基于模擬開(kāi)關(guān)技術(shù)的可切換實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)

趙 佳，劉蘊(yùn)紅

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

隨著計(jì)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(gè)新型的儀器概念——虛擬儀器。它將傳統(tǒng)硬件實(shí)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(jì)算機(jī)及其顯示器完成，并且通過(guò)I/O設(shè)備接口采集信號(hào)，最終編制不同功能的軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)采集到的信號(hào)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(kāi)放靈活，可以與PC機(jī)組建并通過(guò)不同的總線接口組建不同規(guī)模的自測(cè)試系統(tǒng)。筆者就在NI ELVIS虛擬儀器教學(xué)實(shí)驗(yàn)套件基礎(chǔ)上，自行設(shè)計(jì)了多路可切換的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，滿足同時(shí)進(jìn)行多組實(shí)驗(yàn)的需要。同時(shí)采用上位機(jī)LabVIEW編程，實(shí)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(jià)值高等特點(diǎn)。

1 NI ELVIS簡(jiǎn)介

NI ELVIS虛擬儀器教學(xué)實(shí)驗(yàn)套件是NI公司推出的一套基于LabVIEW設(shè)計(jì)和原型創(chuàng)建的實(shí)驗(yàn)裝置。NI ELVIS（Educational Laboratory Virtual Instrumentation Suite，ELVIS）虛擬儀器教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)實(shí)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(shí)驗(yàn)產(chǎn)物，它包括硬件和軟件兩部分：硬件包括一臺(tái)可運(yùn)行LabVIEW的計(jì)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(shí)驗(yàn)操控工作臺(tái)；軟件則包括Lab VIEW開(kāi)發(fā)環(huán)境、NIDAQ、可以針對(duì)ELVIS硬件進(jìn)行程序設(shè)計(jì)的一系列LabVIEW API和一個(gè)基于LabVIEW設(shè)計(jì)虛擬儀器軟件包[2]。

該實(shí)驗(yàn)套件可插入一塊原型實(shí)驗(yàn)面板，非常適合教學(xué)實(shí)驗(yàn)和電子電路原型設(shè)計(jì)與測(cè)試，以便完成測(cè)量?jī)x器、電子電路、信號(hào)處理、控制系統(tǒng)輔助分析與設(shè)計(jì)、通信、機(jī)械電子、物理等學(xué)科課程的學(xué)習(xí)和實(shí)驗(yàn)。NI ELVIS集成了多個(gè)實(shí)驗(yàn)室常用的功能，實(shí)現(xiàn)了教學(xué)儀器、數(shù)據(jù)采集和實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)一體化。用戶可以在LabVIEW下編寫(xiě)應(yīng)用程序以符合各自的設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，還可以進(jìn)行電子線路設(shè)計(jì)、信號(hào)處理及控制系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)。用戶只需要一臺(tái)NI ELVIS就可以完成信號(hào)分析（示波器、動(dòng)態(tài)信號(hào)分析儀、信號(hào)源、波特圖分析儀、阻抗分析儀、電流電壓分析儀、數(shù)字萬(wàn)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(shí)驗(yàn)套件Fig.1 NI educational laboratory virtual instrumentation suite

2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

NI ELVIS雖然可單獨(dú)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(shí)驗(yàn)平臺(tái)ELVIS十分方便，但是也存在一些問(wèn)題：在ELVIS實(shí)驗(yàn)平臺(tái)提供的面包板上，一次只能搭建有限的實(shí)驗(yàn)，每次更換實(shí)驗(yàn)都要人工重新搭建，費(fèi)時(shí)費(fèi)力；同時(shí)NI ELVIS實(shí)驗(yàn)平臺(tái)與數(shù)據(jù)卡采集卡價(jià)格高貴，如果想以增加ELVIS來(lái)擴(kuò)展實(shí)驗(yàn)室規(guī)模，價(jià)格十分昂貴。

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

3 可切換實(shí)驗(yàn)平臺(tái)下位機(jī)設(shè)計(jì)

3.1 原型板與接口板設(shè)計(jì)

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(shí)驗(yàn)原型板的通道安排與原有實(shí)驗(yàn)平臺(tái)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(jì)，電路設(shè)計(jì)如圖3（a）所示，主要有兩部分的功能：一部分將信號(hào)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(hào)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(guò)分支切換處理的的信號(hào)端口進(jìn)行恢復(fù)，將以FPC形式匯總的信號(hào)端口以原版ELVIS接口規(guī)格進(jìn)行擴(kuò)充，以插針形式供實(shí)驗(yàn)電路板安裝。電路設(shè)計(jì)如圖 3（b）所示。

3.2 實(shí)驗(yàn)板設(shè)計(jì)

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

每一塊實(shí)驗(yàn)板就是一個(gè)獨(dú)立的實(shí)驗(yàn)。將實(shí)驗(yàn)電路制作成印刷電路板，在更換實(shí)驗(yàn)時(shí)不用再重新搭建電路，而只需直接在接口板上插拔實(shí)驗(yàn)板即可。這極大地降低了實(shí)驗(yàn)管理的工作量，節(jié)省了大量時(shí)間，提高了實(shí)驗(yàn)效率。目前已經(jīng)開(kāi)發(fā)出了20余塊實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)板實(shí)物圖。

3.3 切換電路設(shè)計(jì)

