基于Labview的GPIB總線虛擬儀器研究

1、第21卷哈爾濱師范大學(xué)自然科學(xué)學(xué)報(bào)V o. l 21, N o . 12005第1期NATURAL SCIENCES J OURNAL OF HARBIN NORM AL UN I V ERS I TY基于Labvi e w 的GPI B 總線虛擬儀器研究*張金濤 劉士奎 余有龍(黑龍江大學(xué)光纖技術(shù)研究所摘要 Labv i e w 是當(dāng)今最為流行的虛擬儀器開(kāi)發(fā)平臺(tái), 本文介紹了基于Labvie w 的GPI B 總線的虛擬儀器及其對(duì)軟硬件的要求, 結(jié)合鎖相放大器的二次開(kāi)發(fā)實(shí)例, 系統(tǒng)描述了虛擬儀器開(kāi)發(fā)的一般過(guò)程. 與原有儀器相比, Labv i e w 下的GPI B 總線虛擬儀器最突出的優(yōu)點(diǎn)

2、是不需要額外的數(shù)據(jù)采集卡就可以完成數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集, 并將實(shí)驗(yàn)結(jié)果保存起來(lái), 便于數(shù)據(jù)的后續(xù)處理, 極大地?cái)U(kuò)展了原有設(shè)備的功能.關(guān)鍵詞:Labv ie w ; 虛擬儀器; GPI B ; 數(shù)據(jù)采集收稿日期:2004-11-05*黑龍江省教育廳03年科技項(xiàng)目(批準(zhǔn)號(hào):10531ZO10和10531132 與黑龍江大學(xué)學(xué)生學(xué)術(shù)科技創(chuàng)新項(xiàng)目聯(lián)合資助作者簡(jiǎn)介:張金濤, 男, (1979! , 黑龍江大學(xué)光纖技術(shù)研究所02級(jí)碩士研究生, 研究方向是光纖光柵傳感及其在工程中的應(yīng)用0 引言數(shù)據(jù)采集以及儀器控制是實(shí)驗(yàn)研究中經(jīng)常遇到的問(wèn)題, 雖然現(xiàn)在的測(cè)量?jī)x器在一定程度上能夠提供很高的程序上的自動(dòng)化測(cè)量, 但仍然

3、不能很好的滿足實(shí)際的測(cè)量要求, 因?yàn)閭鹘y(tǒng)儀器的功能常常是固定不變的, 而且不具備基于硬件的功能可擴(kuò)展性, 這就大大限制了傳統(tǒng)儀器的使用范圍, 例如有的儀器能夠?qū)ξ锢砹窟M(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量, 但是并不能夠把數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)地存儲(chǔ)起來(lái), 僅能顯示當(dāng)時(shí)的測(cè)量值, 此時(shí)的儀器僅僅是一臺(tái)能夠標(biāo)識(shí)物理量的指示器, 為了使儀器具備實(shí)時(shí)測(cè)量并分析測(cè)量結(jié)果的功能, 我們必須采取額外的工作. 經(jīng)常采用的方法大體有兩種:一是利用數(shù)據(jù)采集卡和儀器本身提供的模擬量輸出端口, 對(duì)輸出的模擬量進(jìn)行采集并進(jìn)行相應(yīng)的后續(xù)處理, 二是利用儀器本身的編程接口對(duì)儀器進(jìn)行編程控制. 方法二與方法一相比不需添加額外的硬件從而使得測(cè)試系統(tǒng)變得簡(jiǎn)單、方便,

4、 而且成本更為低廉. 在眾多的編程接口中1, GPI B (G enera l Purpose InterfaceBus 是其中最常用也是最為普及的一種標(biāo)準(zhǔn)接口, 而眾多的儀器控制編程語(yǔ)言中2, 由美國(guó)國(guó)家儀器(N I 公司開(kāi)發(fā)的Labv ie w 語(yǔ)言是最為方便和最容易為廣大非編程人員掌握的, 它是一種基于圖形程序的編程語(yǔ)言, 內(nèi)含豐富的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)信號(hào)分析以及控制等子程序, 用戶利用創(chuàng)建和調(diào)用子程序的方法編寫程序, 使創(chuàng)建的程序模塊化, 易于調(diào)試、理解和維護(hù), 人機(jī)交互界面生動(dòng)逼真, 而且程序編程簡(jiǎn)單、直觀. 本文介紹了利用Labv ie w 開(kāi)發(fā)基于GPI B 接口的虛擬儀器的一般步驟

