【正文】 ③ 數(shù)據(jù)庫的運行管理：數(shù)據(jù)庫在建立、運用和維護(hù)時由數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)統(tǒng)一管理、統(tǒng)一控制，以保證數(shù)據(jù)的安全性、完整性、多用戶對數(shù)據(jù)的并發(fā)使用及發(fā)生故障后的系統(tǒng)恢復(fù)，從而保證數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的正常運行。當(dāng)前，數(shù)據(jù)庫技術(shù)已成為現(xiàn)代計算機(jī)信息系統(tǒng)和應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)的核心技術(shù)，數(shù)據(jù)庫已成為計算機(jī)信息系統(tǒng)和應(yīng)用系統(tǒng)的組成核心，從某種意義來講，數(shù)據(jù)庫的建設(shè)規(guī)模、數(shù)據(jù)庫信息量的大小和使用頻度已成為衡量一個國家信息化程度的重要標(biāo)志。只要某模塊中含有依賴于某種判定操作，則該模塊就處于該判定的作用范圍之內(nèi)。塊內(nèi)聯(lián)系塊內(nèi)聯(lián)系統(tǒng)帥從屬塊間聯(lián)系塊間聯(lián)系圖 41 模塊化結(jié)構(gòu)信息抽象與信息隱含是模塊的基本特征。目前，通常將采樣保持器和 A/D 轉(zhuǎn)換器集成在同一塊芯片上。（3）分辨率ADC 的位數(shù)越多，分辨率就越高，可區(qū)分的電壓就越小。硬件觸發(fā)讓板卡上的電路管理觸發(fā)器，控制了采集事件的時間分配，有很高的精確度。 表 31 測量系統(tǒng)連接方式接地信號 浮動信號DEF √ √RSE √NRSE √ √ 采集系統(tǒng)的一般組成及各部分功能描述B u f f e r( F I F O )驅(qū)動程序L a b v i e w程序信號D A Q 板卡A / D外觸發(fā)內(nèi)存B u f f e r硬件顯示圖 35 數(shù)據(jù)采集結(jié)構(gòu)圖圖 35 表示了數(shù)據(jù)采集的結(jié)構(gòu)。具有儀器放大器（Instrumentation Amplifier）的數(shù)據(jù)采集設(shè)備可配置成差分測量系統(tǒng)。模擬頻域信號(Frequency Domain)與時域信號類似，但從頻域信號中提取的信息是信號的頻域內(nèi)容，而不是波形的形狀，也不是隨時間變化的特性，如圖所示。最小數(shù)量單位稱為量化單位。（2）數(shù)據(jù)流框圖程序VI 從數(shù)據(jù)流框圖中接收指令，框圖程序是一種解決編程問題的圖形化方法，實際上是 VI 的程序代碼。除此以外還有 HP 公司的 HPVEE ，HPTIG 開發(fā)平臺，美國 Tektronix 公司的 EzTest ，TekTNS 平臺軟件，這些都是國際上公認(rèn)的優(yōu)秀的虛擬儀器開發(fā)軟件平臺。隨著計算機(jī)功能的日益強大以及其體積的日趨縮小，這類儀器功能也越來越強大，目前已經(jīng)出現(xiàn)含嵌入式系統(tǒng)的儀器。為了能自由互換儀器硬件而無需修改測試程序，即解決儀器的互操作問題，VXI plugamp。PXI(PCI eXtension For Instrumentation)是 Compact PCI 總線在儀器領(lǐng)域的擴(kuò)展，是 NI 公司于 1997 年發(fā)布的一種新的開放性、模塊化儀器總線規(guī)范。虛擬儀器的構(gòu)成主要有五種類型，如圖 22 所示 [7]。