【導(dǎo)讀】目前，在電子測量和自動化控制領(lǐng)域，虛擬儀器技術(shù)取得了巨大的發(fā)展。制、分析、處理、以及結(jié)果存儲和顯示，從而完成各種傳統(tǒng)儀器的功能。本設(shè)計采用模塊化的軟件設(shè)計思想編寫，每個功能的實現(xiàn)由一個模塊完成。硬件是PCI6221數(shù)據(jù)采集卡。經(jīng)過測試，本文設(shè)計的虛擬無紙記錄儀可以完成信號的采集、顯示、波形存儲讀取，以及信號的均值、均方根值、幅值等參數(shù)測量功能。充分體現(xiàn)了計算機(jī)的強(qiáng)大功能和。LabVIEW軟件設(shè)計的靈活性。

　　

【正文】 些傳感器提供所需的激勵信號，比如應(yīng)變傳感器、熱敏電阻等需要外界電源或電流激勵信號。很多信號調(diào) 理模塊都提供電流源和電壓源以便給傳感器提供激勵。 許多傳感器對被測量的響應(yīng)是非線性的，因而需要對其輸出信號進(jìn)行線性化，以補(bǔ)償傳感器帶來的誤差。但目前的趨勢是，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可以利用軟件來解決這一問題。 即使傳感器直接輸出數(shù)字信號，有時也有必要進(jìn)行調(diào)理。調(diào)理的作用是將傳感器輸出 的數(shù)字信號進(jìn)行必要的整形或電平調(diào)理。大多數(shù)數(shù)字信號調(diào)理模塊還提供 其他一些電路模塊，使得用戶可以通過數(shù)據(jù)采集卡的數(shù)字 I/O 直接控制電磁閥、電燈、電動機(jī)等外部設(shè)備。 采集信號的條件 模擬輸入特 性說明了 DAQ 產(chǎn)品的功能和精確度。在大多數(shù) DAQ 產(chǎn)品中，基本特性包括通道數(shù)、采樣率、分辨率和輸入信號范圍。模擬輸入的通道數(shù)目是由卡上兩種類型的輸入 — 單端輸入和差分輸入決定的。 單 端輸入都有一個共同的接地點。它主要用于測量大于 1 伏的輸入信號，從信號源到模擬輸入接線端子的連線很短，所有的輸入信號共用一個接地點。如果信號不滿足這些標(biāo)準(zhǔn)，就應(yīng)使用差分信號。每個差分輸入都有自己的接地參考點。因消除了連線引起的 共模 噪聲，隨之也減小了噪聲誤差。 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 說明書（畢業(yè) 論文 ） 用一個 ADC 測試幾個信號的技術(shù)就是模擬信號的多 路 轉(zhuǎn)換。 通 過多 路 轉(zhuǎn) 換器， ADC可對多個通道進(jìn)行采樣。將多 路 轉(zhuǎn)換器與某一通道接通， ADC 對此采樣然后多路轉(zhuǎn)換接通到下一個通道采樣， 以此 類推。同一個 ADC 對多個通道采樣，則每一個通道的采樣率是與采樣的通道數(shù)成反比的。 分辨率就是用來進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換的位數(shù)， A/D 的位數(shù)越多，分辨率就越高，可區(qū)分的最小電壓就越小。分辨率要足夠高，數(shù)字化信號才能有足夠的電壓分辨能力，才能比較好的恢復(fù)原始信號。目前分辨率為 8 位的采集 卡 屬于較低的， 12 為屬中檔， 16 位的卡就比較高了。他們可以分別將輸入電壓量化為 25 409 65536 份。 這個參數(shù)決定了采樣頻率。高的采樣率是在一定的時間內(nèi)獲取更多的點，因而能更好地表現(xiàn)原始信號，根據(jù)采樣定理，最低采樣頻率必須是信號頻率的兩倍。 動態(tài)范圍即為 ADC 進(jìn)行量化的最小和最大電壓之間的電平。多功能的 DAQ 卡提供所選的范圍，使得卡能處理各種不同的電壓電平。具有這樣的靈活性，就能將信號范圍與 ADC 的范圍進(jìn)行匹配，有效地利用分辨率，得到精確測量的信號。 DAQ 卡上的范圍、分辨率和增益決定最小可測的電壓改變。這個電壓改變表示 成 數(shù)字值的 1LSB，常被 稱為代碼寬度。理想的代碼寬度是電壓范圍除以 增益乘以 2 的位分辨率次方。 信號的采集方法 實時采樣是一次采集過程中把一個信號的全部采樣點都采集完成。被采樣的信號可以是瞬態(tài)的或周期信號。實時采樣是 虛擬無紙記錄儀 最常用的采樣方式，以這種方式采樣既能捕捉重復(fù)的信號，又能捕捉單次瞬態(tài)信號。