网络化虚拟测控系统的设计

摘要：为满足计算机专业教学和测控仪器开发的需要，设计了基于网络、虚拟仪器和SOPC技术的网络化虚拟测控系统。该系统由PCI接口卡、基于NiosII软核的SOPC数据采集系统组成，使用Labview技术构建了C／S模式的远程数据采集和管理体系结构，并基于Windows DDK与VC++语言开发了PCI接口驱动程序。实际应用表明，该系统具有开放性、灵活性以及易用性等优点，达到了预期目的。
关键词：测控系统；虚拟仪器；SOPC；PCI接口卡

随着信息技术的发展，社会对测控仪器的需求不断增加，因而对计算机软硬件综合设计和开发能力的要求也越来越高。然而，计算机专业普遍存在“重软轻硬”的现象，学生综合应用计算机专业知识能力和测控产品开发能力较差，降低了学生的就业竞争力和发展潜力。针对上述问题，基于提高计算机应用系统综合设计能力要求，充分利用自动测试技术、计算机技术、网络通信技术，结合科研和测控仪器开发的需要，适应测控仪器向网络化、虚拟化、集成化方向发展的趋势，设计了网络化虚拟测控系统。
网络化虚拟测控系统基于Labview环境下开发的，从机为基于Nios II软核微处理机系统的片上系统(SOPC)，其主要功能为多通道模拟信号的采集、外部设备控制、与主机的通信、传感器信号调理等；主机主要完成外部信号、数据处理与存储、系统参数设置、显示以及人机交互等。整个系统设计工作包括PCI接口卡设计及其驱动程序设计、虚拟仪器应用软件和SOPC系统定制、仿真及其从机软件设计。该系统不仅提供二次开发接口，而且能够配置、自动检测外部设备变化，能够应用于科研、教学和实际测控，具有很强的灵活性、先进性和应用价值。

1 网络化虚拟测控系统的设计
1．1 测控系统的总体设计
借鉴虚拟仪器思想，把虚拟仪器技术引入测控系统，组成以SOPC系统可配置数据采集模块、PCI总线接口卡、虚拟仪器应用软件于一体的网络化虚拟测控系统(如图1所示)。系统的硬件设计包括PCI接口卡设计、基于NIOS Il软核的SOPC硬件系统的定制；软件系统设计包括PCI接口卡驱动程序、SOPC软件以及虚拟仪器应用软件、管理软件的设计。虚拟仪器应用软件主要完成数字信号处理、分析、显示以及存储，服务器端软件，多通道数据采集参数与工作方式的设置；管理软件提供上传、下载以及与仪器的无缝连接。为降低系统的开发难度、提高系统的可靠性和使用性，系统软件基于虚拟仪器软件Labview与Matlab混合编程方法，充分利用了Lalbview软件的强大数据采集、分析与表达、图形表示能力以及Matlab语言的丰富的工具箱和强大的计算能力，简化了仪器软件的编程，缩短了开发时间。主机系统通过PCI接口卡与SOPC系统进行的信息交换，SOPC系统可以独立工作以及外部设备进行通信，有效降低分布式测控系统的成本。

1．2 硬件系统设计
虚拟测控系统硬件系统包括PCI接口卡和基于Nios II的嵌入式SOPC系统。PCI接口卡采用PLX公司生产的PCI9054接口芯片，采用PCI9054局部总线工作模式C，该模式时序控制比较简单，非复用32位地址／数据总线，PCI总线通过PCI9054内部FIFO实现对局部总线进行单周期的I／O读写操作，支持DMA操作。为提高计算机与SOPC系统之间的数据传输效率，借鉴文献的设计方法，PCI接口卡使用2片双向FIFO存储器IDT7 204(4kx9)实现支持DMA操作，分别用于PCI总线读写数据，其读写逻辑信号FPGA实现，DMA传输时序如图2所示，其对应的FPGA读写逻辑状态图可表示为图3所示。

