【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 s eXtension for Instrumentation )是VME總線在儀器領(lǐng)域的擴(kuò)展，成為開放式工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。儀器專用總線在吸收IEEE488的成功經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上，增加了10MHz時(shí)鐘線，模擬和數(shù)字混合總線，星形總線等高速總線，定時(shí)關(guān)系嚴(yán)格，兼有計(jì)算機(jī)總線和儀器總線的優(yōu)點(diǎn)。4）PXI(PCI eXtension For Instrumentation)是Compact PCI總線在儀器領(lǐng)域的擴(kuò)展，是NI公司于1997年發(fā)布的一種新的開放性、模塊化儀器總線規(guī)范。其核心是Compact PCI結(jié)構(gòu)和Microsoft Windows軟件。PXI是在PCI內(nèi)核技術(shù)上增加了成熟的技術(shù)規(guī)范和要求形成的。PXI增加了用于多個(gè)板卡同步的觸發(fā)總線和10MHz參考時(shí)鐘、用于精確定時(shí)的星形觸發(fā)總線，以及用于相鄰模塊間高速通信的局部總線等，來滿足實(shí)驗(yàn)和測(cè)量用戶的要求。PXI兼容Compact PCI機(jī)械規(guī)范，并增加了空氣冷卻裝置、環(huán)境測(cè)試（溫度、濕度、振動(dòng)和沖擊實(shí)驗(yàn)）等要求。這樣可保證多廠商產(chǎn)品的互操作性和系統(tǒng)的易集成性。5）串口系統(tǒng)是以Serial標(biāo)準(zhǔn)總線儀器與計(jì)算機(jī)為儀器精簡(jiǎn)平臺(tái)組成的虛擬測(cè)試系統(tǒng)[10]。RS232總線是早期采用的通用串行總線，將帶有RS232標(biāo)準(zhǔn)總線接口的儀器作為I/O接口設(shè)備，通過RS232串口總線與計(jì)算機(jī)組成虛擬儀器系統(tǒng)目前仍然是虛擬儀器構(gòu)成方式之一，主要適用于速度較低的測(cè)試系統(tǒng)。 虛擬儀器的軟件結(jié)構(gòu)虛擬儀器技術(shù)的核心是軟件。用戶可以采用各種編程軟件來開發(fā)自己所需要的應(yīng)用軟件。以美國(guó)NI公司的軟件產(chǎn)品LabVIEW和LabWindows/CVI為代表的虛擬儀器專用開發(fā)平臺(tái)是當(dāng)前流行的集成化開發(fā)工具。這些軟件開發(fā)平臺(tái)提供了強(qiáng)大的儀器軟面板設(shè)計(jì)工具和各種數(shù)據(jù)處理工具，再加上虛擬儀器硬件廠商提供的各種硬件的驅(qū)動(dòng)程序模塊，簡(jiǎn)化了虛擬儀器的設(shè)計(jì)工作。隨著軟件技術(shù)的迅速發(fā)展，軟件開發(fā)的模塊化、復(fù)用化，和各種硬件儀器驅(qū)動(dòng)軟件的模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化，虛擬儀器軟件開發(fā)將變得更加快速、方便。 虛擬儀器軟件結(jié)構(gòu)虛擬儀器系統(tǒng)的開發(fā)語言有：標(biāo)準(zhǔn)C，Visual C++ ，Visual Basic等通用程序開發(fā)語言。但直接由這些語言開發(fā)虛擬儀器系統(tǒng)，是有相當(dāng)難度的。除了要花大量時(shí)間進(jìn)行測(cè)試系統(tǒng)面板設(shè)計(jì)外，還要編制大量的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序和底層控制程序。這些工作對(duì)于那些不熟悉這方面知識(shí)的工程設(shè)計(jì)人員來說，要花費(fèi)大量時(shí)間和精力，這樣直接影響了系統(tǒng)開發(fā)的周期和性能。除了通用程序開發(fā)語言以外，還有一些專用的虛擬儀器開發(fā)語言和軟件，其中有影響的開發(fā)軟件有：NI公司的LabVIEW，LabWindows/CVI。LabVIEW采用圖形化編程方案，是非常實(shí)用的開發(fā)軟件。