【正文】 波形分析和處理系統(tǒng)。驅(qū)動程序隱藏了復(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。 下列情況可以不使用 Buffer I/O： （ 1） 數(shù)據(jù)組短小，例如每秒只從兩個通道之一采集一個數(shù)據(jù)點。根據(jù)信號運載信 息方式的不同 ， 可以將信號分為模擬信號和數(shù)字信號。 模擬頻域信號與時域信號類似，然而從頻域信號中提取的信息是基于信號的頻域內(nèi)容的，而不是波形的形狀，是不隨時間變化的特性。計算混頻偏差時需要用到下面這個等式： 混頻偏差＝ ABS（采樣頻率的最近整數(shù)倍－輸入頻率），其中 ABS 表示“絕對值”，例如： 混頻偏差 F2 = |100 – 70| = 30 Hz 混頻偏差 F3 = |2*100 – 160| = 40 Hz 混頻偏差 F4 = |5*100 – 510| = 10 Hz 采樣率應(yīng)當(dāng)設(shè)成多少？您可能會首先考慮用 DAQ 板支持的最大頻 率。 一個理想抗混頻濾波器 圖 所示： T r a n s i t i o n B a n dF r e q u e n c yf 1f 2 f 1a ) l d e a l A n t i a l i a s F i l t e rb ) P r a c t i c a l A n t i a l i a s F i l t e r Filter Output Filter Output 圖 理想抗混頻濾波器 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 說明書（畢業(yè) 論文 ） 它通過了所有需要的輸入頻率（低于 f1），并過濾了所有不需要的 頻率（高于 f1）。如果數(shù)據(jù)采集卡的地與信號地之間有電位差，而又不進(jìn)行隔離，那么就有可能形成接地回路，引起誤差。它主要用于測量大于 1 伏的輸入信號，從信號源到模擬輸入接線端子的連線很短，所有的輸入信號共用一個接地點。具有這樣的靈活性，就能將信號范圍與 ADC 的范圍進(jìn)行匹配，有效地利用分辨率，得到精確測量的信號。這樣就可以使用現(xiàn)有的采樣、 A/D 轉(zhuǎn)換和存儲器技術(shù)來實現(xiàn)對更高頻率信號的測量。前面板上設(shè)有各個功能按鈕，當(dāng)按下相應(yīng)按鈕時，即可調(diào)用該子程序。如果沒有使用 NIDAQmx啟動任務(wù)函數(shù)，那么在 NIDAQmx讀取函數(shù)執(zhí)行時，一個任務(wù)可以隱式地轉(zhuǎn)換至運行狀態(tài)，或者自動開始。正峰值一行用于輸出一段時間內(nèi)最大峰值。 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 說明書（畢業(yè) 論文 ） 本文設(shè)計的記錄儀可以對信號數(shù)據(jù)進(jìn)行簡單測量，采用幅值和電平 測量 函數(shù)可以 測量 一段時間內(nèi)電壓信號的直流均值、均方根值、最大峰值和最小峰值。 NIDAQmx 定時函數(shù)如圖 所示，其作用是配置定時以用于硬件定時的數(shù)據(jù)采集操作。 采用模塊化的軟件設(shè)計思想編寫，每個功能的實現(xiàn)由一個模塊完成，系統(tǒng)軟件總體包括數(shù)據(jù)采集、參數(shù)測量、數(shù)據(jù)存儲和回放等模塊，最終實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、處理、記錄、顯示等功能。由此出現(xiàn)了非實時采樣（又稱等效采樣）技術(shù)。 這個參數(shù)決定了采樣頻率。 采集信號的條件 模擬輸入特 性說明了 DAQ 產(chǎn)品的功能和精確度。 微弱信號都要進(jìn)行放大以提高分辨率和降低噪聲，使調(diào)理后信號的電壓范圍和 A/D的電壓范圍相匹配。這些頻率很可能會混雜在需要的頻率范 圍中，導(dǎo)致錯誤的結(jié)果。 圖 顯示了這種現(xiàn)象。 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 說明書（畢業(yè) 論文 ） 模擬時域信號與其他信號的不同在于，它在運載信息時不僅有信號的電平，還有電平隨時間的變化。 