在實時采樣時，模數(shù)轉(zhuǎn)換器只一次就內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 說明書（畢業(yè) 論文 ） 能完成對整個輸入波形的采樣，它的這種特性使其特別適合單次信號的捕捉，但其頻帶寬度采樣受采樣率的限制。在實時采樣中，采樣脈沖頻率高于信號頻率，在信號的一個周期內(nèi)取出信號多點瞬間值，其包絡(luò)反映原信號的波形。根據(jù)采樣定理 (奈奎斯特定理 )，被測信號的帶寬 B 必須滿足≤（ 1/2） fs， 表明對于有限帶寬的信號，如果其最小頻率小于（ 1/2） fs，采樣信號中保留了原信號的信息。如果超出這一范圍，則會發(fā)生信號頻譜的交疊，其結(jié)果是無法恢復(fù)原信號。 由于實時采樣在被測信號頻率較高時，要求采樣信號的頻率也很高，這對相應(yīng)的電路、 A/D 變換器和存儲器等的要求也很高。由此出現(xiàn)了非實時采樣（又稱等效采樣）技術(shù)。 非實時采樣一次，取樣信號每次延遲 △ t ，完成一個采樣周期后，離散信號的包絡(luò)也可以反應(yīng)原信號的波形情況，這是這個信號的包絡(luò)周期比原信號長很多。這 種固定延遲時間的有順序的采樣與實時采樣的主要區(qū)別在于，非實時采樣不是在一個信號波形內(nèi)完成全部采樣過程，其采樣信號分別取自若干個信號波形的不同位置。 采用非實時采樣所得到的脈沖信號序列，其包絡(luò)波形可以重現(xiàn)信號波形，只是取得一周期采樣點的時間延長了。這樣就可以使用現(xiàn)有的采樣、 A/D 轉(zhuǎn)換和存儲器技術(shù)來實現(xiàn)對更高頻率信號的測量。也就是說，使用非實時采樣技術(shù)可以擴(kuò)展被測信號的帶寬。 在實際測試中，使用哪種采樣方法取決于信號的類型。對于周期性信號，實時和非實時采樣方法都可以使用，主要由被測信號的頻率來決定。而對于非周期 性信號和瞬態(tài)信號，通常要使用實時采樣的方法 ， 本設(shè)計采用實時采樣 。 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 說明書（畢業(yè) 論文 ） 第四章 虛擬無紙記錄儀 軟件設(shè)計 創(chuàng)建虛擬儀器的過程共分三步：（ 1）設(shè)計虛擬儀器的前面板。虛擬儀器的交互式用戶接口被 稱 為前面板，它是模仿實際儀器的面板。前面板包含旋鈕、按鈕，圖形和其他控制與顯示對象，通過鼠標(biāo)和鍵盤為控制對象輸入數(shù)據(jù)，在計算機(jī)屏幕上觀看結(jié)果。（ 2）編寫虛擬儀器流程圖。流程圖是一個編程問題的圖形化解決方案（也是虛擬儀器的源代碼）。虛擬儀器從流程圖中接受命令。（ 3）確定虛擬儀器的圖標(biāo)和連接（表示某一虛擬子儀器）的參數(shù)列表，圖標(biāo)和連接允許將 此 儀器作為最高的程序，也可以作為其他程序或子程序中的程序（子儀器）。 采用模塊化的軟件設(shè)計思想編寫，每個功能的實現(xiàn)由一個模塊完成，系統(tǒng)軟件總體包括數(shù)據(jù)采集、參數(shù)測量、數(shù)據(jù)存儲和回放等模塊，最終實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、處理、記錄、顯示等功能。 虛擬無紙記錄儀 系統(tǒng)組成如圖 所示： 被 測 信 號 數(shù) 據(jù) 采 集 卡 計 算 機(jī) 軟 面 板 數(shù) 據(jù) 分 析 處 理 波 形 顯 示圖 系統(tǒng)組成框圖 主程序設(shè)計 LabVIEW 前面板用于設(shè)置輸入數(shù)值和觀察輸出量，用于模擬真實 記錄儀 的前面板。由于虛擬面板直接面向用戶，是 虛擬無紙記錄儀 控制軟件的核心。設(shè)計前面板時， 主要考慮界面美觀，操作簡潔，用戶可以通過前面板中的開關(guān)和旋鈕模擬傳統(tǒng)儀器的操作，通過鍵盤和鼠標(biāo)實現(xiàn)對 虛擬無紙記錄儀 的控制。前面板上設(shè)有各個功能按鈕，當(dāng)按下相應(yīng)按鈕時，即可調(diào)用該子程序。 本人由于虛擬儀器處在初學(xué)階段，所 設(shè)計的虛擬無紙 記錄儀 功能也比較簡單，僅能實現(xiàn)對一般電壓信號 的 采集、讀取、 電平測量、 和保存 等功能 。 