【正文】 ③ 數(shù)據(jù)庫(kù)的運(yùn)行管理：數(shù)據(jù)庫(kù)在建立、運(yùn)用和維護(hù)時(shí)由數(shù)據(jù)庫(kù)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(duì)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(kù)系統(tǒng)的正常運(yùn)行。當(dāng)前，數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)已成為現(xiàn)代計(jì)算機(jī)信息系統(tǒng)和應(yīng)用系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的核心技術(shù)，數(shù)據(jù)庫(kù)已成為計(jì)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(lái)講，數(shù)據(jù)庫(kù)的建設(shè)規(guī)模、數(shù)據(jù)庫(kù)信息量的大小和使用頻度已成為衡量一個(gè)國(guó)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(shí)間分配，有很高的精確度。 表 31 測(cè)量系統(tǒng)連接方式接地信號(hào) 浮動(dòng)信號(hào)DEF √ √RSE √N(yùn)RSE √ √ 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(dòng)程序L a b v i e w程序信號(hào)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(cè)量系統(tǒng)。模擬頻域信號(hào)(Frequency Domain)與時(shí)域信號(hào)類似，但從頻域信號(hào)中提取的信息是信號(hào)的頻域內(nèi)容，而不是波形的形狀，也不是隨時(shí)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(wèn)題的圖形化方法，實(shí)際上是 VI 的程序代碼。除此以外還有 HP 公司的 HPVEE ，HPTIG 開(kāi)發(fā)平臺(tái)，美國(guó) Tektronix 公司的 EzTest ，TekTNS 平臺(tái)軟件，這些都是國(guó)際上公認(rèn)的優(yōu)秀的虛擬儀器開(kāi)發(fā)軟件平臺(tái)。隨著計(jì)算機(jī)功能的日益強(qiáng)大以及其體積的日趨縮小，這類儀器功能也越來(lái)越強(qiáng)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(wú)需修改測(cè)試程序，即解決儀器的互操作問(wèn)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(kāi)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(guò)程不必像過(guò)去那樣由測(cè)試儀器本身來(lái)完成，而是在軟件的支持下，利用 PC 機(jī) CPU 的強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理功能來(lái)完成，使得基于虛擬儀器的測(cè)試系統(tǒng)的測(cè)試精度、速度大為提高，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、智能化、多任務(wù)測(cè)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(kù)函數(shù)等軟件結(jié)合在一起，實(shí)現(xiàn)了儀器模塊間的通信、定時(shí)與觸發(fā)。我國(guó)國(guó)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(jí)步伐，先進(jìn)儀器設(shè)備的需求更加強(qiáng)勁，虛擬儀器賴以生存的個(gè)人計(jì)算機(jī)最近幾年以極高的速度在中國(guó)發(fā)展，這些都為虛擬儀器在我國(guó)的普及奠定了良好的基礎(chǔ)。這種平臺(tái)采用獨(dú)特的圖形化編程方式，編程過(guò)程簡(jiǎn)單方便，是目前最受歡迎的虛擬儀器主流開(kāi)發(fā)平臺(tái)。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(cè)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(shì)，探討了虛擬儀器的相關(guān)技術(shù)、LabVIEW 的相關(guān)知識(shí)，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(lái)完成各種測(cè)試、測(cè)量和自動(dòng)化應(yīng)用，與傳統(tǒng)的測(cè)量?jī)x器相比，具有成本低、功能強(qiáng)大、集成度高、質(zhì)量可靠、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，能很方便地組建測(cè)試系統(tǒng)，滿足多種測(cè)量要求。第三階段：隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的出現(xiàn)帶動(dòng)了現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)的飛速發(fā)展，使是的可以在一個(gè)工廠范圍內(nèi)通過(guò)總線將成千上萬(wàn)智能傳感器等智能化的儀表組成一個(gè)網(wǎng)絡(luò)化測(cè)控系統(tǒng)，此階段是網(wǎng)絡(luò)化測(cè)控系統(tǒng)的快速發(fā)展階段。美國(guó) NI 公司在 1997 年 9 月 1 日推出模塊化儀器的主流平臺(tái)PXI，這是與 CompactPCI 完全兼容的系統(tǒng)。虛擬儀器以通用計(jì)算機(jī)和配備標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字接口的測(cè)量?jī)x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(jì)算機(jī)平臺(tái)上，直接利用計(jì)算機(jī)豐富的軟硬件資源，將計(jì)算機(jī)硬件（處理器、存儲(chǔ)器、顯示器）和測(cè)量?jī)x器（頻率計(jì)、示波器、信號(hào)源）等硬件資源與計(jì)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(guò)程通訊以及圖形用戶界面）有機(jī)的結(jié)合起來(lái)。