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 說明書（畢業(yè) 論文 ） 下列情況使用硬件觸發(fā)： （ 1） DAQ 事件定時需要非常準(zhǔn)確。 不使用 Buffer 意味著對所采集的每一個數(shù)據(jù)你都必須及時處理（圖形化、分析等），因為這里沒有一個場合可以保持你著手處理的數(shù)據(jù)之前的若干數(shù)據(jù)點。 （ 4） PC 及應(yīng)用驅(qū)動等軟件。 設(shè)定采樣速率。 放大器將待采集信號放大或衰減至采樣環(huán)節(jié)的量程范圍內(nèi)。 （ 5）提供大量與外部代碼或軟件進(jìn)行連接的機制，諸如 DLLS（動態(tài)連接庫）、 DDE（共享庫） 、 ActiveX 等。你也可以點擊暫停按鈕，這樣程序?qū)⑦B續(xù)執(zhí)行直到下一個斷點。如果控制模板不顯示，可以用 Windows 菜單的 Show Controls Palette 功能打開它，也可以在前面板的空白處，點擊鼠標(biāo)右鍵，以彈出控制模板。在流程圖中對 VI 編程，以控制和操縱定義在前面板上的輸入和輸出功能。 LabVIEW 集成了與滿足 GPIB、 VXI、 RS232 和 RS485 協(xié)議的硬件及數(shù)據(jù)采集卡通訊的全部功能。 課題研究的方法 本課題的主要工作是 對 虛擬無紙記錄儀的 進(jìn)行 整體設(shè)計；熟悉數(shù)據(jù)采集卡的使用；掌握虛擬儀器的軟件編程環(huán)境 LabVIEW 的使用；用圖形 化編程語言 LabVIEW 實現(xiàn)虛擬示波器的數(shù)據(jù)采集模塊、電平測量模塊、數(shù)據(jù)存儲和讀取模塊的設(shè)計。 虛擬無紙記錄儀 的 介紹 記錄儀是工業(yè)生產(chǎn)自動化系統(tǒng)中十分常見的二次儀表 ， 用來實現(xiàn)數(shù)據(jù)的記錄功能。 作為儀器領(lǐng)域中的新興的技術(shù)，虛擬儀器的開發(fā)和研究在國內(nèi)尚屬起步階段。虛擬儀器的構(gòu)成方式如圖 所示： 被 測 信 號P C — D A QG P I B 儀 器串 口 儀 器V X I 模 塊P X I 模 塊計 算 機 圖 虛擬儀器的結(jié)構(gòu)圖 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 說明書（畢業(yè) 論文 ） 虛擬儀器的特點 與傳統(tǒng)儀器相比虛擬儀器主要有以下 特點 ： （ 1）傳統(tǒng)儀器的面板只有一個，其上布置著種類繁多的顯示與操作元件，易于導(dǎo)致許多識別與操作錯誤。因此，虛擬儀器的出現(xiàn)，使測量儀器與計算機的界限模糊了 。本文從探索研究的角度出發(fā)，利用虛擬儀器技術(shù)完成一種虛擬無紙記錄儀的設(shè)計，使其能夠?qū)σ话愕碾妷盒盘枌崿F(xiàn)采集、測量、結(jié)果存儲和顯示等功能。 (2)虛擬儀器測量功能是通過圖形化軟件流程圖的編程來實現(xiàn)的 虛擬儀器是在 以 PC 為核 心組成的硬件平臺支持下，通過軟件編程來實現(xiàn)儀器的功能 。 （ 3）儀器的功能是用戶根據(jù)需要由軟件來定義的，而不是事先由廠家定義好的。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。 課題研究的背景 隨著科 學(xué)技術(shù)的發(fā)展，在測量領(lǐng)域中需要不斷更新測量設(shè)備，以滿足越來越高的測量要求，在我國，傳統(tǒng)儀器技術(shù)還比較落后，目前大批陳舊的測試儀器等待更新。 第四章是本文的關(guān)鍵部分，主要介紹了虛擬無紙記錄儀的各個功能模塊的具體設(shè)計方法，并對設(shè)計結(jié)果進(jìn)行了測試和相應(yīng)的分析。使用這種語言內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 說明書（畢業(yè) 論文 ） 編程時，基本上不寫程序代碼，取而代之的是流程圖。 如果將 VI 與標(biāo)準(zhǔn)儀器相比較，那么前面板上的東西就是儀器面板上的東西，而流程圖上的東西相當(dāng)于儀器箱內(nèi)的東西。