【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 塊的軟件設(shè)計(jì)。按照所述內(nèi)容，全文共分五章，各章節(jié)的安排如下：第一章 緒論。介紹了課題的背景和本文的工作。第二章 虛擬儀器技術(shù)與 LabVIEW。簡(jiǎn)要介紹了虛擬儀器技術(shù)和 LabVIEW 開發(fā)平臺(tái)及其應(yīng)用。第三章 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)。介紹了測(cè)試系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)和一些關(guān)鍵技術(shù)的實(shí)現(xiàn)。 第四章 開關(guān)量信號(hào)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。詳細(xì)描述了系統(tǒng)開關(guān)量信號(hào)的軟硬件設(shè)計(jì)，包括供電信號(hào)、離散量輸入信號(hào)和離散量輸出信號(hào)。第五章 模擬量信號(hào)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。詳細(xì)描述了系統(tǒng)模擬量信號(hào)的軟硬件設(shè)計(jì)和外回繞自檢設(shè)計(jì)。第六章 通信信號(hào)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。詳細(xì)描述了系統(tǒng)串行通信信號(hào)的軟硬件設(shè)計(jì)和外回繞自檢。第七章 總結(jié)與展望。總結(jié)本文的內(nèi)容和系統(tǒng)的不足，展望后續(xù)的改進(jìn)。第二章 虛擬儀器技術(shù)與 LabVIEW9第二章 虛擬儀器技術(shù)與 LabVIEW 虛擬儀器概述20 世紀(jì) 80 年代中期，美國(guó)國(guó)家儀器即 NI 公司首先提出了基于計(jì)算機(jī)技術(shù)的虛擬儀器的概念。NI 指出虛擬儀器技術(shù)是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(cè)試、測(cè)量和自動(dòng)化的應(yīng)用。靈活高效的軟件能夠創(chuàng)建完全 自定義的用戶界面，模塊化的硬件能夠方便的提供全方位的系統(tǒng)集成，標(biāo)準(zhǔn)的軟 硬件平臺(tái)能夠滿足對(duì)同步和定時(shí)應(yīng)用的需求。虛擬儀器的本質(zhì)是利用現(xiàn)有的計(jì)算 機(jī)，加上特殊設(shè)計(jì)的儀器硬件和專用軟件形成既有普通儀器的基本功能又有一般儀器所沒有特殊功能的新型儀器。它利用計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的計(jì)算能力和圖形顯示環(huán)境， 建立虛擬儀器面板，以代替?zhèn)鹘y(tǒng)儀器完成對(duì)儀器的控制、數(shù)據(jù)分析和顯示功能。虛擬儀器的輸入輸出由數(shù)據(jù)采集卡、GPIB 等硬件模塊完成，儀器的功能主要由軟件構(gòu)成[9]。虛擬儀器的系統(tǒng)框圖如圖 所示。信號(hào)調(diào)理數(shù)據(jù)采集卡圖形采集儀器 測(cè)控 GPIB 接口儀器及 GPIB 接口卡 對(duì)象 串行口儀器計(jì)算機(jī) /工 作 站（各類軟件）并行口儀器其他設(shè)備接口圖 虛擬儀器系統(tǒng)框圖虛擬儀器的功能劃分和傳統(tǒng)儀器類似，可非為數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析、結(jié)果顯示保存三大模塊。計(jì)算機(jī)應(yīng)用程序?qū)⒖蛇x的模塊化硬件和可重復(fù)使用的底層硬件 驅(qū)動(dòng)庫函數(shù)等軟件結(jié)合起來為用戶構(gòu)造自己需要的虛擬儀器系統(tǒng)。并且這樣的系 統(tǒng)可以方便的進(jìn)行功能擴(kuò)展或可方便的裁剪某些不需要的功能模塊。因此，虛擬儀器可由用戶根據(jù)需要定制自己所需要的系統(tǒng)，并配置自己所需要的功能附件[1]。與傳統(tǒng)儀器相比，虛擬儀器具有以下優(yōu)點(diǎn)[9]：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，從而將儀器智能水平提高到一個(gè)新的層次。