趙 佳，劉蘊紅

（大連理工大學(xué) 電氣工程學(xué)院，遼寧 大連 116024）

隨著計算機(jī)技術(shù)和微電子技術(shù)的迅速發(fā)展，產(chǎn)生了一個新型的儀器概念——虛擬儀器。它將傳統(tǒng)硬件實現(xiàn)的數(shù)據(jù)分析處理與顯示功能，改由功能強(qiáng)大的計算機(jī)及其顯示器完成，并且通過I/O設(shè)備接口采集信號，最終編制不同功能的軟件來實現(xiàn)對采集到的信號數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理及顯示。從某種意義上講，軟件就是儀器[1]。

與傳統(tǒng)儀器相比，虛擬儀器開放靈活，可以與PC機(jī)組建并通過不同的總線接口組建不同規(guī)模的自測試系統(tǒng)。筆者就在NI ELVIS虛擬儀器教學(xué)實驗套件基礎(chǔ)上，自行設(shè)計了多路可切換的實驗平臺，滿足同時進(jìn)行多組實驗的需要。同時采用上位機(jī)LabVIEW編程，實現(xiàn)友好的人機(jī)交互界面，完成監(jiān)控與操作，具有成本低，功能強(qiáng)，使用價值高等特點。

1 NI ELVIS簡介

NI ELVIS虛擬儀器教學(xué)實驗套件是NI公司推出的一套基于LabVIEW設(shè)計和原型創(chuàng)建的實驗裝置。NI ELVIS（Educational Laboratory Virtual Instrumentation Suite，ELVIS）虛擬儀器教學(xué)實驗系統(tǒng)實際上就是將LabVIEW和NI的DAQ設(shè)備相結(jié)合，綜合應(yīng)用到LabVIEW的教學(xué)實驗產(chǎn)物，它包括硬件和軟件兩部分：硬件包括一臺可運行LabVIEW的計算機(jī)，一塊多功能數(shù)據(jù)采集卡，一根68針電纜和NI ELVIS教學(xué)實驗操控工作臺；軟件則包括Lab VIEW開發(fā)環(huán)境、NIDAQ、可以針對ELVIS硬件進(jìn)行程序設(shè)計的一系列LabVIEW API和一個基于LabVIEW設(shè)計虛擬儀器軟件包[2]。

該實驗套件可插入一塊原型實驗面板，非常適合教學(xué)實驗和電子電路原型設(shè)計與測試，以便完成測量儀器、電子電路、信號處理、控制系統(tǒng)輔助分析與設(shè)計、通信、機(jī)械電子、物理等學(xué)科課程的學(xué)習(xí)和實驗。NI ELVIS集成了多個實驗室常用的功能，實現(xiàn)了教學(xué)儀器、數(shù)據(jù)采集和實驗設(shè)計一體化。用戶可以在LabVIEW下編寫應(yīng)用程序以符合各自的設(shè)計實驗，還可以進(jìn)行電子線路設(shè)計、信號處理及控制系統(tǒng)分析與設(shè)計。用戶只需要一臺NI ELVIS就可以完成信號分析（示波器、動態(tài)信號分析儀、信號源、波特圖分析儀、阻抗分析儀、電流電壓分析儀、數(shù)字萬用表、直流電源等儀器的功能），其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 NI ELVIS虛擬儀器教學(xué)實驗套件Fig.1 NI educational laboratory virtual instrumentation suite

2 實驗系統(tǒng)整體設(shè)計

NI ELVIS雖然可單獨使用，而且在LabVIEW環(huán)境中可以直接調(diào)用相應(yīng)的數(shù)據(jù)包VI，使得用LabVIEW程序操控實驗平臺ELVIS十分方便，但是也存在一些問題：在ELVIS實驗平臺提供的面包板上，一次只能搭建有限的實驗，每次更換實驗都要人工重新搭建，費時費力；同時NI ELVIS實驗平臺與數(shù)據(jù)卡采集卡價格高貴，如果想以增加ELVIS來擴(kuò)展實驗室規(guī)模，價格十分昂貴。

因此利用模擬開關(guān)技術(shù)，將ELVIS原型板上的信號擴(kuò)展為六路信號，利用FPGA控制在不同時刻將信號切入不同的接口板，再將所需實驗做成與接口板型號匹配的實驗板安裝與接口板之上，這樣6組實驗可同時進(jìn)行，大大擴(kuò)展了實驗資源，且免去了頻繁更換電路和實驗的麻煩。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

3 可切換實驗平臺下位機(jī)設(shè)計

3.1 原型板與接口板設(shè)計

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.2 System structure diagram

為了保持與原有系統(tǒng)的兼容性，實驗原型板的通道安排與原有實驗平臺的數(shù)據(jù)通道保持一致，根據(jù)NI公司提供的內(nèi)部引腳資料進(jìn)行設(shè)計，電路設(shè)計如圖3（a）所示，主要有兩部分的功能：一部分將信號按照原版規(guī)格進(jìn)行引腳擴(kuò)充，以插針的形式供接口板安裝；另一部分將信號端口以FPC形式匯總，用于將其引入切換電路。

接口板主要的功能是經(jīng)過分支切換處理的的信號端口進(jìn)行恢復(fù)，將以FPC形式匯總的信號端口以原版ELVIS接口規(guī)格進(jìn)行擴(kuò)充，以插針形式供實驗電路板安裝。電路設(shè)計如圖 3（b）所示。

