作者：李鬆林 李福平 （北京中科泛華測控技術有限公司 北京 100083）
摘要：本(ben)文(wen)介(jie)紹(shao)了(le)一(yi)種(zhong)基(ji)於(yu)虛(xu)擬(ni)儀(yi)器(qi)技(ji)術(shu)的(de)四(si)路(lu)圖(tu)像(xiang)發(fa)生(sheng)器(qi)的(de)設(she)計(ji)與(yu)實(shi)現(xian)過(guo)程(cheng)，體(ti)現(xian)了(le)虛(xu)擬(ni)儀(yi)器(qi)技(ji)術(shu)在(zai)硬(ying)件(jian)在(zai)環(huan)仿(fang)真(zhen)方(fang)麵(mian)的(de)應(ying)用(yong)。本(ben)係(xi)統(tong)已(yi)經(jing)投(tou)入(ru)使(shi)用(yong)，並(bing)取(qu)得(de)令(ling)人(ren)滿(man)意(yi)的(de)效(xiao)果(guo)。
關鍵詞：圖像信號輸出 虛擬儀器 硬件在環仿真
Design and Implementation of Image Signal Generator Based on Virtual Instruments
Li Songlin Li Fuping
（Beijing Zhong Ke Fan Hua Measurement & Control Technology Co., Ltd Beijing 100083）
Abstract: The Design and implementation of an image signal Generator base on virtual instrument is introduced in this paper, which represents the application of hardware in loop simulation with virtual instruments. The image generator has been put into use, and the satisfied results have been achieved.
Keywords: Image Signal Output, Virtual Instrument, Hardware in Loop Simulation
硬件在環仿真作為設計流程中重要組成部分，是對運行環境中的某些設備進行逼真的實際I/O信xin號hao的de模mo擬ni。通tong過guo這zhe種zhong方fang式shi，不bu僅jin可ke以yi降jiang低di實shi際ji係xi統tong運yun行xing的de風feng險xian，模mo擬ni現xian實shi世shi界jie中zhong不bu易yi實shi現xian的de極ji端duan實shi驗yan環huan境jing，還hai可ke以yi在zai設she計ji階jie段duan對dui係xi統tong設she計ji方fang案an進jin行xing驗yan證zheng。模mo塊kuai化hua硬ying件jian結jie合he高gao效xiao靈ling活huo的de軟ruan件jian為wei我wo們men搭da建jian了le一yi個ge可ke以yi進jin行xing硬ying件jian在zai環huan仿fang真zhen的de平ping台tai，這zhe也ye正zheng是shi虛xu擬ni儀yi器qi技ji術shu的de體ti現xian。
圖1實線部分為圖像采集與處理係統的基本組
圖1 係統結構圖
成。主要包括：時鍾源、圖像采集器和圖像接收器。時鍾源主要為圖像采集器和圖像接收器提供采樣時鍾和同步時鍾；圖像采集器由CCD攝像頭和相應的轉換電路組成，用於實時采集周圍的圖像信息，圖像接收器用於接收來自圖像采集器的信號並進行實時顯示。
目mu前qian，圖tu像xiang接jie收shou器qi已yi完wan成cheng初chu步bu設she計ji，為wei降jiang低di係xi統tong設she計ji的de風feng險xian和he成cheng本ben，采cai用yong硬ying件jian在zai環huan仿fang真zhen技ji術shu對dui圖tu像xiang接jie收shou器qi進jin行xing測ce試shi，並bing在zai測ce試shi成cheng功gong後hou繼ji續xu仿fang真zhen圖tu像xiang采cai集ji器qi的de輸shu出chu數shu據ju，以yi模mo擬ni產chan生sheng某mou些xie實shi驗yan條tiao件jian。其qi原yuan理li如ru圖tu1虛線部分所示。模塊化硬件結合測試仿真軟件組成圖像發生器，用於仿真時鍾源和圖像采集器的實際功能，產生各種時鍾和圖像信號。
圖像發生器要實現的功能主要包括：
1）產生可配置的采樣時鍾和同步時鍾。采樣時鍾提供了圖像發生器和圖像接收器進行圖像輸出和圖像接收的時鍾信號；同步時鍾提供了圖像發生器和圖像接收器的幀同步信號。
