基于PCI總線的瞬態(tài)延遲脈沖發(fā)生器

申春龍,余 樂,張紅彬,朱成銀,李名加,郭 鋒,黎 恒

(1.西南科技大學(xué)信息工程學(xué)院,四川 綿陽 621010；2.中國工程物理研究院核物理與化學(xué)研究所,四川 綿陽 621900)

基于PCI總線的瞬態(tài)延遲脈沖發(fā)生器

申春龍1,余 樂1,張紅彬1,朱成銀2,李名加2,郭 鋒1,黎 恒1

(1.西南科技大學(xué)信息工程學(xué)院,四川 綿陽 621010；2.中國工程物理研究院核物理與化學(xué)研究所,四川 綿陽 621900)

針對高強(qiáng)度脈沖中子源控制系統(tǒng)的測試要求，需要產(chǎn)生相對于觸發(fā)信號具有納秒級延時(shí)、脈沖寬度為毫秒級的測試控制信號。由于傳統(tǒng)脈沖信號發(fā)生器價(jià)格昂貴，為了產(chǎn)生所需測試控制信號，同時(shí)提高設(shè)備利用率，采用具有可編程功能的PCI數(shù)據(jù)采集卡產(chǎn)生測試控制信號。在PCI6602數(shù)據(jù)采集卡的硬件平臺上，采用LabVIEW軟件中的DAQ數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對PCI6602進(jìn)行控制，通過LabVIEW前面板對PCI6602數(shù)據(jù)采集卡寫入指定的延時(shí)時(shí)間和脈沖寬度，并允許數(shù)據(jù)采集卡開始計(jì)數(shù)。當(dāng)門控位有一個(gè)上升沿時(shí)，數(shù)據(jù)采集卡的輸出會根據(jù)寫入初值輸出一個(gè)相應(yīng)的可控脈沖信號，從而設(shè)計(jì)了可實(shí)現(xiàn)基于PCI總線接口控制的多路瞬態(tài)且可控的延遲脈沖信號發(fā)生器。試驗(yàn)結(jié)果表明，該控制器能夠?qū)崿F(xiàn)多路脈沖寬度和延遲時(shí)間的精密可調(diào)，具有精度高、穩(wěn)定性好、操作簡單的優(yōu)點(diǎn)，對工程和教學(xué)研究具有一定的實(shí)用價(jià)值。

工控機(jī)； 脈沖信號發(fā)生器； 多通道； 數(shù)據(jù)采集卡； LabVIEW； 人機(jī)交互界面

0 引言

在科學(xué)研究、電子、通信以及自動(dòng)控制系統(tǒng)中，通常需要以精確定時(shí)的多路數(shù)字脈沖作為測試信號或時(shí)序控制信號[1-3]。外設(shè)部件互連標(biāo)準(zhǔn)(peripheral component interconnect,PCI)總線是一種高性能的局部總線，是為了滿足外設(shè)間以及外設(shè)與主機(jī)間高速數(shù)據(jù)傳輸而提出的。在數(shù)字圖形、圖像和語音處理，以及高速實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集與處理等對數(shù)據(jù)傳輸率要求較高的應(yīng)用中，采用PCI總線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，可以解決原有標(biāo)準(zhǔn)總線數(shù)據(jù)傳輸率低帶來的瓶頸問題[4]。NI公司為PCI總線提供了多功能的數(shù)據(jù)采集設(shè)備[5]。這些設(shè)備可廣泛應(yīng)用于測量、控制以及信號采集過程，包括自動(dòng)化測試、過程控制、原型驗(yàn)證以及傳感器測量等。本文設(shè)計(jì)了一種基于PCI總線的多通道瞬態(tài)延遲脈沖信號發(fā)生器，并介紹了硬件平臺和軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)過程。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

多通道瞬態(tài)延遲脈沖信號發(fā)生器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)主要包括數(shù)據(jù)采集卡[6]、工控機(jī)、屏蔽接線盒、顯示器、輸入設(shè)備以及示波器等。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

