網(wǎng)絡(luò)化虛擬測(cè)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

摘要：為滿足計(jì)算機(jī)專業(yè)教學(xué)和測(cè)控儀器開發(fā)的需要，設(shè)計(jì)了基于網(wǎng)絡(luò)、虛擬儀器和SOPC技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)化虛擬測(cè)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)由PCI接口卡、基于NiosII軟核的SOPC數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成，使用Labview技術(shù)構(gòu)建了C／S模式的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集和管理體系結(jié)構(gòu)，并基于Windows DDK與VC++語(yǔ)言開發(fā)了PCI接口驅(qū)動(dòng)程序。實(shí)際應(yīng)用表明，該系統(tǒng)具有開放性、靈活性以及易用性等優(yōu)點(diǎn)，達(dá)到了預(yù)期目的。
關(guān)鍵詞：測(cè)控系統(tǒng)；虛擬儀器；SOPC；PCI接口卡

    隨著信息技術(shù)的發(fā)展，社會(huì)對(duì)測(cè)控儀器的需求不斷增加，因而對(duì)計(jì)算機(jī)軟硬件綜合設(shè)計(jì)和開發(fā)能力的要求也越來(lái)越高。然而，計(jì)算機(jī)專業(yè)普遍存在“重軟輕硬”的現(xiàn)象，學(xué)生綜合應(yīng)用計(jì)算機(jī)專業(yè)知識(shí)能力和測(cè)控產(chǎn)品開發(fā)能力較差，降低了學(xué)生的就業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力和發(fā)展?jié)摿?。針?duì)上述問題，基于提高計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)綜合設(shè)計(jì)能力要求，充分利用自動(dòng)測(cè)試技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，結(jié)合科研和測(cè)控儀器開發(fā)的需要，適應(yīng)測(cè)控儀器向網(wǎng)絡(luò)化、虛擬化、集成化方向發(fā)展的趨勢(shì)，設(shè)計(jì)了網(wǎng)絡(luò)化虛擬測(cè)控系統(tǒng)。
    網(wǎng)絡(luò)化虛擬測(cè)控系統(tǒng)基于Labview環(huán)境下開發(fā)的，從機(jī)為基于Nios II軟核微處理機(jī)系統(tǒng)的片上系統(tǒng)(SOPC)，其主要功能為多通道模擬信號(hào)的采集、外部設(shè)備控制、與主機(jī)的通信、傳感器信號(hào)調(diào)理等；主機(jī)主要完成外部信號(hào)、數(shù)據(jù)處理與存儲(chǔ)、系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置、顯示以及人機(jī)交互等。整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作包括PCI接口卡設(shè)計(jì)及其驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)、虛擬儀器應(yīng)用軟件和SOPC系統(tǒng)定制、仿真及其從機(jī)軟件設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)不僅提供二次開發(fā)接口，而且能夠配置、自動(dòng)檢測(cè)外部設(shè)備變化，能夠應(yīng)用于科研、教學(xué)和實(shí)際測(cè)控，具有很強(qiáng)的靈活性、先進(jìn)性和應(yīng)用價(jià)值。

1 網(wǎng)絡(luò)化虛擬測(cè)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
1．1 測(cè)控系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)
    借鑒虛擬儀器思想，把虛擬儀器技術(shù)引入測(cè)控系統(tǒng)，組成以SOPC系統(tǒng)可配置數(shù)據(jù)采集模塊、PCI總線接口卡、虛擬儀器應(yīng)用軟件于一體的網(wǎng)絡(luò)化虛擬測(cè)控系統(tǒng)(如圖1所示)。系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)包括PCI接口卡設(shè)計(jì)、基于NIOS Il軟核的SOPC硬件系統(tǒng)的定制；軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)包括PCI接口卡驅(qū)動(dòng)程序、SOPC軟件以及虛擬儀器應(yīng)用軟件、管理軟件的設(shè)計(jì)。虛擬儀器應(yīng)用軟件主要完成數(shù)字信號(hào)處理、分析、顯示以及存儲(chǔ)，服務(wù)器端軟件，多通道數(shù)據(jù)采集參數(shù)與工作方式的設(shè)置；管理軟件提供上傳、下載以及與儀器的無(wú)縫連接。為降低系統(tǒng)的開發(fā)難度、提高系統(tǒng)的可靠性和使用性，系統(tǒng)軟件基于虛擬儀器軟件Labview與Matlab混合編程方法，充分利用了Lalbview軟件的強(qiáng)大數(shù)據(jù)采集、分析與表達(dá)、圖形表示能力以及Matlab語(yǔ)言的豐富的工具箱和強(qiáng)大的計(jì)算能力，簡(jiǎn)化了儀器軟件的編程，縮短了開發(fā)時(shí)間。主機(jī)系統(tǒng)通過PCI接口卡與SOPC系統(tǒng)進(jìn)行的信息交換，SOPC系統(tǒng)可以獨(dú)立工作以及外部設(shè)備進(jìn)行通信，有效降低分布式測(cè)控系統(tǒng)的成本。

