【正文】 的結構、概念和設計觀點都發(fā)生了巨大的變革，它的出現使得人類的測試技術進入了一個新的發(fā)展紀元。 虛擬儀器的概念虛擬儀器是指通過應用程序將計算機、軟件的功能模塊和儀器硬件結合起來，用戶可以通過友好的圖形界面（通常叫做虛擬前面板，簡稱前面板）來操作這臺計算機就像在操作自己定義、自己設計的一臺個人儀器一樣，從而完成對被測信號的采集、分析、判斷、顯示、數字存儲等。虛擬儀器以透明的方式，通過軟件對數據的分析處理、表達以及圖形化用戶接口，把計算機資源（如微處理器、顯示器等）和儀器硬件（如 A/D、D/A、數字 I/O、定時器、信號調理等）的測試能力和控制能力結合起來。虛擬一起突破了傳統(tǒng)儀器以硬件為主體的模式，實際上使用者是在操作具有測試軟件的電子計算機進行測量，猶如操作一臺虛設的電子儀器。虛擬儀器技術的實質是充分利用最新的計算機技術來實現和擴展傳統(tǒng)儀器的功能。軟件是虛擬儀器的關鍵，當基本硬件確定以后，就可以通過不同的軟件實現不同的功能。用戶可以根據自己的需要，設計自己的儀器系統(tǒng)，滿足多種多樣的應用要求。利用計算機豐富的軟、硬件資源，可以大大突破傳統(tǒng)儀器西安交通大學城市學院本科畢業(yè)設計（論文）2的數據的分析、處理、表達、傳遞、存儲等方面的限制，達到傳統(tǒng)儀器無法比擬的效果。它不僅可以用于電子測量、測試、分析、計量等領域，而且還可以用于進行設備的監(jiān)控以及工業(yè)過程自動化。虛擬儀器還可以廣泛用于電力工程、物礦勘探、醫(yī)療、振動分析、聲學分析、故障診斷及教學科研等多個方面 [1]。 虛擬儀器的構成虛擬儀器從構成要素上講，由計算機、應用軟件和儀器硬件等構成；從構成分式上講則由以 DAQ 板和信號調理為儀器硬件而組成的 PCDAQ 測試系統(tǒng)，或已 GPIB， VXI，Serial 和 Field bus 等標準總線儀器為硬件組成的 GPIB 系統(tǒng)、VXI 系統(tǒng)、串口系統(tǒng)和現場總線系統(tǒng)等多種形式 [2]。虛擬儀器的構成如圖 11所示。顯示器信號分析及處理器入機接口 各類接口A/D 轉換器數據發(fā)生器信號調理器信號調理器輸入信號 D/A 轉換器信號調理器信號輸出圖 11 虛擬儀器的結構 虛擬儀器的優(yōu)點一臺性能優(yōu)良的虛擬儀器不僅可以實現傳統(tǒng)儀器的大部分功能，而且在許多方面有傳統(tǒng)儀器無法比擬的優(yōu)點，如使用靈活方便、功能豐富、價格低廉、可一機多用、可重復開發(fā)等。與傳統(tǒng)儀器相比虛擬儀器主要有以下幾個優(yōu)點：（1）融合了計算機強大的硬件資源，突破了傳統(tǒng)儀器在數據處理、顯示、存儲等方面的限制，大大增強了傳統(tǒng)儀器的功能。而且高性能處理器、高分辨率顯示器、大容量硬盤等已成為虛擬儀器的標準配置。（2）利用計算機豐富的軟件資源，一方面，實現了部分儀器硬件的軟件話，節(jié)省了物質資源，增加了系統(tǒng)的靈活性；一方面，通過軟件技術和相應的數值算法、實時、直接的對測量數據進行各種分析和處理；另一方面，通過圖形用戶界面（Graph User Interface）技術，真正做到界面友好，人機交互。1 緒論3（3）基于計算機總線和模塊化儀器總線，使儀器的硬件實現了模塊化、系列化，大大縮小了系統(tǒng)的尺寸，可方便的構建模塊化儀器（Instrument on a Card） 。（4）基于計算機網絡技術和接口技術，使 VI 系統(tǒng)具有方便、靈活的互聯(lián)能力，廣泛支持諸如 CAN，Field Bus，PROFIBUS 等各種工業(yè)總線標準。因此，利用 VI 技術可方便的構建自動測試系統(tǒng)（ATS，Automatic Test System） ，實現測量、控制過程的網絡化。（5）基于計算機的開放式標準體系結構。虛擬儀器的硬、軟件都具有開放性、模塊化、可重復使用及互換性等特點。因此，用戶可以根據自己的需要選擇不同廠家的產品，使儀器系統(tǒng)的開發(fā)更為靈活、效率更高，縮短了系統(tǒng)組建和維修的時間[3] 。 虛擬儀器的現狀 國外虛擬儀器的研究現狀虛擬儀器技術目前在國外發(fā)展很快，以美國國家儀器公司（NI 公司）為代表的一批廠商已經在市場上推出了基于虛擬儀器技術而設計的商品化儀器產品。