【正文】 的結(jié)構(gòu)、概念和設(shè)計(jì)觀點(diǎn)都發(fā)生了巨大的變革，它的出現(xiàn)使得人類(lèi)的測(cè)試技術(shù)進(jìn)入了一個(gè)新的發(fā)展紀(jì)元。 虛擬儀器的概念虛擬儀器是指通過(guò)應(yīng)用程序?qū)⒂?jì)算機(jī)、軟件的功能模塊和儀器硬件結(jié)合起來(lái)，用戶(hù)可以通過(guò)友好的圖形界面（通常叫做虛擬前面板，簡(jiǎn)稱(chēng)前面板）來(lái)操作這臺(tái)計(jì)算機(jī)就像在操作自己定義、自己設(shè)計(jì)的一臺(tái)個(gè)人儀器一樣，從而完成對(duì)被測(cè)信號(hào)的采集、分析、判斷、顯示、數(shù)字存儲(chǔ)等。虛擬儀器以透明的方式，通過(guò)軟件對(duì)數(shù)據(jù)的分析處理、表達(dá)以及圖形化用戶(hù)接口，把計(jì)算機(jī)資源（如微處理器、顯示器等）和儀器硬件（如 A/D、D/A、數(shù)字 I/O、定時(shí)器、信號(hào)調(diào)理等）的測(cè)試能力和控制能力結(jié)合起來(lái)。虛擬一起突破了傳統(tǒng)儀器以硬件為主體的模式，實(shí)際上使用者是在操作具有測(cè)試軟件的電子計(jì)算機(jī)進(jìn)行測(cè)量，猶如操作一臺(tái)虛設(shè)的電子儀器。虛擬儀器技術(shù)的實(shí)質(zhì)是充分利用最新的計(jì)算機(jī)技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)和擴(kuò)展傳統(tǒng)儀器的功能。軟件是虛擬儀器的關(guān)鍵，當(dāng)基本硬件確定以后，就可以通過(guò)不同的軟件實(shí)現(xiàn)不同的功能。用戶(hù)可以根據(jù)自己的需要，設(shè)計(jì)自己的儀器系統(tǒng)，滿足多種多樣的應(yīng)用要求。利用計(jì)算機(jī)豐富的軟、硬件資源，可以大大突破傳統(tǒng)儀器西安交通大學(xué)城市學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）2的數(shù)據(jù)的分析、處理、表達(dá)、傳遞、存儲(chǔ)等方面的限制，達(dá)到傳統(tǒng)儀器無(wú)法比擬的效果。它不僅可以用于電子測(cè)量、測(cè)試、分析、計(jì)量等領(lǐng)域，而且還可以用于進(jìn)行設(shè)備的監(jiān)控以及工業(yè)過(guò)程自動(dòng)化。虛擬儀器還可以廣泛用于電力工程、物礦勘探、醫(yī)療、振動(dòng)分析、聲學(xué)分析、故障診斷及教學(xué)科研等多個(gè)方面 [1]。 虛擬儀器的構(gòu)成虛擬儀器從構(gòu)成要素上講，由計(jì)算機(jī)、應(yīng)用軟件和儀器硬件等構(gòu)成；從構(gòu)成分式上講則由以 DAQ 板和信號(hào)調(diào)理為儀器硬件而組成的 PCDAQ 測(cè)試系統(tǒng)，或已 GPIB， VXI，Serial 和 Field bus 等標(biāo)準(zhǔn)總線儀器為硬件組成的 GPIB 系統(tǒng)、VXI 系統(tǒng)、串口系統(tǒng)和現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)等多種形式 [2]。虛擬儀器的構(gòu)成如圖 11所示。顯示器信號(hào)分析及處理器入機(jī)接口 各類(lèi)接口A/D 轉(zhuǎn)換器數(shù)據(jù)發(fā)生器信號(hào)調(diào)理器信號(hào)調(diào)理器輸入信號(hào) D/A 轉(zhuǎn)換器信號(hào)調(diào)理器信號(hào)輸出圖 11 虛擬儀器的結(jié)構(gòu) 虛擬儀器的優(yōu)點(diǎn)一臺(tái)性能優(yōu)良的虛擬儀器不僅可以實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)儀器的大部分功能，而且在許多方面有傳統(tǒng)儀器無(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn)，如使用靈活方便、功能豐富、價(jià)格低廉、可一機(jī)多用、可重復(fù)開(kāi)發(fā)等。