1．2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)
    虛擬測(cè)控系統(tǒng)硬件系統(tǒng)包括PCI接口卡和基于Nios II的嵌入式SOPC系統(tǒng)。PCI接口卡采用PLX公司生產(chǎn)的PCI9054接口芯片，采用PCI9054局部總線工作模式C，該模式時(shí)序控制比較簡(jiǎn)單，非復(fù)用32位地址／數(shù)據(jù)總線，PCI總線通過PCI9054內(nèi)部FIFO實(shí)現(xiàn)對(duì)局部總線進(jìn)行單周期的I／O讀寫操作，支持DMA操作。為提高計(jì)算機(jī)與SOPC系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)傳輸效率，借鑒文獻(xiàn)的設(shè)計(jì)方法，PCI接口卡使用2片雙向FIFO存儲(chǔ)器IDT7 204(4kx9)實(shí)現(xiàn)支持DMA操作，分別用于PCI總線讀寫數(shù)據(jù)，其讀寫邏輯信號(hào)FPGA實(shí)現(xiàn)，DMA傳輸時(shí)序如圖2所示，其對(duì)應(yīng)的FPGA讀寫邏輯狀態(tài)圖可表示為圖3所示。

    相對(duì)于PCI9054，HOLD、ADS#、BLAST、LWR#、LA[31．．2]為輸出信號(hào)，READY#、LHOLDA為輸入信號(hào)，LD[31．．0]是雙向信號(hào)。由于本實(shí)驗(yàn)儀器數(shù)據(jù)傳輸寬度為8位，局部地址線最低2位LA0和LA1分別由BE0和BE1信號(hào)提供，數(shù)據(jù)對(duì)齊方式采用大端模式(由BIGEND#引腳及寄存器決定的)。對(duì)Local端為I／O類型的引腳，需要根據(jù)實(shí)際情況和引腳極性上拉或下拉電阻，如ADS#、HOLD、局部地址信號(hào)等。圖3中DMA方式讀數(shù)據(jù)邏輯狀態(tài)圖轉(zhuǎn)換描述如下：當(dāng)檢測(cè)到HOLD=1時(shí)，在下個(gè)時(shí)鐘周期賦值HOLDA=1，轉(zhuǎn)到狀態(tài)S1；ADS#下降沿到達(dá)時(shí)，從LA[31．．2]及BE1、BE0讀取地址，轉(zhuǎn)到狀態(tài)S2；如果LWR#=1(讀數(shù)據(jù))且BLAST=1、READY#=0，轉(zhuǎn)到狀態(tài)S3；在下一個(gè)時(shí)鐘周期上升沿從本地?cái)?shù)據(jù)總線LD[0．．7]把數(shù)據(jù)讀入到PC19054內(nèi)部，循環(huán)讀取數(shù)據(jù)直至BLAST信號(hào)下降沿出現(xiàn)，轉(zhuǎn)到S4；如果HOLD=1、HOLDA=1，則轉(zhuǎn)到S1，否則轉(zhuǎn)到S0。
    SOPC系統(tǒng)使用CYCLONEII系列可編程邏輯器件EP2C5F256C8，通過SOPC Builder定制和仿真NioslI微處理器及其外圍系統(tǒng)，包括軟核CPU、并行輸入輸出(PIO)、多通道A／D及D／A轉(zhuǎn)換控制邏輯、UART串行接口、網(wǎng)絡(luò)控制邏輯、計(jì)數(shù)器／定時(shí)器、雙口FIFO控制器、SRAM控制器以及FLAS H控制器等外圍設(shè)備組成等。其中，PIO用于SOPC系統(tǒng)與外部設(shè)備的數(shù)字量輸入輸出；網(wǎng)絡(luò)控制邏輯與以太網(wǎng)接口芯片LAN91C111實(shí)現(xiàn)SO PC系統(tǒng)與外部設(shè)備之間的網(wǎng)絡(luò)通信。LAN91C111是SMSC公司生產(chǎn)的10M／100M以太網(wǎng)接口控制芯片，它通過8、16、32位總線與嵌入系統(tǒng)連接，是理想的NIOSII微處理系統(tǒng)以太網(wǎng)解決方案。上述接口控制邏輯均由SOPC Builder工具選擇相應(yīng)的IP核及其相應(yīng)的VHDL，通過編譯整個(gè)系統(tǒng)建立一個(gè)完整的嵌入式系統(tǒng)。SOPC系統(tǒng)不僅接收主機(jī)命令以及數(shù)據(jù)傳輸，而且可以與其他外部設(shè)備進(jìn)行通信。
    為保證測(cè)控系統(tǒng)的可靠性和通用性，電路設(shè)計(jì)采用以下關(guān)鍵技術(shù)：
