【文章內(nèi)容簡介】 信號(hào)，進(jìn)行濾波，保存打印。在 LabVIEW 中設(shè)計(jì)虛擬數(shù)字濾波器 ,關(guān)鍵問題是要知道濾波器圖標(biāo)的調(diào)用路徑和合理設(shè)置濾波器的有關(guān)參數(shù) . 比如 ,要設(shè)計(jì)一個(gè)虛擬數(shù)字式巴特沃斯濾波器 ,其設(shè)計(jì)過程是在 Functions 選項(xiàng)板下 次選擇 Analyze Signal Processing Filters 子選項(xiàng)板 ,最后在 Filters 子選項(xiàng)板中選擇Butterworth Filter. vi 圖標(biāo) , 選中后在流程圖中便出現(xiàn)巴特沃斯濾波器(Butterworth Filter. vi) 圖標(biāo) ,然后 ,設(shè)置 Butterworth Filter. vi 的相關(guān)參數(shù) 。 XX 大學(xué) 2021 屆本科畢業(yè)論文 7 第二章 虛擬儀器 虛擬儀器技術(shù)概述 虛擬儀器的概念 虛擬儀器的概念是由美國國家儀器公司（ National Instruments）最先提出的。所謂虛擬儀器是基于計(jì)算機(jī)的軟硬件測試平臺(tái)，它可代替?zhèn)鹘y(tǒng)的測量儀器，如示波器、邏輯分析儀、信號(hào)發(fā)生器、頻譜分析儀等 ； 可集成于自動(dòng)控制 、 工業(yè)控制系統(tǒng)之中 ； 可自由構(gòu)建成專有儀器系統(tǒng)。虛擬儀器是智能儀器之后的新一代測量儀器。 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)字接口的測量儀器（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）和測量儀器（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 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)用戶的測試要求變化時(shí)可以XX 大學(xué) 2021 屆本科畢業(yè)論文 8 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。 圖 虛擬儀器開發(fā)框圖 虛擬儀器技術(shù)的優(yōu)勢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。虛擬儀器技術(shù)十分符合 國際上流行的“ 硬件軟件化”的發(fā)展趨勢，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（如表 11 所示）。在高速度、高帶寬和專業(yè)測試領(lǐng)域，獨(dú)立儀器具有無可替代的優(yōu)勢。在中低檔測試領(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。 操作系統(tǒng) 虛擬儀器軟件面板 虛擬儀器軟件開發(fā)平臺(tái) 底層驅(qū)動(dòng)程序 硬件模塊 虛擬儀器開發(fā)者 虛擬儀器開發(fā)者 XX 大學(xué) 2021 屆本科畢業(yè)論文 9 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試系統(tǒng)的測試精度、速度大為提高，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、智 能化、多任務(wù)測量。 7） 可方便地存貯和交換測試數(shù)據(jù)，測試結(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 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 開放、靈活與計(jì)算機(jī)同步，可重復(fù)用和重配 固定 XX 大學(xué) 2021 屆本科畢業(yè)論文 10 置 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，使得虛擬儀器測試系統(tǒng)成為 Inter/Intra 的一部分，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場監(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，提高測試效率。 虛擬儀器測試系統(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，這類儀器功能也越來越強(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 [9]。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 所示 。 圖 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 。 數(shù)據(jù)分析和處理 數(shù)字信號(hào)處理 數(shù)據(jù)濾波 數(shù)據(jù)分析 統(tǒng)計(jì)分析 采集與控制 插入式數(shù)據(jù)采集板 GPIB 儀器 VXI/PXI 儀器 RS232 儀器 結(jié)果顯示 網(wǎng)絡(luò)通信 硬盤拷貝輸 出 文件 I/O 圖形用戶接口 XX 大學(xué) 2021 屆本科畢業(yè)論文 11 通常虛擬儀器測試系統(tǒng)硬件組成部分是由傳感器部件、信號(hào)調(diào)理及信號(hào)采集部件 （ 如外置或內(nèi)置數(shù)據(jù)采集卡、圖形圖像采集卡及攝像機(jī)及其用于輔助測量并能與計(jì)算機(jī)通訊的常規(guī)儀器等 ）、 通用計(jì)算機(jī) 、 打印機(jī)等構(gòu)成 。 系統(tǒng)軟件部分通常用專用的虛擬儀器開發(fā)語言 （ 如 LabVIEW） 編寫而成，并可通過 Inter實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展。 虛擬儀器 I/O 接口設(shè)備 I/O 接口設(shè)備主要用來 完成被測輸入信號(hào)的采集、放大、模數(shù)轉(zhuǎn)換?？筛鶕?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 [9]，如圖 所示。 圖 虛擬儀器構(gòu)成方式 1） 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PCDAQ GPIB儀器 串口儀器 VXI 模塊 PXI 模塊 被測信號(hào) 計(jì)算機(jī) XX 大學(xué) 2021 屆本科畢業(yè)論文 12 /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)具有多功能的測試儀器。這種基于計(jì)算機(jī)的儀器，既具有高檔儀器的測量品質(zhì) ， 又能滿足測量需求的多樣性 。 對(duì)我國大多數(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國情的虛擬儀器方案。 2） 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。 3） 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)。 4） 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XX 大學(xué) 2021 屆本科畢業(yè)論文 13 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(tái)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 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 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 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 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) C， Visual 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