【文章內(nèi)容簡介】 。虛擬儀器提供的各種工具能滿足我們?nèi)魏雾椖啃枰?. 虛擬儀器的 系統(tǒng) 構成 虛擬儀器由硬件設備與接口、 設備驅(qū)動 軟件 和虛擬儀器面板組成。其中，硬件設備與接口可以是各種以 PC 為基礎的內(nèi)置功能插卡、通用接口總線接口卡、串行口 、 VXI 總線儀器接口等設備，或者是其它各種可程控的外置測試設備， 設備驅(qū)動 軟件 是直接控制各種硬件接口的 驅(qū)動程序 ，虛擬儀器通過底層設備驅(qū)動軟件與真實的儀器系統(tǒng)進行通訊，并以虛擬儀器面板的形式在計算機屏幕上顯示與真實儀器面板操作元素相對應的各種控件。用戶用鼠標操作虛擬儀器的面板就如同操作真實儀器一樣 真實與方便 虛擬儀器系統(tǒng)的硬件構成 虛擬儀器的硬件系統(tǒng)一般分為計算機硬件平臺和測控功能硬件。計算機硬 專用虛擬儀器系統(tǒng) 件平臺可以是各種類型的計算機，如臺式計算機、便攜式計算機、工作站、嵌入式計算機等。它管理著虛擬儀器的軟件資源，是虛擬儀器的硬件基礎。因此，計算機技術在顯示、存儲能力、處理器性能、網(wǎng)絡、總線標準等方面的發(fā)展，導致了虛擬儀器系統(tǒng)的快速發(fā)展。 按照測控功能硬件的不同， VI可分為 DAQ、 GPIB、 VXI、 PXI 和串口總線五種標準體系結構，它們主要完成被測輸入信號的采集、放大、模 /數(shù)轉(zhuǎn)換。 虛擬儀器系統(tǒng)的軟件構成 測試軟件是虛擬儀器的主心骨。 NI 公司在提出虛擬儀器概念并推出第一批實用成果時，就用軟件就是儀器來表達虛擬儀器的特征，強調(diào)軟件在虛擬儀器中的重要位置。 NI 公司從一開始就推出豐富而又簡潔的虛擬儀器開發(fā)軟件。使用者可以根據(jù)不同的測試任務，在虛擬儀器開發(fā)軟件的提示下編制不同的測試軟件，來實現(xiàn)當代科學技術復雜的測試任務。在虛擬儀器系統(tǒng)中用靈活強大的計算機軟件代替?zhèn)鹘y(tǒng)儀器的某些硬件，特別是系統(tǒng)中應用計算機直接參與測試信號的產(chǎn)生和測量特性的分析，使儀器中的一些硬件甚至整個儀器從系統(tǒng)中消失， 而由計算機的軟硬件資源來完成它們的功能 虛擬儀器優(yōu)勢 編輯本段優(yōu)勢同其他技術相比，虛擬儀器技術具有四大優(yōu)勢： 性能高 虛擬儀器技術是在 PC 技術的基礎上發(fā)展起來的，所以完全 繼承 虛擬儀器系統(tǒng)框圖 了以現(xiàn)成即用的 PC 技術為主導的最新商業(yè)技術的優(yōu)點，包括功能超卓的處理器和文件 I/O，使您在數(shù)據(jù)高速導入磁盤的同時就能實時地進行復雜的分析。此外，不斷發(fā)展的因特網(wǎng)和越來越快的計算機網(wǎng)絡使得虛擬儀器技術展現(xiàn)其更強大的優(yōu)勢。 擴展性強 NI 的軟硬件工具使得我們不再受限于當前的技術中。這得益于 NI 軟件的靈活性 ，只需更新計算機或測量硬件，就能以最少的硬件投資和極少的、甚至無需軟件上的升級即可改進整個系統(tǒng)。在利用最新科技的時候，我們可以把它們集成到現(xiàn)有的測量設備，最終以較少的成本加速產(chǎn)品上市的時間。 開發(fā)時間少 在驅(qū)動和應用兩個層面上， NI 高效的軟件構架能與計算機、儀器 傳統(tǒng)儀器與虛擬儀器構成比較 儀表和通訊方面的最新技術結合在一起。 NI 設計這一軟件構架的初衷就是為了方便用戶的操作，同時還提供了靈活性和強大的功能，使我們輕松地配置、創(chuàng)建、發(fā)布、維護和修改高性能、低成本的測量和控制解決方案 LabVIEW 軟件 LabVIEW LabVIEW 是一種程序開發(fā)環(huán)境，由 美國 國家儀器（ NI）公司研制開發(fā)的，類似于 C和 BASIC 開發(fā)環(huán)境，但是 LabVIEW 與其他計算機語言的顯著區(qū)別是：其他計算機語言都是采用基于文本的語言產(chǎn)生代碼，而 LabVIEW 使用的是圖形化編輯語言 G編寫程序，產(chǎn)生的程序是框圖的形式。 