【正文】 域頻譜分析、數(shù)字濾波、統(tǒng)計分析等常用信號分析與處理技術(shù)，已建造了相關(guān)分析 1 基于 譜分析技術(shù)的虛擬相位差計的設(shè)計 儀、頻譜分析儀、傳遞函數(shù)分析儀、數(shù)字濾波器等各種商用虛擬儀器。這些是傳統(tǒng) 觀念上的“高級貴族式”儀器，因?yàn)樗鼈儾捎糜布韺?shí)現(xiàn)的。今天，“軟件就是儀 器”的虛擬儀器時代，使那些“貴族儀器”走出“貴族經(jīng)院”得以普及。 近年來，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、模糊技術(shù)、小波技術(shù)等信號分析新技術(shù)在科學(xué)研究領(lǐng) 域內(nèi)取得了很大的發(fā)展和豐碩的成果。混沌技術(shù)剛剛開始嶄露頭角，在測量領(lǐng)域內(nèi) [2] 已展現(xiàn)出它的應(yīng)用潛力 。 虛擬儀器的概念及特點(diǎn) 虛擬儀器 虛擬儀器 Virtual Instrument，簡稱 VI 技術(shù)是本世紀(jì) 80 年代末 90 年代 初于測控技術(shù)領(lǐng)域出現(xiàn)的一項(xiàng)突破性進(jìn)展，是當(dāng)今計算機(jī)輔助測試 CAT 的一項(xiàng)重 要技術(shù)。虛擬儀器是一個開放式的結(jié)構(gòu)，它以通用計算機(jī)為核心，由數(shù)據(jù)采集卡、 GPIB 或 VXI 總線接口面板實(shí)現(xiàn)信號的獲取與控制，還可以用數(shù)字信號處理器 DSP 實(shí)現(xiàn)信號的處理，加上必要的軟件，從而實(shí)現(xiàn)儀器的功能。此外，如果現(xiàn)有傳統(tǒng)儀 器帶有 RS― 23 RS― 42 RS― 48 GPIB 等接口，那么與計算機(jī)連接起來后， 通過編程就可構(gòu)建用戶自己的自動測試系統(tǒng)。虛擬儀器一般由系統(tǒng)硬件、系統(tǒng)軟件 以及為進(jìn)一步擴(kuò)展功能所留出的軟硬件接口等組成。系統(tǒng)硬件的核心部分可以是微 型計算機(jī)、單片機(jī)或由其它類型計算機(jī)組成的混合網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，其余則可包括 A/ D、 D/ A、量程自動切換、功率驅(qū)動、濾波及其它一些處理電路。系統(tǒng)軟件則可包括數(shù) 據(jù)采集、信號分析與處理、系統(tǒng)仿真、控制算法等模塊，這些軟件資源一般都利用 面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計方法開發(fā)， 因此用戶可以方便地在此基礎(chǔ)上進(jìn)行二次開發(fā)，充 分體現(xiàn)了虛擬儀器的“軟件就是儀器” The software is the instrument 的思想 [3] 。 虛擬儀器特點(diǎn) 虛擬儀器在以下幾個方面具有傳統(tǒng)儀器所無可比擬的特點(diǎn)： 1 虛擬儀器的功能、性能、指標(biāo)可由用戶定義，即可以根據(jù)用戶的不同要求 對同一儀器的功能、性能、指標(biāo)進(jìn)行修改或增刪，徹底打破了傳統(tǒng)儀器一經(jīng)設(shè)計、 制造完成后，其功能、性能、指標(biāo)不可改變的封閉性、單一性。 2 可以將多種儀器的功能、性能、指標(biāo)等以軟件的形式集成在一個“功能軟 2 基于譜分析技術(shù)的虛擬相位差計的設(shè)計 件庫”――虛擬儀器庫內(nèi)，通過它們的不同組合以及與各種不同類型的硬件接口搭 配，使得在一臺個人計算機(jī)里就可實(shí)現(xiàn)各種儀器的不同功能，大大提高了儀器功能 的靈活性，甚至可以進(jìn)行非常復(fù)雜的測試工作。 3 由于計算機(jī)具有強(qiáng)大的圖形界面功能和數(shù)據(jù)運(yùn) 算功能，因此虛擬儀器的操 作簡單直觀，數(shù)據(jù)分析及數(shù)據(jù)處理、結(jié)果與圖形曲線的顯示等功能都非常強(qiáng)大。 4 可在同一總線系統(tǒng)儀器之間或通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，實(shí)現(xiàn)資源共享。 5 測量精度高、測量范圍寬且性能穩(wěn)定、可靠性高。 6 智能程度高，具有自學(xué)習(xí)和決策能力。 