【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 維護(hù)費(fèi)用，縮短技術(shù)更新周期。表 11 虛擬儀器與傳統(tǒng)儀器的比較虛擬儀器 傳統(tǒng)儀器開(kāi)發(fā)維護(hù)費(fèi)用低 開(kāi)發(fā)維護(hù)費(fèi)用高技術(shù)更新周期短（～1 年） 技術(shù)更新周期短（5～10 年）軟件是關(guān)鍵 硬件是關(guān)鍵價(jià)格低 價(jià)格昂貴開(kāi)放、靈活與計(jì)算機(jī)同步，可重復(fù)用和重配置 固定可用網(wǎng)絡(luò)聯(lián)絡(luò)周邊各儀器 只可連有限的設(shè)備自動(dòng)化、智能化、多功能、遠(yuǎn)距離傳輸 功能單一，操作不便 虛擬儀器測(cè)試系統(tǒng)的組成虛擬儀器是基于計(jì)算機(jī)的儀器。計(jì)算機(jī)和儀器的密切結(jié)合是目前儀器發(fā)展的一個(gè)重要方向。這種結(jié)合基本有兩種方式，一種是將計(jì)算機(jī)裝入儀器，其典型的例子就是所謂智能化的儀器。隨著計(jì)算機(jī)功能的日益強(qiáng)大以及其體積的日趨縮小，這類(lèi)儀器功能也越來(lái)越強(qiáng)大，目前已經(jīng)出現(xiàn)含嵌入式系統(tǒng)的儀器。另一種方式是將儀器裝入計(jì)算機(jī)。以通用的計(jì)算機(jī)硬件及操作系統(tǒng)為依托，實(shí)現(xiàn)各種儀器功能，虛擬儀器主要是指這種方式。虛擬儀器的組成與傳統(tǒng)儀器一樣，主要由數(shù)據(jù)采集與控制、數(shù)據(jù)分析和處理、結(jié)果顯示三部分組成。如圖 12 所示。采集與控制插入式數(shù)據(jù)采集板G P I B 儀器V X I / P X I 儀器R S 2 3 2 儀器數(shù)據(jù)分析和處理數(shù)字信號(hào)處理數(shù)字濾波統(tǒng)計(jì)分析數(shù)值分析結(jié)果顯示網(wǎng)絡(luò)通信硬盤(pán)拷貝輸出文件 I / O圖形用戶接口圖 12 虛擬儀器的內(nèi)部功能的劃分對(duì)于傳統(tǒng)儀器，這三個(gè)部分幾乎均由硬件完成；對(duì)于虛擬儀器，前一部分由硬件構(gòu)成，后兩部分主要由軟件實(shí)現(xiàn)。與傳統(tǒng)儀器相比，虛擬儀器設(shè)計(jì)日趨模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化，設(shè)計(jì)工作量大大減小。高凡：基于 Labview 的聲卡數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)11 虛擬儀器的軟件結(jié)構(gòu)虛擬儀器技術(shù)的核心是軟件，其軟件基本結(jié)構(gòu)如圖 13 所示。用戶可以采用各種編程軟件來(lái)開(kāi)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(zhuān)用開(kāi)發(fā)平臺(tái)是當(dāng)前流行的集成化開(kāi)發(fā)工具。這些軟件開(kāi)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(kāi)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(kāi)發(fā)將變得更加快速、方便。硬件驅(qū)動(dòng)程序數(shù)據(jù)處理用戶界面圖 13 虛擬儀器軟件結(jié)構(gòu) 虛擬儀器的開(kāi)發(fā)軟件 虛擬儀器的開(kāi)發(fā)語(yǔ)言虛擬儀器系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)語(yǔ)言有：標(biāo)準(zhǔn) C，Visual C++ ，Visual Basic 等通用程序開(kāi)發(fā)語(yǔ)言。但直接由這些語(yǔ)言開(kāi)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。這樣直接影響了系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的周期和性能。除了通用程序開(kāi)發(fā)語(yǔ)言以外，還有一些專(zhuān)用的虛擬儀器開(kāi)發(fā)語(yǔ)言和軟件，如 LabVIEW。