模块化电工电子平台的虚拟仪器实现
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摘要
电工电子实验教学和研究中以综合实验平台取代分立器件和仪器是一种趋势。本文通过研究电工电子实验、现有的实验设备以及综合实验系统的发展现状，提出采用模块化设计思想开发基于虚拟仪器的实验平台。
模块化设计思想是一种在软硬件设计中都被广泛采用的设计思想，它是综合考虑系统对象的基础上，把系统分解成不同用途和性能的模块。本文在这种思想的指导下，对电工电子实验进行了总体的统计分析，将平台设计成模块化的体系结构，实验器材按通用与非通用配置于母板和子板上，接口实现了一定程度标准化，具备了可扩展性，子板实现了系列化。
本系统集成了虚拟仪器完成电压测量，制作了基于增强并行口EPP、以8051为控制核心完成量程自动转换的数据采集板。在LabWindows／CVI环境下，设计了基于多线程的数据采集处理程序。两者协同工作，完成简单虚拟示波器的功能。平台因此具备了一定的独立于其他测试仪器工作的能力，提高了实验测试的自动化程度。
本文对设计制作实验平台时采用的设计方法作了介绍，数据采集部分是一个单片机的嵌入式应用，在设计中引入了常用于软件面向对象分析设计的统一建模语言UML进行设计描述，状态图尤其适合嵌入式系统设计。各模块具体电路设计过程中普遍使用PSpice对电路进行仿真，帮助快速设计。
本文在设计调试单片机嵌入式应用时深感不便，而软硬件协同设计和验证是针对传统设计方法割裂软件和硬件的开发过程存在的缺陷提出的，是一种较好的设计方法，本文介绍了相关理论，并建议采用嵌入式操作系统，简化设计、提高性能。
It's the trend that electronic experiment platform takes the place of separated components and instruments in training and study of experiment. Having been familiar with the requirements equipments of the experiment, and the development of experiment platform, we design and implement one which is based on virtual instrument technology and modularization thought.
Modularization is widely used in hardware and software design. According to the theory, we design an architecture in modules. All the equipments are divided into two groups, the commons are mounted on master board and the others on separated circuit boards. The interface between the two groups is standardized. Therefor, the integrated platform has a series of modules and can be expanded easily.
The virtual oscillograph to measure voltage is brought into the system. Its DAQ board is based on EPP and 8051 is used as the controller. The program on PC is designed into two threads. They work together as a virtual oscillograph.
Some methods are introduced, such as UML modeling and circuit simulation. The state diagram in UML is more useful in analysis and design of an embedded system. Simulations help us design with less mistakes and more quickly.
The embedded application makes the design more difficult. Co-design and Co-verification are better methodologies and introduced in this paper. To use embedded real-time operationg system is my another suggestion.
模块化设计思想是一种在软硬件设计中都被广泛采用的设计思想，它是综合考虑系统对象的基础上，把系统分解成不同用途和性能的模块。本文在这种思想的指导下，对电工电子实验进行了总体的统计分析，将平台设计成模块化的体系结构，实验器材按通用与非通用配置于母板和子板上，接口实现了一定程度标准化，具备了可扩展性，子板实现了系列化。
本系统集成了虚拟仪器完成电压测量，制作了基于增强并行口EPP、以8051为控制核心完成量程自动转换的数据采集板。在LabWindows／CVI环境下，设计了基于多线程的数据采集处理程序。两者协同工作，完成简单虚拟示波器的功能。平台因此具备了一定的独立于其他测试仪器工作的能力，提高了实验测试的自动化程度。
本文对设计制作实验平台时采用的设计方法作了介绍，数据采集部分是一个单片机的嵌入式应用，在设计中引入了常用于软件面向对象分析设计的统一建模语言UML进行设计描述，状态图尤其适合嵌入式系统设计。各模块具体电路设计过程中普遍使用PSpice对电路进行仿真，帮助快速设计。
本文在设计调试单片机嵌入式应用时深感不便，而软硬件协同设计和验证是针对传统设计方法割裂软件和硬件的开发过程存在的缺陷提出的，是一种较好的设计方法，本文介绍了相关理论，并建议采用嵌入式操作系统，简化设计、提高性能。
It's the trend that electronic experiment platform takes the place of separated components and instruments in training and study of experiment. Having been familiar with the requirements equipments of the experiment, and the development of experiment platform, we design and implement one which is based on virtual instrument technology and modularization thought.
Modularization is widely used in hardware and software design. According to the theory, we design an architecture in modules. All the equipments are divided into two groups, the commons are mounted on master board and the others on separated circuit boards. The interface between the two groups is standardized. Therefor, the integrated platform has a series of modules and can be expanded easily.