這時該按鈕被稱作錯誤列表。在流程圖中使內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 說明書（畢業(yè) 論文 ） 用選擇工具或連線工具，在連線上點擊鼠標(biāo)右鍵，在連線的彈出式菜單中選擇“探針”命令，同樣可以為該連線加上一個探針 。數(shù)據(jù)采集卡是 虛擬無紙記錄儀 的重要組成部分，其性能指標(biāo)直接影響 虛擬無紙記錄儀 的采樣速度、精度等主要指標(biāo)。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，通常將采樣 /保持器 同 A/D 轉(zhuǎn)換器集成在一塊芯片上。也可構(gòu)成工業(yè)生產(chǎn)過程監(jiān)控系統(tǒng)。一般來說，硬件廠商在賣出硬件的同時也會提供驅(qū)動程序。 （ 2） 需要縮減存儲器的開支。其中數(shù)字信號 又 可以分為開關(guān)信號和脈沖信號；模擬信號可以分為直流信號、時域信號和頻域信號。 采樣頻率、抗混疊濾波器和樣本數(shù) 采樣率 是 輸入信號 的 最重要的參數(shù)之一。但是，長期使用很高的采樣率可能會導(dǎo)致沒有足夠的內(nèi)存或者硬盤存儲數(shù)據(jù)。但是，這樣的濾波器實際上并不可能實現(xiàn)。 濾波的目的是從所測量的信號中除 去不需要的成分。如果信號不滿足這些標(biāo)準(zhǔn)，就應(yīng)使用差分信號。 DAQ 卡上的范圍、分辨率和增益決定最小可測的電壓改變。也就是說，使用非實時采樣技術(shù)可以擴(kuò)展被測信號的帶寬。 本人由于虛擬儀器處在初學(xué)階段，所 設(shè)計的虛擬無紙 記錄儀 功能也比較簡單，僅能實現(xiàn)對一般電壓信號 的 采集、讀取、 電平測量、 和保存 等功能 。這個隱式的轉(zhuǎn)換也發(fā)生在如果 NIDAQmx 啟動任務(wù)函數(shù)未被使用而且NIDAQmx寫入函數(shù)與它相應(yīng)指定的自動輸 入一起執(zhí)行。內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 說明書（畢業(yè) 論文 ） 通過對幅值和電平測量函數(shù)的屬性設(shè)置還可以增添一些測量功能，比如測量周期均值、周期均方根值等等，這些功能可以根據(jù)用戶的需要進(jìn)行設(shè)置。 這樣 就 很容易擴(kuò)展儀器的測量部分的功用，充分體現(xiàn)了虛擬儀器在測量應(yīng)用中的優(yōu)越性。如果沒有指定一個任務(wù)，那么這個函數(shù)將創(chuàng)建一個任務(wù)。（ 3）確定虛擬儀器的圖標(biāo)和連接（表示某一虛擬子儀器）的參數(shù)列表，圖標(biāo)和連接允許將 此 儀器作為最高的程序，也可以作為其他程序或子程序中的程序（子儀器）。 由于實時采樣在被測信號頻率較高時，要求采樣信號的頻率也很高，這對相應(yīng)的電路、 A/D 變換器和存儲器等的要求也很高。他們可以分別將輸入電壓量化為 25 409 65536 份。大多數(shù)數(shù)字信號調(diào)理模塊還提供 其他一些電路模塊，使得用戶可以通過數(shù)據(jù)采集卡的數(shù)字 I/O 直接控制電磁閥、電燈、電動機等外部設(shè)備。下面僅介紹信號調(diào)理的通用功能。但是在實際應(yīng)用中，怎樣才能保證這一點呢？即使已經(jīng)確定被測的信號有一個最大的頻率值，雜散信號（例如來自于輸電線路或者當(dāng)?shù)貜V播電臺的干擾）可能會帶來比奈奎斯特頻率高的頻率?；祛l偏差是輸入信號的頻率和最靠近的采樣率整數(shù)倍的差的絕對值。常見的直流信號有溫度、流速、壓力、應(yīng)變等。 （ 2） 事件定時不需要非常準(zhǔn)確。如果你的卡有 DMA 性能，模擬 輸入操作就有一個通向計算機內(nèi)存的高速硬件通道，這就內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 說明書（畢業(yè) 論文 ） 意味著所采集的數(shù)據(jù)可以直接送到計算機的內(nèi)存。 數(shù)據(jù)采集卡的功能包括模擬輸入、模擬輸出、數(shù)字 I/O、觸發(fā)采集和定時 I/O。 