LabWindows/CVI是為熟悉C語言的開發(fā)人員準(zhǔn)備的，是在Windows環(huán)境下的標(biāo)準(zhǔn)ANSIC開發(fā)環(huán)境。除此以外還有HP公司的HPVEE ，HPTIG開發(fā)平臺(tái)，美國(guó)Tektronix公司的EzTest ，TekTNS平臺(tái)軟件，這些都是國(guó)際上公認(rèn)的優(yōu)秀的虛擬儀器開發(fā)軟件平臺(tái)[11]。 圖形化虛擬儀器開發(fā)平臺(tái)——LabVIEWLabVIEW(Laboratory Virtual Instrument Engineering)是一種圖形化的編程語言，它廣泛地被工業(yè)界、學(xué)術(shù)界和研究實(shí)驗(yàn)室所接受，視為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)采集和儀器控制軟件。LabVIEW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(yīng)用TCP/PI、ActiveX等軟件標(biāo)準(zhǔn)的庫函數(shù)，是一個(gè)功能強(qiáng)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更加形象化。傳統(tǒng)的文本式編程是一種順序的設(shè)計(jì)思路，設(shè)計(jì)者必須寫出執(zhí)行的語句。而LabVIEW是基于數(shù)據(jù)流的工作方式，同時(shí)是基于圖形化的編程，這使得設(shè)計(jì)者不必掌握大量的編程語言和程序設(shè)計(jì)技巧便可設(shè)計(jì)出虛擬儀器系統(tǒng)[11]。目前，在以PC機(jī)為基礎(chǔ)的測(cè)試和工控軟件中，LabVIEW的市場(chǎng)普及率僅次于C++/C語言。LabVIEW具有一系列無與倫比的優(yōu)點(diǎn)：首先，LabVIEW作為圖形化語言編程，采用流程圖式的編程，運(yùn)用的設(shè)備圖標(biāo)與科學(xué)家、工程師們習(xí)慣的大部分圖標(biāo)基本一致，這使得編程過程和思維過程非常相似；同時(shí)，LabVIEW提供了豐富的VI庫和儀器面板素材庫，近600種設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序(可擴(kuò)充)如GPIB設(shè)備控制、VXI總線控制、串行口設(shè)備控制、以及數(shù)據(jù)分析、顯示和存儲(chǔ)；并且LabVIEW還提供了專門用于程序開發(fā)的工具箱，使得用戶能夠設(shè)置斷點(diǎn)，調(diào)試過程中可以使用數(shù)據(jù)探針和動(dòng)態(tài)執(zhí)行程序來觀察數(shù)據(jù)的傳輸過程，更加便于程序的調(diào)試。因此，LabVIEW受到越來越多工程師、科學(xué)家的普遍青睞。利用LabVIEW ，可產(chǎn)生獨(dú)立運(yùn)行的可執(zhí)行文件，它是一個(gè)真正的32編譯器。像許多通用的軟件一樣，LabVIEW提供了Windows、UNIX、Linux、Macintosh OS等多種版本[12]。所有的LabVIEW應(yīng)用程序，即虛擬儀器(VI)，它包括前面板(Front Panel)、流程圖(Block Diagram)以及圖標(biāo)/連結(jié)器(Icon/Connector)三部分。1）前面板：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、圖形以及其他控制和顯示對(duì)象。但并非畫出兩個(gè)控件后程序就可以運(yùn)行，在前面板后還有一個(gè)與之對(duì)應(yīng)的流程圖。2）流程圖：流程圖提供VI的圖形化源程序。在流程圖中對(duì)VI編程，以控制和操縱定義在前面板上的輸入和輸出功能。流程圖中包括前面板上的控件連線端子，還有一些前面板上沒有，但編程必須有的東西，例如函數(shù)、結(jié)構(gòu)和連線等。如果將VI與傳統(tǒng)儀器相比較，那么前面板上的控件對(duì)應(yīng)的就是傳統(tǒng)儀器上的按鈕、顯示屏等控件，而流程圖上的連線端子相當(dāng)于傳統(tǒng)儀器箱內(nèi)的硬件電路。