基于USB數(shù)據(jù)采集卡的虛擬信號發(fā)生器的設(shè)計

1、基于USB數(shù)據(jù)采集卡的虛擬信號發(fā)生器的設(shè)計摘要： 利用USB數(shù)據(jù)采集卡作為與計算機通信的接口,介紹了一款采用USB接口實現(xiàn)信號發(fā)生器功能的虛擬儀器設(shè)計方案, 通過軟件和USB數(shù)據(jù)采集卡性能的結(jié)合完成了信號的頻率、幅度、相位的高精度調(diào)整。關(guān)鍵詞：USB；虛擬；數(shù)據(jù)采集；信號發(fā)生器虛擬儀器是20世紀(jì)90年代初期出現(xiàn)的一種新型儀器，是計算機技術(shù)與儀器技術(shù)深層次結(jié)合產(chǎn)生的產(chǎn)物，是對傳統(tǒng)儀器概念的重大突破，代表了當(dāng)前測試儀器發(fā)展的方向之一。現(xiàn)在，部分高校已將虛擬儀器應(yīng)用于電子信息類實驗室建設(shè)。虛擬儀器應(yīng)用于實驗室的方案和想法，對實驗室建設(shè)有很大幫助，同時基于虛擬儀器的測試具有如下優(yōu)勢： 大大降低測量系統(tǒng)

2、的建設(shè)費用、測量儀器個數(shù)及占用的實驗室空間,使用更為便捷可靠； 基于虛擬儀器的測試系統(tǒng)集成度高,能夠在一次測量過程中獲得多組數(shù)據(jù)； 測試數(shù)據(jù)利用軟件系統(tǒng)處理實現(xiàn)圖形顯示，便于實現(xiàn)系統(tǒng)擴展和網(wǎng)絡(luò)化?！?】 而信號發(fā)生器是高校電子信息類實驗室一種經(jīng)常使用的設(shè)備,但由純粹物理器件構(gòu)成的傳統(tǒng)的信號發(fā)生器存在體積龐大、實現(xiàn)信號的功能固定、波形種類過于單一、系統(tǒng)封閉價格昂貴等缺點。 隨著大量支持USB接口設(shè)備的PC的普及，USB逐步成為PC的一個標(biāo)準(zhǔn)接口。USB已經(jīng)在PC的多種場合上得到應(yīng)用。如果將基于USB的數(shù)據(jù)采集卡為硬件平臺和軟件系統(tǒng)結(jié)合在一起構(gòu)成一種虛擬信號發(fā)生器，可以在保持傳統(tǒng)臺式信號發(fā)生器優(yōu)良

3、性能的同時，還可解決后者存在的缺點。特別是隨著超高速USB3.0技術(shù)的興起和日益推廣，SuperSpeed USB3.0為無處不在的USB標(biāo)準(zhǔn)帶來了顯著的性能增強，使基于USB的虛擬信號發(fā)生器，甚至是虛擬高頻信號發(fā)生器提供了較好的支持。而開發(fā)這種虛擬信號發(fā)生器思想是將信號發(fā)生器的信號調(diào)節(jié)與選擇工作交由PC機完成, 信號輸出交由基于USB的數(shù)據(jù)采集卡完成。這種由PC機按需選擇波形數(shù)據(jù)信息的方式突出了整個系統(tǒng)的更新和性能的升級更加方便快捷的系統(tǒng)開放性的優(yōu)點。 1 硬件設(shè)計 1.1硬件工作原理 基于USB數(shù)據(jù)采集卡的虛擬信號發(fā)生器是運用數(shù)學(xué)模型、算法設(shè)計，通過軟、硬件平臺，實現(xiàn)信號發(fā)生器功能和性能。

4、更多地體現(xiàn)了數(shù)學(xué)、算法理論及硬件技術(shù)的綜合應(yīng)用。本文設(shè)計的硬件方框圖如圖1所示，包括基于USB的數(shù)據(jù)采集卡和PC計算機，主機的波形發(fā)生器軟件將用數(shù)學(xué)公式表示的連續(xù)時間信號按一定的采樣算法變換為一個離散時間信號序列，將這個離散時間信號序列以一定的計算機文件格式通過USB接口傳遞到基于USB的數(shù)據(jù)采集卡的D/A轉(zhuǎn)換器，最后由D/A轉(zhuǎn)換器還原成用戶所需的連續(xù)時間信號。 圖1 硬件方框圖 1.2數(shù)據(jù)采集卡的選型 按照采集信號的類型分：模擬量輸入輸出、數(shù)字量輸入輸出、定時 /計數(shù)等三種；根據(jù)本文從所設(shè)計的虛擬信號發(fā)生器的各項技術(shù)參數(shù)的要求考慮，選用了北京阿爾泰科貿(mào)有限公司生產(chǎn)的USB2833H，USB2

