浅谈自制便携式虚拟仪器的快速实现方法

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。虚拟仪器技术就是利用高性能的模块化硬件，结合高效灵活的软件来完成各种测试、测量和自动化的应用。自1986年问世以来，世界各国的工程师和科学家们都已将NI LabVIEW图形化开发工具用于产品设计周期的各个环节，从而改善了产品质量、缩短了产品投放市场的时间，并提高了产品开发和生产效率。使用集成化的虚拟仪器环境与现实世界的信号相连，分析数据以获取实用信息，共享信息成果，有助于在较大范围内提高生产效率。虚拟仪器提供的各种工具能满足我们任何项目需要。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

虚拟仪器技术是在PC技术的基础上发展起来的，所以完全"继承"了以现成即用的PC技术为主导的最新商业技术的优点，包括功能超卓的处理器和文件I/O，使您在数据高速导入磁盘的同时就能实时地进行复杂的分析。此外，不断发展的因特网和越来越快的计算机网络使得虚拟仪器技术展现其更强大的优势。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。

虚拟仪器的硬件系统一般分为计算机硬件平台和测控功能硬件。计算机硬件平台可以是各种类型的计算机，如台式计算机、便携式计算机、工作站、嵌入式计算机等。它管理着虚拟仪器的软件资源，是虚拟仪器的硬件基础。因此，计算机技术在显示、存储能力、处理器性能、网络、总线标准等方面的发展，导致了虚拟仪器系统的快速发展。

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。

图 一

数据采集卡的工作原理：

数据采集（DAQ），是指从传感器和其它待测设备等模拟和数字被测单元中自动采非电量或者电量信号，送到上位机中进行分析，处理。数据采集系统是结合基于计算机或者其他专用测试平台的测量软硬件产品来实现灵活的、用户自定义的测量系统。 数据采集卡，即实现数据采集（DAQ）功能的计算机扩展卡，可以通过USB、PXI、PCI、PCI Express、火线（1394）、PCMCIA、ISA、CompactFlash、485、232、以太网、各种无线网络等总线接入个人计算机。

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