3）儀器的功能是由用戶根據(jù)需要用軟件來(lái)定義，不是事先由廠家定義的。由于卡式儀器與計(jì)算機(jī)結(jié)合緊密，能夠充分利用已有的計(jì)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(qiáng)，因此它是一種極具潛力的儀器種類。基于 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(duì)系統(tǒng)速度要求較高的應(yīng)用。硬件驅(qū)動(dòng)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(kāi)發(fā)平臺(tái)LabVIEW 是目前國(guó)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(fèi)時(shí)的語(yǔ)言編程簡(jiǎn)化成用簡(jiǎn)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(lái)的簡(jiǎn)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(cè)試要求和任務(wù)快速“畫(huà)” 出自己的程序， “畫(huà)”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(kāi)發(fā)平臺(tái)。 虛擬儀器測(cè)試系統(tǒng)的組成虛擬儀器是基于計(jì)算機(jī)的儀器。除了通用程序開(kāi)發(fā)語(yǔ)言以外，還有一些專用的虛擬儀器開(kāi)發(fā)語(yǔ)言和軟件，其中有影響的開(kāi)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(zhǎng)遠(yuǎn)的發(fā)展空間。其次，應(yīng)使采樣頻率 帶限信號(hào)最高頻率的 2 倍，即sfHf。直流信號(hào)最重要的信息是它在給定區(qū)間內(nèi)運(yùn)載的信息的幅度。一個(gè)不與任何地（如大地或建筑物的地）連接的電壓信號(hào)稱為浮動(dòng)信號(hào)，浮動(dòng)信號(hào)的每個(gè)端口都與系統(tǒng)地獨(dú)立。但是在具體情況中，我們要視情況而定，一般來(lái)說(shuō)單端輸入以一個(gè)共同點(diǎn)為參考點(diǎn)，這種方式適用于輸入信號(hào)為高電平（大于 1V）且信號(hào)源與采集端之間的距離較短（通常小于 5m）的應(yīng)用場(chǎng)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(gè)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(gè)放大器和 A/D 轉(zhuǎn)換器，要比每個(gè)通道單獨(dú)使用各自的經(jīng)濟(jì)的多，但這僅適用于對(duì)時(shí)間不是很重要的場(chǎng)合。把采集到的信號(hào)瞬間值，保持在 A/D 轉(zhuǎn)換的過(guò)程中不變化。 程序模塊化設(shè)計(jì)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(kāi)發(fā)，所以在明確了系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo)之后，應(yīng)該采用好的程序開(kāi)發(fā)方法，如結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)方法、模塊化思想、多線程以及軟件系統(tǒng)的評(píng)價(jià)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(gè)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(kāi)始工作。它是數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)的核心，主要是實(shí)現(xiàn)對(duì)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(gè)方面：① 數(shù)據(jù)定義功能：對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)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(kù)完整性的定義；安全保密定義（如用戶口令、級(jí)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(kù)之間的互訪和互操作功能等 [14]。數(shù)據(jù)庫(kù)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(jiǎn)明降低模塊接口的復(fù)雜性，是模塊設(shè)計(jì)中必須考慮的問(wèn)題。模塊化的概念加上逐步求精的辦法，就把面向問(wèn)題的術(shù)語(yǔ)和面向?qū)崿F(xiàn)的術(shù)語(yǔ)兩者結(jié)合起來(lái) [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(hào)數(shù)字化表示。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)。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。為了避免測(cè)量誤差，需要限制信號(hào)地與數(shù)據(jù)采集卡的地之間的浮地電壓。模擬頻域信號(hào)也很多，比如聲音信號(hào)、地球物理信號(hào)、傳輸信號(hào)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(hào)的大小，設(shè)置合理的采集卡通道的輸入信號(hào)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(qiáng)大，可實(shí)現(xiàn)示波器、邏輯分析儀、頻譜儀、信號(hào)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(cè)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(jiǎn)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(kù)函數(shù)，是一個(gè)功能強(qiáng)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(kāi)發(fā)完全獨(dú)立于硬件。