【正文】 。 首先，本文介紹了虛擬儀器的研究背景和意義以及國內(nèi)外的一些研究進展。 I 本科畢業(yè)設計 （論文） 題 目 基于高速數(shù)據(jù)采集卡的虛擬示波器的設計 系（院） 信息與控制工程系 基于高速數(shù)據(jù)采集卡的虛擬示波器 的 設計 摘要 隨著計算機技術的發(fā)展，儀器工業(yè)正在經(jīng)歷一場巨變。本文基于 GaGe 公司的高速 II 數(shù)據(jù)采集卡 CS 82G 和通用 PC 平臺，使用 VC++ 編程工具，完成了一種快速虛擬示波器的設計。本文的重點是 第五章 虛擬示 波器的具體實現(xiàn)，這部分完成了虛擬示波器各模塊的詳細設計，包括數(shù)據(jù)采集模塊、用戶界面模塊、頻譜分析模塊、數(shù)字濾波模塊、波形顯示模塊和參數(shù)計算模塊的設計，并給出了設計和實驗結果，還討論和實現(xiàn)了軟件設計中的關鍵技術，最后進行了系統(tǒng)性能分析。virtual oscillograph。虛擬儀器技術充分利用計算機系統(tǒng)強大的數(shù)據(jù)處理。虛擬儀器技術先進，十分符合國際上流行的“硬件軟件化”的發(fā)展趨勢，因而常被稱作“軟 件儀器”。然而在集成的虛擬測量系統(tǒng)中，我們見到的是整潔的桌面，條理的操作，不但使測量人員從繁復的儀器堆中解放出來，而且還可實現(xiàn)自動測量、自動記錄、自動數(shù)據(jù)處理。虛擬儀器強大的功能和價格優(yōu)勢，使得它在儀器計量領域具有很強的生命力和十分廣闊的前景。一臺性能優(yōu)良的虛擬儀器不僅可以實現(xiàn)傳統(tǒng)測量儀器的大部分測量功能 ,在許多方面較傳統(tǒng)儀器有 無法比擬的優(yōu)點 ,如使用靈活方便、測試功能豐富、價格低廉、一機多用等 ,這些使得虛擬儀器成為未來電子測量儀器發(fā)展的 2 方向。以計算機軟件實現(xiàn)各種模擬信號分析 ,處理 ,完成多種多樣的測試。不過 ,這種示波器在應用上存在一些限制因素 ,例如價格昂貴 ,儀器功能和模式固定 ,不具備用戶對儀器進行定義及編程的功能。本課題研究的虛擬示波器是一種重要的虛擬儀器，主要用于超高頻信號的采集、波形顯示和頻譜分析，在雷達信號處理和激光信號處理等領域有著廣泛的應用。在這基礎上，給出了基于數(shù)據(jù)采集卡的虛擬示波器的結構。 4 第二章 虛擬儀器技術 虛擬儀器 (Virtual Instruments, 縮寫為 VI)是指以通用計算機作為系統(tǒng)控制器、由軟件來實現(xiàn)人機交互和大部分儀器功能的一種計算機儀器系統(tǒng)。在這三大功能中，數(shù)據(jù)分析、算法實現(xiàn)和結果顯示完全由基于計算機的軟件完成，只要另外提供一定的數(shù)據(jù)采集硬件、輸出端口和驅動設備，就可構成由計算機組成的測量、控制儀器。由于 VI 的模塊化、開放性和靈活性，以及軟件是關鍵的特點，當用戶的測試、控制要求變化時，可以方便的向用戶自己來增減硬、軟件模塊，或重新配置現(xiàn)有系統(tǒng)以滿足新的測試、控制要求。 虛擬儀器系統(tǒng)中除 PC 機外的硬件主要用于數(shù)據(jù)的采集、輸入，至于系統(tǒng)怎樣處理數(shù)據(jù)，具有怎樣的面板和數(shù)據(jù)輸出的形式等都是由軟件決定的。應用軟件不像傳統(tǒng)儀器的硬件那樣存在元器件老化的問題，大大節(jié)省了維護的費用，延長設備的使用壽命。 因為傳統(tǒng)儀器功能單一，所以對一個信號完成多個參數(shù)的測量需要多臺儀器，使測量受連接方式、電纜度等因素的影響。 