【正文】 struments， Data Acquisition Cards， Signal Generators， LABVIEW 目 錄 1 緒 論 1 虛擬儀器的發(fā)展趨勢(shì) 3 2 虛擬儀器 5 虛擬儀器系統(tǒng)的組成 6 虛擬儀器的軟件結(jié)構(gòu) 9 虛擬儀器的發(fā)展方向 12 PC 機(jī) 12 數(shù)據(jù)采集卡的選擇 12 數(shù)據(jù)采集卡的組成 13 USB6211 13 4 系統(tǒng)總體的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn) 14 系統(tǒng)框架和設(shè)計(jì)流 程 15 程序框圖的具體設(shè)計(jì)步驟 17 PWM波信號(hào)發(fā)生器 19 整體程序的具體實(shí)現(xiàn) 4 圖 虛擬儀器的內(nèi)部功能的劃分 14 圖 基本波形虛擬通道 15 圖 PWM波虛擬通道 16 圖 基本信號(hào)波形運(yùn)行 16 圖 循環(huán)及清除程序 17 圖 基本信號(hào)發(fā)生器前面板 18 圖 PWM波信號(hào)發(fā)生程序 高等學(xué)校特別是理工科的教學(xué)、科研需要大量的儀器設(shè)備，例如信號(hào)源、示波器等，常用儀器都必須配置多套，但是有些儀器設(shè)備價(jià)格昂貴，如果按照傳統(tǒng)模式新建或者改造實(shí)驗(yàn)室投資巨大，造成許多學(xué)校儀器設(shè)備缺乏或過時(shí)陳舊，嚴(yán)重影響教學(xué)科研。同時(shí)還出現(xiàn)了可用來測(cè)量脈沖電路或用作脈沖調(diào)制器的脈沖信號(hào)發(fā)生器。自從 70年代微處理器出現(xiàn)以后，利用微處理器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器和數(shù)模轉(zhuǎn)換器，硬件和軟件使信號(hào)發(fā)生器的功能擴(kuò)大，產(chǎn)生比較復(fù)雜的波形。其基本原理如圖 所示。再次，按其產(chǎn)生頻率的方法又可分為諧振法和合成法兩種。在此背景下， 1986 年美國國家儀器公司 (National Instruments， NI)提出了虛擬儀器 (Virtual Instrument， VI)的概念。 由于虛擬儀器的功能和性能已被不斷提高，如今在許多應(yīng)用中它已成為傳統(tǒng)儀器的主要替代方式。所有這些必將加快虛擬儀器的發(fā)展，使它的功能和應(yīng)用領(lǐng)域不斷增強(qiáng)和擴(kuò)大。本設(shè)計(jì)以數(shù)據(jù)采集卡的物理通道進(jìn)行設(shè)計(jì)，從 LABVIEW 設(shè)計(jì)的程序中產(chǎn)生的模擬（數(shù)字）輸入，經(jīng)過信號(hào)調(diào)節(jié)后，由數(shù)據(jù)采集卡采集并輸出信號(hào)。 虛擬儀器的核心技術(shù)思想就是“軟件即是儀器”。這是虛擬儀器最大的優(yōu)點(diǎn)之一，有了這一點(diǎn)，儀器的開發(fā)和換代時(shí)間將大大縮短。 虛 擬 儀 器 開 發(fā) 者虛 擬 儀 器 軟 件 面 板虛 擬 儀 器 軟 件 開 發(fā) 平 臺(tái)底 層 驅(qū) 動(dòng) 程 序硬 件 模 塊虛 擬 儀 器 開 發(fā) 者操 作 系 統(tǒng) 圖 虛擬儀器開發(fā)框圖 5 虛擬儀器技術(shù)的優(yōu)勢(shì)在于可由用戶定義自己的專用儀器系統(tǒng)，且功能靈活，很容易構(gòu)建，所以應(yīng)用面極為廣泛。在高速度、高帶寬和專業(yè)測(cè)試領(lǐng)域，獨(dú)立儀器具有無可替代的優(yōu)勢(shì)。虛擬儀器與之不同，它可以通過在幾個(gè)分面板上的操作來實(shí)現(xiàn)比較復(fù)雜的功能。 3）儀器的功能是由用戶根據(jù)需要用軟件來定義，不是事先由廠家定義的。 7）可方便地存貯和交換測(cè)試數(shù)據(jù)，測(cè)試結(jié)果的表達(dá)方式更加豐富多樣。 6 虛擬儀器系統(tǒng)的組成 虛擬儀器是基于計(jì)算機(jī)的儀器。