對(duì)于ELVIS提供的信號(hào)類型，可將其分為數(shù)字信號(hào)、模擬信號(hào)和電源信號(hào)3部分，針對(duì)不同信號(hào)的特點(diǎn)，采用不同的模擬開(kāi)關(guān)技術(shù)進(jìn)行控制[3]，完成模塊化設(shè)計(jì)。采用ALTER公司的CycloneII EP2C8Q208完成對(duì)模擬開(kāi)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(shí)驗(yàn)板Fig.4 Experiments boards

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

1）對(duì)于數(shù)字信號(hào)，直接采用1對(duì)8通道數(shù)字控制模擬電子開(kāi)關(guān)CD4051進(jìn)行設(shè)計(jì)。將原型板實(shí)驗(yàn)數(shù)字信號(hào)接入CD4051的公共輸入輸出端，將輸出端信號(hào)八路中的6路分別接入不同的接口板來(lái)完成切換設(shè)計(jì)。

2）對(duì)于模擬信號(hào)，考慮到模擬信號(hào)容易相互干擾，采用具有3對(duì)2通道數(shù)字控制模擬電子開(kāi)關(guān)CD4053進(jìn)行設(shè)計(jì)。將原型板實(shí)驗(yàn)?zāi)M信號(hào)接入CD4053的3路公共輸入輸出端的一路，將此路開(kāi)啟，同時(shí)將其他公共輸入輸出端接地。目的是在信號(hào)選擇某一路導(dǎo)通后，將其他5路信號(hào)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(kāi)斷小信號(hào)的模擬開(kāi)關(guān)進(jìn)行切換，因此我們采用MOSFET進(jìn)行電源信號(hào)的開(kāi)斷[4]。本系統(tǒng)采用IRF9530，P溝道增強(qiáng)型MOSFET管。同時(shí)采用模擬開(kāi)關(guān)CD4051來(lái)控制IRF9530的柵極電壓來(lái)控制其開(kāi)斷，前端加三極管來(lái)增加驅(qū)動(dòng)能力。

4 可切換實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上位機(jī)設(shè)計(jì)

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

4.1 切換實(shí)驗(yàn)操作界面設(shè)計(jì)

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

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

4.2 實(shí)驗(yàn)程序設(shè)計(jì)

由上面的介紹可知，設(shè)計(jì)了不同的實(shí)驗(yàn)電路板來(lái)滿足實(shí)驗(yàn)要求。對(duì)于每個(gè)實(shí)驗(yàn)板，我們?cè)谏衔粰C(jī)都采用LabVIEW編寫(xiě)相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)操作程序，來(lái)完成對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的控制。同時(shí)利用NI公司的NI Vision Development Module通過(guò)編程控制USB攝像頭來(lái)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(gè)實(shí)驗(yàn)電機(jī)正反轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)為例，實(shí)驗(yàn)操作界面程序設(shè)計(jì)如圖7所示。實(shí)驗(yàn)操作界面可以通過(guò)開(kāi)關(guān)來(lái)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(shí)用戶可以通過(guò)視頻窗口觀看實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，檢查實(shí)際現(xiàn)象是否與設(shè)計(jì)一致。

5 結(jié) 論

圖7 實(shí)驗(yàn)操作界面程序設(shè)計(jì)Fig.7 Program design of experiment operation interface

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)應(yīng)用虛擬儀器技術(shù)，由此能夠在計(jì)算機(jī)上根據(jù)真實(shí)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)與操控界面來(lái)模擬現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，提高實(shí)驗(yàn)了效率、降低了實(shí)驗(yàn)成本、增強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，因而具有傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)。采用FPGA控制的利用模擬開(kāi)關(guān)技術(shù)設(shè)計(jì)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(shí)驗(yàn)平臺(tái)的擴(kuò)展要求，對(duì)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的構(gòu)建具有很好的借鑒價(jià)值。

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

[2]宋玉杰，楊燕翔.基于NI ELVIS的遠(yuǎn)程虛擬實(shí)驗(yàn)室的研究[J].電子設(shè)計(jì)工程，2009，17（1）：34-36.SONG Yu-jie，YANG Yan-xiang.Research of remote virtual Lab based on NI ELVIS[J].Electronic Design Engineering，2009，17（1）：34-36.

[3]宋吉江，牛軼霞，于春戰(zhàn)，等.CMOS模擬開(kāi)關(guān)及其選擇問(wèn)題[J].微電子技術(shù)，2001，29（3）：58-60.SONG Ji-jiang，NIU Yi-xia，YU Chun-zhan，et al.CMOS analog switch and its choices[J].Microelectronic Technology，2001，29（3）：58-60.

[4]魯莉容，李曉帆，蔣平.功率MOSFET高速驅(qū)動(dòng)電路的研究[J].電力電子技術(shù)，2001，35（6）：45-47.LU Li-rong，LI Xiao-fan，JIANG Ping.Research on quickly driving circuit of power MOSFET[J].Power Electronics，2001，35（6）：45-47.

[5]陳錫輝，張銀鴻.LabVIEW 8.20程序設(shè)計(jì)從入門(mén)到精通[M].北京：清華大學(xué)出版社，2007.

[6]吳仁濤，姜云海，左建勇.基于LabVIEW平臺(tái)的USB視頻采集方法與應(yīng)用[J].工業(yè)儀表與自動(dòng)化裝置，2011（3）:80-82.WU Ren-tao，JIANG Yun-hai，ZUO Jian-yong.Vision acquisition based on LabVIEW and USB camera.Industrial Instrumentation&Automation，2011（3）:80-82.