【正文】 .............................................. 38 總結(jié) .................................................................................................................. 38 展望 .................................................................................................................. 39 參考文獻 ........................................................................................................................ 41 致 謝 ............................................................................................... 錯誤 !未定義書簽。 1 1 緒論 前言 虛擬儀器 是 計算機 技術(shù)與儀器技術(shù)完美結(jié)合的產(chǎn)物，代表著儀器的發(fā)展方向，它實際上是一個按照 儀器需求組織的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)； 目前這一領(lǐng)域，使用較為廣泛的計算 機語言和開發(fā)環(huán)境是美國 NI 公司的 LabVIEW， LabVIEW 與虛擬儀器成為測控領(lǐng)域關(guān)注的熱點技術(shù)； 它在數(shù)據(jù)采集 (DAQ)、虛擬儀器軟件框圖 (VISA)、通用接口總線 (GPIB)及串口儀器控制、圖像處理、運動控制、數(shù)據(jù)分析和圖標顯示等方面具有強大優(yōu)勢 [1]。 設(shè)計背景與意義 示波器是工程測量中重要測量工具之一， 由于大型數(shù)字示波器加工工藝復(fù)雜、制造水平要求高 ，目前我國大部分數(shù)字示波器主要依賴進口。若 用戶能夠?qū)⒁恍?shù)字信號處理的先進 算法應(yīng)用于虛擬儀器中，通過軟件配置實現(xiàn)多功能集成的儀器設(shè)計， 提供傳統(tǒng)臺式儀 器所不具備的功能 ， 能夠滿足測試的速度、精度、實時性、數(shù)據(jù)可信度、完整性以及測試系統(tǒng)的可靠性、智能化、開放性等要求， 就能 完善傳統(tǒng)儀器不具備的功能 ， 給用戶帶來巨大的經(jīng)濟效益 。因此，研制一種結(jié)構(gòu)簡單、操作方便、費用低的虛擬示波器是非常必要的。 2 國內(nèi)外現(xiàn)狀 隨著計算機技術(shù)、信息處理技術(shù)和電子技術(shù)的發(fā)展，近年來，出現(xiàn)了基于計算機和軟件的新型儀器 虛擬儀器。虛擬儀器是以計算機為核心，功能由用戶定義和設(shè)計，具有虛擬面板，測試功能由測試軟件實現(xiàn)。其中以美國 NI 公司開發(fā)的 LabVIEW 的軟件平臺上設(shè)計的虛擬示波器較 為先進，例如該公司利用 LabVIEW 的軟件設(shè)計的多功能虛擬示波器主要由參數(shù)測量、頻譜分析、加窗和波形 顯示等模塊組成，具有實時采集、波形顯示、測量參數(shù)、存儲、打印的功能。 我國在虛擬儀器方面，起步較為緩慢，只是部分院校實驗室引進虛擬儀器系統(tǒng)。微型計算機的發(fā)展 日新月異 ， 不久將來將有大批 企業(yè)使用虛擬儀器系統(tǒng)對生產(chǎn)設(shè)備的運行狀況進行實時監(jiān)測。因此，從引進國外先進的儀器技術(shù)和產(chǎn)品入手，大力 發(fā)展 虛擬儀器技術(shù) ， 設(shè)計具有 我國 自主知識產(chǎn)權(quán)的產(chǎn)品，無論對加 快 發(fā)展電子儀器工業(yè)，還是提高 工業(yè) 測試水平都是 大有裨益的 。 