[00355932]基于USB接口的虚拟仪器系统研究

1、目的、意义：中高速、高精度连续采样系统由于采集的数据量大，通常将控制和数据通道部分做成板卡的形式，占用PC的—个ISA或PCI总线扩展槽，通过ISA或PCI总线的高速数据传输(往往通过上述总线的DMA模式)实现PC与采样系统的大容量数据交换。但是，这种内置式形式很容易受到PC机箱内高频干扰的影响，降低系统的采样精度和稳定性。对于笔记本电脑之类的小体积PC很难用接口插卡进行功能扩展。如果能够将整个系统做成外置式形式，不仅能够提高系统的采样精度和稳定性，还能增强系统的灵活性，同时还有利于系统的维护。USB总线作为一种新型的串行总线，它具有传输速率高、支持异步和等时传输，并且可同时挂接127个独立的USB设备，适合于外置式中高速、高精度采样系统。USB技术具有开放性，是非赢利性的规范，已得到了广泛工业支持。目前，USB设备的发展势头如日中天，国外已推出了上百种USB外设，包括USB集线器、打印机、扫描仪、图像采集系统、数字音箱、数码相机等。USB设备在国外的实际应用中已经开始逐渐取代传统外设，但是在国内还处于逐渐被接受的阶段。刚刚出台的USB2.0协议，数据传输速率高达480Mbps，如此高的传输速率尤其适用于高实时性要求的工业设备控制、大数据量的采集系统等。随着时代的进步和技术的发展，USB必将在更广阔的领域得到更深层次的应用。采用USB接口的外置式中高速、高精度采样系统，使采样设备具有移动性，可自由挂接在具有USB接口的运行在WINDOWS98平台下的PC机上。加上自己开发的PC机通信软件和处理分析组件，可灵活组成各种虚拟仪器系统，能够替代普通的测试测量分析仪器。将多个USB接口的采样系统同时挂接在一个PC机上，组成一个采样系统网，可以完成多处的连续不间断的模拟量的采集。如果在采样系统网上配置需要的控制装置，还可实现模拟量的监控系统。该项目所研究的内容具有极强的实用价值和广泛的应用前景，既可以作为测试测量领域的通用仪器，替代传统的测量仪器，也可以作为专用设备应用于工业监控、医疗仪器、铁路、航空航天以及军事设备中。该项目一旦产品化，必将产生巨大的经济效益。虚拟仪器的研究与开发是我国近几年的重点支持项目之一，国家创新基金指南里就有该项目方向，也符合该市重点支持和优先发展信息产业及软件产业的政策。USB技术具有开放性，是非赢利性的规范，已得到了广泛工业支持。国外已推出了上百种USB外设，该项目的研究是USB接口技术的应用，是目前国内外虚拟仪器研究与发展的一种新颖方式与趋势，尽管各种接口方式的虚拟仪器已有很多，但在国内外基于USB接口的虚拟仪器只在研究阶段，至今未见有关产品问世。中国在这个领域的研究也是才起步，该校的研究紧跟国际发展方向，在此领域已有部分技术积累，更何况该校在虚拟仪器的研究一直处在国内的领先地位，并有相当高的知名度。因此该校实施该项目的研究具有很好的优势条件。主要技术内容：1、技术要点及解决途径：该项目的主要技术内容，技术要点或关键技术：①首先深入研究USB总线的协议，包括1.0和2.0版的协议，了解USB总线性能规范，从而分析USB总线的传输原理。②在上一步工作的基础上进行USB接口芯片的开发设计工作。③在已有工作的基础上，对基于USB总线的外置式虚拟存储示波器、多功能信号分析仪、高精度频率计、智能信号发生器和逻辑分析仪的硬件线路进行设计和前期功能仿真。④研究win2000环境下USB外设端的固件代码(Firmware)、主机操作系统上的客户驱动程序以及操作界面程序的设计。⑤设计制作样机并进行测试。