LabVIEW下基于EPP模式的電磁聲數據采集

劉 春

（江蘇安全技術職業學院電氣系，江蘇徐州 221000）

0 引言

本文所設計系統是一個電磁聲裂紋檢測虛擬儀器系統，硬件部分主要由筆計本電腦、電磁聲探頭和電磁聲PC卡（由發射電路、接收電路和數據采集電路構成的PCB板）集成在一起。如圖1所示。對于儀器的電源使用，分為強電部分和弱電部分。采用+5 V直流電源為弱電控制部分的發射電路供電，采用+200 V直流電源為強電部分的VMOS管供電，而數據采集卡也采用+5 V直流電源供電，接收電路則采用±5 V電池供電。

本系統中，用于檢測裂紋的電磁聲探頭需要發射電路激勵，從而在工件表面產生表面波。發射電路所激發的表面波頻率可調，大致在500 kHz～1 MHz之間，因此對數據采集的頻率要求較高。而EPP的數據傳輸，是一種雙向的非對稱的雙向傳輸模式，由主機驅動，傳輸率較高，最大可以達到2 MB/s。因此，軟件系統決定通過LabVIEW程序，對EPP(Enhanced Parallel Port)端口進行讀寫操作，實現電磁聲信號的采集、顯示和存儲。圖2所示為數據采集原理。采集卡高速采集數據并將其存入FIFO，再利用FIFO低速取出數據，并通過EPP的接口電路將數據送入計算機。

圖1 硬件系統Fig.1 Hardwaresystem

圖2 數據采集原理Fig.2 Thefunctional block diagramof thedatacollection

1 增強并口模式（EPP）

并口在與控制對象或外部設備進行信息傳送時，會采用多根數據線同時進行，即并行傳輸數據，其傳輸單位為字或字節[1]。相比于在一根數據線上傳輸信息的串口，速度更快，同時還具有可靠性高，對數據格式、傳輸速率及工作時序沒有固定規定，使用自由廣泛的優點，適用于近距離、高速度的場合[2]。本系統所采用的模式是并口的EPP模式，采用雙向半雙工數據傳輸方式。

計算機通常情況下定義的并行端口基地址為LPT1：0X378H；LPT2：0X278H[3]。本系統采用的并行端口基地址為LPT1，其相應的寄存器地址如表1所示。

表1 寄存器地址

EPP協議的目的是尋求一種高性能的并行端口連接方式，其定義了數據周期和地址周期[4]。數據周期用來向外設傳輸數據或從外設接收數據，地址周期用來交換設備地址、控制信息等[5]。其中，數據周期又有數據寫和數據讀，地址周期有地址寫和地址讀[6]。

圖3所示為數據的寫周期，分為以下幾個步驟：DATA端口接收到一個程序向EPP發送的I/O寫周期命令；數據在插入nWRITW信號的同時會出現在并行端口數據線上；當nWAIT信號變成低電平之后，插入數據選通信號；端口等待來自外設的應答信號（取消nWAIT信號）；取消數據選通信號，EPP周期結束；ISA I/O周期結束；插入nWAIT低電平信號表明可以開始下一個周期[7]。

圖4所示為數據讀周期，分為以下幾個步驟：程序向EPP的DATA端口發送一個I/O數據讀周期命令；當nWAIT信號變成低電平之后，插入數據選通信號；端口讀取數據位，取消數據選通信號；端口等待來自外設的應答信號（取消nWAIT信號）；EPP周期結束；ISA周期結束[8]。地址寫和地址讀周期除了把nDATASTB信號替換成nADDRSTB之外，幾乎完全一樣。

圖4 數據讀周期Fig.4 datareadingcycle

2 LabVIEW實現EPP端口數據的讀寫

對EPP模式進行設置后，就要考慮如何驅動EPP接口進行電磁聲數據的采集。可用編程方法很多。在Windows或DOS下，可用C語言指令直接對端口讀寫；在Windows或XP下，通過設置服務程序或使用DirectIO、WinIO等工具也可以實現對端口的讀寫。本系統使用的是LabVIEW軟件實現端口的訪問。其優點是不用考慮操作系統，并且可以利用軟件的實時控件去保證采集的實時性，編寫顯示操作界面簡單，免去了買采集卡的昂貴費用和復雜的圖形界面程序的編寫，具有經濟上和實現上的雙重優勢[9]。