相对于PCI9054，HOLD、ADS#、BLAST、LWR#、LA[31．．2]为输出信号，READY#、LHOLDA为输入信号，LD[31．．0]是双向信号。由于本实验仪器数据传输宽度为8位，局部地址线最低2位LA0和LA1分别由BE0和BE1信号提供，数据对齐方式采用大端模式(由BIGEND#引脚及寄存器决定的)。对Local端为I／O类型的引脚，需要根据实际情况和引脚极性上拉或下拉电阻，如ADS#、HOLD、局部地址信号等。图3中DMA方式读数据逻辑状态图转换描述如下：当检测到HOLD=1时，在下个时钟周期赋值HOLDA=1，转到状态S1；ADS#下降沿到达时，从LA[31．．2]及BE1、BE0读取地址，转到状态S2；如果LWR#=1(读数据)且BLAST=1、READY#=0，转到状态S3；在下一个时钟周期上升沿从本地数据总线LD[0．．7]把数据读入到PC19054内部，循环读取数据直至BLAST信号下降沿出现，转到S4；如果HOLD=1、HOLDA=1，则转到S1，否则转到S0。
SOPC系统使用CYCLONEII系列可编程逻辑器件EP2C5F256C8，通过SOPC Builder定制和仿真NioslI微处理器及其外围系统，包括软核CPU、并行输入输出(PIO)、多通道A／D及D／A转换控制逻辑、UART串行接口、网络控制逻辑、计数器／定时器、双口FIFO控制器、SRAM控制器以及FLAS H控制器等外围设备组成等。其中，PIO用于SOPC系统与外部设备的数字量输入输出；网络控制逻辑与以太网接口芯片LAN91C111实现SO PC系统与外部设备之间的网络通信。LAN91C111是SMSC公司生产的10M／100M以太网接口控制芯片，它通过8、16、32位总线与嵌入系统连接，是理想的NIOSII微处理系统以太网解决方案。上述接口控制逻辑均由SOPC Builder工具选择相应的IP核及其相应的VHDL，通过编译整个系统建立一个完整的嵌入式系统。SOPC系统不仅接收主机命令以及数据传输，而且可以与其他外部设备进行通信。
为保证测控系统的可靠性和通用性，电路设计采用以下关键技术：
1)多通道模拟信号采集与控制该模块由输入信号差模转换电路、8选1模拟开关MPC508A、AD公司的集成程控信号放大器AD620、跟随器、1片采样速率高达2．2 MHz、14位高速模数转换器MAX1201、缓冲驱动电路以及光电耦合隔离器TIL300电路组成。其工作过程为，多路输入模拟量(0～5V)首先由低噪声、宽频带运算放大器MAX4108组成差分电路把传感器信号转化为差分信号来消除电路干扰，并由模拟选择开关ADG526A选通一路模拟信号，然后经过程控信号放大器AD620放大同时使输入信号由差分转化为单端信号进入A／D转换器MAX1201。MAX1201输出的数字信号经过光电耦合隔离器进入FIFO缓冲区，缓冲区满时通过向单片机或PC机发出中断请求信号实现数据的读取。
程控信号放大器AD620的增益放大倍数有×1、×2、×10、×100、×1 000五档，由FPGA中的信号通道控制逻辑控制AD620的放大倍数，提高对传感器信号的适应性。模数转换器MAX1201内部有数字误差自校正和自校正功能，具有良好的信噪比和抗谐波失真特性。差分转换电路不仅能够提高抗干扰性能，而且还可以增大信号的量程。采用A／D转换器MAX1201的目的是，提高信号的转换精度，并且接口电路简单、便于与FIFO连接。MAX1201的工作方式分为程序启动、外部触发信号启动。A／D转换速率由SOPC系统定时器产生的波形频率控制，根据A／D转换结束标志由FPGA中的采样控制逻辑自动完成采样数据的存储。
2)电路隔离实验系统由模拟数字混合电路组成，存在大量的干扰。比如前置电路部分存在共模干扰和差模干扰，数字系统的高频干扰容易进入模拟部分，外设信号还常常会受到电源波动、强脉冲等干扰。上述干扰不仅会影响模拟信号采集的精度，严重时会影响电路的稳定性乃至计算机的工作。因此，实验系统需要对所有的输入、输出信号均进行了隔离。
本文基于线性光耦TIL300模拟量输入输出实现隔离(如图4a)，其中，U1A、U2A为运算放大器LF356，共同组成偏置电路；U2补偿U1的传输特性与温度漂移，保证U1的线性度；U3为输入差分运放电路，提高输入信号的抗干扰能力；模拟量隔离电路可以有效地提高脉冲量、阶跃信号由光电耦HCPL22631隔离；数字量采用TTL113光电耦合器隔离，也可采用脉冲变压器隔离。需要指出的是，光电耦合器输出驱动能力非常有限，必须增加负载驱动电路，数字量除数隔离电路需要驱动电路。除了对所有的输入输出信号隔离外，实验硬件系统还把模拟电路地与数字电路分开布线，并使用如图4(b)所示的电路隔离模拟与数字地和电源。上述措施不仅能够防止数字系统的高频干扰进入模拟电路部分，而且阻断了来自前置电路部分的共模干扰和差模干扰。