2、所采用的技术路线、工艺流程、技术措施，及其技术成熟性，可靠性：①该项目将充分利用EDA(ElectronicDesignAutomation，电子设计自动化)仿真工具，在现有的设计仿真综合平台上，利用已建立的良好硬件设计EDA模拟环境，采用硬件描述语言VHDL(VHSICHardwareDescriptionLanguage，超高速集成电路硬件描述语言)或Verilog-HDL进行硬件系统和电路的设计仿真。②硬件系统的实现手段上将采用大规模可编程器件(FPGA)来替代传统的分离器件，这不仅大大缩短了开发周期，而且使系统的可靠性大大提高，降低了成本，增加了系统功能上的灵活性，可以根据用户的要求随时修改或增加系统功能，而且保密性好。③USB设备的客户端驱动程序设计是开发USB外设的关键，课题组将利用WDM(WindowsDriverMode)这一驱动程序的良好平台，构建Windows98(2000)DDK直接支持的驱动程序代码。④操作界面将在虚拟仪器专用的开发系统Labwindow下开发，该开发平台采用C++语言作为基本编程语言，程序库中提供了大量的控件和信号分析测量的模块供调用，大大简化了软件工作量。3、预期成果形态及技术水平：该项目的研究成果是基于USB总线的外置式虚拟存储示波器、多功能信号分析仪、高精度频率计、智能信号发生器和逻辑分析仪的样机。项目完成后将给出详尽的技术研究报告。该样机能够代替传统的仪器完成上述功能，同时具有传统仪器所无法比拟的优点，主要表现在以下几方面：①该仪器通过USB总线与计算机相连，可以充分利用计算机强大的数据分析处理及存储功能，使仪器的功能大大扩展，同时利用计算机显示器作为仪器的虚拟界面，使操作简单，便于在线帮助。②USB总线是计算机的外置式总线，且支持即插即用，因此仪器的插拔不需要打开计算机机箱，方便了安装。③USB总线的高传输速率，使得该类仪器性能远远优于普通的串行口和并行口仪器，可同时挂接127个独立USB设备的特性，使得其扩展性是PCI总线、ISA总线以及串行口和并行口所无法比拟的。④由于USB总线是一种较新的计算机总线，目前国内尚无基于USB总线的虚拟仪器，但该类仪器的市场需求量却很大。该项目完成后其技术水平应处于国内领先水平的地位。市场分析预测：虚拟仪器在近几年内的需求每年都在以20％的递增速度增长，现有产品主要以ISA总线，PCI总线，VSA总线及EPP接口方式居多，这些产品的需求量很大，仅2001年全球的虚拟仪器总需求量为75亿美元，是传统仪器的替代产品。随着计算机的升级和更高要求，虚拟仪器的发展也将向USB接口方向发展(其优势在前面已论述)，他的问世将具有更高的水平及价格优势。以USB接口方式为基础开发的虚拟仪器产品在今后(重点为5年内)以其优势必将占有虚拟仪器总需求的50％以上，也将代表虚拟仪器的最高发展水平，在性价比方面将更具有竞争力，因此该项目的发展趋势及前景必将非常美好。预期经济、社会效益：该项目完成后可与许多仪器仪表生产企业合作，用来替代现有传统仪器的生产，必将为企业和社会带来巨大的社会效益和经济效益，如果国家在政策上给预支持，该项目每年的产值将以亿元计，更可为国家创造和节约大量外汇，和这些相比其投资回收期之短，投资利润率之高将是无与伦比的。该项目所取得的成果(主要指技术成果)可主要应用于测试测量领域，替代传统的仪器仪表，更可以使虚拟仪器的发展迈上一个新的台阶，该项目的技术成果也将大量应用于国防，航空航天、铁路、通讯、石油化工及电子信息行业。总之只要与测试、测量有关的技术产品都会有所应用，其应用领域之广也是非常广阔的。该项目的研究主要对提高我国在虚拟仪器产品的领域的技术水平具有深远的影响和作用。