【文章內容簡介】 信號，進行濾波，保存打印。在 LabVIEW 中設計虛擬數(shù)字濾波器 ,關鍵問題是要知道濾波器圖標的調用路徑和合理設置濾波器的有關參數(shù) . 比如 ,要設計一個虛擬數(shù)字式巴特沃斯濾波器 ,其設計過程是在 Functions 選項板下 次選擇 Analyze Signal Processing Filters 子選項板 ,最后在 Filters 子選項板中選擇Butterworth Filter. vi 圖標 , 選中后在流程圖中便出現(xiàn)巴特沃斯濾波器(Butterworth Filter. vi) 圖標 ,然后 ,設置 Butterworth Filter. vi 的相關參數(shù) 。 XX 大學 2021 屆本科畢業(yè)論文 7 第二章 虛擬儀器 虛擬儀器技術概述 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算機的軟硬件測試平臺，它可代替?zhèn)鹘y(tǒng)的測量儀器，如示波器、邏輯分析儀、信號發(fā)生器、頻譜分析儀等 ； 可集成于自動控制 、 工業(yè)控制系統(tǒng)之中 ； 可自由構建成專有儀器系統(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思想就是“軟件即是儀器 ” 。 該技術把儀器分為計算機 、 儀器硬件和應用軟件三部分 。 虛擬儀器以通用計算機和配備標準數(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，將儀器硬件連接到各種計算機平臺上，直接利用計算機豐富的軟硬件資源，將計算機硬件（處理器、存儲器、顯示器）和測量儀器（頻率計、示波器、信號源）等硬件資源與計算機軟件資源（包括數(shù)據(jù)的處理、控制、分析和表達、過程通訊以及圖形用戶界面）有機的結合起來。 虛擬儀器的特點及優(yōu)勢 虛擬儀器是基于計算機的功能化硬件模塊和計算機軟件構成的電子測試儀器，而軟件是虛擬儀器的核心 ， 如圖 所示 ， 其中軟件的基礎部分是設備驅動軟件，而這些標準的儀器驅動軟件使得系統(tǒng)的開發(fā)與儀器的硬件變化無關。這是虛擬儀器最大的優(yōu)點之一，有了這一點，儀器的開發(fā)和換代時間將大大縮短。虛擬儀器中應用程序將可選硬件（如 GPIB， VXI， RS232， DAQ 板）和可重復用庫函數(shù)等軟件結合在一起，實現(xiàn)了儀器模塊間的通信、定時與觸發(fā)。 源代碼 庫函數(shù)為用戶構造自己的虛 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，以及軟件是關鍵的特點，當用戶的測試要求變化時可以XX 大學 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，當用戶從一個項目轉向另一個項目時，就能簡單地構造出新的 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 ，很容易構建，所以應用面極為廣泛。虛擬儀器技術十分符合 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” 。 它功能強大，可實現(xiàn)示波器、邏輯分析儀、頻譜儀、信號發(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)動機參數(shù)、汽油標號、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，風格簡約，符合傳統(tǒng)設備的使用習慣，用戶不經培訓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)測試領域，獨立儀器具有無可替代的優(yōu)勢。在中低檔測試領域，虛擬儀 器可取代一部分獨立儀器的工作，但完成復雜環(huán)境下的自動化測試是虛擬儀器的拿手好戲，是傳統(tǒng)的獨立儀器難以勝任的，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 底層驅動程序 硬件模塊 虛擬儀器開發(fā)者 虛擬儀器開發(fā)者 XX 大學 2021 屆本科畢業(yè)論文 9 1） 傳統(tǒng)儀器的面板只有一個，上面布置了種類繁多的顯示和操作元件。由此導致許多識讀和操作錯誤。虛擬儀器與之不同，它可以通過在幾個分面板上的操作來實現(xiàn)比較復雜的功能。這樣，在每個分面板上就可以實現(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，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準元件和加工工藝的限制，由編程來實現(xiàn)，設計者可以根據(jù)用戶的要求和 操作需要來設計儀器面板。 2） 在通用硬件平臺確定后，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） 儀器性能的改進和功能擴展只需更新相關軟件設計，不需購買新儀器。 5） 虛擬儀器開放、靈活，與計算機同步發(fā)展，與網絡及其他周邊設備互聯(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 CPU 的強大的數(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，實現(xiàn)自動化、智 能化、多任務測量。 7） 可方便地存貯和交換測試數(shù)據(jù)，測試結果的表達方式更加豐富多樣。 8） 虛擬儀器在高性價比的條件下，降低系統(tǒng)開發(fā)和維護費用，縮短技術更新周期。 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)維護費用低 開發(fā)維護費用高 技術更新周期短（ ～ 1 年） 技術更新周期短（ 5～ 10 年） 軟件是關鍵 硬件是關鍵 價格低 價格昂貴 開放、靈活與計算機同步，可重復用和重配 固定 XX 大學 2021 屆本科畢業(yè)論文 10 置 可用網絡聯(lián)絡周邊各儀器 只可連有限的設備 自動化、智能化、多功能、遠距離傳輸 功能單一，操作不便 近年來，隨著網絡技術的發(fā)展，己經形成了網絡虛擬儀器。這是一種新型的基于 Web 技術的虛擬儀器，使得虛擬儀器測試系統(tǒng)成為 Inter/Intra 的一部分，實現(xiàn)現(xiàn)場監(jiān)控和管理。在當前流行的 C/S/D 網絡模式下，利用嵌入式技術（包括數(shù)據(jù)庫嵌入和網絡模塊的嵌入）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 虛擬儀器是基于計算機的儀器。