【文章內(nèi)容簡介】 83。 56 1 第 1 章 緒 論 虛擬儀器 由于電子技術(shù)、計算機技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的高速發(fā)展及其在電子技術(shù)與儀器領(lǐng)域中的應(yīng)用，新的測試?yán)碚?、方法、領(lǐng)域以及新的儀器結(jié)構(gòu)的不斷出現(xiàn)，電子 測量儀器的功能和作用也發(fā)生了質(zhì)的變化 [1]。在這種背景下， 20世紀(jì) 80年代末，美國成功研制了虛擬儀器。本章將重點介紹虛擬儀器的概念和其結(jié)構(gòu)、發(fā)展以及開發(fā)虛擬儀器所需的軟硬件選擇和本文的主要內(nèi)容 [2]。 虛擬儀器的概述 虛擬儀器是隨著微電子技術(shù)、計算機技術(shù)、軟件技術(shù)、現(xiàn)代測量技術(shù)、電子儀器技術(shù)的發(fā)展而產(chǎn)生的一種新型儀器，它經(jīng)歷了電磁指針式儀器、分立元件式儀器、數(shù)字式儀器、智能式儀器發(fā)展的一步步進(jìn)程。特別是 20 世紀(jì) 80年代末以來，新的測試?yán)碚摚碌臏y試方法以及新的儀器結(jié)構(gòu)不斷出現(xiàn)，在許多 方面已經(jīng)沖破了傳統(tǒng)儀器的概念，電子測量儀器的功能和作用發(fā)生了質(zhì)的變化，一種全新的虛擬儀器觀念出現(xiàn)在人類面前，它從根本上更新了測量儀器的概念 [3]。虛擬儀器的出現(xiàn)是測量儀器領(lǐng)域的一個突破，它徹底改變了傳統(tǒng)的儀器觀，代表著測量儀器發(fā)展的最新方向和潮流，開辟了測量測試技術(shù)的新紀(jì)元。虛擬儀器技術(shù)的發(fā)展使現(xiàn)代測量技術(shù)和計算機技術(shù)真正結(jié)合在一起，是計算機技術(shù)和現(xiàn)代測量技術(shù)的高速發(fā)展和共同孕育出的一項革命性新技術(shù)。虛擬儀器廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動化和控制系統(tǒng)、圖象的采集和分析處理、系統(tǒng)仿真、運動控制、遠(yuǎn)程監(jiān)控、物礦勘探、醫(yī)療、 振動分析、聲學(xué)分析、故障診斷、電子工程、電力工程及教學(xué)科研等諸多領(lǐng)域。它的出現(xiàn)對科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和工業(yè)生產(chǎn)將產(chǎn)生不可估量的影響 [2,4,5,6]。 2 虛擬儀器的概念首先由美國國家儀器公司 NI（ National Instruments）提出，并在 1986 年推出的 虛擬儀器軟件平臺，由此開創(chuàng)了虛擬儀器發(fā)展的新紀(jì)元，自 1986 年 NI 公司推出 版本以來， 2020 年 5 月相繼有 NI 版本面世。由 LabVIEW開發(fā)的程序稱為虛擬儀器 (Virtual instrument)， 簡稱 VI[3,7]。 虛擬儀器的概念 虛擬儀器（ Virtual instrument，簡稱 VI）是虛擬技術(shù)在儀器儀表領(lǐng)域中的一個重要應(yīng)用，它是現(xiàn)代計算機技術(shù)（硬件、軟件和總線技術(shù)）和虛擬儀器技術(shù)深層次結(jié)合的產(chǎn)物，是當(dāng)今計算機輔助測試（ CAT）領(lǐng)域的一項重要技術(shù) [7]。