2) 應(yīng)用性強(qiáng)，系統(tǒng)費(fèi)用低用相同的基本硬件可構(gòu)造多種不同功能的測(cè)試分析儀器，如同一個(gè)高速數(shù)字 采樣器，可設(shè)計(jì)出數(shù)字示波器、邏輯分析儀、計(jì)數(shù)器等多種儀器。這樣形成的測(cè) 試系統(tǒng)功能更靈活、更高效、系統(tǒng)費(fèi)用更低。通過與計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)連接，還可實(shí)現(xiàn)虛擬儀器的分布式共享，更好地發(fā)揮儀器的使用價(jià)值。3) 操作性強(qiáng)，易用靈活虛擬儀器面板可由用戶定義，針對(duì)不同應(yīng)用可以設(shè)計(jì)不同的操作顯示界面。 使用計(jì)算機(jī)的多媒體處理能力可以使儀器操作變得更加直觀、簡(jiǎn)便、易于理解， 測(cè)量結(jié)果可以直接進(jìn)入數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)或通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送。測(cè)量完后還可打印、顯示所需的報(bào)表或曲線。這些都使得儀器的可操作性大大提高而且易用。4) 擴(kuò)展性強(qiáng)，開發(fā)時(shí)間少當(dāng)測(cè)試系統(tǒng)需要增加新的功能時(shí)，傳統(tǒng)的測(cè)試設(shè)備基本需要重新設(shè)計(jì)，沒辦 法復(fù)用舊的設(shè)備，而虛擬儀器只需要添加相應(yīng)的硬件模塊，增加相應(yīng)的軟件功能即可，大大的減少了開發(fā)時(shí)間和成本。當(dāng)前，虛擬儀器主要沿三個(gè)方向發(fā)展：軟件標(biāo)準(zhǔn)化、總線標(biāo)準(zhǔn)化以及虛擬儀器網(wǎng)絡(luò)化。(1) 軟件標(biāo)準(zhǔn)化[10]。1993年，NI、泰克等5 家公司成立了VPP系統(tǒng)聯(lián)盟、提出了系統(tǒng)框架、驅(qū)動(dòng)程序、軟面板、VIS A等一系列VPP軟件標(biāo)準(zhǔn)，推動(dòng)了軟件標(biāo)準(zhǔn)化的進(jìn)程。VPP規(guī)范是對(duì)VXI總線標(biāo)準(zhǔn)的補(bǔ)充和發(fā)展，主要解決了VXI總線的軟件級(jí)標(biāo)準(zhǔn)問題。其制定的目的是使任何滿足該標(biāo)準(zhǔn)的計(jì)算機(jī)I/O設(shè)備、儀器和軟件更 好的協(xié)同工作，為用戶定制測(cè)試方案提供更為便利的平臺(tái)。VISA(Virtual Instrument Soft Architecture)的實(shí)質(zhì)是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的I/O函數(shù)庫及相關(guān)規(guī)范的總稱，一般稱該函數(shù)庫為VISA庫，它們可用于編寫儀器的驅(qū)動(dòng)程序，完成計(jì)算機(jī)對(duì)儀器的控制。此外，1998年9月儀器測(cè)試界成立了IVI(Interchangeable Virtual Instrument)基金會(huì)，它是最 終用戶、系統(tǒng)集成商和儀器制造商的一個(gè)開放的聯(lián)盟。目前，該組織制定了五類 儀器規(guī)范：示波器/數(shù)字化儀表類(IVIScope)、數(shù)字萬用表類(IVIDmm)、任意波形發(fā)生器/函數(shù)發(fā)生器類(IVIFgen)、開關(guān)/多路復(fù)用器/矩陣類(IVISwith)以及電源類(IVIPower)。NI 作為IVI 的系統(tǒng)聯(lián)盟成員之一，響應(yīng)了IVI 的初衷，開發(fā)了基于虛擬儀器軟件平臺(tái)的IVI 驅(qū)動(dòng)庫，其中包括了五類儀器的標(biāo)準(zhǔn)C lass Driver、仿真驅(qū)動(dòng)程序和軟面板。2004年11月，NI 。IVI 規(guī)范可用于VXI、PXI、Compact PCI、GP IB、串行儀器等各類插入式儀器，以及高速串行總線控制器(如US B和1394 總線儀器)。IVI 驅(qū)動(dòng)程序較VISA 規(guī)范更高一層，擴(kuò)展了VPP 儀器驅(qū)動(dòng)程序的標(biāo)準(zhǔn)，并加上了可互換性、仿真、狀態(tài)緩存等特點(diǎn)。