0 引 言
    LabVIEW是一種基于圖形程序的虛擬儀器編程語言，與傳統(tǒng)儀器相比，虛擬儀器技術(shù)以計算機(jī)為平臺，在程序界面中有用于模擬真實儀器面板的控件可供調(diào)用，可用于設(shè)置輸入數(shù)值、觀察輸出值以及實現(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、顯示和存儲功能。在測試與測量、數(shù)據(jù)采集、儀器控制、數(shù)字信號分析、工廠自動化等領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用，顯示出其強(qiáng)勁的生命力。LabVIEW平臺下開發(fā)的虛擬儀器在相同硬件條件下，改變軟件即可實現(xiàn)不同的儀器功能，真正實現(xiàn)了“軟件即儀器”的設(shè)計理念。
    實現(xiàn)LabVIEW對數(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，價格昂貴，受計算機(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平臺下使用USB總線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，由于USB接口總線具有即插即用，接口簡單，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)計的方法。

1 設(shè)計方案
    由于各類基于USB總線的數(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，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)計方法。
1．1 硬件設(shè)計方案
    該系統(tǒng)是虛擬示波器，主要工作是采集被測模擬信號，并將信號通過USB2．o接口傳輸?shù)絇C104計算機(jī)，運(yùn)行計算機(jī)LabVIEW平臺下的應(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。
    該系統(tǒng)主要由模擬信號采集模塊、FPGA控制模塊、USB傳輸模塊和計算機(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)計采用Alter公司的Cyclone系列現(xiàn)場可編程門陣列(Field Programmable Gate Array，F(xiàn)PGA)，芯片EP1c3T144來實現(xiàn)高速數(shù)據(jù)控制及傳輸。
    EP1C3T144采用TPFQ封裝，擁有100個I／O口和2 910個邏輯單元，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的時序進(jìn)行數(shù)據(jù)采集；增益控制功能是通過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)的開始位和結(jié)束位是固定數(shù)據(jù)，計算機(jī)的測井應(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誤。若出現(xiàn)錯誤，將該幀數(shù)據(jù)丟棄，同時準(zhǔn)備接收下一幀數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)第二部分，模擬信號由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注于應(yīng)用功能，從而減少了開發(fā)時間，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)對數(shù)據(jù)傳輸速度和實時性的要求，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的寫使能／讀允許信號。FPGA向CY7C68013提供Slave FIFO輸出允許信號SL_OE，僅在數(shù)據(jù)輸出時有效。FB[7：O]為8位雙向數(shù)據(jù)總線。ADDR[1：0]為FIFO端點(diǎn)選擇信號。在數(shù)據(jù)輸入時固定為00，選擇的是端點(diǎn)2；在數(shù)據(jù)輸出時固定為10，選擇的是端點(diǎn)6。

1．2 軟件設(shè)計方案
    為了能夠在LabVIEW中充分利用其他編程語言的優(yōu)勢，LabVIEW提供了強(qiáng)大的外部程序接口能力。這些接口包括DLL，C語言接口(CIN)，ActiveX，．NET，DDE，Matlab等。通過DLL，可以方便地調(diào)用c，VC，VB等編程語言編寫的程序以及Windows自帶的大量API函數(shù)。動態(tài)鏈接庫(Dynamic LinkLibrary，DLL)是一個可以多方共享的程序模塊，內(nèi)部對共享的例程和資源進(jìn)行了封裝。動態(tài)鏈接庫文件的擴(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，開發(fā)上層應(yīng)用軟件的首要工作是DLL動態(tài)鏈接庫的開發(fā)，在這里DLL動態(tài)鏈接庫采用VC++6．0進(jìn)行開發(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發(fā)平臺LabVIEW可以充分發(fā)揮虛擬儀器的靈活性。因此，將兩者優(yōu)勢結(jié)合起來，該設(shè)計的虛擬示波器用戶控制面板具有界面友好，操作直觀等優(yōu)點(diǎn)，通過面板上的各種控件便可實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集、存儲、再現(xiàn)及分析等功能。