首先，以能夠工作在特殊環(huán)境下、高性能的工業(yè)控制計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ)，搭建具有良好人機(jī)交互界面的LabVIEW軟件平臺，并進(jìn)行編程開發(fā)，聯(lián)合DAQmx驅(qū)動(dòng)[7]程序?qū)赑CI總線的數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行控制[8]，從而產(chǎn)生脈沖寬度及延遲時(shí)間精密可調(diào)的脈沖信號。其次，通過輸入設(shè)備、顯示設(shè)備對延遲時(shí)間、脈沖寬度進(jìn)行設(shè)置，通過輸入設(shè)備的控制軟件產(chǎn)生觸發(fā)信號。最后，通過屏蔽接線盒將多路信號引出，將實(shí)際結(jié)果形象、直觀地顯示在示波器上。

2 系統(tǒng)硬件介紹

多通道瞬態(tài)延遲脈沖發(fā)生器要求能夠產(chǎn)生多路(例如：8路)延時(shí)、脈寬均可調(diào)的脈沖信號，其典型信號輸出模式如圖2所示。

圖2 典型信號輸出模式示意圖

CH-1是基準(zhǔn)信號，其他通道CH-n(本設(shè)計(jì)n為2～9)是觸發(fā)后產(chǎn)生的延遲脈寬信號，CH-n的延遲是指該路信號上升沿相對于CH-1上升沿的時(shí)間。CH-n信號的延遲和脈沖寬度是可調(diào)的，本設(shè)計(jì)的延遲可以在幾十納秒至幾秒之間調(diào)節(jié)，延遲可以按照50 ns的步長進(jìn)行調(diào)節(jié)；脈沖寬度設(shè)計(jì)為1～500 ms，延遲可以按照0.001 ms的步長調(diào)節(jié)到最大脈寬。

為產(chǎn)生納秒級延遲、毫秒級脈寬的脈沖可調(diào)信號，硬件連接如圖3所示。

圖3 硬件連接圖

針對高速率的信號傳輸，所選擇的數(shù)據(jù)采集卡是基于PCI總線、多功能，且可以直接通過插槽直接插入工控機(jī)任意PCI插槽內(nèi)的數(shù)據(jù)采集卡[9]。選用的數(shù)據(jù)采集卡為NI公司著名的PCI6602數(shù)據(jù)采集卡。該數(shù)據(jù)采集卡的最大頻率為80 MHz晶振(脈沖精度可達(dá)12.5 ns),可提供4～8個(gè)32位計(jì)數(shù)器/定時(shí)器和32條數(shù)字I/O線(5 V TTL/COMS)，為所有輸出通道提供高壓保護(hù)。

工控機(jī)采用的是能在特殊環(huán)境下工作、高性能、大內(nèi)存且擁有多個(gè)PCI插槽的研華工業(yè)控制計(jì)算機(jī)。屏蔽接線盒采用的是NI SCB-68A屏蔽式I/O接線盒，用于將I/O信號連接至配有68針連接端口的插入式數(shù)據(jù)采集(DAQ)設(shè)備，還可提供堅(jiān)固、噪聲極低的信號終端，從而保證信號的穩(wěn)定性。

3 軟件設(shè)計(jì)

軟件是整個(gè)設(shè)計(jì)系統(tǒng)的核心、人機(jī)交互的紐帶。軟件設(shè)計(jì)采用基于圖像化設(shè)計(jì)的LabVIEW平臺。作為一種業(yè)界領(lǐng)先的工業(yè)化標(biāo)準(zhǔn)圖形化編程工具，LabVIEW主要用于開發(fā)測試、測量、信號采集以及系統(tǒng)控制[10-11]。LabVIEW設(shè)計(jì)采用模塊化的設(shè)計(jì)思路。系統(tǒng)需要安裝DQAmx驅(qū)動(dòng)軟件，從而獲得NI公司提供的部分?jǐn)?shù)據(jù)采集子VI，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行拓展開發(fā)。根據(jù)系統(tǒng)需求，通過軟件產(chǎn)生以CH-1為基準(zhǔn)的觸發(fā)信號。觸發(fā)信號以CH-1的上升沿或下降沿作為觸發(fā)條件，經(jīng)過設(shè)定好的一段延時(shí)后產(chǎn)生CH-n的脈寬信號。