與傳統(tǒng)儀器相比虛擬儀器主要有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：（1）融合了計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的硬件資源，突破了傳統(tǒng)儀器在數(shù)據(jù)處理、顯示、存儲(chǔ)等方面的限制，大大增強(qiáng)了傳統(tǒng)儀器的功能。而且高性能處理器、高分辨率顯示器、大容量硬盤(pán)等已成為虛擬儀器的標(biāo)準(zhǔn)配置。（2）利用計(jì)算機(jī)豐富的軟件資源，一方面，實(shí)現(xiàn)了部分儀器硬件的軟件話，節(jié)省了物質(zhì)資源，增加了系統(tǒng)的靈活性；一方面，通過(guò)軟件技術(shù)和相應(yīng)的數(shù)值算法、實(shí)時(shí)、直接的對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行各種分析和處理；另一方面，通過(guò)圖形用戶(hù)界面（Graph User Interface）技術(shù)，真正做到界面友好，人機(jī)交互。1 緒論3（3）基于計(jì)算機(jī)總線和模塊化儀器總線，使儀器的硬件實(shí)現(xiàn)了模塊化、系列化，大大縮小了系統(tǒng)的尺寸，可方便的構(gòu)建模塊化儀器（Instrument on a Card） 。（4）基于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和接口技術(shù)，使 VI 系統(tǒng)具有方便、靈活的互聯(lián)能力，廣泛支持諸如 CAN，F(xiàn)ield Bus，PROFIBUS 等各種工業(yè)總線標(biāo)準(zhǔn)。因此，利用 VI 技術(shù)可方便的構(gòu)建自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)（ATS，Automatic Test System） ，實(shí)現(xiàn)測(cè)量、控制過(guò)程的網(wǎng)絡(luò)化。（5）基于計(jì)算機(jī)的開(kāi)放式標(biāo)準(zhǔn)體系結(jié)構(gòu)。虛擬儀器的硬、軟件都具有開(kāi)放性、模塊化、可重復(fù)使用及互換性等特點(diǎn)。因此，用戶(hù)可以根據(jù)自己的需要選擇不同廠家的產(chǎn)品，使儀器系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)更為靈活、效率更高，縮短了系統(tǒng)組建和維修的時(shí)間[3] 。 虛擬儀器的現(xiàn)狀 國(guó)外虛擬儀器的研究現(xiàn)狀虛擬儀器技術(shù)目前在國(guó)外發(fā)展很快，以美國(guó)國(guó)家儀器公司（NI 公司）為代表的一批廠商已經(jīng)在市場(chǎng)上推出了基于虛擬儀器技術(shù)而設(shè)計(jì)的商品化儀器產(chǎn)品。在美國(guó)虛擬儀器系統(tǒng)及其圖形編程語(yǔ)言，已作為各大學(xué)理工科學(xué)生的一門(mén)必修課程。美國(guó)的斯福坦大學(xué)的機(jī)械工程系要求三、四年級(jí)的學(xué)生在實(shí)驗(yàn)時(shí)應(yīng)用虛擬儀器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和實(shí)驗(yàn)控制。近年來(lái)，世界各國(guó)的虛擬儀器公司開(kāi)發(fā)了不少虛擬儀器開(kāi)發(fā)平臺(tái)軟件，以便使用者利用這些公司提供的開(kāi)發(fā)平臺(tái)軟件組建自己的虛擬儀器或測(cè)試系統(tǒng)，并編制測(cè)試軟件。最早和最具有影響力的開(kāi)發(fā)軟件，是 NI 公司的 LABVIEW軟件和 Lab windows/CVI 開(kāi)發(fā)軟件。LABVIEW 采用圖形化編程方案，是非常實(shí)用的開(kāi)發(fā)軟件。