即虛擬儀器就是計算機技術(shù)介入儀器領(lǐng)域所形成的一種新型儀器，它是利用計算機強大的圖形環(huán)境，組合相應(yīng)的硬件，編制不同的測試軟件，建立界面友好的虛擬儀器面板（即軟面板），通過友好的圖形界面及圖形化編程語言控制儀器運行，構(gòu)成多種儀器，完成對 被測量的采集、分析、判斷、顯示、存儲及數(shù)據(jù)生成的儀器 [9]。也就是說，虛擬儀器是：利用計算機顯示器模擬傳統(tǒng)儀器控制面板，以多種形式輸出和顯示結(jié)果；利用計算機軟件實現(xiàn)信號數(shù)據(jù)的運算、分析和處理；利用 I/O接口設(shè)備完成信號的采集、測量與調(diào)理，從而完成各種測試功能的一種計算機儀器系統(tǒng)。 VI 以透明的方式將計算機資源（如微處理器、內(nèi)存、顯示器等）和儀器硬件（如 A/D、 D/A、數(shù)字 I/O、定時器、信號調(diào)理等）的測量與控制能力結(jié)合在一起，通過軟件實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的分析處理與表達(dá)，如圖 所示 [8]。而軟件就成為了虛擬儀器的關(guān) 鍵，任何一個使用者都可以通過修改虛擬儀器的軟件來改變它的功能，這就是美國 NI 公司“軟件就是儀器”（ The software is the instrument）一說的來歷 [10]。 3 圖 虛擬儀器內(nèi)部功能的劃分 虛擬儀器的基本結(jié)構(gòu)和類型 圖 虛擬儀器系統(tǒng)構(gòu)成框圖 虛擬儀器系統(tǒng)的基本框圖如圖 所示。把 PLC、現(xiàn)場總線設(shè)備也放入這個框圖，是因為如果按構(gòu)成儀器的三大功能部件來看，所有的過程控制系統(tǒng)、工業(yè)自信號調(diào)理 數(shù)據(jù)采集卡 GPIB 接口儀器 GPIB接口卡 串行接口儀器 /PLC VXI 儀器 現(xiàn)場總線設(shè)備 其他計算機硬件 測控對象 LabVIEW LabWindows/CVI Acquisition and Control (采集與控制 ) Plugin Data Acquisition (插入式數(shù)據(jù)采集板 ) GPIB(IEEE488) (GPIB 儀器 ) VXI （ VXI 儀器） RS232 （ RS232 儀器） Data Analysis （數(shù)據(jù)分析） Digital Signal Processing Board （數(shù)字信號處理） Digital Filtering （數(shù)字濾波） Statistics （統(tǒng)計） Numerical Analysis （數(shù)字分析） Data Presentation （數(shù)據(jù)表達(dá)） Networking （網(wǎng)絡(luò)） Hardcopy Output （硬拷貝輸出） File I/O （文件 I/O） Graphical User Interface （圖形用戶接口） 4 動化系統(tǒng)均可歸納到虛擬儀器系統(tǒng)的框架上來。 目前較常用的虛擬儀器是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、 GPIB 控制系統(tǒng)、 VXI 儀器系統(tǒng)以及這三者之間的任意組合 [4,11]。 (1) GPIB 儀器控制系統(tǒng)的構(gòu)成方法 GPIB 技術(shù)可以說是虛擬儀器技術(shù)發(fā)展的第一階段。 GPIB（通用接口總線）猶如一座橋梁，把可編程儀器和計算機緊密 地結(jié)合起來，從此電子測量由獨立手工操作的單臺儀器向組成大規(guī)模測試系統(tǒng)方向邁進(jìn)。 