7 開發(fā)周期短、成本低、維護(hù)方便，易于應(yīng)用新理論、新算法和新技術(shù)，實(shí) 現(xiàn)儀器的換代升級。虛擬儀器現(xiàn)正處于發(fā)展階段，它可以看作是面向?qū)ο笏枷朐跍y 試儀器領(lǐng)域的發(fā)展。這種思想使 得虛擬儀器在開發(fā)上變得簡單，操作上簡單直觀， 大大地發(fā)展了現(xiàn)代測試儀器的設(shè)計方法和技術(shù)，拓寬了測試應(yīng)用領(lǐng)域。目前，已經(jīng) 相繼出現(xiàn)了一些虛擬儀器開發(fā)平臺，并正在逐漸建立統(tǒng)一的虛擬儀器標(biāo)準(zhǔn)。相信在 不久的將來，虛擬儀器的應(yīng)用會越來越廣泛。 虛擬儀器的構(gòu)成及其分類 虛擬儀器由通用儀器硬件平臺和應(yīng)用軟件兩大部分構(gòu)成。 1．虛擬儀器的硬件平臺 構(gòu)成虛擬儀器的硬件平臺有兩部分： （ 1） 計算機(jī) 它一般為一臺 PC 和工作站，是 硬件平臺的核心。 （ 2） I/O 接口設(shè)備 I/O 接口設(shè)備主要完成被測輸入信號的采集、放大、模 /數(shù)轉(zhuǎn)換。不同的總線 有其相應(yīng)的 I/O 接口硬件設(shè)備，如利用 PC 機(jī)總線的數(shù)據(jù)采集卡 /板（簡稱為數(shù)據(jù)采 集卡 /板 DAQ）、 GPIB 總線儀器、 VXI 總線儀器模塊、串口總線儀器等。虛擬儀器 的構(gòu)成方式主要有 5 種類型，如圖 11 所示。 PCDAQ 系統(tǒng) PCDAQ 系統(tǒng)是以數(shù)據(jù)采集板、信號調(diào)理電路及計算機(jī)為儀器硬件平臺組成的 插卡式虛擬儀器 系統(tǒng)。這種系統(tǒng)采用 PCI 或計算機(jī)本身的 ISA 總線，將數(shù)據(jù)采集卡 /板（ DAQ）插入計算機(jī)的空槽中即可。 GPIB 系統(tǒng) 3 基于譜分析技術(shù)的虛擬相位差計的設(shè)計 GPIB系統(tǒng)是以 GPIB標(biāo)準(zhǔn)總線儀器與計算機(jī)為儀器硬件平臺組成的虛擬儀器測 試系統(tǒng)。 VXI 系統(tǒng) VXI系統(tǒng)是以 VXI標(biāo)準(zhǔn)總線儀器與計算機(jī)為儀器硬件平臺組 成的虛擬儀器測試 系統(tǒng)。 PXI 系統(tǒng) PXI系統(tǒng)是以 PXI標(biāo)準(zhǔn)總線儀器與計算機(jī)為儀器硬件平臺組成的虛擬儀器測試 系統(tǒng)。 串口系統(tǒng) 串口系統(tǒng)是以串口系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)總線儀器與計算機(jī)為儀器硬件平臺組成的虛擬儀 器測試系統(tǒng)。 圖 11 虛擬儀器的構(gòu)成方式 2．虛擬儀器的軟件 目前的虛擬儀器軟件開發(fā)工具有如下兩類： 文本式編程語言：如 Visual C++， Visual Basic， LabWindows/CVI 等。 圖形化編程語言：如 LabVIEW， HPVEE 等。 虛擬儀器軟件由兩部分構(gòu)成，即應(yīng)用程序和 I/O 接口儀器驅(qū)動程序。 虛擬儀器的應(yīng)用程序包含兩方面功能的程序：一、實(shí)現(xiàn)虛擬面板功能的軟件程 4 基于譜分析技術(shù)的虛擬相位差計的設(shè)計 序；二、定義測試功能的流程圖軟件程序。 [4] I/O 接口儀器驅(qū)動程序完成特定外部硬件設(shè)備的擴(kuò)展、驅(qū)動與通信 。 虛擬儀器的設(shè)計方法 在 LabVIEW 平臺下，一個 VI 由兩部分組成：前面板和流程圖。 前面板的功能等效于傳統(tǒng)測試儀器的前面板；流程圖的功能等效于傳統(tǒng)測試儀 器與前面板相聯(lián)系的硬件電路。在設(shè)計時，要考慮硬件部分和虛擬儀器的設(shè)計方法， 其中包括 I/O 接口儀器驅(qū)動程序的設(shè)計、儀器面板的設(shè)計與儀器功能算法的設(shè)計三 部分。 1． I/O 接口儀器驅(qū)動程序的設(shè)計 根據(jù)儀器的功能要求，確定儀器的接口標(biāo)準(zhǔn)。 I/O 接口儀器驅(qū)動程序是控制硬 件設(shè)備的驅(qū)動程序，是連接主控計算機(jī)與儀器設(shè)備的紐帶。如果沒有設(shè)備驅(qū)動程序， 則必須針對 I/O 接口儀器設(shè)備編寫驅(qū)動程序。 2．儀器前面板的設(shè)計 儀器前面板的設(shè)計是指在虛擬儀器開發(fā)平臺上，利用各類子模板圖標(biāo)創(chuàng)建用戶 界面，即虛擬儀器的前面板。 