另一種方式是將儀器裝入計(jì)算機(jī)，以通用的計(jì)算機(jī)硬件及操作系統(tǒng)為依托，實(shí)現(xiàn)各種儀器功能，虛擬儀器主要是指這種方式 [9]。對(duì)于虛擬儀器，前一部分由硬件構(gòu)成，后兩部分主要由軟件實(shí)現(xiàn)。 虛擬儀器 I/O 接口設(shè)備 I/O 接口設(shè)備主要 用來完成被測(cè)輸入信號(hào)的采集、放大、模數(shù)轉(zhuǎn)換。其中 USB 是最新技術(shù)的數(shù)據(jù)采集卡，具有精度高，可攜性好等優(yōu)點(diǎn)，它更加充分地利用計(jì)算 機(jī)的資源，大大增加了測(cè)試系統(tǒng)的靈活性和擴(kuò)展性；利用 DAQ 卡可方便快速地構(gòu)建虛擬儀器系統(tǒng)。這種基于計(jì)算機(jī)的儀器，既具有高檔儀器的測(cè)量品質(zhì)， 又能滿足測(cè)量需求的多樣性。典型的GPIB 測(cè)試系統(tǒng)包括一臺(tái)計(jì)算機(jī)，一塊基于 GPIB 總線的接口卡和多臺(tái) GPBI 儀器軟件及相應(yīng)的傳感模塊硬件。 3） VXI(VME bus eXtension for Instrumentation )是 VME 總線在儀器領(lǐng)域的擴(kuò)展，上個(gè)世紀(jì) 1993 年 VXI 總線 版本被批準(zhǔn)為 IEEE1155 標(biāo)準(zhǔn)，成為開放式工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。 PXI 是在 PCI 內(nèi)核技術(shù)上增加了成熟的技術(shù)規(guī)范和要求形成的。 虛擬儀器的軟件結(jié)構(gòu) 虛擬儀器技術(shù)的核心是軟件，其軟件基本結(jié)構(gòu)如圖 所示。隨著軟件技術(shù)的迅速發(fā)展，軟件開發(fā)的模塊化、復(fù)用化以及各種硬件儀器驅(qū)動(dòng)軟件的模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化，虛擬儀器軟件開發(fā)將變得更加快速、方便。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 和 9 LabWindows/CVI。 圖形化虛擬儀器開發(fā)平臺(tái) —— LABVIEW LABVIEW(Laboratory Virtual Instrument Engineering)是一種圖形化的編程語言，它廣泛地被工 業(yè)界、學(xué)術(shù)界和研究實(shí)驗(yàn)室所接受，視為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)采集和儀器控制軟件。 傳統(tǒng)的文本式編程是一種順序的設(shè)計(jì)思路，設(shè)計(jì)者必須寫出執(zhí)行的語句。因此， LABVIEW 受到越來越多工程師和科學(xué)家的青睞。 1）前面板：前面板是圖形用戶界面，也就是 VI 的虛擬儀器面板，這一界面上有用戶輸入和顯示輸出兩類對(duì)象，具體表現(xiàn)有開關(guān)、旋鈕、圖形以及其他控制和顯示對(duì) 10 象。流程圖中包括前面板上的控件連線端子，還有一些前面板 上沒有，但編程必須有的東西，例如函數(shù)、結(jié)構(gòu)和連線等。 （ 2） 設(shè)計(jì)的思路和運(yùn)行過程清晰而且直觀。在設(shè)計(jì)大型自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)時(shí)一步完成一個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是相當(dāng)有難度的。同時(shí)也對(duì)于將來系統(tǒng)的維護(hù)提供了便利。 虛擬儀器的發(fā)展方向 虛擬儀器作為新興的儀器儀表，其優(yōu)勢(shì)在于用戶可自行定義儀器的功能和結(jié)構(gòu)等，且構(gòu)建容易、轉(zhuǎn)換靈活，它 已廣泛應(yīng)用于電子測(cè)量、聲學(xué)分析、故障診斷、航天航空、機(jī)械工程、建筑工程、鐵路交通、生物醫(yī)療、教學(xué)及科研等諸多方面。 