5、, 并給出了開(kāi)發(fā)實(shí)例.1 GPIB 總線虛擬儀器的硬件及軟件描述1. 1 GPI B 總線的硬件描述3GPI B 總線技術(shù)于1978年問(wèn)世, 它是測(cè)試系統(tǒng)中設(shè)備之間相互通訊的一種協(xié)議, 實(shí)現(xiàn)了計(jì)算機(jī)與測(cè)量系統(tǒng)的首次結(jié)合. GPI B 總線是一個(gè)數(shù)字化24腳(扁型接口插座 并行總線, 其中16根線為TTL 電平信號(hào)傳輸線, 包括8根雙向數(shù)據(jù)線、5根接口管理線、3根數(shù)據(jù)傳輸控制線; 另外8根為地線和屏蔽線. GPI B 使用8位并行、字節(jié)串行、異步通信方式, 所有字節(jié)通過(guò)總線順序傳送. 在GPI B 中, 它能自動(dòng)適應(yīng)測(cè)試系統(tǒng)中各臺(tái)儀器不同的數(shù)據(jù)速率, 數(shù)據(jù)一直保持到速率最慢的接受者收到后才能撤銷

6、或更新. GPI B 設(shè)備包括聽(tīng)者(L isteners 、說(shuō)者(Ta l k ers 和控制者(C ontr o l lers. 聽(tīng)者負(fù)責(zé)接收消息(數(shù)據(jù)或命令, 說(shuō)者負(fù)責(zé)發(fā)送消息而控制者負(fù)責(zé)管理總線上的消息. 一臺(tái)儀器即可以是聽(tīng)者也可以是說(shuō)者甚至是控制者, 但每一時(shí)刻只能承擔(dān)一個(gè)角色. GPI B 接口的突出特點(diǎn)是一個(gè)接口可以連接多個(gè)GPI B 設(shè)備, 通過(guò)多個(gè)設(shè)備的協(xié)同工作完成多個(gè)物理量的測(cè)量, 雖然GPI B 的基址多達(dá)31個(gè), 但是為了整個(gè)系統(tǒng)獲得較高的傳輸速率, 一般跟GPI B 總線上連接的設(shè)備不要超過(guò)15個(gè). 開(kāi)發(fā)基于GPI B 總線虛擬儀器的硬件一般包括:需要控制的測(cè)量?jī)x器(帶

7、有GPI B 接口 、GPI B 接口卡、GPI B 線纜和微機(jī). 測(cè)量?jī)x器和GPI B 線纜的數(shù)量由測(cè)量的實(shí)際情況決定, GPI B 卡用來(lái)建立微機(jī)與測(cè)量?jī)x器的連接, 各測(cè)量?jī)x器的GPI B 接口用GPI B 線纜連接, 圖1給出了一個(gè)基本的GPI B 總線虛擬儀器的硬件連接示意圖 .圖1 基于G P I B 總線的虛擬儀器硬件連接簡(jiǎn)圖F i gure 1D iag ra m o f G P I B v irt ua l i nstrument ha rd w are connecti on1. 2 GPI B 總線虛擬儀器的軟件描述當(dāng)我們將GPI B 卡插入到計(jì)算機(jī)的PCI 插槽內(nèi)(假設(shè)G

8、PI B 卡是PC I 接口的, 安裝好GPI B 接口卡驅(qū)動(dòng)后, 就相當(dāng)于給計(jì)算機(jī)增加了一個(gè)外部接口, 其功能就如同計(jì)算機(jī)上原配的并口或串口. 此時(shí)GPI B 卡以及GPI B 接口對(duì)設(shè)計(jì)者來(lái)說(shuō)是透明的, 在程序中完全可以不用考慮, 設(shè)計(jì)者所關(guān)心的只是如何利用適當(dāng)?shù)拿顏?lái)控制他們需要控制的儀器, 因此虛擬儀器的實(shí)現(xiàn)很大程度上取決于. 的軟件一般包括以下幾個(gè)部分:Lab i v e w 開(kāi)發(fā)平臺(tái)(N I 公司, GPI B 卡在Labive w 環(huán)境下的驅(qū)動(dòng)程序(一般由GPI B 卡的制造商提供 和測(cè)量?jī)x器的Labive w 驅(qū)動(dòng)程序(N I 的網(wǎng)站上提供了上千種主流儀器的驅(qū)動(dòng)程序, 如果沒(méi)有

