【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)域的擴展上個世紀(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)驗基礎(chǔ)上增加了 10MHz 時鐘線模擬和數(shù)字混合總線星形總線等高速總線定時關(guān)系嚴(yán)格兼有計算機總 線和儀器總線的優(yōu)點 4PXI PCI eXtension For Instrumentation 是 Compact PCI 總線在儀器領(lǐng)域的擴展是 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增加了用于多個板卡同步的觸發(fā)總線和 10MHz參考時鐘用于精確定時的星形觸發(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驗和測量用戶的要求 PXI兼容 Compact PCI機械規(guī)范并增加了空氣冷卻裝置環(huán)境測試溫度濕度振動和沖擊實驗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)總線儀器與計算機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串口總線與計算機組成虛擬儀器系統(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)平臺提供了強大的儀器軟面板設(shè)計工具和各種數(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)動程序模塊簡化了虛擬儀器的設(shè)計工作隨著軟件技術(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間進(jìn)行測試系統(tǒng)面板設(shè)計外還要編制大量的設(shè)備驅(qū)動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)計人員來說要花費大量時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)界和研究實驗室所接受視為一個標(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)是一個功能強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)計思路設(shè)計者必須寫出執(zhí)行的語句而LabVIEW 是基于數(shù)據(jù)流的工作方式同時是基于圖形化的編程這使得設(shè)計者不必掌握大量的編程語言和程序設(shè)計技巧便可設(shè)計出虛擬儀器系統(tǒng) [11] 目前在以 PC機為基礎(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)點首先 LabVIEW作為圖形化語言編程采用流程圖式的編程運用的設(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 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)動程序 可擴充 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)置斷點調(diào)試過程中可以使用數(shù)據(jù)探針和動態(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)生獨立運行的可執(zhí)行文件它是一個真正的 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 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控件后程序就可以運行在前面板后還有一個與之對應(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)計思想的優(yōu)點體現(xiàn)在兩方面 ① 類似流程圖的設(shè)計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)計經(jīng)驗的工程人員 ② 設(shè)計的思路和運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行使沒有執(zhí)行的代碼顯示灰色執(zhí)行后的代碼會高亮顯示同時 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)計這部分的設(shè)計突出體現(xiàn)了虛擬儀器模塊化程序設(shè)計的思想在設(shè)計大型自動檢測系統(tǒng)時一步完成一個復(fù)雜系統(tǒng)的設(shè)計是相當(dāng)有難度的而在LabVIEW 中提供的圖標(biāo)連接工具正是為實現(xiàn)模塊化設(shè)計而準(zhǔn)備的設(shè)計者可把一個復(fù)雜自動檢測系統(tǒng)分為多個子系統(tǒng)每一個都可完成一定的功能這樣設(shè)計的優(yōu)點體現(xiàn)在如下幾方面 ① 把一個復(fù)雜自動檢測系統(tǒng)分為多個子系統(tǒng)程序設(shè)計思路清晰給設(shè)計者調(diào)試程序帶來了諸多的方便同時也對于將來系統(tǒng)的維護(hù)提供了便利 ② 一 個復(fù)雜自動檢測系統(tǒng)分為多個子系統(tǒng)每一個子系統(tǒng)都是一個完整的功能模塊這樣把測試功能細(xì)節(jié)化便于實現(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)計的可靠性 ③ 便于實現(xiàn)測試集成和虛擬儀器庫的思想同時為實現(xiàn)虛擬儀器設(shè)計的靈活性提供了前提 系統(tǒng)設(shè)計理論 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 在計算機廣泛應(yīng)用的今天數(shù)據(jù)采集的重要性是十分顯著的它是計算機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際采集時噪聲也可能帶來一些麻煩數(shù)據(jù)采集時有一些基本原理要注意還有更多的實際的問題要解決 假設(shè)現(xiàn)在對一個模擬信號 x t 每隔△ t 時間采樣一次時間間隔△ 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 顯示了一個模擬信號和它采樣后的采樣值采樣間隔是△ t 注意采樣點在時域上是離散的 圖 31 模擬信號 采樣圖 如果對信號 x t 采集 N 個采樣點那么 x t 就可以用下面這個數(shù)列表示 X x[0]x[l]x[2]x[3]x[N－ l] 這個數(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 倍就夠了但實際上工程中選用 510 倍有時為了較好地 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)采集存儲的中間環(huán)節(jié)需要注意的兩個問題是 是否使用緩沖是否使用外觸發(fā)啟動停止或同步一個操作 1 緩沖 Buffers 這里的緩沖指的是 PC內(nèi)存的一個區(qū)域 不是數(shù)據(jù)采集卡上的 FIFO緩沖 它用來臨時存放數(shù)據(jù)例如你需要采集每秒采集幾 千個數(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通向計算機內(nèi)存的高速硬件通道這就意味著所采集的數(shù)據(jù)可以直接送到計算機的內(nèi)存 不使用 Buffer 意味著對所采集的每一個數(shù)據(jù)你都必須及時處理 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際顯示存儲到硬件或?qū)崟r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