嵌入式系统的虚拟仪器成测试系统新思路

嵌入式系统的虚拟仪器成测试系统新思路
1引言
　　计算机及其接口技术的发展和传统测试测量仪器系统暴露出来的不足，使得基于计算机的虚拟仪器设备越来越成为测试测量仪器的主导。虚拟仪器系统以其平台通用性、可扩充、易升级和高度的智能性获得了广泛的工业应用。在PC和工业控制计算机中插入基于PC总线（ISA，PCI）的数采板卡构成硬件系统，编写Windows系统平台的驱动程序和软面板实现软件功能，成为业界的主要解决方案。

　　但是在野战和恶劣环境下测试任务的实践过程中，我们发现基于PC或工控机的虚拟仪器暴露出很多问题，如：体积大，不便于携行；插卡式结构，接触易松动、不紧固；以机械硬盘为主要存储介质，抗震性能差等等。

　　以32位嵌入式微处理器和嵌入式操作系统为特征的嵌入式计算平台使计算进入了后PC时代。嵌入式系统的小体积、高可靠能够满足实现野战和恶劣环境下的便携虚拟仪器的需要。基于嵌入式计算平台，设计虚拟仪器系统成为构建测试系统的新思路。

　　通过构建基于PC104总线嵌入式计算平台，加入仪器卡及其功能程序，我们实现了针对雷达电子装备的多种测试仪器。构建基于嵌入式系统的虚拟仪器需要解决的技术问题集中在系统平台的构建、接口和驱动程序的设计以及软面板设计等方面。

　　2硬件系统组成

　　硬件系统包括嵌入式主板、仪器功能板、Flash存储介质（DOC或CF卡）、液晶显示屏、触摸屏和信号接口等。如图1所示。其中液晶显示屏、触摸屏实现人机交互，信号接口用于耦合测试信号、嵌入式主板作为控制和计算单元，仪器功能板实现具体仪器的功能。

　　部件按叠放的顺序依次为触摸屏、液晶显示屏、PC104主板、示波器卡、万用表卡功能板卡和嵌入式主板之间通过PC104总线以叠栈的方式实现机械和电气的互连。采用这种方式有如下好处：

　　1.电气接触高度紧密。电路板之间通过多排插针深入连接，比ISA和PCI的插槽连接要紧密得多。

　　2.机械结构牢固。电路板之间用四个螺柱紧紧相连，使得板卡之间的机械连接非常牢固，不会存在晃动现象。

　　3.PC104插针的电气特性与ISA完全兼容，PC104Plus插针的电气特性与PCI完全兼容，使得基于ISA或PCI总线设计的功能板卡可以从电原理上重用，有利于系统改造过程的平稳过渡。

　　摈弃硬盘而采用DOC或CF卡作为外存储介质也能大大提高系统抗震动和冲击能力。

　　采用如上所述的硬件系统能为小型、可靠的虚拟仪器系统提供硬件保障，但由此带来的系统存储容量小和资源受限等问题为软件系统的设计带来了困难。必须采用嵌入式操作系统，软件编程必须考虑体积小，效率高。

　　3软件系统设计

　　我们采用嵌入式Linux作为操作系统，在linux平台下编写仪器的驱动程序。利用TinyX和GTK+作为图形界面解决方案实现仪器软面板。

　　3.1.嵌入式linux系统

　　采用开源的linux系统，并通过编译选项裁减不需要的功能模块，得到大小为500K左右的内核模块。用busybox取代shell，在系统中加入glibc.o等库构建一个4M的Linux运行系统。关于嵌入式Linux系统的构建文献[1]有详细的介绍和指导。

　　3.2.linux下的io编程

　　仪器卡的驱动程序采用端口读写来实现。Linux下对端口的操作方法在usr/include/asm/io.h中。由于端口读写函数是一些inline宏，所以在编写端口读写程序时只需要加入：#include不需要包含任何附加的库文件。另外由于gcc编译器的一个限制，在编写包含端口读写代码的程序时，要么打开编译器优化选项（使用gcc?O1或更高选项），要么在#include之前加上：#defineexternstatic

