【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 擬儀器行業(yè)面臨的形勢(shì)更加嚴(yán)峻。 本設(shè)計(jì)所做的工作本設(shè)計(jì)是以研究數(shù)據(jù)采集技術(shù)為目的，利用虛擬儀器技術(shù)、數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)進(jìn)行多通道數(shù)據(jù)采集，實(shí)時(shí)采集、實(shí)時(shí)處理、實(shí)時(shí)存儲(chǔ)，信號(hào)采用 NIPXI 6281 數(shù)據(jù)采集卡采集，由軟件進(jìn)行處理，進(jìn)行數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集和存儲(chǔ)功能等。第 2 章 虛擬儀器 虛擬儀器的相關(guān)技術(shù) 虛擬儀器的概念虛擬儀器技術(shù)是測(cè)試技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，是兩門學(xué)科最新技術(shù)的結(jié)晶，融合了測(cè)試?yán)碚?、儀器原理和技術(shù)、計(jì)算機(jī)接口技術(shù)、高速總線技術(shù)以及圖形軟件編程技術(shù)于一體。美國(guó)國(guó)家儀器公司 NI（National　Instruments）提出的虛擬測(cè)量?jī)x器（VI）概念，引發(fā)了傳統(tǒng)儀器領(lǐng)域的一場(chǎng)重大變革，使得計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)得以長(zhǎng)驅(qū)直入儀器領(lǐng)域，和儀器技術(shù)結(jié)合起來，從而開創(chuàng)了“ 軟件即是儀器 ”的先河。 “軟件即是儀器” 這是 NI 公司提出的虛擬儀器理念的核心思想。從這一思想出發(fā)，基于電腦或工作站、軟件和 I/O 部件來構(gòu)建虛擬儀器。靈活高效的軟件能幫助我們創(chuàng)建完全自定義的用戶界面，模塊化的硬件能方便地提供全方位的系統(tǒng)集成，標(biāo)準(zhǔn)的軟硬件平臺(tái)能滿足對(duì)同步和定時(shí)應(yīng)用的需求。虛擬儀器的核心技術(shù)思想就是“軟件即是儀器” 。該技術(shù)把儀器分為計(jì)算機(jī)、儀器硬件和應(yīng)用軟件三部分。虛擬儀器以通用計(jì)算機(jī)和配備標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字接口的測(cè)量?jī)x器（包括 GPIB、RS232 等傳統(tǒng)儀器以及新型的 VXI 模塊化儀器）為基礎(chǔ)，將儀器硬件連接到各種計(jì)算機(jī)平臺(tái)上，直接利用計(jì)算機(jī)豐富的軟硬件資源，將計(jì)算機(jī)硬件（處理器、存儲(chǔ)器、顯示器）和測(cè)量?jī)x器（頻率計(jì)、示波器、信號(hào)源）等硬件資源與計(jì)算機(jī)軟件資源（包括數(shù)據(jù)的處理、控制、分析和表達(dá)、過程通訊以及圖形用戶界面）有機(jī)的結(jié)合起來。 虛擬儀器的特點(diǎn)及優(yōu)勢(shì)虛擬儀器是基于計(jì)算機(jī)的功能化硬件模塊和計(jì)算機(jī)軟件構(gòu)成的電子測(cè)試儀器，而軟件是虛擬儀器的核心，如圖 所示，其中軟件的基礎(chǔ)部分是設(shè)備驅(qū)動(dòng)軟件，而這些標(biāo)準(zhǔn)的儀器驅(qū)動(dòng)軟件使得系統(tǒng)的開發(fā)與儀器的硬件變化無關(guān)。這是虛擬儀器最大的優(yōu)點(diǎn)之一，有了這一點(diǎn)，儀器的開發(fā)和換代時(shí)間將大大縮短。虛擬儀器中應(yīng)用程序?qū)⒖蛇x硬件（如 GPIB，VXI，RS232，DAQ 板）和可重復(fù)用庫(kù)函數(shù)等軟件結(jié)合在一起，實(shí)現(xiàn)了儀器模塊間的通信、定時(shí)與觸發(fā)。源代碼庫(kù)函數(shù)為用戶構(gòu)造自己的虛擬儀器（VI）系統(tǒng)提供了基本的軟件模塊。由于 VI 的模塊化、開放性和靈活性，以及軟件是關(guān)鍵的特點(diǎn)，當(dāng)用戶的測(cè)試要求變化時(shí)可以方便地由用戶自己來增減硬、軟件模塊，或重新配置現(xiàn)有系統(tǒng)以滿足新的測(cè)試要求。這樣，當(dāng)用戶從一個(gè)項(xiàng)目轉(zhuǎn)向另一個(gè)項(xiàng)目時(shí)，就能簡(jiǎn)單地構(gòu)造出新的 VI 系統(tǒng)而不丟失己有的硬件和軟件資源 [5]。 