【正文】 相信在不久的將來，一臺(tái)裝有虛擬儀器的標(biāo)準(zhǔn)微機(jī)可能成為一個(gè)多功能儀器測(cè)量系統(tǒng)，從根本上改變傳統(tǒng)儀器的研制和生產(chǎn)模式。 (2) 進(jìn)行更加廣泛的實(shí)驗(yàn)，對(duì)實(shí)驗(yàn)中產(chǎn)生的誤差進(jìn)行定量和定性分析，找出原因，給出改進(jìn)方案。 利用 LABVIEW 語言研究和開發(fā)了虛擬實(shí)驗(yàn)儀器虛擬示波器和虛擬信號(hào)發(fā)生器，除了實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)儀器功能外，在某些功能上進(jìn)行了創(chuàng)新提高，并就如何準(zhǔn) 確地恢復(fù)輸入信號(hào)對(duì)信號(hào)處理技術(shù)、存儲(chǔ)寬帶改善技術(shù) 和顯示技術(shù)進(jìn)行了研究。由此可以看出，由計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)采集卡及相應(yīng)軟件構(gòu)成的虛擬實(shí)驗(yàn)儀器是切實(shí)可行的，而且可以最大限度的利用 計(jì)算機(jī)資源，降低了成本，提高了效率。 波形顯示 圖 51 波形顯示結(jié)果 頻譜分析 圖 52 頻譜分析結(jié)果 25 參數(shù)測(cè)量 圖 53 均方根分析結(jié)果 圖 54 相位分 析結(jié)果 圖 55 總體結(jié)果分析 26 第 6章 結(jié)論和展望 本文主要以 labVIEW 軟件平臺(tái)作為軟件開發(fā)環(huán)境，對(duì)虛擬實(shí)驗(yàn)儀器進(jìn)行了探索性的開發(fā)和研究。用到的節(jié)點(diǎn)有：幅值和電平測(cè)量，信號(hào)的時(shí)間與瞬態(tài)特性測(cè)量參數(shù)測(cè)量模塊程序前面板 23 圖 410 參數(shù)測(cè)量模塊程序前面板 圖 411 參數(shù)測(cè)量模塊程 序框圖 24 第 5章 虛擬示波器的調(diào)試 本虛擬示波器的設(shè)計(jì)一是參閱通用的雙通道臺(tái)式數(shù)字存儲(chǔ)示波器的功能，并月在儀器分析上有所擴(kuò)展。 (4)Labview 中的頻域分析 LabVIEw 高級(jí)分析庫(kù)中的頻域分析模板提供了豐富的信號(hào)頻域分析函數(shù)，包括傅里葉變換、 Hilbert 變換、小波變換、 Hartley 變換、功率譜分析、聯(lián)合時(shí)頻分析、諧波分析、系統(tǒng)辨識(shí)等。但是當(dāng)采樣頻率。這個(gè)過程相當(dāng)于在連續(xù)時(shí)間信號(hào)上“抽取”許多離散時(shí)刻 iT(i=0， 1， 2，? )上的信號(hào)瞬時(shí)值。 (l) 信號(hào) XS(i)及其頻譜 XS(? ) 若連續(xù)時(shí)間信號(hào) x(t)被數(shù)據(jù)采集卡 (DAQ)中的采樣器以等時(shí)間間隔 T 采樣，則采樣時(shí)刻 0， T， ZT… .，所得信號(hào) x(t)的瞬時(shí)值，就構(gòu)成了連續(xù)信號(hào)的 x(t)的離散時(shí)間序列 xs(i)， (i==0， 1， 2，? )。 以上 為三角函數(shù)的形式，或者轉(zhuǎn)換成復(fù)指數(shù)形式： x(t)= ????tjmmeC ? （ 44） 使用計(jì)算機(jī)完成信號(hào)處理工作的需求導(dǎo)致了離散傅里葉變換的產(chǎn)生。還能夠根據(jù)用戶選用的分析功能的不同自動(dòng)顯示適當(dāng)?shù)臋M坐標(biāo)。 (2)單位選擇 :有多種單位如 vrms、 vpk、 vrlnS‘ 2 等供選擇。