LabVIEW 采用圖形化編程方案，是非常實(shí)用的開(kāi)發(fā)軟件。 圖形化虛擬儀器開(kāi)發(fā)平臺(tái)——LabVIEWLabVIEW(Laboratory Virtual Instrument Engineering)是一種圖形化的編程語(yǔ)言，它被視為一個(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，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2022 屆電子信息工程畢業(yè)論文（論文）12虛擬儀器，其圖形化的界面使得編程及使用過(guò)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，必須寫(xiě)出執(zhí)行的語(yǔ)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，不必掌握大量的編程語(yǔ)言和程序設(shè)計(jì)技巧便可設(shè)計(jì)出虛擬儀器系統(tǒng)。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。 基于 LabVIEW 平臺(tái)的虛擬儀器程序設(shè)計(jì)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(lèi)對(duì)象，具體表現(xiàn)有開(kāi)關(guān)、旋鈕、圖形以及其他控制和顯示對(duì)象。但并非畫(huà)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(méi)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(wú)幾。(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。 數(shù)據(jù)采集卡在當(dāng)今高速發(fā)展的時(shí)代，人們對(duì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的要求也越來(lái)越高，數(shù)據(jù)采集領(lǐng)域正在發(fā)生著重要的發(fā)展與變化。而數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要是通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡對(duì)外部信號(hào)進(jìn)行采集，因此，數(shù)據(jù)采集卡的更新?lián)Q代對(duì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)起著重大的影響。數(shù)據(jù)采集板卡的性能與眾多因素相關(guān)，要根據(jù)具體情況來(lái)具體分析。所以在選擇數(shù)據(jù)采集卡構(gòu)成系統(tǒng)時(shí)，首先必須對(duì)數(shù)據(jù)采集卡的性能指標(biāo)有所了解。高凡：基于 Labview 的聲卡數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)13 數(shù)據(jù)采集卡的主要性能指標(biāo)(1）采樣頻率采樣頻率的高低，決定了在一定時(shí)間內(nèi)獲取原始信號(hào)信息的多少，為了能夠較好的再現(xiàn)原始信號(hào)，不產(chǎn)生波形失真，采樣率必須要足夠高才行。根據(jù)奈奎斯特理論采樣頻率至少是原信號(hào)的兩倍，但實(shí)際中，一般都需要 5～10 倍。(2）采樣方法采集卡通常都有好幾個(gè)數(shù)據(jù)通道，如果所有的數(shù)據(jù)通道都輪流使用同一個(gè)放大器和 A/D 轉(zhuǎn)換器，要比每個(gè)通道單獨(dú)使用各自的經(jīng)濟(jì)的多，但這僅適用于對(duì)時(shí)間不是很重要的場(chǎng)合。如果采樣系統(tǒng)對(duì)時(shí)間要求嚴(yán)格，則必須同時(shí)采集，這就需要每個(gè)通道都有自己的放大和 A/D 轉(zhuǎn)換器。但是處于成本的考慮，現(xiàn)在普遍流行的是各個(gè)數(shù)據(jù)通道公用一套放大器和 A/D 轉(zhuǎn)換器。(3）分辨率ADC 的位數(shù)越多，分辨率就越高，可區(qū)分的電壓就越小。例如，三位的 A/D 轉(zhuǎn)換把模擬電壓范圍分成 23=8 段，每段用二進(jìn)制代碼在 000 到 111 之間表示。