　　在读写端口之前，必须首先通过ioperm（）函数取得对该端口读写的权限。该函数的使用如下：

　　ioperm（from,num,turn_on）

　　如果turn_on=1，则表示要获取从from开始的共num个端口的读写权限。如ioperm（0x300,5,1）就表示获取从端口0x300到0x304共5个端口的读写权。最后一个参数turn_on表示是否获取读写权（turn_on=1表示获取，turn_on=0表示释放）。一般在程序的硬件初始化阶段调用ioperm（）函数。

　　ioperm（）函数需要以root身份运行或使用seuid赋予该程序root权限。

　　端口的读取使用inb（port）和inw（port）函数来完成，其中inb（port）读取8位端口，inw（port）读取16位端口。

　　对8位和16位端口的写操作分别用函数outb（value,port）和outw（value,port）来完成。其中各函数的第一个参数表示要写的数值，第二个参数表示端口地址。

　　宏inb_p（），outb_p（），inw_p（）和outw_p（）的作用与对应的上述四个端口读写函数一样，只是在端口操作后附加一定时间的延时以保证读写可靠。可以通过在#include前加上：#defineREALLY_SLOW_IO获得约4微秒的延时。

　　3.3.基于TinyX和Gtk+的软面板编程

　　仪器软面板的设计涉及linux下GUI的选择和编程，考虑到XWindows的成熟性和与桌面系统的一致性，我们选用精简的XWindows系统TinyX作为底层GUI解决方案。使用Gtk+1.2库作为控件集来开发仪器软面板程序。

　　基于TinyX和Gtk+库的图形界面开发方案使得软面板的开发与桌面环境下基于Gnome的开发比较接近，很多的桌面环境下的linux工具可以直接使用。

　　Gtk+图形库是GNOME桌面系统的底层基础，它包含比较完整的GUI控件集合（GtkWidgets）。基于面向对象的方法，GTK+用C语言实现了一套对象系统和消息及回调机制，并将整个图形控件集纳于对象框架中，使得控件集的扩充比较方便。

　　针对虚拟仪器领域的应用需求，可以构建常见的GUI单元的控件集。我们以GtkWidgets的形式开发了示波器，信号源等仪器的面板控件和一些关键的GUI单元控件。这些都有利于用户的二次开发和软件单元的重用。

　　4结论

　　基于嵌入式主板和嵌入式软件环境，我们给出一个构造虚拟仪器的通用解决方案。同时，通过构建基于TinyX和Gtk+库的GUI环境，再加上我们自主开发的一系列面板单元控件，我们提供了对虚拟仪器软面板开发的支持。

　　基于以上的方案，我们开发了集示波器、万用表和微波信号源等仪器功能于一体的雷达故障检测仪。

　　部队野战环境下的实践表明该系统机械结构牢固、可靠性高，携带使用方便。

基于LabVIEW的参量阵测试系统设计

作者姓名： 聂新华，潘衡岳，潘仲明，郭伟
作者单位： 国防科学技术大学




引 言

   声学参量阵(Parametric Acoustic Array)是利用介质的非线性特性，使用两个沿同一方向传播的高频初始波在远场中获得差频、和频及倍频等的声发射装置。根据介质中声吸收原理，吸收与信号频率的平方成正比，在声波的传播过程中，和频及倍频等频率较高的信号衰减很快，经过一段距离后，仅剩下频率较低的差频信号。与常规换能器相比，首先，该差频信号具有更好的指向性；其次，该差频信号几乎没有旁瓣，避免了在浅海沉底或沉积物探测过程中由于边界不均匀所带来的干扰和信号处理的复杂性；第三，差频信号具有大于10 kHz的带宽，空间分辨率高，抗混响，并能获得较高的信号处理增益等。

   基于上述优点，参量阵在水下探测、水下通信等领域具有广泛的应用前景。例如，在国外，德国INN0-MAR公司生产的SES-96和SES-2000系列参量阵测深／浅底层剖面仪，目前广泛应用于浅海水下探测，其中SES-96低频的束角为±1．8°，穿透深度最大达50 m；在国内，中国科学院东海研究站研制成功的参量阵“堤防隐患监测声纳”，可以对江河湖底和海底沉积层进行探测识别或对堤防损毁程度进行探测评估。另外，美国技术公司开发的参量扬声器专利产品——极超音速扬声器系统(Hypersonic Sound System，HSS)，实现了声音在空气中的定向传播。