在許多情況下，使用VI可以仿真?zhèn)鹘y(tǒng)儀器，不僅在屏幕上出現(xiàn)一個(gè)惟妙惟肖的標(biāo)準(zhǔn)儀器面板，而且其功能也與傳統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)儀器相差無幾。這種設(shè)計(jì)思想的優(yōu)點(diǎn)體現(xiàn)在兩方面：① 類似流程圖的設(shè)計(jì)思想，很容易被工程人員接受和掌握，特別是那些沒有很多程序設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)的工程人員。② 設(shè)計(jì)的思路和運(yùn)行過程清晰而且直觀。如通過使用數(shù)據(jù)探針、高亮執(zhí)行調(diào)試等多種方法，程序以較慢的速度運(yùn)行，使沒有執(zhí)行的代碼顯示灰色，執(zhí)行后的代碼會(huì)高亮顯示，同時(shí)在線顯示數(shù)據(jù)流線上的數(shù)據(jù)值，完全跟蹤數(shù)據(jù)流的運(yùn)行。這為程序的調(diào)試和參數(shù)的設(shè)定帶來諸多的方便。3）圖標(biāo)/連接設(shè)計(jì)：這部分的設(shè)計(jì)突出體現(xiàn)了虛擬儀器模塊化程序設(shè)計(jì)的思想。在設(shè)計(jì)大型自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)時(shí)一步完成一個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是相當(dāng)有難度的。而在LabVIEW中提供的圖標(biāo)/連接工具正是為實(shí)現(xiàn)模塊化設(shè)計(jì)而準(zhǔn)備的。設(shè)計(jì)者可把一個(gè)復(fù)雜自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)分為多個(gè)子系統(tǒng)，每一個(gè)都可完成一定的功能。這樣設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)體現(xiàn)在如下幾方面：① 把一個(gè)復(fù)雜自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)分為多個(gè)子系統(tǒng)，程序設(shè)計(jì)思路清晰，給設(shè)計(jì)者調(diào)試程序帶來了諸多的方便。同時(shí)也對(duì)于將來系統(tǒng)的維護(hù)提供了便利。② 一個(gè)復(fù)雜自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)分為多個(gè)子系統(tǒng)，每一個(gè)子系統(tǒng)都是一個(gè)完整的功能模塊，這樣把測(cè)試功能細(xì)節(jié)化，便于實(shí)現(xiàn)軟件復(fù)用，大大節(jié)省軟件研發(fā)周期，提高系統(tǒng)設(shè)計(jì)的可靠性。③ 便于實(shí)現(xiàn)“測(cè)試集成”和虛擬儀器庫的思想。同時(shí)為實(shí)現(xiàn)虛擬儀器設(shè)計(jì)的靈活性提供了前提。第三章 系統(tǒng)設(shè)計(jì)理論及硬件平臺(tái)的實(shí)現(xiàn) PC機(jī)虛擬儀器就是用通用計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力代替以往需要硬件電路才能完成的功能，所以數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)軟件運(yùn)行的計(jì)算機(jī)平臺(tái)的選擇至關(guān)重要?？紤]到數(shù)據(jù)采集設(shè)備通常運(yùn)行在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，常常有較強(qiáng)的振動(dòng)、電源干擾和電磁干擾。為了保證記錄儀可靠的運(yùn)行，設(shè)計(jì)時(shí)選定工業(yè)計(jì)算機(jī)。工業(yè)計(jì)算機(jī)采取了抗干擾措施，有利于計(jì)算機(jī)平臺(tái)的可靠運(yùn)行。