【正文】 的輸入信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字量輸出，完成信號(hào)幅值的量化。 數(shù)據(jù)采集卡(DAQ 卡)的組成（1）多路開關(guān)。但是處于成本的考慮，現(xiàn)在普遍流行的是各個(gè)數(shù)據(jù)通道公用一套放大器和 A/D 轉(zhuǎn)換器 [12]。② 用戶需要削減軟件開支。軟件觸發(fā)最容易，你可以直接用軟件，例如使用布爾面板控制去啟動(dòng)/停止數(shù)據(jù)采集。不使用 Buffer 意味著對(duì)所采集的每一個(gè)數(shù)據(jù)你都必須及時(shí)處理(圖形化、分析等) 。在差分輸入方式下，每個(gè)輸入可以有不同的參考點(diǎn)，并且有效地消除了共模噪聲的影響，所以差分輸入方式的采集精度較高。圖 33 為十六通道參考地單端測(cè)量系統(tǒng)。 測(cè)量系統(tǒng)的分類（1）差分測(cè)量系統(tǒng)（DEF）信號(hào)的正負(fù)極分別與一個(gè)模擬輸入通道相連接。為了測(cè)量一個(gè)時(shí)域信號(hào)，必須有一個(gè)精確的時(shí)間序列，間隔也要合適，以保證信號(hào)的有用部分被采集到。采集系統(tǒng)在采集模擬直流信號(hào)時(shí)，需要有足夠的精度以正確測(cè)量信號(hào)電平。圖 31 信號(hào)的種類（1）數(shù)字信號(hào)(Digital)第一類數(shù)字信號(hào)是開關(guān)信號(hào)(OnOff)，如圖所示。H而在實(shí)際工作中，為了能用計(jì)算機(jī)處理信號(hào)，須將采樣信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，也就是將采樣信號(hào)的幅值用二進(jìn)制碼來表示，由于二進(jìn)制碼的位數(shù)是有限的，只能代表有限個(gè)信號(hào)的電平，故在編碼之前，首先要對(duì)采樣信號(hào)進(jìn)行“量化”。 數(shù)據(jù)采采集的相關(guān)技術(shù)根據(jù)數(shù)據(jù)采集的任務(wù)可知，數(shù)據(jù)采集的核心過程就是將連續(xù)的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成離散的數(shù)字信號(hào)，這其中就要涉及到采樣。各部分功能如下：（1）前面板前面板是 VI 的監(jiān)護(hù)室用戶接口，與真實(shí)物理儀器面板相似，前面板可以包含旋鈕、刻度盤、開關(guān)、圖表和其他界面工具，允許用戶通過鍵盤或者鼠標(biāo)獲取數(shù)據(jù)顯示結(jié)果。目前，在以 PC 機(jī)為基礎(chǔ)的測(cè)試和工控軟件中， LabVIEW 的市場(chǎng)普及率僅次于 C++/C 語言。LabWindows/CVI 是為熟悉 C 語言的開發(fā)人員準(zhǔn)備的，是在 Windows 環(huán)境下的標(biāo)準(zhǔn) ANSIC 開發(fā)環(huán)境。通常虛擬儀器測(cè)試系統(tǒng)硬件組成部分是由傳感器部件、信號(hào)調(diào)理及信號(hào)采集部件（如外置或內(nèi)置數(shù)據(jù)采集卡、圖形圖像采集卡及攝像機(jī)及其用于輔助測(cè)量并能與計(jì)算機(jī)通訊的常規(guī)儀器等）、通用計(jì)算機(jī)、打印機(jī)等構(gòu)成。采集與控制插入式數(shù)據(jù)采集板G P I B 儀器V X I / P X I 儀器R S 2 3 2 儀器數(shù)據(jù)分析和處理數(shù)字信號(hào)處理數(shù)字濾波統(tǒng)計(jì)分析數(shù)值分析結(jié)果顯示網(wǎng)絡(luò)通信硬盤拷貝輸出文件 I / O圖形用戶接口圖 24 虛擬儀器的內(nèi)部功能的劃分這種結(jié)合基本有兩種方式，一種是將計(jì)算機(jī)裝入儀器，其典型的例子就是所謂智能化的儀器。類驅(qū)動(dòng)器是儀器的功能和屬性集，通過這些功能和屬性集實(shí)現(xiàn)對(duì)一種儀器類(示波器、數(shù)字電壓表、函數(shù)發(fā)生器等)中的儀器進(jìn)行控制。