引 言

LabVIEW是一種基于圖形程序的虛擬儀器編程語(yǔ)言，與傳統(tǒng)儀器相比，虛擬儀器技術(shù)以計(jì)算機(jī)為平臺(tái)，在程序界面中有用于模擬真實(shí)儀器面板的控件可供調(diào)用，可用于設(shè)置輸入數(shù)值、觀(guān)察輸出值以及實(shí)現(xiàn)圖表、文本等顯示，因此具有友好的人機(jī)界面。LabVIEW具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)采集、分析、處理、顯示和存儲(chǔ)功能。在測(cè)試與測(cè)量、數(shù)據(jù)采集、儀器控制、數(shù)字信號(hào)分析、工廠(chǎng)自動(dòng)化等領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用，顯示出其強(qiáng)勁的生命力。LabVIEW平臺(tái)下開(kāi)發(fā)的虛擬儀器在相同硬件條件下，改變軟件即可實(shí)現(xiàn)不同的儀器功能，真正實(shí)現(xiàn)了“軟件即儀器”的設(shè)計(jì)理念。

實(shí)現(xiàn)LabVIEW對(duì)數(shù)據(jù)的采集和處理，傳統(tǒng)的方法是采用數(shù)據(jù)采集卡，但是這些數(shù)據(jù)采集卡設(shè)備存在安裝不便，價(jià)格昂貴，受計(jì)算機(jī)插槽數(shù)量、地址、中斷資源的限制，可擴(kuò)展性差等缺點(diǎn)。在LabVIEW平臺(tái)下使用USB總線(xiàn)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，由于USB接口總線(xiàn)具有即插即用，接口簡(jiǎn)單，傳送速率高等特點(diǎn)，因此基于Lab-VIEW和USB接口的虛擬儀器具有靈活、可靠、經(jīng)濟(jì)等特點(diǎn)。

鑒于以上LabVIEW和USB接口儀器的優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)LabVIEW下USB接口的接口程序就顯得尤為重要。在此，介紹了一種基于LabVIEW與USB的虛擬儀器接口設(shè)計(jì)的方法。

1 設(shè)計(jì)方案

由于各類(lèi)基于USB總線(xiàn)的數(shù)據(jù)采集、控制的虛擬儀器都涉及到LabVIEW與USB接口程序的設(shè)計(jì)，為了不失一般性，這里以虛擬示波器為例，介紹該接口程序的設(shè)計(jì)方法。

1．1 硬件設(shè)計(jì)方案

該系統(tǒng)是虛擬示波器，主要工作是采集被測(cè)模擬信號(hào)，并將信號(hào)通過(guò)USB2．o接口傳輸?shù)絇C104計(jì)算機(jī)，運(yùn)行計(jì)算機(jī)LabVIEW平臺(tái)下的應(yīng)用軟件完成數(shù)據(jù)的處理與記錄，并在顯示器上繪制曲線(xiàn)。

該系統(tǒng)主要由模擬信號(hào)采集模塊、FPGA控制模塊、USB傳輸模塊和計(jì)算機(jī)組成，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

1．1．1 FPGA控制模塊

該設(shè)計(jì)采用Alter公司的Cyclone系列現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列（Field Programmable Gate Array，F(xiàn)PGA），芯片EP1c3T144來(lái)實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)控制及傳輸。

EP1C3T144采用TPFQ封裝，擁有100個(gè)I／O口和2 910個(gè)邏輯單元，是一種高密度、高性能的FPGA。

FPGA的主要功能是高速數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)幀控制，以及與USB單片機(jī)進(jìn)行通信。具體說(shuō)明如下：

（1）高速數(shù)據(jù)采集及增益控制。高速數(shù)據(jù)采集功能是控制高速A／D的時(shí)序進(jìn)行數(shù)據(jù)采集；增益控制功能是通過(guò)向程控增益放大電路發(fā)送控制命令，進(jìn)而達(dá)到控制模擬電路放大倍數(shù)的目的。由于篇幅關(guān)系，有關(guān)這兩個(gè)方面的內(nèi)容不做詳細(xì)介紹。

