【文章內(nèi)容簡介】 信號(hào)采集與分析虛擬系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 共 38 頁 第 3 頁 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 裝 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 訂 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 線 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 第一章 虛擬儀器技術(shù) 20 多年前，美國國家儀器公 司 NI（ National Instruments）提出“軟件即是儀器”的虛擬儀器（ VI）概念引發(fā)了傳統(tǒng)儀器領(lǐng)域的一場重大變革，使得計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)得以長驅(qū)直入儀器領(lǐng)域，和儀器技術(shù)結(jié)合起來，開創(chuàng)了軟件即是儀器的先河。本文所設(shè)計(jì)的信號(hào)分析系統(tǒng)就是在虛擬儀器技術(shù)高速發(fā)展的背景下，利用美國 NI公司的虛擬儀器開發(fā)平臺(tái) LabVIEW2021 軟件實(shí)現(xiàn)的。虛擬儀器技術(shù)是測試技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)綜合集成的產(chǎn)物，虛擬儀器從二十世紀(jì)八十年代初產(chǎn)生一直到現(xiàn)在，技術(shù)發(fā)展逐步成熟，在工業(yè)自動(dòng)化、儀器制造和實(shí)驗(yàn)室方面應(yīng)用較為廣泛。本章 主要介紹信號(hào)分析系統(tǒng)建設(shè)的軟、硬件平臺(tái)及所需理論基礎(chǔ)知識(shí)。 虛擬儀器介紹 虛擬儀器系統(tǒng)是由計(jì)算機(jī)、應(yīng)用軟件和儀器硬件三大要素構(gòu)成的。計(jì)算機(jī)與儀器硬件又稱為 VI 的通用儀器硬件平臺(tái)。虛擬儀器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(dòng)化的應(yīng)用。 虛擬儀器概念 虛擬儀器，就是在通用的計(jì)算機(jī)平臺(tái)上定義和設(shè)計(jì)儀器的測試功能，使用者操作這臺(tái)計(jì)算機(jī)，就像是在使用一臺(tái)專門設(shè)計(jì)的電子儀器。它突破了傳統(tǒng)儀器的特點(diǎn)，將傳統(tǒng)儀器由硬件實(shí)現(xiàn)的數(shù)據(jù)分析功能與顯示功能，改由功能強(qiáng)大的 計(jì)算機(jī)及其顯示器來完成，并配置以相應(yīng)的I/O 接口設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，再編制不同測試功能的軟件對(duì)獲得的信號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理及顯示，就可以構(gòu)成一套完整的測試系統(tǒng)，并具備數(shù)據(jù)處理的功能和友好的人機(jī)界面。同時(shí)，儀器的功能和面板可以由用戶根據(jù)需要自行定義或擴(kuò)展，而不是由廠家事先定義且固定不變。這樣，用戶不必購買多臺(tái)不同功能的儀器，不必購買昂貴的集多功能于一身的傳統(tǒng)儀器，也不必不斷的購買新的儀器。而且因?yàn)橛芯W(wǎng)絡(luò)的存在，可以應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)儀器共享或遠(yuǎn)程控制。 虛擬儀器之“虛擬”含義：①虛擬儀器面板；②軟件實(shí)現(xiàn)具體儀器功能。 虛擬儀器的特點(diǎn) 與傳統(tǒng)儀器相比，虛擬儀器具有以下特點(diǎn)： 1) 虛擬儀器可以通過幾個(gè)分面板上的操作來實(shí)現(xiàn)比較復(fù)雜的功能； 2) 在通用硬件平臺(tái)確定后，由軟件取代傳統(tǒng)儀器中的硬件來實(shí)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，而不是由廠家事先定義好的； 4) 儀器的性能改進(jìn)和功能擴(kuò)展只需更新相關(guān)軟件，而不需購買新的儀器； 5) 研制周期比傳統(tǒng)儀器大為縮短； 6) 虛擬儀器開放、靈活，可與計(jì)算機(jī)同步發(fā)展，與網(wǎng)絡(luò)及其他周邊設(shè)備互聯(lián)。 