虛擬儀器和傳統(tǒng)儀器的比較虛擬儀器具有傳統(tǒng)獨(dú)立儀器無法比擬的優(yōu)勢(shì)（如表 21 所示）。在高速度、高帶寬和專業(yè)測(cè)試領(lǐng)域，獨(dú)立儀器具有無可替代的優(yōu)勢(shì)。在中低檔測(cè)試領(lǐng)域，虛擬儀器可取代一部分獨(dú)立儀器的工作，但完成復(fù)雜環(huán)境下的自動(dòng)化測(cè)試是虛擬儀器的拿手好戲，是傳統(tǒng)的獨(dú)立儀器難以勝任的，甚至不可思議的工作。1）傳統(tǒng)儀器的面板只有一個(gè)，上面布置了種類繁多的顯示和操作元件。由此導(dǎo)致許多識(shí)讀和操作錯(cuò)誤。虛擬儀器與之不同，它可以通過在幾個(gè)分面板上的操作來實(shí)現(xiàn)比較復(fù)雜的功能。這樣，在每個(gè)分面板上就可以實(shí)現(xiàn)功能操作的單純化和面板布置的簡(jiǎn)潔化，從而提高操作的正確性和便捷性。同時(shí)，虛擬儀器的面板上的顯示元件和操作元件的種類與形式不受標(biāo)準(zhǔn)元件和加工工藝的限制，由編程來實(shí)現(xiàn)，設(shè)計(jì)者可以根據(jù)用戶的要求和操作需要來設(shè)計(jì)儀器面板。2）在通用硬件平臺(tái)確定后，軟件取代傳統(tǒng)儀器中由硬件完成的儀器功能。3）儀器的功能是由用戶根據(jù)需要用軟件來定義，不是事先由廠家定義的。4）儀器性能的改進(jìn)和功能擴(kuò)展只需更新相關(guān)軟件設(shè)計(jì)，不需購(gòu)買新儀器。5）虛擬儀器開放、靈活，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)。6）由于其以 PC 為核心，使得許多數(shù)據(jù)處理的過程不必像過去那樣由測(cè)試儀器本身來完成，而是在軟件的支持下，利用 PC 機(jī) CPU 的強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理功能來完成，使得基于虛擬儀器的測(cè)試系統(tǒng)的測(cè)試精度、速度大為提高，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、智能化、多任務(wù)測(cè)量。7）可方便地存貯和交換測(cè)試數(shù)據(jù)，測(cè)試結(jié)果的表達(dá)方式更加豐富多樣。8）虛擬儀器在高性價(jià)比的條件下，降低系統(tǒng)開發(fā)和維護(hù)費(fèi)用，縮短技術(shù)更新周期。表 21 虛擬儀器與傳統(tǒng)儀器的比較虛擬儀器 傳統(tǒng)儀器開發(fā)維護(hù)費(fèi)用低 開發(fā)維護(hù)費(fèi)用高技術(shù)更新周期短（～1 年） 技術(shù)更新周期長(zhǎng)（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，操作不便近年來，隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，己經(jīng)形成了網(wǎng)絡(luò)虛擬儀器。這是一種新型的基于 Web 技術(shù)的虛擬儀器，使得虛擬儀器測(cè)試系統(tǒng)成為 Inter/Intra 的一部分，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控和管理。在當(dāng)前流行的 C/S/D 網(wǎng)絡(luò)模式下，利用嵌入式技術(shù)（包括數(shù)據(jù)庫(kù)嵌入和網(wǎng)絡(luò)模塊的嵌入）可以充分利用有效資源，提高測(cè)試效率 [6]。圖 21 虛擬儀器開發(fā)框圖虛擬儀器技術(shù)的優(yōu)勢(shì)在于可由用戶定義自己的專用儀器系統(tǒng)，且功能靈活，很容易構(gòu)建，所以應(yīng)用面極為廣泛，其開發(fā)框圖如圖 21 所示。虛擬儀器技術(shù)十分符合國(guó)際上流行的“ 硬件軟件化 ”的發(fā)展趨勢(shì)，因而常被稱作 “軟件儀器” 。它功能強(qiáng)大，可實(shí)現(xiàn)示波器、邏輯分析儀、頻譜儀、信號(hào)發(fā)生器等多種普通儀器全部功能，配以專用探頭和軟件還可檢測(cè)特定系統(tǒng)的參數(shù)，如汽車發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)、汽油標(biāo)號(hào)、爐窯溫度、血液脈搏波、心電參數(shù)等多種數(shù)據(jù)；它操作靈活，完全圖形化界面，風(fēng)格簡(jiǎn)約，符合傳統(tǒng)設(shè)備的使用習(xí)慣，用戶不經(jīng)培訓(xùn)即可迅速掌握操作規(guī)程。 