一個典型的 GPIB 測試系統(tǒng)由一臺計算機、一塊 GPIB 接口板和若干 GPIB 儀器通過標(biāo)準(zhǔn) GPIB 電纜連接而成。 GPIB 自動測試系統(tǒng)的規(guī)?？梢赃M(jìn)一步擴展。 利用 GPIB 技術(shù)，可以通過計算機實現(xiàn)對儀器的操作和控制，替代傳統(tǒng)的人工操作方式，排除人為因素造成的測量、測試誤差。同時，由于可以用預(yù)先編制好的測試程序，實現(xiàn)自動測試提高系統(tǒng)測量的可靠性和效率。 (2) 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的構(gòu)成方法 一個典型的數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)由四部分組成，如圖 。 圖 典型的數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)框圖 一個好的數(shù)據(jù)采集產(chǎn)品不僅包括高性能、高可靠性，還應(yīng)該 提供高性能的驅(qū)動程序、簡單易用的高層語言接口。只有這樣才能為用戶快速建立高可靠性的應(yīng)用系統(tǒng)提供最大方便。 目前，由于多層印制電路板技術(shù)、可編程儀器放大技術(shù)、即插即用技術(shù)、系現(xiàn)場信號、傳感器執(zhí)行機構(gòu) 信號調(diào)理（放大、過濾等） 數(shù)據(jù)采集板、卡或盒 數(shù)據(jù)采集控制軟件 5 統(tǒng)定時器技術(shù)、多數(shù)據(jù)采集實時系統(tǒng)繼承總線技術(shù)、高速數(shù)據(jù)采集的雙緩沖區(qū)技術(shù)以及數(shù)據(jù)高速傳送中斷、 DMA 等技術(shù)的應(yīng)用，使得最新的數(shù)據(jù)采集卡能保證儀器級的性能、精度與可靠性，為用戶建立功能靈活，性能價格比高的數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)提供了很好的解決方案 [12,13]。 (3) VXI 儀器系統(tǒng)構(gòu)成方法 VXI總線是一種高速計算機總線 — VME 總線在儀器領(lǐng)域 的擴展。由于它的標(biāo)準(zhǔn)開放、結(jié)構(gòu)緊湊、具有數(shù)據(jù)吞吐能力強、定時和同步精確、模塊可重復(fù)利用、眾多儀器廠商支持等優(yōu)點，因此很快得到了廣泛的應(yīng)用。在近 10 年時間內(nèi)，隨著 VXI總線規(guī)范的不斷完善和發(fā)展， VXI 即插即用系統(tǒng)聯(lián)盟的不懈努力， VXI 系統(tǒng)的組建和使用越來越方便，其應(yīng)用面也越來越廣，尤其是在組建大、中規(guī)模自動測量測試系統(tǒng)以及對速度、精度要求高的場合有著其他儀器系統(tǒng)無法比擬的優(yōu)勢 [9]。 一個基本的 VXI 儀器系統(tǒng)可以有三種不同的配置方法 [18]： ① GPIB 控制方案； ② 嵌入式計算機控制方案； ③ MXI 總線 控制方案。 虛擬儀器的發(fā)展 虛擬儀器通過軟件將計算機硬件資源與儀器硬件有機地融合為一體，從而把計算機強大的計算機處理能力和儀器硬件的測量、控制能力結(jié)合在一起，大大縮小了儀器硬件的成本和體積，并通過軟件實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的顯示，存儲以及分析處理。從發(fā)展史來看，電子測量儀器經(jīng)歷了由模擬儀器、智能儀器到虛擬儀器 [10]。當(dāng)硬件平臺 I/O 接口設(shè)備與計算機確定后，編制某種測量功能的軟件就成為該種功能 6 的測量儀器。