其 主 程序流程圖如圖 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 說明書（畢業(yè) 論文 ） 所示： 運 行 記 錄 儀采 集顯 示是 否 保 存 波 形 ?保 存返 回是 否 讀 取 波 形 ?讀 取波 形 顯 示是否是否信 號 測 量 圖 虛擬無紙記錄儀 程序流程圖 設(shè)計的前面 板如圖附錄 A， 對應(yīng) 的程序框圖 如圖附錄 B。 虛擬無紙記錄儀 的 前面板包括波形顯示控件、通道選擇（可根據(jù)具體情況設(shè)定）、樣本采樣數(shù)、樣本采樣率、波形的存儲和讀取、測量顯示、工作指示燈、采集和停止按鈕等。該程序能實現(xiàn)對電壓波形的采集、 測量、 存儲 讀取 等功能。 其工作過程：首先對 記錄儀 的通道進(jìn)行設(shè)置，設(shè)置好后使 記錄儀 軟件處于運行狀態(tài)，然后按下采集按鈕波形就會被采 入，采入 的波形將會在波形顯示控件上顯示出來，如果想要保存此時的波形文件，按下保存按鈕波形即被保存，如果想要再次看到 以前 保存的波形，按下讀取按鈕，在彈出的對話框中選擇 以前已 保存的 波形 文件，波形就會在回放內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 說明書（畢業(yè) 論文 ） 波形顯示控件上顯示 。 數(shù)據(jù)采集 模塊 數(shù)據(jù)采集模塊是 虛擬無紙記錄儀 的核心，主要完成數(shù)據(jù)的采集 功能 。包括通道 選擇、樣本采樣數(shù) 設(shè)置和樣本 采樣率 設(shè)置 等。 其程序流程圖如圖 所示： 開 始返 回N I D A Q m x 創(chuàng) 建 通 道 程 序N I D A Q m x 定 時 程 序N I D A Q m x 啟 動 任 務(wù) 程 序N I D A Q m x 讀 取 程 序波 形 顯 示N I D A Q m x 清 除 任 務(wù) 程 序 圖 數(shù)據(jù)采集模塊程序流程圖 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 說明書（畢業(yè) 論文 ） 數(shù)據(jù)采集模塊 程序框圖如圖 所示： 圖 數(shù)據(jù)采集模塊程序框圖 數(shù)據(jù) 采集 模塊 中主要用到的函數(shù)模塊有 NIDAQmx創(chuàng)建虛擬通道函數(shù) 、 NIDAQmx定時函數(shù) 、 NIDAQmx啟動任務(wù)函數(shù) 、 NIDAQmx 讀取函數(shù) 、 NIDAQmx清除任務(wù)函數(shù) 。下面逐一介紹它們的功用： 圖 NIDAQmx創(chuàng)建虛擬通道函數(shù) NIDAQmx 創(chuàng)建虛擬通道函數(shù) 如 圖 所示，其作用是創(chuàng)建了一個虛擬通道并且將它添加成一個任務(wù)。它也可以用來創(chuàng)建多個虛擬通道并將他們都添加至一個任務(wù)。如果沒有指定一個任務(wù)，那么這個函數(shù)將創(chuàng)建一個任務(wù)。 NIDAQmx 定時函數(shù)如圖 所示，其作用是配置定時以用于硬件定時的數(shù)據(jù)采集操作。這包括指定操作是否連續(xù)或有限、為有限的操作選擇用于采集或生成的采樣數(shù)量，內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 說明書（畢業(yè) 論文 ） 以及 在需要時創(chuàng)建一個緩沖區(qū)。 圖 NIDAQmx定時函數(shù) 圖 NIDAQmx啟動任務(wù)函數(shù) NIDAQmx 啟動任務(wù)函數(shù)如 圖 所示，其作用是顯示地將一個任務(wù)轉(zhuǎn)換至運行狀態(tài)。在運行狀態(tài)，這個任務(wù)完成特定的采集或生成。如果沒有使用 NIDAQmx啟動任務(wù)函數(shù)，那么在 NIDAQmx讀取函數(shù)執(zhí)行時，一個任務(wù)可以隱式地轉(zhuǎn)換至運行狀態(tài)，或者自動開始。這個隱式的轉(zhuǎn)換也發(fā)生在如果 NIDAQmx 啟動任務(wù)函數(shù)未被使用而且NIDAQmx寫入函數(shù)與它相應(yīng)指定的自動輸 入一起執(zhí)行。 圖 NIDAQmx讀取函數(shù) NIDAQmx 讀取函數(shù)如圖 所示，其作用是需要從特定的采集任務(wù)中讀取采樣。