基于模拟开关技术的可切换实验平台设计

赵 佳，刘蕴红

（大连理工大学 电气工程学院，辽宁 大连 116024）

随着计算机技术和微电子技术的迅速发展，产生了一个新型的仪器概念——虚拟仪器。它将传统硬件实现的数据分析处理与显示功能，改由功能强大的计算机及其显示器完成，并且通过I/O设备接口采集信号，最终编制不同功能的软件来实现对采集到的信号数据进行分析处理及显示。从某种意义上讲，软件就是仪器[1]。

与传统仪器相比，虚拟仪器开放灵活，可以与PC机组建并通过不同的总线接口组建不同规模的自测试系统。笔者就在NI ELVIS虚拟仪器教学实验套件基础上，自行设计了多路可切换的实验平台，满足同时进行多组实验的需要。同时采用上位机LabVIEW编程，实现友好的人机交互界面，完成监控与操作，具有成本低，功能强，使用价值高等特点。

1 NI ELVIS简介

NI ELVIS虚拟仪器教学实验套件是NI公司推出的一套基于LabVIEW设计和原型创建的实验装置。NI ELVIS（Educational Laboratory Virtual Instrumentation Suite，ELVIS）虚拟仪器教学实验系统实际上就是将LabVIEW和NI的DAQ设备相结合，综合应用到LabVIEW的教学实验产物，它包括硬件和软件两部分：硬件包括一台可运行LabVIEW的计算机，一块多功能数据采集卡，一根68针电缆和NI ELVIS教学实验操控工作台；软件则包括Lab VIEW开发环境、NIDAQ、可以针对ELVIS硬件进行程序设计的一系列LabVIEW API和一个基于LabVIEW设计虚拟仪器软件包[2]。

该实验套件可插入一块原型实验面板，非常适合教学实验和电子电路原型设计与测试，以便完成测量仪器、电子电路、信号处理、控制系统辅助分析与设计、通信、机械电子、物理等学科课程的学习和实验。NI ELVIS集成了多个实验室常用的功能，实现了教学仪器、数据采集和实验设计一体化。用户可以在LabVIEW下编写应用程序以符合各自的设计实验，还可以进行电子线路设计、信号处理及控制系统分析与设计。用户只需要一台NI ELVIS就可以完成信号分析（示波器、动态信号分析仪、信号源、波特图分析仪、阻抗分析仪、电流电压分析仪、数字万用表、直流电源等仪器的功能），其结构如图1所示。

图1 NI ELVIS虚拟仪器教学实验套件Fig.1 NI educational laboratory virtual instrumentation suite

2 实验系统整体设计

NI ELVIS虽然可单独使用，而且在LabVIEW环境中可以直接调用相应的数据包VI，使得用LabVIEW程序操控实验平台ELVIS十分方便，但是也存在一些问题：在ELVIS实验平台提供的面包板上，一次只能搭建有限的实验，每次更换实验都要人工重新搭建，费时费力；同时NI ELVIS实验平台与数据卡采集卡价格高贵，如果想以增加ELVIS来扩展实验室规模，价格十分昂贵。

因此利用模拟开关技术，将ELVIS原型板上的信号扩展为六路信号，利用FPGA控制在不同时刻将信号切入不同的接口板，再将所需实验做成与接口板型号匹配的实验板安装与接口板之上，这样6组实验可同时进行，大大扩展了实验资源，且免去了频繁更换电路和实验的麻烦。系统总体结构如图2所示。

3 可切换实验平台下位机设计

3.1 原型板与接口板设计

图2 系统结构图Fig.2 System structure diagram

为了保持与原有系统的兼容性，实验原型板的通道安排与原有实验平台的数据通道保持一致，根据NI公司提供的内部引脚资料进行设计，电路设计如图3（a）所示，主要有两部分的功能：一部分将信号按照原版规格进行引脚扩充，以插针的形式供接口板安装；另一部分将信号端口以FPC形式汇总，用于将其引入切换电路。

接口板主要的功能是经过分支切换处理的的信号端口进行恢复，将以FPC形式汇总的信号端口以原版ELVIS接口规格进行扩充，以插针形式供实验电路板安装。电路设计如图 3（b）所示。

3.2 实验板设计

图3 原型板与接口板Fig.3 Prototype board and interface board

每一块实验板就是一个独立的实验。将实验电路制作成印刷电路板，在更换实验时不用再重新搭建电路，而只需直接在接口板上插拔实验板即可。这极大地降低了实验管理的工作量，节省了大量时间，提高了实验效率。目前已经开发出了20余块实验板，内容包括数字电路、模拟电路、电机控制、Led显示控制和单片机应用等。图4为部分的实验板实物图。

