基于模擬開關技術的可切換實驗平臺設計

趙 佳，劉蘊紅

（大連理工大學 電氣工程學院，遼寧 大連 116024）

隨著計算機技術和微電子技術的迅速發展，產生了一個新型的儀器概念——虛擬儀器。它將傳統硬件實現的數據分析處理與顯示功能，改由功能強大的計算機及其顯示器完成，并且通過I/O設備接口采集信號，最終編制不同功能的軟件來實現對采集到的信號數據進行分析處理及顯示。從某種意義上講，軟件就是儀器[1]。

與傳統儀器相比，虛擬儀器開放靈活，可以與PC機組建并通過不同的總線接口組建不同規模的自測試系統。筆者就在NI ELVIS虛擬儀器教學實驗套件基礎上，自行設計了多路可切換的實驗平臺，滿足同時進行多組實驗的需要。同時采用上位機LabVIEW編程，實現友好的人機交互界面，完成監控與操作，具有成本低，功能強，使用價值高等特點。

1 NI ELVIS簡介

NI ELVIS虛擬儀器教學實驗套件是NI公司推出的一套基于LabVIEW設計和原型創建的實驗裝置。NI ELVIS（Educational Laboratory Virtual Instrumentation Suite，ELVIS）虛擬儀器教學實驗系統實際上就是將LabVIEW和NI的DAQ設備相結合，綜合應用到LabVIEW的教學實驗產物，它包括硬件和軟件兩部分：硬件包括一臺可運行LabVIEW的計算機，一塊多功能數據采集卡，一根68針電纜和NI ELVIS教學實驗操控工作臺；軟件則包括Lab VIEW開發環境、NIDAQ、可以針對ELVIS硬件進行程序設計的一系列LabVIEW API和一個基于LabVIEW設計虛擬儀器軟件包[2]。

該實驗套件可插入一塊原型實驗面板，非常適合教學實驗和電子電路原型設計與測試，以便完成測量儀器、電子電路、信號處理、控制系統輔助分析與設計、通信、機械電子、物理等學科課程的學習和實驗。NI ELVIS集成了多個實驗室常用的功能，實現了教學儀器、數據采集和實驗設計一體化。用戶可以在LabVIEW下編寫應用程序以符合各自的設計實驗，還可以進行電子線路設計、信號處理及控制系統分析與設計。用戶只需要一臺NI ELVIS就可以完成信號分析（示波器、動態信號分析儀、信號源、波特圖分析儀、阻抗分析儀、電流電壓分析儀、數字萬用表、直流電源等儀器的功能），其結構如圖1所示。

圖1 NI ELVIS虛擬儀器教學實驗套件Fig.1 NI educational laboratory virtual instrumentation suite

2 實驗系統整體設計

NI ELVIS雖然可單獨使用，而且在LabVIEW環境中可以直接調用相應的數據包VI，使得用LabVIEW程序操控實驗平臺ELVIS十分方便，但是也存在一些問題：在ELVIS實驗平臺提供的面包板上，一次只能搭建有限的實驗，每次更換實驗都要人工重新搭建，費時費力；同時NI ELVIS實驗平臺與數據卡采集卡價格高貴，如果想以增加ELVIS來擴展實驗室規模，價格十分昂貴。

因此利用模擬開關技術，將ELVIS原型板上的信號擴展為六路信號，利用FPGA控制在不同時刻將信號切入不同的接口板，再將所需實驗做成與接口板型號匹配的實驗板安裝與接口板之上，這樣6組實驗可同時進行，大大擴展了實驗資源，且免去了頻繁更換電路和實驗的麻煩。系統總體結構如圖2所示。

3 可切換實驗平臺下位機設計

3.1 原型板與接口板設計

圖2 系統結構圖Fig.2 System structure diagram

為了保持與原有系統的兼容性，實驗原型板的通道安排與原有實驗平臺的數據通道保持一致，根據NI公司提供的內部引腳資料進行設計，電路設計如圖3（a）所示，主要有兩部分的功能：一部分將信號按照原版規格進行引腳擴充，以插針的形式供接口板安裝；另一部分將信號端口以FPC形式匯總，用于將其引入切換電路。

接口板主要的功能是經過分支切換處理的的信號端口進行恢復，將以FPC形式匯總的信號端口以原版ELVIS接口規格進行擴充，以插針形式供實驗電路板安裝。電路設計如圖 3（b）所示。

3.2 實驗板設計

圖3 原型板與接口板Fig.3 Prototype board and interface board

每一塊實驗板就是一個獨立的實驗。將實驗電路制作成印刷電路板，在更換實驗時不用再重新搭建電路，而只需直接在接口板上插拔實驗板即可。這極大地降低了實驗管理的工作量，節省了大量時間，提高了實驗效率。目前已經開發出了20余塊實驗板，內容包括數字電路、模擬電路、電機控制、Led顯示控制和單片機應用等。圖4為部分的實驗板實物圖。

3.3 切換電路設計

對于ELVIS提供的信號類型，可將其分為數字信號、模擬信號和電源信號3部分，針對不同信號的特點，采用不同的模擬開關技術進行控制[3]，完成模塊化設計。采用ALTER公司的CycloneII EP2C8Q208完成對模擬開關的數字控制輸入端進行控制。切換電路硬件結構圖如5所示。