因此，IVI 是對(duì)VPP 規(guī)范的一個(gè)較好的補(bǔ)充[1]。(2) 總線標(biāo)準(zhǔn)化[11]。七十年代廠商推出了各種獨(dú)立的儀器，其中最受歡迎的是具有通用接口的GPIB總線儀器，同時(shí)GPIB總線也存在速度慢、多設(shè)備同時(shí)使用時(shí)需要搭接外圍電路以達(dá)到同步觸發(fā)的需求。八十年代，出現(xiàn)了VXI總線，它將高價(jià) 位帶入了模塊化設(shè)備的領(lǐng)域，然而其高價(jià)位為眾多用戶難以接受。九十年代，誕生了PXI總線，其延續(xù)了VXI總線的模塊化思想，并以較緊湊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，較快的 總線速度以及較低的價(jià)格贏得了廣大用戶的認(rèn)可。當(dāng)前的大型測(cè)控系統(tǒng)往往是 GPIB、VXI、PCI、PXI等總線組成的綜合體系結(jié)構(gòu)。(3) 虛擬儀器的網(wǎng)絡(luò)化。1978年，GPIB的問世，將14臺(tái)儀器由GPIB總線連接成一個(gè)系統(tǒng)，誕生了網(wǎng)絡(luò)化儀器系統(tǒng)的雛形。隨著VXI總線、現(xiàn)場(chǎng)控制總線等將更多儀器連成一個(gè)測(cè)控系統(tǒng)。Internet的出現(xiàn)對(duì)各種傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)產(chǎn)生了巨大沖擊，網(wǎng)絡(luò)測(cè)量技術(shù)與虛擬儀器技術(shù)結(jié)合產(chǎn)生了網(wǎng)絡(luò)化虛擬儀器(Network Virtual Instrument，NVI)。它的出現(xiàn)沖破了傳統(tǒng)儀器在時(shí)間、空間上的束縛。NVI主要有三種發(fā)展模式：遠(yuǎn)程示教與監(jiān)測(cè)、仿真實(shí)驗(yàn)、遠(yuǎn)程實(shí)測(cè)與控制[12]。 LabVIEW 簡(jiǎn)介L(zhǎng)abVIEW（Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench）是NI公司推出的虛擬儀器開發(fā)平臺(tái)。LabVIEW 是一套專為數(shù)據(jù)采集與儀器控制、數(shù)據(jù)分析和 數(shù)據(jù)表達(dá)而設(shè)計(jì)的圖形化編程軟件。它采用工程人員熟悉的術(shù)語、圖標(biāo)等圖形化 的符號(hào)來代替常規(guī)基于文字的語言程序，提供很多外觀與傳統(tǒng)儀器類似的控件， 如示波器、萬用表等，可用來方便的創(chuàng)建用戶界面。大大降低了學(xué)習(xí)的門檻，特 別適合硬件工程師、實(shí)驗(yàn)室技術(shù)人員、生產(chǎn)線工業(yè)技術(shù)人員的學(xué)習(xí)和使用，可以在很短的時(shí)間內(nèi)掌握并應(yīng)用到實(shí)際中去。LabVIEW 提供簡(jiǎn)明、直觀、易用的圖形 編程方式，能夠?qū)⒎爆崗?fù)雜的語言程序簡(jiǎn)化為以菜單提示方式選擇控件，并用線條將各種控件連接起來，與傳統(tǒng)的編程語言相比，能夠極大的節(jié)省程序開發(fā)時(shí)間，且其運(yùn)行速度卻幾乎不受影響，體現(xiàn)出了極高的效率[13][14][15]。以LabVIEW為開發(fā)平臺(tái)研制的用戶程序被稱為虛擬儀器（V irt ual Instrument）程序，簡(jiǎn)稱VI，它是LabVIEW的基本程序單位。對(duì)于簡(jiǎn)單的測(cè)試任務(wù)，可以由一個(gè)獨(dú)立的VI完成，而復(fù)雜的測(cè)試應(yīng)用是通過VI之間的層次調(diào)用結(jié)構(gòu)構(gòu)成，高層功能的VI調(diào)用一個(gè)或多個(gè)底層特殊功能的VI。底層VI相當(dāng)于C語言的子函數(shù)。一個(gè)基本的VI由三部分組成：前面板(Panel)，框圖程序(Diagram Program)和圖標(biāo)連接端口(Icon/Terminal)。1) 前面板。前面板就是圖形化用戶界面，通過Controls菜單用于設(shè)置輸入數(shù)值和觀察輸出量。在前面板中，用戶可以使用各種圖標(biāo)，如旋鈕、按鈕、開關(guān)、實(shí)時(shí)趨勢(shì)圖和事后記錄圖等，就像真實(shí)的儀器面板一樣。