【正文】 3 合來實現傳統(tǒng)儀器的各種功能。 在系統(tǒng)內實現軟硬件資源共享 虛擬儀器的最大的特點是將計算機資源與儀器硬件、 DSP 技術相結合，在系統(tǒng)內共享軟硬件資源。它打破了以往由廠家定義儀器功能的模式，而變成了由用戶本身定義儀器功能。使用相同的硬件系統(tǒng)，通過不同的軟件編程，便可以實現功能完全不同的測控儀器。 圖形化的軟件面板 虛擬儀器沒有常規(guī)儀器的控制面板，而是利用計算機強大的圖形環(huán)境采用可視化的圖形編程語言和平臺，以在計算機屏幕建立圖形 化的軟件面板來代替常規(guī)的傳統(tǒng)儀器面板。軟件面板上具有與實際儀器相似的旋鈕、開關、指示燈及其他大部分控制部件。在操作時，用戶可以使用鼠標或鍵盤操作軟件面板，來檢驗儀器的通信和操作。 虛擬儀器的構成 虛擬儀器的硬件組成 虛擬儀器是基于計算機的測量設備，硬件由通用計算機和模塊化硬件設備組成。通用計算機可以是便攜式 PC 機、臺式 PC 機或工作站等。最常用的模塊化硬件設備是數據采集（ DAQ）卡，再配以相應的調理電路，構成硬件平臺。 虛擬儀器的軟件組成 系統(tǒng)軟件通常是使用專用的虛擬 儀器開發(fā)語言編寫而成。它應完成數據的采集及信號生成控制、數據的分析與數據的表達等功能。在設計中可以采用圖 12 所示的結構化進程編寫系統(tǒng)軟件。在結構化進程中應用程序分為三個層次： 雙定子旋轉超聲電機驅動試驗系統(tǒng) 4 圖 12軟件結構化進程示意圖 儀器設備層。對于數據的采集與控制，由于涉及硬件操作，需要相應的硬件驅動程序。在 NI 公司出售的數據采集卡便可直接支持 LabVIEW。這種軟件能提供許多設備驅動程序。 測試程序層。其功能是設置個儀器的參數并采集數據，然后進行數據的分析與處理，最后計算出結果。 用戶應用層。此層面軟件與用戶需求密切相關，其 主要功能為： 1 為用戶提供各類測試儀器的虛擬界面； 2 為完成特定的測試任務，調用各個儀器 ； 3 管理測試程序等等。 虛擬儀器的開發(fā)語言 虛擬儀器系統(tǒng)的開發(fā)語言有：標準 C,Visual C++,Visual Basic 等通用程序開發(fā)語言。但直接通過這些語言開發(fā)虛擬儀器系統(tǒng)，是有難度的。除了要花大量時間進行測試系統(tǒng)面板設計外，還有編制大量的設備驅動程序和底層控制程序。這些工作對于不熟悉這方面知識的工程設計人員來說，要花費大量時間和精力，這樣會直接影響了系統(tǒng)開發(fā)和周期和性能。除了通用程序開發(fā)語言以外，還有一些 專用的虛擬儀器開發(fā)語言和軟件，其中有影響的開發(fā)軟件有： NI 公司的 LabVIEW,LabWindows/CVI。 LabVIEW 采用圖形化編程方案，是非常實用開發(fā)軟件。 LabWindows/CVI 是為了熟悉 C 語言開發(fā)人員準備的，是在 Windows 環(huán)境下的標準 ANSIC 開發(fā)環(huán)境。除此以外還有 HP 公司的 HPVEE,HPTIG開發(fā)平臺，美國 Tektronix 公司的 EzTest,TekTNS 平臺軟件，這些都是國際上公認的優(yōu)秀虛擬儀器開發(fā)軟件平臺。 雙定子旋轉超聲電機驅動試驗系統(tǒng) 5 2 雙定子旋轉超聲電機驅動試驗系統(tǒng)的總體方案設計 系統(tǒng)總體方案設計 通過對任務書的認真閱讀、了解以及相關方面資料查閱分析，對本設計的總體設計方案如圖 21： 圖 21 雙定子旋轉超聲電機驅動試驗系統(tǒng)的總體方案 該系統(tǒng)的流程就是，通過軟件編程使計算機板卡的模擬輸出通道能輸出一路可調頻、調相位差、調幅值的正弦電壓，一路信號經過了濾波器、移相器后分成四路正弦電壓，經過功率放大器后驅動超聲電機轉動。 