3.2 實驗板設(shè)計

圖3 原型板與接口板Fig.3 Prototype board and interface board

每一塊實驗板就是一個獨立的實驗。將實驗電路制作成印刷電路板，在更換實驗時不用再重新搭建電路，而只需直接在接口板上插拔實驗板即可。這極大地降低了實驗管理的工作量，節(jié)省了大量時間，提高了實驗效率。目前已經(jīng)開發(fā)出了20余塊實驗板，內(nèi)容包括數(shù)字電路、模擬電路、電機(jī)控制、Led顯示控制和單片機(jī)應(yīng)用等。圖4為部分的實驗板實物圖。

3.3 切換電路設(shè)計

對于ELVIS提供的信號類型，可將其分為數(shù)字信號、模擬信號和電源信號3部分，針對不同信號的特點，采用不同的模擬開關(guān)技術(shù)進(jìn)行控制[3]，完成模塊化設(shè)計。采用ALTER公司的CycloneII EP2C8Q208完成對模擬開關(guān)的數(shù)字控制輸入端進(jìn)行控制。切換電路硬件結(jié)構(gòu)圖如5所示。

圖4 實驗板Fig.4 Experiments boards

圖5 切換電路硬件實物圖Fig.5 Hardware structure diagram of switching circuit

1）對于數(shù)字信號，直接采用1對8通道數(shù)字控制模擬電子開關(guān)CD4051進(jìn)行設(shè)計。將原型板實驗數(shù)字信號接入CD4051的公共輸入輸出端，將輸出端信號八路中的6路分別接入不同的接口板來完成切換設(shè)計。

2）對于模擬信號，考慮到模擬信號容易相互干擾，采用具有3對2通道數(shù)字控制模擬電子開關(guān)CD4053進(jìn)行設(shè)計。將原型板實驗?zāi)M信號接入CD4053的3路公共輸入輸出端的一路，將此路開啟，同時將其他公共輸入輸出端接地。目的是在信號選擇某一路導(dǎo)通后，將其他5路信號接地，以減少相互干擾。

3）ELVIS虛擬套件上含有±15 V、±5 V以及可變電源，由于最大的輸出電流可以達(dá)到2 A，不能直接用開斷小信號的模擬開關(guān)進(jìn)行切換，因此我們采用MOSFET進(jìn)行電源信號的開斷[4]。本系統(tǒng)采用IRF9530，P溝道增強(qiáng)型MOSFET管。同時采用模擬開關(guān)CD4051來控制IRF9530的柵極電壓來控制其開斷，前端加三極管來增加驅(qū)動能力。

4 可切換實驗平臺上位機(jī)設(shè)計

上位機(jī)編程采用LabVIEW軟件進(jìn)行編寫，主要包括兩部分：一部分為切換實驗操作界面編程，根據(jù)用戶需要實現(xiàn)實驗板控制地址的串口傳遞，實現(xiàn)6塊實驗板的切換；另一部分為實驗程序設(shè)計，針對不同的實驗板進(jìn)行相應(yīng)實驗操作的程序設(shè)計。

4.1 切換實驗操作界面設(shè)計

切換實驗操作界面包括選擇實驗預(yù)覽按鈕和操作按鈕，選擇某一實驗預(yù)覽按鈕，將彈出實驗介紹圖片，便于用戶了解和學(xué)習(xí)實驗原理并預(yù)覽實驗效果圖。選擇相應(yīng)開始試驗按鈕，則彈出對應(yīng)不同實驗板的LabVIEW操作子VI，同時通過LabVIEW的VISA串口[5]傳遞相應(yīng)的控制地址，打開實驗板操作接口。地址選擇采用CASE結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計，切換程序界面設(shè)計如圖6所示。

圖6 切換界面程序設(shè)計Fig.6 Program design of switching interface

4.2 實驗程序設(shè)計

由上面的介紹可知，設(shè)計了不同的實驗電路板來滿足實驗要求。對于每個實驗板，我們在上位機(jī)都采用LabVIEW編寫相應(yīng)的實驗操作程序，來完成對實驗現(xiàn)象的控制。同時利用NI公司的NI Vision Development Module通過編程控制USB攝像頭來采集圖像[6]，PC機(jī)完成視頻處理后，最終在界面上清晰顯示。以其中一個實驗電機(jī)正反轉(zhuǎn)實驗為例，實驗操作界面程序設(shè)計如圖7所示。實驗操作界面可以通過開關(guān)來控制電機(jī)正傳或者反轉(zhuǎn)，并將導(dǎo)通的三極管以綠色形式顯示，同時用戶可以通過視頻窗口觀看實驗現(xiàn)象，檢查實際現(xiàn)象是否與設(shè)計一致。

5 結(jié) 論

圖7 實驗操作界面程序設(shè)計Fig.7 Program design of experiment operation interface

實驗平臺應(yīng)用虛擬儀器技術(shù)，由此能夠在計算機(jī)上根據(jù)真實的實驗設(shè)備設(shè)計實驗與操控界面來模擬現(xiàn)場的實驗環(huán)境，提高實驗了效率、降低了實驗成本、增強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，因而具有傳統(tǒng)實驗無可比擬的優(yōu)勢。采用FPGA控制的利用模擬開關(guān)技術(shù)設(shè)計的的接口板切換裝置讓用戶有了更大的選擇余地，也大大降低了硬件設(shè)備管理的工作量。綜上所述，該系統(tǒng)在功能，性能上都能夠滿足實驗平臺的擴(kuò)展要求，對實驗系統(tǒng)的構(gòu)建具有很好的借鑒價值。

[1]王偉.基于LabVIEW與Lonworks技術(shù)的iLab遠(yuǎn)程實驗系統(tǒng)設(shè)計[D].大連：大連理工大學(xué)，2009.

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