【文章內(nèi)容簡介】 術(shù)、VME總線和模塊化結(jié)構(gòu)技術(shù)的成果，1998年修訂的VXI20版本規(guī)范采用了VME總線的最新進(jìn)展，提供了64位的擴(kuò)展能力，數(shù)據(jù)傳輸率最高可達(dá)80MB/So VXI系統(tǒng)最多可包含256個(gè)器件，可組成一個(gè)或多個(gè)子系統(tǒng)，每個(gè)子系統(tǒng)最多可包含13個(gè)插入式模塊，插入同一個(gè)機(jī)箱內(nèi)，在組建大、中規(guī)模自動(dòng)測量系統(tǒng)以及對(duì)速度、精度要求高的場合，具有其他儀器所無法比擬的優(yōu)勢(shì)，VXI總線支持即插即用，人機(jī)界面友好，資源利用率高，容易實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)集成，大大地縮短了研制周期，且便于升級(jí)和擴(kuò)展。VXI系統(tǒng)具有穩(wěn)定可靠的電源、冷卻裝置、抗電磁干擾、模塊化結(jié)構(gòu)、強(qiáng)大的數(shù)據(jù)吞吐量(40MBls)，易于組網(wǎng)等優(yōu)點(diǎn)。但是價(jià)格相對(duì)過高，適合于尖端的測試領(lǐng)域。(4) PXI (PCI extension for Instrumentation)是PCI在儀器領(lǐng)域的擴(kuò)展。NI公司于1997年發(fā)布了這種全新的開放性、模塊化儀器總線規(guī)范。制定PXI規(guī)范的目的是為了將普通的PC機(jī)的性能價(jià)格比優(yōu)勢(shì)與PCI總線面向儀器領(lǐng)域的必要擴(kuò)展完美地結(jié)合起來，形成一種主流的虛擬儀器測試平臺(tái)。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增加了用于多板同步的觸發(fā)總線和參考時(shí)鐘、精確定時(shí)的星型觸發(fā)總線、相鄰模塊間高速通信的局部總線等。以此來滿足試驗(yàn)和測量用戶的要求。PXI兼容Compact PCI機(jī)械規(guī)范，并增加了主動(dòng)冷卻、環(huán)境測試(溫度、濕度、振動(dòng)和沖擊試驗(yàn))等要求。這樣一來，可保證多家廠商產(chǎn)品的互操作性和系統(tǒng)的易集成性。PXI系統(tǒng)的價(jià)格高于DAQ系統(tǒng)，低于GPIB和VXI系統(tǒng)，又具有良好的性能，是組建模塊化儀器系統(tǒng)的良好選擇。計(jì)算機(jī)與數(shù)據(jù)采集卡組成了虛擬示波器的硬件平臺(tái)的基礎(chǔ)。數(shù)據(jù)采集卡是虛擬示波器的重要組成部件，其性能指標(biāo)直接影響著虛擬示波器的采樣速率、精度等主要指標(biāo)的因素。CPU的速度及計(jì)算機(jī)的內(nèi)存影響著示波器處理數(shù)據(jù)的速度；計(jì)算機(jī)的硬盤決定它的存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的容量。 LabVIEW中數(shù)據(jù)采集庫包含了許多有關(guān)采樣和生成數(shù)據(jù)的函數(shù)，它們與NI的插卡式或遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集產(chǎn)品協(xié)同工作。數(shù)據(jù)采集卡是進(jìn)行高速直接控制以及低速控制的理想設(shè)備。由于數(shù)據(jù)采集卡價(jià)格低廉、操作攜帶方便，因此大大的降低了每個(gè)通道的成本。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的任務(wù)是采集原始的數(shù)字信號(hào)，其主要指標(biāo)有采樣精度、采樣速度。采樣精度由轉(zhuǎn)換器的位數(shù)來決定，而采樣速度是與采樣頻率不可分的。從提高精度的角度出發(fā)，模數(shù)轉(zhuǎn)換器的位數(shù)與采樣頻率之間是相互制約的。 數(shù)據(jù)采集卡的選擇主要與采樣率、測量通道、分辨率和測量精度有關(guān)。