基于以上考慮，本課題采用LabVIEW編寫EPP采集卡的軟件。采用的主要方法就是通過調用節點“In Port”，操作“378H+4”或“378H+3”地址，實現數據或地址的讀入，通過調用節點“Out Port”操作“378H+4”或“378H+3”地址，實現數據或地址的寫出。圖5所示為LabVIEW下連續采集EPP端口數據的程序框圖。

主程序采用了Loop循環結構連續采集數據。循環內，前一部分為等待中斷部分，后一部分為采樣和存儲部分。下方的stop控件用于控制采集程序的中斷，wait延時按鈕用于將采集到的數據延時50 ms～1 s再顯示到計算機屏幕，從而控制屏幕的顯示速度，以適應人眼的分辨速度。

等待中斷部分，FIFO只要受到外部的延時觸發復位，采樣到的數據會立刻填滿FIFO。而EPP端口的中斷針一直處于被主機循環檢測的狀態，若EPP端口中斷針為低電平，2 048個數據即被采滿，FIFO中的2 048個數據就處于可被PC機讀取的狀態，循環體內的延時控件可以控制從PC讀取數據到屏幕顯示的時間。

采樣和存儲部分采用的是For循環結構，以連續循環讀取0x37C端口的數據，并在數據調整到零點后，送入LabVIEW的Waveform Graph控件，將數據以波形顯示在可視化前面板。數據可以只顯示不存儲，也可以既顯示又存儲，功能的切換主要依靠存盤控制按鈕的Ture和False來控制。如果選擇了Ture，數據會以二進制形式存入所選擇的路徑中。

圖5 LabVIEW下采集EPP端口數據Fig.5 Collecting EPPport datawith LabVIEW

3 EPP采集卡與LabVIEW配合工作原理

EPP模式實現了主機驅動的非對稱雙向數據傳輸，系統可能獲得500 kB/s～2 MB/s的傳輸率。其是面向主機總線的，其所有的時序都由主機發出[10]。

采樣保持器和先入先出寄存器（FIFO）配合，先將高速采集到的數據存入FIFO，再利用FIFO可以低速取出數據的特點，以較低的速度通過EPP端口等待來自外設的應答信號（取消nWAIT信號）；EPP周期結束；ISA周期結束。接口電路傳入計算機內[11]。

采樣保持器在一個編碼周期內延時3個周期的上升沿，芯片將Ain腳接入的模擬量轉換為數字量。FIFO在同一個周期的下降沿將信號鎖存，因此采樣保持器可以與FIFO共用一個時鐘信號。這樣，在一個時鐘周期內就可以完成一次采樣工作。采樣時序如圖6所示。

4 實驗驗證

本系統中，用于檢測裂紋的電磁聲探頭需要發射電路激勵從而在工件表面產生表面波，將所采集的對象即用于激勵電磁聲傳感器的脈沖串，采集到的數據在LabVIEW內以一維數組（2 048個點）的形式，通過Waveform graph節點顯示波形。通過Waveform Graph左下腳的圖形控制圖標，可以實現對波形部分的放大、尋峰、展寬等操作，便于觀察和分析。圖7所示為用5 MHz的采樣頻率采到的1 MHz的發射電路的激勵脈沖串波形圖。

圖6 采樣時序Fig.6 Samplingtiming

圖7 采集到的EMAT觸發信號Fig.7 EMATtrigger signal collected

5 結束語

本文所介紹系統根據EPP并口模式下的數據讀寫協議，在LabVIEW開發環境下，通過編寫圖形化程序框圖，調用相應的節點，實現了LabVIEW與數據采集卡的接口，完成了虛擬儀器的軟件開發。該儀器軟件能夠對電磁聲信號進行實時的波形顯示和數據存儲。