設(shè)計研究方 案 (1)開發(fā)工具選型 LabVIEW(Laboratory VirtualInstrument Engineering Work Bench)是美國國家儀器公司 (National Instruments， NI)開發(fā)的 應(yīng)用于工業(yè)測試測量的集成開發(fā)環(huán)境，也是工業(yè)上廣泛使用的一種功能強大的 圖形化系統(tǒng)設(shè)計編程軟件 [2]。它的功能包括函數(shù)數(shù)值運算、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析、信號生成、信號處理、輸入和 輸出控制，以及圖像 3 獲取、處理和傳輸?shù)鹊取? (2)系統(tǒng)設(shè)計的基本方案 掌握虛擬儀器的軟件開發(fā)環(huán)境 LabVIEW，了解虛擬示波器 系統(tǒng)的組成及工作原理，利用虛擬儀器 LabVIEW 軟件技術(shù)中提供的布爾邏輯量及運算符 搭 建虛擬示波器系統(tǒng)的各個模塊； 如：數(shù)據(jù)采集模塊、 濾波處理模塊、 時域分析與 測量模塊、頻譜分析模塊、 波形存儲與 顯示模塊等。各模塊之間通過高層功能 VI 調(diào)用一個或多個底層的特殊功能的 VI，完成虛擬示波器系統(tǒng)的仿真。 本系統(tǒng)可以從虛擬硬件和軟件兩方面考慮： (1)虛擬硬件設(shè)計：主要利用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（ DAQ）， 它包括：傳感器和變換器、信號調(diào)理設(shè) 備、 數(shù)據(jù)采集卡、驅(qū)動程序、硬件配置管理軟件 。 (2)軟件設(shè)計 ： 主要采用 LabVIEW 設(shè)計 ，虛擬儀器的界面開發(fā)主要由 LabVIEW 軟件完成，其實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集、處理、分析等人機交互的界面設(shè)計。 虛擬儀器（ VI， Virtual Instrumentation）就是通過應(yīng)用軟件將通用計算機與各種功能的硬件設(shè)備（例如數(shù)據(jù)采集卡、運動控制卡，GPIB 控制線纜等）結(jié)合起來，用戶可通過豐富和易操作的圖形界面來操作計算機，對被測試設(shè)備進行各種物理量的采集、分析、判斷、顯示和數(shù)據(jù)存儲等 [3]。 4 虛擬儀器 系統(tǒng)的組成 虛擬儀器系統(tǒng)一般分為數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析處理、數(shù)據(jù)結(jié)果顯示三大功能，如圖 21 所示。 圖 21 虛擬儀器的內(nèi)部功能 (1)數(shù)據(jù)采集： 虛擬儀器是由計算機和儀器硬件組成硬件平臺，實現(xiàn)對信號的采集、測量、轉(zhuǎn)換與控制。 (2)數(shù)據(jù)分析與處理 ： 虛擬儀器充分利用計算機的存儲、運算功能，并通過軟件實現(xiàn)對輸入數(shù)據(jù)信號的分析與處理。處理內(nèi)容包括數(shù)字濾波、數(shù)據(jù)統(tǒng)計、數(shù)值分析等。從數(shù)據(jù)分析上看，虛擬儀器比傳統(tǒng)儀器具有更強大的數(shù)據(jù)分析能力。 (3)數(shù)據(jù)結(jié)果 顯示 ： 虛擬儀器充分利用計算機的資源，如顯示器、存儲器等 ，把測量結(jié)果進行多種方式的表達與輸出，其輸出形式包括通過總線網(wǎng)絡(luò)的遠距離數(shù)據(jù)傳輸，通過光盤、磁盤的拷貝輸出，在硬盤上存儲數(shù)據(jù)以及通過計算機屏幕等圖形接口的輸出方式。 