2）分fen析xi計ji算suan機ji中zhong的de圖tu片pian文wen件jian，提ti取qu其qi中zhong各ge個ge像xiang素su點dian的de灰hui度du值zhi並bing按an照zhao一yi定ding的de規gui律lv轉zhuan換huan為wei所suo需xu的de輸shu出chu電dian壓ya的de幅fu值zhi。圖tu片pian文wen件jian的de格ge式shi可ke以yi為wei位wei圖tu文wen件jian（.bmp）或者標簽圖像文件（.tif），大小為320*256像素。每個像素的灰度值在0-255之間，將這個值線形轉換成1.6-4.4V之間的電壓值。
3）輸出連續圖像信號，時間至少為1分鍾；同時，還要為圖像接收器提供圖像有效信號以確保其正確接收圖像。
圖像發生器采用PXI平台，主要由PXI機箱、控製器、外設模塊、顯示器和電源等組成。其中機箱選用的NI公司的PXI-1042，控製器是PXI-8196，外設模塊包括四塊PXI-5421和一塊PXI-6608。
硬件信號連接如圖2所示。PXI-6608是一款8通道的計數器/定時器模塊，其內部時鍾精度可達75ppb，在本係統中主要用於產生時鍾信號、圖像有效信號及係統內部用於同步和觸發的輔助信號。
PXI-5421是一款具有100M刷新速度、16位分辨率的任意波形發生器，在本係統中主要用於輸出圖像信號。 其輸出的波形數據產生於計算機內部，通過軟件編程將數據下載到內部的RAM中，最後根據軟件配置的時鍾、觸發和輸出方式等內容進行波形輸出。
圖2 硬件信號連接
所有外設模塊最終實現的功能都必須在軟件中進行配置。
PXI-5421輸出方式采用Waveform Sequence，觸發方式采用Stepped Trigger。每幅圖片信息作為一個Waveform，不同圖片信息形成不同的Waveform，所有Waveform連接起來就是Waveform Sequence； PXI-5421的Stepped Trigger觸發方式類似於重觸發，即每接收到一個Stepped Trigger信號將觸發5421輸出一段Waveform即一幅圖片信息。
PXI-6608輸出四路信號，分別是采樣時鍾、同步時鍾，圖像有效信號和用於觸發PXI-5421產生輸出的信號（Stepped Trigger信號）。其中采樣時鍾和同步時鍾采用連續脈衝輸出方式，圖像有效信號和Stepped Trigger信號采用重觸發的脈衝輸出方式，這種輸出方式可以與給定的觸發信號進行精確的同步。
圖像發生器的仿真軟件基於圖形化編程平台LabVIEW，本著模塊化設計的思想進行開發。根據圖像發生器要實現的功能，我們將軟件分為係統自檢與初始化、圖片信息分析、數據下載、信號輸出等功能模塊。
- 狀態遷移圖是一種特殊類型的程序流程圖，在使用LabVIEW編程時，它是設計狀態機（State Machine）結jie構gou的de有you效xiao工gong具ju。在zai實shi現xian一yi個ge比bi較jiao複fu雜za的de任ren務wu時shi，如ru果guo可ke以yi將jiang該gai任ren務wu劃hua分fen為wei幾ji個ge簡jian單dan的de任ren務wu，並bing且qie這zhe些xie任ren務wu之zhi間jian可ke以yi根gen據ju一yi定ding的de條tiao件jian相xiang互hu跳tiao轉zhuan，在zaiLabVIEW中我們通常會使用狀態機結構。在LabVIEW中，一個基本的狀態機結構包括了While循環，Case結構和移位寄存器，如圖3所示。
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圖3 狀態機示例
- 狀態是程序中要實
- 現的子功能，在狀態遷移圖中用帶有文字描述的圓圈表示，在LabVIEW程序中對應的是Case結構的一個分支；遷移是狀態之間發生跳轉的條件或動作，在狀態遷移圖中用帶有方向箭頭以及表示條件或動作的文字表示，在LabVIEW 程序中需要在Case結構的每個分支中對條件或動作進行一次判斷，從而得出下一個狀態是什麼。
係統軟件狀態遷移圖如圖4所示，它描述了軟件在啟動後的工作流程：若係統沒有通過自檢則直接退出，否則進入用戶操作狀態中，等待用戶命令。用戶命令可以是下載數據、輸出數據和退出係統。在用戶命令為下載數據時，首先對圖片信息進行分析，然後將數據下載到相應PXI-5421的RAM中，之後判斷是否所有圖片數據都下載完畢。若沒有完成，則繼續分析圖片、下載，否則回到用戶操作界麵這個狀態，等待用戶命令。
圖4 係統軟件狀態遷移圖
chengxuqidonghou，shouxianduishiyongdeyingjianmokuaijinxingjiance，yiquebaogeyingjianmokuaijunweizhidingmokuaibingqiekeyizhengchanggongzuo，bingqieduiyingjianmokuaijinxingchushihuapeizhi，rushizhong、觸發、工作方式等。