    1)多通道模擬信號(hào)采集與控制該模塊由輸入信號(hào)差模轉(zhuǎn)換電路、8選1模擬開關(guān)MPC508A、AD公司的集成程控信號(hào)放大器AD620、跟隨器、1片采樣速率高達(dá)2．2 MHz、14位高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器MAX1201、緩沖驅(qū)動(dòng)電路以及光電耦合隔離器TIL300電路組成。其工作過程為，多路輸入模擬量(0～5V)首先由低噪聲、寬頻帶運(yùn)算放大器MAX4108組成差分電路把傳感器信號(hào)轉(zhuǎn)化為差分信號(hào)來(lái)消除電路干擾，并由模擬選擇開關(guān)ADG526A選通一路模擬信號(hào)，然后經(jīng)過程控信號(hào)放大器AD620放大同時(shí)使輸入信號(hào)由差分轉(zhuǎn)化為單端信號(hào)進(jìn)入A／D轉(zhuǎn)換器MAX1201。MAX1201輸出的數(shù)字信號(hào)經(jīng)過光電耦合隔離器進(jìn)入FIFO緩沖區(qū)，緩沖區(qū)滿時(shí)通過向單片機(jī)或PC機(jī)發(fā)出中斷請(qǐng)求信號(hào)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的讀取。
    程控信號(hào)放大器AD620的增益放大倍數(shù)有×1、×2、×10、×100、×1 000五檔，由FPGA中的信號(hào)通道控制邏輯控制AD620的放大倍數(shù)，提高對(duì)傳感器信號(hào)的適應(yīng)性。模數(shù)轉(zhuǎn)換器MAX1201內(nèi)部有數(shù)字誤差自校正和自校正功能，具有良好的信噪比和抗諧波失真特性。差分轉(zhuǎn)換電路不僅能夠提高抗干擾性能，而且還可以增大信號(hào)的量程。采用A／D轉(zhuǎn)換器MAX1201的目的是，提高信號(hào)的轉(zhuǎn)換精度，并且接口電路簡(jiǎn)單、便于與FIFO連接。MAX1201的工作方式分為程序啟動(dòng)、外部觸發(fā)信號(hào)啟動(dòng)。A／D轉(zhuǎn)換速率由SOPC系統(tǒng)定時(shí)器產(chǎn)生的波形頻率控制，根據(jù)A／D轉(zhuǎn)換結(jié)束標(biāo)志由FPGA中的采樣控制邏輯自動(dòng)完成采樣數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)。
    2)電路隔離實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由模擬數(shù)字混合電路組成，存在大量的干擾。比如前置電路部分存在共模干擾和差模干擾，數(shù)字系統(tǒng)的高頻干擾容易進(jìn)入模擬部分，外設(shè)信號(hào)還常常會(huì)受到電源波動(dòng)、強(qiáng)脈沖等干擾。上述干擾不僅會(huì)影響模擬信號(hào)采集的精度，嚴(yán)重時(shí)會(huì)影響電路的穩(wěn)定性乃至計(jì)算機(jī)的工作。因此，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)需要對(duì)所有的輸入、輸出信號(hào)均進(jìn)行了隔離。
    本文基于線性光耦TIL300模擬量輸入輸出實(shí)現(xiàn)隔離(如圖4a)，其中，U1A、U2A為運(yùn)算放大器LF356，共同組成偏置電路；U2補(bǔ)償U(kuò)1的傳輸特性與溫度漂移，保證U1的線性度；U3為輸入差分運(yùn)放電路，提高輸入信號(hào)的抗干擾能力；模擬量隔離電路可以有效地提高脈沖量、階躍信號(hào)由光電耦HCPL22631隔離；數(shù)字量采用TTL113光電耦合器隔離，也可采用脈沖變壓器隔離。需要指出的是，光電耦合器輸出驅(qū)動(dòng)能力非常有限，必須增加負(fù)載驅(qū)動(dòng)電路，數(shù)字量除數(shù)隔離電路需要驅(qū)動(dòng)電路。除了對(duì)所有的輸入輸出信號(hào)隔離外，實(shí)驗(yàn)硬件系統(tǒng)還把模擬電路地與數(shù)字電路分開布線，并使用如圖4(b)所示的電路隔離模擬與數(shù)字地和電源。上述措施不僅能夠防止數(shù)字系統(tǒng)的高頻干擾進(jìn)入模擬電路部分，而且阻斷了來(lái)自前置電路部分的共模干擾和差模干擾。