采樣率即在單位時(shí)間內(nèi)的測量次數(shù)，一般用采樣頻率來表示。采樣率的選擇，取決于被測量的信號(hào)的變化速度，根據(jù)奈奎斯特采樣定理，所需的采樣頻率應(yīng)為所測信號(hào)的最高頻率分量的兩倍以上，即應(yīng)選用100kHz的板卡才能完成最高頻率為50kHz的被測信號(hào)的測量工作。測量通道是整個(gè)系統(tǒng)所需測量的信號(hào)數(shù)量，產(chǎn)品不同，可測量的通道數(shù)也不同。在選取產(chǎn)品時(shí)需要注意以下幾點(diǎn)：可測通道數(shù)是否滿足系統(tǒng)要求；在需要差分輸人測量時(shí)，板卡上有無差分輸人以及差分輸人的通道數(shù)；在測量通道數(shù)多時(shí)，應(yīng)注意產(chǎn)品能否擴(kuò)展及最多可擴(kuò)展的通道數(shù)。測量中都需將模擬信號(hào)經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制的數(shù)字信號(hào)，分辨率就是將滿量程信號(hào)經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后得到的二進(jìn)數(shù)的位數(shù)。分辨率越高，意味著可檢測出來的電壓變化越小，它和測量范圍(可測量的最高電平和最高電平)及增益(板卡的放大倍數(shù))一起決定了該板卡可測的最小電壓變化量，也稱為二進(jìn)碼的寬度，現(xiàn)在產(chǎn)品中有8位、12位、16位的最多?！≤浖倪x擇在給定計(jì)算機(jī)必要的儀器硬件之后，構(gòu)成和使用虛擬儀器的關(guān)鍵在于軟件。軟件為用戶提供了集成開發(fā)環(huán)境、高水平的儀器硬件接口和用戶接口。美國國家儀器公司提出的“軟件即儀器”(The Software is the Instrument)形象地概括了軟件在虛擬儀器技術(shù)中的重要作用。所以正確選擇軟硬件對(duì)程序開發(fā)和設(shè)計(jì)起著非常重要的作用。只有選擇了合適的軟硬件才能快速開發(fā)出應(yīng)用軟件，才能事半功倍。對(duì)于虛擬儀器應(yīng)用軟件的編寫，大致可分為兩種方式：(1)通用編程軟件進(jìn)行編寫。主要有美國Mathworks公司的MATLAB， Microsoft公司的Visual Basic與Visual C++, Borland公司的Delphi。 Sybase公司的Power Builder。(2)用專業(yè)圖形化編程軟件進(jìn)行開發(fā)。如HP公司的VEE，NI公司的LabVIEW和Lab windows /CVI等。LabVIEW是實(shí)驗(yàn)室虛擬儀器集成環(huán)境(Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench)的簡稱，是美國國家儀器公司(NI)的創(chuàng)新軟件產(chǎn)品，也是目前應(yīng)用最廣泛、發(fā)展最快、功能最強(qiáng)的圖形化軟件開發(fā)環(huán)境。 LabVIEW的前面板可以包含旋鈕、刻度盤、開關(guān)、圖表和其他界面工具，允許用戶通過鍵盤或鼠標(biāo)獲取數(shù)據(jù)并顯示結(jié)果。LabVIEW具有模塊化的特性，有利于程序的可重用性。LabVIEW將軟件的界面設(shè)計(jì)與功能設(shè)計(jì)獨(dú)立開來，修改人機(jī)界面無需對(duì)整個(gè)程序進(jìn)行調(diào)整，LabVIEW是利用數(shù)據(jù)流框圖接收指令，使程序簡單明了，充分發(fā)揮了圖形化編程環(huán)境的優(yōu)點(diǎn)。這就大大簡短了虛擬儀器的開發(fā)周期、消除了虛擬儀器編程的復(fù)雜過程。而通用的編程軟件需利用組件技術(shù)實(shí)現(xiàn)軟面板的設(shè)計(jì)，這使程序設(shè)計(jì)變得非常麻煩。LabVIEW雖然是為計(jì)算機(jī)測控領(lǐng)域開發(fā)的，但它的函數(shù)包含了一般高級(jí)計(jì)算機(jī)語言中的絕大多數(shù)程序控制功能。LabVIEW作為開發(fā)壞境所具有的優(yōu)點(diǎn)總結(jié)如下所述：(1)圖形化編程，降低了對(duì)使用者編程經(jīng)驗(yàn)的要求，易于工程師使用。