LabVIEW 是一個革命性的圖形化開發(fā)環(huán)境，內(nèi)置信號采集，測量分析和數(shù)據(jù)顯示功能，作為傳統(tǒng)的開發(fā)工具的復雜性，為您提供強大的功能，也保證了系統(tǒng)的靈活性。 LabVIEW 進行廣泛的數(shù)據(jù)采集，分析和顯示功能集中在同一環(huán)境中，讓你可以根據(jù)自己的平臺上無縫地集成一套完整的應用程序，它廣泛地被工業(yè)界、學術界和研究實驗室所接受，視為一個標準的 數(shù)據(jù)采集 和儀器控制軟件。LabVIEW [2]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。它還內(nèi)置了便于應用 TCP/IP、 ActiveX 等軟件標準的庫函數(shù)。這是一個功能強大且靈活的軟件。利用它可 以方便地建立自己的虛擬儀器，其圖形化的界面使得編程及使用過程都生動有趣 特點是 盡可能采用了通用的硬件，各種儀器的差異主要是 軟件 。 可充分發(fā)揮計算機的能力，有強大的數(shù)據(jù)處理功能，可以創(chuàng)造出功能更強的儀器。 用戶可以根據(jù)自己的需要定義和制造各種儀器。 LabVIEW 優(yōu)點 LabVIEW 有很多優(yōu)點優(yōu)點，尤其是在某些特殊領域其特點尤其突出。 測試測量： LABVIEW 最初就是為測試測 量而設計的，因而測試測量也就是現(xiàn)在LABVIEW 最廣泛的應用領域。經(jīng)過多年的發(fā)展， LABVIEW 在測試測量領域獲得了廣泛的承認。至今，大多數(shù)主流的測試儀器、數(shù)據(jù)采集設備都擁有專門的 LabVIEW驅(qū)動程序，使用 LabVIEW 可以非常便捷的控制這些硬件設備。同時，用戶也可以十分方便地找到各種適用于測試測量領域的 LabVIEW 工具包。這些工具包幾乎覆蓋了用戶所需的所有功能，用戶在這些工具包的基礎上再開發(fā)程序就容易多了。有時甚至于只需簡單地調(diào)用幾個工具包中的函數(shù)，就可以組成一個完整的測試測量應用程序。 控制：控制與 測試是兩個相關度非常高的領域，從測試領域起家的 LabVIEW自然而然地首先拓展至控制領域。 LabVIEW 擁有專門用于控制領域的模塊LabVIEWDSC。除此之外，工業(yè)控制領域常用的設備、數(shù)據(jù)線等通常也都帶有相應的 LabVIEW 驅(qū)動程序。使用 LabVIEW 可以非常方便的編制各種控制程序。 仿真： LabVIEW 包含了多種多樣的數(shù)學運算函數(shù)，特別適合進行模擬、仿真、原型設計等工作。在設計機電設備之前，可以先在計算機上用 LabVIEW 搭建仿真原型，驗證設計的合理性，找到潛在的問題。在高等教育領域，有時如果使 用LabVIEW 進行軟件模擬，就可以達到同樣的效果，使學生不致失去實踐的機會。 兒童教育：由于圖形外觀漂亮且容易吸引兒童的注意力，同時圖形比文本更容易被兒童接受和理解，所以 LabVIEW 非常受少年兒童的歡迎。對于沒有任何計算機知識的兒童而言，可以把 LabVIEW 理解成是一種特殊的“積木”：把不同的原件搭在一起，就可以實現(xiàn)自己所需的功能。著名的可編程玩具“樂高積木”使用的就是 LabVIEW 編程語言。兒童經(jīng)過短暫的指導就可以利用樂高積木提供的積木搭建成各種車輛模型、機器人等，再使用 LabVIEW 編寫控制其運動和 行為的程序。