我們之所以將它稱作為“模塊”，主要是因?yàn)樗谡麄€(gè)程序中舉足輕重，如果沒有它，開發(fā)出來的程序不能稱為“虛擬儀器”，只是18 一個(gè)“信號(hào)處理內(nèi)存”。其中低通截止頻率的設(shè)置必須滿足采樣定理規(guī)則，截17 止頻率不能高于采樣頻率的一半。數(shù)字濾波器即是以數(shù)值計(jì)算的方法來實(shí)現(xiàn)對(duì)離散化信號(hào)的處理，以減少干擾信號(hào)在有用信號(hào)中所占的比例，從而改變信號(hào)的質(zhì)量，達(dá)到濾波或加工信號(hào)的目的。通過在這個(gè)枚舉的三個(gè)選擇項(xiàng)之間切換，可以分別實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)的功能。通過信號(hào)類型選擇器可以從信號(hào)發(fā)生器中選擇不同類型的波形，如正弦波形，方波波形，三角波波形，鋸齒波形等。由于虛擬面板直接面向用戶，是虛擬示波器控制軟件的核心。 (3) 參數(shù)測(cè)量 :完成電壓參數(shù)、頻率和周期等參數(shù)的測(cè)量功能。 (2) 波形顯示 :對(duì)采集到的波形進(jìn)行觸發(fā)控制和時(shí)基控制后再顯示波形，可以實(shí)現(xiàn)單信道顯示和雙信道顯示，以及對(duì)波形運(yùn)算后的輸出顯示，有 :A、 B、 A+B、A 一 B、 Aamp。其中，參數(shù)測(cè)量模塊包括電壓參數(shù)和頻率、周期等時(shí)間參數(shù)的測(cè)量并顯示測(cè)量結(jié)果。根據(jù)這一思路，本文設(shè)計(jì)的虛擬示波器主要功能是對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn) 行觸發(fā)、時(shí)基控制后，完成對(duì)輸入信號(hào)的電壓、頻率和周期等參數(shù)的測(cè)量，同時(shí)，利用 FFT 窗口對(duì)波形進(jìn)行頻譜分析，可以實(shí)現(xiàn)單、雙信道顯示波形，并可以對(duì)波形運(yùn)算后進(jìn)行輸出顯示。 13 圖 34 數(shù)據(jù)采集卡 圖 35 數(shù)據(jù)采集卡布局圖 14 第 4 章 虛擬示波器的軟件設(shè)計(jì) 虛擬示波器是隨著電子計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展而產(chǎn)生并逐步發(fā)展起來的一種 具有存儲(chǔ)功能的新型儀器，主要用于觀察、分析和測(cè)量非重復(fù)信號(hào)、重復(fù)信號(hào)、單次信號(hào)、沖激信號(hào)等。三個(gè)二進(jìn)制控制信號(hào)經(jīng)過三八譯碼器后，選擇 5158 個(gè)輸入通道中的一個(gè)通道與輸出端 D 接通。 傳感器 傳感器 傳感器 多路開關(guān) 放大器 采樣保持器 A/D 轉(zhuǎn) 換 器 計(jì)算機(jī) 12 圖 32 采樣 /保持器 多路轉(zhuǎn)換模擬開關(guān) 模擬開關(guān)是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中主要部件之一，它的作用是切換各路輸入信號(hào)。采樣 /保持電路有兩種工作方式，即采樣方式和保持方式。 。多路開關(guān)將各路信號(hào)輪流切換到輸入端，對(duì)各路信號(hào)分時(shí)采樣。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的原理框圖如 4 一 2 所示，它由多路開關(guān)、采樣 /保持器、放大器、 A/D 轉(zhuǎn)換器、計(jì)算機(jī)等組成。 