取数据。主面板提供了两个文件名输入框, 前一个为信号波形数据文件名输入框, 后一个为采样周期文件名输入框, 这两个文件由写盘功能和读盘功能共用。从软盘或硬盘上读取的数据同实时采集的数据一样, 能够进行自动参数测量以及自动显示波形并保留在显示窗口, 还可以根据需要进行频谱分析。

虚拟频谱分析仪

频谱分析虚拟仪器的框图程序设计应用传统的设计思想, 即把数据的采集、分析和处理以及数据的显示置于一个循环体中。这样尽管有可能采集不到完整的数据波形, 但是分析并显示采集到的数据不会发生数据丢失或数据冗余的现象。对于测量频率不高的周期信号, 从理论和实践上都是完全可行的。在框图程序中有自功率谱分析、互功率谱分析模块, 构建实现不同功能的子VI 可以简化程序设计, 有利于VI 之间的调用和数据的传输。

频谱分析模块
分析模块采用快速FFT 算法, 完成频域信号分析。实现的频谱分析控制是:
ndows 选择, 提供了9 种频谱分析窗口;
g/linear 选择, 提供了2 种坐标显示模式;
splay unit 选择, 提供了8 种单位。
用户选择的不同, 该子模块可以在幅值和相位之间进行转换; 可以在不同的纵坐标单位之间进行转换; 还能够根据用户选用的分析功能的不同自动显示适当的横坐标, 如进行频谱分析时横坐标为Hz, 进行倒谱分析时横坐标为ms 等等。

虚拟频率特性测试仪

技术应用到虚拟仪器领域中是虚拟发展的一大趋势, 运用扫频技术的频率特性测试仪可以对被测网络进行快速地动态测试, 给出被测网络的阻抗和传输特性的实时测量结果。传统的模拟式扫频仪大多是用LC 电路构成扫频振荡器, 结构复杂且性价比低。虚拟频率特性测试仪系统是在NI 的虚拟仪器开发平台—LabVIEW上实现的, 其充分利用了计算机软、硬件资源和强大处理能力, 具有性价比高、操作简便、功能灵活等优点。若对一传递函数的线性系统输入一谐波信号,根据微分方程解的理论, 系统的稳态输出也为同一频率的谐波信号,只是幅值和相位发生了变化。对于给定系统, 其输出的幅值和相位都是输入信号频率的函数。将系统对输入为谐波时的稳态响应称为频率响应, 当输入信号频率不同时, 系统的响应也不同。系统的幅频特性和相频特性总称为系统的频率特性, 它也可以用实频和虚频两部分表示。系统频率特性分析就是分析其幅频特性和相频特性随频率变化的规律, 即在频域中研究系统的特性。

频率特性测试仪工作原理: 首先由主机启动扫频程序, 发出按时间步进的频率控制字序列经通信端口到控制电路,由其送入扫频源电路,从而产生出频率随时间在1—100MHZ 范围内变化的的恒幅扫频信号。信号通过被测网络或系统后, 其幅度将产生变化, 即扫频信号的畸变里包含着被测网络的网络信息( 被调幅) , 因此该调幅波的包络就是被测网络的幅频特性。调幅信号经A/D 部分至主机内的软件处理模块, 最终使被测网络的幅频特性显示在虚拟频率特性测试仪的前面板上。

结束语

算机强大的硬件资源和软件资源下, 利用LabVIEW 图形化编程语言, 实现了功能强大、操作方便的多功能虚拟仪器, 与传统仪器比较, 它有许多优点: 软件开发效率高、仪器开发时间短; 可操作性和可维护性好; 不动硬件即可通过软件重构产生新的仪器功能; 硬件具有开放性, 允许通过升级硬件来提高其性能。因为虚拟仪器有如此多的优点, 才使得虚拟仪器迅速发展, 成为未来仪器发展的一个重要方向。