【正文】 LABVIEW 將軟件的界面設(shè)計(jì)和功能設(shè)計(jì)獨(dú)立開來，修改人機(jī)界面無需對(duì)整個(gè)程序進(jìn)行調(diào)整， LABVIEW 是利用數(shù)據(jù)流框圖接 受指令，使程序簡單明了，充分發(fā)揮了圖形化編程環(huán)境的優(yōu)點(diǎn)。主要有 Microsoft公司的 Visual Basic與 Visual C++，本科生畢業(yè)論文 35 Borland 公司的 Delphi， Sybase 公司的 Power Builder。 基于 LABVIEW的虛擬示波器設(shè)計(jì) 34 模擬信號(hào)輸出連接及外圍電路 （ 1） PCI6221 有兩個(gè) D/A轉(zhuǎn)換通道， AO0OUT、 AO1OUT，您可以使用內(nèi)部提供的 5V/10V 的基準(zhǔn)電壓產(chǎn)生 0 到 +5/+10 的模擬量輸出，您也可以使用外部基準(zhǔn)電壓 AO0REF、 AO1REF，外部基準(zhǔn)電壓范圍是 10V/+10V，比如外部參考電壓是 7V則輸出 0V到 +7V 的輸出電壓。例如，將通道 0對(duì)應(yīng)管腳 DI0與數(shù)字地 DGND 短接，則通道 0對(duì)應(yīng)的狀態(tài)指示燈 (Bit0)變綠，在 DI0 與數(shù)字地之間接入 +5V 電壓，則指示燈變紅。 點(diǎn)擊 “Setup”彈出下圖，可設(shè)置模擬輸入通道是單端 輸入或是差分輸入以及兩個(gè)模擬輸出通道 D/A轉(zhuǎn)換的參考電壓。 安裝與測(cè)試 軟件的安裝： 第一步：將啟動(dòng)光盤插入光驅(qū)； 第二步：安裝執(zhí)行程序?qū)?huì)自動(dòng)啟動(dòng)安裝 。該特性提供了連續(xù)高速的數(shù)據(jù)輸入及 Windows 下更可靠的性能。在安裝插卡時(shí)，用戶不需要設(shè) 置任何跳線和 DIP 撥碼開關(guān)。 建立時(shí)間：從輸入信號(hào)變化開始到輸出電壓進(jìn)入與穩(wěn)態(tài)值相差 1/2LSB 范圍以 內(nèi)的時(shí)間。 如： ％ FSR。 表示方法： （ 1)用輸入二進(jìn)制數(shù)的位數(shù)表示；如 8位。 ： 電阻種類少，便于集成；開關(guān)切換時(shí)，各點(diǎn)電位不變。 D/A 轉(zhuǎn)化技術(shù) D/A 轉(zhuǎn)換是將輸入的數(shù)碼轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的模擬量輸出，起到解碼作用，故又稱為譯碼或解碼器。 一般以輸出二進(jìn)制（或十進(jìn)制）數(shù)的位數(shù)表示。 （二）線性電壓比較型 A/D 轉(zhuǎn)換 線性電壓比較型 A/D 轉(zhuǎn)換中，用作比較 的參考電壓 Vr是一個(gè)線性增長（或下降）的斜變電壓（鋸齒波電壓），因此這種轉(zhuǎn)換又叫做斜坡型，單斜（單積分）型A/D 轉(zhuǎn)換它雖然也是通過兩個(gè)電壓直接比較對(duì)輸入電壓進(jìn)行測(cè)量轉(zhuǎn)換，但是與逐次比較反饋編碼技術(shù)不同，不是在比較測(cè)量過程中直接進(jìn)行量化和編碼，而是通過中間量 —— 時(shí)間間隔間接進(jìn)行的。 逐次比較型 A/D轉(zhuǎn)換的特點(diǎn)： 基于 LABVIEW的虛擬示波器設(shè)計(jì) 20 （ 1）轉(zhuǎn)換速度高。試碼過程中 ，每次加碼是保持還是撤掉，要由加碼后天平的失衡狀況來決定。轉(zhuǎn)換器的種類繁多，分類方法也不統(tǒng)一。） 顯然要滿足 ： (m a x)(m a x)(m a x)2isiis ff fff ? ?? 取樣－保持電路 L? 為高電平時(shí)，場(chǎng)效應(yīng)管 T導(dǎo)通 ,進(jìn)行取樣 IFIO RR?? ?? L? 為低電平時(shí)， T 截止。在理想條件下模擬信號(hào)可以精確的表示它所代表的物理量，也就是說它喲無限高的分辨率。 