5、833H是一種基于USB總線、帶DA功能的數(shù)據(jù)采集卡，采集卡可直接和計算機的USB接口相連，構(gòu)成實驗室、產(chǎn)品質(zhì)量檢測中心等各種領(lǐng)域的數(shù)據(jù)采集、波形分析和修理系統(tǒng)。 1.3虛擬信號發(fā)生器輸出 假設(shè)現(xiàn)在用數(shù)學(xué)公式表示的一個模擬信號 x(t)，按一定的采樣算法變換為一個離散時間信號序列， 每隔 t 時間采樣一次。時間間隔 t 被稱為采樣周期。采樣頻率為1/ t，單位是采樣次數(shù) / 每秒。x(t) 的數(shù)值就被稱為采樣值。所有 x(0),x( t),x(2 t ) 都是采樣值。這樣信號 x(t) 可以用一組分散的采樣值來表示： x(0),x( t),x(2 t ) ，x(K t ) ， 圖2信號輸出流程

6、 2 軟件設(shè)計 2.1 軟件設(shè)計思想 基于USB數(shù)據(jù)采集卡的虛擬信號發(fā)生器應(yīng)用軟件設(shè)計為兩部分： PC機操作系統(tǒng)上的初始化驅(qū)動程序和PC機的波形發(fā)生器應(yīng)用程序。初始化驅(qū)動程序是響應(yīng)各種來自系統(tǒng)的USB標(biāo)準(zhǔn)請求，完成連接虛擬信號發(fā)生器設(shè)備和PC機的任務(wù)。由于Windows操作系統(tǒng)對系統(tǒng)底層操作采取了屏蔽的策略，加上數(shù)據(jù)采集卡不是標(biāo)準(zhǔn)的外部設(shè)備，所以由PC機的波形發(fā)生器軟件發(fā)出的波型數(shù)據(jù)包，必須經(jīng)過USB設(shè)備驅(qū)動程序傳遞給USB總線驅(qū)動程序，再由USB總線驅(qū)動程序驅(qū)動接口送出。PC機的波形發(fā)生器應(yīng)用程序通過驅(qū)動程序與系統(tǒng)USB接口進行通信，是基于USB總線的信號發(fā)生器的核心，用于控制和操縱硬件設(shè)備

7、和實現(xiàn)DA數(shù)據(jù)信號的輸出。 常規(guī)驅(qū)動函數(shù)接口如下： public static extern IntPtr USB2833_CreateDevice(Int32 DeviceLgcID ); / 創(chuàng)建設(shè)備對象 public static extern IntPtr USB2833_CreateDeviceEx(Int32 DevicePhysID ); / 創(chuàng)建設(shè)備對象 public static extern Int32 USB2833_GetDeviceCount(IntPtr hDevice); / 取得USB2833系統(tǒng)中設(shè)備數(shù) public static extern Int32 U

8、SB2833_GetDeviceCurrentID(IntPtr hDevice, ref Int32 DeviceLgcID, ref Int32 DevicePhysID); / 取得當(dāng)前設(shè)備的邏輯ID號和物理ID號 public static extern Int32 USB2833_ListDeviceDlg(); / 用對話框列表系統(tǒng)當(dāng)中的所有USB2833設(shè)備 public static extern Int32 USB2833_ResetDevice(IntPtr hDevice); / 復(fù)位整個USB設(shè)備 public static extern Int32 USB2833_R

