基于PCI总线的多功能虚拟仪器

摘要：利用LabVIEW虚拟仪器设计平台与基于PCI总线的高速数据采集卡构建了一个虚拟仪器系统。较为详细地介绍了如何利用美国NI公司的LabVIEW图形化编程语言，对虚拟仪器进行研发，分别从硬件、软件两个方面对仪器的构成、设计与实现进行了详细的叙述。经研究表明，本仪器可以完成信号产生、数据采集、时域波形显示、数据存储、波形存储、波形回放、波形打印、参数测量、信号处理、频谱分析、频域波形显示等功能。
关键词：虚拟仪器；PCI总线；LabVIEW


　　虚拟仪器是现代计算机技术同仪器技术深层次结合产生的新概念仪器，是对传统仪器概念的重大突破，是仪器领域内的一次**。虚拟仪器是继模拟式仪表、分立元件式仪表、数字式仪表、智能仪器之后的新一代仪器。所谓虚拟仪器，就是在以通用计算机为核心的硬件平台上，由用户设计定义，具有虚拟面板，功能由测试软件实现的一种计算机仪器系统。虚拟仪器的实质是利用PC计算机显示器的显示功能模拟传统仪器的控制面板，以多种形式表达输出检测结果，利用PC计算机强大的软件功能实现信号数据的运算、分析和处理，利用I/O接口设备完成信号的采集、测量和调理，从而完成各种测试功能的一种计算机仪器系统。
　　本文的虚拟仪器采用DAQ(DataAcquisition)系统，以数据采集卡、计算机为仪器硬件平台组成的插卡式虚拟仪器系统。这种基于计算机总线的测量系统是构成虚拟仪器*基本的方式，也是*廉价的方式，可以有效地利用当前用户已有的计算机，使用时将数据采集卡插入计算机的插槽即可。它要用到PCI和ISA计算机总线，由于ISA总线只有8位和16位两档，*高时钟频率只有5MHz，峰值传输速率只能达到8MB/s，无法实现对数据的高速传输，限制了整个系统的性能。PCI局部总线是32位总线，总线时钟为33MHz，数据传输率高达132MB/s，所以本虚拟仪器系统选用基于PCI总线。

1　硬件模块平台
　　本虚拟仪器由一块基于PCI总线的高速数据采集卡和相应的软件组成，将它们安装在一台运行的PC机上，可构成一个功能强大的数字虚拟仪器。其系统框图及工作原理如图1所示。

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　　　　　　图1系统结构框图
　　工作原理：首先由主机启动程序，发出按时间步进的频率控制字送入信号源电路，产生出频率随时间在1MHz～70MHz范围内变化的恒幅正弦波模拟信号。信号通过PCI高速数据采集卡采样得数字信号，经PCI总线送入计算机内，通过LabVIEW软件模块对信号进行分析、处理，从而实现虚拟仪器的功能。
(1)　AD6640
　　AD6640芯片是一种单片式的12位分辨率模数转换器，内含采样保持电路和基准源，可实现高速的A/D转换，采样速率可达65MSPS，无杂散动态范围达80dB，模拟信号输入采用差分结构，每个输入的电压范围是以2.4V为ZX，上下摆动在1V以内。由于两个输入的相位相差180°，所以AD6640的模拟输入信号的*大峰——峰值2V。
(2)　FPGA逻辑控制
　　采集卡内部控制逻辑主要由FPGA编程完成。FPGA需要完成以下几个逻辑控制:地址译码;控制DDS(AD9850)产生采样时钟;控制FIFO完成数据存储;响应PCI9054信号并以DMA方式把数据传输到主机。
(3)　DDS
　　DDS采用高速的数字电路和高速D/A转换技术，具有频率切换速度快、分辨率和稳定度高等突出优点。系统中使用的DDS为AD9850芯片，外接30MHz晶振，其内部时钟通过6倍频可达180MHz。(4)总线控制器PCI9054PCI9054是32位/33MHz的通用PCI总线控制器专用接口芯片。该芯片符合PCI总线规范2.2，支持突发传输，突发传输速率达到132MB/s，支持双地址周期，寻址空间高达4GByte。在内部有6种可编程的FIFO，以实现零等待突发传输及局部总线之间的异步操作。PCI9054的数据传输支持主模式和从模式，可以编程选择。

2　软件模块及其功能
　　虚拟仪器软面板是虚拟仪器的重要组成部分，用户使用虚拟仪器的过程就是通过鼠标操作虚拟仪器软面板的过程，并能获得比传统仪器的面板操作更为形象和直观的效果。其界面及功能都是由LabVIEW编程环境的设计方法来实现的，充分利用了计算机软件资源和强大处理能力，具有精度高、速度快、性价比高、操作简便、功能多且灵活等优点。
　　整个虚拟仪器在Windows2000操作系统平台下基于数据采集模块，主要由虚拟存储示波器" href="http://www.18show.cn/product/detail/12307559.html" target="_blank">示波器、虚拟频谱分析仪组成。其性能如表1所示。
　　　　表1　虚拟仪器的性能

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2.1　数据采集模块
　　数据采集模块是虚拟示波器的软件核心，主要完成数据采集的控制。AD6640的工作频率为8MHz～65MHz，采样率低于8MHz的需分频后仍按8MHz采样，高于8MHz的按实际采样率采样。由于AD6640的*高工作频率为65MHz，而扫频信号的频率上限为70MHz，按照奈奎斯特理论:“采样率(fs)必须大于信号*高频率成分(fa)的两倍。”那么对70MHz的信号就需至少140MHz的采样频率，显然直接采样并不可行，因此用欠采样来解决。fs由欠采样定理公式

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得出，N为信号一个周期内采样点数。当fs=10MHz，fa=31MHz时的采样时域波形和频谱如图2、图3所示。

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图2 　数据采集的时域波形

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图3 　频谱显示