【正文】 電動(dòng)機(jī)就需要一系列的數(shù)字脈沖作為輸入來(lái)控制位置和速度。根據(jù)信號(hào)運(yùn)載信 息方式的不同 ， 可以將信號(hào)分為模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)。采集卡等待一個(gè)外部?jī)x器發(fā)出的數(shù)字脈沖到來(lái)后初始化采集卡，這是外部觸發(fā)的例子。 下列情況可以不使用 Buffer I/O： （ 1） 數(shù)據(jù)組短小，例如每秒只從兩個(gè)通道之一采集一個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)。例如，你需要采集每秒采集幾千個(gè)數(shù)據(jù)，在一秒內(nèi)顯示或圖形化所有數(shù)據(jù)是困難的。驅(qū)動(dòng)程序隱藏了復(fù)雜的硬件底層編程細(xì)節(jié)，為用戶提供容易理解的接口。 （ 3） DAQ 設(shè)備 通過(guò)信號(hào)調(diào)理后的信號(hào)就可以與數(shù)據(jù)采集設(shè)備連接了。 PCI6221 數(shù)據(jù)采集卡 圖 PCI6221 數(shù)據(jù)采集卡 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 ） PCI6221 卡是一種基于 PCI 總線的數(shù)據(jù)采集卡，可直接插在 IBMPC/AT或與之兼容的計(jì)算機(jī)內(nèi)的任一 PCI 插槽中，構(gòu)成實(shí)驗(yàn)室、產(chǎn)品質(zhì)量檢測(cè)中心等各種領(lǐng)域的數(shù)據(jù)采集、波形分析和處理系統(tǒng)。 選擇增益：根據(jù)輸入信號(hào)的幅值變化范圍和分辨率要求，選擇增益。 A/D 轉(zhuǎn)換器將輸入的模擬量轉(zhuǎn)化成為數(shù)字量輸出，并完成信號(hào)幅值的變化。 數(shù)據(jù)采集 卡 的選擇主要與采樣率、測(cè)量通道、分辨率和測(cè)量精度有關(guān)。 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 ） 數(shù)據(jù)采集卡 的選用 數(shù)據(jù)采集卡 的簡(jiǎn)介 計(jì)算機(jī)與 數(shù)據(jù)采集卡組成了 虛擬無(wú)紙記錄儀 的硬件平臺(tái)基礎(chǔ)。 歸納起來(lái) LabVIEW 軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)有以下優(yōu)點(diǎn) ： （ 1） 圖形化的編程方式，設(shè)計(jì)者無(wú)需寫任何文本 格式的代碼，是真正的工程師的語(yǔ)言。該窗口總是被顯示在前面板窗口或流程圖窗口的上面。使用斷點(diǎn)工具時(shí)，點(diǎn)擊你希望設(shè)置或者清除斷點(diǎn)的地方。 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 ） 調(diào)試技術(shù) 如果一個(gè) VI 程序存在語(yǔ)法錯(cuò)誤，則在面板工具條上的運(yùn)行按鈕會(huì)變成一個(gè)折斷的箭頭，表示程序不能被執(zhí)行。當(dāng)從模板內(nèi)選擇了任一種工具后，鼠標(biāo)箭頭就會(huì)變成該工具相應(yīng)的形狀。隨機(jī)數(shù)發(fā)生器通過(guò)連線將產(chǎn)生的隨機(jī)信號(hào)送到顯示控件，為了使它持續(xù)工作下去，設(shè)置了一個(gè) While 函數(shù)：隨機(jī)數(shù)發(fā)生器 結(jié)構(gòu)：循環(huán) 與前面板控件對(duì)應(yīng)的連線端子 與前面板控件對(duì)應(yīng)的連線端子 圖 隨機(jī)信號(hào)發(fā)生器的流程圖 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說(shuō)明書(shū)（畢業(yè) 論文 ） Loop 循環(huán)，由開(kāi)關(guān)控制這一循環(huán)的結(jié)束。 控制對(duì)象(輸入 ) 顯示對(duì)象 (輸出 ) 圖 隨機(jī)信號(hào)發(fā)生器的前面板 面板 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 所示 是 一個(gè)隨機(jī)信號(hào)發(fā)生和顯示的簡(jiǎn)單 VI 的前面板，上面有一個(gè)顯示對(duì)象，以曲線的方式顯示了所產(chǎn)生的一系列隨機(jī)數(shù)。圖形化的程序語(yǔ)言，又稱為“ G”語(yǔ)言。 本文所設(shè)計(jì)的虛擬無(wú)紙記錄儀主要由數(shù)據(jù)采集、參數(shù)測(cè)量、波形存儲(chǔ)和讀取模塊組成。 第三章主要介紹了虛擬無(wú)紙記錄儀的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。利用計(jì) 算機(jī)豐富的軟硬件資源，用戶可以隨心所欲地根據(jù)自己的要求，設(shè)計(jì)自己的儀器系統(tǒng)，滿足多樣的應(yīng)用需求。特別是在石化、冶金等行業(yè)的基礎(chǔ)自動(dòng)化與過(guò)程自動(dòng)化系統(tǒng)中，已大量融入各種類型的虛擬嵌入式儀表，其卓越的性能、良好的數(shù)據(jù)在線處理能力和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通訊能力以及友好的人機(jī)交互平臺(tái)，得到人們?nèi)找嬷匾暋４送?，?guó)內(nèi)已有幾家企業(yè)在研制虛擬儀器。在國(guó)內(nèi)已有部分院校的實(shí)驗(yàn)室引入了虛擬儀器系統(tǒng)，復(fù)旦大學(xué)、上海交通大學(xué)、暨南大學(xué)、華中科技大學(xué)。在美國(guó)，虛擬儀器系統(tǒng)及其圖形編輯語(yǔ)言， 已 作為各大學(xué)理工科學(xué)生的一門必修課。 （ 2）在通用硬件平臺(tái)確定后，由軟件取代傳統(tǒng)儀器中的硬件來(lái)完成儀器的功能。虛擬儀器還可以廣泛應(yīng)用 于 電力工程、礦物勘探、醫(yī)療、振動(dòng)分析、聲學(xué)分析、故障診斷及教學(xué)科研等多個(gè)方面。因此，設(shè)計(jì)虛擬儀器前面板就是在前面板設(shè)計(jì)窗口中擺放所需的圖標(biāo)，然后對(duì)圖標(biāo)的屬性進(jìn)行設(shè)置。 Data acquisition。它充分利用計(jì)算機(jī)技術(shù)，在基本硬件的支持下，通過(guò)調(diào)用相應(yīng)的軟件模塊來(lái)完成數(shù)據(jù)的采集、控制、分析、處理、以及結(jié)果存儲(chǔ)和顯示，從而完成各種傳統(tǒng)儀器的功能。