圖4 實驗板Fig.4 Experiments boards

圖5 切換電路硬件實物圖Fig.5 Hardware structure diagram of switching circuit

1）對于數字信號，直接采用1對8通道數字控制模擬電子開關CD4051進行設計。將原型板實驗數字信號接入CD4051的公共輸入輸出端，將輸出端信號八路中的6路分別接入不同的接口板來完成切換設計。

2）對于模擬信號，考慮到模擬信號容易相互干擾，采用具有3對2通道數字控制模擬電子開關CD4053進行設計。將原型板實驗模擬信號接入CD4053的3路公共輸入輸出端的一路，將此路開啟，同時將其他公共輸入輸出端接地。目的是在信號選擇某一路導通后，將其他5路信號接地，以減少相互干擾。

3）ELVIS虛擬套件上含有±15 V、±5 V以及可變電源，由于最大的輸出電流可以達到2 A，不能直接用開斷小信號的模擬開關進行切換，因此我們采用MOSFET進行電源信號的開斷[4]。本系統采用IRF9530，P溝道增強型MOSFET管。同時采用模擬開關CD4051來控制IRF9530的柵極電壓來控制其開斷，前端加三極管來增加驅動能力。

4 可切換實驗平臺上位機設計

上位機編程采用LabVIEW軟件進行編寫，主要包括兩部分：一部分為切換實驗操作界面編程，根據用戶需要實現實驗板控制地址的串口傳遞，實現6塊實驗板的切換；另一部分為實驗程序設計，針對不同的實驗板進行相應實驗操作的程序設計。

4.1 切換實驗操作界面設計

切換實驗操作界面包括選擇實驗預覽按鈕和操作按鈕，選擇某一實驗預覽按鈕，將彈出實驗介紹圖片，便于用戶了解和學習實驗原理并預覽實驗效果圖。選擇相應開始試驗按鈕，則彈出對應不同實驗板的LabVIEW操作子VI，同時通過LabVIEW的VISA串口[5]傳遞相應的控制地址，打開實驗板操作接口。地址選擇采用CASE結構進行設計，切換程序界面設計如圖6所示。

圖6 切換界面程序設計Fig.6 Program design of switching interface

4.2 實驗程序設計

由上面的介紹可知，設計了不同的實驗電路板來滿足實驗要求。對于每個實驗板，我們在上位機都采用LabVIEW編寫相應的實驗操作程序，來完成對實驗現象的控制。同時利用NI公司的NI Vision Development Module通過編程控制USB攝像頭來采集圖像[6]，PC機完成視頻處理后，最終在界面上清晰顯示。以其中一個實驗電機正反轉實驗為例，實驗操作界面程序設計如圖7所示。實驗操作界面可以通過開關來控制電機正傳或者反轉，并將導通的三極管以綠色形式顯示，同時用戶可以通過視頻窗口觀看實驗現象，檢查實際現象是否與設計一致。

5 結 論

圖7 實驗操作界面程序設計Fig.7 Program design of experiment operation interface

實驗平臺應用虛擬儀器技術，由此能夠在計算機上根據真實的實驗設備設計實驗與操控界面來模擬現場的實驗環境，提高實驗了效率、降低了實驗成本、增強學生學習的積極性，因而具有傳統實驗無可比擬的優勢。采用FPGA控制的利用模擬開關技術設計的的接口板切換裝置讓用戶有了更大的選擇余地，也大大降低了硬件設備管理的工作量。綜上所述，該系統在功能，性能上都能夠滿足實驗平臺的擴展要求，對實驗系統的構建具有很好的借鑒價值。

[1]王偉.基于LabVIEW與Lonworks技術的iLab遠程實驗系統設計[D].大連：大連理工大學，2009.

[2]宋玉杰，楊燕翔.基于NI ELVIS的遠程虛擬實驗室的研究[J].電子設計工程，2009，17（1）：34-36.SONG Yu-jie，YANG Yan-xiang.Research of remote virtual Lab based on NI ELVIS[J].Electronic Design Engineering，2009，17（1）：34-36.

[3]宋吉江，牛軼霞，于春戰，等.CMOS模擬開關及其選擇問題[J].微電子技術，2001，29（3）：58-60.SONG Ji-jiang，NIU Yi-xia，YU Chun-zhan，et al.CMOS analog switch and its choices[J].Microelectronic Technology，2001，29（3）：58-60.

[4]魯莉容，李曉帆，蔣平.功率MOSFET高速驅動電路的研究[J].電力電子技術，2001，35（6）：45-47.LU Li-rong，LI Xiao-fan，JIANG Ping.Research on quickly driving circuit of power MOSFET[J].Power Electronics，2001，35（6）：45-47.

[5]陳錫輝，張銀鴻.LabVIEW 8.20程序設計從入門到精通[M].北京：清華大學出版社，2007.

[6]吳仁濤，姜云海，左建勇.基于LabVIEW平臺的USB視頻采集方法與應用[J].工業儀表與自動化裝置，2011（3）:80-82.WU Ren-tao，JIANG Yun-hai，ZUO Jian-yong.Vision acquisition based on LabVIEW and USB camera.Industrial Instrumentation&Automation，2011（3）:80-82.