傳統(tǒng)的儀器驅(qū)動(dòng)程序由儀器硬件廠商隨硬件提供，由于不同廠家儀器硬件的差異，使得在更換儀器硬件的同時(shí)不得不修改測(cè)試代碼。RS232 總線是早期采用的通用串行總線，將帶有 RS232 標(biāo)準(zhǔn)總線接口的儀器作為 I/O 接口設(shè)備，通過 RS232 串口總線與計(jì)算機(jī)組成虛擬儀器系統(tǒng)目前仍然是虛擬儀器構(gòu)成方式之一，主要適用于速度較低的測(cè)試系統(tǒng)。儀器專用總線在吸收 IEEE488 的成功經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上，增加了10MHz 時(shí)鐘線，模擬和數(shù)字混合總線，星形總線等高速總線，定時(shí)關(guān)系嚴(yán)格，兼有計(jì)算機(jī)總線和儀器總線的優(yōu)點(diǎn)。對(duì)我國(guó)大多數(shù)用戶來說，它具有很高的性能價(jià)格比，是一種特別適合我國(guó)國(guó)情的虛擬儀器方案。可根據(jù)實(shí)際情況采用不同的 I/O 接口硬件設(shè)備，如數(shù)據(jù)采集卡/ 板(DAQ) 、GPIB 總線儀器、VXI 總線儀器、串口儀器、USB 等。虛擬儀器技術(shù)十分符合國(guó)際上流行的“ 硬件軟件化 ”的發(fā)展趨勢(shì)，因而常被稱作 “軟件儀器” 。5）虛擬儀器開放、靈活，與計(jì)算機(jī)同步發(fā)展，與網(wǎng)絡(luò)及其他周邊設(shè)備互聯(lián)。1）傳統(tǒng)儀器的面板只有一個(gè)，上面布置了種類繁多的顯示和操作元件。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。美國(guó)國(guó)家儀器公司 NI（National　Instruments）提出的虛擬測(cè)量?jī)x器（VI）概念，引發(fā)了傳統(tǒng)儀器領(lǐng)域的一場(chǎng)重大變革，使得計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)得以長(zhǎng)驅(qū)直入儀器領(lǐng)域，和儀器技術(shù)結(jié)合起來，從而開創(chuàng)了“ 軟件即是儀器 ”的先河。國(guó)內(nèi)虛擬儀器研究的起步較晚, 最早的研究也是從引進(jìn)消化 NI 的產(chǎn)品開始. 但經(jīng)過多年研究, 然科學(xué)基金委員會(huì)已將虛擬儀器研究作為現(xiàn)代機(jī)械工程科學(xué)前沿學(xué)科之一，并被列為十五期間優(yōu)先資助領(lǐng)域。IVI 制訂的虛擬儀器統(tǒng)一規(guī)范，提升了儀器驅(qū)動(dòng)軟件標(biāo)準(zhǔn)化水平 [4]。 虛擬儀器的國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀各種虛擬儀器開發(fā)平臺(tái)為虛擬儀器的推廣應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)美國(guó) NI 公司在虛擬儀器概念出現(xiàn)以后，推出了圖形化虛擬儀器專用開發(fā)平臺(tái) LabVIEW。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，在國(guó)防、通信、航空、制造等科技領(lǐng)域，要求測(cè)試和處理的信息數(shù)據(jù)量越來越大、而速度要求也越來越快。LabVIEW 虛擬儀器主要包括前面板、框圖和圖標(biāo)/ 接口部件三部分。與傳統(tǒng)儀器不同，虛擬儀器是由通用計(jì)算機(jī)和一些功能化硬件模塊組成的儀器系統(tǒng)。摘 要虛擬儀器是在計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)上通過增加相關(guān)硬件和軟件構(gòu)建而成的、具有可視化界面的儀器，它融合了測(cè)試?yán)碚?、儀器原理和技術(shù)、計(jì)算機(jī)接口技術(shù)、高速總線技術(shù)以及圖形軟件編程技術(shù)等于一體，利用計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的數(shù)字的處理能力來實(shí)現(xiàn)儀器的諸多功能，打破了傳統(tǒng)儀器的框架，形成了一種新的儀器模式。