【正文】 國(guó)內(nèi)的清華大學(xué)、重慶大學(xué)、西安交通大學(xué)、西安電子科技大學(xué)以及中科泛華電子科技公司，東方振動(dòng)和噪聲技術(shù)研究所等高校和公司，在研究開(kāi)發(fā)虛擬儀器產(chǎn)品和虛擬儀器建設(shè)平臺(tái)以及 消化吸收產(chǎn)品 等 方面做了大量工作，其成果已在汽車發(fā)動(dòng)檢測(cè)、自動(dòng)計(jì)量控制系統(tǒng)等方面得到應(yīng)用。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。華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院信息所開(kāi)發(fā)出的 Inventor 可重構(gòu)虛擬實(shí)驗(yàn)臺(tái)，深圳市藍(lán)津信息技術(shù)有限公司開(kāi)發(fā)了 DRVI 快速可重組虛擬儀器平臺(tái)，可廣泛用于實(shí)驗(yàn)室、工程測(cè)控等場(chǎng)合。虛擬儀器的開(kāi)發(fā)廠家，為擴(kuò)大虛擬儀 器的功能，在測(cè)量結(jié)果的數(shù)據(jù)處理、表達(dá)模式及變換方面也做了許多工作，發(fā)布了各種軟件，建立了數(shù)據(jù)處理的高級(jí)分析庫(kù)和開(kāi)發(fā)工具庫(kù) ， 使虛擬儀器發(fā)展成為可以組建極為復(fù)雜自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的儀器系統(tǒng) [7]。傳統(tǒng)型模擬記錄儀結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、功能單一，存在著卡紙、卡筆、斷線等易 發(fā)故障和換筆、換紙、添墨等大量日常維護(hù)工作。 課題研究的背景 隨著科 學(xué)技術(shù)的發(fā)展，在測(cè)量領(lǐng)域中需要不斷更新測(cè)量設(shè)備，以滿足越來(lái)越高的測(cè)量要求，在我國(guó)，傳統(tǒng)儀器技術(shù)還比較落后，目前大批陳舊的測(cè)試儀器等待更新。這些情況無(wú)疑是大大浪費(fèi)了投資。 記錄儀 是在科學(xué)研究和工程設(shè)計(jì)中廣泛應(yīng)用的一種通用儀器。 本文各章的主要安排： 第一章為緒論部分，綜述本文的研究背景，闡明課題 的研究方法 。 第四章是本文的關(guān)鍵部分，主要介紹了虛擬無(wú)紙記錄儀的各個(gè)功能模塊的具體設(shè)計(jì)方法，并對(duì)設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行了測(cè)試和相應(yīng)的分析。數(shù)據(jù)采集模塊采用 PCI6221 數(shù)據(jù)采集卡，由于硬件部分 主要 是購(gòu)買的成熟產(chǎn)品，本文的研究重點(diǎn)放在軟件的編制和實(shí)現(xiàn)上。將這些子模塊在虛擬儀器的框圖程序中按照一定的邏輯關(guān)系組合起來(lái) ，就形成了完整的虛擬無(wú)紙記錄儀器。它還內(nèi)置了便于應(yīng)用 TCP/IP、 ActiveX 等軟件標(biāo)準(zhǔn)的庫(kù)函數(shù)。使用這種語(yǔ)言內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說(shuō)明書(shū)（畢業(yè) 論文 ） 編程時(shí)，基本上不寫(xiě)程序代碼，取而代之的是流程圖。使用它進(jìn)行原理研究、設(shè)計(jì)、測(cè)試并實(shí)現(xiàn)儀器系統(tǒng)時(shí)，可以大大提高工作效率 [7]。 另外， 還有一個(gè)控制對(duì)象 — 開(kāi)關(guān)，可以啟動(dòng)和停止工作。流程圖中包括前面板上控件的連線端子，還有一些前面板上沒(méi)有，但編程必須有的東西，例如函數(shù)、結(jié)構(gòu)和連線等。 