因為虛擬儀器可以與計算機同步發(fā)展，與網(wǎng)絡(luò)及其他周邊設(shè)備互聯(lián)，用戶只需改變軟件程序就可以不斷賦予它或擴展增強它 的測量功能。這就是說，儀器的設(shè)計制造不在是廠家的專利。虛擬儀器開創(chuàng)了儀器使用者可以成為儀器設(shè)計者的時代，這將給儀器使用者帶來無盡的收益 [15]。 虛擬儀器從概念的提出到目前技術(shù)發(fā)展已日趨成熟，體現(xiàn)了計算機技術(shù)對傳統(tǒng)工業(yè)的革命。大致說來，虛擬儀器發(fā)展至今，可以分為三個階段，而這三個階段又是同步進(jìn)行的 [11]。 第一階段，利用計算機增強傳統(tǒng)儀器的功能。由于 GPIB 總線標(biāo)準(zhǔn)的確立，計算機與外界通信成為可能，只需要把傳統(tǒng)儀器通過 GPIB 和 RS232 同計算機連接起來，用戶就可以用計算機控制儀器。隨著計算機系統(tǒng)性價比 的不斷上升，用計算機控制測控儀器成為一種趨勢。這一階段虛擬儀器的發(fā)展幾乎是直線前進(jìn)。 第二階段，開放式的儀器構(gòu)成。儀器硬件上出現(xiàn)了兩大技術(shù)進(jìn)步：一是插入式計算機數(shù)據(jù)處理卡（ plugin PCDAQ）；二是 VXI儀器總線標(biāo)準(zhǔn)的確立。這些新的技術(shù)使儀器的構(gòu)成得以開放，消除了第一階段內(nèi)在的由用戶定義和供應(yīng)商定義儀器功能的區(qū)別。 第三階段，虛擬儀器框架得到了廣泛認(rèn)同和采用。軟件領(lǐng)域面向?qū)ο蠹夹g(shù)把任何用戶構(gòu)建虛擬儀器需要的東西封裝起來。許多行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)在硬件和軟件領(lǐng)域已產(chǎn)生，幾個虛擬儀器平臺已經(jīng)得到認(rèn)可并逐漸成為虛擬 儀器行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)工具。發(fā)展到這一階段，人們也認(rèn)識到了虛擬儀器軟件框架才是數(shù)據(jù)采集和儀器控制系統(tǒng)實現(xiàn)自動化的關(guān)鍵 [2]。 目前，虛擬儀器的發(fā)展過程有兩條主線：一是 GPIB→ VXI→ PXI 總線方式（適 7 合大型高精度集成系統(tǒng)）；二是 PC 插卡式→ LPT 并行口式→串口 USB 方式→ IEEE標(biāo)準(zhǔn)的 1394 口方式（適合于普及型的廉價系統(tǒng)，有廣闊的應(yīng)用發(fā)展前景 ） [16]。 隨著計算機、通信和微電子技術(shù)的不斷發(fā)展，以及網(wǎng)絡(luò)時代的到來和信息化要求的不斷提高，網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用到虛擬儀器領(lǐng)域中是虛擬儀器發(fā)展的重要趨勢。21 世紀(jì)的虛擬儀器主要 發(fā)展方向是網(wǎng)絡(luò)化虛擬儀器，它是將由單臺虛擬儀器實現(xiàn)的數(shù)據(jù)獲取、數(shù)據(jù)分析及圖形化顯示三大功能分開處理，分別使用獨立的基本硬件模塊實現(xiàn)傳統(tǒng)儀器的三大功能，進(jìn)而實現(xiàn)信息資源的共享 [7]。也就是將虛擬儀器、外部設(shè)備、被測試點以及數(shù)據(jù)庫資源納入網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)資源共享，共同完成測試任務(wù)。