在不影響實(shí)現(xiàn)該設(shè)計(jì)功能的前提下，為了避免復(fù)雜的操作，通過程序面板將輸入/輸出端口、計(jì)數(shù)器、觸發(fā)端口設(shè)置為常量，從而將端口固定在相應(yīng)接口位置上。前面板只保留了設(shè)置CH-n通道的延遲時(shí)間、脈寬時(shí)間、CH-1基準(zhǔn)觸發(fā)信號的觸發(fā)按鈕以及CH-n通道延遲時(shí)間和脈寬時(shí)間參數(shù)改變后的確認(rèn)按鈕。

軟件流程如圖4所示。

圖4 軟件流程圖

3.1 數(shù)字量開關(guān)設(shè)計(jì)

數(shù)字I/O功能具有廣泛的用途，可以按照TTL邏輯電平設(shè)計(jì)。其邏輯低電平為低于0.4 V的輸出電壓；邏輯高電平為大于2.4 V的輸出電壓。通過高低電平的翻轉(zhuǎn)來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集的觸發(fā)、控制以及計(jì)數(shù)等相關(guān)功能[12]。該設(shè)計(jì)中觸發(fā)功能就是運(yùn)用數(shù)字I/O輸出高低電平的變化來實(shí)現(xiàn)的。對PCI6602的I/O口進(jìn)行編程，為了增加輸出通道數(shù)，減少對專用輸出端口的占用，使用輸出高電平為+5 V的GATE端口作為基準(zhǔn)觸發(fā)信號。

CH-1為產(chǎn)生脈沖信號提供一個(gè)基準(zhǔn)觸發(fā)信號。首先，將其定義為“數(shù)字輸出”端口。其次，DAQmx開始任務(wù)(VI)使任務(wù)處于運(yùn)行狀態(tài)，即表示“開始任務(wù)”從“已提交”狀態(tài)轉(zhuǎn)為“運(yùn)行”狀態(tài)。最后，通過數(shù)組按鍵的互鎖產(chǎn)生脈沖；同時(shí)，根據(jù)互鎖按鍵的“數(shù)組元素與操作”，檢查是否有按鍵按下，從而判斷是否有觸發(fā)信號產(chǎn)生。通過DAQmx寫入(VI)選擇“數(shù)字1D布爾1通道1采樣”，對按鍵是否按下進(jìn)行數(shù)據(jù)寫入。如果有按鍵按下就輸出高電平，沒有按鍵按下就輸出低電平。

3.2 脈寬信號設(shè)計(jì)

CH-n是本設(shè)計(jì)中產(chǎn)生的重要測試控制信號，通過CH-1的觸發(fā)產(chǎn)生。首先，需要設(shè)置的端口主要包括：觸發(fā)端口選擇、輸出端口選擇、計(jì)數(shù)器選擇以及響應(yīng)延遲時(shí)間和脈寬時(shí)間的輸入。延遲時(shí)間和脈寬時(shí)間數(shù)據(jù)類型選擇為雙精度浮點(diǎn)型，最大范圍為0～1.79E+308。其值可認(rèn)為趨于正無窮，即延遲時(shí)間和脈寬時(shí)間理論上最大可調(diào)范圍無限制。但是，由于采集卡的晶振頻率限制，最小時(shí)間和最大時(shí)間具有一定的范圍限制。當(dāng)脈寬設(shè)置參數(shù)通過“創(chuàng)建數(shù)組”與0.001相乘，即可將脈寬單位設(shè)置為毫秒級；同理，當(dāng)延遲時(shí)間參數(shù)通過“創(chuàng)建數(shù)組”與1E-9相乘，即可將延遲時(shí)間單位設(shè)置為納秒。

其次，通過For循環(huán)可以由自動(dòng)索引隧道每次讀取數(shù)組的一個(gè)元素，從而接收通過“創(chuàng)建數(shù)組”生成數(shù)組元素，組合多通道數(shù)據(jù)。For循環(huán)內(nèi)通過DAQmx 虛擬通道(VI)并選擇“CO脈沖時(shí)間”設(shè)置生成數(shù)字脈沖，對輸入的延遲時(shí)間和脈寬時(shí)間進(jìn)行計(jì)時(shí)。與“CO脈沖時(shí)間”子VI連接的DAQmx開始觸發(fā)(VI)，通過選擇“開始-數(shù)字模式”即可選擇為邊沿觸發(fā)，可以選擇為“上升沿觸發(fā)”或者“下降沿觸發(fā)”的觸發(fā)方式。