6）由于其以 PC 為核心，使得許多數(shù)據(jù)處理的過程不必像過去那樣由測試儀器本身來完成，而是在軟件的支持下，利用 PC 機(jī) CPU 的強大的數(shù)據(jù)處理功能來完成，使得基于虛擬儀器的測試系統(tǒng)的測試精度、速度大為提高，實現(xiàn)自動化、智能化、多任務(wù)測量。虛擬儀器中應(yīng)用程序?qū)⒖蛇x硬件（如 GPIB，VXI，RS232，DAQ 板）和可重復(fù)用庫函數(shù)等軟件結(jié)合在一起，實現(xiàn)了儀器模塊間的通信、定時與觸發(fā)。我國國民經(jīng)濟(jì)的持續(xù)快速發(fā)展，加快了企業(yè)的技術(shù)升級步伐，先進(jìn)儀器設(shè)備的需求更加強勁，虛擬儀器賴以生存的個人計算機(jī)最近幾年以極高的速度在中國發(fā)展，這些都為虛擬儀器在我國的普及奠定了良好的基礎(chǔ)。這種平臺采用獨特的圖形化編程方式，編程過程簡單方便，是目前最受歡迎的虛擬儀器主流開發(fā)平臺。前面板是 VI 的交互式用戶界面，即用戶與程序代碼發(fā)生聯(lián)系的窗口。本文首先闡述了測控技術(shù)和虛擬儀器技術(shù)的現(xiàn)狀及以后的發(fā)展趨勢，探討了虛擬儀器的相關(guān)技術(shù)、LabVIEW 的相關(guān)知識，然后闡述了有關(guān)數(shù)據(jù)采集的理論，給出了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的框圖和硬件結(jié)構(gòu)圖。虛擬儀器可以利用高性能的模塊化硬件，結(jié)合高效靈活的軟件來完成各種測試、測量和自動化應(yīng)用，與傳統(tǒng)的測量儀器相比，具有成本低、功能強大、集成度高、質(zhì)量可靠、維護(hù)方便等優(yōu)點，能很方便地組建測試系統(tǒng)，滿足多種測量要求。第三階段：隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)場總線技術(shù)的出現(xiàn)帶動了現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的飛速發(fā)展，使是的可以在一個工廠范圍內(nèi)通過總線將成千上萬智能傳感器等智能化的儀表組成一個網(wǎng)絡(luò)化測控系統(tǒng)，此階段是網(wǎng)絡(luò)化測控系統(tǒng)的快速發(fā)展階段。美國 NI 公司在 1997 年 9 月 1 日推出模塊化儀器的主流平臺PXI，這是與 CompactPCI 完全兼容的系統(tǒng)。虛擬儀器以通用計算機(jī)和配備標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字接口的測量儀器（包括 GPIB、RS232 等傳統(tǒng)儀器以及新型的 VXI 模塊化儀器）為基礎(chǔ)，將儀器硬件連接到各種計算機(jī)平臺上，直接利用計算機(jī)豐富的軟硬件資源，將計算機(jī)硬件（處理器、存儲器、顯示器）和測量儀器（頻率計、示波器、信號源）等硬件資源與計算機(jī)軟件資源（包括數(shù)據(jù)的處理、控制、分析和表達(dá)、過程通訊以及圖形用戶界面）有機(jī)的結(jié)合起來。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。由于卡式儀器與計算機(jī)結(jié)合緊密，能夠充分利用已有的計算機(jī)資源，較之傳統(tǒng)儀器成本更低廉、使用更靈活、性能更強，因此它是一種極具潛力的儀器種類?；?GPIB 總線結(jié)構(gòu)的接口卡數(shù)據(jù)傳輸速率一般低于 500kb/s，不適合與對系統(tǒng)速度要求較高的應(yīng)用。