使用網(wǎng)絡(luò)化虛擬儀器可在任何地點、任意時刻都能獲取測量數(shù)據(jù)，也適合異地或遠(yuǎn)程控制、數(shù)據(jù)采集、故障監(jiān)測、報警等。不久的將來，還可以把數(shù)碼發(fā)布到 WEB 網(wǎng)頁上甚至把數(shù)據(jù)傳輸?shù)绞謾C上，實現(xiàn)在不同地點、不同國家的同行合作處理同一個項目。虛擬儀器的核心是 軟件，而虛擬儀器軟件構(gòu)架的精髓是虛擬儀器庫技術(shù)。傳統(tǒng)的 VI 方式為一個儀器功能開發(fā)一個軟件，每個軟件都獨立具有數(shù)據(jù)采集功能，但多個軟件不能同時使用。虛擬儀器庫技術(shù)解決了這個矛盾，如DASP2020 標(biāo)準(zhǔn)版和專業(yè)版內(nèi)的虛擬儀器庫模塊就是由“平臺軟件 +虛擬儀器庫”組成，多個軟件共享虛擬儀器的硬件資源 [17]。它由一個平臺軟件實現(xiàn)基本的數(shù)據(jù)采集和頻譜分析。多個模塊化的儀器軟件基于平臺軟件上運行，共用平臺軟件提供的數(shù)據(jù)和頻譜值，分別實現(xiàn)各自儀器的不同功能（如頻率計、阻尼計、轉(zhuǎn)速表、失真度計、索力計、聲級計、壓力計、溫度 計、應(yīng)變計、應(yīng)力計、示波器、頻譜儀、波譜雙顯儀、混疊演示儀、泄露顯示儀、信號發(fā)生器、數(shù)據(jù)多用表等）。它的特點是在一個平臺軟件上，多個模塊化儀器軟件共享 A/D 采集數(shù)據(jù)資源及信號處 8 理的數(shù)據(jù)資源，多臺儀器可以高速實時運行，操作應(yīng)用非常方便。就像 PC 與Windows、 Office 的發(fā)展依存關(guān)系一樣，虛擬儀器正在向綜合性、多功能、多用途、快捷的多畫面的虛擬儀器庫方向發(fā)展。此外，手持式、更輕便的小型化的嵌入式PC（如 PC104）及掌上電腦與 DSP、 AD/DA、 LCD、調(diào)理放大、電子盤加軟件相結(jié)合的一體機也是一個未來發(fā)展 方向，它使虛擬儀器更方便地深入到測試現(xiàn)場。虛擬儀器向節(jié)能、省電、輕便、小型化發(fā)展也是一個方向 [23]。 本文的研究內(nèi)容 虛擬儀器由通用儀器硬件平臺 (簡稱硬件平臺 )和應(yīng)用軟件兩大部分構(gòu)成。硬件 平臺主要完成對被測信號進(jìn)行調(diào)理和采集。儀器硬件可以是插入式數(shù)據(jù)采集卡及必 要的外圍電路 (含信號調(diào)理電路、 A/D轉(zhuǎn)換器、數(shù)字 I/O、定時器、 D/A轉(zhuǎn)換器等 )， 或者是帶標(biāo)準(zhǔn)總線接口的儀器，如 GPIB, VXI, PXI, STD, PCI總線儀器和網(wǎng)絡(luò)化儀器等 [16]。 目前市場上的 A/D采集卡和數(shù)據(jù)采集卡以及帶標(biāo)準(zhǔn)總 線接口的儀器等，其價格均不菲，以畢業(yè)設(shè)計的實驗?zāi)康膩碚f，性價比以及實用程度顯得不高。進(jìn)而考慮計算機中的聲卡本身就是一個 A/D,D/A的轉(zhuǎn)化裝置，具有 16位的量化精度、數(shù)據(jù)采集頻率是 ，完全可以滿足特定應(yīng)用范圍內(nèi)數(shù)據(jù)采集的需要，個別性能指標(biāo)還優(yōu)于商用數(shù)據(jù)采集卡，而價格卻為商用數(shù)據(jù)采集卡的十幾分之一甚至幾十分之一，在設(shè)計試驗中完全可以滿足要求 [14]。 因此在本設(shè)計中，虛擬示波器的數(shù)據(jù)采集裝置主要基于聲卡。