（2）數(shù)據(jù)幀控制。FPGA每秒向PC機(jī)發(fā)送100幀和每幀512 B的數(shù)據(jù)，將如此高速的數(shù)據(jù)進(jìn)行準(zhǔn)確無(wú)誤的控制和傳輸是系統(tǒng)的技術(shù)難點(diǎn)之一。該方案中，每幀數(shù)據(jù)由3部分組成：如圖2所示。

其中，每一幀數(shù)據(jù)的開(kāi)始位和結(jié)束位是固定數(shù)據(jù)，計(jì)算機(jī)的測(cè)井應(yīng)用軟件判斷接收到每一幀數(shù)據(jù)的幀頭及幀尾是否錯(cuò)誤。若出現(xiàn)錯(cuò)誤，將該幀數(shù)據(jù)丟棄，同時(shí)準(zhǔn)備接收下一幀數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)第二部分，模擬信號(hào)由FPGA控制A／D芯片采集得到。

1．1．2 USB傳輸模塊

Cypress公司的。EZ-USB FX2芯片CY7C68013是一款性能較高的USB 2.0微控制器。在單片機(jī)上集成USB 2.O收發(fā)器、SIE（串行接口引擎）、增強(qiáng)的8051微控制器和可編程的外圍接口。EZ-USB FX2中的智能SIE可以處理大部分USB 2.0協(xié)議，使得微控制器可以專(zhuān)注于應(yīng)用功能，從而減少了開(kāi)發(fā)時(shí)間，確保了USB的兼容性。

CY7C68013有3種可用的接口模式：端口、GPIF主控和Slave FIFO方式。在該系統(tǒng)中，根據(jù)系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)傳輸速度和實(shí)時(shí)性的要求，配置CY7C68013工作的接口模式為Slave FIFO模式。在Slave FIFO模式下，外部邏輯或外部處理器直接與FX2端點(diǎn)FIFO相連。這種模式下，外部主控器FPGA通過(guò)異步方式與CY7C68013進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。

FPGA與CY7C68013之間的硬件接口框圖如圖3所示。SL_WR／SL_RD是Slave FIFO的寫(xiě)使能／讀允許信號(hào)。FPGA向CY7C68013提供Slave FIFO輸出允許信號(hào)SL_OE，僅在數(shù)據(jù)輸出時(shí)有效。FB［7：O］為8位雙向數(shù)據(jù)總線(xiàn)。ADDR［1：0］為FIFO端點(diǎn)選擇信號(hào)。在數(shù)據(jù)輸入時(shí)固定為00，選擇的是端點(diǎn)2；在數(shù)據(jù)輸出時(shí)固定為10，選擇的是端點(diǎn)6。

1．2 軟件設(shè)計(jì)方案

為了能夠在LabVIEW中充分利用其他編程語(yǔ)言的優(yōu)勢(shì)，LabVIEW提供了強(qiáng)大的外部程序接口能力。這些接口包括DLL，C語(yǔ)言接口（CIN），ActiveX，．NET，DDE，Matlab等。通過(guò)DLL，可以方便地調(diào)用c，VC，VB等編程語(yǔ)言編寫(xiě)的程序以及Windows自帶的大量API函數(shù)。動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)（Dynamic LinkLibrary，DLL）是一個(gè)可以多方共享的程序模塊，內(nèi)部對(duì)共享的例程和資源進(jìn)行了封裝。動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)文件的擴(kuò)展名一般是．dll，DLL和可執(zhí)行文件（exe）非常相似，最大的區(qū)別在于DLL雖然包含了可執(zhí)行代碼卻不能單獨(dú)執(zhí)行，必須由Windows應(yīng)用程序直接或間接調(diào)用。