虛擬儀器的硬件技術(shù)（1）卡式儀器傳統(tǒng)儀器主要由控制面板和內(nèi)部處理電路組成；而卡式儀器自身不帶儀器面板，它必須借助計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的圖形環(huán)境，建立圖形化的虛擬面板，完成對(duì)儀器的控制、數(shù)據(jù)分析和顯示。以數(shù)據(jù)采集卡為例，它通常具有 A/D 轉(zhuǎn)換、D/A轉(zhuǎn)換、數(shù)字 I/O 和計(jì)數(shù)器/定時(shí)器等功能，有些還具有數(shù)字濾波和數(shù)字信號(hào)處理的功能?，F(xiàn)在的多功能數(shù)據(jù)采集卡多采用了“虛擬硬件(Virtual Hardware，簡(jiǎn)稱VH)的技術(shù)，它的思想源于可編程器件，使用戶通過程序能夠方便地改變硬件的功能或性能參數(shù)，從而依靠硬件設(shè)備的柔性來增強(qiáng)其適用性和靈活性。目前市面上的 VH，其采樣率和精度都是可變的。由于卡式儀器與計(jì)算機(jī)結(jié)合緊密，能夠充分利用已有的計(jì)算機(jī)資源，較之傳統(tǒng)儀器成本更低廉、使用更靈活、性能更強(qiáng)，因此它是一種極具潛力的儀器種類。（2）總線技術(shù)I/O 接口設(shè)備主要用來完成被測(cè)輸入信號(hào)的采集、放大、模數(shù)轉(zhuǎn)換。可根據(jù)實(shí)際情況采用不同的 I/O 接口硬件設(shè)備，如數(shù)據(jù)采集卡/ 板(DAQ) 、GPIB 總線儀器、VXI 總線儀器、串口儀器、USB 等。虛擬儀器的構(gòu)成主要有五種類型，如圖 22 所示 [7]。被測(cè)信號(hào)P C D A QG P I B 儀器串口儀器V X I 模塊P X I 模塊計(jì)算機(jī)圖 22 虛擬儀器構(gòu)成方式DAQ(Data Acquisition)數(shù)據(jù)采集卡是指基于計(jì)算機(jī)標(biāo)準(zhǔn)總線(如ISA、PCI 、USB 等)的內(nèi)置功能插卡。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)，它更加充分地利用計(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；利用 DAQ 卡可方便快速地構(gòu)建虛擬儀器系統(tǒng)。在性能上，隨著 A/D 轉(zhuǎn)換技術(shù)，濾波技術(shù)和信號(hào)調(diào)理技術(shù)的發(fā)展， DAQ 卡的采樣速率已達(dá) 1GB/s，精度高達(dá) 24 位，通道數(shù)高達(dá) 64 個(gè)，并具有數(shù)字 I/O，模擬I/O 和計(jì)數(shù)器/定時(shí)器等通道。各儀器廠家生產(chǎn)了大量的 DAQ 卡功能模塊供用戶選擇，如示波器、串行數(shù)據(jù)分析儀、動(dòng)態(tài)信號(hào)分析儀、任意波形發(fā)生器等。在計(jì)算機(jī)上掛接多個(gè) DAQ 功能模塊，配合相應(yīng)的軟件，就可以構(gòu)成一臺(tái)具有多功能的測(cè)試儀器。這種基于計(jì)算機(jī)的儀器，既具有高檔儀器的測(cè)量品質(zhì)，又能滿足測(cè)量需求的多樣性。對(duì)我國(guó)大多數(shù)用戶來說，它具有很高的性能價(jià)格比，是一種特別適合我國(guó)國(guó)情的虛擬儀器方案。GPIB(General Purpose Interface Bus)通用接口總線，是計(jì)算機(jī)和儀器的標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議。GPIB 的硬件規(guī)格和軟件協(xié)議以納入國(guó)際工業(yè)標(biāo)準(zhǔn) 和，它是最早的儀器總線，目前多數(shù)儀器都配備了遵循 IEEE488 的GPIB 接口。典型的 GPIB 測(cè)試系統(tǒng)包括一臺(tái)計(jì)算機(jī)，一塊基于 GPIB 總線的接口卡和多臺(tái) GPBI 儀器軟件及相應(yīng)的傳感模塊硬件。每臺(tái) GPIB 儀器有單獨(dú)的地址，由計(jì)算機(jī)控制操作。系統(tǒng)中的儀器可以增加、減少或更換，只需對(duì)計(jì)算機(jī)的控制軟件作相應(yīng)的改動(dòng)?；?GPIB 總線結(jié)構(gòu)的接口卡數(shù)據(jù)傳輸速率一般低于 500kb/s，不適合與對(duì)系統(tǒng)速度要求較高的應(yīng)用。