LabVIEW下基于EPP模式的电磁声数据采集

刘 春

（江苏安全技术职业学院电气系，江苏徐州 221000）

0 引言

本文所设计系统是一个电磁声裂纹检测虚拟仪器系统，硬件部分主要由笔计本电脑、电磁声探头和电磁声PC卡（由发射电路、接收电路和数据采集电路构成的PCB板）集成在一起。如图1所示。对于仪器的电源使用，分为强电部分和弱电部分。采用+5 V直流电源为弱电控制部分的发射电路供电，采用+200 V直流电源为强电部分的VMOS管供电，而数据采集卡也采用+5 V直流电源供电，接收电路则采用±5 V电池供电。

本系统中，用于检测裂纹的电磁声探头需要发射电路激励，从而在工件表面产生表面波。发射电路所激发的表面波频率可调，大致在500 kHz～1 MHz之间，因此对数据采集的频率要求较高。而EPP的数据传输，是一种双向的非对称的双向传输模式，由主机驱动，传输率较高，最大可以达到2 MB/s。因此，软件系统决定通过LabVIEW程序，对EPP(Enhanced Parallel Port)端口进行读写操作，实现电磁声信号的采集、显示和存储。图2所示为数据采集原理。采集卡高速采集数据并将其存入FIFO，再利用FIFO低速取出数据，并通过EPP的接口电路将数据送入计算机。

图1 硬件系统Fig.1 Hardwaresystem

图2 数据采集原理Fig.2 Thefunctional block diagramof thedatacollection

1 增强并口模式（EPP）

并口在与控制对象或外部设备进行信息传送时，会采用多根数据线同时进行，即并行传输数据，其传输单位为字或字节[1]。相比于在一根数据线上传输信息的串口，速度更快，同时还具有可靠性高，对数据格式、传输速率及工作时序没有固定规定，使用自由广泛的优点，适用于近距离、高速度的场合[2]。本系统所采用的模式是并口的EPP模式，采用双向半双工数据传输方式。

计算机通常情况下定义的并行端口基地址为LPT1：0X378H；LPT2：0X278H[3]。本系统采用的并行端口基地址为LPT1，其相应的寄存器地址如表1所示。

表1 寄存器地址

EPP协议的目的是寻求一种高性能的并行端口连接方式，其定义了数据周期和地址周期[4]。数据周期用来向外设传输数据或从外设接收数据，地址周期用来交换设备地址、控制信息等[5]。其中，数据周期又有数据写和数据读，地址周期有地址写和地址读[6]。

图3所示为数据的写周期，分为以下几个步骤：DATA端口接收到一个程序向EPP发送的I/O写周期命令；数据在插入nWRITW信号的同时会出现在并行端口数据线上；当nWAIT信号变成低电平之后，插入数据选通信号；端口等待来自外设的应答信号（取消nWAIT信号）；取消数据选通信号，EPP周期结束；ISA I/O周期结束；插入nWAIT低电平信号表明可以开始下一个周期[7]。

图4所示为数据读周期，分为以下几个步骤：程序向EPP的DATA端口发送一个I/O数据读周期命令；当nWAIT信号变成低电平之后，插入数据选通信号；端口读取数据位，取消数据选通信号；端口等待来自外设的应答信号（取消nWAIT信号）；EPP周期结束；ISA周期结束[8]。地址写和地址读周期除了把nDATASTB信号替换成nADDRSTB之外，几乎完全一样。

图4 数据读周期Fig.4 datareadingcycle

2 LabVIEW实现EPP端口数据的读写

对EPP模式进行设置后，就要考虑如何驱动EPP接口进行电磁声数据的采集。可用编程方法很多。在Windows或DOS下，可用C语言指令直接对端口读写；在Windows或XP下，通过设置服务程序或使用DirectIO、WinIO等工具也可以实现对端口的读写。本系统使用的是LabVIEW软件实现端口的访问。其优点是不用考虑操作系统，并且可以利用软件的实时控件去保证采集的实时性，编写显示操作界面简单，免去了买采集卡的昂贵费用和复杂的图形界面程序的编写，具有经济上和实现上的双重优势[9]。

基于以上考虑，本课题采用LabVIEW编写EPP采集卡的软件。采用的主要方法就是通过调用节点“In Port”，操作“378H+4”或“378H+3”地址，实现数据或地址的读入，通过调用节点“Out Port”操作“378H+4”或“378H+3”地址，实现数据或地址的写出。图5所示为LabVIEW下连续采集EPP端口数据的程序框图。

主程序采用了Loop循环结构连续采集数据。循环内，前一部分为等待中断部分，后一部分为采样和存储部分。下方的stop控件用于控制采集程序的中断，wait延时按钮用于将采集到的数据延时50 ms～1 s再显示到计算机屏幕，从而控制屏幕的显示速度，以适应人眼的分辨速度。

等待中断部分，FIFO只要受到外部的延时触发复位，采样到的数据会立刻填满FIFO。而EPP端口的中断针一直处于被主机循环检测的状态，若EPP端口中断针为低电平，2 048个数据即被采满，FIFO中的2 048个数据就处于可被PC机读取的状态，循环体内的延时控件可以控制从PC读取数据到屏幕显示的时间。

采样和存储部分采用的是For循环结构，以连续循环读取0x37C端口的数据，并在数据调整到零点后，送入LabVIEW的Waveform Graph控件，将数据以波形显示在可视化前面板。数据可以只显示不存储，也可以既显示又存储，功能的切换主要依靠存盘控制按钮的Ture和False来控制。如果选择了Ture，数据会以二进制形式存入所选择的路径中。

图5 LabVIEW下采集EPP端口数据Fig.5 Collecting EPPport datawith LabVIEW

3 EPP采集卡与LabVIEW配合工作原理

EPP模式实现了主机驱动的非对称双向数据传输，系统可能获得500 kB/s～2 MB/s的传输率。其是面向主机总线的，其所有的时序都由主机发出[10]。

采样保持器和先入先出寄存器（FIFO）配合，先将高速采集到的数据存入FIFO，再利用FIFO可以低速取出数据的特点，以较低的速度通过EPP端口等待来自外设的应答信号（取消nWAIT信号）；EPP周期结束；ISA周期结束。接口电路传入计算机内[11]。

采样保持器在一个编码周期内延时3个周期的上升沿，芯片将Ain脚接入的模拟量转换为数字量。FIFO在同一个周期的下降沿将信号锁存，因此采样保持器可以与FIFO共用一个时钟信号。这样，在一个时钟周期内就可以完成一次采样工作。采样时序如图6所示。

4 实验验证

本系统中，用于检测裂纹的电磁声探头需要发射电路激励从而在工件表面产生表面波，将所采集的对象即用于激励电磁声传感器的脉冲串，采集到的数据在LabVIEW内以一维数组（2 048个点）的形式，通过Waveform graph节点显示波形。通过Waveform Graph左下脚的图形控制图标，可以实现对波形部分的放大、寻峰、展宽等操作，便于观察和分析。图7所示为用5 MHz的采样频率采到的1 MHz的发射电路的激励脉冲串波形图。

图6 采样时序Fig.6 Samplingtiming

图7 采集到的EMAT触发信号Fig.7 EMATtrigger signal collected

5 结束语

本文所介绍系统根据EPP并口模式下的数据读写协议，在LabVIEW开发环境下，通过编写图形化程序框图，调用相应的节点，实现了LabVIEW与数据采集卡的接口，完成了虚拟仪器的软件开发。该仪器软件能够对电磁声信号进行实时的波形显示和数据存储。