插入式 DAQ GPIB 儀器 VIX 儀器 RS232 信號處理 數(shù)字濾波 統(tǒng) 計 分 析 網(wǎng)絡(luò)傳輸 硬復(fù)制 文件 I/O 圖形用戶接口 數(shù)據(jù)采集 數(shù)據(jù)處理與分析 數(shù)據(jù)結(jié)果顯示 5 虛擬儀器的構(gòu)成 虛擬儀器通常由硬件和軟件兩部分組成，包括計算機、應(yīng)用軟件和儀器硬件，計算機及其測量儀器硬件模塊組成了虛擬儀器硬件平臺的基礎(chǔ)。 虛擬儀器的硬件系 虛擬儀器的硬件系統(tǒng)通常包括通用計算機和 外圍硬件設(shè)備。 硬件結(jié)構(gòu)的基本框圖如圖 22 所示。 ▲ 圖 22硬件結(jié)構(gòu)的基本 框圖 虛擬儀器的軟件系統(tǒng) 虛擬儀器的軟件系統(tǒng)從底層到頂層共包括三部分，即 VISA(I/O)庫、儀器驅(qū)動程序與應(yīng)用軟件。 (1)VISA 庫 VISA 實質(zhì)是標準的 I/O 函數(shù)庫及其相關(guān)規(guī)范的總稱， 它駐留 在計算機系統(tǒng)之中， 起著連接計算機與儀器的作用 ，來實現(xiàn)對儀器的控制； 測控對象 信號調(diào)理 數(shù)據(jù)采集卡 GPIB 接口儀器 GPIB接口卡 VXI 總線儀器 串行接口儀器 /PLC 現(xiàn)場總線設(shè)備 其他計算機硬件 計算機 6 (2)儀器驅(qū)動程序 儀器驅(qū)動程序是指實現(xiàn) 儀器 系統(tǒng)控制與通信的軟件程序集， 是應(yīng)用程序?qū)崿F(xiàn)儀器控制的橋梁， 應(yīng)用程序?qū)x器的操作是通過儀器驅(qū)動程序來實現(xiàn)的，而儀器驅(qū)動程序?qū)τ趦x器的操作與管理是通過調(diào)用VISA 庫函數(shù)來實現(xiàn)的 ； (3)應(yīng)用軟件 應(yīng) 用軟件建立在儀器驅(qū)動程序之上，直接面對操作用戶， 該軟件建立在儀器驅(qū)動程序之上，通過應(yīng)用程序提供的操作界面及其后臺 的數(shù)據(jù)分析與處理功能完成測試任務(wù)； 虛擬儀器應(yīng)用軟件的編寫大致有兩類 ： 一類是文本式編程語言，如 Visual、 Basic、 Visual C++、 Delphi等， 另一類是 圖形化編程 語言，具有代表性的有 LabVIEW、 HP VEE 等[4]。 虛擬儀器與傳統(tǒng)儀器優(yōu)缺點對比 虛擬儀器 與傳統(tǒng)儀器相比 ， 具有高效、開放、易用靈活、功能強大、性價比高、可操作性好等明顯優(yōu)點 ，具體差異表格 1 所示： 虛擬儀器 傳統(tǒng) 儀器 開發(fā)與維護費用低 開發(fā)與維護開銷高 技術(shù)更新周期短 技術(shù)更新周期長 軟件是關(guān)鍵 硬件是關(guān)鍵 價格低，可重配置性強 價格昂貴 儀器功能 由 用戶定義 儀器功能 由 廠商定義 7 開放靈活、 同 計算機技術(shù) 發(fā)展 同步 封閉固定 與網(wǎng)絡(luò)及其他設(shè)備 互聯(lián) 方便儀器系統(tǒng) 功能單一，互聯(lián)有限獨立設(shè)備 技術(shù)更新周期短 技術(shù)更新周期長 數(shù)據(jù)可編輯、存儲及打印 數(shù)據(jù)無法編輯 表格 1 虛擬儀器 與傳統(tǒng)儀器 對比 的軟件概述 LabVIEW（ Laborary Virtual Instrument Engineering Workbench）是一種圖形化的編程語言和開發(fā)環(huán)境，它廣泛的 被工業(yè)界、學(xué)術(shù)界和研究實驗室所接受，被公認為標準的數(shù)據(jù) 采集和儀器控制軟件 ；LabVIEW 不僅提供 了 與遵從 GPIB， VXI， RS232 和 RS485 協(xié)議的硬件及數(shù)據(jù)采集卡通信的功能， 還內(nèi)置支持 TCP/IP， ActiveX 等軟件標準的庫函數(shù)， 而且 其圖形化的界面使得 設(shè)計編程過程變得生動有趣[5]。 