Lab windows/CVI 是為熟悉 C 語(yǔ)言的開(kāi)發(fā)人員準(zhǔn)備的、在windows 環(huán)境下的標(biāo)準(zhǔn) ANSI C 開(kāi)發(fā)環(huán)境，除了上述優(yōu)秀的開(kāi)發(fā)軟件之外，美國(guó) HP 公司的 HPVEE 和 HPTIG 平臺(tái)軟件，美國(guó) Tektronix 公司的 EzTest 和TekTNS 軟件，以及美國(guó)的 HEM Data 公司的 SnapMaster 平臺(tái)軟件，也是國(guó)際上公認(rèn)的優(yōu)秀虛擬儀器開(kāi)發(fā)平臺(tái)軟件。當(dāng)今虛擬儀器的系統(tǒng)開(kāi)發(fā)采用的總線包括傳統(tǒng)的 RS232 串行總線、GPIB通用接口總線、VXI 總線，以及已經(jīng)被 PC 機(jī)廣泛采用的 USB 串行總線和IEEE1394 總線（即 Fire wire，也叫做火線） 。世界各國(guó)的公司，特別是美國(guó) NI公司，為使虛擬儀器能夠適應(yīng)上述各種總線的配置，開(kāi)發(fā)了大量的軟件以及適應(yīng)要求的硬件（插件） ，可以靈活的組建不同復(fù)雜程度的虛擬儀器自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)。西安交通大學(xué)城市學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）4虛擬儀器開(kāi)發(fā)商不僅注意使虛擬儀器能夠適應(yīng)各種通用計(jì)算機(jī)總線系統(tǒng)，使之為虛擬儀器服務(wù)，而且也注意建立各種儀器專(zhuān)用的總線系統(tǒng)。美國(guó) NI 公司在 1997 年 9 月 1 日推出模塊化儀器的主流平臺(tái) PXI，這是與 Compact PCI 完全兼容的系統(tǒng)。這種虛擬儀器模塊化主流平臺(tái) PXI/Compact PCI 的傳輸速度已經(jīng)達(dá)到 100Mb/s。是目前已經(jīng)發(fā)布的最高傳輸速度 [4]。 國(guó)內(nèi)虛擬儀器的研究現(xiàn)狀目前主流的虛擬儀器主要是 各種計(jì)算機(jī)總線和總線標(biāo)準(zhǔn)的各種插卡和儀器模塊間或有其它總線式的儀器模塊，工作方式多是插入各種總線機(jī)箱內(nèi)或直接插入計(jì)算機(jī)機(jī)箱內(nèi)，少數(shù)情況下是獨(dú)立模塊以接口形式接入計(jì)算機(jī)。它們多數(shù)屬于中低頻范圍，主要是工程應(yīng)用類(lèi)儀器設(shè)備。我國(guó) VXI 總線技術(shù)是反映我國(guó)目前虛擬儀器水平的一個(gè)方面，互聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)使數(shù)據(jù)共享進(jìn)入新階段，加速了虛擬儀器的新網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，而這些技術(shù)是傳統(tǒng)儀器不可能實(shí)現(xiàn)的，虛擬儀器很好的利用了互聯(lián)網(wǎng)的功能，因此可以把來(lái)自測(cè)量和設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)直接發(fā)布到網(wǎng)上。國(guó)內(nèi)已有部分院校的實(shí)驗(yàn)室引入了虛擬儀器系統(tǒng)，上海復(fù)旦大學(xué)、上海交通大學(xué)、廣州暨南大學(xué)、華中理工大學(xué)、四川聯(lián)合大學(xué)等。近一、兩年來(lái)這些學(xué)校在原有的基礎(chǔ)上，又開(kāi)發(fā)了一批新的虛擬儀器系統(tǒng)用于教學(xué)和科研。其中，華中理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院工程測(cè)試實(shí)驗(yàn)室將其開(kāi)發(fā)成果在網(wǎng)上公開(kāi)展示。四川聯(lián)合大學(xué)的教師基于虛擬儀器的設(shè)計(jì)思想，研制了“航空電臺(tái)二線綜合測(cè)試儀”將 8 臺(tái)儀器集成于一體，組成虛擬儀器系統(tǒng)，使用方便、靈活。