信號(hào)采集與分析虛擬系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 共 38 頁 第 4 頁 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 裝 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 訂 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 線 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 此外，與傳統(tǒng)儀器相比，虛擬儀器具有高效、易用、功 能強(qiáng)大、性價(jià)比高、可操作性好等優(yōu)點(diǎn)，具體表現(xiàn)為： 1) 智能化程度高，處理能力強(qiáng)。虛擬儀器的處理能力和智能化程度主要取決于儀器的軟件水平。用戶完全可以根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需求，將先進(jìn)的信號(hào)處理算法、人工智能技術(shù)和專家系統(tǒng)應(yīng)用于儀器設(shè)計(jì)與集成，從而將智能儀器水平提高到一個(gè)新的層次。 2) 復(fù)用性強(qiáng)，系統(tǒng)費(fèi)用低。采用虛擬儀器技術(shù)，可以用相同的基本硬件構(gòu)建多種不同功能的測量系統(tǒng)。這樣形成的測量系統(tǒng)更靈活、更高效、更開放、更便宜。 3) 可操作性強(qiáng)，靈活易用。虛擬儀器面板可由用戶定義，針對(duì)不同的應(yīng)用可以設(shè)計(jì)不同的操作界面。 計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的多媒體處理能力使儀器操作變得更加直觀、簡便、易于理解。此外，測量完成后可以顯示和打印所需的報(bào)表（或曲線），可以把測量數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)或通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)共享。 虛擬儀器系統(tǒng)的構(gòu)成 虛擬儀器系統(tǒng)是由計(jì)算機(jī)、應(yīng)用軟件和儀器硬件組成的。硬件是指獲得測試數(shù)據(jù)的各種硬件 I/O 接口設(shè)備，大致可分為 4 類： DAQ、 GPIB、 VXI、 PXI，因此組成了 4 種虛擬儀器體系結(jié)構(gòu)。無論哪種結(jié)構(gòu)，都是將硬件儀器嵌入到筆記本電腦、臺(tái)式計(jì)算機(jī)或工作站等各種計(jì)算機(jī)平臺(tái)上，再加上應(yīng)用軟件而構(gòu)成的。因而，虛擬儀 器的發(fā)展已經(jīng)與計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展步伐完全同步。由于虛擬儀器更注重軟件的應(yīng)用和開發(fā)，所以虛擬儀器使用更方便，更新更快捷，修改更容易，并且功能比一般儀器系統(tǒng)更強(qiáng)大。只要具備必備的硬件，在加上豐富而且日新月異的軟件系統(tǒng)，虛擬儀器將不斷完善和進(jìn)步，會(huì)逐漸融入現(xiàn)代生活生產(chǎn)中。 虛擬儀器開發(fā)平臺(tái) LabVIEW LabVIEW 簡介 LabVIE 是一種用圖標(biāo)代替文本行創(chuàng)建應(yīng)用程序的圖形化編程語言。傳統(tǒng)文本編程語言根據(jù)語句和指令的先后順序決定程序執(zhí)行順序，而 LabVIEW 則采用數(shù)據(jù)流編程方式，程序 框圖中節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)流向決定了程序的執(zhí)行順。它用圖標(biāo)表示函數(shù)，連線據(jù)流向LabVIEW 提供很多外觀與傳統(tǒng)儀器（如示波器、信號(hào)發(fā)生器等）類似的控件，可以方便地創(chuàng)建用戶界面（在 LabVIEW 中稱為前面板），可以通過使用圖標(biāo)和連線編程對(duì)前面板上的對(duì)象進(jìn)行控制，這就是圖形化源代碼，又稱“ G 代碼”或“程序框圖代碼”。 LabVIEW 程序被稱為 VI（ Virtual Instrument），即虛擬儀器； LabVIEW 的核心概念就是“軟件即儀器”，即虛擬儀器的概念。 LabVIEW 還包含了大量的工具 與函數(shù)用于數(shù)據(jù)采集、分析、顯示與存儲(chǔ)等。這些都是向?qū)降墓ぞ?，用戶只需要一步步按照提示就可以?shí)現(xiàn)與儀器的連接和參數(shù)設(shè)置。程序員不需要記憶大量的函數(shù)，函數(shù)以圖標(biāo)與名稱的形式存在于函數(shù)面板上，只要把它從函數(shù)面板上拖放到程序框圖中就可以了。 LabVIEW 的運(yùn)行機(jī)制就宏觀上講已經(jīng)不再是傳統(tǒng)上的馮諾依曼計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的執(zhí)行方式。傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)語言（如 C）中的順序結(jié)構(gòu)在 LabVIEW 中被并行機(jī)制所代替。從本質(zhì)上講， 信號(hào)采集與分析虛擬系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 共 38 頁 第 5 頁 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 裝 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 訂 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 線 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 它是一種帶有圖形控制流結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)流模式。程序設(shè)計(jì)規(guī)定，一個(gè)目標(biāo)只有當(dāng)它的所有輸入有效時(shí)才能執(zhí)行； 而目標(biāo)的輸出，只有當(dāng)它的功能完全時(shí)才是有效的。這種方式確保它不受操作系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)等因素的影響。 LabVIEW 的作用 LabVIEW在測試、測量和自動(dòng)化等領(lǐng)域具有最大的優(yōu)勢，因?yàn)? LabVIEW 提供了大量的工具與函數(shù)用于數(shù)據(jù)采集、分析、顯示和存儲(chǔ)。用戶可以在數(shù)分鐘內(nèi)完成一套完整的從儀器連接、數(shù)據(jù)采集到分析、顯示和存儲(chǔ)的自動(dòng)化測試測量系統(tǒng)。它被廣泛地應(yīng)用于汽車、通信、航空、半導(dǎo)體、電子設(shè)計(jì)生產(chǎn)、過程控制和生物醫(yī)學(xué)等各個(gè)領(lǐng)域。 LabVIEW 不僅可以用來快速搭建小型自動(dòng)化測試測量系統(tǒng)，還可 以被用來開發(fā)大型的分布式數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)。例如在美國 Lawrence Livermore 國家實(shí)驗(yàn)室，一個(gè)花費(fèi) 2021 萬美金的極為復(fù)雜的飛秒激光切割系統(tǒng)就是基于 LabVIEW 開發(fā)的；在北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)二期工程北京譜儀慢控制系統(tǒng)中，大約有 30 種物理量共 7000 多點(diǎn)的現(xiàn)場數(shù)據(jù)點(diǎn)需要實(shí)時(shí)采集控制和分析記錄等。 選用 LabVIEW 的原因 選擇 LabVIEW 開發(fā)測試和測量應(yīng)用程序的一大決定性因素是其開發(fā)速度。通常，使用 LabVIEW 開發(fā)應(yīng)用系統(tǒng)的速度比使用其他編程語言快 4～ 10 倍。這一速度背后的原因在于 LabVIEW 易用易學(xué)，它所提供的工具使創(chuàng)建測試和測量應(yīng)用變得更為輕松。 LabVIEW 的具體優(yōu)勢主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面： 1）提供了豐富的圖形控件，并采用圖形化的編程方法，徹底把工程師們從復(fù)雜枯澀的文本編程工作中解放出來。 2）內(nèi)建的編譯器在用戶編寫程序的同時(shí)就在后臺(tái)自動(dòng)完成了編譯。因此用戶在編寫程序的過程中如果有語法錯(cuò)誤，它會(huì)被立即顯示出來。 3）由于采用數(shù)據(jù)流模型，它實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)的多線程，從而能充分利用處理器尤其是多處理器的處理能力。 4）通過 DLL、 CIN 節(jié)點(diǎn)、 ActiveX、 .NET 或 MATLAB 腳本節(jié)點(diǎn)等技術(shù)，可以輕松實(shí)現(xiàn) LabVIEW 與其它編程語言混合編程。 5）通過應(yīng)用程序生成器可以輕松地發(fā)布 EXE、動(dòng)態(tài)鏈接庫或安裝包。 6） LabVIEW 提供了大量的驅(qū)動(dòng)與專用工具，幾乎能與任何接口的硬件輕松連接。 7） LabVIEW 內(nèi)建了 600 多個(gè)分析函數(shù)，用于數(shù)據(jù)分析和信號(hào)處理。 8） NI 同時(shí)提供了豐富的附加模塊，用于擴(kuò)展 LabVIEW 在不同領(lǐng)域中的應(yīng)用。 