如果將 VI 與標(biāo)準(zhǔn)儀器相比較，那么前面板上的東西就是儀器面板上的東西，而流程圖上的東西相當(dāng)于儀器箱內(nèi)的東西。這些模板集中反映了該軟件的功能與特征。當(dāng)從 Windows 菜單下選擇了 Show Help Window 功能 后，把工具模板內(nèi)選定的任一種工具光標(biāo)放在流程圖程序的子程序或圖標(biāo)上，就會(huì)顯示相應(yīng)的幫助信息。 功能模板是創(chuàng)建流程圖程序的工具。這時(shí)該按鈕被稱作錯(cuò)誤列表。這樣，你就可以根據(jù)數(shù)據(jù)的流動(dòng)狀態(tài)跟蹤程序的執(zhí)行。斷點(diǎn)的顯示對(duì)于節(jié)點(diǎn)或者圖框表示為紅框，對(duì)于連線表示為紅點(diǎn)。 可用探針工具來(lái)查看當(dāng)流程圖程序流經(jīng)某一根連接線時(shí)的數(shù)據(jù)值。在流程圖中使內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說(shuō)明書(shū)（畢業(yè) 論文 ） 用選擇工具或連線工具，在連線上點(diǎn)擊鼠標(biāo)右鍵，在連線的彈出式菜單中選擇“探針”命令，同樣可以為該連線加上一個(gè)探針 。 LabVIEW 依附并發(fā)展了模塊化程序設(shè)計(jì)的概念。 （ 2） 提供了豐富的數(shù)據(jù)采集、分析及存儲(chǔ)的庫(kù)函數(shù)。 （ 6）強(qiáng)大的 Inter 功能，支持常用網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，方便網(wǎng)絡(luò)、遠(yuǎn)程測(cè)控儀器的開(kāi)發(fā)。數(shù)據(jù)采集卡是 虛擬無(wú)紙記錄儀 的重要組成部分，其性能指標(biāo)直接影響 虛擬無(wú)紙記錄儀 的采樣速度、精度等主要指標(biāo)。 數(shù)據(jù)采集的任務(wù)是采集原始信號(hào)，其主要指標(biāo)有采樣精度、采樣速度。采樣率即在單位時(shí)間內(nèi)的測(cè)量次數(shù)，一般用 Hz 即采樣頻率來(lái)表示，也有用 S/s 表示 。通常實(shí)際系統(tǒng)中，放大器的增益是可調(diào)的，設(shè)計(jì)者可以根據(jù)輸入信號(hào)幅值的大小選擇不同的增益倍數(shù)。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，通常將采樣 /保持器 同 A/D 轉(zhuǎn)換器集成在一塊芯片上。 數(shù)據(jù)采集卡的參數(shù)設(shè)置 要使數(shù)據(jù)采集卡正確地實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集功能，必須根據(jù)實(shí)際測(cè)量的需要對(duì)一些參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，這就是數(shù)據(jù)采集卡的軟件驅(qū)動(dòng)。 選擇量程：一般根據(jù)輸入信號(hào)是單極性還是雙極性，選擇合適量程。 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說(shuō)明書(shū)（畢業(yè) 論文 ） 測(cè)量通道是 整個(gè)系統(tǒng)測(cè)量信號(hào)的輸入輸出口 ，產(chǎn)品不同，可測(cè)量的通道數(shù)也不同。也可構(gòu)成工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程監(jiān)控系統(tǒng)。例如熱電偶、電阻式測(cè)溫計(jì)（ RTD）、熱敏電阻器和 IC 傳感器可以把溫度轉(zhuǎn)變?yōu)?ADC 可測(cè)量的模擬信號(hào)。通常情況下數(shù)據(jù)采集設(shè)備是一個(gè)數(shù)據(jù)采集卡，與計(jì)算機(jī)的連接可以采用多種方式。 軟件使 PC 與數(shù)據(jù)采集硬件形成了一個(gè)完整的數(shù)據(jù)采集、分析和顯示系統(tǒng)。