另一方面的考慮是工業(yè)計(jì)算機(jī)通常具有很多類型的接口有利于功能進(jìn)一步擴(kuò)展的需要。推薦配置：處理器：Intel (R) Core (TM)2 Duo CPU E6550 @ 內(nèi)存：1GB硬盤：160GB顯卡：128M 數(shù)據(jù)采集理論該部分主要包括數(shù)據(jù)采集技術(shù)概述，傳感器，輸入信號(hào)的分析、調(diào)理以及測(cè)量系統(tǒng)的選擇，下面分別予以說明。 數(shù)據(jù)采集技術(shù)概論在計(jì)算機(jī)廣泛應(yīng)用的今天，數(shù)據(jù)采集的重要性是十分顯著的。它是計(jì)算機(jī)與外部物理世界連接的橋梁。各種類型信號(hào)采集的難易程度差別很大。實(shí)際采集時(shí)，噪聲也可能帶來一些麻煩。數(shù)據(jù)采集時(shí)，有一些基本原理要注意，還有更多的實(shí)際的問題要解決。假設(shè)現(xiàn)在對(duì)一個(gè)模擬信號(hào)x(t)每隔△t時(shí)間采樣一次。時(shí)間間隔△t被稱為采樣間隔或者采樣周期。它的倒數(shù)l/△t被稱為采樣頻率，單位是采樣數(shù)/每秒。t＝0，△t，2△t，3△t……等等，x(t)的數(shù)值就被稱為采樣值。所有x(0)，x(△t)，x(2△t)都是采樣值。這樣信號(hào)x(t)可以用一組分散的采樣值來表示：{x(0)，x(△t)，x(2△t)，x(3△t)，…，x(k△t)，…}。采樣間隔是△t，注意，采樣點(diǎn)在時(shí)域上是離散的。 模擬信號(hào)采樣圖如果對(duì)信號(hào)x(t)采集N個(gè)采樣點(diǎn)，那么x(t)就可以用下面這個(gè)數(shù)列表示：X={x[0]，x[l]，x[2]，x[3]，…，x[N－l]}這個(gè)數(shù)列被稱為信號(hào)x(t)的數(shù)字化顯示或者采樣顯示。這個(gè)數(shù)列中僅僅用下標(biāo)變量編制索引，而不含有任何關(guān)于采樣率(或△t)的信息。所以如果只知道該信號(hào)的采樣值，并不能知道它的采樣率，缺少了時(shí)間尺度，也不可能知道信號(hào)x(t)的頻率。根據(jù)采樣定理，最低采樣頻率必須是信號(hào)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(hào)而不發(fā)生畸變的最大頻率叫做恩奎斯特頻率，它是采樣頻率的一半。如果信號(hào)中包含頻率高于奈奎斯特頻率的成分，信號(hào)將在直流和恩奎斯特頻率之間畸變。 合適采樣率采樣波形 采樣率過低采樣波形采樣率過低的結(jié)果是還原的信號(hào)的頻率看上去與原始信號(hào)不同。這種信號(hào)畸變叫做混疊。出現(xiàn)的混頻偏差是輸入信號(hào)的頻率和最靠近的采樣率整數(shù)倍的差的絕對(duì)值。為了避免這種情況的發(fā)生，通常在信號(hào)被采集(A/D)之前，經(jīng)過一個(gè)低通濾波器，將信號(hào)中高于奈奎斯特頻率的信號(hào)成分濾去。理論上設(shè)置采樣頻率為被采集信號(hào)最高頻率成分的2倍就夠了，但實(shí)際上工程中選用510倍，有時(shí)為了較好地還原波形，甚至更高一些。圖 數(shù)據(jù)采集結(jié)構(gòu)圖。在數(shù)據(jù)采集之前，程序?qū)?duì)采集板卡初始化，板卡上和內(nèi)存中的Buffer是數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)的中間環(huán)節(jié)。需要注意的兩個(gè)問題是：是否使用緩沖？是否使用外觸發(fā)啟動(dòng)、停止或同步一個(gè)操作？1）緩沖(Buffers)這里的緩沖指的是PC內(nèi)存的一個(gè)區(qū)域(不是數(shù)據(jù)采集卡上的FIFO緩沖)，它用來臨時(shí)存放數(shù)據(jù)。例如，你需要采集每秒采集幾千個(gè)數(shù)據(jù)，在一秒內(nèi)顯示或圖形化所有數(shù)據(jù)是困難的。但是將采集卡的數(shù)據(jù)先送到Buffer，你就可以先將它們快速存儲(chǔ)起來，稍后再重新找回它們顯示或分析。需要注意的是Buffer與采集操作的速度及容量有關(guān)。