作者就是基于聲卡制作了一個簡易虛擬示波器，不僅具有通用示波器的功能 (如測量實驗電路對激勵信號的 響應(yīng) )，還可暫停波形掃描，以便能更清楚地觀察波形的變化，所存儲 9 的曲線可以在任何時間打印輸出，使用者可以及時進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，觀察和分析實驗結(jié)果。 虛擬儀器的發(fā)展已經(jīng)具有 20多年的歷史，虛擬示波器作為虛擬儀器中的一種典型儀器，是儀器儀表、無線電通信、雷達(dá)系統(tǒng)等領(lǐng)域不可缺少的一部分。本論文開發(fā)了一臺虛擬示波器。本論文具體內(nèi)容安排如下： 第一章，緒論：介紹虛擬儀器的概念、構(gòu)成及其發(fā)展的現(xiàn)狀，和本文的研究內(nèi)容。 第二章，虛擬示波器的基本原理：首先講述通用示波器的原理，過渡到數(shù)字示波器的原理，進(jìn)而講述了基于聲卡的虛擬示波 器原理。 第三章，虛擬示波器的設(shè)計：本章講解了軟、硬件的選取方案，詳細(xì)陳述了軟件選擇 LabVIEW、硬件選擇聲卡的理由。 第四章，軟件模塊設(shè)計與測試：本章是重點，詳細(xì)講述了各個功能模塊具體的實現(xiàn) 過 程，包括數(shù)據(jù)采集和處理、觸發(fā)控制、波形顯示、參數(shù)測量、頻譜分析、波形存儲、坐標(biāo)移動等模塊。進(jìn)行了系統(tǒng)調(diào)試，驗證了虛擬示波器的實用性和優(yōu)越性。 第五章，結(jié)束語：對設(shè)計的虛擬示波器進(jìn)行了總結(jié)，并對將來的發(fā)展趨勢給出了展望。 10 第 2 章 虛擬示波器的基本原理 示波器的基本原理 示波器是利用電子射線的偏轉(zhuǎn)，來復(fù) 現(xiàn)電信號瞬時值圖像 (常成為時間波形 )的一種儀器。它能快速的把肉眼不能直接看見的電信號的時變規(guī)律，以可見的形式形象的顯示出來 [17]。目前，示波器在信號測試、信號比較、邏輯分析等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。 示波器波形顯示原理 在示波器的熒光屏上，顯示電壓波形的原理如下：被測電壓是時間的函數(shù)，在直角坐標(biāo)系統(tǒng)中，可以用 ux=f(t)的曲線表示。示波器的兩副偏轉(zhuǎn)板使電子束在兩個互相垂直的方向偏轉(zhuǎn)，這兩個方向可以看成是坐標(biāo)軸。因此，要在管子的熒光屏上顯示被測電壓的波形，就必須使射線沿水平方向的偏轉(zhuǎn)同時間成正比， 而在垂直方向同被測電壓成正比 (每一瞬間 )。 所以，鋸齒波電壓加到水平偏轉(zhuǎn)板上，它迫使射線以恒定的速度從左向右沿水平方向偏轉(zhuǎn)。并且很快的返回到起始位置。射線沿水平軸經(jīng)過的距離跟時間成正比。 被測電壓加到垂直偏轉(zhuǎn)板上，因而，每一瞬間射線的位置單值的對應(yīng)于這一瞬間被測信號的值。在鋸齒波電壓作用期間，射線就繪出了被測信號的曲線 [17,18]，如圖 2l。 11 圖 21 示波器波形顯示原理 以上圖形是鋸齒波的重復(fù)周期等于輸入信號周期整數(shù)倍的情況 (一倍 )，熒光屏上顯示出的信號圖形是穩(wěn)定不動的。如果不 是整數(shù)倍，則每次出現(xiàn)的信號波形就不會重合，圖形將不斷移動，不利于觀測。為了保證鋸齒波的周期等于輸入信號的整數(shù)倍，示波器必須具有同步或觸發(fā)電路。 通用示波器的組成部分 現(xiàn)代示波器主要由主機、 Y軸系統(tǒng)、 X軸系統(tǒng)三個部分組成 [18]。 被測信號①接到“ Y”輸入端，經(jīng) Y軸衰減器適當(dāng)衰減后送至 Y1放大器 (前置放大 )，推挽輸出信號②和③。經(jīng)延遲級延遲 r1時間，到 Y2放大器。放大后產(chǎn)生足夠大的