硬件驅(qū)動程序數(shù)據(jù)處理用戶界面圖 23 虛擬儀器軟件結(jié)構(gòu)（1）軟件開發(fā)平臺LabVIEW 是目前國際上唯一的基于數(shù)據(jù)流的編譯型圖形編程環(huán)境，它把復(fù)雜、煩瑣、費時的語言編程簡化成用簡單或圖標(biāo)提示的方法選擇功能(圖形)，并用線條把各種圖形連接起來的簡單圖形編程方式，使得不熟悉編程的工程技術(shù)人員都可以按照測試要求和任務(wù)快速“畫” 出自己的程序， “畫”出儀器面板，這大大提高了工作效率，減輕了科研和工程技術(shù)人員的工作量，因此，LabVIEW 是一種優(yōu)秀的虛擬儀器軟件開發(fā)平臺。 虛擬儀器測試系統(tǒng)的組成虛擬儀器是基于計算機(jī)的儀器。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，LabWindows/CVI。正是由于 LabVIEW 和虛擬儀器的互相作用，才給了二者更長遠(yuǎn)的發(fā)展空間。其次，應(yīng)使采樣頻率 帶限信號最高頻率的 2 倍，即sfHf。直流信號最重要的信息是它在給定區(qū)間內(nèi)運載的信息的幅度。一個不與任何地（如大地或建筑物的地）連接的電壓信號稱為浮動信號，浮動信號的每個端口都與系統(tǒng)地獨立。但是在具體情況中，我們要視情況而定，一般來說單端輸入以一個共同點為參考點，這種方式適用于輸入信號為高電平（大于 1V）且信號源與采集端之間的距離較短（通常小于 5m）的應(yīng)用場合。（2）觸發(fā)(Triggering)觸發(fā)涉及初始化、終止或同步采集事件的任何方法。（2）采樣方法采集卡通常都有好幾個數(shù)據(jù)通道，如果所有的數(shù)據(jù)通道都輪流使用同一個放大器和 A/D 轉(zhuǎn)換器，要比每個通道單獨使用各自的經(jīng)濟(jì)的多，但這僅適用于對時間不是很重要的場合。把采集到的信號瞬間值，保持在 A/D 轉(zhuǎn)換的過程中不變化。 程序模塊化設(shè)計概述數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的性能在很大程度上取決于其應(yīng)用軟件的研究與開發(fā)，所以在明確了系統(tǒng)設(shè)計目標(biāo)之后，應(yīng)該采用好的程序開發(fā)方法，如結(jié)構(gòu)化設(shè)計方法、模塊化思想、多線程以及軟件系統(tǒng)的評價標(biāo)準(zhǔn)等等。（2）根據(jù)邏輯功能劃分物理模塊① 模塊的分解：消除重復(fù)的功能部分，使得模塊的塊內(nèi)聯(lián)系較高，塊間聯(lián)系較低。這五個模塊中，登陸系統(tǒng)為上層模塊，只有當(dāng)?shù)顷懴到y(tǒng)確認(rèn)操作人員信息，將標(biāo)志量置“1”，下層模塊才能開始工作。它是數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的核心，主要是實現(xiàn)對共享數(shù)據(jù)有效的組織、管理和存取，它的基本功能包括以下幾個方面：① 數(shù)據(jù)定義功能：對數(shù)據(jù)庫的結(jié)構(gòu)進(jìn)行描述，包括外模式、模式、內(nèi)模式的定義；數(shù)據(jù)庫完整性的定義；安全保密定義（如用戶口令、級別、存取權(quán)限）；存取路徑（如索引）的定義等。⑥ 其他功能：DBMS 與網(wǎng)絡(luò)中其他軟件系統(tǒng)的通信功能、DBMS 之間或文件系統(tǒng)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換功能；異構(gòu)數(shù)據(jù)庫之間的互訪和互操作功能等 [14]。