基于虛擬儀器技術(shù)的電子測量工作站設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘要：為了解決實(shí)驗(yàn)室儀器價(jià)格昂貴，操作復(fù)雜，不適合大規(guī)?，F(xiàn)場測試等問題，采用基于USB總線的數(shù)據(jù)采集卡，配備相應(yīng)輔助電路模塊完成信號(hào)的采集及轉(zhuǎn)換，運(yùn)用虛擬儀器技術(shù)及LabVIEW開發(fā)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了由示波器、邏輯分析儀等15種儀器組成的電子測量工作站。工作站可進(jìn)行各測量模塊之聞的同步以及計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、分析和制圖，具有使用方便、便攜性好等特點(diǎn)，可有效解決設(shè)備應(yīng)急搶修的問題。
關(guān)鍵詞：虛擬儀器；LabVIEW；電子測量工作站；邏輯分析儀

    現(xiàn)代工業(yè)和國防工業(yè)的迅速發(fā)展，使電子測量技術(shù)進(jìn)入廣泛使用、綜合測量階段，大型設(shè)備、系統(tǒng)的現(xiàn)場監(jiān)控和測試設(shè)備是一個(gè)方興未艾的新市場。綜合測試設(shè)備的核心由多類別、高性能的電子測量儀器集群和計(jì)算機(jī)構(gòu)成，重視用戶接口信號(hào)的適用范圍和設(shè)備適應(yīng)惡劣工作環(huán)境的能力。隨著大規(guī)模綜合測試在設(shè)備、系統(tǒng)中的廣泛使用，對大規(guī)模現(xiàn)場測試設(shè)備的需求將日益成長。電子測量工作站的出現(xiàn)恰好彌補(bǔ)了這一空缺，可有效解決設(shè)備應(yīng)急搶修的問題。電子測量工作站運(yùn)用虛擬儀器技術(shù)把計(jì)算機(jī)、儀器硬件、計(jì)算機(jī)軟件等結(jié)合起來，除了傳承傳統(tǒng)儀器的已有功能之外，還增加了很多傳統(tǒng)儀器不能及的先進(jìn)功能，具有高度靈活性，突破了在數(shù)據(jù)處理、傳送及存儲(chǔ)方面的限制。USB接口已成為PC機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)配置，并且支持熱插拔功能，數(shù)據(jù)傳輸率高。
    基于NI公司的USB系列數(shù)據(jù)采集卡和LabVIEW虛擬儀器開發(fā)平臺(tái)構(gòu)建便攜式的綜合測量系統(tǒng)，對設(shè)備進(jìn)行頻域、時(shí)域的參數(shù)測量，完成對設(shè)備的狀態(tài)檢測和故障排除。