因此，開(kāi)發(fā)上層應(yīng)用軟件的首要工作是DLL動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)的開(kāi)發(fā)，在這里DLL動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)采用VC++6．0進(jìn)行開(kāi)發(fā)。LabVIEW調(diào)用DLL示意圖如圖4所示，由于DLL能夠調(diào)用API函數(shù)與USB設(shè)備進(jìn)行通信，而采用NI公司的虛擬儀器軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)LabVIEW可以充分發(fā)揮虛擬儀器的靈活性。因此，將兩者優(yōu)勢(shì)結(jié)合起來(lái)，該設(shè)計(jì)的虛擬示波器用戶(hù)控制面板具有界面友好，操作直觀(guān)等優(yōu)點(diǎn)，通過(guò)面板上的各種控件便可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集、存儲(chǔ)、再現(xiàn)及分析等功能。

2 軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)是虛擬儀器開(kāi)發(fā)的必備環(huán)節(jié)。基于LabVIEW與USB的虛擬儀器的軟件設(shè)計(jì)分為4部分：主機(jī)操作系統(tǒng)上的客戶(hù)驅(qū)動(dòng)程序、主機(jī)應(yīng)用程序、Ez-USB FX2的固件程序以及FPGA軟件。

2．1 驅(qū)動(dòng)程序

主機(jī)軟件部分包括USB客戶(hù)驅(qū)動(dòng)程序和主機(jī)應(yīng)用程序。USB客戶(hù)驅(qū)程序是支持即插即用功能的標(biāo)準(zhǔn)WDM驅(qū)動(dòng)程序，它為實(shí)現(xiàn)控制傳輸、中斷傳輸和批傳輸提供了標(biāo)準(zhǔn)接口函數(shù)。一般情況下Cypress公司所提供的客戶(hù)驅(qū)動(dòng)程序已經(jīng)能夠滿(mǎn)足需求，如果有特別的需求，可以在其基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)自己的驅(qū)動(dòng)程序。

2．2 應(yīng)用程序LabVIEW調(diào)用DLL

主機(jī)應(yīng)用程序是系統(tǒng)與用戶(hù)的接口，需要一個(gè)圖形用戶(hù)界面來(lái)控制所調(diào)用的函數(shù)，這里采用LabVIEW來(lái)編寫(xiě)應(yīng)用程序。它通過(guò)調(diào)用DLL與驅(qū)動(dòng)程序進(jìn)行通信，以完成對(duì)外設(shè)的數(shù)據(jù)傳輸。在編寫(xiě)用戶(hù)程序時(shí)，首先要建立與外設(shè)的連接，然后才能實(shí)施數(shù)據(jù)的傳輸。在DLL程序中主要用到2個(gè)API函數(shù)：一是利用Create-File得到USB句柄；二是利用DeviceIoControl來(lái)向設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序發(fā)送請(qǐng)求，完成在EZ-USB FX2中數(shù)據(jù)批傳輸?shù)淖x取與寫(xiě)入。

采用LabVIEw來(lái)設(shè)計(jì)這里的應(yīng)用程序，關(guān)鍵是通過(guò)Call Library Function節(jié)點(diǎn)來(lái)調(diào)用前面所編寫(xiě)DLL文件中的各個(gè)函數(shù)。該節(jié)點(diǎn)位于Functions Palette的Connectivity |Libraries Executables | Call LibraryFunction Node，如圖5所示。

通過(guò)CLF節(jié)點(diǎn)來(lái)調(diào)用前面所編寫(xiě)的DLL步驟如下：

（1）單擊該節(jié)點(diǎn)將其放置在程序框圖中，此時(shí)該節(jié)點(diǎn)沒(méi)有與任何DLL連接；

（2）右擊該節(jié)點(diǎn)并選擇Configure選項(xiàng)或者直接雙擊該節(jié)點(diǎn)可以打開(kāi)庫(kù)函數(shù)配置對(duì)話(huà)框；

（3）在該模塊的屬性設(shè)置中選擇DLL文件中所包含的某個(gè)函數(shù)，然后再設(shè)置好函數(shù)的返回類(lèi)型和參數(shù)類(lèi)型。這樣就可以使LabVIEW調(diào)用DLL文件中的一個(gè)函數(shù)（針對(duì)DLL中的每個(gè)函數(shù)都需要設(shè)置一個(gè)CallLibrary Function Node）。最后把該模塊的另一端連接到顯示模塊，就可以顯示從USB接口讀進(jìn)的數(shù)據(jù)。

