基于虚拟仪器技术的图像发生器的设计与实现

• 引言

硬件在环仿真作为设计流程中重要组成部分，是对运行环境中的某些设备进行逼真的实际I/O信号的模拟。通过这种方式，不仅可以降低实际系统运行的风险，模拟现实世界中不易实现的极端实验环境，还可以在设计阶段对系统设计方案进行验证。模块化硬件结合高效灵活的软件为我们搭建了一个可以进行硬件在环仿真的平台，这也正是虚拟仪器技术的体现。

• 系统简介

图1实线部分为图像采集与处理系统的基本组

图1 系统结构图

成。主要包括：时钟源、图像采集器和图像接收器。时钟源主要为图像采集器和图像接收器提供采样时钟和同步时钟；图像采集器由CCD摄像头和相应的转换电路组成，用于实时采集周围的图像信息，图像接收器用于接收来自图像采集器的信号并进行实时显示。
目前，图像接收器已完成初步设计，为降低系统设计的风险和成本，采用硬件在环仿真技术对图像接收器进行测试，并在测试成功后继续仿真图像采集器的输出数据，以模拟产生某些实验条件。其原理如图1虚线部分所示。模块化硬件结合测试仿真软件组成图像发生器，用于仿真时钟源和图像采集器的实际功能，产生各种时钟和图像信号。
图像发生器要实现的功能主要包括：
1）产生可配置的采样时钟和同步时钟。采样时钟提供了图像发生器和图像接收器进行图像输出和图像接收的时钟信号；同步时钟提供了图像发生器和图像接收器的帧同步信号。
2）分析计算机中的图片文件，提取其中各个像素点的灰度值并按照一定的规律转换为所需的输出电压的幅值。图片文件的格式可以为位图文件（.bmp）或者标签图像文件（.tif），大小为320*256像素。每个像素的灰度值在0-255之间，将这个值线形转换成1.6-4.4V之间的电压值。
3）输出连续图像信号，时间至少为1分钟；同时，还要为图像接收器提供图像有效信号以确保其正确接收图像。

• 硬件组成与设置
  • 硬件组成

图像发生器采用PXI平台，主要由PXI机箱、控制器、外设模块、显示器和电源等组成。其中机箱选用的NI公司的PXI-1042，控制器是PXI-8196，外设模块包括四块PXI-5421和一块PXI-6608。
硬件信号连接如图2所示。PXI-6608是一款8通道的计数器/定时器模块，其内部时钟精度可达75ppb，在本系统中主要用于产生时钟信号、图像有效信号及系统内部用于同步和触发的辅助信号。
PXI-5421是一款具有100M刷新速度、16位分辨率的任意波形发生器，在本系统中主要用于输出图像信号。 其输出的波形数据产生于计算机内部，通过软件编程将数据下载到内部的RAM中，最后根据软件配置的时钟、触发和输出方式等内容进行波形输出。

图2 硬件信号连接

所有外设模块最终实现的功能都必须在软件中进行配置。

• 工作方式设置
  • PXI-5421

PXI-5421输出方式采用Waveform Sequence，触发方式采用Stepped Trigger。每幅图片信息作为一个Waveform，不同图片信息形成不同的Waveform，所有Waveform连接起来就是Waveform Sequence； PXI-5421的Stepped Trigger触发方式类似于重触发，即每接收到一个Stepped Trigger信号将触发5421输出一段Waveform即一幅图片信息。

• PXI-6608

PXI-6608输出四路信号，分别是采样时钟、同步时钟，图像有效信号和用于触发PXI-5421产生输出的信号（Stepped Trigger信号）。其中采样时钟和同步时钟采用连续脉冲输出方式，图像有效信号和Stepped Trigger信号采用重触发的脉冲输出方式，这种输出方式可以与给定的触发信号进行精确的同步。

• 软件设计

图像发生器的仿真软件基于图形化编程平台LabVIEW，本着模块化设计的思想进行开发。根据图像发生器要实现的功能，我们将软件分为系统自检与初始化、图片信息分析、数据下载、信号输出等功能模块。