3．儀器 流程或算法的設(shè)計 儀器流程或算法的設(shè)計是根據(jù)儀器功能要求，利用虛擬儀器開發(fā)平臺所提供的 子模板，確定程序的流程圖，主要處理算法和所實(shí)現(xiàn)的技術(shù)方法 [5] 。 虛擬儀器的發(fā)展 隨著計算機(jī)、通信、微電子技術(shù)的不斷發(fā)展，以及網(wǎng)絡(luò)時代的到來和信息化要 求的不斷提高，網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用到虛擬儀器領(lǐng)域中是虛擬儀器發(fā)展的大趨勢。網(wǎng)絡(luò)化 的一般特征是將虛擬儀器、外部設(shè)備、被測試點(diǎn)以及數(shù)據(jù)庫等資源納入網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn) 資源共享，共同完成測試任務(wù)。使用網(wǎng)絡(luò)化虛擬儀器，可在任何地點(diǎn)、任意時刻 獲 取測量數(shù)據(jù)信息的愿望成為現(xiàn)實(shí)。網(wǎng)絡(luò)化虛擬儀器也適合異地或遠(yuǎn)程控制、數(shù)據(jù)采 [6] 集、故障檢測、報警等 。 課題的研究內(nèi)容及方法 此課題的研究內(nèi)容： 主要是關(guān)于在 LabVIEW 環(huán)境下基于譜分析技術(shù)的虛擬相位差計設(shè)計，從而實(shí)現(xiàn) 5 基于譜分析技術(shù)的虛擬相位差計的設(shè)計 對兩個同頻率 正弦波信號的相位差計算。在 LabVIEW 開發(fā)環(huán)境的前面板、流程圖中 利用 LabVIEW 具有的 3 種用來創(chuàng)建和運(yùn)行程序的圖形化可移動模板：工具模板 Tools Palette ，控制模板 Controls Palette 和功能模板 Functions Palette 來實(shí)現(xiàn)頻譜分析法測量相位差。其強(qiáng)大功能歸因于它的層次化結(jié)構(gòu)，用戶可以把創(chuàng) 建的 VI 程序當(dāng)作子程序調(diào)用，以創(chuàng)建更復(fù)雜的程序，而這種調(diào)用的層次是沒有限 制的，這種創(chuàng)建和調(diào)用子程序的方法，使創(chuàng)建的程序結(jié)構(gòu)模塊化，易于 調(diào)試、理解 和維護(hù)。 研究方法： 虛擬相位差計在 LabVIEW語言中程序設(shè)計的過程包括 3個部分：前面板、框圖 程序和圖標(biāo) /連接器，因此一個 VI 程序的設(shè)計主要包括前面板的設(shè)計、框圖程序的 設(shè)計以及程序的調(diào)試。 （ 1）前面板 虛擬儀器的面板設(shè)計都在這個窗口中完成，并且在前面板中執(zhí)行對儀器的操 作。應(yīng)根據(jù)實(shí)際中的儀器面板以及該虛擬儀器所要實(shí)現(xiàn)的功能來設(shè)計前面板。前面 板中主要由輸入控制器和輸出指示器組成?？刂破魇褂脩艨梢暂斎霐?shù)據(jù)到程序 ，而 指示器則用來顯示程序產(chǎn)生的數(shù)值。 （ 2）流程圖 實(shí)現(xiàn)虛擬發(fā)生器的所有程序都在這個窗口中完成。程序相當(dāng)于源代碼，只有在 創(chuàng)建了框圖程序以后該程序才能真正運(yùn)行。所以在設(shè)計好前面板后，就要根據(jù)各個 框圖之間的關(guān)系以及對數(shù)據(jù)的處理方法等設(shè)計框圖程序。對框圖程序的設(shè)計主要是 對節(jié)點(diǎn)、數(shù)據(jù)端口和連線的設(shè)計。 （ 3）程序的調(diào)試 當(dāng)前面板和程序框圖設(shè)計好以后，虛擬發(fā)生器的程序在執(zhí)行過程中可能會遇到 很多方面的錯誤，因此要對程序進(jìn)行調(diào) 試。首先查找錯誤，如果一個程序不能執(zhí)行， 運(yùn)行按鈕會出現(xiàn)一個折斷的箭頭。點(diǎn)擊斷箭的運(yùn)行按鈕則會列出錯誤清單，雙擊列 表中的錯誤清單，則出錯的對象或端口就會高亮顯示。 章節(jié)介紹 在虛擬相位差計研究中所涉及到的知識將在后面的章節(jié)中加以介紹： 在第一章中介紹了本課題的背景和意義以及前景，同時對現(xiàn)今虛擬儀器的特點(diǎn) 6 基于譜分析技術(shù)的虛擬相位 差計的設(shè)計 和發(fā)展現(xiàn)狀作了簡單的介紹。 第二章中將主要介紹圖形