清華大學(xué)利用虛擬儀器技術(shù)構(gòu)建的汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)檢測(cè)系統(tǒng)，用于汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)的出廠檢驗(yàn)。主要檢測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)的功率特性、負(fù)荷特性等。一臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)檢測(cè)完后，就可打印出完整的檢測(cè)報(bào)告。此外，國(guó)內(nèi)已有幾家企業(yè)在研制 PC 虛擬儀器，哈工大儀器王電子有限責(zé)任公司就是其中之一，它的產(chǎn)品已達(dá)到一定的批量。其主要產(chǎn)品有數(shù)字存儲(chǔ)示波器系列、任意波形發(fā)生器及頻率計(jì)系列、多通道大容量波形—記錄系列。國(guó)內(nèi)專(zhuān)家預(yù)測(cè)：未來(lái)幾年內(nèi)，我國(guó)將有 50%的儀器為虛擬儀器。國(guó)內(nèi)將有大批企業(yè)使用虛擬儀器系統(tǒng)對(duì)生產(chǎn)設(shè)備的運(yùn)行狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。隨著微型計(jì)算機(jī)的發(fā)展，虛擬儀器將會(huì)逐步取代傳統(tǒng)的測(cè)試儀器而成為測(cè)試儀器的主流。虛擬儀器技術(shù)的提出和發(fā)展，標(biāo)志著二十一世紀(jì)自動(dòng)測(cè)試與電子測(cè)試儀器領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要方向 [5]。 虛擬儀器的發(fā)展方向虛擬儀器正在繼續(xù)迅速發(fā)展。它可以取代測(cè)量技術(shù)在傳統(tǒng)領(lǐng)域的各類(lèi)儀器。1 緒論5虛擬儀器在組成和改變儀器的功能和技術(shù)性能方面具有靈活性和經(jīng)濟(jì)性，因而特別適應(yīng)于當(dāng)代科學(xué)技術(shù)迅速發(fā)展和科學(xué)研究不斷深化所提出的更高跟新的測(cè)量課題和測(cè)量需要。 “沒(méi)有測(cè)量就沒(méi)有鑒別，科學(xué)技術(shù)就不能前進(jìn)。 ”虛擬儀器將會(huì)在科學(xué)技術(shù)的各個(gè)領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。VXI 總線將成為未來(lái)虛擬儀器的理想硬件平臺(tái)，這是由 VXI 總線的性能決定的；另一方面，基于 PCIDAQ 的虛擬儀器系統(tǒng)由于性?xún)r(jià)比高、靈活性好而受到大多數(shù)用戶(hù)的青睞，將得到高速的發(fā)展。隨著計(jì)算機(jī)硬件、軟件技術(shù)的迅速發(fā)展，虛擬儀器將向高性能、多功能、集成化、網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展 [6]。 本文的研究?jī)?nèi)容虛擬儀器由通用儀器硬件平臺(tái)（簡(jiǎn)稱(chēng)硬件平臺(tái)）和應(yīng)用軟件兩大部分構(gòu)成。硬件平臺(tái)主要完成對(duì)被測(cè)信號(hào)的進(jìn)行調(diào)理和采集。儀器硬件可以是插入式數(shù)據(jù)采集卡及必要的外圍電路（含信號(hào)調(diào)理電路、A/D 轉(zhuǎn)換器、數(shù)字 I/O、定時(shí)器、D/A 轉(zhuǎn)換器等） ，或者是帶標(biāo)準(zhǔn)總線接口的儀器，如GPIB、VXI、PXI、STD 、 PCI 總線儀器和網(wǎng)絡(luò)化儀器等。目前市場(chǎng)上的 A/D 采集卡和數(shù)據(jù)采集卡以及帶標(biāo)準(zhǔn)總線接口的儀器等，其價(jià)格均不菲，以畢業(yè)設(shè)計(jì)的目的來(lái)說(shuō)，性?xún)r(jià)比以及實(shí)用程度顯的不高。