首(shou)先(xian)對(dui)圖(tu)片(pian)文(wen)件(jian)名(ming)稱(cheng)進(jin)行(xing)解(jie)析(xi)，根(gen)據(ju)圖(tu)片(pian)的(de)名(ming)稱(cheng)和(he)類(lei)型(xing)，將(jiang)像(xiang)元(yuan)的(de)灰(hui)度(du)信(xin)息(xi)轉(zhuan)換(huan)為(wei)電(dian)壓(ya)信(xin)息(xi)，並(bing)按(an)照(zhao)四(si)路(lu)輸(shu)出(chu)的(de)時(shi)序(xu)要(yao)求(qiu)將(jiang)圖(tu)片(pian)信(xin)息(xi)分(fen)組(zu)，每(mei)一(yi)組(zu)表(biao)示(shi)的(de)是(shi)一(yi)路(lu)圖(tu)像(xiang)輸(shu)出(chu)。
- 將分組的圖像數據分別下載到相應PXI-5421的RAM中。從圖4可以看出，我們采用了分組分析和下載的方式，這樣可以避免過多占用計算機內存資源，從而改善程序性能。
- 按照設計要求輸出圖像采樣時鍾信號、同步時鍾、silutuxiangxinhaoheyilutuxiangyouxiaoxinhao。yinweitupianfenxiheshujuxiazaiguochengdeshijianbijiaochang，erqiekenengcunzaixiazaiyizushujuhouxuyaofanfushuchuxinhao，suoyijiangxinhaoshuchuheshujuxiazaifenweilianggeguochengjinxing。
如圖5所示，按照圖像采集器的測試要求設計時序圖。CLK為4MHz采樣時鍾信號，INT為50Hz的同步時鍾信號，要求INT的下降沿對應CLK的上升沿。每接收到一個INT的下降沿，在延遲18.5個CLK周期後，在每個CLK的下降沿到來時，PXI-5421將輸出一個像元信號，直到代表一幅圖片的像元都輸出完畢。圖像的分割規律如下：第一路圖像發生器輸出每幅圖片每行的第1，5，9，13……，317個像元，第二路圖像發生器輸出每行的第2，6，10，14……，318個像元，第三路圖像發生器輸出每行的第3，7，11，15……，319個像元，第四路圖像發生器輸出每行的第4，8，12，16……，320個像元；同時在有圖像信號輸出時，DATAVALID信號保持高電平，其餘時間保持低電平。
圖5 像接收器設計時序圖
按照以上設計思路采用圖像發生器產生仿真信號並連接到圖像接收器。我們從計算機中總共讀取了3000幅圖片，每次讀取200幅分15次進行分析和下載。3000幅圖片分析和下載的過程持續時間為20秒左右，連續圖像輸出的時間為1分鍾。最終，在圖像接收器上看到了由3000幅圖片組成的視頻。
運(yun)用(yong)虛(xu)擬(ni)儀(yi)器(qi)技(ji)術(shu)進(jin)行(xing)硬(ying)件(jian)在(zai)環(huan)仿(fang)真(zhen)，提(ti)供(gong)了(le)更(geng)為(wei)靈(ling)活(huo)和(he)方(fang)便(bian)的(de)方(fang)案(an)設(she)計(ji)和(he)驗(yan)證(zheng)方(fang)法(fa)。本(ben)係(xi)統(tong)不(bu)僅(jin)滿(man)足(zu)了(le)用(yong)戶(hu)的(de)當(dang)前(qian)要(yao)求(qiu)，而(er)且(qie)有(you)著(zhe)很(hen)強(qiang)的(de)擴(kuo)展(zhan)空(kong)間(jian)。模(mo)塊(kuai)化(hua)的(de)硬(ying)件(jian)配(pei)以(yi)高(gao)效(xiao)靈(ling)活(huo)的(de)軟(ruan)件(jian)，擺(bai)脫(tuo)了(le)傳(chuan)統(tong)電(dian)路(lu)設(she)計(ji)的(de)束(shu)縛(fu)，可(ke)以(yi)在(zai)不(bu)增(zeng)加(jia)硬(ying)件(jian)投(tou)資(zi)的(de)前(qian)提(ti)下(xia)重(zhong)複(fu)搭(da)建(jian)出(chu)很(hen)多(duo)類(lei)似(si)的(de)硬(ying)件(jian)信(xin)號(hao)仿(fang)真(zhen)係(xi)統(tong)，以(yi)滿(man)足(zu)不(bu)同(tong)場(chang)合(he)下(xia)對(dui)信(xin)號(hao)的(de)要(yao)求(qiu)。另(ling)外(wai)，本(ben)係(xi)統(tong)軟(ruan)件(jian)的(de)模(mo)塊(kuai)化(hua)設(she)計(ji)使(shi)得(de)應(ying)用(yong)擴(kuo)展(zhan)變(bian)得(de)更(geng)為(wei)方(fang)便(bian)。
參考文獻
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