(2)采用面向?qū)ο蟮姆椒ê透拍?，有利于軟件的開發(fā)和再利用。(3)對(duì)象、框圖及其構(gòu)成的虛擬儀器在Windows, Windows NT, UNIX等多平臺(tái)之間和各種PC機(jī)及工作站間兼容，便于軟件移植。(4)支持550多種標(biāo)準(zhǔn)總線設(shè)備及數(shù)據(jù)采集卡，如串行接口、GPIB, VXI等。(5)具有豐富的庫函數(shù)和例子，對(duì)于大多數(shù)應(yīng)用程序，用戶可以從例子中取得程序框架，便于提高開發(fā)速度。(6)具有比較完備的代碼接口，可調(diào)用Windows中的動(dòng)態(tài)鏈接庫(DLL)中的函數(shù)以及C語言程序，以彌補(bǔ)自身的某些不足。(7)直接支持動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)交換(DDE)、對(duì)象鏈接與嵌入(OLE)、結(jié)構(gòu)化查詢語言(SQL)，便于與其它Windows應(yīng)用程序和數(shù)據(jù)庫應(yīng)用程序接口。(8)支持TCP、UDP等網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，網(wǎng)絡(luò)功能強(qiáng)大，可遙控分布在其他微機(jī)的虛擬儀器設(shè)備。(9)為加強(qiáng)LabVIEW的功能，適應(yīng)各種工業(yè)應(yīng)用的需要，NI公司又開發(fā)了一系列與LabVIEW配合使用的軟件包，如自動(dòng)測試工具、可連結(jié)25種數(shù)據(jù)庫的SQL工具、SPC分析函數(shù)工具、信號(hào)處理套件、PID控制工具、圖形控制工具等。由于LabVIEW有上面所列舉的優(yōu)點(diǎn)，因此使測量儀器的虛擬化得以實(shí)現(xiàn)。為我們進(jìn)行軟件開發(fā)設(shè)計(jì)了一個(gè)良好的開發(fā)平臺(tái)，有利于編程工作者進(jìn)行編程設(shè)置?！≤浖O(shè)計(jì)方案　MATLAB簡介MATLAB是美國Mathworks公司推出的一套高性能的數(shù)值分析和計(jì)算軟件，它將矩陣運(yùn)算，數(shù)值分析，圖像處理，編程技術(shù)結(jié)合在一起，為用戶提供一個(gè)強(qiáng)有力的科學(xué)及工程問題和程序設(shè)計(jì)工具。它主要包括五個(gè)部分：(1)MATLAB開發(fā)環(huán)境(2)MATLAB數(shù)學(xué)函數(shù)庫(3)MATLAB語言(4)MATLAB句柄圖形(5)MATLAB應(yīng)用程序接口MATLAB在不斷的改進(jìn)和創(chuàng)新，無論在界面設(shè)計(jì)，計(jì)算方法，編程手段和工具方面等都有了巨大的突破，新版本的概念和方法，使MATLAB真正成為了具有全部高級(jí)語言功能特征的新一代軟件開發(fā)平臺(tái)。MATLAB的應(yīng)用領(lǐng)域也不在不斷地?cái)U(kuò)展，無論是在信號(hào)處理，控制，仿真等傳統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域，還是在儀器控制和測量，虛擬儀器設(shè)計(jì)，金融等新的應(yīng)用領(lǐng)域，MATLAB都推出了相關(guān)的工具箱和組件，為這些領(lǐng)域的用戶提供了高效的應(yīng)用工具。(1)數(shù)據(jù)采集工具箱Data Acquisition Toolbox Version ；MATLAB是一個(gè)數(shù)據(jù)分析和處理功能十分強(qiáng)大的工程實(shí)用軟件，它的信號(hào)處理與分析工具箱為動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)分析提供了十分豐富的函數(shù)，利用這些函數(shù)可以快捷而又方便地完成動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)分析。