   但是，目前参量阵技术并不成熟，没有形成统一的国际标准或行业规范。本文旨在对声参量阵在空气中的应用做一些初步的探索和研究，为声参量阵技术应用于水声探测做准备。

1 声参量阵理论及换能器阵设计

1．1 声参量阵理论

   假设两个高频初始声波信号的频率分别为ω1和ω2(不妨设ω1>ω2)，信号在传播中由于介质的非线性效应而形成差频信号(ω1-ω2)、和频信号(ω1+ω2)、倍频信号(2ω1和2ω2)以及原信号(ω1和ω2)，可表述如下：


式中：ei(i=1，2，…，6)为无量纲参量。
   由于高频初始声波信号ω1和ω2可以做得很接近，差频信号(ω1-ω2)的频率很低，该差频信号具有很强的沉积层穿透力，可以用来探测海底浅部底层结构，而反射的主频信号则可以用于精确的水深测量。另外，原波频率较高，换能器可做得很小，这不但可以减小发射器的体积，而且还可探测较小物体。产生的差频信号强度较原波稍高，衰减较慢，并与高频时的波束角非常接近，且没有旁瓣，因此其波束指向性好，具有较高的分辨率。同时可控的差频声波信号可以承载更多的沉积层信息，以便对埋入沉积层的目标进行分类识别。
1．2 换能器阵设计
   此处的换能器指的是电声换能器，即用来实现电能和声能之间能量相互转换的器件。由于单个换能器的指向性不好(甚至没有指向性)，而且单个换能器的发射功率也不大。因此考虑使用基阵的方法，即由若干个换能器按一定规律排成阵列。这样不但提高了发射功率，而且通过基阵形成的波束，其方向性的旁瓣得到降低，指向性得到了很大的提高，从而对目标的定位、定向和测速都有很大的改善。同时随着发射功率的增大，空间处理增益和接收阵输入端的信噪比得到提高，并且系统的作用距离有所增加，对单个换能器的指向性等要求也有所降低，实现起来更加容易。
   设计换能器阵时，可以采用多种排列组合方式，如矩形阵、六边形阵、圆形阵等。本系统采用9个圆形压电陶瓷换能器组成3×3矩形基阵的形式来发射超声信号，并利用4个传声器来进行回波的接收。如图1所示，其中1，3，7及9号换能器构成一个通道，其余5个换能器构成另一个通道。



1．3 参量阵的发射方式
   参量阵的发射方式分为两种，单通道发射方式和双通道发射方式。其中，单通道发射方式是指两个原波频率信号，经过线性相加以及功率放大后，同时激励换能器阵中的所有阵元；而双通道发射方式是指两个原波信号经过功率放大后，各自通过换能器阵中的某个通道来激励相对应的阵元。
   相比较，单通道发射方式结构比较简单，容易实现，但大功率输出较困难；而双通道发射时，其输出功率较大，但换能器阵元组合比较复杂。本系统中9个圆形压电陶瓷换能器组成的3×3矩形基阵采用单通道发射方式，即载波调制信号同时接入换能器阵的两个通道。

2 声参量阵测试系统的组成结构设计
   本文设计的系统结构原理框图如图2所示，主要包括PC机(LabVIEW信号处理平台)、功率放大电路、换能器发射及接收阵、信号接收电路及数据采集卡等结构。其中，PC机主要是通过LabVIEW软件完成对初始信号和高频载波的产生、信号失真预处理和接收信号的后续处理(包括信号的实时显示、频谱分析等)；换能器发射和接收阵分别实现载波调制信号的发射和回波信号的接收；功率放大电路用来提高载波调制信号的发射功率；而信号接收电路则是对传声器接收到的回波信号进行处理，包括前端放大、带通滤波及末级放大等几个处理环节。