如果你的卡有DMA性能，模擬輸入操作就有一個(gè)通向計(jì)算機(jī)內(nèi)存的高速硬件通道，這就意味著所采集的數(shù)據(jù)可以直接送到計(jì)算機(jī)的內(nèi)存。不使用Buffer意味著對(duì)所采集的每一個(gè)數(shù)據(jù)你都必須及時(shí)處理(圖形化、分析等)。下列情況需要使用Buffer I/O：① 需要采集或產(chǎn)生許多樣本，其速率超過了實(shí)際顯示、存儲(chǔ)到硬件，或?qū)崟r(shí)分析的速度。② 需要連續(xù)采集或產(chǎn)生AC數(shù)據(jù)(10樣本/秒)，并且要同時(shí)分析或顯示某些數(shù)據(jù)。③ 采樣周期必須準(zhǔn)確、均勻地通過數(shù)據(jù)樣本。下列情況可以不使用Buffer I/O：① 數(shù)據(jù)組短小，例如每秒只從兩個(gè)通道之一采集一個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)。② 需要縮減存儲(chǔ)器的開支。2）觸發(fā)(Triggering)觸發(fā)涉及初始化、終止或同步采集事件的任何方法。觸發(fā)器通常是一個(gè)數(shù)字或模擬信號(hào)，其狀態(tài)可確定動(dòng)作的發(fā)生。軟件觸發(fā)最容易，你可以直接用軟件，例如使用布爾面板控制去啟動(dòng)/停止數(shù)據(jù)采集。硬件觸發(fā)讓板卡上的電路管理觸發(fā)器，控制了采集事件的時(shí)間分配，有很高的精確度。硬件觸發(fā)可進(jìn)一步分為外部觸發(fā)和內(nèi)部觸發(fā)。當(dāng)某一模擬入通道發(fā)生一個(gè)指定的電壓電平時(shí)，讓卡輸出一個(gè)數(shù)字脈沖，這是內(nèi)部觸發(fā)。采集卡等待一個(gè)外部?jī)x器發(fā)出的數(shù)字脈沖到來后初始化采集卡，這是外部觸發(fā)。許多儀器提供數(shù)字輸出(常稱為“trigger out”)用于觸發(fā)特定的裝置或儀器，在這里，就是數(shù)據(jù)采集卡。下列情況使用軟件觸發(fā)：用戶需要對(duì)所有采集操作有明確的控制，并且事件定時(shí)不需要非常準(zhǔn)確。下列情況使用硬件觸發(fā)：① 采集事件定時(shí)需要非常準(zhǔn)確。② 用戶需要削減軟件開支。③ 采集事件需要與外部裝置同步。傳感器部分是跟外界溝通的門戶，負(fù)責(zé)把外界的各種物理信息，如光、壓力、溫度、聲音等物理信號(hào)變成電信號(hào)。因?yàn)楸粶y(cè)試對(duì)象的信號(hào)來源已經(jīng)是變換好了的電信號(hào)，所以傳感器部分在設(shè)計(jì)中沒有得到具體體現(xiàn)，但是這部分是設(shè)計(jì)過程中必需要考慮的。從傳感器得到的信號(hào)大多要經(jīng)過調(diào)理才能進(jìn)入數(shù)據(jù)采集設(shè)備，信號(hào)調(diào)理功能包括放大、隔離、濾波、激勵(lì)、線性化等。由于不同傳感器有不同的特性，除了這些通用功能外，還要根據(jù)具體傳感器的特性和要求來設(shè)計(jì)特殊的信號(hào)調(diào)理功能。信號(hào)調(diào)理的通用功能如下[15] [16]：1）放大 微弱信號(hào)都要進(jìn)行放大以提高分辨率和降低噪聲，使調(diào)理后信號(hào)的電壓范圍和A/D的電壓范圍相匹配。信號(hào)調(diào)理模塊應(yīng)盡可能靠近信號(hào)源或傳感器，使得信號(hào)在受到傳輸信號(hào)的環(huán)境噪聲影響之前已被放大，使信噪比得到改善。2）隔離 隔離是指使用變壓器、光或電容耦合等方法在被測(cè)系統(tǒng)和測(cè)試系統(tǒng)之間傳遞信號(hào)，避免直接的電連接。使用隔離的原因：是從安全的角度考慮；二是隔離可使從數(shù)據(jù)采集卡讀出來的數(shù)據(jù)不受地電位和輸入模式的影響。如果數(shù)據(jù)采集卡的地與信號(hào)地之間有電位差，而又不進(jìn)行隔離，那么就有可能形成接地回路，引起誤差。3）濾波 濾波的目的是從所測(cè)量的信號(hào)中除去不需要的成分。大多數(shù)信號(hào)調(diào)理模塊有低通濾波器，用來濾除噪聲。通常還需要抗混疊濾波器，濾除信號(hào)中感興趣的最高頻率以上的所有頻率的信號(hào)。另外，某些高性能的數(shù)據(jù)采集卡自身帶有抗混疊濾波器