9、eleaseDevice(IntPtr hDevice);/ 設(shè)備句柄 另外對于大多數(shù)普通用戶，這些接口最簡單、最快捷、最可靠，讓用戶不必知道設(shè)備低層復(fù)雜的硬件控制協(xié)議和繁多的軟件控制編程，僅用下面一個函數(shù)便能輕松實現(xiàn)高速、連續(xù)的DA數(shù)據(jù)輸出 public static extern Int32 USB2833_WriteDeviceDA( / 輸出DA原始數(shù)據(jù)到CN1上的AO0-AO7上 IntPtr hDevice, / 設(shè)備句柄,它應(yīng)由CreateDevice函數(shù)創(chuàng)建 Int32 OutputRange, / 輸出量程，具體定義請參考上面的常量定義部分 Int16 nDAData,/ D

10、A的原始碼數(shù)據(jù),取值范圍為Int32 nDAChannel);/ DA通道號(0-9) 2.2 數(shù)據(jù)信號D/A轉(zhuǎn)換 本設(shè)計按一定的采樣算法和操作系統(tǒng)內(nèi)置的USB人機接口設(shè)備類HD的驅(qū)動程序來與數(shù)據(jù)采集卡進行通信，利用C#編程技術(shù)設(shè)計了一個良好的面向USB總線接口控制設(shè)備的人機交互面板，如圖3所示，使虛擬信號發(fā)生器的應(yīng)用更加簡潔。還可以隨時編輯波形數(shù)據(jù)、完成波形數(shù)據(jù)的復(fù)雜編輯計算任務(wù)。通過向PC機外部的數(shù)據(jù)采集卡發(fā)送設(shè)置波形類型，波形頻率、初始相位、幅值等參數(shù)的信息。 圖3人機交互面板 數(shù)據(jù)信號D/A轉(zhuǎn)換原碼 switch (OutputRange)/ 將原碼轉(zhuǎn)換為電壓值 case USB283

11、3.USB2833_OUTPUT_0_P5000mV: / 0 - +5V nDAData = Convert.ToInt16(Voltage / (5000.00 / 4096); break; case USB2833.USB2833_OUTPUT_0_P10000mV: / 0 - +10V nDAData = Convert.ToInt16(Voltage / (10000.00 / 4096); break; case USB2833.USB2833_OUTPUT_0_P10800mV: / 0 - +10.8V nDAData = Convert.ToInt16(Voltage /

12、 (10800.00 / 4096); break; case USB2833.USB2833_OUTPUT_N5000_P5000mV: / -5V - +5V nDAData = Convert.ToInt16(Voltage / (10000.00 / 4096) + 2048); break; case USB2833.USB2833_OUTPUT_N10000_P10000mV: / -10V - +10V nDAData = Convert.ToInt16(Voltage / (20000.00 / 4096) + 2048); break; case USB2833.USB283

13、3_OUTPUT_N10800_P10800mV: / -10.8V - +10.8V nDAData = Convert.ToInt16(Voltage / (21600.00 / 4096) + 2048); break; default: break; 3 結(jié)束語 基于USB數(shù)據(jù)采集卡的信號發(fā)生器的軟硬件設(shè)計及開發(fā)，充分體現(xiàn)了USB便捷、熱拔插、低成本、高抗干擾等特點。經(jīng)測試該設(shè)備在分辨率，A/D轉(zhuǎn)換速度，D/A轉(zhuǎn)換時間，工作穩(wěn)定可靠等各項指標(biāo)所體現(xiàn)出來的虛擬信號發(fā)生器參數(shù)都能達到了與傳統(tǒng)儀器的參數(shù)?，F(xiàn)在市場上的數(shù)據(jù)采集卡有一種二合一采集卡，二合一，指的是數(shù)字模擬采集卡，AV+DV采集卡，數(shù)字、模擬二合一，數(shù)字輸入輸出，模擬接口輸入(DV/AV/S-video) 輸出。因此采用了數(shù)據(jù)采集卡組建虛擬儀器的方式，加上一定傳感器和用戶模式下的應(yīng)用程序，就可以在同一硬件平臺是組建虛擬多種不同虛擬儀器，如虛擬示波器、虛擬萬用表、虛擬溫度計等。因此這是一種較為理想的組建虛擬儀器的方式。 參考文獻： 【1】 殷明,汪立偉.在電子信息類實驗課程中使用虛擬儀器的思考.南京:電氣電子教學(xué)學(xué)報2008.8 【2】 王中宇,葛爾矣,楊文平,等.一種小樣本虛擬儀器測量不確定度評定新方法.計量學(xué)報,2008,29(4):387-392. 【3】張