軟件的特點 歸納起來 LabVIEW 軟件開發(fā)平臺具有以下優(yōu)點： （ 1）圖形化的編程方式，設(shè) 計者無需寫任何文本格式的代碼，是真正的工程師的語言 ； （ 2）提供了豐富的數(shù)據(jù)采集、分析及存儲的庫函數(shù) ； （ 3）既提供了傳統(tǒng)的程序調(diào)試手段，如設(shè)置斷點、單步運行，同時提供有獨到的高亮執(zhí)行工具，使程序動畫式 運行，利于設(shè)計者觀察程 8 序運行的細節(jié)，使程序的調(diào)試和開發(fā)更為便捷 ； （ 4） 32bit 的編譯器編譯生成 32bit 的編譯程序 ，保證用戶數(shù)據(jù)采集、測試和測量方案的高速執(zhí)行 ； （ 5）囊括了 DAQ、 GPIB、 PXI、 VXI/RS23 485 在內(nèi)的各種儀器通信總線標準的所有功能函數(shù) ，使得不懂總線標準的開發(fā)者也能夠驅(qū)動不 同總線標準就口設(shè)備與儀器 ； （ 6）提供大量與外部代碼或軟件進行連接的機制，諸如 DLLs(動態(tài)連接庫 )、 DDE（共享庫）、 ActiveX 等 ； （ 7）強大的 Inter 功能，支持常用網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，方便網(wǎng)絡(luò)、遠程測控儀器的開發(fā) [6]。 LabVIEW 程序的構(gòu)成 LabVIEW 軟件開發(fā)平臺包括兩個部分：前面板和后面板；其中前面板用來顯示圖形用戶界面，而后面板用來實現(xiàn)程序框圖。 (1)前面板 前面板是 VI 的面板，這一界面有輸入型控件和輸出型控件；輸入型控件一般包括旋鈕、按鈕、轉(zhuǎn)盤、數(shù)值和字符以及布爾輸入控件 ，用來模擬儀器的輸入裝置，為 VI 程序框圖提供數(shù)據(jù)輸入。輸出型控件一般包括圖表、指示燈、數(shù)組以及簇等，用來模擬儀器的輸出裝置，為 VI 子程序框圖獲取或者生成數(shù)據(jù)。 LabVIEW 的前面板如圖 31 所示， 9 圖 31 前面板窗口 (2)后面板 (即程序框圖 ) 用戶在前面板正確的設(shè)計出虛擬儀器的界面，還是不能按照預(yù)計的要求實現(xiàn)其相應(yīng)的功能 操 作，還需要與之配套的程序框圖，以完成與前面板上 控件間的數(shù)據(jù)傳遞和交換、數(shù)據(jù)信號的處理、顯示及分析等任務(wù)。程序框圖提供 VI 的圖形化源程序，在其中利用函數(shù)、各種結(jié)構(gòu)和連線對 VI 進行編程， 以控制和操縱定義在前面板的輸入輸出功能。在編寫程序時經(jīng)常需要在前面板和后面板之間切換，可以在前面板通過菜單“窗口” |“顯示程序窗口”切換到后面板，在后面板通過菜單“窗口” |“顯示前面板”切換到前面板，或者運用快捷鍵Ctrl+E 來輪流切換。 LabVIEW 的后面板窗口如圖 32 所示， 圖 32 后面板窗口 10 LabVIEW 的操作選板 LabVIEW 用戶界面主要提供了工具 (Tools)選板、函數(shù) (Functions)選板、控件 (Controls)選板三大類選板，以供用戶通過該軟件完成前面板和程序框圖的設(shè) 計，最終實現(xiàn)虛擬儀器的設(shè)計。 (1)工具 (Tools)選板 工具選板提供了各種用于創(chuàng)建、修改、調(diào)試 VI 的工具。在前面板設(shè)計窗口或者后面板程序設(shè)計窗口菜單中，執(zhí)行“查看” |“工具選板”命令，即可打開工具選板， 工具選板中的每個工具圖標都有不同的功能，在操作過程中，用戶可以選擇合適的工具圖標，鼠標單擊該工具圖標即可對前面板或者程序框圖中的對象進行相應(yīng)的操作和修改。 LabVIEW 編程過程中正是引用函數(shù)節(jié)點的大量引用，充分體現(xiàn)了它圖形化編程的優(yōu)越性。 LabVIEW 的工具 (Tools)選板如圖 33所示 圖 33 工具選板 (2)函數(shù) (Functions)選板 函數(shù)選板只能在后面板程序框圖才能打開， 函數(shù)選板