虛擬儀器作為教學(xué)的新手段，已慢慢地走進(jìn)了電子技術(shù)的課堂和實(shí)驗(yàn)室，正逐漸改變著電子技術(shù)教學(xué)的傳統(tǒng)模式，這也是現(xiàn)代教育技術(shù)發(fā)展 的必然。當(dāng)前應(yīng)該解決的是如何使虛擬儀器和現(xiàn)有儀器配合， 挖掘現(xiàn)有儀器的潛力，達(dá)到逐步淘汰和取代傳統(tǒng)儀器的目的。 數(shù)據(jù)采集卡的選擇 數(shù)據(jù)采集板卡的性能與眾多因素相關(guān)，要根據(jù)具體情況來具體分析 [18]。 2）采樣方法 采集卡通常都有好幾個(gè)數(shù)據(jù)通道，如果所有的數(shù)據(jù)通道都 輪流使用同一個(gè)放大器和 A/D 轉(zhuǎn)換器，要比每個(gè)通道單獨(dú)使用各自的經(jīng)濟(jì)的多，但這僅適用于對(duì)時(shí)間不是很重要的場(chǎng)合。 4）電壓動(dòng)態(tài)范圍 電壓范圍指 ADC 能掃描到的最高和最低電壓。將各路信號(hào)輪流切換至放大器的輸入端，實(shí)現(xiàn)多參數(shù)多路信號(hào)的分時(shí)采集。 3）采樣保持器。 USB6211 USB6211 是 NI 公司的一款多功能數(shù)據(jù)采集卡，是一款 USB 總 線供電 M 系列多功能 DAQ 模塊，在高采樣率下也能保持高精度。 NI USB6211 為移動(dòng)應(yīng)用或空間上有限制的應(yīng)用專門設(shè)計(jì)。 基于以上原因，本設(shè)計(jì)采用了 USB6211 數(shù)據(jù)采集卡。 程序框圖的具體設(shè)計(jì)步驟 利用 LABVIEW 設(shè)計(jì)一個(gè)系統(tǒng)，其中的主要部分是程序框圖的設(shè)計(jì)，以下就是程序框圖設(shè)計(jì)的基本過程。本設(shè)計(jì)中的 PWM 波是基于計(jì)數(shù)器產(chǎn)生的，采樣時(shí)鐘則是設(shè)置成計(jì)數(shù)器（隱式）。 圖 基本信號(hào)波形運(yùn)行 圖 PWM 波運(yùn)行 17 4）運(yùn)行后，需要不斷循環(huán)該程序，則在兩個(gè)程序后都添加循環(huán)程序，并可以根據(jù)用戶 的需求隨時(shí)按下停止按鈕。在這部分中，主要是采集參數(shù)的設(shè)置，其中包括物理通道的選擇，采樣模式、采樣率、每通道采樣數(shù)、每緩沖的循環(huán)次數(shù)的配置，采樣最大最小值、預(yù)設(shè)頻率、幅值、波形類型的設(shè)置。 3） 給輸出緩沖區(qū)編寫波形。 在設(shè)計(jì)好程序之后，圖 是基本信號(hào)發(fā)生器程序所對(duì)應(yīng)的前面板，分別顯示了波形參數(shù)，采樣參數(shù)，物理通道參數(shù)和輸出波形等控件， 可以很方便地進(jìn)行參數(shù)調(diào)節(jié)，物理通道修改和觀察輸出波形是否出現(xiàn)失真或噪聲。圖 是 PWM 波信號(hào)發(fā)生程序。 3）調(diào)用 Start，并開始產(chǎn)生脈沖序列。 圖 PWM 波信號(hào)發(fā)生前面板 硬件連接調(diào)試 在分別完成基本信號(hào)發(fā)生器和 PWM 波信號(hào)發(fā)生器的前面板和程序框圖后，需要與硬件連接，設(shè)置物理通道，然后運(yùn)行，看是否可以輸出符合實(shí)驗(yàn)要求的波形。圖 、圖 是分別是組合后的程序框圖。前面板應(yīng)提供良好的人機(jī)交互界面，可以實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室里幾種常見的信號(hào)波形。在輸出基本波形時(shí)如果需要增波形的頻率，則需要減小波形的采樣頻率，否則會(huì)由于硬件的溢出問題而不能運(yùn)行，但是減小采樣頻率容易讓波形產(chǎn)生失真。 通過本設(shè)計(jì)，深刻地認(rèn)識(shí)到了虛擬儀器技術(shù)是當(dāng)代儀器發(fā)展的重要 發(fā)展方向。 Moure， Mar237。 感謝蔡老師、王文明老師在開題答辯和中期檢查中給予我的幫助和指導(dǎo)。