LabVIEW 的操作模板 具有多個(gè)圖形化的操作模板，用于創(chuàng)建和 運(yùn)行程序。這些操作模板可以隨意在屏幕上移動(dòng)，并可以放置在屏幕的任意位置。操作模板共有三類，工具 (Tools)模板、控制 (Controls)模板 信號(hào)采集與分析虛擬系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 共 38 頁 第 6 頁 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 裝 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 訂 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 線 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 和功能 (Functions)模板。工具模板 (Tools Palette )為編程者提供了各種用于創(chuàng)建、修改和調(diào)試 VI程序的工具，當(dāng)從模板內(nèi)選擇了任一種工具后，鼠標(biāo)箭頭就會(huì)變成該工具相應(yīng)的形狀?？刂颇０?(Controls Palette )可以為前面板添加輸入控制和輸出顯示。功能模板 (Functions Palette)是創(chuàng)建框圖程序的工具。 LabVIEW 程序 Vi 的建立 所有的 LabVIEW應(yīng)用程序，即虛擬儀器，它包括前面板 (front panel)、流程圖 /框圖程序(block diagram)以及圖標(biāo) /連結(jié)器 ((icon/connector)三部分。 前面板是圖形用戶界面，也就是 VI 的虛擬儀器面板，這一界面上有用戶輸入和顯示輸出兩類對(duì)象，具體表現(xiàn)有開關(guān)、旋鈕、圖形以及其他控制 (control)和顯示對(duì)象 (indicator)。每一個(gè)程序前面板都對(duì)應(yīng)著一段框圖程序?？驁D程序用 LabVIEW圖形編程語言編寫，可以把它理解成傳統(tǒng)程序的源代碼?？驁D程序由端 口、節(jié)點(diǎn)、圖框和連線構(gòu)成。其中端口用來控制程序前面板和顯示傳遞數(shù)據(jù)，節(jié)點(diǎn)被用來實(shí)現(xiàn)函數(shù)和功能調(diào)用，圖框被用來實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)化程序控制命令，而連線代表程序執(zhí)行過程中的數(shù)據(jù)流，定義了框圖內(nèi)的數(shù)據(jù)流動(dòng)方向。圖標(biāo) /連接器是子 VI被其它 VI調(diào)用的接口。圖標(biāo)是子 VI在其他程序框圖中被調(diào)用的節(jié)點(diǎn)表現(xiàn)形式；而連接器則表示節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的輸入 /輸出口，就像函數(shù)的參數(shù)。用戶必須指定連接器端口與前面板的控制和顯示一一對(duì)應(yīng)。 LabVIEW的強(qiáng)大功能歸因于它的層次化結(jié)構(gòu)，用戶可以把創(chuàng)建的 VI程序當(dāng)作子程序調(diào)用，以創(chuàng)建更復(fù)雜的程序，而這種調(diào)用的層 次是沒有限制的。 當(dāng)創(chuàng)建 Vi程序時(shí)，有以下步驟： 1）前面板 使用輸入控制和輸出顯示來構(gòu)成前面板?？刂剖怯脩糨斎霐?shù)據(jù)到程序的接口。而顯示是輸出程序產(chǎn)生的數(shù)據(jù)接口?？刂坪惋@示有許多種類，可以從控制模板的各個(gè)子模板中選取。兩種最常用的前面板對(duì)象是數(shù)字控制和數(shù)字顯示。若想要在數(shù)字控制中輸入或修改數(shù)值，只需要用操作工具 (見工具模板 )點(diǎn)擊控制部件和增減按鈕，或者用操作工具或標(biāo)簽工具雙擊數(shù)值欄進(jìn)行輸入數(shù)值修改。 2）框圖程序 框圖程序是由節(jié)點(diǎn)、端點(diǎn)、圖框和連線四種元素構(gòu)成的。節(jié)點(diǎn)是程序執(zhí)行元素，類似于文本語言 程序的語句、函數(shù)或者子程序。 LabVIEW有二種節(jié)點(diǎn)類型 — 函數(shù)節(jié)點(diǎn)和子 VI節(jié)點(diǎn)。 兩者的區(qū)別在于 :函數(shù)節(jié)點(diǎn)是 LabVIEW以編譯好了的機(jī)器代碼供用戶使用的，而子 VI節(jié)點(diǎn)是以圖形語言形式提供給用戶的。用戶可以訪問和修改任一子 VI 節(jié)點(diǎn)的代碼，但無法對(duì)函數(shù)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行修改。端點(diǎn)是只有一