因而，數(shù)字信號(hào)不能真實(shí)地反映原始信號(hào)，因?yàn)橐徊糠中畔⒈宦┑袅恕Ｈ绻黾拥绞?，代碼數(shù)從 8 增加到 212=4096，這樣就可以獲得就能獲得十分精確的模擬信號(hào)數(shù)字化表示。(4）電壓動(dòng)態(tài)范圍電壓范圍指 ADC 能掃描到的最高和最低電壓。一般最好能夠使進(jìn)入采集卡的電壓范圍剛好與其符合，以便利用其可靠的分辨率范圍。例如，一個(gè) 12 位多功能 DAQ 卡，其可選的范圍從 0 到 10V，或－5 到＋5V，其可選增益有 1，2，5，10，20，50 或 100。電壓取值范圍從 0 到 10V，增益為50，則理想分辯電壓是： 12*?μ(5）I/O 通道數(shù)該參數(shù)表明了數(shù)據(jù)采集卡所能夠采集的最多的信號(hào)路數(shù)。 數(shù)據(jù)采集卡(DAQ 卡)的組成(1）多路開(kāi)關(guān)。將各路信號(hào)輪流切換至放大器的輸入端，實(shí)現(xiàn)多參數(shù)多路信號(hào)的分時(shí)采集。(2）放大器。將切換進(jìn)入采集卡的信號(hào)放大至需要的量程內(nèi)。通常中的放大器都是增益可調(diào)的，使用者可根據(jù)需要來(lái)選擇不同的增益倍數(shù)。(3）采樣保持器。把采集到的信號(hào)瞬間值，保持在 A/D 轉(zhuǎn)換的過(guò)程中不變化。(4）A/D 轉(zhuǎn)換器。將模擬的輸入信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字量輸出，完成信號(hào)幅值的量化。2022 屆電子信息工程畢業(yè)論文（論文）14目前，通常將采樣保持器和 A/D 轉(zhuǎn)換器集成在同一塊芯片上。以上四個(gè)部分是數(shù)據(jù)采集卡的重要組成部分，與其他的電路如定時(shí)/計(jì)數(shù)器、總線接口等電路儀器組成 DAQ。 數(shù)據(jù)采集卡的現(xiàn)狀目前市場(chǎng)上的數(shù)據(jù)采集卡大致有以下幾個(gè)類(lèi)別：USB 數(shù)據(jù)采集卡、PCI 數(shù)據(jù)采集卡、PCI 高速數(shù)據(jù)采集卡、無(wú)線數(shù)據(jù)采集卡、PXI 數(shù)據(jù)采集卡、PXI 高速數(shù)據(jù)采集卡、NI PCI6221 數(shù)據(jù)采集卡等。其中 USB 是最新技術(shù)的數(shù)據(jù)采集卡，具有精度高，可攜性好等優(yōu)點(diǎn)，它能充分地利用計(jì)算機(jī)的資源，大大增加了測(cè)試系統(tǒng)的靈活性和擴(kuò)展性。PXI(PCI eXtension For Instrumentation)是 Compact PCI 總線在儀器領(lǐng)域的擴(kuò)展，是一種新的開(kāi)放性、模塊化儀器總線規(guī)范。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。NI PCI6221 是 NI 公司的 M 系列多功能數(shù)據(jù)采集卡，采用的是一個(gè) A/D 轉(zhuǎn)換器，雖然是多路采集，實(shí)際上是分時(shí)工作的，所有在多路同時(shí)工作時(shí)采樣率會(huì)成倍降低。這些數(shù)據(jù)采集卡種類(lèi)繁多，有著各自的優(yōu)點(diǎn)，但卻有著普遍的共同點(diǎn)，那就是價(jià)格高昂，成本過(guò)高，這對(duì)于設(shè)計(jì)一個(gè)簡(jiǎn)而易用的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)而言負(fù)擔(dān)過(guò)重。高凡：基于 Labview 的聲卡數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)15第二章 聲卡數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與普通數(shù)據(jù)采集卡不同的是，聲卡自身已帶有前置放大器，能直接接受比較微弱的信號(hào)，例如來(lái)自話筒的信號(hào)，同時(shí)相對(duì)其他數(shù)據(jù)采集卡而言，聲卡本身已經(jīng)具有模數(shù)轉(zhuǎn)換（ADC）和數(shù)模轉(zhuǎn)換（DAC）的功能，無(wú)需另外增加 A/D 轉(zhuǎn)換硬件即可實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的數(shù)模轉(zhuǎn)換，而且，聲卡作為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集卡還具有著成本低、信號(hào)接收能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。 