1 虛擬儀器
    虛擬儀器是指計(jì)算機(jī)為硬件核心平臺(tái)，配備相應(yīng)測試功能的硬件作為信號(hào)輸入／輸出端口，利用儀器開發(fā)軟件在計(jì)算機(jī)上虛擬出儀器的面板和功能按鈕，通過鼠標(biāo)、鍵盤來操作的儀器。硬件采用數(shù)據(jù)采集卡，用戶就可以虛擬出任意功能的儀器。美國國家儀器公司設(shè)計(jì)的LabV-IEW軟件是一種圖形化的編程環(huán)境，實(shí)現(xiàn)了虛擬儀器的概念。與傳統(tǒng)儀器相比，虛擬儀器實(shí)現(xiàn)了測量儀器的智能化、模塊化、多樣化，具有全自動(dòng)化的測試過程，并且可以方便地進(jìn)行二次開發(fā)，以及較低的成本。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)
2．1 電子測量工作站簡介
    電子測量工作站是將15種電子測量儀器與計(jì)算機(jī)組合為一體的新型測量設(shè)備，是當(dāng)今電子儀器界一個(gè)重要的創(chuàng)新，它具有體積小、攜帶方便、堅(jiān)固、耐高溫、抗振、抗沖擊、絕對密封防水、防腐、防潮、防塵的特點(diǎn)，尤其是其強(qiáng)大的儀器集群綜合工作能力，特別適用于在環(huán)
境惡劣、應(yīng)急測試等情況下為設(shè)備提供必要的搶修平臺(tái)。電子測量工作站中的各種儀器能夠同步工作，形成協(xié)同作戰(zhàn)的儀器集群，它順應(yīng)當(dāng)前電子測量多元化、綜合化的趨勢，以工作站的形式取代傳統(tǒng)的分立型臺(tái)式儀器，為工業(yè)界、科學(xué)界和教育界提供了一種新型電子測量設(shè)備，它功能完善、使用方便、通用性好、性價(jià)比高，因此電子測量工作站產(chǎn)品具有成為當(dāng)今電子儀器領(lǐng)域中重要增長點(diǎn)的潛力。電子測量工作站的基本特征如下：將多通道、多功能電子測量儀器群與計(jì)算機(jī)集成為一個(gè)系統(tǒng)的電子測量設(shè)備，具有大規(guī)模的綜合測量能力；具有標(biāo)準(zhǔn)的目標(biāo)硬件適配接口；具有標(biāo)準(zhǔn)的目標(biāo)軟件適配接口。
2．2 系統(tǒng)組成
    電子測量工作站由硬件和軟件兩部分組成。
    硬件部分基于USB總線數(shù)據(jù)采集卡，配備相應(yīng)輔助電路模塊來完成信號(hào)的采集及轉(zhuǎn)換，模塊電路有雙向數(shù)字信號(hào)適配器電路、數(shù)字存儲(chǔ)示波器電路、高速采樣存儲(chǔ)器電路、數(shù)據(jù)模型波形存儲(chǔ)器電路、任意波形電壓源信號(hào)發(fā)生器電路、電壓信號(hào)波形存儲(chǔ)器電路、任意波形電流源信號(hào)發(fā)生器電路、電流信號(hào)波形存儲(chǔ)器電路、萬用表電路、直流穩(wěn)壓電源電路、通信控制模塊電路。
    軟件部分運(yùn)用美國國家儀器公司的LabVIEW圖形化編程軟件，儀器驅(qū)動(dòng)器完成對某一特定儀器控制與通信的軟件程序，并由計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和分析。
2．3 系統(tǒng)功能
    電子測量工作站以系統(tǒng)同步控制模塊為電路核心，控制各個(gè)儀器和功能模塊同步工作。在測量中，通過測量接口適配器將被測目標(biāo)與電子測量工作站中的對應(yīng)儀器相連接，完成所需信號(hào)的發(fā)送和測量，測量數(shù)據(jù)由計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理，顯示出測量數(shù)據(jù)和圖像。它所控制的儀器和功能模塊電路如圖1所示。

    系統(tǒng)基本功能部件如下：雙通道數(shù)字存儲(chǔ)示波器；雙通道FFT頻譜分析儀；18通道邏輯分析儀；數(shù)字萬用表，LCR萬用電橋；頻率計(jì)(微波)；18通道數(shù)據(jù)模型信號(hào)發(fā)生器，任意波形電壓源、電流源信號(hào)發(fā)生器，時(shí)鐘信號(hào)發(fā)生器；可調(diào)式直流穩(wěn)壓電源，工頻交流電源。

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)
    系統(tǒng)同步控制模塊是設(shè)備的控制核心，控制各個(gè)相關(guān)部件工作，它能夠協(xié)調(diào)各個(gè)儀器同步工作、同步觸發(fā)；能夠通過通信控制模塊與上位計(jì)算機(jī)通信，接收命令和傳遞數(shù)據(jù)。各種儀器由系統(tǒng)同步控制器和對應(yīng)模塊組合而成。以邏輯分析儀為例進(jìn)行介紹。
3．1 系統(tǒng)同步控制器
    系統(tǒng)同步控制器具有功能強(qiáng)大的事件觸發(fā)器，能夠按照上位計(jì)算機(jī)設(shè)置的參數(shù)識(shí)別特定的信號(hào)事件，并能夠?qū)κ录M(jìn)行邏輯運(yùn)算、觸發(fā)計(jì)數(shù)和延時(shí)控制，其事件的觸發(fā)信號(hào)可以用于控制設(shè)備工作狀態(tài)。同時(shí)，還具有12組18位寬度的碼型信號(hào)事件識(shí)別器、1組16位寬度的總線信號(hào)事件識(shí)別器、2組6級(jí)隊(duì)列觸發(fā)器、12組信號(hào)寬度識(shí)別器，2組51位的計(jì)數(shù)／定時(shí)器，其定時(shí)能力可達(dá)260天，定時(shí)精度為10 ns。這些高性能的部件提供了豐富的信號(hào)觸發(fā)資源，適合用于捕捉高速的瞬間信號(hào)流。系統(tǒng)同步控制器還帶有系統(tǒng)同步總線，支持雙機(jī)聯(lián)機(jī)工作方式，在聯(lián)機(jī)工作方式下，2個(gè)系統(tǒng)的觸發(fā)資源可以合成，能夠同步觸發(fā)、同步工作。系統(tǒng)同步總線還可以用于精確校準(zhǔn)主時(shí)鐘的頻率。系統(tǒng)同步控制器
結(jié)構(gòu)如圖2所示。