而它的數(shù)據(jù)采集工具箱(DAQ Toolbox)為在MATLAB中實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集提供十分方便的數(shù)據(jù)采集函數(shù)。MATLAB環(huán)境中，利用這些函數(shù)可以快捷地構(gòu)造出數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)外部物理世界和生產(chǎn)過程信號(hào)的實(shí)時(shí)信號(hào)采集。由該系統(tǒng)采集的物理信號(hào)可以作為變量直接存入MATLAB的工作空間,也可以作為數(shù)據(jù)文件直接寫入數(shù)據(jù)文件。對(duì)存入MATLAB工作空間的物理信號(hào)變量，利用MATLAB中信號(hào)處理與分析工具箱的信號(hào)分析處理函數(shù)，而無需對(duì)大量的常用信號(hào)處理算法進(jìn)行編程，即可方便快捷地完成對(duì)信號(hào)的動(dòng)態(tài)。(2)信號(hào)處理工具箱Signal Processing Toolbox Version (R12. 1)： 采集數(shù)據(jù)的分析處理通過信號(hào)處理工具箱和MATLAB中的相應(yīng)函數(shù)來完成，圖形用戶接口工具用來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集操作的圖形界面。(3)MATLAB Version ()及其圖形用戶接口工具：在MATLAB環(huán)境下，為了方便對(duì)采集信號(hào)常規(guī)動(dòng)態(tài)分析，利用MATLAB 中的圖形用戶接口工具箱可以輕松地構(gòu)造一個(gè)類似Windows的圖形操作界面。通過該圖形窗口即可實(shí)現(xiàn)一個(gè)虛擬的雙通道動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)分析儀。MATLAB的圖形用戶界面GUI是指由各種圖形對(duì)象，如菜單欄，列表欄，控制按鈕等組成的用戶。在這種用戶界面下，用戶的命令和用戶對(duì)程序的控制是通過“選擇”各種對(duì)象來實(shí)現(xiàn)。MATLAB的GUI的基本圖像分為兩類：用戶界面控件對(duì)象和用戶面菜單對(duì)象，并將他們有機(jī)的組織在一起，使用戶界面操作和使用。MATLAB為表現(xiàn)其基本功能而設(shè)計(jì)的演示程序demo是使用圖形界面的最好范例。MATLAB的用戶在命令窗口中運(yùn)行demo命令打開演示程序界面，只要用鼠標(biāo)進(jìn)行選擇和點(diǎn)擊，就可瀏覽其中豐富多彩的內(nèi)容。　軟件設(shè)計(jì)虛擬儀器是基于計(jì)算機(jī)的虛擬技術(shù)，用以模擬通用示波器的面板操作和處理功能，也就是使用個(gè)人計(jì)算機(jī)及其接口電路來采集現(xiàn)場或?qū)嶒?yàn)室信號(hào)，并通過圖形用戶界面(GU1)來模仿萬用表的操作面板，完成信號(hào)采集、調(diào)理、分析處理和顯示輸出等功能。 圖22　軟件框圖我們所開發(fā)的虛擬儀器，是在數(shù)據(jù)采集硬件的支持下，配備一定功能的軟件，完成波形的存儲(chǔ)、分析、顯示等功能。一般測試儀器由信號(hào)采集、信號(hào)處理和結(jié)果顯示三大部分組成，這三部分均由硬件構(gòu)成。虛擬示波器也是由這三大部分組成，但是除了信號(hào)采集部分是由硬件實(shí)現(xiàn)之外，其它兩部分都是由軟件實(shí)現(xiàn)。我們所設(shè)計(jì)的虛擬儀器總體上包括數(shù)據(jù)采集、波形運(yùn)算、參數(shù)測量、觸發(fā)控制、波形存儲(chǔ)模塊組成，其具體軟件框圖如圖22所示?！x器功能我們開發(fā)的虛擬儀器又具有普通儀器所沒有的許多優(yōu)點(diǎn)，如波形可長期存儲(chǔ)，有多種顯示方式，便于觀測單次過程和緩慢變化的信號(hào)，便于數(shù)據(jù)處理等等。我們開發(fā)的虛擬數(shù)字存儲(chǔ)儀器，除了具有通用功能外，又具有普通儀器所沒有的許多優(yōu)點(diǎn)，如波形可存儲(chǔ)為數(shù)據(jù)文件，永久保存，隨時(shí)調(diào)用。