2．3 EZ-USB FX2的固件程序

固件程序是指運(yùn)行在設(shè)備CPU中的程序。只有在該程序運(yùn)行時(shí)，外設(shè)才能稱(chēng)之為具有特定功能的外部設(shè)備。固件程序負(fù)責(zé)初始化各硬件單元，重新配置設(shè)備。固件代碼的存儲(chǔ)位置一般有2種：

第一種是存在主機(jī)中，設(shè)備加電后由驅(qū)動(dòng)程序把固件下載到片內(nèi)RAM后執(zhí)行，即“重新枚舉”；

第二種是把固件代碼固化到1片E2RPOM中，外設(shè)加電后由FX2通過(guò)I2C總線(xiàn)下載到片內(nèi)RAM后自動(dòng)執(zhí)行。筆者選用第一種方式，這種方式便于系統(tǒng)的調(diào)試和升級(jí)。

為了簡(jiǎn)化和加速用戶(hù)使用EZ-USB FX2芯片進(jìn)行USB外設(shè)的開(kāi)發(fā)過(guò)程，Cypress公司提供了一個(gè)完整的固件程序架構(gòu)，用戶(hù)只需要提供一個(gè)USB描述符表，添加其他端點(diǎn)接收和發(fā)送數(shù)據(jù)的通信代碼，以及控制外圍電路的程序代碼。具體操作可以參考文獻(xiàn)［1］中的內(nèi)容。

2．4 FPGA軟件

該系統(tǒng)采用VHDL和BlockDiagram／Schematic相結(jié)合的方法來(lái)對(duì)各功能模塊進(jìn)行邏輯描述，然后通過(guò)EDA開(kāi)發(fā)平臺(tái)，對(duì)FPGA芯片進(jìn)行編程，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的數(shù)據(jù)方向是雙向的。從計(jì)算機(jī)端來(lái)看，“讀數(shù)據(jù)”即FPGA通過(guò)CY7C68013向計(jì)算機(jī)發(fā)送測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)；“寫(xiě)數(shù)據(jù)”即計(jì)算機(jī)通過(guò)CY7C68013向FPGA發(fā)送測(cè)井命令。

如圖6所示，“讀數(shù)據(jù)模式”的工作原理是計(jì)算機(jī)在數(shù)據(jù)采集模式下，CY7C68013的PD7被設(shè)置為低電平，F(xiàn)PGA判斷該位電平為低，則工作在向USB發(fā)送數(shù)據(jù)模式。此時(shí)，F(xiàn)PGA判斷USB單片機(jī)FULL管腳是否有效，若CY7C68013中FIFO6未滿(mǎn)，則一直向FIFO6發(fā)送數(shù)據(jù)。計(jì)算機(jī)接收到被A／D數(shù)據(jù)后，完成計(jì)算、繪圖、保存等功能。

“寫(xiě)數(shù)據(jù)模式”的工作原理：計(jì)算機(jī)在發(fā)送命令模式下，CY7C68013的PD7被設(shè)置為高電平，F(xiàn)PGA判斷該位電平為高，則工作在接收USB發(fā)送命令模式。此時(shí)，F(xiàn)PGA判斷USB單片機(jī)EMPTY管腳是否有效，若CY7C68013中FIFO2未空，則一直讀取FIFO2中的命令數(shù)據(jù)，同時(shí)根據(jù)命令改變A／D采集的通道數(shù)和程控放大器的增益值。

3 結(jié)語(yǔ)

設(shè)計(jì)的基于LabVIEW與USB的虛擬儀器不但具有體積小，功耗低，成本低，使用靈活方便，硬件電路簡(jiǎn)單，可在線(xiàn)更新等特點(diǎn)；而且還充分利用了微機(jī)資源和LabVIEw的靈活性，因而易開(kāi)發(fā)，且擴(kuò)展性好。目前，基于LabVIEW與USB的虛擬儀器已經(jīng)用于我校電子電工實(shí)驗(yàn)室建設(shè)之中，能達(dá)到高速數(shù)據(jù)傳輸、記錄及顯示的要求，具有較高的實(shí)用價(jià)值。

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