3．2 邏輯分析儀
    數(shù)字信號(hào)適配器、高速采樣存儲(chǔ)器和系統(tǒng)同步控制模塊內(nèi)的控制電路構(gòu)成了一個(gè)18通道的邏輯分析儀，該邏輯分析儀具有200 MS／s的采樣速率和1兆點(diǎn)的存儲(chǔ)深度，具有豐富的信號(hào)觸發(fā)能力和同步工作能力，其信號(hào)測量帶寬為80 MHz。數(shù)字信號(hào)適配器具有雙向信號(hào)處理能力，它既能夠?qū)⒈粶y系統(tǒng)的數(shù)字信號(hào)送往系統(tǒng)同步控制模塊內(nèi)的邏輯分析儀進(jìn)行測量，又能夠?qū)?shù)據(jù)模型發(fā)生器輸出信號(hào)送往被測系統(tǒng)，驅(qū)動(dòng)被測系統(tǒng)的信號(hào)節(jié)點(diǎn)。
    工作時(shí)數(shù)字信號(hào)適配器在系統(tǒng)同步控制器的控制下實(shí)時(shí)切換各通道數(shù)字信號(hào)的傳送方向。數(shù)字信號(hào)適配器結(jié)構(gòu)如圖3所示。
    邏輯分析儀在測量時(shí)首先由信號(hào)鎖存器將外部的被測信號(hào)鎖定，鎖定后的信號(hào)DinBUS送往方向控制器，控制寄存器按照系統(tǒng)同步控制模塊的信號(hào)調(diào)節(jié)信號(hào)鎖定的時(shí)序和信號(hào)傳送的方向，經(jīng)方向控制器驅(qū)動(dòng)后的被測信號(hào)送往系統(tǒng)同步控制模塊，系統(tǒng)同步控制模塊將被測信號(hào)實(shí)時(shí)存入高速采樣存儲(chǔ)器，并產(chǎn)生預(yù)先設(shè)定的觸發(fā)過程。
    高速采樣存儲(chǔ)器實(shí)時(shí)存儲(chǔ)示波器和邏輯分析儀送來的數(shù)字信號(hào)，采樣完畢后，高速采樣存儲(chǔ)器中的數(shù)據(jù)經(jīng)系統(tǒng)同步控制器和通訊控制模塊送往上位計(jì)算機(jī)。具有34 b的數(shù)據(jù)寬度和1 MB的地址空間，它在系統(tǒng)同步控制器輸出的采樣時(shí)鐘信號(hào)MSBUS-CLK和控制信號(hào)MSBUS-C的驅(qū)動(dòng)下工作。高速采樣存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)如圖4所示。

3．3 軟件結(jié)構(gòu)
    基于虛擬儀器技術(shù)的邏輯分析儀主要由數(shù)據(jù)捕獲和數(shù)據(jù)顯示2部分組成。數(shù)據(jù)輸入部分將各通道的輸入變換成相應(yīng)的數(shù)據(jù)流；觸發(fā)產(chǎn)生部分根據(jù)數(shù)據(jù)捕獲方式在數(shù)據(jù)流中搜索特定的數(shù)據(jù)字，然后決定是否產(chǎn)生觸發(fā)信號(hào)來控制數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，以便開始或停止存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)顯示部分將存儲(chǔ)器里有效的數(shù)據(jù)以多種方式顯示出來，方便對已捕獲的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。主程序流程圖如圖5所示。
    邏輯分析儀的設(shè)計(jì)采用模塊化思想，包括主程序模塊、DAQ信號(hào)獲取模塊、多通道仿真信號(hào)產(chǎn)生模塊、合并數(shù)據(jù)流模塊、模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、多通道波形連接模塊、通道設(shè)置模塊、序列觸發(fā)模塊、觸發(fā)設(shè)置模塊、截取波形模塊等，主程序直接調(diào)用多個(gè)子VI程序。操作界面如圖6所示。

4 結(jié)語
    此文介紹基于虛擬儀器概念的電子測量工作站系統(tǒng)，該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了多種儀器的綜合性，操作簡單，攜帶方便，對設(shè)備的快速檢修提供了重要平臺(tái)。