一般來(lái)說(shuō)，硬件廠商在賣出硬件的同時(shí)也會(huì)提供驅(qū)動(dòng)程序。 驅(qū)動(dòng)程序L a b V I E W 程序硬 件顯 示A / DB u f f e rD A Q 板 卡信號(hào)外 觸 發(fā)內(nèi) 存B u f f e r 圖 DAQ設(shè)備與計(jì)算機(jī)相連的整體系統(tǒng)框圖 在數(shù)據(jù)采集之前，程序?qū)?duì) DAQ 板卡初始化，板卡上和內(nèi)存中的 Buffer 是數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)的中間環(huán)節(jié)。但是將采集卡的數(shù)據(jù)先送到 Buffer，你就可以先將它們快速存儲(chǔ)起來(lái)，稍后再重新找回它們顯示或分析。 下列情況需要使用 Buffer I/O： （ 1） 需要采集或產(chǎn)生許多樣本，其速率超過(guò)了實(shí)際顯示、存儲(chǔ)到硬件，或?qū)崟r(shí)分析的速度。 （ 2） 需要縮減存儲(chǔ)器的開(kāi)支。硬件觸發(fā)讓板卡上的電路管理觸發(fā)器，控制了 DAQ事件的時(shí)間分配，有很高的精確度。許多儀器提供數(shù)字輸出用于觸發(fā)特定的裝置或儀器，在這里，就是 DAQ 卡。 （ 2） 用戶需要削減軟件開(kāi)支。其中數(shù)字信號(hào) 又 可以分為開(kāi)關(guān)信號(hào)和脈沖信號(hào)；模擬信號(hào)可以分為直流信號(hào)、時(shí)域信號(hào)和頻域信號(hào)。 第二類數(shù)字信號(hào)是脈沖信號(hào)。 模擬直流信號(hào)是靜止的或變化非常緩慢的模擬信號(hào)。在測(cè)量一個(gè)時(shí)域信號(hào)，即一個(gè)波形時(shí)，需要關(guān)注一些有關(guān)波形形狀的特性，比如斜度、峰值等。 采樣頻率、抗混疊濾波器和樣本數(shù) 采樣率 是 輸入信號(hào) 的 最重要的參數(shù)之一。 a) 充分采樣率時(shí)的信號(hào) b) 過(guò)低采樣率的采樣結(jié)果 圖 不同采樣率的采樣結(jié)果 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說(shuō)明書(shū)（畢業(yè) 論文 ） 圖 顯示了一個(gè)信號(hào)分別用充分的采樣率和過(guò)低的采樣率進(jìn)行采樣的結(jié)果。對(duì)于某個(gè)給定的采樣率，能夠正確顯示信號(hào)而不發(fā)生畸變的最大頻率叫做奈奎斯特頻率，它是采樣頻率的一半。 F 12 5 H zF 27 0 H zF 31 6 0 H zF 45 1 0 H z5 0 0f s = 1 0 0S a m p l i n g F r e q u e n c yMagnitude0F r e q u e n c yf s / 2 = 5 0N y q u i s t F r e q u e n c y a) 實(shí)際信號(hào)的頻率組成 F 12 5 H zF 27 0 H zF 31 6 0 H zF 45 1 0 H z5 0 0f s = 1 0 0S a m p l i n g F r e q u e n c yMagnitude0F r e q u e n c yf s / 2 = 5 0N y q u i s t F r e q u e n c yF 3 a l i a s4 0 H zF 2 a l i a s3 0 H zF 4 a l i a s1 0 H z b) 采樣后信號(hào)的頻率組成和混頻偏差 圖 說(shuō)明混疊的例子 假設(shè)采樣頻率 fs 是 100 Hz，再假設(shè)輸入信號(hào)還含有頻率為 25 Hz， 70 Hz， 160 Hz內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說(shuō)明書(shū)（畢業(yè) 論文 ） 和 510 Hz的 成分 ，采樣的結(jié)果會(huì)怎樣呢？低于奈奎斯特頻率（ fs/2=50 Hz）的信號(hào)可以被正確采樣。