且成本低廉，功能可根據(jù)應(yīng)用的需要不斷加強(qiáng)。其主要性能指標(biāo)為雙通道顯示波形，波形可存儲(chǔ)，隨時(shí)調(diào)出，與通用儀器比較，虛擬儀器系統(tǒng)功能有較大的加強(qiáng)：(1)現(xiàn)場波形可以保存在磁盤中備份。(2)通過用戶編程模板，可任意組合用戶的數(shù)據(jù)處理和分析功能。因此，虛擬儀器適合在工程應(yīng)用中對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行性能測試和故障診斷?！”菊滦〗Y(jié)本章從理論上論述了虛擬儀器的應(yīng)用、基本原理、組成結(jié)構(gòu)，軟件的種類和硬件的類型。使從理論上對(duì)虛擬儀器有一個(gè)詳細(xì)的了解，并加深了我對(duì)“軟件就是儀器”這個(gè)概念直觀的理解，為后面的模塊化軟件編程打下了基礎(chǔ)。除此之外，還比較詳細(xì)介紹了MATLAB的開發(fā)環(huán)境以及庫函數(shù)，使們對(duì)這個(gè)高級(jí)語言有了一定程度的認(rèn)識(shí)。對(duì)于軟件編程提供了一個(gè)詳細(xì)的說明。第3章　聲卡原理及其接口函數(shù)第3章　聲卡原理及其接口函數(shù)　聲卡原理　聲卡兩大基本功能簡介總的來說，聲卡的作用不外乎就是錄制聲音和播放聲音。錄制聲音的過程其實(shí)就是一個(gè)將聲音數(shù)字化的過程，相反，播放聲音的過程就是將聲音模擬化的過程。連續(xù)的聲音信號(hào)通過空氣傳到人的聽覺系統(tǒng)中。但電腦的CPU只能處理瞬態(tài)購成的二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)，也就是不是連續(xù)的信號(hào)。也就是說，自然界的聲音是模擬的信號(hào)，而電腦可以處理的聲音是數(shù)字信號(hào)，顯然兩者是不能直接交換的，那有什么辦法呢？人們想到了通過一個(gè)設(shè)備來進(jìn)行轉(zhuǎn)換，這就是聲卡。在聲卡中，從音源傳來的聲音可以轉(zhuǎn)換成電腦可處理的數(shù)字信號(hào)，這個(gè)過程叫Analogyto Digital Conversion ( ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換)。相反，聲卡將電腦中的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)的過程叫Digital to Analog Conversion( DAC數(shù)模轉(zhuǎn)換)，這些模擬信號(hào)通過功率放大電路后，經(jīng)喇叭播出，大家就可以聽到各種聲音了。　聲卡的工作過程當(dāng)一個(gè)音源輸入后，會(huì)先經(jīng)過濾波器做預(yù)先的采樣、模擬/數(shù)字變換，再由數(shù)字信息處理芯片負(fù)責(zé)將此音源進(jìn)行各種音效處理，其中可能包括由FM芯片產(chǎn)生的音效，或者到WaveTable(波表合成)取出音源，更可以透過總線接口芯片(Bus Interface Chip)必存取光盤或硬盤中的有效文件，這些經(jīng)過處理后的數(shù)字音源，再透過數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換而輸出到音箱或者其他聲音設(shè)備。那么，聲卡的各部件是如何分擔(dān)這些工作的呢?(1)接口　　聲卡接口主要負(fù)責(zé)聲卡與CPU進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，當(dāng)CPU要聲卡處理聲音的時(shí)候，馬上會(huì)給聲卡發(fā)出相關(guān)的指令，而聲卡處理完畢后，也通過接口報(bào)告CPU就目前來說，聲卡的接口已經(jīng)完全過渡到PCI。PCI卡同ISA卡最大的區(qū)別就是它們用來傳輸數(shù)據(jù)的總線不同。顧名思義，ISA卡用的總線是傳統(tǒng)的ISA總線。這種總線已經(jīng)沿用了數(shù)十年，它的弊端很多，最大的缺點(diǎn)就是它的帶