充分體現(xiàn)了計(jì)算機(jī)的強(qiáng)大功能 和LabVIEW 軟件設(shè)計(jì)的靈活性。 虛擬儀器的“虛擬”兩字主要包括以下兩方面的含義 [2]。用戶可以根據(jù)自己的需要，設(shè)計(jì)自己的儀器系統(tǒng)，滿足多種多樣的應(yīng)用要求。虛擬儀器與之不同，它可以通過(guò)在幾個(gè)分面板上的操作來(lái)實(shí)現(xiàn)比較復(fù)雜的功能。 虛擬儀器的現(xiàn)狀和發(fā)展 虛擬儀器的概念，是美國(guó)國(guó)家儀器公司（ National Instrument Corp，簡(jiǎn)稱 NI）與 1986年提出的。從 90年代中期以來(lái)，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。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。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。這些情況無(wú)疑是大大浪費(fèi)了投資。 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 。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。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]。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。這些模板集中反映了該軟件的功能與特征。 功能模板是創(chuàng)建流程圖程序的工具。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。 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。 LabVIEW 依附并發(fā)展了模塊化程序設(shè)計(jì)的概念。 （ 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。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)。 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)。 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。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)。 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)。 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)。 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。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。 （ 2） 用戶需要削減軟件開(kāi)支。 第二類數(shù)字信號(hào)是脈沖信號(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。 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。 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。例 b 中的采樣率是 7/4f。 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）。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。 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)。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。 通 過(guò)多 路 轉(zhuǎn) 換器， ADC可對(duì)多個(gè)通道進(jìn)行采樣。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。被采樣的信號(hào)可以是瞬態(tài)的或周期信號(hào)。 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。 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。 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。 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 。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)。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。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。波形文件實(shí)際上。反峰值一行用于輸出一段時(shí)間內(nèi)的最小峰值。因此，如果一個(gè)任務(wù)還會(huì)使用，那么 NIDAQmx任務(wù)函數(shù)就必須用來(lái)終止任務(wù)，而不是清除它。在運(yùn)行狀態(tài)，這個(gè)任務(wù)完成特定的采集或生成。包括通道 選擇、樣本采樣數(shù) 設(shè)置和樣本 采樣率 設(shè)置 等。設(shè)計(jì)前面板時(shí)， 主要考慮界面美觀，操作簡(jiǎn)潔，用戶可以通過(guò)前面板中的開(kāi)關(guān)和旋鈕模擬傳統(tǒng)儀器的操作，通過(guò)鍵盤和鼠標(biāo)實(shí)現(xiàn)對(duì) 虛擬無(wú)紙記錄儀 的控制。前面板包含旋鈕、按鈕，圖形和其他控制與顯示對(duì)象，通過(guò)鼠標(biāo)和鍵盤為控制對(duì)象輸入數(shù)據(jù)，在計(jì)算機(jī)屏幕上觀看結(jié)果。 采用非實(shí)時(shí)采樣所得到的脈沖信號(hào)序列，其包絡(luò)波形可以重現(xiàn)信號(hào)波形，只是取得一周期采樣點(diǎn)的時(shí)間延長(zhǎng)了。在實(shí)時(shí)采樣時(shí)，模數(shù)轉(zhuǎn)換器只一次就內(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 ） 能完成對(duì)整個(gè)輸入波形的采樣，它的這種特性使其特別適合單次信號(hào)的捕捉，但其頻帶