計算機和儀器的密切結合是目前儀器發(fā)展的一個重要方向。這種結合基本有兩種方式，一種是將計算機裝入儀器，其典型的例子就是所謂智能化的儀器。隨著計算機功能的日益 強大以及其體積的日趨縮小，這類儀器功能也越來越強大，目前已經出現(xiàn)含嵌入式系統(tǒng)的儀器。另一種方式是將儀器裝入計算機。以通用的計算機硬件及操作系統(tǒng)為依托，實現(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、結果顯示三部分組成。如圖 所示 。 圖 虛擬儀器的內部功能的劃分 對于傳統(tǒng)儀器 ， 這三個部分幾乎均由硬件完成 ； 對于虛擬儀器 ， 前一部分由硬件構成 ， 后兩部分主要由軟件實現(xiàn)。與傳統(tǒng)儀器相比，虛擬儀器設計日趨模塊化 、 標準化 ， 設計工作量大大減小 。 數(shù)據(jù)分析和處理 數(shù)字信號處理 數(shù)據(jù)濾波 數(shù)據(jù)分析 統(tǒng)計分析 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 結果顯示 網絡通信 硬盤拷貝輸 出 文件 I/O 圖形用戶接口 XX 大學 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、信號調理及信號采集部件 （ 如外置或內置數(shù)據(jù)采集卡、圖形圖像采集卡及攝像機及其用于輔助測量并能與計算機通訊的常規(guī)儀器等 ）、 通用計算機 、 打印機等構成 。 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實現(xiàn)網絡擴展。 虛擬儀器 I/O 接口設備 I/O 接口設備主要用來 完成被測輸入信號的采集、放大、模數(shù)轉換?？筛鶕?jù)實際情況采用不同的 I/O 接口硬件設備，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 。 虛擬儀器的構成主要有五種類型 [9]，如圖 所示。 圖 虛擬儀器構成方式 1） DAQ(Data Acquisition)數(shù)據(jù)采集卡 是指 基于計算機標準總線 (如 ISA、PCI、 USB 等 )的內置 功 能插卡。其中 USB 是最新技術的數(shù)據(jù)采集卡，具有精度高，可攜性好等優(yōu)點，它更加充分地利用計算機的資源，大大增加了測試系統(tǒng)的靈活性和擴展性 ； 利用 DAQ 卡可方便快速地構建虛擬儀器系統(tǒng)。在性能上，隨著 A/D 轉換技術，濾波技術和信號調理技術的發(fā)展 ， DAQ 卡的采樣速率已達1GB/s，精度高達 24 位，通道數(shù)高達 64 個，并具有數(shù)字 I/O， 模擬 I/O和計數(shù)器PCDAQ GPIB儀器 串口儀器 VXI 模塊 PXI 模塊 被測信號 計算機 XX 大學 2021 屆本科畢業(yè)論文 12 /定時器等通道。各儀器廠家生產了大量的 DAQ 卡功能模塊供用戶選擇 ， 如示波器、串行數(shù)據(jù)分析儀、動態(tài)信號分析儀 、 任意波形發(fā)生器等 。 在計算機上掛接多個 DAQ 功能 模塊，配合相應的軟件，就可以構成一臺具有多功能的測試儀器。這種基于計算機的儀器，既具有高檔儀器的測量品質 ， 又能滿足測量需求的多樣性 。 對我國大多數(shù)用戶來說，它具有很高的性能價格比，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，是計算機和儀器的標準通信協(xié)議。 GPIB 的硬件規(guī)格和軟件協(xié)議以納入國際工業(yè)標準 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)包括一臺計算機，一塊基于 GPIB 總線的接口卡和多臺 GPBI 儀器軟件及相應的傳感模塊硬件。每臺 GPIB 儀器有單獨的地址，由計算機控制操作。系統(tǒng)中的儀器可以增加 、 減少或更換，只需對計算機的控制軟件作相應的改動?；?GPIB 總線結構的接口卡數(shù)據(jù)傳輸速率一般低于500kb/s，不適合與對系統(tǒng)速度要求較高的應用。 3） VXI(VME bus eXtension for Instrumentation )是 VME 總線在儀器領域的擴展 ，上個世紀 1993 年 VXI 總線 版本被批準為 IEEE1155 標準，成為 開放式工業(yè)標準。儀器專用總線在吸收 IEEE488 的成功經驗基礎上 ， 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 ， 定時關系嚴格 ， 兼有計算機總線和儀器總線的優(yōu)點。 4） PXI(PCI eXtension For Instrumentation)是 Compact PCI總線在儀器領域的擴展 ， 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 結構和 Microsoft Windows 軟件。 PXI 是在 PCI 內核技術上增加了成熟的技術規(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XX 大學 2021 屆本科畢業(yè)論文 13 求。這樣可保證多廠商產品的互操作性和系統(tǒng)的易集成性。 5） 串口系統(tǒng)是以 Serial 標準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 標準 總線接口的儀器作為 I/O 接口設備，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)。 虛擬儀器的軟件結構 虛擬儀器技術的核心是軟件，其軟件基本結構如圖 所示。用戶可以采用各種編程軟件來開發(fā)自己所需要的應用軟件。以美國 NI 公司的軟件產品LabVIEW 和 LabWindows/CVI 為代表的虛擬儀器專用開發(fā)平臺是當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動程序模塊，簡化了虛擬儀器的設計 工作 。隨著軟件技術的迅 速發(fā)展，軟件開發(fā)的模塊化、復用化，和各種硬件儀器驅動軟件的模塊化、標準化，虛擬儀器軟件開發(fā)將變得更加快速、方便。 硬 件 驅 動 程 序數(shù) 據(jù) 處 理用 戶 界 面 圖 虛擬儀器軟件結構 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 ： 標準 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)，是有相當難度的。除了要花大量時間進行測試系統(tǒng)面板設計外，還要編制大