m)是信息科學(xué)的重要分支，11 它不僅應(yīng)用在現(xiàn)代智能檢測(cè)系統(tǒng)中，而且在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)、國(guó)防軍事及科學(xué)研究等方面都得到廣泛應(yīng)用，無論是過程控制狀態(tài)檢測(cè)、還是故障診斷、質(zhì)量檢測(cè)，都離不開數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。 N 工一 DAQ 就是 N1 公司高性能數(shù)據(jù)采集及驅(qū)動(dòng)程序。 4 驅(qū)動(dòng)軟件 沒有軟件，甚至沒有好的軟件，數(shù)據(jù)采集硬件系統(tǒng)不可能發(fā)揮很大的作用。計(jì)時(shí)信號(hào)也就是信號(hào)源，它提供了繼續(xù)其操作的時(shí)間基準(zhǔn) 。停滯時(shí)間和轉(zhuǎn)換率決定了輸出信號(hào)幅值改變的快慢。范圍、增益、分辨率決定了可分辨的最小電壓變化，它表示 ILSB。例如，三位轉(zhuǎn)化器把模擬電壓分成 2’ (8 位 )段，每段用二進(jìn)制代碼在 000 到 In 之間表示，因而數(shù)字并不能真實(shí)反映原始信號(hào)，因?yàn)橐徊糠中畔⒈宦┑袅?。如果采樣點(diǎn)之間對(duì)時(shí)間要求嚴(yán)格，則必須同時(shí)采樣。顯然，如果信號(hào)變化比采樣板的數(shù)字化要快，或采樣太慢，就會(huì)產(chǎn)生波形失真，見圖 4 一 1(b)。 (4) 激勵(lì) 由于電工測(cè)量試驗(yàn)中經(jīng)常要要用到正弦波、方波等信號(hào)，且有時(shí)需要為一些傳感器提供激勵(lì)信號(hào)，故由虛擬信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生各種信號(hào)并由信號(hào)調(diào)理電路進(jìn)行功率放大后輸出。 (2) 隔離 隔離是指使用變壓器、光或電容禍合等方法阻礙被測(cè)系統(tǒng)和測(cè)試系統(tǒng)之間傳遞信號(hào)，避免發(fā)生直接連接，使用禍合主要有兩個(gè)方面原因 :一是從安全的角度把傳感器信號(hào)同計(jì)算機(jī)隔離，因?yàn)楸槐O(jiān)測(cè)系統(tǒng)可能產(chǎn)生瞬時(shí)高壓，另一個(gè)原因是隔離可以使從數(shù)據(jù)采集卡出來的數(shù)據(jù)不受地電位和輸入模式的影響，減少誤差。 2 信號(hào)調(diào)理 信號(hào)調(diào)理器是傳感器和數(shù)據(jù)采集卡之間的橋梁， 負(fù)責(zé)將傳感器的輸出信號(hào)和數(shù)據(jù)采集模塊可以接受的信號(hào)聯(lián)系起來，從傳感器輸出的信號(hào)必須經(jīng)過調(diào)理才能夠連入數(shù)據(jù)采集板，信號(hào)調(diào)理包括放大和衰減、隔離、濾波、傳感器激勵(lì)、線性化處理。下面逐一予以討論說明。相反，模擬信號(hào)包括了隨時(shí)間變化的連續(xù)信息。在實(shí)時(shí)系統(tǒng)中，需要高速的處理器，在對(duì)數(shù)據(jù)采集功能模塊進(jìn)行分析之前，我們先對(duì)信號(hào)進(jìn)行歸類。同時(shí)它能夠激發(fā)和線性化某些傳感器及其信號(hào)。 8 第 3章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 數(shù)據(jù)采集技 術(shù) 對(duì)計(jì)算機(jī)進(jìn)行總線擴(kuò)展以便將其用于實(shí)驗(yàn)室研究、工業(yè)控制、測(cè)試和測(cè)量、這些都要用到基于計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)采集技術(shù)。