進(jìn)而考慮到計(jì)算機(jī)中的聲卡本身就是一個(gè) A/D，D/A 的轉(zhuǎn)化裝置，具有 16 位的量化精度、數(shù)據(jù)采集頻率是 ，完成可以滿足特定應(yīng)用范圍內(nèi)數(shù)據(jù)采集的需要，個(gè)別性能指標(biāo)還優(yōu)于商用數(shù)據(jù)采集卡，而價(jià)格卻為商用數(shù)據(jù)采集卡的十分之一或者幾十分之一，在設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)中完全可以滿足要求。因此在本設(shè)計(jì)中，虛擬示波器的數(shù)據(jù)采集裝置主要基于聲卡。利用聲卡實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的采集，制作成一個(gè)簡(jiǎn)易的示波器，示波器能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)采集、波形顯示、參數(shù)測(cè)量及頻譜分析四大功能。虛擬儀器的發(fā)展已經(jīng)具有快 30 年的歷史，虛擬示波器作為虛擬儀器中的一種典型儀器，是儀器儀表、無(wú)線電通信、雷達(dá)系統(tǒng)等領(lǐng)域不可缺少的一部分。本論文開(kāi)發(fā)了一臺(tái)虛擬示波器。具體內(nèi)容安排如下：第 1 章，緒論：介紹虛擬儀器的概念、構(gòu)成及其優(yōu)勢(shì)，發(fā)展的現(xiàn)狀和本文的研究?jī)?nèi)容。第 2 章，虛擬示波器的設(shè)計(jì)理論：本章主要講了示波器組成部分、波形顯示原理，工作原理以及虛擬示波器在硬件平臺(tái)上的使用，詳細(xì)講述了硬件選擇聲卡的理由。第 3 章，本章講解虛擬示波器的軟件設(shè)計(jì)：本章是重點(diǎn)，詳細(xì)講述了各個(gè)功能模塊具體的實(shí)現(xiàn)過(guò)程，包括數(shù)據(jù)采集和處理、波形顯示、參數(shù)測(cè)量、頻譜分析等模塊。西安交通大學(xué)城市學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）6第 4 章，程序測(cè)試與調(diào)試：本章給出了虛擬示波器系統(tǒng)性能的具體指標(biāo)，進(jìn)行了系統(tǒng)調(diào)試，驗(yàn)證了虛擬示波器的實(shí)用性和優(yōu)越性。第 5 章，總結(jié)與展望：對(duì)設(shè)計(jì)的虛擬示波器進(jìn)行了總結(jié)，并對(duì)將來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)給出了展望。2 虛擬示波器設(shè)計(jì)理論7西安交通大學(xué)城市學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）82 虛擬示波器設(shè)計(jì)理論 虛擬示波器的基本原理虛擬示波器主要由軟件來(lái)完成信號(hào)的采集、處理和輸出。系統(tǒng)軟件包括前面板生成框圖程序和圖標(biāo)連接端口。儀器主要功能包括：通道選擇、時(shí)基幅值控制、濾波器、信號(hào)發(fā)生器、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與回放等。在完成各個(gè)功能時(shí)其實(shí)示波器就是利用電子射線的偏轉(zhuǎn)，來(lái)顯示電信號(hào)瞬時(shí)值圖象（常成為時(shí)間波形）的一種儀器。它能快速的把肉眼不能直接看見(jiàn)的電信號(hào)的時(shí)變規(guī)律，以可見(jiàn)的形式，形象的顯示出來(lái) [7]。 虛擬示波器的功能方框圖本文設(shè)計(jì)的示波器的能首先是完成信號(hào)的采集，然后將采集到的信號(hào)經(jīng)過(guò)通道選擇，再進(jìn)行濾波器的濾波，最后將波形顯示出來(lái)。完成波形顯示后示波器對(duì)其中的數(shù)據(jù)進(jìn)行參數(shù)測(cè)量。其功能方框圖如圖 21 所示信號(hào)采集通道選擇通道 通道 B 通道 A波形顯示 濾波器 數(shù)據(jù)保存參數(shù)測(cè)量 波形顯示 數(shù)據(jù)回放波形顯示圖 21 虛擬示波器功能方框圖 虛擬示波器的 聲卡采集原理模擬信號(hào)經(jīng)同軸電纜進(jìn)入采集卡的輸入通道，經(jīng)過(guò)前置濾波