基于PCI總線的瞬態(tài)延遲脈沖發(fā)生器

申春龍,余 樂,張紅彬,朱成銀,李名加,郭 鋒,黎 恒

(1.西南科技大學信息工程學院,四川 綿陽 621010；2.中國工程物理研究院核物理與化學研究所,四川 綿陽 621900)

基于PCI總線的瞬態(tài)延遲脈沖發(fā)生器

申春龍1,余 樂1,張紅彬1,朱成銀2,李名加2,郭 鋒1,黎 恒1

(1.西南科技大學信息工程學院,四川 綿陽 621010；2.中國工程物理研究院核物理與化學研究所,四川 綿陽 621900)

針對高強度脈沖中子源控制系統(tǒng)的測試要求，需要產生相對于觸發(fā)信號具有納秒級延時、脈沖寬度為毫秒級的測試控制信號。由于傳統(tǒng)脈沖信號發(fā)生器價格昂貴，為了產生所需測試控制信號，同時提高設備利用率，采用具有可編程功能的PCI數據采集卡產生測試控制信號。在PCI6602數據采集卡的硬件平臺上，采用LabVIEW軟件中的DAQ數據采集系統(tǒng)對PCI6602進行控制，通過LabVIEW前面板對PCI6602數據采集卡寫入指定的延時時間和脈沖寬度，并允許數據采集卡開始計數。當門控位有一個上升沿時，數據采集卡的輸出會根據寫入初值輸出一個相應的可控脈沖信號，從而設計了可實現基于PCI總線接口控制的多路瞬態(tài)且可控的延遲脈沖信號發(fā)生器。試驗結果表明，該控制器能夠實現多路脈沖寬度和延遲時間的精密可調，具有精度高、穩(wěn)定性好、操作簡單的優(yōu)點，對工程和教學研究具有一定的實用價值。

工控機； 脈沖信號發(fā)生器； 多通道； 數據采集卡； LabVIEW； 人機交互界面

0 引言

在科學研究、電子、通信以及自動控制系統(tǒng)中，通常需要以精確定時的多路數字脈沖作為測試信號或時序控制信號[1-3]。外設部件互連標準(peripheral component interconnect,PCI)總線是一種高性能的局部總線，是為了滿足外設間以及外設與主機間高速數據傳輸而提出的。在數字圖形、圖像和語音處理，以及高速實時數據采集與處理等對數據傳輸率要求較高的應用中，采用PCI總線進行數據傳輸，可以解決原有標準總線數據傳輸率低帶來的瓶頸問題[4]。NI公司為PCI總線提供了多功能的數據采集設備[5]。這些設備可廣泛應用于測量、控制以及信號采集過程，包括自動化測試、過程控制、原型驗證以及傳感器測量等。本文設計了一種基于PCI總線的多通道瞬態(tài)延遲脈沖信號發(fā)生器，并介紹了硬件平臺和軟件系統(tǒng)的設計實現過程。

1 系統(tǒng)總體設計

多通道瞬態(tài)延遲脈沖信號發(fā)生器的系統(tǒng)結構如圖1所示。系統(tǒng)主要包括數據采集卡[6]、工控機、屏蔽接線盒、顯示器、輸入設備以及示波器等。

圖1 系統(tǒng)結構圖

首先，以能夠工作在特殊環(huán)境下、高性能的工業(yè)控制計算機為基礎，搭建具有良好人機交互界面的LabVIEW軟件平臺，并進行編程開發(fā)，聯合DAQmx驅動[7]程序對基于PCI總線的數據采集卡進行控制[8]，從而產生脈沖寬度及延遲時間精密可調的脈沖信號。其次，通過輸入設備、顯示設備對延遲時間、脈沖寬度進行設置，通過輸入設備的控制軟件產生觸發(fā)信號。最后，通過屏蔽接線盒將多路信號引出，將實際結果形象、直觀地顯示在示波器上。

2 系統(tǒng)硬件介紹

多通道瞬態(tài)延遲脈沖發(fā)生器要求能夠產生多路(例如：8路)延時、脈寬均可調的脈沖信號，其典型信號輸出模式如圖2所示。

圖2 典型信號輸出模式示意圖

CH-1是基準信號，其他通道CH-n(本設計n為2～9)是觸發(fā)后產生的延遲脈寬信號，CH-n的延遲是指該路信號上升沿相對于CH-1上升沿的時間。CH-n信號的延遲和脈沖寬度是可調的，本設計的延遲可以在幾十納秒至幾秒之間調節(jié)，延遲可以按照50 ns的步長進行調節(jié)；脈沖寬度設計為1～500 ms，延遲可以按照0.001 ms的步長調節(jié)到最大脈寬。