同時(shí)，各個(gè)VI的建立、存取、關(guān)閉等管理操作也均由面板上的命令菜單完成。2) 框圖程序。每一個(gè)前面板都有一個(gè)框圖程序與之對(duì)應(yīng)。框圖程序用圖形化編程語言編寫，可以把它理解為傳統(tǒng)編程語言中的源代碼，這正是LabVIEW的最 大特色。框圖程序由節(jié)點(diǎn)(Node)和數(shù)據(jù)連線(Wire)組成。節(jié)點(diǎn)是VI程序中的執(zhí)行元 素，類似于文本編程語言中的語句、函數(shù)或者子程序。節(jié)點(diǎn)之間由數(shù)據(jù)連線按照 一定的邏輯關(guān)系相互連接，可定義框圖程序內(nèi)的數(shù)據(jù)流動(dòng)方向。節(jié)點(diǎn)之間、節(jié)點(diǎn)與前面板對(duì)象之間是通過數(shù)據(jù)端口和數(shù)據(jù)連線來傳遞數(shù)據(jù)的。數(shù)據(jù)流是LabVIEW的一個(gè)特有概念也是一個(gè)重要的概念，在程序執(zhí)行過程中，VI要遵循數(shù)據(jù)流模式。 框圖中的節(jié)點(diǎn)通過連線連接在一起，連線確定了數(shù)據(jù)在程序中的流動(dòng)方向。當(dāng)一個(gè)節(jié)點(diǎn)的所有輸入?yún)?shù)齊備后，程序才會(huì)執(zhí)行這個(gè)節(jié)點(diǎn)。當(dāng)一個(gè)節(jié)點(diǎn)執(zhí)行完畢后，這個(gè)節(jié)點(diǎn)將沿著數(shù)據(jù)流路徑輸出所有的輸出數(shù)據(jù)[16]。3) 圖標(biāo)/連接端口。圖標(biāo)/連接端口把VI變成一個(gè)子VI程序(S ubVI)，然后可以 像C語言調(diào)用函數(shù)一樣在其它程序中調(diào)用子VI程序(S ubVI)。，由前面板、程序框圖和圖標(biāo)組成。前面板 是圖形用戶界面，該界面用來放置交互式的輸入和輸出兩類控件，輸入控件包括 數(shù)值控件、字符串控件、開關(guān)、旋鈕、按鈕等，輸出控件包括波形圖、LED、表格等。程序框圖是實(shí)現(xiàn)VI邏輯功能的圖形化源代碼，框圖中的編程元素除了包括與前面板上的控件對(duì)應(yīng)的連線端子外，還有函數(shù)、子VI、常量、結(jié)構(gòu)和連線等。如果將VI與標(biāo)準(zhǔn)儀器相比較，前面板就相當(dāng)于儀器面板，框圖就相當(dāng)于儀器箱內(nèi)的功能部件。 LabVIEW前面板和程序框圖。前面板有數(shù)值A(chǔ)、數(shù)值B兩個(gè)數(shù)值輸入控件，數(shù)值C一個(gè)數(shù)值顯示控件，程序框圖有和前面板三個(gè)控件對(duì)應(yīng)的連線端子，還有一個(gè)加法函數(shù)，加法函數(shù)有兩個(gè)輸入端和數(shù)值A(chǔ)、數(shù)值B的連線端子相連，有一個(gè)輸 出端，和數(shù)值C的連線端子相連。在前面板的數(shù)值A(chǔ)輸入控件中輸入數(shù)值5，數(shù)值B輸入控件中輸入數(shù)值7，運(yùn)行這個(gè)VI，就能夠在數(shù)值C控件中顯示結(jié)果12。 加法子VI雖然LabVIEW現(xiàn)在已經(jīng)成為一種全功能的程序設(shè)計(jì)語言，適合各種應(yīng)用的程 序開發(fā)。但是，LabVIEW與傳統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)語言如C、C++相比，最大的優(yōu)勢(shì)在于 它的設(shè)計(jì)初衷就是為了開發(fā)虛擬儀器，因此具有很多儀器相關(guān)的特性，如提供示波器、旋轉(zhuǎn)按鈕等控件，對(duì)各種儀器總線的良好支持。LabVIEW的前面板、后面 板開發(fā)模式與測(cè)試儀器的操作面板、電路板相對(duì)應(yīng)，圖形化編程方式與電路信號(hào)圖設(shè)計(jì)相類似。因此，我們最終選擇了LabVIEW作為測(cè)試系統(tǒng)的開發(fā)平臺(tái)。 