    3)電壓轉(zhuǎn)換由于SOPC系統(tǒng)和PCI9054使用計(jì)算機(jī)提供的3．3 V電源，而RS232輸出電平為-10～+10 V，且不少器件需要5 V電源。電路中使用電源轉(zhuǎn)換器LTC1872把輸入3．3 V轉(zhuǎn)換為5 V輸出電源(圖5)，使用MAX232實(shí)現(xiàn)RS232與5 V電壓之間的轉(zhuǎn)換。

1．3 網(wǎng)絡(luò)化虛擬謝控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
    軟件系統(tǒng)是網(wǎng)絡(luò)化虛擬測(cè)控系統(tǒng)的核心，系統(tǒng)軟件主要由虛擬儀器軟件、PCI接口卡驅(qū)動(dòng)程序以及SOPC軟件組成。虛擬儀器軟件利用Lab Windows／CVI自帶的強(qiáng)大測(cè)控工具以及豐富的功能面板和庫(kù)函數(shù)，采用事件驅(qū)動(dòng)、交互式與回調(diào)函數(shù)編程技術(shù)，設(shè)計(jì)開發(fā)了信號(hào)采集與轉(zhuǎn)換、數(shù)字信號(hào)處理與分析、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與顯示、外部設(shè)備配置等模塊，使用到的技術(shù)主要有：
    1)Matlab與Labview混合編程Matla5語(yǔ)言已經(jīng)成為科研人員有力的仿真分析工具，幾乎滲透到各個(gè)學(xué)科。雖然Matlab擁有很強(qiáng)的數(shù)據(jù)分析處理以及復(fù)雜數(shù)值計(jì)算能力，但是其在界面開發(fā)、硬件連接控制及網(wǎng)絡(luò)通信等方面都不如Labview。將Matlab和Labview結(jié)合是提高測(cè)控儀器精度、可靠性、擴(kuò)展性以及開發(fā)效率的有效途徑。
    Matlab與Labview混合編程方法有兩種：①直接調(diào)用Labview內(nèi)建的600多條Matlab函數(shù)；②通過Matlab(Ver6．5)ActiveX接口調(diào)用運(yùn)行Matlab函數(shù)、與Matlab數(shù)據(jù)交換以及控制Matlab窗口等命令。其過程為；a．引用自動(dòng)化對(duì)象：在Labview的Controls>>ActiveX>>Automation Refnum模板中選擇自動(dòng)化引用(Automation Refnum)控制量，將其放置在前面板上，從對(duì)象列表中選擇Matlab應(yīng)用庫(kù)。這樣Matlab的引用就添加到程序中。b．訪問Matlab自動(dòng)化服務(wù)器：Labview在其Function>L>Communication>>ActiveX模板中提供了一組與AetiveX操作相關(guān)的VI，其中Automation Open．vi打開引用，啟動(dòng)Matlab自動(dòng)化服務(wù)器，并將引用傳遞給其他節(jié)點(diǎn)，如屬性節(jié)點(diǎn)(Property Node)、調(diào)用方法節(jié)點(diǎn)(In voke Node)。③使用Matlab Script節(jié)點(diǎn)。Labview使用ActiveX技術(shù)執(zhí)行MatlabScript節(jié)點(diǎn)，啟動(dòng)Matlab進(jìn)程。這樣可以在Labview應(yīng)用程序中使用執(zhí)行Matlab命令、使用各種工具箱。圖6為L(zhǎng)abview調(diào)用Matlab語(yǔ)言中6階巴特沃斯(Butterworth)濾波器對(duì)正弦函數(shù)的濾波實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