在美國虛擬儀器系統(tǒng)及其圖形編程語言，已作為各大學理工科學生的一門必修課程。美國的斯福坦大學的機械工程系要求三、四年級的學生在實驗時應用虛擬儀器進行數據采集和實驗控制。近年來，世界各國的虛擬儀器公司開發(fā)了不少虛擬儀器開發(fā)平臺軟件，以便使用者利用這些公司提供的開發(fā)平臺軟件組建自己的虛擬儀器或測試系統(tǒng)，并編制測試軟件。最早和最具有影響力的開發(fā)軟件，是 NI 公司的 LABVIEW軟件和 Lab windows/CVI 開發(fā)軟件。LABVIEW 采用圖形化編程方案，是非常實用的開發(fā)軟件。Lab windows/CVI 是為熟悉 C 語言的開發(fā)人員準備的、在windows 環(huán)境下的標準 ANSI C 開發(fā)環(huán)境，除了上述優(yōu)秀的開發(fā)軟件之外，美國 HP 公司的 HPVEE 和 HPTIG 平臺軟件，美國 Tektronix 公司的 EzTest 和TekTNS 軟件，以及美國的 HEM Data 公司的 SnapMaster 平臺軟件，也是國際上公認的優(yōu)秀虛擬儀器開發(fā)平臺軟件。當今虛擬儀器的系統(tǒng)開發(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，以及已經被 PC 機廣泛采用的 USB 串行總線和IEEE1394 總線（即 Fire wire，也叫做火線） 。世界各國的公司，特別是美國 NI公司，為使虛擬儀器能夠適應上述各種總線的配置，開發(fā)了大量的軟件以及適應要求的硬件（插件） ，可以靈活的組建不同復雜程度的虛擬儀器自動檢測系統(tǒng)。西安交通大學城市學院本科畢業(yè)設計（論文）4虛擬儀器開發(fā)商不僅注意使虛擬儀器能夠適應各種通用計算機總線系統(tǒng)，使之為虛擬儀器服務，而且也注意建立各種儀器專用的總線系統(tǒng)。美國 NI 公司在 1997 年 9 月 1 日推出模塊化儀器的主流平臺 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 PXI/Compact PCI 的傳輸速度已經達到 100Mb/s。是目前已經發(fā)布的最高傳輸速度 [4]。 國內虛擬儀器的研究現狀目前主流的虛擬儀器主要是 各種計算機總線和總線標準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箱內或直接插入計算機機箱內，少數情況下是獨立模塊以接口形式接入計算機。它們多數屬于中低頻范圍，主要是工程應用類儀器設備。我國 VXI 總線技術是反映我國目前虛擬儀器水平的一個方面，互聯(lián)網已經使數據共享進入新階段，加速了虛擬儀器的新網絡技術及遠程計算機技術的發(fā)展，而這些技術是傳統(tǒng)儀器不可能實現的，虛擬儀器很好的利用了互聯(lián)網的功能，因此可以把來自測量和設計的數據直接發(fā)布到網上。國內已有部分院校的實驗室引入了虛擬儀器系統(tǒng)，上海復旦大學、上海交通大學、廣州暨南大學、華中理工大學、四川聯(lián)合大學等。近一、兩年來這些學校在原有的基礎上，又開發(fā)了一批新的虛擬儀器系統(tǒng)用于教學和科研。其中，華中理工大學機械學院工程測試實驗室將其開發(fā)成果在網上公開展示。四川聯(lián)合大學的教師基于虛擬儀器的設計思想，研制了“航空電臺二線綜合測試儀”將 8 臺儀器集成于一體，組成虛擬儀器系統(tǒng)，使用方便、靈活。清華大學利用虛擬儀器技術構建的汽車發(fā)動機檢測系統(tǒng)，用于汽車發(fā)動機的出廠檢驗。主要檢測發(fā)動機的功率特性、負荷特性等。一臺發(fā)動機檢測完后，就可打印出完整的檢測報告。此外，國內已有幾家企業(yè)在研制 PC 虛擬儀器，哈工大儀器王電子有限責任公司就是其中之一，它的產品已達到一定的批量。其主要產品有數字存儲示波器系列、任意波形發(fā)生器及頻率計系列、多通道大容量波形—記錄系列。國內專家預測：未來幾年內，我國將有 50%的儀器為虛擬儀器。國內將有大批企業(yè)使用虛擬儀器系統(tǒng)對生產設備的運行狀況進行實時監(jiān)測。隨著微型計算機的發(fā)展，虛擬儀器將會逐步取代傳統(tǒng)的測試儀器而成為測試儀器的主流。