幾乎所有的測(cè)量、控制或通訊信號(hào)都會(huì)不同程度地受到其它信號(hào)的干擾，特別是電網(wǎng)產(chǎn)生的工頻干擾。可用圖 表示： 符號(hào)位 二進(jìn)制補(bǔ)碼 基于 LABVIEW的虛擬示波器設(shè)計(jì) 16 圖 二進(jìn)制補(bǔ)碼表示法 AD 采樣時(shí)必須滿足采樣定理。當(dāng)輸出數(shù)字量為 D時(shí)，對(duì)應(yīng)的輸入模擬電壓應(yīng)為 D ，即量化單元的整數(shù)倍。數(shù)據(jù)的采集是一切控制的基礎(chǔ)。此外，局部變量和屬性節(jié)點(diǎn)也要引起注意。一致性包括： ① 一個(gè) VI 程序的 GUI 之間要保持一致； ② VI的 GUI 要與平時(shí)大家用的應(yīng)用程序色調(diào)一致。針對(duì)一些特殊的任務(wù)， LABVIEW 還提供一些附加的工具包，非常方便。 本科生畢業(yè)論文 13 第二章 方案及 關(guān)鍵 技術(shù) 基于 LabVIEW 虛擬儀器的 智能火車車輪測(cè)試系統(tǒng) 設(shè)計(jì) 由好幾 部分組成。 基于 LABVIEW的虛擬示波器設(shè)計(jì) 12 虛擬儀器的發(fā)展已經(jīng)具有快 30 年的歷史， 基于 LabVIEW 虛擬儀器的 智能火車車輪測(cè)試系統(tǒng) 設(shè)計(jì) 作為虛擬儀器中的一種典型儀器，是儀器儀表、 工業(yè)監(jiān)控 等領(lǐng)域不可缺少的一部分。就目前現(xiàn)狀來看，國內(nèi)外所做的努力都是把精力放在車輪的生產(chǎn)或修復(fù)環(huán)節(jié)的缺陷檢測(cè)方面，在線檢測(cè)相對(duì)較少。 本科生畢業(yè)論文 11 課題背景和課題目的 在當(dāng)代信息發(fā)展迅速的情況下 ,各類通信方式為人們提供著強(qiáng)大的支柱?！碧摂M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。國內(nèi)專家預(yù)測(cè)：未來幾年內(nèi)，我國將有 50%的儀器為虛擬儀器。 近一、兩年來這些學(xué)校在原有的基礎(chǔ)上，又開發(fā)了一批新的虛擬儀器系統(tǒng)用于教學(xué)和科研。 當(dāng)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(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）。 關(guān)鍵是硬件，升級(jí)成本較高，且升級(jí)必須上門服務(wù)。 （ 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）。現(xiàn)在計(jì)算機(jī)上的 USB 接口越來越多，也使得工程師可以很方便的將基于 USB 的測(cè)量儀器 連接到整個(gè)系統(tǒng)中。 本科生畢業(yè)論文 7 （ 5） PXI 總線形式的 VI PXI總線是 PCI eXtension for Instrumentation 的縮寫，是 PCI在 VI 領(lǐng)域的擴(kuò)展。典型的 GPIB 系統(tǒng)由一臺(tái) PC機(jī)，一塊 GPIB 接口卡和若干臺(tái) GPIB 儀器通過 GPIB 電纜連接而成。它充分利用了計(jì)算機(jī)的總線、機(jī)箱、電源以及軟件的便利，其關(guān)鍵在于 A/D 轉(zhuǎn)換技術(shù)。軟件是虛擬儀器的關(guān)鍵，當(dāng)基本硬件確定以后，就可以通過不同的軟件實(shí)現(xiàn)不同的功能。 NI 公司同時(shí)也提出了“軟件即儀器”的口號(hào)，徹底打破了傳統(tǒng)儀器只能由廠家定義，用戶無法改變的局面，從而引起了儀器和自動(dòng)化工業(yè)的一場(chǎng)革命。它推動(dòng)著傳統(tǒng)儀器朝著數(shù)字化，智能化，模塊化，網(wǎng)絡(luò)化的方向發(fā)展。它的功能模塊全部都是以硬件或固定軟件的形式 存在，無論是開發(fā)還是應(yīng)用，都缺乏靈活性。