    2)基于LabSQL的數(shù)據(jù)庫(kù)訪問 虛擬儀器應(yīng)用程序需要對(duì)采集數(shù)據(jù)以及數(shù)據(jù)分析結(jié)果進(jìn)行存儲(chǔ)和訪問，Labview提供了類似SQL的數(shù)據(jù)庫(kù)訪問方法。用戶首先在ODBC中指定DSN(數(shù)據(jù)源名)和ODBC驅(qū)動(dòng)程序，由LabSQL ConnectionVIs通過ODBC建立LabSQL與數(shù)據(jù)庫(kù)連接。然后利用LabSQL Command VIs完成ADO操作以及Recordset VIs對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)記錄操作，實(shí)現(xiàn)應(yīng)用程序與數(shù)據(jù)庫(kù)之間的數(shù)據(jù)交互傳遞。
    3)基于DataSocket建立客戶機(jī)／服務(wù)器測(cè)控系統(tǒng) 對(duì)于網(wǎng)絡(luò)化測(cè)控系統(tǒng)，由于把各節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)匯總到處理主機(jī)，設(shè)計(jì)上采用DataSocket技術(shù)建立客服務(wù)器／客戶端(C／S)通信模式。主機(jī)工作于服務(wù)器模式，負(fù)責(zé)相應(yīng)客戶端的請(qǐng)求以及采集、存儲(chǔ)和處理數(shù)據(jù)，客戶端數(shù)據(jù)點(diǎn)計(jì)算機(jī)工作于Client模式，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳送。利用DataSocket發(fā)布數(shù)據(jù)需要3個(gè)要素：服務(wù)器(DataSocket Server)，負(fù)責(zé)把數(shù)據(jù)寫到服務(wù)器的發(fā)布器(Publisher)，客戶機(jī)從服務(wù)器讀取數(shù)據(jù)的訂閱器(Subscriber)。其工作過程為：①客戶端和服務(wù)器端分別運(yùn)行DataSocketServer；②建立客戶端與服務(wù)器端DataSocket的連接；③客戶端接收和顯示測(cè)量數(shù)據(jù)：客戶只需通過DataSocket Server發(fā)送請(qǐng)求即可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的接收，這樣客戶機(jī)通過控制服務(wù)器端軟件實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程測(cè)控。
    4)WDM驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì) 由于該系統(tǒng)基于PCI接口卡，因此需要開發(fā)windows環(huán)境下的PCI接口卡驅(qū)動(dòng)程序。綜合考慮驅(qū)動(dòng)程序的效率和靈活性，系統(tǒng)選用windows DDK與VC++語(yǔ)言開發(fā)PCI接口卡驅(qū)動(dòng)程序。驅(qū)動(dòng)程序主要包括初始化模塊、內(nèi)存讀寫模塊、I／O操作模塊、中斷模塊以及WDM與應(yīng)用程序的通信模塊，詳細(xì)設(shè)計(jì)可以參考文獻(xiàn)，在此不再詳述。

2 結(jié)束語(yǔ)
    本文設(shè)計(jì)的網(wǎng)絡(luò)化虛擬測(cè)控系統(tǒng)具有硬件模塊化、網(wǎng)絡(luò)化、開放性以及操作方便等特點(diǎn)，適應(yīng)了當(dāng)前測(cè)控儀器向網(wǎng)絡(luò)化和虛擬化方向發(fā)展的趨勢(shì)，因而具有較強(qiáng)的應(yīng)用性和擴(kuò)充性。
    文中介紹了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與相關(guān)模塊的實(shí)現(xiàn)，并簡(jiǎn)要說明了關(guān)鍵軟件模塊的設(shè)計(jì)方法。需要指出的是，本文設(shè)計(jì)的網(wǎng)絡(luò)化虛擬測(cè)控系統(tǒng)具有教學(xué)和科研雙重價(jià)值，對(duì)本系統(tǒng)增加新的硬件模塊或者修改虛擬儀器應(yīng)用軟件可以完成不同的測(cè)試任務(wù)和控制任務(wù)。今后還需要在硬件模塊標(biāo)準(zhǔn)化，硬件模塊的故障監(jiān)測(cè)與故障修復(fù)，物聯(lián)網(wǎng)在虛擬測(cè)控儀器上應(yīng)用，分布式網(wǎng)絡(luò)化測(cè)控系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)等方面進(jìn)行研究。