為產生納秒級延遲、毫秒級脈寬的脈沖可調信號，硬件連接如圖3所示。

圖3 硬件連接圖

針對高速率的信號傳輸，所選擇的數據采集卡是基于PCI總線、多功能，且可以直接通過插槽直接插入工控機任意PCI插槽內的數據采集卡[9]。選用的數據采集卡為NI公司著名的PCI6602數據采集卡。該數據采集卡的最大頻率為80 MHz晶振(脈沖精度可達12.5 ns),可提供4～8個32位計數器/定時器和32條數字I/O線(5 V TTL/COMS)，為所有輸出通道提供高壓保護。

工控機采用的是能在特殊環(huán)境下工作、高性能、大內存且擁有多個PCI插槽的研華工業(yè)控制計算機。屏蔽接線盒采用的是NI SCB-68A屏蔽式I/O接線盒，用于將I/O信號連接至配有68針連接端口的插入式數據采集(DAQ)設備，還可提供堅固、噪聲極低的信號終端，從而保證信號的穩(wěn)定性。

3 軟件設計

軟件是整個設計系統(tǒng)的核心、人機交互的紐帶。軟件設計采用基于圖像化設計的LabVIEW平臺。作為一種業(yè)界領先的工業(yè)化標準圖形化編程工具，LabVIEW主要用于開發(fā)測試、測量、信號采集以及系統(tǒng)控制[10-11]。LabVIEW設計采用模塊化的設計思路。系統(tǒng)需要安裝DQAmx驅動軟件，從而獲得NI公司提供的部分數據采集子VI，并在此基礎上進行拓展開發(fā)。根據系統(tǒng)需求，通過軟件產生以CH-1為基準的觸發(fā)信號。觸發(fā)信號以CH-1的上升沿或下降沿作為觸發(fā)條件，經過設定好的一段延時后產生CH-n的脈寬信號。

在不影響實現該設計功能的前提下，為了避免復雜的操作，通過程序面板將輸入/輸出端口、計數器、觸發(fā)端口設置為常量，從而將端口固定在相應接口位置上。前面板只保留了設置CH-n通道的延遲時間、脈寬時間、CH-1基準觸發(fā)信號的觸發(fā)按鈕以及CH-n通道延遲時間和脈寬時間參數改變后的確認按鈕。

軟件流程如圖4所示。

圖4 軟件流程圖

3.1 數字量開關設計

數字I/O功能具有廣泛的用途，可以按照TTL邏輯電平設計。其邏輯低電平為低于0.4 V的輸出電壓；邏輯高電平為大于2.4 V的輸出電壓。通過高低電平的翻轉來實現數據采集的觸發(fā)、控制以及計數等相關功能[12]。該設計中觸發(fā)功能就是運用數字I/O輸出高低電平的變化來實現的。對PCI6602的I/O口進行編程，為了增加輸出通道數，減少對專用輸出端口的占用，使用輸出高電平為+5 V的GATE端口作為基準觸發(fā)信號。

CH-1為產生脈沖信號提供一個基準觸發(fā)信號。首先，將其定義為“數字輸出”端口。其次，DAQmx開始任務(VI)使任務處于運行狀態(tài)，即表示“開始任務”從“已提交”狀態(tài)轉為“運行”狀態(tài)。最后，通過數組按鍵的互鎖產生脈沖；同時，根據互鎖按鍵的“數組元素與操作”，檢查是否有按鍵按下，從而判斷是否有觸發(fā)信號產生。通過DAQmx寫入(VI)選擇“數字1D布爾1通道1采樣”，對按鍵是否按下進行數據寫入。如果有按鍵按下就輸出高電平，沒有按鍵按下就輸出低電平。

3.2 脈寬信號設計

CH-n是本設計中產生的重要測試控制信號，通過CH-1的觸發(fā)產生。首先，需要設置的端口主要包括：觸發(fā)端口選擇、輸出端口選擇、計數器選擇以及響應延遲時間和脈寬時間的輸入。延遲時間和脈寬時間數據類型選擇為雙精度浮點型，最大范圍為0～1.79E+308。其值可認為趨于正無窮，即延遲時間和脈寬時間理論上最大可調范圍無限制。但是，由于采集卡的晶振頻率限制，最小時間和最大時間具有一定的范圍限制。當脈寬設置參數通過“創(chuàng)建數組”與0.001相乘，即可將脈寬單位設置為毫秒級；同理，當延遲時間參數通過“創(chuàng)建數組”與1E-9相乘，即可將延遲時間單位設置為納秒。