9、相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)程序的話, 可以求助N I 公司進(jìn)行提供驅(qū)動(dòng), 用戶也可以參考儀器隨機(jī)配套的編程手冊(cè)自行開(kāi)發(fā). N I 公司提供的儀器的Labv ie w 驅(qū)動(dòng)程序里面封裝了復(fù)雜的儀器編程細(xì)節(jié), 為用戶使用儀器提供了簡(jiǎn)單的函數(shù)接口, 用戶不必對(duì)儀器硬件有專門的了解, 就可以通過(guò)儀器驅(qū)動(dòng)程序來(lái)使用這些儀器. 大大簡(jiǎn)化了開(kāi)發(fā)一套虛擬儀器的工作.2 基于Labvie w 的GPIB 總線虛擬儀器的開(kāi)發(fā)實(shí)例下面結(jié)合一個(gè)開(kāi)發(fā)實(shí)例來(lái)具體介紹一下基于Labv ie w 環(huán)境的GPI B 總線虛擬儀器的開(kāi)發(fā)過(guò)程, 實(shí)例為對(duì)美國(guó)Stanford R esearch syste m s 公司的鎖相放大器進(jìn)行二次開(kāi)發(fā),

10、實(shí)現(xiàn)對(duì)相位的實(shí)時(shí)采集, 并把采集結(jié)果以文件形式進(jìn)行保存的目的. 開(kāi)發(fā)步驟如下:2. 1 實(shí)驗(yàn)軟硬件的設(shè)置與安裝4實(shí)驗(yàn)中所用的GPI B 卡為N I 公司的PCI -GPI B /TNT5004, 該卡支持W i n 95, w i n 98和W i n xp . 該卡是即插即用設(shè)備, 不需人工設(shè)置, 但安裝有點(diǎn)特殊, 步驟如下:放入N I 488. 2光盤讓其自動(dòng)運(yùn)行; #選擇Plug and Play I nterface 并點(diǎn)擊Nex ; t 選擇Shutdo wn 并點(diǎn)擊F i n ish ; %將GPI B 卡插入電腦的一個(gè)PC I 插槽內(nèi), 并重新啟動(dòng)計(jì)算機(jī); &運(yùn)行N I4

11、88. 2開(kāi)始向?qū)? 接下來(lái)用GPI B 線纜(實(shí)驗(yàn)中所采用的是N I 公司的GPI B 線 把GPI B 卡和儀器的GPI B 接口接連起來(lái). 至此實(shí)驗(yàn)所需的硬件及相關(guān)軟件的安裝與設(shè)置全部完成, 接下來(lái)利用Labvie w 開(kāi)發(fā)平臺(tái)進(jìn)行虛擬儀器的軟件編程. 2. 2 實(shí)驗(yàn)軟件編程Labv ie w 與GPI B 設(shè)備進(jìn)行通信有兩種方式1, 一是利用儀器接口子模板(Instrum ent I /O中的GPI B 驅(qū)動(dòng)函數(shù), 另一種是利用模板中的V I SA 驅(qū)動(dòng)函數(shù), 雖然V I SA 驅(qū)動(dòng)函數(shù)能夠與多種接口的儀器進(jìn)行通信, 但是它屬于低層的編程對(duì)編程者有較高的要求, 并不適合廣大的實(shí)驗(yàn)人員.