虛擬儀器技術(shù)的應(yīng)用在歐美國(guó)家，虛擬儀器技術(shù)在國(guó)防工業(yè)、電子測(cè)量、航空航天、生物醫(yī)學(xué)等各個(gè)領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用，并產(chǎn)生了巨大的經(jīng)濟(jì)、軍事和社會(huì)效益，美國(guó)的Geometrics 公司和Goldsmith 公司利用虛擬儀器的軟硬件平臺(tái)分別開發(fā)出農(nóng)田自動(dòng)化灌溉系統(tǒng)和秧苗分析系統(tǒng)[1]。虛擬儀器在網(wǎng)絡(luò)測(cè)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方面有自己的優(yōu)勢(shì)，它的Web P ublish Tool工 具可以很方便的將實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果或監(jiān)控界面在遠(yuǎn)程發(fā)布。如新加坡國(guó)立大學(xué)電氣、DataSocket Serer、Web Server等開發(fā) 了一套遠(yuǎn)程振動(dòng)監(jiān)測(cè)與故障診斷系統(tǒng)，用于對(duì)遠(yuǎn)程工作的機(jī)器的工作狀態(tài)進(jìn)行實(shí) 時(shí)監(jiān)測(cè)、故障診斷和發(fā)出報(bào)警[17]。意大利帕多瓦大學(xué)工程學(xué)院的Luigino Benetazzo 教授等于2007 年在LabVIEW 平臺(tái)上開發(fā)了基于C/S結(jié)構(gòu)的分布式虛擬仿真控制試驗(yàn)臺(tái)，通過該系統(tǒng)驗(yàn)證了LabVIEW 在分布式網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)中的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。英國(guó)學(xué)，并以此驗(yàn)證了基于LabVIEW的控制器與基于硬件的控制器在性能上是相當(dāng)?shù)?，并且開發(fā)周期較硬件控制器更短[18]。當(dāng)前，很多大學(xué)已成功將虛擬儀器平臺(tái)成功應(yīng)用在實(shí)驗(yàn)教學(xué)和計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)之中。新墨西哥大學(xué)電 氣與計(jì)算機(jī)工程學(xué) hristodoulou教授等使用AppletVIEW將LabVIEW平臺(tái)下開發(fā)的虛擬儀器發(fā)布到Internet上，為本校師生進(jìn)行遠(yuǎn)程課堂教學(xué)提供了很多便利[19]。 L教授于2002年在LabVIEW的平臺(tái)上為學(xué)生建立了一套實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)并且是無需增加額外的班級(jí)或課程實(shí)驗(yàn)室，借助于LabVIEW可以讓學(xué)生將研究的重點(diǎn)放在對(duì)采集來的數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步處理的工作中，極大的提高了教學(xué)的質(zhì)量[20]。目前國(guó)內(nèi)在虛擬儀器及其網(wǎng)絡(luò)化方面也有很大的發(fā)展，清華大學(xué)電子工程系 于2005年開發(fā)了一套基于Internet的電網(wǎng)動(dòng)態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)，管理者可通過內(nèi)嵌于瀏覽器的ActiveX技術(shù)實(shí)現(xiàn)利用虛擬儀器對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行的狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)視[21]。哈爾濱工業(yè)大學(xué)利用基于網(wǎng)頁的虛擬儀器技術(shù)實(shí)現(xiàn)了衛(wèi)星故障診斷的網(wǎng)絡(luò)化。華東交通大學(xué)基于LabVIEW 平臺(tái)設(shè)計(jì)了齒輪箱的故障診斷檢測(cè)系統(tǒng)，通過對(duì)齒輪箱振動(dòng)信 號(hào)的采集、處理與分析，實(shí)現(xiàn)了對(duì)齒輪故障的診斷，并且在實(shí)際的應(yīng)用中證明了該系統(tǒng)的可靠性。國(guó)內(nèi)還有學(xué)者利用LabVIEW在數(shù)據(jù)