其次，通過For循環(huán)可以由自動索引隧道每次讀取數組的一個元素，從而接收通過“創(chuàng)建數組”生成數組元素，組合多通道數據。For循環(huán)內通過DAQmx 虛擬通道(VI)并選擇“CO脈沖時間”設置生成數字脈沖，對輸入的延遲時間和脈寬時間進行計時。與“CO脈沖時間”子VI連接的DAQmx開始觸發(fā)(VI)，通過選擇“開始-數字模式”即可選擇為邊沿觸發(fā)，可以選擇為“上升沿觸發(fā)”或者“下降沿觸發(fā)”的觸發(fā)方式。

最后，通過While循環(huán)等待觸發(fā)信號的到來。如果出現觸發(fā)信號，將觸發(fā)產生CH-n信號。控制While循環(huán)的條件有報錯時跳出循環(huán)、觸發(fā)時跳出循環(huán)以及參數改變后需要重新確認按鈕確認時跳出循環(huán)。而跳出循環(huán)主要作用是數據輸出。觸發(fā)條件的要求可以提供互鎖按鈕，即只能有一個輸出為高電平或低電平，同時可以利用互鎖的數組按鈕，創(chuàng)建“局部變量”而使觸發(fā)條件可以在不改變參數的條件下重復觸發(fā)。然而，在改變參數后，必須按下“確認按鈕”跳出循環(huán)后重新寫入數據，才能對相關參數進行有效的操作。為實現信號的多次連續(xù)觸發(fā)，在DAQmx任務完成后，通過DAQmx清除任務將原來數據清除，以便再次觸發(fā)數據的寫入。

4 結束語

本文研究的信號發(fā)生器，可根據用戶實際需求修改參數。試驗結果表明，該控制信號發(fā)生器具有精確性和有效性，且對信號進行觀測分析所得到的各項參數和指標均滿足設計要求。該控制信號發(fā)生器的設計與實現為今后工程應用和教學研究提供了新方法。

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Transient Delay Pulse Generator Based on PCI Bus

SHEN Chunlong1,YU Le1,ZHANG Hongbin1,ZHU Chengyin2,LI Mingjia2,GUO Feng1,LI Heng1

(1.School of Information Engineering,Southwest University of Science and Technology,Mianyang 621010,China;2.Institute of Nuclear Physics and Chemistry,China Academy of Engineering Physics,Mianyang 621900,China)

In accordance with the test requirements of the control system of high intensity pulse neutron source, it is necessary to generate the test control signal which is nanosecond delayed related to the trigger signal, and with millisecond pulse width. Due to the traditional pulse signal generator is so expensive, to meet the requirements of the test control signal and to enhance the utilization rate of equipment, the programmable PCI data acquisition card is used to generate the test control signal. Based on the hardware platform of PCI6602 data acquisition card from National Instruments (NI), by using the DAQ data acquisition system of the LabVIEW software, the control PCI6602 is conducted; through the front panel of LabVIEW, specific delay time and pulse width are written into PCI6602 data acquisition card, and the card is enable to start counting. When a rising edge appears at the gate control bit, the data acquisition card may output a corresponding controllable pulse signal in accordance with the initial values written, thus the multi-channel transient and controllable delay pulse signal generator based on PCI bus interface control is implemented. The test result shows that the controller is able to precisely adjust the width and delay time for multi-channel pulses with high accuracy, stability and ease operation, it has certain practical applicable value to engineering and teaching research.

Industridal personal computer(IPC); Particle swarm optimization algorithm; Multi-channel; Data acquisition card; LabVIEW; Human machine interaction

國家自然科學基金資助項目(51475453)

申春龍(1990—)，男，在讀碩士研究生,主要從事信號檢測與信號處理方向的研究。E-mail:1415725868@qq.com。 郭鋒(通信作者)，男，博士，教授,主要從事智能儀器等方向的研究。E-mail:guofen9932@163.com。

TH86;TP274

A

10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201703015

修改稿收到日期：2016-07-13