VXI(VME bus eXtension for Instrumentation )是 VME 總線在儀器領(lǐng)域的擴(kuò)展，上個(gè)世紀(jì) 1993 年 VXI 總線 版本被批準(zhǔn)為 IEEE1155 標(biāo)準(zhǔn)，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)。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。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)。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)。 虛擬儀器的軟件技術(shù)虛擬儀器技術(shù)的核心是軟件，其軟件基本結(jié)構(gòu)如圖 23 所示。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。硬件驅(qū)動(dòng)程序數(shù)據(jù)處理用戶界面圖 23 虛擬儀器軟件結(jié)構(gòu)（1）軟件開發(fā)平臺(tái)LabVIEW 是目前國(guó)際上唯一的基于數(shù)據(jù)流的編譯型圖形編程環(huán)境，它把復(fù)雜、煩瑣、費(fèi)時(shí)的語(yǔ)言編程簡(jiǎn)化成用簡(jiǎn)單或圖標(biāo)提示的方法選擇功能(圖形)，并用線條把各種圖形連接起來的簡(jiǎn)單圖形編程方式，使得不熟悉編程的工程技術(shù)人員都可以按照測(cè)試要求和任務(wù)快速“畫” 出自己的程序， “畫”出儀器面板，這大大提高了工作效率，減輕了科研和工程技術(shù)人員的工作量，因此，LabVIEW 是一種優(yōu)秀的虛擬儀器軟件開發(fā)平臺(tái)。（2）儀器驅(qū)動(dòng)程序儀器驅(qū)動(dòng)程序是測(cè)試系統(tǒng)中最重要的組成部分之一，用來實(shí)現(xiàn)儀器硬件的通信、控制功能。傳統(tǒng)的儀器驅(qū)動(dòng)程序由儀器硬件廠商隨硬件提供，由于不同廠家儀器硬件的差異，使得在更換儀器硬件的同時(shí)不得不修改測(cè)試代碼。為了能自由互換儀器硬件而無需修改測(cè)試程序，即解決儀器的互操作問題，VXI plugamp。play 聯(lián)盟開發(fā)了儀器驅(qū)動(dòng)標(biāo)準(zhǔn) VISA。VISA 用 G 語(yǔ)言(圖形語(yǔ)言)或ANSIC 語(yǔ)言寫成，它可以用于多種虛擬儀器開發(fā)環(huán)境和多種操作系統(tǒng) [8]。1999 年 NI 公司提出了可互換虛擬儀器標(biāo)準(zhǔn) IVI(Interchangeable Virtual Instruments)，使程序的開發(fā)完全獨(dú)立于硬件。IVI 是建立在 VXI plugamp。play 驅(qū)動(dòng)程序標(biāo)準(zhǔn)之上的，它解決了儀器的互操作問題。IVI 驅(qū)動(dòng)器通過一個(gè)通用的類驅(qū)動(dòng)器實(shí)現(xiàn)對(duì)儀器的控制。類驅(qū)動(dòng)器是儀器的功能和屬性集，通過這些功能和屬性集實(shí)現(xiàn)對(duì)一種儀器類(示波器、數(shù)字電壓表、函數(shù)發(fā)生器等)中的儀器進(jìn)行控制。應(yīng)用程序調(diào)用類驅(qū)動(dòng)器，類驅(qū)動(dòng)器再通過專用的驅(qū)動(dòng)器與物理的儀器通信。專用的儀器驅(qū)動(dòng)器(和對(duì)應(yīng)的物理儀器)可以被改變，但應(yīng)用程序代碼保持不變。采用 IVI 技術(shù)，可以降低軟件的維護(hù)費(fèi)用，減少系統(tǒng)停運(yùn)時(shí)間，提高測(cè)試代碼的可重用性，使儀器編程更簡(jiǎn)單。（3）I/O 接口軟件I/O 接口軟件是虛擬儀器系統(tǒng)軟件的基礎(chǔ)，用于處理計(jì)算機(jī)與儀器硬件間連接的低層通信協(xié)議。當(dāng)今優(yōu)秀的虛擬儀器測(cè)試軟件都建立在一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化 I/O接口軟件組件的通用內(nèi)核之上，為用戶提供一個(gè)一致的、跨計(jì)算機(jī)平臺(tái)的應(yīng)用編程接口(API)，使用戶的測(cè)試系統(tǒng)能夠選擇不同的計(jì)算機(jī)平臺(tái)和儀器硬件。 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