虛擬儀器是指以通用計(jì)算機(jī)作為系統(tǒng)控制器，由軟件來實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互和大部分儀器功能的一種計(jì)算機(jī)儀器系統(tǒng)。因此，基于虛擬儀器技術(shù)，利用 LabVIEW 語言進(jìn)行信號(hào)采集系統(tǒng)的研制具有重要意義 [2]。但是由于通信協(xié)議不開放，這種測(cè)控系統(tǒng)只是一個(gè)自封閉的系統(tǒng)，只能完成單一的測(cè)控功能，而不能實(shí)現(xiàn)通用。第四階段：在對(duì)現(xiàn)代要求極高的領(lǐng)域，轉(zhuǎn)通的測(cè)控系統(tǒng)已經(jīng)逐漸無法滿足用戶的要求，許多部門或大型企業(yè)迫切要求構(gòu)建基于 Inter 或大型局域網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)化測(cè)控系統(tǒng)，即通常所說的分布式測(cè)控網(wǎng)絡(luò)，此階段是網(wǎng)絡(luò)化測(cè)控系統(tǒng)發(fā)展的成熟階段 [3]。目前，該組織已經(jīng)制訂了示波器/數(shù)字化儀、數(shù)字萬用表、任意波形發(fā)生器 /函數(shù)發(fā)生器、開關(guān)/多路復(fù)用器/矩陣及電源等五類儀器的規(guī)范。這種虛擬儀器模塊化主流平臺(tái) PXI/ CompactPCI 的傳輸速度已經(jīng)達(dá)到 100Mb/s，是目前已經(jīng)發(fā)布的最高傳輸速度。第 2 章 虛擬儀器 虛擬儀器的相關(guān)技術(shù) 虛擬儀器的概念虛擬儀器技術(shù)是測(cè)試技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，是兩門學(xué)科最新技術(shù)的結(jié)晶，融合了測(cè)試?yán)碚?、儀器原理和技術(shù)、計(jì)算機(jī)接口技術(shù)、高速總線技術(shù)以及圖形軟件編程技術(shù)于一體。 虛擬儀器的特點(diǎn)及優(yōu)勢(shì)虛擬儀器是基于計(jì)算機(jī)的功能化硬件模塊和計(jì)算機(jī)軟件構(gòu)成的電子測(cè)試儀器，而軟件是虛擬儀器的核心，如圖 所示，其中軟件的基礎(chǔ)部分是設(shè)備驅(qū)動(dòng)軟件，而這些標(biāo)準(zhǔn)的儀器驅(qū)動(dòng)軟件使得系統(tǒng)的開發(fā)與儀器的硬件變化無關(guān)。在中低檔測(cè)試領(lǐng)域，虛擬儀器可取代一部分獨(dú)立儀器的工作，但完成復(fù)雜環(huán)境下的自動(dòng)化測(cè)試是虛擬儀器的拿手好戲，是傳統(tǒng)的獨(dú)立儀器難以勝任的，甚至不可思議的工作。4）儀器性能的改進(jìn)和功能擴(kuò)展只需更新相關(guān)軟件設(shè)計(jì)，不需購(gòu)買新儀器。圖 21 虛擬儀器開發(fā)框圖虛擬儀器技術(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，其開發(fā)框圖如圖 21 所示。（2）總線技術(shù)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。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。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)。串口系統(tǒng)是以 Serial 標(biāo)準(zhǔn)總線儀器與計(jì)算機(jī)為儀器精簡(jiǎn)平臺(tái)組成的虛擬測(cè)試系統(tǒng)。（2）儀器驅(qū)動(dòng)程序儀器驅(qū)動(dòng)程序是測(cè)試系統(tǒng)中最重要的組成部分之一，用來實(shí)現(xiàn)儀器硬件的通信、控制功能。