6 第三章 基于數(shù)據(jù)采集卡的虛擬示波器的研究 基于數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（采集卡）的虛擬示波器是虛擬儀器的一種重要的構成方式，其中的核心設備數(shù)據(jù)采集卡應具有高速采樣、多種觸發(fā)、存儲數(shù)據(jù)以及與計算機之間交換數(shù)據(jù)的功能，有的數(shù)據(jù)采集卡還具有系統(tǒng)定時和系統(tǒng)同步等功能，它是外界電信號與計算機之間的橋梁，其性能直接決定著數(shù)據(jù)采集的精度和速度，影響著虛擬示波器的整體性能。 傳感器數(shù) 據(jù)采 集硬 件信號調(diào)理P C機軟件 圖 31 基于計算機的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) 常用的數(shù)據(jù)采集硬件的功能包括模擬量輸入、模擬量輸出、數(shù)字量輸出、定時 I/O和觸發(fā)等。 CS 82G基于 PC的一 個主要優(yōu)點是它能夠以極高的速率把數(shù)據(jù)傳輸?shù)?PC的 RAM中，數(shù)據(jù)可以從 RAM中很容易地進行分析、存儲和顯示。 輸入信號經(jīng)衰減和放大后送入觸發(fā)電路及 A/D轉換器。一個采集周期結束后，計算機通過 PCI總線把 RAM中的數(shù)據(jù)讀出，用于數(shù)據(jù)處理和構建信號波形。其支持軟件通過 PC機的 PCI總線接口控制模擬通道的阻抗匹配、放大器的增益選擇、啟動 A/D轉換及轉換結束的識別，并將采集數(shù)據(jù)以 DMA方式傳輸?shù)接嬎銠C內(nèi)存，同時對數(shù)據(jù)信號進行分析處理、顯示、存儲及打印輸出等。器結構簡單，僅由計算機和一塊數(shù)據(jù)采集卡和一張光盤組成，將采集卡插在 PC機的擴展槽上即可工作，軟硬件維護都很方便。本課題設計的虛擬示波器主要是由一塊 PCI總線的高速數(shù)據(jù)采集卡、 PC 機和用 VC++ 開發(fā)的功能模塊軟件組成。 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的任務是采集原始的模擬信號，把它們轉換為計算機可以處理的數(shù)字信號，其主要指標有采樣精度和采樣速度。采樣頻率高，就能在一定時間獲得更多的原始信號信息。即應選用 2GHz 的數(shù)據(jù)采集卡才可以完成最高頻率 為 1GHz 的被測信號的測量工作。虛擬儀器系統(tǒng)的核心技術是軟件技術，一個現(xiàn)代化測控系統(tǒng)性能的優(yōu)劣很大程度上取決于軟件平臺 的選擇與應用軟件的設計。Agilent VEE 和 LabVIEW 則是一種圖形化編程環(huán)境或稱為 G 語言編程環(huán)境，采用了不同于文本語言的流程圖編程方法，十分適合對軟件編程了解較少的工程技術人員使用。 Visual C++可以說是匯集 Microsoft 公司技術精華的主流產(chǎn)品。 本課題設計的虛擬示波器，是在高速數(shù)據(jù)采集卡的支持下，配備一定功能的軟件，完 11 成波形的存儲、分析、顯示等功能。軟件采用模塊化設計，其總體框圖如圖 41所示。 數(shù)據(jù)流從數(shù)據(jù)采集模塊開始，分別流向數(shù)據(jù)存儲模塊和數(shù)據(jù)處理模塊，數(shù)據(jù)存儲模塊負責把用戶感興趣的數(shù)據(jù)存人 硬盤，而數(shù)據(jù)處理模塊負責數(shù)據(jù)的實時顯示、數(shù)字濾波、頻譜分析和波形的參數(shù)計算。各個模塊之間的聯(lián)系如圖 51所示。為了解決這個問題，本文直接創(chuàng)建一個子線程來單獨完成與驅動程序的通信任務，讓主界面專心于響應視窗界面的信息。 （ 2）設置相關參數(shù)準備進行數(shù)據(jù)采集 該采集卡的所有的參數(shù)都是通過軟件進行設置的，驅動程序中提供了一些數(shù)據(jù)結構， 14 使得參數(shù)設置比較容易進行，也可以不用這些數(shù)據(jù)結構。 （ 4）檢測數(shù)據(jù)是否采集結束 相關函數(shù)為 gage_triggered() ， gage_busy() ， gage_force_capture() ，gage_abort_capture()?？梢杂胓age_force_capture()強制觸發(fā)一次，或者用 gage_abort_capture()結束這一次數(shù)據(jù)采集，這樣可以對后續(xù)的數(shù)據(jù)采集產(chǎn)生影響。/*對采集卡進行參數(shù)設置 */ /*開始數(shù)據(jù)采集，觸發(fā)源為軟件觸發(fā) */ gage_start_capture （（ int16） （ =GAGE_SOFTWARE））； 15 /*計算出起始地址、觸發(fā)地址、結束 地址 */ gage_calculate_addresses(GAGE_CHAN_A,sample_rate_table [].sr_calc,amp。 軟面板的設計 用戶界面的設計采用了 VC++中切分多視圖技術，界面主要切分為三個視圖：主視圖基類為 CscrollView，用于顯示波形；還有兩個視圖基類為 CformView，一個用于動態(tài)顯示采集數(shù)據(jù)的特征參數(shù)，另一個用于對示波器進行操作。 （ 2）在框架窗口類的 OnCreateClient()函數(shù)中創(chuàng)建分割條窗口。在參數(shù)顯示模塊中，可以動態(tài)顯示兩個通道的參數(shù)，主要有周期、最大值、有效值、功率和頻率，當然周期和頻率是針對周期信號來說的。 頻譜分析模塊的設計 本軟件利用快速傅里葉變換 (FFT)進行頻譜分析。依次類推，經(jīng)過M1次分解，最后將 N點 DFT分解成 N/2個 2點 DFT. 設計結果 頻譜顯示模塊主要完成對不同通道信號頻譜的顯示，它由 參數(shù)設置對話框和頻譜顯示對話框組成。 數(shù)字濾波模塊主要完成對不同通道的濾波和濾波前后波形的顯示，圖 58為濾波器的控制對話框，它主要完成通道的選擇 、濾波器類型的選擇和一些參數(shù)的輸入。常用的內(nèi)插技術有：直接點顯示、矢量內(nèi)插和正弦內(nèi)插。一般情況下，每個周期要求 20～ 25 個點。一般當采樣點增加到 10 個以上時，才能得到較為準確的正弦波。正弦內(nèi)插器基本上可看作是理想的矩形濾波器，它與矢量法相比不但可以產(chǎn)生精確的波形，也可以得到較高分辨率的定時和幅度測量。因此，正弦內(nèi)插法本質上是一個線性濾波器。 波形顯示技術 虛擬示波器的工作原理是對信號波形進行密集的采樣，采樣值被數(shù)字化并被存儲，然后從存儲器中讀出，重建波形并用清晰的、均勻一致軌跡映現(xiàn)在屏幕上。 與數(shù)字示波器類似，虛擬示波器也有一個不工作區(qū)的問題，捕捉信號需要時間 (包括采樣時間和轉換時間 )，還有一些附加時間 (包括存儲波形、處理波形和顯示等 )。前后兩幅波形在時間上不連續(xù)，中間有一段時間差。 （ 2）滾動方式 滾動方式是通過繪圖方法滾動數(shù)字化波形，使其連續(xù)不斷地被顯示在屏幕上，它的工作方式很象圖表記錄儀。我們定義時間軸的中點為坐標原點，觀察窗口的范圍從 lengh至 length 因此，在時間軸 坐標點為 legthi處，對應的縱坐標為data[legthi ]( i = lenth~length)。 (3) 為了提高畫圖的效率，只需畫出滾動視圖可視部分的圖形，也就是剪裁區(qū)的圖形，因此要得到剪裁區(qū)。 下面是波形顯示的主要代碼 { ?? /*得到第 1個數(shù)據(jù)的橫坐標 */ m_xMin=pMem； /*得到最后 1個數(shù)據(jù)的橫坐標 */ m_xMax=pMen； /*邏輯坐標轉換為設備坐標 */ 26 LogToDew_X(cx,m_xMax)； /*設定滾動視圖的寬度 */ =cx； /*得到裁剪區(qū)矩形 */ pDCGetClipBox(amp。在Windows 中，一個可執(zhí)行程序的運行時刻實例稱為進程（ process）。同時，高優(yōu)先級的線程還可以終止低優(yōu)先級別線程的執(zhí)行，搶占時間片中剩余的時間。但是在 Windows9X 下，實現(xiàn)中可以依靠系統(tǒng)的多線程、搶先多任務機制，將顯示功能 28 在不同于數(shù)據(jù)采集線程的單獨線程中實現(xiàn)，然后通過上面提到的優(yōu)先級調(diào)度、線程同步等機制保證數(shù)據(jù)采集線程不被耗時的顯示線程所延誤。 在本次設計中，除了一個處理用戶輸入消息的用戶界面線程（ User_Interface Threads）之外，創(chuàng)建了兩個輔助線程（ Worker Threads）。由于 CS 82G的存儲器為單口存儲器，我們只能采用單緩沖區(qū)的工作方式，就是說，每采集一定長度的點后，采集線程休眠，并喚醒數(shù)據(jù)處理線程，當數(shù)據(jù)處理線程有信號時，再喚醒采集線程，循環(huán)進行，直至用戶發(fā)出中止命令。這樣，能最大限度的保證采集的實時性，而另外的線程同時又能及時地響應用戶的操作或進行數(shù)據(jù)顯示。 小結 本課題在 Visual C++ 開發(fā)環(huán)境下，利用 CS 82G 高速數(shù)據(jù)采集卡開發(fā)出了雙通道的虛擬示波器。 （ 4）可以通過軟件控制采樣率、觸發(fā)源、觸發(fā)電平、時基、波形縮放、放大器增益、輸入阻抗等。 （ 3）波形均勻、穩(wěn)定 、無閃爍，同時還能跟隨觀察窗口的放大、縮小，而放大、縮小為用戶作細致的觀測提供方便。這一功能使虛擬示波器可用于對控制系統(tǒng)多個工作部位的工況進行監(jiān)視。本文所做的主要工作為： （ 1）研究了虛擬儀器的當今發(fā)展，介紹了虛擬儀器概念和特點，與傳統(tǒng)儀器進行了比較。具有以下主要功能：①實現(xiàn)了波形的實時與動態(tài)顯示；②實現(xiàn)了 FFT，完成了對信號頻譜的顯示；③實現(xiàn)了對采集信號的高通和低通濾波；④實現(xiàn)了對信號頻率、峰值、均值、功率及均方根等參數(shù)的測量及動態(tài)顯示；⑤實現(xiàn)了對波形的存儲。 展望 虛擬儀器技術經(jīng)過十余年的發(fā)展，正沿著總線與驅動程序的標準化、硬 /軟件的模塊化，以及編程平臺的圖形化和硬件模塊的即插即用 (Plugamp。 隨著計算機技術的不斷發(fā)展 ,虛擬儀器技術也會在各領域中發(fā)揮其重要作用 ,它將在促進科技進步 ,創(chuàng)造良好的社會效益和巨大的經(jīng)濟效益方面發(fā)揮卓越的作用 ,并表現(xiàn)出強 32 大的生命力 ,它必然會對科技發(fā)展和工業(yè)生產(chǎn)產(chǎn)生不可估量的影響。繼 “軟件就是儀器 ”概念之后，很可能出現(xiàn) “網(wǎng)絡就是儀器 ”的新概念。 他 淵博的知識、開闊的視 野和敏銳的思維給了我深深的啟迪。 感謝四年生活在一起的顧張亮 、 張歡歡 、 徐春華同學，感謝你們四年對我的悉心照顧。