自制便携式虚拟仪器的一种快速实现方法

　　1. 引言

　　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。总的来说，虚拟仪器是计算机软硬件技术的产物。与传统仪器相比，它改变了以往的按钮、按键和旋钮等的操作方式和简单的显示界面，虚拟仪器借助于 PC计算机WINDOWS操作系统强大的图形功能，使人机交互的操作更加友好和便捷;对于数据处理，应用计算机软件的强大功能可以灵活地选择所需要的算法处理（数字滤波、统计分析和数值计算），而不像传统仪器那样，其数据处理功能固定。

　　目前，国内外许多公司（比如美国的NI公司）都有相当优良的虚拟仪器产品，然而其价格之高，让我们这些高校科研室的工作者们“敬而远之”。然而，随着电子元器件产品的不断高密度集成化以及计算机软件工具开发的日益多样性和开放性，这些科技技术发展为我们自研自制虚拟仪器提供了良好的开发手段和方法。本文详细介绍了自行设计适合自身需要的虚拟仪器的全过程。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

　　虚拟仪器是以计算机硬件为平台，以传感器、模块化硬件接口卡以及测量软件构成的虚实相结合的测量系统。虚拟仪器的数据和控制信号必须通过计算机总线来获取和传输。现有的虚拟仪器大多建立在PC、PCI、ISA等并行通用总线或IEEE488、VXI、PXI等仪器专用总线的基础上。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。

　　虚拟仪器软件部分的设计包括硬件板卡底层固件、板卡驱动程序、上层信号处理程序以及显示操作面板设计。其中，驱动程序设计采用DriverStudio驱动程序开发工具，采用美国NI公司的WINDOWS/CVI进行信号处理显示和用户操作面板的设计。

　　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。数据采集卡和PC机是虚拟仪器的基本硬件，是应用软件的物理环境。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。