【文章內(nèi)容簡介】 信號采集與分析虛擬系統(tǒng)的設計 共 38 頁 第 3 頁 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 裝 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 訂 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 線 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 第一章 虛擬儀器技術 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)儀器領域的一場重大變革，使得計算機和網(wǎng)絡技術得以長驅直入儀器領域，和儀器技術結合起來，開創(chuàng)了軟件即是儀器的先河。本文所設計的信號分析系統(tǒng)就是在虛擬儀器技術高速發(fā)展的背景下，利用美國 NI公司的虛擬儀器開發(fā)平臺 LabVIEW2021 軟件實現(xiàn)的。虛擬儀器技術是測試技術和計算機技術綜合集成的產(chǎn)物，虛擬儀器從二十世紀八十年代初產(chǎn)生一直到現(xiàn)在，技術發(fā)展逐步成熟，在工業(yè)自動化、儀器制造和實驗室方面應用較為廣泛。本章 主要介紹信號分析系統(tǒng)建設的軟、硬件平臺及所需理論基礎知識。 虛擬儀器介紹 虛擬儀器系統(tǒng)是由計算機、應用軟件和儀器硬件三大要素構成的。計算機與儀器硬件又稱為 VI 的通用儀器硬件平臺。虛擬儀器利用高性能的模塊化硬件，結合高效靈活的軟件來完成各種測試、測量和自動化的應用。 虛擬儀器概念 虛擬儀器，就是在通用的計算機平臺上定義和設計儀器的測試功能，使用者操作這臺計算機，就像是在使用一臺專門設計的電子儀器。它突破了傳統(tǒng)儀器的特點，將傳統(tǒng)儀器由硬件實現(xiàn)的數(shù)據(jù)分析功能與顯示功能，改由功能強大的 計算機及其顯示器來完成，并配置以相應的I/O 接口設備進行數(shù)據(jù)采集，再編制不同測試功能的軟件對獲得的信號數(shù)據(jù)進行分析處理及顯示，就可以構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界面。同時，儀器的功能和面板可以由用戶根據(jù)需要自行定義或擴展，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。而且因為有網(wǎng)絡的存在，可以應用網(wǎng)絡實現(xiàn)儀器共享或遠程控制。 虛擬儀器之“虛擬”含義：①虛擬儀器面板；②軟件實現(xiàn)具體儀器功能。 虛擬儀器的特點 與傳統(tǒng)儀器相比，虛擬儀器具有以下特點： 1) 虛擬儀器可以通過幾個分面板上的操作來實現(xiàn)比較復雜的功能； 2) 在通用硬件平臺確定后，由軟件取代傳統(tǒng)儀器中的硬件來實現(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，而不是由廠家事先定義好的； 4) 儀器的性能改進和功能擴展只需更新相關軟件，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，可與計算機同步發(fā)展，與網(wǎng)絡及其他周邊設備互聯(lián)。 信號采集與分析虛擬系統(tǒng)的設計 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 能強大、性價比高、可操作性好等優(yōu)點，具體表現(xiàn)為： 1) 智能化程度高，處理能力強。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)實際應用需求，將先進的信號處理算法、人工智能技術和專家系統(tǒng)應用于儀器設計與集成，從而將智能儀器水平提高到一個新的層次。 2) 復用性強，系統(tǒng)費用低。采用虛擬儀器技術，可以用相同的基本硬件構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，靈活易用。虛擬儀器面板可由用戶定義，針對不同的應用可以設計不同的操作界面。 計算機強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)絡進行數(shù)據(jù)共享。 虛擬儀器系統(tǒng)的構成 虛擬儀器系統(tǒng)是由計算機、應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 種虛擬儀器體系結構。無論哪種結構，都是將硬件儀器嵌入到筆記本電腦、臺式計算機或工作站等各種計算機平臺上，再加上應用軟件而構成的。因而，虛擬儀 器的發(fā)展已經(jīng)與計算機技術的發(fā)展步伐完全同步。由于虛擬儀器更注重軟件的應用和開發(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步，會逐漸融入現(xiàn)代生活生產(chǎn)中。 虛擬儀器開發(fā)平臺 LabVIEW LabVIEW 簡介 LabVIE 是一種用圖標代替文本行創(chuàng)建應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)點之間的數(shù)據(jù)流向決定了程序的執(zhí)行順。它用圖標表示函數(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），可以通過使用圖標和連線編程對前面板上的對象進行控制，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、顯示與存儲等。這些都是向導式的工具，用戶只需要一步步按照提示就可以實現(xiàn)與儀器的連接和參數(shù)設置。程序員不需要記憶大量的函數(shù)，函數(shù)以圖標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 的運行機制就宏觀上講已經(jīng)不再是傳統(tǒng)上的馮諾依曼計算機體系結構的執(zhí)行方式。傳統(tǒng)的計算機語言（如 C）中的順序結構在 LabVIEW 中被并行機制所代替。