設(shè)定采樣點數(shù)。 數(shù)據(jù)采集卡的主要組成部分 多路開關(guān)將多路信號輪流切換到放大器的輸入端，實現(xiàn)多參數(shù)多路信號的分時采集。 （ 4）囊括了 DAQ， GPIB， PXI， VXI， RS232/485 在內(nèi)的各種儀器通信總線標(biāo)準(zhǔn)的所有功能函數(shù)，使得不懂總線標(biāo)準(zhǔn)的開發(fā)者也能夠驅(qū)動不同總線標(biāo)準(zhǔn)接口設(shè)備與儀器。按下單步執(zhí)行按鈕，閃爍 的節(jié)點被執(zhí)行，下一個將要執(zhí)行的節(jié)點變?yōu)殚W爍，指示它將被執(zhí)行。每個圖標(biāo)代表一類子模板。 流程圖提供 VI 的圖形化源程序。 軟件開發(fā)平 臺 LabVIEW簡介 LabVIEW（ Laboratory Virtual Instrument Engineering）是一種圖形化的編程語言，它廣泛地被工業(yè)界、學(xué)術(shù)界和研究實驗室所接受，視為一個標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù) 采集和儀器控制軟件。本文 設(shè)計的 虛擬無紙記錄儀 ，可同時顯示、記錄和存儲輸入的波形，并且可以對波形進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和處理，具有一定的研究意義。隨著微型計算機的發(fā)展，虛擬儀器將會逐步取代傳統(tǒng)的測試儀器而成內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 說明書（畢業(yè) 論文 ） 為測試儀器的主流 。虛擬儀器將成為本世紀(jì)儀器的發(fā)展方向，而且有逐步取代傳統(tǒng)硬件化電子儀器的趨勢。無論 哪 種 VI 系統(tǒng)，都是將儀器硬件搭載到筆記本電腦、臺式微機或工作站等各種計算機 平臺加上應(yīng)用軟件而構(gòu)成的 [3]。使用這 種 鍵盤或者鼠標(biāo)操作 的 虛擬面板，就如同使用一臺專用 的 測量儀器一樣。 本設(shè)計采用模塊化的軟件設(shè)計思想編寫，每個功能的實現(xiàn)由 一個模塊完成。因為可以通過不同測試功能軟件模塊組合來完成多種測試功能，所以 在硬件平臺確內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 說明書（畢業(yè) 論文 ） 定后，就有軟件就是儀器的說法。 （ 4）儀器性能的改進(jìn)和功能擴(kuò)展只需要更新相關(guān)軟件設(shè)計而不需要購買新的儀器。清華大學(xué)汽車系利用虛擬儀器技術(shù)構(gòu)建的汽車發(fā)動機檢測系統(tǒng)，用于汽車發(fā)動機的出廠檢驗。這些儀器的測量精度和可靠性均低于國外，并且自動化程度較低。 結(jié)束語部分對設(shè)計的虛擬無紙記錄儀做了整體的評價， 對不足之處做了相應(yīng)的分析，有利于進(jìn)一步改進(jìn)。它盡可能利用了技術(shù)人員、科學(xué)家、工程師所熟悉的術(shù)語、圖標(biāo)和概念 。在許多情況下，使用 VI 可以仿真標(biāo)準(zhǔn)儀器，不僅在屏幕上出現(xiàn)一個惟妙惟肖的標(biāo)準(zhǔn)儀器面板，而且其功能也與標(biāo)準(zhǔn)儀器相差無幾。點擊它，則 LabVIEW 彈出錯誤清單窗口，點擊其中任何一個所列出的錯誤，選用 Find 功能，則出錯的對象或端口就會變成高亮。 用 LabVIEW 編制出的圖形化 VI 是分層次 和模塊化的。 CPU 的速度及計算機的內(nèi)存影響 記錄儀處理數(shù)據(jù)的速度， 計算機的硬盤決定了數(shù)據(jù)存儲的容 量。 以上四個部分都處在 PC 的前向通道，是數(shù)據(jù)采集卡的主要組成部分。 其 引腳圖如圖 ， 基本參數(shù) 如下： （ 1） 分辨率： 16Bit （ 2） 采樣率： 250 kS/s， 16 路模擬輸入 （ 3） 兩路 16位模擬輸出 （ 833 kS/s） （ 4） 24 路數(shù)字 I/O； 32位計數(shù)器 ； 數(shù)字觸發(fā) （ 5） NIMCal 校準(zhǔn)支持 （ 6） NID