除了應用于玩具， LabVIEW 還有專門用于中小學生教學使用的版本。 快速開發(fā)：根據(jù)筆者參與的一些項目統(tǒng)計，完成一個功能類似的大型應用軟件，熟練的 LabVIEW 程序員所需的開發(fā)時間，大概只是熟練的 C 程序員所需時間的1/5 左右。所以，如果項目開發(fā)時間緊張，應該優(yōu)先考慮使用 LabVIEW，以縮短開發(fā)時間。 跨平臺：如果同一個程序需要運行于多個硬件設備之上，也可以優(yōu)先考慮使用LabVIEW。 LabVIEW 具有良好的平臺一致性。 LabVIEW 的代碼不需任何修改就可以運行在常見的三大臺式機操作系統(tǒng)上： Windows、 Mac OS 及 Linux。除此之外，LabVIEW 還支持各種實時操作系統(tǒng)和嵌入式設備，比如常見的 PDA、 FPGA 以及運行 VxWorks 和 PharLap 系統(tǒng)的 RT 設備 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)軟件設計 在計算機廣泛應用的今天， 數(shù)據(jù)采集 的重要性是十分顯著的。它是計算機與外部物理世界連接的橋梁 .各種類型信號采集 的難易程度差別很大。實際采集時，噪聲也可能帶來一些麻煩 .數(shù)據(jù)采集時，有一些基本原理要注意，還有更多的實際的問題要解決 . 采樣頻率、抗混疊濾波器和樣本數(shù) 假設現(xiàn)在對一個模擬信號 x(t) 每隔 Δt 時間采樣一次。時間間隔 Δt 被稱為采樣間隔或者采樣周期。它的倒數(shù) 1/Δt 被稱為采樣頻率，單位是采樣數(shù) / 每秒。 t=0, Δt,2 Δt,3 Δt ...... 等等， x(t) 的數(shù)值就被稱為采樣值。所有 x(0),xΔt),x(2Δt) 都是采樣值。下圖顯示了一個模擬信號和它采樣后的采樣值。樣間隔是 Δt，注意，采樣點在時域上是分散的。 模擬信號和采樣顯示 如果對信號 x(t)采集 N 個采樣點，那么 x(t)就可以用下面這個數(shù)列表示： 模擬信號和采樣顯示 這個數(shù)列被稱為信號 x(t)的數(shù)字化顯示或者采樣顯示。注意這個數(shù)列中僅僅用下標變量編制索引，而不含有任何關于采樣率 (或 Δt)的信息。所以如果只知道 該信號的采樣值，并不能知道它的采樣率，缺少了時間尺度，也不可能知道信號x(t)的頻率。 根據(jù)采樣定理，最低采樣頻率必須是信號頻率的兩倍。反過來說，如果給定了采樣頻率，那么能夠正確顯示信號 而不發(fā)生畸變的最大頻率叫做 奈 奎斯特頻率，它是采樣頻率的一半。如果信號中包含頻率高于奈奎斯特頻率的成分，信號將在直流和 奈 奎斯特頻率之間畸變。 圖 2 顯示了一個信號分別用合適的采樣率和過低的采樣率進行采樣的結果。 采樣率過低的結果是還原的信號的頻率看上去與原始信號不同。這種信號畸變叫做混疊 (alias)。出現(xiàn)的混頻偏差 (alias frequency)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。 不同采樣率的采樣結果 不同采樣率的采樣結果 圖 3 給出了一個例子。假設采樣頻率 fs 是 100HZ, 信號中含有 2 70、 160、和 510Hz 的成分。 說明混疊的例子 采樣的結果將會是低于奈奎斯特頻率 (fs/2=50 Hz)的信號可以被正確采樣。而頻率高于 50HZ 的信號成分采樣時會發(fā)生畸變。分別產(chǎn)生了 30 、 40 和 10 Hz 的畸變頻率 F F3 和 F4 。