數(shù)據(jù)庫不僅要反映數(shù)據(jù)本身的內(nèi)容，而且要反映數(shù)據(jù)之間的聯(lián)系。（5）模塊接口應(yīng)保持簡明降低模塊接口的復(fù)雜性，是模塊設(shè)計中必須考慮的問題。模塊化的概念加上逐步求精的辦法，就把面向問題的術(shù)語和面向?qū)崿F(xiàn)的術(shù)語兩者結(jié)合起來 [13]。該精度相當(dāng)于 5189。如果增加到十二位，代碼數(shù)從 8 增加到 212=4096，這樣就可以獲得就能獲得十分精確的模擬信號數(shù)字化表示。采集卡等待一個外部儀器發(fā)出的數(shù)字脈沖到來后初始化采集卡，這是外部觸發(fā)。例如，你需要采集每秒采集幾千個數(shù)據(jù)，在一秒內(nèi)顯示或圖形化所有數(shù)據(jù)是困難的。為了避免測量誤差，需要限制信號地與數(shù)據(jù)采集卡的地之間的浮地電壓。模擬頻域信號也很多，比如聲音信號、地球物理信號、傳輸信號等。因此在工作中，我們有兩種途徑去減小量化誤差：（1）減小 FSR，即根據(jù)輸入信號的大小，設(shè)置合理的采集卡通道的輸入信號范圍；（2）增大 n 的值，即選擇采樣分辨率高的采集卡。 LabVIEW 軟件功能強大，可實現(xiàn)示波器、邏輯分析儀、頻譜儀、信號發(fā)生器等多種普通儀器全部功能，配以專用探頭和軟件還可檢測特定系統(tǒng)的參數(shù)，它操作靈活，完全圖形化界面，風(fēng)格簡約，符合傳統(tǒng)設(shè)備的使用習(xí)慣。它還內(nèi)置了便于應(yīng)用TCP/PI、ActiveX 等軟件標(biāo)準(zhǔn)的庫函數(shù)，是一個功能強大且靈活的軟件。虛擬儀器的組成與傳統(tǒng)儀器一樣，主要由數(shù)據(jù)采集與控制、數(shù)據(jù)分析和處理、結(jié)果顯示三部分組成。1999 年 NI 公司提出了可互換虛擬儀器標(biāo)準(zhǔn) IVI(Interchangeable Virtual Instruments)，使程序的開發(fā)完全獨立于硬件。PXI 增加了用于多個板卡同步的觸發(fā)總線和 10MHz 參考時鐘、用于精確定時的星形觸發(fā)總線，以及用于相鄰模塊間高速通信的局部總線等，來滿足實驗和測量用戶的要求。在性能上，隨著 A/D 轉(zhuǎn)換技術(shù)，濾波技術(shù)和信號調(diào)理技術(shù)的發(fā)展， DAQ 卡的采樣速率已達(dá) 1GB/s，精度高達(dá) 24 位，通道數(shù)高達(dá) 64 個，并具有數(shù)字 I/O，模擬I/O 和計數(shù)器/定時器等通道。表 21 虛擬儀器與傳統(tǒng)儀器的比較虛擬儀器 傳統(tǒng)儀器開發(fā)維護(hù)費用低 開發(fā)維護(hù)費用高技術(shù)更新周期短（～1 年） 技術(shù)更新周期長（5～10 年）軟件是關(guān)鍵 硬件是關(guān)鍵價格低 價格昂貴開放、靈活與計算機(jī)同步，可重復(fù)用和重配置 固定可用網(wǎng)絡(luò)聯(lián)絡(luò)周邊各儀器 只可連有限的設(shè)備自動化、智能化、多功能、遠(yuǎn)距離傳輸 功能單一，操作不便近年來，隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，己經(jīng)形成了網(wǎng)絡(luò)虛擬儀器。這樣，當(dāng)用戶從一個項目轉(zhuǎn)向另一個項目時，就能簡單地構(gòu)造出新的 VI 系統(tǒng)而不丟失己有的硬件和軟件資源 [5]。國內(nèi)虛擬儀器行業(yè)至今還沒有形成具有自主知識產(chǎn)權(quán)的虛擬儀器核心開發(fā)技術(shù)，也沒有相關(guān)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，虛擬儀器產(chǎn)業(yè)無論在規(guī)模還是在質(zhì)量上都難以與國外同行匹敵，國外虛擬儀器產(chǎn)品幾乎壟斷了國內(nèi)的市場。 