3.3 切换电路设计

对于ELVIS提供的信号类型，可将其分为数字信号、模拟信号和电源信号3部分，针对不同信号的特点，采用不同的模拟开关技术进行控制[3]，完成模块化设计。采用ALTER公司的CycloneII EP2C8Q208完成对模拟开关的数字控制输入端进行控制。切换电路硬件结构图如5所示。

图4 实验板Fig.4 Experiments boards

图5 切换电路硬件实物图Fig.5 Hardware structure diagram of switching circuit

1）对于数字信号，直接采用1对8通道数字控制模拟电子开关CD4051进行设计。将原型板实验数字信号接入CD4051的公共输入输出端，将输出端信号八路中的6路分别接入不同的接口板来完成切换设计。

2）对于模拟信号，考虑到模拟信号容易相互干扰，采用具有3对2通道数字控制模拟电子开关CD4053进行设计。将原型板实验模拟信号接入CD4053的3路公共输入输出端的一路，将此路开启，同时将其他公共输入输出端接地。目的是在信号选择某一路导通后，将其他5路信号接地，以减少相互干扰。

3）ELVIS虚拟套件上含有±15 V、±5 V以及可变电源，由于最大的输出电流可以达到2 A，不能直接用开断小信号的模拟开关进行切换，因此我们采用MOSFET进行电源信号的开断[4]。本系统采用IRF9530，P沟道增强型MOSFET管。同时采用模拟开关CD4051来控制IRF9530的栅极电压来控制其开断，前端加三极管来增加驱动能力。

4 可切换实验平台上位机设计

上位机编程采用LabVIEW软件进行编写，主要包括两部分：一部分为切换实验操作界面编程，根据用户需要实现实验板控制地址的串口传递，实现6块实验板的切换；另一部分为实验程序设计，针对不同的实验板进行相应实验操作的程序设计。

4.1 切换实验操作界面设计

切换实验操作界面包括选择实验预览按钮和操作按钮，选择某一实验预览按钮，将弹出实验介绍图片，便于用户了解和学习实验原理并预览实验效果图。选择相应开始试验按钮，则弹出对应不同实验板的LabVIEW操作子VI，同时通过LabVIEW的VISA串口[5]传递相应的控制地址，打开实验板操作接口。地址选择采用CASE结构进行设计，切换程序界面设计如图6所示。

图6 切换界面程序设计Fig.6 Program design of switching interface

4.2 实验程序设计

由上面的介绍可知，设计了不同的实验电路板来满足实验要求。对于每个实验板，我们在上位机都采用LabVIEW编写相应的实验操作程序，来完成对实验现象的控制。同时利用NI公司的NI Vision Development Module通过编程控制USB摄像头来采集图像[6]，PC机完成视频处理后，最终在界面上清晰显示。以其中一个实验电机正反转实验为例，实验操作界面程序设计如图7所示。实验操作界面可以通过开关来控制电机正传或者反转，并将导通的三极管以绿色形式显示，同时用户可以通过视频窗口观看实验现象，检查实际现象是否与设计一致。

5 结 论

图7 实验操作界面程序设计Fig.7 Program design of experiment operation interface

实验平台应用虚拟仪器技术，由此能够在计算机上根据真实的实验设备设计实验与操控界面来模拟现场的实验环境，提高实验了效率、降低了实验成本、增强学生学习的积极性，因而具有传统实验无可比拟的优势。采用FPGA控制的利用模拟开关技术设计的的接口板切换装置让用户有了更大的选择余地，也大大降低了硬件设备管理的工作量。综上所述，该系统在功能，性能上都能够满足实验平台的扩展要求，对实验系统的构建具有很好的借鉴价值。

[1]王伟.基于LabVIEW与Lonworks技术的iLab远程实验系统设计[D].大连：大连理工大学，2009.

[2]宋玉杰，杨燕翔.基于NI ELVIS的远程虚拟实验室的研究[J].电子设计工程，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，牛轶霞，于春战，等.CMOS模拟开关及其选择问题[J].微电子技术，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]鲁莉容，李晓帆，蒋平.功率MOSFET高速驱动电路的研究[J].电力电子技术，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]陈锡辉，张银鸿.LabVIEW 8.20程序设计从入门到精通[M].北京：清华大学出版社，2007.

[6]吴仁涛，姜云海，左建勇.基于LabVIEW平台的USB视频采集方法与应用[J].工业仪表与自动化装置，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.