基于數據采集卡和LabVIEW開發平臺實現綜合測量系統的設計

現代工業和國防工業的迅速發展，使電子測量技術進入廣泛使用、綜合測量階段，大型設備、系統的現場監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境的能力。隨著大規模綜合測試在設備、系統中的廣泛使用，對大規模現場測試設備的需求將日益成長。電子測量工作站的出現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，除了傳承傳統儀器的已有功能之外，還增加了很多傳統儀器不能及的先進功能，具有高度靈活性，突破了在數據處理、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，數據傳輸率高。

基于NI公司的USB系列數據采集卡和LabVIEW虛擬儀器開發平臺構建便攜式的綜合測量系統，對設備進行頻域、時域的參數測量，完成對設備的狀態檢測和故障排除。

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。硬件采用數據采集卡，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境，實現了虛擬儀器的概念。與傳統儀器相比，虛擬儀器實現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，以及較低的成本。

2 、系統設計

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

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，形成協同作戰的儀器集群，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的分立型臺式儀器，為工業界、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的電子測量設備，具有大規模的綜合測量能力；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總線數據采集卡，配備相應輔助電路模塊來完成信號的采集及轉換，模塊電路有雙向數字信號適配器電路、數字存儲示波器電路、高速采樣存儲器電路、數據模型波形存儲器電路、任意波形電壓源信號發生器電路、電壓信號波形存儲器電路、任意波形電流源信號發生器電路、電流信號波形存儲器電路、萬用表電路、直流穩壓電源電路、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，并由計算機進行數據的存儲和分析。

2．3 系統功能

電子測量工作站以系統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，完成所需信號的發送和測量，測量數據由計算機進行處理，顯示出測量數據和圖像。它所控制的儀器和功能模塊電路如圖1所示。

基于數據采集卡和LabVIEW開發平臺實現綜合測量系統的設計

系統基本功能部件如下：雙通道數字存儲示波器；雙通道FFT頻譜分析儀；18通道邏輯分析儀；數字萬用表，LCR萬用電橋；頻率計（微波）；18通道數據模型信號發生器，任意波形電壓源、電流源信號發生器，時鐘信號發生器；可調式直流穩壓電源，工頻交流電源。

3、系統實現

系統同步控制模塊是設備的控制核心，控制各個相關部件工作，它能夠協調各個儀器同步工作、同步觸發；能夠通過通信控制模塊與上位計算機通信，接收命令和傳遞數據。各種儀器由系統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 系統同步控制器

系統同步控制器具有功能強大的事件觸發器，能夠按照上位計算機設置的參數識別特定的信號事件，并能夠對事件進行邏輯運算、觸發計數和延時控制，其事件的觸發信號可以用于控制設備工作狀態。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級隊列觸發器、12組信號寬度識別器，2組51位的計數／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資源，適合用于捕捉高速的瞬間信號流。系統同步控制器還帶有系統同步總線，支持雙機聯機工作方式，在聯機工作方式下，2個系統的觸發資源可以合成，能夠同步觸發、同步工作。系統同步總線還可以用于精確校準主時鐘的頻率。系統同步控制器

結構如圖2所示。

3．2 邏輯分析儀

數字信號適配器、高速采樣存儲器和系統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能力和同步工作能力，其信號測量帶寬為80 MHz。數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的數字信號送往系統同步控制模塊內的邏輯分析儀進行測量，又能夠將數據模型發生器輸出信號送往被測系統，驅動被測系統的信號節點。

工作時數字信號適配器在系統同步控制器的控制下實時切換各通道數字信號的傳送方向。數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同步控制模塊的信號調節信號鎖定的時序和信號傳送的方向，經方向控制器驅動后的被測信號送往系統同步控制模塊，系統同步控制模塊將被測信號實時存入高速采樣存儲器，并產生預先設定的觸發過程。

高速采樣存儲器實時存儲示波器和邏輯分析儀送來的數字信號，采樣完畢后，高速采樣存儲器中的數據經系統同步控制器和通訊控制模塊送往上位計算機。具有34 b的數據寬度和1 MB的地址空間，它在系統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據捕獲和數據顯示2部分組成。數據輸入部分將各通道的輸入變換成相應的數據流；觸發產生部分根據數據捕獲方式在數據流中搜索特定的數據字，然后決定是否產生觸發信號來控制數據存儲器，以便開始或停止存儲數據。數據顯示部分將存儲器里有效的數據以多種方式顯示出來，方便對已捕獲的數據進行分析。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、多通道仿真信號產生模塊、合并數據流模塊、模數轉換模塊、多通道波形連接模塊、通道設置模塊、序列觸發模塊、觸發設置模塊、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。