在國內(nèi)，西安交大韓九強等采用面向?qū)ο蠹夹g(shù)研究了可組態(tài)生成不同虛擬儀器的可視化虛擬儀器軟件開發(fā)平臺，重慶大學(xué)秦樹人等提出了虛擬儀器產(chǎn)品的網(wǎng)絡(luò)化開發(fā)方法。傳統(tǒng)的高速計算機(jī)總線是 PCI 總線，數(shù)據(jù)傳輸速度可達(dá)到 132Mb/s(32 位)或者 264Mb/s(64 位)，但是由于它是計算機(jī)總線，不是為食品儀表專門設(shè)計的總線，干擾大，插槽數(shù)有限，不便于大型測試系統(tǒng)的建立。該系統(tǒng)具有多路采集、實時顯示、存儲管理與密碼保護(hù)等功能。實驗室虛擬儀器工程平臺（LabVIEW）是一種專門用于數(shù)據(jù)采集、分析及儀器控制的圖形化軟件，它所開發(fā)的虛擬儀器將計算機(jī)強大的數(shù)據(jù)處理能力與儀器的硬件測試控制能力很好地結(jié)合在一起。此階段也是網(wǎng)絡(luò)化測控系統(tǒng)的雛形與起始階段。在人工智能研究的影響下， 人們開始關(guān)注如何提高虛擬儀器的智能化水平. 重慶大學(xué)秦樹人等提出的智能化控件的思想，通過具有一定智能的多功能控件提高虛擬儀器靈活性，本文作者提出了基于實例推理的虛擬儀器設(shè)計方法，通過對設(shè)計實例的查詢、檢索和適應(yīng)、修改，實現(xiàn)軟件資源的重用，提高虛擬儀器的設(shè)計效率。靈活高效的軟件能幫助我們創(chuàng)建完全自定義的用戶界面，模塊化的硬件能方便地提供全方位的系統(tǒng)集成，標(biāo)準(zhǔn)的軟硬件平臺能滿足對同步和定時應(yīng)用的需求。這樣，在每個分面板上就可以實現(xiàn)功能操作的單純化和面板布置的簡潔化，從而提高操作的正確性和便捷性。以數(shù)據(jù)采集卡為例，它通常具有 A/D 轉(zhuǎn)換、D/A轉(zhuǎn)換、數(shù)字 I/O 和計數(shù)器/定時器等功能，有些還具有數(shù)字濾波和數(shù)字信號處理的功能。典型的 GPIB 測試系統(tǒng)包括一臺計算機(jī)，一塊基于 GPIB 總線的接口卡和多臺 GPBI 儀器軟件及相應(yīng)的傳感模塊硬件。以美國 NI 公司的軟件產(chǎn)品LabVIEW 和 LabWindows/CVI 為代表的虛擬儀器專用開發(fā)平臺是當(dāng)前流行的集成化開發(fā)工具。采用 IVI 技術(shù)，可以降低軟件的維護(hù)費用，減少系統(tǒng)停運時間，提高測試代碼的可重用性，使儀器編程更簡單。但直接由這些語言開發(fā)虛擬儀器系統(tǒng)，是有相當(dāng)難度的。利用 LabVIEW ，可產(chǎn)生獨立運行的可執(zhí)行文件，它是一個真正的 32 編譯器。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0)?成為有限帶寬的信號。第二類數(shù)字信號是脈沖信號(Pulse Train)，如圖所示。接地信號：就是以系統(tǒng)地（如建筑物的地）為參考點的信號，也稱參考信號。一個單通道的無參考地單端測量系統(tǒng)和一個單通道的差分測量系統(tǒng)是一樣的。③ 采樣周期必須準(zhǔn)確、均勻地通過數(shù)據(jù)樣本。所以在選擇數(shù)據(jù)采集卡構(gòu)成系統(tǒng)時，首先必須對數(shù)據(jù)采集卡的性能指標(biāo)有所了解。將切換進(jìn)入采集卡的信號放大至需要的量程內(nèi)。設(shè)計一個