摘要：為了解決實驗室儀器價格昂貴，操作復雜，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，配備相應輔助電路模塊完成信號的采集及轉換，運用虛擬儀器技術及LabVIEW開發(fā)平臺，實現(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。工作站可進行各測量模塊之聞的同步以及計算機數(shù)據(jù)存儲、分析和制圖，具有使用方便、便攜性好等特點，可有效解決設備應急搶修的問題。
關鍵詞：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，使電子測量技術進入廣泛使用、綜合測量階段，大型設備、系統(tǒng)的現(xiàn)場監(jiān)控和測試設備是一個方興未艾的新市場。綜合測試設備的核心由多類別、高性能的電子測量儀器集群和計算機構成，重視用戶接口信號的適用范圍和設備適應惡劣工作環(huán)境的能力。隨著大規(guī)模綜合測試在設備、系統(tǒng)中的廣泛使用，對大規(guī)?，F(xiàn)場測試設備的需求將日益成長。電子測量工作站的出現(xiàn)恰好彌補了這一空缺，可有效解決設備應急搶修的問題。電子測量工作站運用虛擬儀器技術把計算機、儀器硬件、計算機軟件等結合起來，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)儀器不能及的先進功能，具有高度靈活性，突破了在數(shù)據(jù)處理、傳送及存儲方面的限制。USB接口已成為PC機的標準配置，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)平臺構建便攜式的綜合測量系統(tǒng)，對設備進行頻域、時域的參數(shù)測量，完成對設備的狀態(tài)檢測和故障排除。
1 虛擬儀器
虛擬儀器是指計算機為硬件核心平臺，配備相應測試功能的硬件作為信號輸入／輸出端口，利用儀器開發(fā)軟件在計算機上虛擬出儀器的面板和功能按鈕，通過鼠標、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計的LabV-IEW軟件是一種圖形化的編程環(huán)境，實現(xiàn)了虛擬儀器的概念。與傳統(tǒng)儀器相比，虛擬儀器實現(xiàn)了測量儀器的智能化、模塊化、多樣化，具有全自動化的測試過程，并且可以方便地進行二次開發(fā)，以及較低的成本。
2 系統(tǒng)設計
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算機組合為一體的新型測量設備，是當今電子儀器界一個重要的創(chuàng)新，它具有體積小、攜帶方便、堅固、耐高溫、抗振、抗沖擊、絕對密封防水、防腐、防潮、防塵的特點，尤其是其強大的儀器集群綜合工作能力，特別適用于在環(huán)
境惡劣、應急測試等情況下為設備提供必要的搶修平臺。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，它順應當前電子測量多元化、綜合化的趨勢，以工作站的形式取代傳統(tǒng)的分立型臺式儀器，為工業(yè)界、科學界和教育界提供了一種新型電子測量設備，它功能完善、使用方便、通用性好、性價比高，因此電子測量工作站產(chǎn)品具有成為當今電子儀器領域中重要增長點的潛力。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算機集成為一個系統(tǒng)的電子測量設備，具有大規(guī)模的綜合測量能力；具有標準的目標硬件適配接口；具有標準的目標軟件適配接口。
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，配備相應輔助電路模塊來完成信號的采集及轉換，模塊電路有雙向數(shù)字信號適配器電路、數(shù)字存儲示波器電路、高速采樣存儲器電路、數(shù)據(jù)模型波形存儲器電路、任意波形電壓源信號發(fā)生器電路、電壓信號波形存儲器電路、任意波形電流源信號發(fā)生器電路、電流信號波形存儲器電路、萬用表電路、直流穩(wěn)壓電源電路、通信控制模塊電路。
軟件部分運用美國國家儀器公司的LabVIEW圖形化編程軟件，儀器驅動器完成對某一特定儀器控制與通信的軟件程序，并由計算機進行數(shù)據(jù)的存儲和分析。