IVI 驅(qū)動(dòng)器通過一個(gè)通用的類驅(qū)動(dòng)器實(shí)現(xiàn)對(duì)儀器的控制。計(jì)算機(jī)和儀器的密切結(jié)合是目前儀器發(fā)展的一個(gè)重要方向。與傳統(tǒng)儀器相比，虛擬儀器設(shè)計(jì)日趨模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化，設(shè)計(jì)工作量大大減小。LabVIEW 采用圖形化編程方案，是非常實(shí)用的開發(fā)軟件。而 LabVIEW 是基于數(shù)據(jù)流的工作方式，同時(shí)是基于圖形化的編程，這使得設(shè)計(jì)者不必掌握大量的編程語言和程序設(shè)計(jì)技巧便可設(shè)計(jì)出虛擬儀器系統(tǒng)。所有的 LabVIEW 應(yīng)用程序，即虛擬儀器(VI)，它包括前面板(Front Panel)、流程圖(Block Diagram)以及圖標(biāo)/連結(jié)器(Icon/Connector)三部分。而數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)性能的好壞，主要取決于它的精度和速度。在實(shí)際工作中，考慮到實(shí)際的模擬低通濾波器不可能有理想的截止Hsf2?特性，在其截止頻率 之后總有一定的過渡帶，故采樣頻率常常選為Hf（5～10） ，有時(shí)候?yàn)榱溯^好的還原波形，甚至要更高一些。模擬信號(hào)可分為直流、時(shí)域、頻域信號(hào)，如圖 31 所示。常見的直流信號(hào)有溫度、流速、壓力、應(yīng)變等。在測(cè)量一個(gè)時(shí)域信號(hào)或者說是波形時(shí)，需要關(guān)注波形形狀的特性，如斜度、峰值等。一些常見的浮動(dòng)信號(hào)源有電池、熱電偶、變壓器和隔離放大器等。在接地測(cè)量系統(tǒng)中，被測(cè)信號(hào)一端接模擬輸入通道，另一端直接與系統(tǒng)地 AIGND相連。如果不能滿足上述條件，則需要使用差分輸入。如果你的卡有 DMA 性能，模擬輸入操作就有一個(gè)通向計(jì)算機(jī)內(nèi)存的高速硬件通道，這就意味著所采集的數(shù)據(jù)可以直接送到計(jì)算機(jī)的內(nèi)存。觸發(fā)器通常是一個(gè)數(shù)字或模擬信號(hào)，其狀態(tài)可確定動(dòng)作的發(fā)生。下列情況使用硬件觸發(fā)：① 采集事件定時(shí)需要非常準(zhǔn)確。如果采樣系統(tǒng)對(duì)時(shí)間要求嚴(yán)格，則必須同時(shí)采集，這就需要每個(gè)通道都有自己的放大和 A/D 轉(zhuǎn)換器。（5）I/O 通道數(shù)該參數(shù)表明了數(shù)據(jù)采集卡所能夠采集的最多的信號(hào)路數(shù)。（4）A/D 轉(zhuǎn)換器。其可編程低通濾波器能降低高頻率噪聲并減少頻率混疊。 程序設(shè)計(jì)的模塊化原則模塊化結(jié)構(gòu)是所有設(shè)計(jì)良好的軟件系統(tǒng)的基本特點(diǎn)，任何一個(gè)大的程序系統(tǒng)，總是由若干功能相對(duì)獨(dú)立的模塊組成。塊內(nèi)聯(lián)系是指模塊內(nèi)部各部分(語句與語句段)之間的聯(lián)系。② 模塊的合并；③ 模塊的復(fù)制。由于副作用的減少，可以降低錯(cuò)誤的發(fā)生率。數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集模塊將數(shù)據(jù)從硬件通道中采集到，將信息存儲(chǔ)到緩存中，而顯示模塊將采集到的信息通過波形或者表格顯示出來，數(shù)據(jù)保存與查詢模塊將緩存中的信息以列表形式存儲(chǔ)到 PC 中。數(shù)據(jù)模型應(yīng)滿足三個(gè)方面的要求：一是能比較真實(shí)地模擬現(xiàn)實(shí)世界；二是容易為人們所理解；三是便于在計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)。② 數(shù)據(jù)操縱功能：DBMS 還提供數(shù)據(jù)操縱語言，用戶可以使用 DML 操縱數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)的基本操作，如檢索、插入、刪除和修改等。