從本質(zhì)上講， 信號采集與分析虛擬系統(tǒng)的設計 共 38 頁 第 5 頁 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 裝 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 訂 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 線 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 它是一種帶有圖形控制流結構的數(shù)據(jù)流模式。程序設計規(guī)定，一個目標只有當它的所有輸入有效時才能執(zhí)行； 而目標的輸出，只有當它的功能完全時才是有效的。這種方式確保它不受操作系統(tǒng)、計算機等因素的影響。 LabVIEW 的作用 LabVIEW在測試、測量和自動化等領域具有最大的優(yōu)勢，因為 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。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、顯示和存儲的自動化測試測量系統(tǒng)。它被廣泛地應用于汽車、通信、航空、半導體、電子設計生產(chǎn)、過程控制和生物醫(yī)學等各個領域。 LabVIEW 不僅可以用來快速搭建小型自動化測試測量系統(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 國家實驗室，一個花費 2021 萬美金的極為復雜的飛秒激光切割系統(tǒng)就是基于 LabVIEW 開發(fā)的；在北京正負電子對撞機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 多點的現(xiàn)場數(shù)據(jù)點需要實時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，它所提供的工具使創(chuàng)建測試和測量應用變得更為輕松。 LabVIEW 的具體優(yōu)勢主要體現(xiàn)在以下幾個方面： 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就在后臺自動完成了編譯。因此用戶在編寫程序的過程中如果有語法錯誤，它會被立即顯示出來。 3）由于采用數(shù)據(jù)流模型，它實現(xiàn)了自動的多線程，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、 ActiveX、 .NET 或 MATLAB 腳本節(jié)點等技術，可以輕松實現(xiàn) LabVIEW 與其它編程語言混合編程。 5）通過應用程序生成器可以輕松地發(fā)布 EXE、動態(tài)鏈接庫或安裝包。 6） LabVIEW 提供了大量的驅動與專用工具，幾乎能與任何接口的硬件輕松連接。 7） LabVIEW 內(nèi)建了 600 多個分析函數(shù)，用于數(shù)據(jù)分析和信號處理。 8） NI 同時提供了豐富的附加模塊，用于擴展 LabVIEW 在不同領域中的應用。 LabVIEW 的操作模板 具有多個圖形化的操作模板，用于創(chuàng)建和 運行程序。這些操作模板可以隨意在屏幕上移動，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 信號采集與分析虛擬系統(tǒng)的設計 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，當從模板內(nèi)選擇了任一種工具后，鼠標箭頭就會變成該工具相應的形狀?？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 /連結器 ((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象，具體表現(xiàn)有開關、旋鈕、圖形以及其他控制 (control)和顯示對象 (indicator)。每一個程序前面板都對應著一段框圖程序?？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、圖框和連線構成。其中端口用來控制程序前面板和顯示傳遞數(shù)據(jù)，節(jié)點被用來實現(xiàn)函數(shù)和功能調(diào)用，圖框被用來實現(xiàn)結構化程序控制命令，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)流動方向。圖標 /連接器是子 VI被其它 VI調(diào)用的接口。圖標是子 VI在其他程序框圖中被調(diào)用的節(jié)點表現(xiàn)形式；而連接器則表示節(jié)點數(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應。 LabVIEW的強大功能歸因于它的層次化結構，用戶可以把創(chuàng)建的 VI程序當作子程序調(diào)用，以創(chuàng)建更復雜的程序，而這種調(diào)用的層 次是沒有限制的。 當創(chuàng)建 Vi程序時，有以下步驟： 1）前面板 使用輸入控制和輸出顯示來構成前面板?？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。控制和顯示有許多種類，可以從控制模板的各個子模板中選取。兩種最常用的前面板對象是數(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 )點擊控制部件和增減按鈕，或者用操作工具或標簽工具雙擊數(shù)值欄進行輸入數(shù)值修改。 2）框圖程序 框圖程序是由節(jié)點、端點、圖框和連線四種元素構成的。節(jié)點是程序執(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)點類型 — 函數(shù)節(jié)點和子 VI節(jié)點。 兩者的區(qū)別在于 :函數(shù)節(jié)點是 LabVIEW以編譯好了的機器代碼供用戶使用的，而子 VI節(jié)點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)點的代碼，但無法對函數(shù)節(jié)點進行修改。端點是只有一