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與電子測量工作站中的對應儀器相連接，完成所需信號的發(fā)送和測量，測量數(shù)據(jù)由計算機進行處理，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(微波)；18通道數(shù)據(jù)模型信號發(fā)生器，任意波形電壓源、電流源信號發(fā)生器，時鐘信號發(fā)生器；可調式直流穩(wěn)壓電源，工頻交流電源。
3 系統(tǒng)實現(xiàn)
系統(tǒng)同步控制模塊是設備的控制核心，控制各個相關部件工作，它能夠協(xié)調各個儀器同步工作、同步觸發(fā)；能夠通過通信控制模塊與上位計算機通信，接收命令和傳遞數(shù)據(jù)。各種儀器由系統(tǒng)同步控制器和對應模塊組合而成。以邏輯分析儀為例進行介紹。
3．1 系統(tǒng)同步控制器
系統(tǒng)同步控制器具有功能強大的事件觸發(fā)器，能夠按照上位計算機設置的參數(shù)識別特定的信號事件，并能夠對事件進行邏輯運算、觸發(fā)計數(shù)和延時控制，其事件的觸發(fā)信號可以用于控制設備工作狀態(tài)。同時，還具有12組18位寬度的碼型信號事件識別器、1組16位寬度的總線信號事件識別器、2組6級隊列觸發(fā)器、12組信號寬度識別器，2組51位的計數(shù)／定時器，其定時能力可達260天，定時精度為10 ns。這些高性能的部件提供了豐富的信號觸發(fā)資源，適合用于捕捉高速的瞬間信號流。系統(tǒng)同步控制器還帶有系統(tǒng)同步總線，支持雙機聯(lián)機工作方式，在聯(lián)機工作方式下，2個系統(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主時鐘的頻率。系統(tǒng)同步控制器
結構如圖2所示。
3．2 邏輯分析儀
數(shù)字信號適配器、高速采樣存儲器和系統(tǒng)同步控制模塊內的控制電路構成了一個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1兆點的存儲深度，具有豐富的信號觸發(fā)能力和同步工作能力，其信號測量帶寬為80 MHz。數(shù)字信號適配器具有雙向信號處理能力，它既能夠將被測系統(tǒng)的數(shù)字信號送往系統(tǒng)同步控制模塊內的邏輯分析儀進行測量，又能夠將數(shù)據(jù)模型發(fā)生器輸出信號送往被測系統(tǒng)，驅動被測系統(tǒng)的信號節(jié)點。
工作時數(shù)字信號適配器在系統(tǒng)同步控制器的控制下實時切換各通道數(shù)字信號的傳送方向。數(shù)字信號適配器結構如圖3所示。
邏輯分析儀在測量時首先由信號鎖存器將外部的被測信號鎖定，鎖定后的信號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調節(jié)信號鎖定的時序和信號傳送的方向，經(jīng)方向控制器驅動后的被測信號送往系統(tǒng)同步控制模塊，系統(tǒng)同步控制模塊將被測信號實時存入高速采樣存儲器，并產(chǎn)生預先設定的觸發(fā)過程。
高速采樣存儲器實時存儲示波器和邏輯分析儀送來的數(shù)字信號，采樣完畢后，高速采樣存儲器中的數(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算機。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鐘信號MSBUS-CLK和控制信號MSBUS-C的驅動下工作。高速采樣存儲器結構如圖4所示。
3．3 軟件結構
基于虛擬儀器技術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)信號來控制數(shù)據(jù)存儲器，以便開始或停止存儲數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)顯示部分將存儲器里有效的數(shù)據(jù)以多種方式顯示出來，方便對已捕獲的數(shù)據(jù)進行分析。主程序流程圖如圖5所示。
邏輯分析儀的設計采用模塊化思想，包括主程序模塊、DAQ信號獲取模塊、多通道仿真信號產(chǎn)生模塊、合并數(shù)據(jù)流模塊、模數(shù)轉換模塊、多通道波形連接模塊、通道設置模塊、序列觸發(fā)模塊、觸發(fā)設置模塊、截取波形模塊等，主程序直接調用多個子VI程序。操作界面如圖6所示。
4 結語
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)實現(xiàn)了多種儀器的綜合性，操作簡單，攜帶方便，對設備的快速檢修提供了重要平臺。