使用 ADO 不僅可以讀取 Access 和 SQL Server 數(shù)據(jù)庫(kù)，也可以讀取其他與 ODBC 兼容的數(shù)據(jù)庫(kù)。⑤ 數(shù)據(jù)庫(kù)的建立和維護(hù)功能：它包括數(shù)據(jù)庫(kù)初始數(shù)據(jù)的輸入、轉(zhuǎn)換功能，數(shù)據(jù)庫(kù)的轉(zhuǎn)儲(chǔ)、恢復(fù)功能，數(shù)據(jù)庫(kù)的重組織功能和性能監(jiān)視、分析功能等。概念層是抽象級(jí)別的最高層，其目的是按用戶的觀點(diǎn)來對(duì)世界建模。數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)按一定的數(shù)據(jù)模型組織、描述和儲(chǔ)存，具有較小的冗余度、較高的數(shù)據(jù)獨(dú)立性和易擴(kuò)展性，并可為一定范圍內(nèi)的各種用戶共享。圖 42c ，增加了一個(gè)中間判斷層模塊 F，以一個(gè)開關(guān)量 Flag 決定模塊 A要調(diào)用的模塊，這樣對(duì) A 的修改，僅局限于 Flag 的設(shè)置，大大較少了工作量。一般來講，底層模塊的扇入較高，頂層模塊的扇出較高。（1）自頂向下逐步求精的設(shè)計(jì)方法軟件設(shè)計(jì)往往在開始時(shí)不了解問題的全部細(xì)節(jié)，只能對(duì)問題做出全局性的決策，即設(shè)計(jì)表征解決問題一般策略的抽象算法。在模塊化問題求解時(shí)，在最高抽象級(jí)可以采用面向問題的環(huán)境語言的抽象術(shù)語進(jìn)行描述；而在較低抽象級(jí)，則可采用過程性術(shù)語。設(shè)計(jì)一個(gè)虛擬儀器系統(tǒng)，在硬件平臺(tái)確定之后，就可以通過設(shè)計(jì)不同的軟件，實(shí)現(xiàn)不同的儀器功能。 PXI6281NI PXI6281 是一款高精度多功能 M 系列數(shù)據(jù)采集(DAQ)模塊，經(jīng)優(yōu)化可提供 18 位模擬輸入精度。將切換進(jìn)入采集卡的信號(hào)放大至需要的量程內(nèi)。因而，數(shù)字信號(hào)不能真實(shí)地反映原始信號(hào)，因?yàn)橐徊糠中畔⒈宦┑袅?。所以在選擇數(shù)據(jù)采集卡構(gòu)成系統(tǒng)時(shí)，首先必須對(duì)數(shù)據(jù)采集卡的性能指標(biāo)有所了解。當(dāng)某一模擬入通道發(fā)生一個(gè)指定的電壓電平時(shí)，讓卡輸出一個(gè)數(shù)字脈沖，這是內(nèi)部觸發(fā)。③ 采樣周期必須準(zhǔn)確、均勻地通過數(shù)據(jù)樣本。需要注意的兩個(gè)問題是：是否使用緩沖？是否使用外觸發(fā)啟動(dòng)、停止或同步一個(gè)操作？（1）緩沖(Buffers)這里的緩沖指的是 PC 內(nèi)存的一個(gè)區(qū)域 (不是數(shù)據(jù)采集卡上的 FIFO 緩沖)，它用來臨時(shí)存放數(shù)據(jù)。一個(gè)單通道的無參考地單端測(cè)量系統(tǒng)和一個(gè)單通道的差分測(cè)量系統(tǒng)是一樣的。需要注意，若輸入共模電壓超過允許范圍，將會(huì)降低測(cè)量系統(tǒng)的共模抑制比。接地信號(hào)：就是以系統(tǒng)地（如建筑物的地）為參考點(diǎn)的信號(hào)，也稱參考信號(hào)。為了實(shí)現(xiàn)這樣的數(shù)字信號(hào)處理，可以使用應(yīng)用軟件或特殊的 DSP硬件來迅速而有效地分析信號(hào)。第二類數(shù)字信號(hào)是脈沖信號(hào)(Pulse Train)，如圖所示。而在工作中，我們會(huì)必不可少的產(chǎn)生由量化引起的量化誤差，量化誤差的最大值為 q，它是一種原理性誤差，只能減小而不能完全消除。樣定理可知，如果要求不產(chǎn)生混疊干擾，首先應(yīng)使被采樣信號(hào)0)?成為有限帶寬的信號(hào)。虛擬儀器技術(shù)十分符合國(guó)際上流行的“硬件軟件化”的發(fā)展趨勢(shì)，因而常被稱作“ 軟件儀器” 。利用 LabVIEW ，可產(chǎn)生