聲卡數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的結(jié)構(gòu) 采集系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)聲卡數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的硬件組成如圖 21 所示。根據(jù)傳感器選擇相應(yīng)的信號(hào)調(diào)理儀器。信號(hào)處理與記錄采用計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)內(nèi)置的聲卡作為A/D 轉(zhuǎn)換設(shè)備。由于聲卡是計(jì)算機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)配置，有成熟的驅(qū)動(dòng)程序和操作系統(tǒng)配合，因此無(wú)需考慮軟硬件方面的兼容問(wèn)題，在跨操作系統(tǒng)平臺(tái)時(shí)也不存在程序的移植問(wèn)題。圖 21 聲卡數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的硬件組成 采集系統(tǒng)的軟件采集系統(tǒng)軟件分為數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)分析兩大部分，利用 LabVIEW 編制。LabVIEW 采用圖形化開(kāi)發(fā)環(huán)境，以數(shù)據(jù)流驅(qū)動(dòng)程序的運(yùn)行。傳感器信號(hào)調(diào)理程控放大A/D轉(zhuǎn)換器采樣/保持器計(jì)算機(jī)被測(cè)物理量聲卡信號(hào)處理、記錄2022 屆電子信息工程畢業(yè)論文（論文）16 PC 機(jī)虛擬儀器就是利用計(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。本課題所選用的計(jì)算機(jī)型號(hào)為聯(lián)想 3000 G430。相關(guān)配置：處理器：Intel (R) Pentium (R) Dual CPU T3400 @ 內(nèi)存：1GB硬盤(pán)：250GB顯卡：512M 聲卡聲卡 (Sound Card)：聲卡是實(shí)現(xiàn)模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)相互轉(zhuǎn)換的一種硬件。聲卡的麥克風(fēng)和喇叭所用的都是模擬信號(hào)，而電腦所能處理的都是數(shù)字信號(hào)，兩者不能混用，聲卡的作用就是實(shí)現(xiàn)兩者的轉(zhuǎn)換。從結(jié)構(gòu)上分，聲卡可分為模數(shù)轉(zhuǎn)換電路和數(shù)模轉(zhuǎn)換電路兩部分,模數(shù)轉(zhuǎn)換電路負(fù)責(zé)將輸入設(shè)備采到的信號(hào)轉(zhuǎn)換為電腦能處理的數(shù)字信號(hào)；而數(shù)模轉(zhuǎn)換電路負(fù)責(zé)將電腦使用的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)。聲音卡的產(chǎn)品雖然比較多，但其基本組成是一樣的。主要有：輸入輸出端口、總線連接端口、功率放大芯片、DSP 處理芯片等。 DSP 處理芯片DSP 處理芯片基本上決定了聲卡的性能和檔次，其基本功能包括對(duì)聲波采樣和回放的控制、處理 MIDI 指令等。 功率放大芯片從聲音處理芯片出來(lái)的信號(hào)還不能直接推動(dòng)喇叭放出聲音，絕大多數(shù)聲卡都帶有功率放大芯片(簡(jiǎn)稱(chēng)：功放)以實(shí)現(xiàn)這一功能。由于它在放大聲音、音樂(lè)等信號(hào)的過(guò)程中也同時(shí)放大了噪音信號(hào)，所以從其輸出端(Speaker Out)輸出的噪音較大。隨著技術(shù)的進(jìn)步，為了盡量減少噪音，一種方法是在功放前端加入濾波器來(lái)濾掉一些高頻的噪音信號(hào)，另一種的解決