它包括結(jié)構(gòu)子模板、數(shù)值運(yùn)算子模板、布爾邏輯子模板、字符串運(yùn)算子模板、數(shù)組子模板、類子模板、比較子模板、時(shí)間和對(duì)話框子模板、文件輸入 /輸出子模板、儀器控制子模板、儀器驅(qū)動(dòng)程序庫(kù)、數(shù)據(jù)采集子模板、信號(hào)處理子模板、數(shù)學(xué)模型子模塊、圖形與聲音子模塊、通訊子模板、應(yīng)用程序控制子模塊、底層接口子模塊、文檔生成子模板、示教課程子模板 、用戶自定義的子 Vl 模板和選擇? VI 子程序等子模板。使用時(shí)只需根據(jù)預(yù)完成的功能與操作，從子模板上選擇相應(yīng)的“圖標(biāo)”放在流程圖編輯窗口中相應(yīng)的位置上即可。每個(gè)圖標(biāo)代表一個(gè)子模板 (如圖所示 )。它也顯示出對(duì)象的前景色和背景色。 探針工具 :可以在框圖程序內(nèi)的數(shù)據(jù)流線上設(shè)置探針。 連線工具 :用于在框圖程序上連接對(duì)象。 使用它向數(shù)字或字符串控制中鍵入值時(shí)，工具會(huì)變成標(biāo)簽工具的形狀。 5 圖 23 工具選版 工具模板 工具選板為編程者提供了各種用于創(chuàng)建、修改和調(diào)試 VI 程序的工具 (如圖所示 )。調(diào)試程序時(shí)可以利用單步執(zhí)行、設(shè)置斷點(diǎn)、設(shè)置探針來顯示數(shù)據(jù)流動(dòng)方向。在4 LabVIEW 中，用戶可以通過兩種方式來運(yùn)行程序 :運(yùn)行和連續(xù)運(yùn)行。這樣，其它的虛擬儀器才能將數(shù)據(jù)傳輸給子儀器。根據(jù)需要在功能模板中找到所需的節(jié)點(diǎn)，并將節(jié)點(diǎn)圖標(biāo)放置到框圖程序窗口。通過鼠標(biāo)和鍵 盤輸入數(shù)據(jù)、控制按鈕，也可在計(jì)算機(jī)顯示器上直接觀看結(jié)果。 LabVIEW 創(chuàng)建虛擬儀器過程 創(chuàng)建虛擬儀器的過程分為四步 : (1)創(chuàng)建前面板。通過鼠標(biāo)和鍵盤向程序輸入數(shù)據(jù)，操作結(jié)果由軟件在計(jì)算機(jī)屏幕上生成。硬件部分主要是普通 PC 機(jī)和數(shù)據(jù)采集卡；軟件部分則包括了前面板，采集卡驅(qū) 動(dòng)程序及相關(guān)的應(yīng)用軟件（主要有頻譜分析，數(shù)字濾波，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和讀取，波形顯示等） 本論文主要分為以下幾個(gè)部分： 第 1 章 緒論 第 2 章 軟件開發(fā)平臺(tái) Labview 的有關(guān)介紹 第 3 章 系統(tǒng)硬件部分 第 4 章 系統(tǒng)軟件部分 第 5 章 系統(tǒng)調(diào)試 第 6 章 結(jié)論和展望 3 第 2章 系統(tǒng)軟件的開發(fā)平臺(tái) Labview 簡(jiǎn)介 labview 的基本概述 Labview 是美國(guó)國(guó)家儀器公司開發(fā)的，基于 G 語言（ Graphics Language）的虛擬儀器開發(fā)工具。 本論文的主要工作 我國(guó) 在科學(xué)技術(shù)方面與世界頂級(jí)國(guó)家還有一定距離，我國(guó)的高檔儀器大部分還要依賴進(jìn)口，這種儀器往往價(jià)格昂貴，使用面窄，花很多的外匯只能起到有限的作用，因此，研究虛擬儀器對(duì)我國(guó)來說具有很重要的意義。相比而言， Labwindows 是為熟悉 C 語言的傳統(tǒng)2