最后，通過While循環(huán)等待觸發(fā)信號的到來。如果出現(xiàn)觸發(fā)信號，將觸發(fā)產(chǎn)生CH-n信號?？刂芖hile循環(huán)的條件有報(bào)錯(cuò)時(shí)跳出循環(huán)、觸發(fā)時(shí)跳出循環(huán)以及參數(shù)改變后需要重新確認(rèn)按鈕確認(rèn)時(shí)跳出循環(huán)。而跳出循環(huán)主要作用是數(shù)據(jù)輸出。觸發(fā)條件的要求可以提供互鎖按鈕，即只能有一個(gè)輸出為高電平或低電平，同時(shí)可以利用互鎖的數(shù)組按鈕，創(chuàng)建“局部變量”而使觸發(fā)條件可以在不改變參數(shù)的條件下重復(fù)觸發(fā)。然而，在改變參數(shù)后，必須按下“確認(rèn)按鈕”跳出循環(huán)后重新寫入數(shù)據(jù)，才能對相關(guān)參數(shù)進(jìn)行有效的操作。為實(shí)現(xiàn)信號的多次連續(xù)觸發(fā)，在DAQmx任務(wù)完成后，通過DAQmx清除任務(wù)將原來數(shù)據(jù)清除，以便再次觸發(fā)數(shù)據(jù)的寫入。

4 結(jié)束語

本文研究的信號發(fā)生器，可根據(jù)用戶實(shí)際需求修改參數(shù)。試驗(yàn)結(jié)果表明，該控制信號發(fā)生器具有精確性和有效性，且對信號進(jìn)行觀測分析所得到的各項(xiàng)參數(shù)和指標(biāo)均滿足設(shè)計(jì)要求。該控制信號發(fā)生器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)為今后工程應(yīng)用和教學(xué)研究提供了新方法。

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Transient Delay Pulse Generator Based on PCI Bus

SHEN Chunlong1,YU Le1,ZHANG Hongbin1,ZHU Chengyin2,LI Mingjia2,GUO Feng1,LI Heng1

(1.School of Information Engineering,Southwest University of Science and Technology,Mianyang 621010,China;2.Institute of Nuclear Physics and Chemistry,China Academy of Engineering Physics,Mianyang 621900,China)

In accordance with the test requirements of the control system of high intensity pulse neutron source, it is necessary to generate the test control signal which is nanosecond delayed related to the trigger signal, and with millisecond pulse width. Due to the traditional pulse signal generator is so expensive, to meet the requirements of the test control signal and to enhance the utilization rate of equipment, the programmable PCI data acquisition card is used to generate the test control signal. Based on the hardware platform of PCI6602 data acquisition card from National Instruments (NI), by using the DAQ data acquisition system of the LabVIEW software, the control PCI6602 is conducted; through the front panel of LabVIEW, specific delay time and pulse width are written into PCI6602 data acquisition card, and the card is enable to start counting. When a rising edge appears at the gate control bit, the data acquisition card may output a corresponding controllable pulse signal in accordance with the initial values written, thus the multi-channel transient and controllable delay pulse signal generator based on PCI bus interface control is implemented. The test result shows that the controller is able to precisely adjust the width and delay time for multi-channel pulses with high accuracy, stability and ease operation, it has certain practical applicable value to engineering and teaching research.

Industridal personal computer(IPC); Particle swarm optimization algorithm; Multi-channel; Data acquisition card; LabVIEW; Human machine interaction

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51475453)

申春龍(1990—)，男，在讀碩士研究生,主要從事信號檢測與信號處理方向的研究。E-mail:1415725868@qq.com。 郭鋒(通信作者)，男，博士，教授,主要從事智能儀器等方向的研究。E-mail:guofen9932@163.com。

TH86;TP274

A

10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201703015

修改稿收到日期：2016-07-13