2．1 信号处理
   信号处理是本系统中关键部分之一，主要完成输入信号的失真预处理和超声载波的振幅调制。信号处理部分的基本理论是。Berktay远场解决方案。
2．1．1 失真预处理
   失真预处理的目的是增强信号的强度，减少失真，增强低频等。1965年， Berktay使用调制中包络的概念为参量阵提出了一个更精确完整的解释，认为最终的解调信号将由这个包络决定，即参量阵解调后的信号P2(t)与包络E (t)平方对时间的两次微分成正比。根据Berktay远场解决方案，现有的预处理方法主要有三种：
   第一种也是最初的预处理方法，假设包络为E(t)=1+mg(t)，其中m为调制因数，g(t)为音频信号。则有：


   根据式(1)可以看到：在非线性作用下，信号的自解调能够将正比于包络信号E(t)的调制信号Ps(t)解调出来；但自解调过程中会伴随二次谐波失真信号Pd(t)的产生。
   细观式(1)可得，失真信号Pd(t)与m2成正比，即减小m就可以减少失真，但解调出来的信号Ps(t)也随之减小，导致转换效率降低。因此就有了第二种预处理方法，对包络先积分两次，然后再开方，即：

 
   很显然，单边带预处理方法对应产生纯音频信号时没有失真，即没有其他频率成分产生。
2．1．2 载波调制
   载波调制的作用是将预处理过的信号与超声载波信号进行振幅调制，生成超声载波调制信号。载波调制可分为双边带(Double Sideband，DSB)调制和单边带(Single Sideband，SSB)调制等。在DSB调制中，输出信号的频谱由位于载频左右两侧的上下边带组成，而且信号的上、下边带携带的调制信号信息完全一样；SSB调制就是选择DSB调制中一个边带进行传输，从而节省一半的发射功率。假设载波频率为85 kHz，音频信号频率为5 kHz，则DSB和SSB调制示意图如图3所示。

   




   输入信号通过运放PA85后，功率得到提高，但输出的电流较小。为了得到较高的输出电流，在PA85的输出端接人由Q1，Q2，Q3和Q4组成的互补对称式放大器，提升运放PA85的输出电流。另外，二极管D1和D2构成的保护电路，不但能限制PA85输入差分电压低于输入晶体管基极一发射极的反向击穿电压，而且还能起到限制输入瞬时电流的作用。
2．3 信号接收电路设计
   信号接收电路主要包括前端放大电路、带通滤波电路和末级放大电路，并为换能器接收阵中的四个传声器提供电源，如图5所示。



   前端放大电路采用低功耗、高增益和高可靠性等优点的LM324集成运放。该电路实现四路回波接收信号的相加及其放大功能。带通滤波器由高阻抗运算放大器 (TL082)和RC阻容元件构成，不但起到带通滤波器的作用，而且具有放大的功能。末级放大电路采用典型的反相放大电路的结构，并通过调节电位器来改变电路的增益，使接收电路的输出幅值满足数据采集卡的输入要求。

3 系统LabVIEW软件设计
   基于LabVIEW开发工具的软件系统的前面板如图6所示，可以即时显示输入信号、SSB输出信号以及接收回来的信号，并保存数据供进一步信号处理，如频谱分析等。



   程序设计中需要注意的是：
   由于信号发射后，碰到障碍物将反射回来，因此每次发射信号的持续时间不能太长，否则接收的信号与发射的信号会发生混叠，相互干扰，具体持续时间可根据换能器发射阵与障碍物之间的距离来确定；
   实验过程中，发射的超声的功率比较大，实验过程不能持续太长，否则对人身体产生影响，因此每次接收回来的数据最好以文件的形式保存下来，供后续处理，如频谱分析等。

4 结 语

   设计的系统以LabVIEW软件为平台，与传统系统相比，系统电路得到大大简化，而且输入及载波信号可调，提高了系统的使用效能，更能全面地对声学参量阵进行测试。实验过程中，当输入信号为5 kHz、载波频率为85 kHz时，在障碍物处能够听到声响，系统也接收到回波信号。也就是说，系统发射的载波调制信号能够在空气中自解调，形成差频信号，而且系统还能实现回波信号的接收，从而证明该系统设计是可行的。

   但是该系统还是存在参量换能器的转换效率低，系统作用距离不长等弊病。因此下一步将从参量阵基本理论下手，通过优化电路，改进换能器阵及信号失真预处理算法等手段，探索提高转换效率、增大系统的作用距离等的有效方法，使其能更好地应用于水声探测等领域。