這個函數(shù)的不同實例允許選擇采集的類型（模擬、數(shù)字或計數(shù)器）、虛擬通道數(shù)、采樣數(shù)和數(shù)據(jù)類型。 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 說明書（畢業(yè) 論文 ） 圖 NIDAQmx清除任務(wù)函數(shù) NIDAQmx 清除任務(wù)函數(shù)如右圖 所示，其作用是可以清除特定的任務(wù)。如果任務(wù)現(xiàn)在正在運行，那么這個函數(shù)首先終止任務(wù)然后釋放它所有的資源。一但一個任務(wù)被清除，除非重新創(chuàng)建 它。因此，如果一個任務(wù)還會使用，那么 NIDAQmx任務(wù)函數(shù)就必須用來終止任務(wù)，而不是清除它。對于連續(xù)的操作， NIDAQmx 清除任務(wù)函數(shù)必須用來結(jié)束真實的采集或生成。 Error Handle 函數(shù) 圖 Simple Error Handle 函數(shù) Simple Error Handle 如圖 ， 這是一個簡單的錯誤處理函數(shù)，通過它可以設(shè)定是否彈出錯誤對話框，若彈出對話框可以設(shè)定錯誤對話框的顯示格式，并將錯誤簇的各個元素及錯誤對話框顯示信息 作為輸出。 信號測量 模塊 在 LabVIEW 的函數(shù)庫中，有相當(dāng)一部分函數(shù)用于測量數(shù)據(jù)，通過這些測量函數(shù)可以根據(jù)用戶的需要進(jìn)行數(shù)據(jù)測量 。 這樣 就 很容易擴(kuò)展儀器的測量部分的功用，充分體現(xiàn)了虛擬儀器在測量應(yīng)用中的優(yōu)越性。 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 說明書（畢業(yè) 論文 ） 本文設(shè)計的記錄儀可以對信號數(shù)據(jù)進(jìn)行簡單測量，采用幅值和電平 測量 函數(shù)可以 測量 一段時間內(nèi)電壓信號的直流均值、均方根值、最大峰值和最小峰值。通過這些參數(shù)可以直接看出輸入電壓的某些屬性 ， 這樣更有利于我們對與測量信號的認(rèn)識 ， 信號測量模塊的 程序框圖如圖 所示： 圖 信號 測量模塊程序框圖 信號 測量模塊主要用到的函數(shù)是幅值 和 電平測量函數(shù) ， 其圖標(biāo)如圖 所示， 圖 幅值和電平測量函數(shù) 信號一行用于輸入所側(cè)的電壓信號，均值（直流）一行用于輸出 一段時間內(nèi)電壓的均值。均方根一行用于輸出一段時間內(nèi) 電壓的均方根值 ，這樣可以看書電壓的穩(wěn)定程度 。反峰值一行用于輸出一段時間內(nèi)的最小峰值。正峰值一行用于輸出一段時間內(nèi)最大峰值。內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 說明書（畢業(yè) 論文 ） 通過對幅值和電平測量函數(shù)的屬性設(shè)置還可以增添一些測量功能，比如測量周期均值、周期均方根值等等，這些功能可以根據(jù)用戶的需要進(jìn)行設(shè)置。 波形 的存儲和讀取 模塊 波形的存儲和讀取模塊能夠?qū)崿F(xiàn) 虛擬無紙記錄儀 對所測波 形的保存和再讀取 功能，進(jìn)一步擴(kuò)展了 記錄儀 的功能這在 以前 的物理 儀 器 中是很難辦到的，這充分體現(xiàn)了 虛擬無紙記錄儀 的優(yōu)勢。波形存儲和讀取程序流程圖如圖 、 所示 : 開 始寫 盤寫 波 形 文 件 程 序結(jié) 束 圖 波形存儲程序流程圖 開 始讀 盤讀 波 形 文 件 程 序結(jié) 束波 形 顯 示 圖 讀取已存波形程序流程圖 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 說明書（畢業(yè) 論文 ） 波形存儲和讀取模塊程序框圖如圖 所示： 圖 波形存儲和讀取模塊程序框圖 LabVIWE 有豐富的文件操作函數(shù)庫，可以方便進(jìn)行文件的讀寫（ I/O）操作。 這里選用是波形文件的讀寫函數(shù)。波形文件實際上是一種特殊的數(shù)據(jù)記錄類型文件，在每個記錄中可以包含一個或多個波形的數(shù)據(jù)。一個波形數(shù)據(jù)包括采樣開始時間 t0