• 状态迁移图与状态机编程
• 状态迁移图是一种特殊类型的程序流程图，在使用LabVIEW编程时，它是设计状态机（State Machine）结构的有效工具。在实现一个比较复杂的任务时，如果可以将该任务划分为几个简单的任务，并且这些任务之间可以根据一定的条件相互跳转，在LabVIEW中我们通常会使用状态机结构。在LabVIEW中，一个基本的状态机结构包括了While循环，Case结构和移位寄存器，如图3所示。
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• 图3 状态机示例
• 状态是程序中要实
• 现的子功能，在状态迁移图中用带有文字描述的圆圈表示，在LabVIEW程序中对应的是Case结构的一个分支；迁移是状态之间发生跳转的条件或动作，在状态迁移图中用带有方向箭头以及表示条件或动作的文字表示，在LabVIEW 程序中需要在Case结构的每个分支中对条件或动作进行一次判断，从而得出下一个状态是什么。

系统软件状态迁移图如图4所示，它描述了软件在启动后的工作流程：若系统没有通过自检则直接退出，否则进入用户操作状态中，等待用户命令。用户命令可以是下载数据、输出数据和退出系统。在用户命令为下载数据时，首先对图片信息进行分析，然后将数据下载到相应PXI-5421的RAM中，之后判断是否所有图片数据都下载完毕。若没有完成，则继续分析图片、下载，否则回到用户操作界面这个状态，等待用户命令。

图4 系统软件状态迁移图

• 各模块功能
  • 系统自检与初始化

程序启动后，首先对使用的硬件模块进行检测，以确保各硬件模块均为指定模块并且可以正常工作，并且对硬件模块进行初始化配置，如时钟、触发、工作方式等。

• 图片信息分析

首先对图片文件名称进行解析，根据图片的名称和类型，将像元的灰度信息转换为电压信息，并按照四路输出的时序要求将图片信息分组，每一组表示的是一路图像输出。

• 数据下载
• 将分组的图像数据分别下载到相应PXI-5421的RAM中。从图4可以看出，我们采用了分组分析和下载的方式，这样可以避免过多占用计算机内存资源，从而改善程序性能。
  • 信号输出
• 按照设计要求输出图像采样时钟信号、同步时钟、四路图像信号和一路图像有效信号。因为图片分析和数据下载过程的时间比较长，而且可能存在下载一组数据后需要反复输出信号，所以将信号输出和数据下载分为两个过程进行。

• 仿真试验

如图5所示，按照图像采集器的测试要求设计时序图。CLK为4MHz采样时钟信号，INT为50Hz的同步时钟信号，要求INT的下降沿对应CLK的上升沿。每接收到一个INT的下降沿，在延迟18.5个CLK周期后，在每个CLK的下降沿到来时，PXI-5421将输出一个像元信号，直到代表一幅图片的像元都输出完毕。图像的分割规律如下：第一路图像发生器输出每幅图片每行的第1，5，9，13……，317个像元，第二路图像发生器输出每行的第2，6，10，14……，318个像元，第三路图像发生器输出每行的第3，7，11，15……，319个像元，第四路图像发生器输出每行的第4，8，12，16……，320个像元；同时在有图像信号输出时，DATAVALID信号保持高电平，其余时间保持低电平。

图5 像接收器设计时序图

按照以上设计思路采用图像发生器产生仿真信号并连接到图像接收器。我们从计算机中总共读取了3000幅图片，每次读取200幅分15次进行分析和下载。3000幅图片分析和下载的过程持续时间为20秒左右，连续图像输出的时间为1分钟。最终，在图像接收器上看到了由3000幅图片组成的视频。

• 结束语

运用虚拟仪器技术进行硬件在环仿真，提供了更为灵活和方便的方案设计和验证方法。本系统不仅满足了用户的当前要求，而且有着很强的扩展空间。模块化的硬件配以高效灵活的软件，摆脱了传统电路设计的束缚，可以在不增加硬件投资的前提下重复搭建出很多类似的硬件信号仿真系统，以满足不同场合下对信号的要求。另外，本系统软件的模块化设计使得应用扩展变得更为方便。

参考文献
[1] National Instruments, NI Signal Generators Help [Z].  March 2006, 370524G-01.
[2] National Instruments, NI 5421 Specification [Z]. December 2004, 371477D-01.
[3] National Instruments, NI TIO Series Help [Z]. February 2005 Edition, 370818C-01.