但是，長(zhǎng)期使用很高的采樣率可能會(huì)導(dǎo)致沒(méi)有足夠的內(nèi)存或者硬盤存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。例 b 中的采樣率是 7/4f。 根據(jù)上面的討論我們已經(jīng)了解到，采樣率必須大于被采樣信號(hào)的頻率的兩倍。 為了保證輸入信號(hào)的頻率全部在給定范圍內(nèi)，需要在采樣器和 ADC 之間安裝一個(gè)低通濾波器（可以通過(guò)低頻信號(hào)但是削弱高頻信號(hào)的濾波器）。但是，這樣的濾波器實(shí)際上并不可能實(shí)現(xiàn)。盡管您只希望通過(guò)所有頻率低于 f1 的信號(hào)，但是過(guò)渡帶中的信號(hào)仍然可能會(huì)導(dǎo)致混頻。 信號(hào)調(diào)理的實(shí)現(xiàn) 從傳感器得到的信號(hào)大多要經(jīng)過(guò)調(diào)理才能進(jìn)入數(shù)據(jù)采集設(shè)備，信號(hào)調(diào)理 功能包括放大、隔離、濾波、激勵(lì)、線性化等。信號(hào)調(diào)理模塊應(yīng)盡可能靠近信號(hào)源或傳感器，使得信號(hào)在受到傳輸信號(hào)的環(huán)境噪聲影響以前已被放大，信噪比得到改善。 濾波的目的是從所測(cè)量的信號(hào)中除 去不需要的成分。 信號(hào)調(diào)理也能夠?yàn)槟承﹤鞲衅魈峁┧璧募?lì)信號(hào)，比如應(yīng)變傳感器、熱敏電阻等需要外界電源或電流激勵(lì)信號(hào)。 即使傳感器直接輸出數(shù)字信號(hào)，有時(shí)也有必要進(jìn)行調(diào)理。在大多數(shù) DAQ 產(chǎn)品中，基本特性包括通道數(shù)、采樣率、分辨率和輸入信號(hào)范圍。如果信號(hào)不滿足這些標(biāo)準(zhǔn)，就應(yīng)使用差分信號(hào)。 通 過(guò)多 路 轉(zhuǎn) 換器， ADC可對(duì)多個(gè)通道進(jìn)行采樣。分辨率要足夠高，數(shù)字化信號(hào)才能有足夠的電壓分辨能力，才能比較好的恢復(fù)原始信號(hào)。高的采樣率是在一定的時(shí)間內(nèi)獲取更多的點(diǎn)，因而能更好地表現(xiàn)原始信號(hào)，根據(jù)采樣定理，最低采樣頻率必須是信號(hào)頻率的兩倍。 DAQ 卡上的范圍、分辨率和增益決定最小可測(cè)的電壓改變。被采樣的信號(hào)可以是瞬態(tài)的或周期信號(hào)。根據(jù)采樣定理 (奈奎斯特定理 )，被測(cè)信號(hào)的帶寬 B必須滿足≤（ 1/2） fs， 表明對(duì)于有限帶寬的信號(hào)，如果其最小頻率小于（ 1/2） fs，采樣信號(hào)中保留了原信號(hào)的信息。 非實(shí)時(shí)采樣一次，取樣信號(hào)每次延遲 △ t ，完成一個(gè)采樣周期后，離散信號(hào)的包絡(luò)也可以反應(yīng)原信號(hào)的波形情況，這是這個(gè)信號(hào)的包絡(luò)周期比原信號(hào)長(zhǎng)很多。也就是說(shuō)，使用非實(shí)時(shí)采樣技術(shù)可以擴(kuò)展被測(cè)信號(hào)的帶寬。 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說(shuō)明書(shū)（畢業(yè) 論文 ） 第四章 虛擬無(wú)紙記錄儀 軟件設(shè)計(jì) 創(chuàng)建虛擬儀器的過(guò)程共分三步：（ 1）設(shè)計(jì)虛擬儀器的前面板。流程圖是一個(gè)編程問(wèn)題的圖形化解決方案（也是虛擬儀器的源代碼）。 虛擬無(wú)紙記錄儀 系統(tǒng)組成如圖 所示： 被 測(cè) 信 號(hào) 數(shù) 據(jù) 采 集 卡 計(jì) 算 機(jī) 軟 面 板 數(shù) 據(jù) 分 析 處 理 波 形 顯 示圖 系統(tǒng)組成框圖 主程序設(shè)計(jì) LabVIEW 前面板用于設(shè)置輸入數(shù)值和觀察輸出量，用于模擬真實(shí) 記錄儀 的前面板。 