PXI 增加了用于多個(gè)板卡同步的觸發(fā)總線和 10MHz 參考時(shí)鐘、用于精確定時(shí)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(lái)滿足實(shí)驗(yàn)和測(cè)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(hào)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(gè)，并具有數(shù)字 I/O，模擬I/O 和計(jì)數(shù)器/定時(shí)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(kāi)發(fā)維護(hù)費(fèi)用低 開(kāi)發(fā)維護(hù)費(fèi)用高技術(shù)更新周期短（～1 年） 技術(shù)更新周期長(zhǎng)（5～10 年）軟件是關(guān)鍵 硬件是關(guān)鍵價(jià)格低 價(jià)格昂貴開(kāi)放、靈活與計(jì)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(dòng)化、智能化、多功能、遠(yuǎn)距離傳輸 功能單一，操作不便近年來(lái)，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(gè)項(xiàng)目轉(zhuǎn)向另一個(gè)項(xiàng)目時(shí)，就能簡(jiǎn)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(guó)內(nèi)虛擬儀器行業(yè)至今還沒(méi)有形成具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的虛擬儀器核心開(kāi)發(fā)技術(shù)，也沒(méi)有相關(guān)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，虛擬儀器產(chǎn)業(yè)無(wú)論在規(guī)模還是在質(zhì)量上都難以與國(guó)外同行匹敵，國(guó)外虛擬儀器產(chǎn)品幾乎壟斷了國(guó)內(nèi)的市場(chǎng)。 在國(guó)內(nèi)，西安交大韓九強(qiáng)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(kāi)發(fā)平臺(tái)，重慶大學(xué)秦樹(shù)人等提出了虛擬儀器產(chǎn)品的網(wǎng)絡(luò)化開(kāi)發(fā)方法。傳統(tǒng)的高速計(jì)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(jì)算機(jī)總線，不是為食品儀表專門(mén)設(shè)計(jì)的總線，干擾大，插槽數(shù)有限，不便于大型測(cè)試系統(tǒng)的建立。該系統(tǒng)具有多路采集、實(shí)時(shí)顯示、存儲(chǔ)管理與密碼保護(hù)等功能。實(shí)驗(yàn)室虛擬儀器工程平臺(tái)（LabVIEW）是一種專門(mén)用于數(shù)據(jù)采集、分析及儀器控制的圖形化軟件，它所開(kāi)發(fā)的虛擬儀器將計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力與儀器的硬件測(cè)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(cè)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(kāi)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(shù)人等提出的智能化控件的思想，通過(guò)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(shí)例推理的虛擬儀器設(shè)計(jì)方法，通過(guò)對(duì)設(shè)計(jì)實(shí)例的查詢、檢索和適應(yīng)、修改，實(shí)現(xiàn)軟件資源的重用，提高虛擬儀器的設(shè)計(jì)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(tái)能滿足對(duì)同步和定時(shí)應(yīng)用的需求。這樣，在每個(gè)分面板上就可以實(shí)現(xiàn)功能操作的單純化和面板布置的簡(jiǎn)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(jì)數(shù)器/定時(shí)器等功能，有些還具有數(shù)字濾波和數(shù)字信號(hào)處理的功能。典型的 GPIB 測(cè)試系統(tǒng)包括一臺(tái)計(jì)算機(jī)，一塊基于 GPIB 總線的接口卡和多臺(tái) GPBI 儀器軟件及相應(yīng)的傳感模塊硬件。以美國(guó) NI 公司的軟件產(chǎn)品LabVIEW 和 LabWindows/CVI 為代表的虛擬儀器專用開(kāi)發(fā)平臺(tái)是當(dāng)前流行的集成化開(kāi)發(fā)工具。采用 IVI 技術(shù)，可以降低軟件的維護(hù)費(fèi)用，減少系統(tǒng)停運(yùn)時(shí)間，提高測(cè)試代碼的可重用性，使儀器編程更簡(jiǎn)單。但直接由這些語(yǔ)言開(kāi)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(dú)立運(yùn)行的可執(zhí)行文件，它是一個(gè)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(hào)0)?成為有限帶寬的信號(hào)。第二類數(shù)字信號(hào)是脈沖信號(hào)(Pulse Train)，如圖所示。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)。一個(gè)單通道的無(wú)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。③ 采樣周期必須準(zhǔn)確、均勻地通過(guò)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(shí)，首先必須對(duì)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(hào)放大至需要的量程內(nèi)。設(shè)計(jì)一個(gè)