根據圖 21 所示總體方案，我們需要完成以下幾個任務： 第一、 選擇合適的編程軟件； 第二、 選擇合適的計算機板卡； 第三、 設計符合系統(tǒng)要求的濾波器電路； 第四、 設計符合系統(tǒng)要求的移相器電 路； 第五、 完成系統(tǒng)要求的所有軟件編程。 系統(tǒng)軟件的選擇 在給定計算機必要的儀器硬件之后，構成和使用虛擬儀器的關鍵在于軟件，軟件給為用戶提供了集成開發(fā)環(huán)境、高水平的儀器硬件接口和用戶接口。美國國家儀器公司提出的“軟件即儀器”形象地概括了軟件在虛擬儀器技術中的重要作用。對于虛擬儀器應用軟件的編寫大致可以分為兩種方式： （ 1）通過編程軟件進行編寫。主要有 Microsoft 公司的 Vistual Basic。與 Visual 雙定子旋轉超聲電機驅動試驗系統(tǒng) 6 C++， Borland 公司的 Delphi， Sybase 公司的 Power Builder； （ 2）用專業(yè)化圖形編程軟件進行開發(fā)。如 HP 公司的 VEE， NI 公司的 LabVIEW等。 LabVIEW 是 實驗 室虛 擬儀 器集 成環(huán) 境（ Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench）的簡稱，是美國國家儀器公司（ NATIONAL INSTRUMENTS，簡稱 NI）的創(chuàng)新性產品，也是目前應用最廣、發(fā)展最快、功能最強的圖形化軟件集成環(huán)境，又稱 G 語言。 LabVIEW 雖然是為計算機測控領域開發(fā)的，但它的函數包含了一搬高級計算機語言中的絕大多數控制功能， LabVIEW作為開發(fā)環(huán)境具有有點和總結如下所述： （ 1） 圖形化編程，降低了對使用者編程經驗的要求，易于工程師使用。 （ 2） 采用面向對象的方法和概念，有利于軟件開發(fā)和再利用。 （ 3） LabVIEW 的功能沒有因圖形化編程而受到限制，依然具有通用編程系統(tǒng)的特點、 LabVIEW 有一個可完成任何編程任務的龐大函數庫。該函數庫包括數據采集、 GPIB串口控制、數據分析、數據顯示及數據存儲等。 （ 4） LabVIEW 還具有模塊化的特點，體現在兩個方面。首先、 LabVIEW 中使用的基本節(jié)點和函數等就是一個小的模塊，可以直接使用：另外，由 LabVIEW 編 寫的程序 —— 即虛擬儀器模塊，除了作為獨立程序運行外，還可作為另一個虛擬儀器模塊的子模塊供其他模塊使用。 根據上面所述，以及實驗室的實際條件， LabVIEW 是作為超聲電機試驗激勵系統(tǒng)的編程開發(fā)軟件的最佳選擇。 系統(tǒng)硬件的選擇 數據采集卡 數據采集卡，即實現數據采集（ DAQ）功能的計算機擴展卡，可以通過 USB、 PXI、PCI、 PCIEXPRESS、 23以太網、各種無線網絡等總線接入個人計算機。 一般情況下， DAQ 硬件設備的基本功能有模擬量輸入（ A\D）、模擬量輸出（ D\A）、數字和 定時 /計數四大功能。因此 LabVIEW 環(huán)境下數據采集模塊的設計也圍繞這四大功能來組織的，圖 22 為 LabVIEW 環(huán)境下數據采集應用結構。 雙定子旋轉超聲電機驅動試驗系統(tǒng) 7 圖 22 LabVIEW 環(huán)境下數據采集應用結構 數據采集卡的性能與眾多因素相關，要根據具體情況進行具體分析。所以在選擇數據采集卡構成系統(tǒng)時，首先必須對數據采集卡的性能指標有所了解。數據采集卡有以下幾個指標供我們參考： （ 1） 采樣頻率 采樣頻率的高低，決定了在一定時間內獲取原始信息的多少，為了能夠較好的再現原始信號，不產生波形失真，采樣頻率必須足夠高才行，根據尼奎斯特理論采 樣頻率必須是原始信號的兩倍，但是實際中一般都需要 5~10 倍。 （ 2） 采樣方法 采集卡通常有幾個數據通道，如果所有的數據通道都輪流的使用同一個放大器和A/D 轉換器，要比每個通道單獨使用各自經濟得多，但這僅使用與對時間不是很重要的場合。 （ 3） 分辨率 數據采集卡可分辨輸入信號最小變化量。 ADC 的位數越多，分辨率就越高，可區(qū)分的電壓就越小。 （ 5） I/O 通道數 該參數表明了數據采集卡所能夠采集的最多信號路數。包括模擬 I/O、數字 I/O 圖 23 NI PCI6221 數據采集卡 雙定子旋轉超聲電機驅動試驗系統(tǒng) 8 NI PCI6221 是 NI 公司的 M 系列多功能數據采集卡，可以直接插在電路主機的卡槽里。該板卡的主要性能如下： ? 2 路模擬量輸出通道，分辨率為 16 位 ,最大更新率為 833kS/s，輸出電壓范圍是10~+10V； ? 16 路模擬信號輸入通道，分辨率為 16 位； ? 24 路數字 I/O，數字觸發(fā)； ? 2 個 32 位定時計數器； ? NIDAQmx 測試軟件和一個硬件配置支持； 本設計需要一個模擬輸出通道輸出輸出頻率為 20~50KHZ、 0~+10V 的正弦電壓，833kS/s 的最大更新率能夠滿足輸出較高頻電壓。 NI PCI6221 數據采集卡具有兩 個計數器也滿足本設 計需求。 基于以上原因和實驗室設備條件，本設計選擇了 NI PCI6221 數據采集卡。雙定子旋轉超聲電機驅動試驗系統(tǒng) 9 3 labview DAQmx 數據采集編程 DAQ 基礎知識 數據采集設備的作用是將模擬的電信號轉換為數字信號送給計算機進行處理，或將計算機編輯好的數字信號轉換為模擬信號輸出。在計算機上安裝了驅動和應用軟件，方便我們與硬件交互，完成采集任務，并對采集到的數據進行后續(xù)的分析和處理。對于數據采集應用來說，我們使用的軟件主要分成三類： 。 NI 的數據采集硬件設備對應的驅動軟件是 DAQmx，它提供了一系列API 函數供我們編寫數據采集程序時調用。 LabVIEW， DAQmx 可以支持應用軟件，在使用應用軟件進行數據采集編程時可以調用 DAQmx 包含的函數。 Measurement and Automation Explorer（ MAX），使用這個軟件進行軟硬件交互，并無需編程就能實現數據采集功能；還能將配置的數據采集任務導入LabVIEW，并自動生成 LabVIEW 代碼。在安裝 DAQmx 軟件時都會自動附帶安裝 MAX。 [3] 圖 31 數據采集軟件架構 安裝完這三種 軟件并在主機插槽里插上 PCI6221 之后，就可以開始進行數據采集編程。但是為了保證板卡能夠正常使用，并且了解板卡的引腳定義圖便于連線，在編程之前可以在 MAX 軟件里對板卡進行檢查并查詢板卡信息。 進入 MAX 軟件界面后，在位于左邊的配置樹形目錄中，展開“我的系統(tǒng) 設備和接口”，找到“ NIDAQ 設備”一項。連接在本臺電腦上的 NI 數據采集硬件設備都會羅列在這里并以“ Dev*”命名。 鼠標右鍵點擊如圖 32 所示的設備可以進行一系列操作。 雙定子旋轉超聲電機驅動試驗系統(tǒng) 10 首先可以對產品進行自檢，通過自檢來說明板卡工作在正常狀態(tài)，如果板卡發(fā)生了硬 件順壞， MAX 將報出自檢失敗的信息。同時，可以更改設備名，當系統(tǒng)中使用多個數據采集模塊時，給每個模塊一個有意義的命名，可以幫我們區(qū)分模塊，并且在編程選擇設備時候提高程序的可讀性。另外選擇“設備引腳”，將顯示硬件引腳定義圖，便于連線。 圖 32 MAX 軟件下的 DAQmx 設備 在沒有現成的數據采集硬件設備，但想要運行 LabVIEW 程序驗證一下硬件功