虛擬儀器技術的提出和發(fā)展，標志著二十一世紀自動測試與電子測試儀器領域技術發(fā)展的一個重要方向 [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。它可以取代測量技術在傳統(tǒng)領域的各類儀器。1 緒論5虛擬儀器在組成和改變儀器的功能和技術性能方面具有靈活性和經濟性，因而特別適應于當代科學技術迅速發(fā)展和科學研究不斷深化所提出的更高跟新的測量課題和測量需要。 “沒有測量就沒有鑒別，科學技術就不能前進。 ”虛擬儀器將會在科學技術的各個領域得到廣泛的應用。VXI 總線將成為未來虛擬儀器的理想硬件平臺，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)由于性價比高、靈活性好而受到大多數用戶的青睞，將得到高速的發(fā)展。隨著計算機硬件、軟件技術的迅速發(fā)展，虛擬儀器將向高性能、多功能、集成化、網絡化方向發(fā)展 [6]。 本文的研究內容虛擬儀器由通用儀器硬件平臺（簡稱硬件平臺）和應用軟件兩大部分構成。硬件平臺主要完成對被測信號的進行調理和采集。儀器硬件可以是插入式數據采集卡及必要的外圍電路（含信號調理電路、A/D 轉換器、數字 I/O、定時器、D/A 轉換器等） ，或者是帶標準總線接口的儀器，如GPIB、VXI、PXI、STD 、 PCI 總線儀器和網絡化儀器等。目前市場上的 A/D 采集卡和數據采集卡以及帶標準總線接口的儀器等，其價格均不菲，以畢業(yè)設計的目的來說，性價比以及實用程度顯的不高。進而考慮到計算機中的聲卡本身就是一個 A/D，D/A 的轉化裝置，具有 16 位的量化精度、數據采集頻率是 ，完成可以滿足特定應用范圍內數據采集的需要，個別性能指標還優(yōu)于商用數據采集卡，而價格卻為商用數據采集卡的十分之一或者幾十分之一，在設計實驗中完全可以滿足要求。因此在本設計中，虛擬示波器的數據采集裝置主要基于聲卡。利用聲卡實現對數據的采集，制作成一個簡易的示波器，示波器能夠實現數據采集、波形顯示、參數測量及頻譜分析四大功能。虛擬儀器的發(fā)展已經具有快 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、無線電通信、雷達系統(tǒng)等領域不可缺少的一部分。本論文開發(fā)了一臺虛擬示波器。具體內容安排如下：第 1 章，緒論：介紹虛擬儀器的概念、構成及其優(yōu)勢，發(fā)展的現狀和本文的研究內容。第 2 章，虛擬示波器的設計理論：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上的使用，詳細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計：本章是重點，詳細講述了各個功能模塊具體的實現過程，包括數據采集和處理、波形顯示、參數測量、頻譜分析等模塊。西安交通大學城市學院本科畢業(yè)設計（論文）6第 4 章，程序測試與調試：本章給出了虛擬示波器系統(tǒng)性能的具體指標，進行了系統(tǒng)調試，驗證了虛擬示波器的實用性和優(yōu)越性。第 5 章，總結與展望：對設計的虛擬示波器進行了總結，并對將來的發(fā)展趨勢給出了展望。2 虛擬示波器設計理論7西安交通大學城市學院本科畢業(yè)設計（論文）82 虛擬示波器設計理論 虛擬示波器的基本原理虛擬示波器主要由軟件來完成信號的采集、處理和輸出。系統(tǒng)軟件包括前面板生成框圖程序和圖標連接端口。儀器主要功能包括：通道選擇、時基幅值控制、濾波器、信號發(fā)生器、數據存儲與回放等。在完成各個功能時其實示波器就是利用電子射線的偏轉，來顯示電信號瞬時值圖象（常成為時間波形）的一種儀器。它能快速的把肉眼不能直接看見的電信號的時變規(guī)律，以可見的形式，形象的顯示出來 [7]。 虛擬示波器的功能方框圖本文設計的示波器的能首先是完成信號的采集，然后將采集到的信號經過通道選擇，再進行濾波器的濾波，最后將波形顯示出來。完成波形顯示后示波器對其中的數據進行參數測量。其功能方框圖如圖 21 所示信號采集通道選擇通道 通道 B 通道 A波形顯示 濾波器 數據保存參數測量 波形顯示 數據回放波形顯示圖 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經同軸電纜進入采集卡的輸入通道，經過前置濾波