2 軟件設(shè)計
    軟件設(shè)計是虛擬儀器開發(fā)的必備環(huán)節(jié)?；贚abVIEW與USB的虛擬儀器的軟件設(shè)計分為4部分：主機(jī)操作系統(tǒng)上的客戶驅(qū)動程序、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)動程序
    主機(jī)軟件部分包括USB客戶驅(qū)動程序和主機(jī)應(yīng)用程序。USB客戶驅(qū)程序是支持即插即用功能的標(biāo)準(zhǔn)WDM驅(qū)動程序，它為實現(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公司所提供的客戶驅(qū)動程序已經(jīng)能夠滿足需求，如果有特別的需求，可以在其基礎(chǔ)上開發(fā)自己的驅(qū)動程序。
2．2 應(yīng)用程序LabVIEW調(diào)用DLL
    主機(jī)應(yīng)用程序是系統(tǒng)與用戶的接口，需要一個圖形用戶界面來控制所調(diào)用的函數(shù)，這里采用LabVIEW來編寫應(yīng)用程序。它通過調(diào)用DLL與驅(qū)動程序進(jìn)行通信，以完成對外設(shè)的數(shù)據(jù)傳輸。在編寫用戶程序時，首先要建立與外設(shè)的連接，然后才能實施數(shù)據(jù)的傳輸。在DLL程序中主要用到2個API函數(shù)：一是利用Create-File得到USB句柄；二是利用DeviceIoControl來向設(shè)備驅(qū)動程序發(fā)送請求，完成在EZ-USB FX2中數(shù)據(jù)批傳輸?shù)淖x取與寫入。
    采用LabVIEw來設(shè)計這里的應(yīng)用程序，關(guān)鍵是通過Call Library Function節(jié)點(diǎn)來調(diào)用前面所編寫DLL文件中的各個函數(shù)。該節(jié)點(diǎn)位于Functions Palette的Connectivity |Libraries & Executables | Call LibraryFunction Node，如圖5所示。

    通過CLF節(jié)點(diǎn)來調(diào)用前面所編寫的DLL步驟如下：
    (1)單擊該節(jié)點(diǎn)將其放置在程序框圖中，此時該節(jié)點(diǎn)沒有與任何DLL連接；
    (2)右擊該節(jié)點(diǎn)并選擇Configure選項或者直接雙擊該節(jié)點(diǎn)可以打開庫函數(shù)配置對話框；
    (3)在該模塊的屬性設(shè)置中選擇DLL文件中所包含的某個函數(shù)，然后再設(shè)置好函數(shù)的返回類型和參數(shù)類型。這樣就可以使LabVIEW調(diào)用DLL文件中的一個函數(shù)(針對DLL中的每個函數(shù)都需要設(shè)置一個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，外設(shè)才能稱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I2C總線下載到片內(nèi)RAM后自動執(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。
    為了簡化和加速用戶使用EZ-USB FX2芯片進(jìn)行USB外設(shè)的開發(fā)過程，Cypress公司提供了一個完整的固件程序架構(gòu)，用戶只需要提供一個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)合的方法來對各功能模塊進(jìn)行邏輯描述，然后通過EDA開發(fā)平臺，對FPGA芯片進(jìn)行編程，實現(xiàn)系統(tǒng)的設(shè)計要求。
    數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的數(shù)據(jù)方向是雙向的。從計算機(jī)端來看，“讀數(shù)據(jù)”即FPGA通過CY7C68013向計算機(jī)發(fā)送測井?dāng)?shù)據(jù)；“寫數(shù)據(jù)”即計算機(jī)通過CY7C68013向FPGA發(fā)送測井命令。
    如圖6所示，“讀數(shù)據(jù)模式”的工作原理是計算機(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，F(xiàn)PGA判斷USB單片機(jī)FULL管腳是否有效，若CY7C68013中FIFO6未滿，則一直向FIFO6發(fā)送數(shù)據(jù)。計算機(jī)接收到被A／D數(shù)據(jù)后，完成計算、繪圖、保存等功能。

“寫數(shù)據(jù)模式”的工作原理：計算機(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，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
    設(shè)計的基于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，硬件電路簡單，可在線更新等特點(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驗室建設(shè)之中，能達(dá)到高速數(shù)據(jù)傳輸、記錄及顯示的要求，具有較高的實用價值。