The virtual oscillograph to measure voltage is brought into the system. Its DAQ board is based on EPP and 8051 is used as the controller. The program on PC is designed into two threads. They work together as a virtual oscillograph.
Some methods are introduced, such as UML modeling and circuit simulation. The state diagram in UML is more useful in analysis and design of an embedded system. Simulations help us design with less mistakes and more quickly.
The embedded application makes the design more difficult. Co-design and Co-verification are better methodologies and introduced in this paper. To use embedded real-time operationg system is my another suggestion.
引文
[1]许雪莹 模拟电子技术教学实验装置的研制 实验技术与管理 Vol1.17 No．3 2000
[2]谢文苗，韩玉芬实验室用虚拟仪器的研制 实验技术与管理 第16卷第2期 1999
[3]裘伟廷 虚拟仪器与虚拟实验 http://www.e-works.net.cn/2001.8.4
[4]朱辉 关于模块和模块化概念探讨 电子机械工程 1997年第1期
[5]陈黎，江建民 模块化思维方法在工业设计中的应用 郑州轻工业学院学报(自然科学版)第17卷第1期 2002.3
[6]现代设计技术*模块化设计 http://203.93.167.3/adv_technology/design_tec/
[7]什么叫“虚拟仪器” http://www.vlink.com.cn/
[8]刘君华，贾惠芹，丁晖等编著 虚拟仪器图形化编程语言LabVIEW教程 西安电子科技大学出版社 2001．8
[9]A.H.Taner, Virtrual Instrumentation: a solution to the problem of design complexity in intelligent instruments. Measurement/Control. 1997。
[10]许海燕，付炎主编嵌入式系统技术与应用机械工业出版社2002．4
[11]【美】Arnold Berger著，吕骏译 嵌入式系统设计 电子工业出版社 2002．9
[12]谢淑如 郑光钦 杨渝生编著 Protel PCB 99SE 电路板设计 清华大学出版社 2001．7
[13]郑光钦编著 全能OrCAD混合电路仿真PSpice A／D V9 中国铁道出版社 2000．3
[14]楼滨乔，甘路，朱向炜等 EDA电路仿真 核电子学与探测技术 第21卷第2期．2001
[15]桑楠编著 嵌入式系统原理及应用开发技术 北京航空航天大学出版社 2002．4
[16]石柯 基于SystemC的嵌入式系统软硬件协同设计 计算机应用研究 2002第6期
[17]石柯，阳富民，胡贯荣 基于UML的嵌入式系统模型验证机的研究 计算机工程与应用 2001第23期
[18]唐英，李志蜀 使用UML分析设计嵌入式系统 第5期
[19]James Rumbaugh,Grady Booch and Ivar Jacobson.The Unified Modeling Language Reference Manual. Reading, MA: Addison-Wesley Longman, Inc., 1999
[20]史仪凯主编 电子技术 西北工业大学出版社 1995．9
[21]康华光主编 电子技术基础 高等教育出版社 1987．8
[22]赵新民主编，王祁副主编智能仪器设计基础 哈尔滨工业大学出版社 1999．7
[23]张卫平，张英儒编著 现代电子电路原理与设计 原子能出版社 1997．2
[24]Low Cost, Low Power Instrumentation Amplifier, Analog Devices, http://www.analog.com/
[25]李华主编 MCS-51系列单片机实用接口技术 北京航空航天大学出版社 1993．8
[26]徐爱钧 智能化测量控制仪表原理与设计 北京航空航天大学出版社 1999．5
[27]田景文 单片机控制的自动选择八档数字增益的数据采集系统 自动化仪表 第22卷第7期2001．7
[28]朱玉田 程控放大器实现方法研究 电测与仪表 1997第7期
[29]陆坤等编著 电子设计技术 电子科技大学出版社 1997．7
[30]ADC datasheet, http://www.maxim-ic.com
[31]8-bit Microcontroller with 4K Bytes Flash AT89C51, Atmel Corporation.2000
[32]Powering devices from PC parallel port. Copyright Tomi Engdahl 1997-1998
[33]李圣怡，戴一帆，王宪平等编著 Windows环境下软硬件接口设计 国防科技大学出版社 2001．1
[34]胡汉才 编著 单片机原理及接口技术 清华大学出版社 1996．7
[35]【美】Jan Axelson 著 那怡超等译 并行端口大全 中国电力出版社 2001．4