虛擬儀器以透明的方式，通過軟件對(duì)數(shù)據(jù)的分析處本科生畢業(yè)論文 5 理、表達(dá)以及圖形化用戶接口， 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。 1． 1． 3 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。它的最大好處是可以與筆記本計(jì)算機(jī)相連，方便野外作業(yè)，又可與臺(tái)式 PC 相連，實(shí)現(xiàn)臺(tái)式和 便攜式兩用，非常方便。 （ 4） VXI 總線方式的 VI VXI 總線是 VMEbus eXtension for Instrumentation 的縮寫，是高速計(jì)算機(jī)總線 VME 在 VI領(lǐng)域的擴(kuò)展，有穩(wěn)定的電源，強(qiáng)有力的冷卻能力和嚴(yán)格 的 RFI/EMI 屏蔽?，F(xiàn)在，有關(guān) MCN（ Measurement and Control Networks ）方面的標(biāo)準(zhǔn)正在積極進(jìn)行，并取得一定的進(jìn)展。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。 因此，用戶可以根據(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。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。 是目前已經(jīng)發(fā)布的最高傳輸速度。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。它可以取代測(cè)量技術(shù)在傳統(tǒng)領(lǐng)域的各類儀器。一方面，大力引進(jìn)國外虛擬儀器方面的生產(chǎn)技術(shù)；另一方面，發(fā)展基于計(jì)算機(jī)的插卡式硬件模塊為主的測(cè)控技術(shù)，發(fā)展圖形化平臺(tái)的軟件產(chǎn)品，充分利用我們現(xiàn)有的計(jì)算機(jī)及測(cè)控技術(shù)硬件，縮短與國際先進(jìn)水平的差距。目前，虛擬儀器技 術(shù)在 測(cè)量方面的應(yīng)用已日趨成熟，它已成為測(cè)試及測(cè)量領(lǐng)域的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn) ，故此，本文主要探討虛擬儀器技術(shù)在遠(yuǎn)程控制領(lǐng)域中的開發(fā)與應(yīng)用。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。 軟件模塊設(shè)計(jì)是 本章 重點(diǎn)，詳細(xì)講述了各個(gè)功能模塊具體的實(shí)現(xiàn)過程。在此基礎(chǔ)上，程序開發(fā)人員對(duì)所要解決的問題有了大致的了解，甚至可以畫出一個(gè)系統(tǒng)的框圖，之后還要進(jìn)行程序的可行性分析，考慮選用器件的性價(jià)比、開發(fā)風(fēng)險(xiǎn)等。 用戶界面也稱 GUI，即 graphical user interface。測(cè)試過程是項(xiàng)目開發(fā)的重要組成部分。實(shí)際采集時(shí)，噪聲也可能帶來一些麻煩。所規(guī)定的最小數(shù)量單位叫做量化單位，用 S表示。 量化和編碼是在同一個(gè)電路中完成的。采樣定理的出發(fā)點(diǎn)是從采樣數(shù)據(jù)中能夠完全恢復(fù)原始信號(hào)。盡管如此，采樣得到的信號(hào)有時(shí)候仍然含有一定的工頻干擾成分。 A/D 轉(zhuǎn)換的基本步驟： 采樣（取樣）；保持；量化；編碼。一個(gè)理想的 A/D轉(zhuǎn)換器的輸入、輸出關(guān)系可用下式表示： D≈ ( a1+a2+a3+? +an)Vr=DVr 式中的 D是轉(zhuǎn)換器的數(shù)字輸出， Vr為基準(zhǔn)電壓。 （一）逐次比較反饋編碼型 A/D 轉(zhuǎn)換 這種模型類似一架自動(dòng)“電壓天平”，其“砝碼”是一組不都量值的參考電壓。但 Vx﹥ 0時(shí)， 若△ V=VxVf≥ 0則加碼保持，編碼器計(jì)為 1；若△ V=VxVf＜ 0則加碼撤掉，編碼器計(jì)為 0。初看起來只要增加 D/A轉(zhuǎn)換器的位數(shù)，就可以提高逐次比較型的精度，事實(shí)上由于這種形式的轉(zhuǎn)換抗干擾能力低以及電路結(jié)構(gòu)等方面的原因，目前一般只達(dá)到五位讀數(shù)，實(shí)際精不夠高。線性電壓發(fā)生器輸出線性斜變的參考電壓 Vr Vr=Kt （三）階梯波電壓比較型 A/D 轉(zhuǎn)換 這種方式與線性電壓比較型的轉(zhuǎn)換原理相同，差別僅在于用等增量的階梯波電壓代替線性增長的斜坡電壓作為比較基準(zhǔn)。 LSB/2，就表明實(shí)際輸出 的數(shù)字量和理論上應(yīng)得到的輸出數(shù)字量之間的誤差小于最低位的半個(gè)字。 （二）、倒 T 型電阻網(wǎng)絡(luò) D/A 轉(zhuǎn)換器，如圖 所示。因此，經(jīng)常用倒 T型電阻網(wǎng)絡(luò)的分流作用來實(shí)現(xiàn)。 轉(zhuǎn)換誤差的表示形式： （ 1）最低有效位的倍數(shù)。 基于 LABVIEW的虛擬示波器設(shè)計(jì) 26 (3)模擬開關(guān)的導(dǎo)通內(nèi)阻和導(dǎo)通壓降以及電阻網(wǎng)絡(luò)中電阻的偏差引起的誤差稱為非線性誤差。 PCI6221 數(shù)據(jù)采集卡慨述 NI PCI6221 是 NI 公司的 M 系列多功能數(shù)據(jù)采集卡，采用的是一個(gè) A/D 轉(zhuǎn)換器，雖然是多路采集，實(shí)際上是分時(shí)工作的，所 有在多路同時(shí)工作時(shí)采樣率會(huì)成倍降低。這種設(shè)計(jì)能讓您對(duì)不同通道使用不同增益，并自由組合單端和差分輸入來完成多通道的高速采樣。 基于 LABVIEW的虛擬示波器設(shè)計(jì) 28 （ 5） 用于降低噪聲的特殊屏蔽電纜 PCL10168 屏蔽電纜是專門為 PCI6221 所設(shè)計(jì)的，它用來降低模 2 PCI6221 快速安裝使用手冊(cè) 擬信號(hào)的輸入 噪聲。 圖 硬件檢測(cè)圖 第三步：從開始菜單 /程序 /Advantech Device Driver Manager,打開 Advantech Device Manager。例如，要使通道 0輸出 電壓，在 “Manual Output”中設(shè)置輸出值為 ，點(diǎn)擊 “Out”按紐，即可 在管腳 AO0_OUT 與 AO_GND 之間輸出 電壓，這個(gè)值可用萬用表測(cè)得。如果信號(hào)源連有參考地，則 PCI6221 的地端和信號(hào)源的地端之間會(huì)存在電壓差，這個(gè)電壓差會(huì)隨信號(hào)源輸入到輸入端，這個(gè)電壓差就是共模干擾。所以正確選擇軟硬件對(duì)程序開發(fā)和設(shè)計(jì)起著非常重要的作用。 LABVIEW 是實(shí)驗(yàn)室虛 擬儀器工 作平臺(tái)（ Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench） 的簡稱，是美國國家儀器公司（ NI）的創(chuàng)新軟件產(chǎn)品，也是目前應(yīng)用最廣泛、發(fā)展最快、功能最強(qiáng)的圖形化軟件開發(fā)環(huán)境。 LABVIEW 雖然是為計(jì)算機(jī)測(cè)控領(lǐng)域開發(fā)的， 但它的函數(shù)包含了一般高級(jí)計(jì)算機(jī)語言中的。 具體選用哪一種軟件，應(yīng)該由編程者根據(jù)實(shí)際情況選擇。軟件為用戶提供了集成開發(fā)環(huán)境、高水平的儀器硬件接口和用戶接口。測(cè)量單端模擬信號(hào)輸入，標(biāo)準(zhǔn)連接方法，如圖 所示 : 本科生畢業(yè)論文 33 圖 單端模擬輸入連接 （ 2） 差分式模擬輸入連接