【文章內(nèi)容簡介】 率一般低于 500kbs不適合與對系統(tǒng)速度要求較高的應(yīng)用 3VXI 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 14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) 4PXI 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)為儀器精簡平臺組成的虛擬測試系統(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 IO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)的核心是軟件其軟件基本結(jié)構(gòu)如圖 24 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 NI 公司的軟件產(chǎn)品 LabVIEW 和LabWindowsCVI 為代表的虛擬儀器專用開發(fā)平臺是當(dāng)前流行的集成化開發(fā)工具這些軟件開發(fā)平臺提供了強(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 圖 24 虛擬儀器軟件結(jié)構(gòu) 虛擬儀器的開發(fā)軟件 虛擬儀器的開發(fā)語言 虛擬儀器系統(tǒng)的開發(fā)語言有標(biāo)準(zhǔn) CVisual 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于那些不熟悉這方面知識的工程設(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LabVIEWLabWindowsCVILabVIEW 采用圖形化編程方案是非常實(shí)用的開發(fā)軟件LabWindowsCVI 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)平臺美國 Tektronix公司的 EzTest TekTNS平臺軟件這些都是國際上公認(rèn)的優(yōu)秀的虛擬儀器開發(fā)軟件平臺 [11] 圖形化虛擬儀器開發(fā)平臺 LabVIEW LabVIEW 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 GPIBVXIRS232 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 TCPPIActiveX 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)的測試和工控軟件中 LabVIEW的市場普及率僅次于 CC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 WindowsUNIXLinuxMacintosh OS 等多種版本[12] 基于 LabVIEW 平臺的虛擬儀器程序設(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 IconConnector 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象具體表現(xiàn)有開關(guān)旋鈕圖形以及 其他控制和顯示對象但并非畫出兩個(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 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 系統(tǒng)設(shè)計(jì)理論 31 信號采集理論 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的分析調(diào)理以及測量系統(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)在對一個(gè)模擬信號 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△ t2△ t3△ 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 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 圖 31 顯示了一個(gè)模擬信號和它采樣后的采樣值采樣間隔是△ t 注意采樣點(diǎn)在時(shí)域上是離散的 圖 31 模擬信號 采樣圖 如果對信號 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 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 x t 的頻率 根據(jù)采樣定理最低采樣頻率必須是信號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中包含頻率高 于奈奎斯特頻率的成分信號將在直流和恩奎斯特頻率之間畸變 一個(gè)信號分別用合適的采樣率和過低的采樣率進(jìn)行采樣的結(jié)果 圖 32 合適采樣率采樣波形 圖 33 采樣率過低采樣波形 采樣率過低的結(jié)果是還原的信號的頻率看上去與原始信號不同這種信號畸變叫做混疊出現(xiàn)的混頻偏差是輸入信號的頻率和最靠近的采樣率整數(shù)倍的差的絕對值為了避免這種情況的發(fā)生通常在信號被采集 AD 之前經(jīng)過一個(gè)低通濾波器將信號中高于奈奎斯特頻率的信號成分濾去理論上設(shè)置采樣頻率為被采集信號最高頻率成分的 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 采集系統(tǒng)的一般組成及各部分功能描述 DAQ 板卡 AD 信號 外觸發(fā) 圖 34 數(shù)據(jù)采集結(jié)構(gòu)圖 圖 34 表示了數(shù)據(jù)采集的結(jié)構(gòu)在數(shù)據(jù)采集之前程序?qū)Σ杉蹇ǔ跏蓟蹇ㄉ虾蛢?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 IO 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