計算混頻偏差的公式是： 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 = |10070| = 30 Hz 混頻偏差 F3 = |(2)100160| = 40 Hz 混頻偏差 F4 = |(5)100510| = 10 Hz 為了避免這種情況的發(fā)生，通常在信號被采集 (A/D)之前，經(jīng)過一個低通濾波器，將信號中高于奈奎斯特頻率的信號成分濾去。在圖３的例子中，這個濾波器的截止頻率自然是 25HZ 。這個濾波器稱為抗混疊濾波器。 采樣頻率應當怎樣設置呢？也許你可能會首先考慮用采集卡支持的最大頻率。但是，較長時間使用很高的采樣率可能會導致沒有足夠的內(nèi)存或者硬盤存儲數(shù)據(jù)太慢。理論上設置采樣頻率為被采集信號最高頻率成分的 2 倍就夠了，實際上工程中選用 5～ 10 倍，有時為了較好地還原波形，甚至更高一些。 通常，信號采集后都要去做適當?shù)男盘?處理，例如 FFT 等。這里對樣本數(shù)又有一個要求，一般不能只提供一個信號周期的數(shù)據(jù)樣本，希望有 5～ 10 個周期，甚至更多的樣本。并且希望所提供的樣本總數(shù)是整周期個數(shù)的。這里又發(fā)生一個困難，有時我們并不知道，或不確切知道被采信號的頻率，因此不但采樣率不一定是信號頻率的整倍數(shù)，也不能保證提供整周期數(shù)的樣本。我們所有的僅僅是一個時間序列的離散的函數(shù) x(n) 和采樣頻率。這是測量與分析的唯一依據(jù) 轉(zhuǎn)換電路 轉(zhuǎn)換器是將一種信號轉(zhuǎn)換成另一種信號的裝置。信號是信息存在的形式或載體。在自動化儀表設備和自動控制系統(tǒng) 中，常將一種信號轉(zhuǎn)換成另一種與標準量或參考量比較后的信號，以便將兩類儀表聯(lián)接起來。 一般是將電流信號轉(zhuǎn)換電壓信號或者電壓信號轉(zhuǎn)換為電流信號 電平轉(zhuǎn)換電路 在數(shù)字電路系統(tǒng)中，一般情況下，不同種類器件 (如 TTL、 CMOS、 HCMOS等 )不能直接相連；電源電壓不同的 CMOS、 HCMOS 器件因輸出電平不同也不能直接相連，這就涉及到電平轉(zhuǎn)換問題。所幸的是目前單片機應用系統(tǒng)中的MCU、存儲器、μ P 監(jiān)控芯片、 I/O 擴展與接口電路芯片等多采用 HCMOS 工藝；另一方面 74LS 系列數(shù)字電路芯片已普遍被 74HC 系列芯片 所取代。即數(shù)字電路系統(tǒng)中的門電路、觸發(fā)器、驅(qū)動器盡可能采用 74HC 系列（或高速的 74AHC 系列）芯片、 CD40 系列或 CD45 系列的 CMOS 器件 (速度較 HCMOS 系列慢，但功耗比 HC 系列芯片低、電源電壓范圍寬。當電源電壓大于 時， CMOS 數(shù)字邏輯器件就成了唯一可選的數(shù)字 IC 芯片 )，盡量不用 74LS 系列芯片 (速度與74HC 系列相同，但電源范圍限制為 177。 5%、功耗大、價格甚至比 74HC 系列高 )與 74 系列 (在 74 系列中，只有輸出級可承受高壓的 740 7407 OC 門電路芯片仍在使用 )。 根據(jù) CMOS、 HCMOS芯片輸出高低電平特征、輸入高低電平范圍，在電源電壓 DDV 相同，且不大于 情況下，這些芯片能直接相連。因此，在現(xiàn)代數(shù)字電子電路中只需解決不同電源電壓 CMOS、 HCMOS 器件之間的連接問題。 高壓器件驅(qū)動低壓器件接口電路 高壓器件驅(qū)動低壓器件 (如 5V驅(qū)動 3V或 9V驅(qū)動 5V、 3V)時，一般不能直接相連，應根據(jù)高壓器件輸出口結構 (漏極開路的 OD 門、準雙向或 CMOS 互補推挽輸出 )選擇相應的接口電路。 對于 OD 輸出引腳，可采用圖 742(a)所示電路，上 拉電阻 R一般