12、 本文采用第一種方法并且采用模塊化的編程風(fēng)格, 511第1期 基于Labv i e w 的GPIB 總線虛擬儀器研究*程序由三部分組成, 即前面板、代碼窗口及程序圖標(biāo)和接口板. 其中前面板主要實(shí)現(xiàn)程序的輸入輸出功能, 由控制件元素和顯示件元素組成; 代碼窗口則是用來(lái)編輯圖形代碼以實(shí)現(xiàn)對(duì)控件行為和屬性的控制; 圖標(biāo)和接口板則是用來(lái)實(shí)現(xiàn)子程序的調(diào)用. 圖2和圖3分別給出了程序最基本部分即鎖相放大器收發(fā)信息V I 的程序代碼, 程序的其它部分都是建立在這兩個(gè)V I 的基礎(chǔ)上的6, 通過(guò)編程把適當(dāng)?shù)腉PI B 命令通過(guò)這兩個(gè)V I 發(fā)送給儀器或者接收儀器返回的信息. 圖4為虛擬儀器實(shí)驗(yàn)程序框圖, 本框

13、圖包括兩大模塊, 分別為儀器設(shè)置模塊和數(shù)據(jù)處理模塊, 儀器設(shè)置模塊主要負(fù)責(zé)儀器測(cè)量時(shí)各種參數(shù)的設(shè)定, 如GPI B 地址設(shè)置、測(cè)量模式選擇、精度設(shè)定、顯示部件選取、單位設(shè)定等, 同時(shí)也具有顯示測(cè)量當(dāng)前值的功能; 數(shù)據(jù)處理模塊主要負(fù)責(zé)測(cè)量數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示、測(cè)量數(shù)據(jù)以文本文件形式存儲(chǔ)到指定的文件(程序內(nèi)部設(shè)定的文件路徑為d :meare m ent date c1. x ls , 這個(gè)路徑可以通過(guò)修改數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊來(lái)改變 和簡(jiǎn)單的分析功能(本程序只提供了信道1和信道2的測(cè)量數(shù)據(jù)的比較部分, 其它分析功能也可以通過(guò)修改數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊來(lái)增加. 圖2 計(jì)算機(jī)向鎖相放大器發(fā)送信息V I 代碼F i gure 2

14、 B lock diag ra m of sendi ng m essage from PC t o DSP l ock-i n a mplifier 圖3 接收鎖相放大器發(fā)回計(jì)算機(jī)的信息V I 代碼F igure 3B l ock d i agra m o f receiv i ng m essage fro m D SP lock-i n amp lifier to PC 圖4 鎖相放大器虛擬儀器的實(shí)驗(yàn)程序代碼F i gure 4 Block d i agra m o f DSP l ock-i n a m plifier v irt ua l stru m en t2 3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果Lab

15、v ie w 是非常優(yōu)秀的GPI B 總線虛擬儀器的開(kāi)發(fā)平臺(tái). 虛擬儀器不但很好的完成儀器的原有功能, 而且具備測(cè)量數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示、存儲(chǔ)、分析等功能, 極大地?cái)U(kuò)展了原儀器的功能.3 結(jié)語(yǔ)本文概述了GPI B 總線以及基于Labv ie w 的GPI B 總線虛擬儀器, 介紹了Labv ie w 開(kāi)發(fā)平臺(tái)下進(jìn)行GPI B 總線虛擬儀器開(kāi)發(fā)的軟硬件要求, 并結(jié)合實(shí)例介紹了開(kāi)發(fā)的具體過(guò)程.參 考 文 獻(xiàn)1 Lab vi e w M easure m en ts M anu al, N I C orp, 20032 石博強(qiáng)等. Labvie w 6. 1編程技術(shù)實(shí)用教程. 北京:中國(guó)鐵道出版社, 200

16、23 GPIB Soft w areU s ers 'M anu a, l M easure m entC o m puti ng , Dec 20004 GPI B H ardw are Gu i de , I Corp , 20035 Lab vi e w UserM anuals , I Corp, 20036 DSP Lock -In Am p lifi er M odel SR830Progra mm er M anual s ,Stan f ord Research Sys t e m s , 1999RES EARCH OF GPI B V I RTUAL I NSTRU

17、 M ENT BASED ON LABV I E WZhang Ji n taoL i u Sh i k u i Yu Y oulong (Heil ongji ang Un i versit yABSTRACTLabv ie w is the m ost popular terrace i n no w v irtual instrum ent developm en. t Intr oduced the GPI B v irtua l i n stru m ent based on Labv ie w and its ' soft-hardw are requ ire m en,

18、t j o in together t h e second deve l o pm ent o f the DSP lock-i n a m plifier , descri b ed the genera l process of v irtual i n strum ent deve l o pm en. t Co m pare w ith the o rig i n al i n str um en, t the m ost outstand i n g advantage isn ' t to need additional data co ll e ction car d and then can co