本人由于虛擬儀器處在初學(xué)階段，所 設(shè)計(jì)的虛擬無(wú)紙 記錄儀 功能也比較簡(jiǎn)單，僅能實(shí)現(xiàn)對(duì)一般電壓信號(hào) 的 采集、讀取、 電平測(cè)量、 和保存 等功能 。 其工作過(guò)程：首先對(duì) 記錄儀 的通道進(jìn)行設(shè)置，設(shè)置好后使 記錄儀 軟件處于運(yùn)行狀態(tài)，然后按下采集按鈕波形就會(huì)被采 入，采入 的波形將會(huì)在波形顯示控件上顯示出來(lái)，如果想要保存此時(shí)的波形文件，按下保存按鈕波形即被保存，如果想要再次看到 以前 保存的波形，按下讀取按鈕，在彈出的對(duì)話框中選擇 以前已 保存的 波形 文件，波形就會(huì)在回放內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說(shuō)明書(shū)（畢業(yè) 論文 ） 波形顯示控件上顯示 。下面逐一介紹它們的功用： 圖 NIDAQmx 創(chuàng)建虛擬通道函數(shù) NIDAQmx 創(chuàng)建虛擬通道函數(shù) 如 圖 所示，其作用是創(chuàng)建了一個(gè)虛擬通道并且將它添加成一個(gè)任務(wù)。這包括指定操作是否連續(xù)或有限、為有限的操作選擇用于采集或生成的采樣數(shù)量，內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說(shuō)明書(shū)（畢業(yè) 論文 ） 以及 在需要時(shí)創(chuàng)建一個(gè)緩沖區(qū)。這個(gè)隱式的轉(zhuǎn)換也發(fā)生在如果 NIDAQmx 啟動(dòng)任務(wù)函數(shù)未被使用而且NIDAQmx寫(xiě)入函數(shù)與它相應(yīng)指定的自動(dòng)輸 入一起執(zhí)行。如果任務(wù)現(xiàn)在正在運(yùn)行，那么這個(gè)函數(shù)首先終止任務(wù)然后釋放它所有的資源。 Error Handle 函數(shù) 圖 Simple Error Handle 函數(shù) Simple Error Handle 如圖 所示， 這是一個(gè)簡(jiǎn)單的錯(cuò)誤處理函數(shù)，通過(guò)它可以設(shè)定是否彈出錯(cuò)誤對(duì)話框，若彈出對(duì)話框可以設(shè)定錯(cuò)誤對(duì)話框的顯示格式，并將錯(cuò)誤簇的各個(gè)元素及錯(cuò)誤對(duì)話框顯示信息 作為輸出。通過(guò)這些參數(shù)可以直接看出輸入電壓的某些屬性 ， 這樣更有利于我們對(duì)與測(cè)量信號(hào)的認(rèn)識(shí) ， 信號(hào)測(cè)量模塊的 程序框圖如圖 所示： 圖 信號(hào) 測(cè)量模塊程序框圖 信號(hào) 測(cè)量模塊主要用到的函數(shù)是幅值 和 電平測(cè)量函數(shù) ， 其圖標(biāo)如圖 所示， 圖 幅值和電平測(cè)量函數(shù) 信號(hào)一行用于輸入所側(cè)的電壓信號(hào)，均值（直流）一行用于輸出 一段時(shí)間內(nèi)電壓的均值。內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說(shuō)明書(shū)（畢業(yè) 論文 ） 通過(guò)對(duì)幅值和電平測(cè)量函數(shù)的屬性設(shè)置還可以增添一些測(cè)量功能，比如測(cè)量周期均值、周期均方根值等等，這些功能可以根據(jù)用戶的需要進(jìn)行設(shè)置。波形文件實(shí)際上。波形存儲(chǔ)和讀取程序流程圖如圖 、 所示 : 開(kāi) 始寫(xiě) 盤寫(xiě) 波 形 文 件 程 序結(jié) 束 圖 波形存儲(chǔ)程序流程圖 開(kāi) 始讀 盤讀 波 形 文 件 程 序結(jié) 束波 形 顯 示 圖 讀取已存波形程序流程圖 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說(shuō)明書(shū)（畢業(yè)