[36]刘九七 WindowsNT环境下多线程技术在测控软件中的应用 测控技术 2001年第3期
[37]张凤均等编著 LabWindows／CWI开发入门和金阶 北京航空航天大学出版社 2001．12
[38]杨定新，葛哲学 保护模式操作系统中使用WinDfiver开发设备驱动程序 微型机与应用 2002．1
[39]黄运新，马文礼 基于EPP协议的数据采集系统 光电工程 2001．4第28卷第2期
[40]Building Multithreading Applications with LabWindows/CVI.National Instruments. 1998. 1
[41]Multithreaded IN CVI.National Instruments. 1999.12
[42]陈兴文，刘燕 单片机应用系统硬件调试技巧 现代电子技术 2000年第7期
[43]Labrosse.Jean J. μC/OS-Ⅱ, The Real-Time Kernel.R&D Technical Books,1998
[2]谢文苗，韩玉芬实验室用虚拟仪器的研制 实验技术与管理 第16卷第2期 1999
[3]裘伟廷 虚拟仪器与虚拟实验 http://www.e-works.net.cn/2001.8.4
[4]朱辉 关于模块和模块化概念探讨 电子机械工程 1997年第1期
[5]陈黎，江建民 模块化思维方法在工业设计中的应用 郑州轻工业学院学报(自然科学版)第17卷第1期 2002.3
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[10]许海燕，付炎主编嵌入式系统技术与应用机械工业出版社2002．4
[11]【美】Arnold Berger著，吕骏译 嵌入式系统设计 电子工业出版社 2002．9
[12]谢淑如 郑光钦 杨渝生编著 Protel PCB 99SE 电路板设计 清华大学出版社 2001．7
[13]郑光钦编著 全能OrCAD混合电路仿真PSpice A／D V9 中国铁道出版社 2000．3
[14]楼滨乔，甘路，朱向炜等 EDA电路仿真 核电子学与探测技术 第21卷第2期．2001
[15]桑楠编著 嵌入式系统原理及应用开发技术 北京航空航天大学出版社 2002．4
[16]石柯 基于SystemC的嵌入式系统软硬件协同设计 计算机应用研究 2002第6期
[17]石柯，阳富民，胡贯荣 基于UML的嵌入式系统模型验证机的研究 计算机工程与应用 2001第23期
[18]唐英，李志蜀 使用UML分析设计嵌入式系统 第5期
[19]James Rumbaugh,Grady Booch and Ivar Jacobson.The Unified Modeling Language Reference Manual. Reading, MA: Addison-Wesley Longman, Inc., 1999
[20]史仪凯主编 电子技术 西北工业大学出版社 1995．9
[21]康华光主编 电子技术基础 高等教育出版社 1987．8
[22]赵新民主编，王祁副主编智能仪器设计基础 哈尔滨工业大学出版社 1999．7
[23]张卫平，张英儒编著 现代电子电路原理与设计 原子能出版社 1997．2
[24]Low Cost, Low Power Instrumentation Amplifier, Analog Devices, http://www.analog.com/
[25]李华主编 MCS-51系列单片机实用接口技术 北京航空航天大学出版社 1993．8
[26]徐爱钧 智能化测量控制仪表原理与设计 北京航空航天大学出版社 1999．5
[27]田景文 单片机控制的自动选择八档数字增益的数据采集系统 自动化仪表 第22卷第7期2001．7
[28]朱玉田 程控放大器实现方法研究 电测与仪表 1997第7期
[29]陆坤等编著 电子设计技术 电子科技大学出版社 1997．7
[30]ADC datasheet, http://www.maxim-ic.com
[31]8-bit Microcontroller with 4K Bytes Flash AT89C51, Atmel Corporation.2000
[32]Powering devices from PC parallel port. Copyright Tomi Engdahl 1997-1998
[33]李圣怡，戴一帆，王宪平等编著 Windows环境下软硬件接口设计 国防科技大学出版社 2001．1
[34]胡汉才 编著 单片机原理及接口技术 清华大学出版社 1996．7
[35]【美】Jan Axelson 著 那怡超等译 并行端口大全 中国电力出版社 2001．4
[36]刘九七 WindowsNT环境下多线程技术在测控软件中的应用 测控技术 2001年第3期
[37]张凤均等编著 LabWindows／CWI开发入门和金阶 北京航空航天大学出版社 2001．12
[38]杨定新，葛哲学 保护模式操作系统中使用WinDfiver开发设备驱动程序 微型机与应用 2002．1
[39]黄运新，马文礼 基于EPP协议的数据采集系统 光电工程 2001．4第28卷第2期
[40]Building Multithreading Applications with LabWindows/CVI.National Instruments. 1998. 1
[41]Multithreaded IN CVI.National Instruments. 1999.12
[42]陈兴文，刘燕 单片机应用系统硬件调试技巧 现代电子技术 2000年第7期
[43]Labrosse.Jean J. μC/OS-Ⅱ, The Real-Time Kernel.R&D Technical Books,1998