【正文】 57(b)所示 圖 57(b) 濾波模塊的 程序 面板 28 時(shí)域分析與參數(shù)測(cè)量模塊 信號(hào)的時(shí)域分析是指在時(shí)間域下對(duì)信號(hào)進(jìn)行波形變換、縮放、數(shù)值微分、積分等各類(lèi)分析運(yùn)算，通過(guò)對(duì)信號(hào)按不同時(shí)間段進(jìn)行分析，得出各個(gè)階段的最佳運(yùn)行狀態(tài)。數(shù)字濾波器即 27 是以數(shù)值計(jì)算的方法來(lái)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 。 在本 設(shè)計(jì)中采用 FIR 加窗 濾波器 ， 該 節(jié)點(diǎn)可設(shè)置參數(shù)是采樣頻率低通截止頻率、高通截止頻率、濾波器階數(shù)以及 4 種濾波器類(lèi)型 (低通、高通、帶通和帶阻 )的選擇 [12]。 IIR 數(shù)字濾波器 IIR 數(shù)字濾波器采用 遞歸型結(jié)構(gòu)，即結(jié)構(gòu)上帶有反饋回路；但是 相位特性不好控制，對(duì)相位要求較高時(shí)，需加相位校準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)。 本設(shè)計(jì) 通過(guò)滑動(dòng)桿控件控制通道的選擇，條件端口為 “ 0，默認(rèn)”、“ 1”、“ 2” ，滑動(dòng)桿滑到靠左時(shí)，打開(kāi)通道 1， 靠左時(shí) 通道 1 和通道 2 同時(shí)打開(kāi)，居中時(shí)打開(kāi)通道 2，如圖 56(b)、 56(c)、 56(d)所示 圖 56(b)示波器的通道 1 打開(kāi) 圖 56(c)示波器的通道 2 打開(kāi) 26 圖 56(d)示波器的通道 1 和通道 2 同時(shí)打開(kāi) 濾波模塊 一般在工程測(cè)量中采集的信號(hào)或多或少都有噪聲或者其他不需要的信號(hào)參雜在其中，需要經(jīng)過(guò)信號(hào)濾波才能夠 在被噪聲淹沒(méi)的信號(hào)中提取 真正 所需要的信號(hào)，抑制不需要的干擾信號(hào)。重復(fù)端口初始值為0，每循環(huán)一次的遞增步長(zhǎng)為 1。 (1)虛擬示波器的主界面前面板如圖 56(a)所示 圖 56(a)虛擬示波器的主界面前面板 (2)示波器的主界面程序面板 ， 主要有 While 循環(huán)結(jié)構(gòu)和條件結(jié)構(gòu)組成的，通過(guò)前面板操作控制就可以實(shí)現(xiàn)控制目的。 滑動(dòng)桿控件用來(lái)控制通道 1 或者通道 2 的選擇， 通道 1 和通道 2 枚舉輸入控件中包含正弦波、三角波、矩形波、鋸齒波可供選擇，可以單通道選擇不同輸入信號(hào)，也可以同時(shí)打開(kāi)兩個(gè)通道，同時(shí)顯示兩個(gè) 通道的波形，通過(guò)參數(shù)旋鈕可以控制改變波形的幅值、頻率、相角；數(shù)值顯示控件 顯示波形的頻率、幅值、相角 等。設(shè)計(jì)前面板時(shí)，主要考慮界面 布局合理美觀(guān)，操作方便，用戶(hù)能夠簡(jiǎn)潔的 通過(guò)前面板中的 旋鈕 和 開(kāi)關(guān) 來(lái) 模擬傳統(tǒng) 示波器的操作，通過(guò) 鼠標(biāo) 和 鍵盤(pán) 來(lái) 控制 虛擬示波器 。虛擬示波器 的登錄界面的程序面板如圖 55(a)、 55(b)、55(c)所示， 圖 55(a) 23 圖 55(b) 圖 55(c) 虛擬示波器主界面 Labview 前面板用于設(shè)置輸入數(shù)值和觀(guān)察 波形的顯示以及參數(shù)輸出 ，用于模擬真實(shí)示波器的前面板。 (2)框 .圖程 .序可以分 .為兩 .部分，結(jié) .構(gòu)主 .要為 .條件 .結(jié)構(gòu)即條件，當(dāng)輸入條件為布爾值時(shí)，有“真”，或者“假”兩種情況；當(dāng)輸入條件為多個(gè)變化的值時(shí)類(lèi)似于 case 結(jié)構(gòu)。當(dāng)輸入的姓名和密碼均正確時(shí)，登錄狀態(tài)顯示控件顯示為“恭喜你！登錄 成功”，并且自動(dòng)跳入主界面；如果輸入密碼錯(cuò)誤，登錄狀態(tài)顯示控件則顯示為“密碼錯(cuò)誤，請(qǐng)重新輸入”；如果輸入用戶(hù)姓名有誤，登錄狀態(tài)顯示控件則顯示為“用戶(hù)名輸入有誤，請(qǐng)重新輸入”。 過(guò)高的采樣 頻率和過(guò)低的采樣頻率下所得的采樣 結(jié)果 如圖 53 所示 ， 足夠采樣頻率下的采樣結(jié)果過(guò)低采樣頻率下的采樣結(jié)果模擬信號(hào)的采樣點(diǎn) 圖 53 過(guò)高的采樣頻率和過(guò)低的采樣頻率的結(jié)果 用戶(hù)登陸界面 虛擬儀器是一個(gè)面向用戶(hù)的、圖形化、易操作的儀器技術(shù)，設(shè)計(jì)者可以靈活的設(shè)置儀器系統(tǒng)的界面，以供用戶(hù)使用，為了使得用戶(hù)使用時(shí)能夠安全的保存自己的數(shù)據(jù)，用戶(hù)登錄界面自然必不可少的。 采樣原理 數(shù)據(jù)采集最主要的功能之一是將外部模擬信號(hào) 轉(zhuǎn)化為離散信號(hào)傳遞到計(jì)算機(jī)中 ，這一過(guò)程被稱(chēng)為采樣。 ADC 的位數(shù)越多，分辨率就越高，可區(qū)分的電壓就越小。單端輸入通道 有 公共信號(hào)地，常用于輸入信號(hào)幅度較大的場(chǎng)合 ，而 差分輸入通道，各路輸入信號(hào) 都 有自己的參考地電位，有利于消除共模噪聲干擾的影響。 (3)數(shù)據(jù)采集硬件 數(shù)據(jù)采 集硬件部分 的功能包括模擬量輸入、模擬量輸出、數(shù)字量輸出、定時(shí) I/O 和觸發(fā)等。 通過(guò) 濾 被測(cè)對(duì)象 傳感器 信號(hào)調(diào)理 數(shù)據(jù)采集硬件 接 口 計(jì)算機(jī) 分析軟件 信號(hào)調(diào)理 數(shù)模轉(zhuǎn)換 20 波可以去掉被測(cè)信號(hào)中的 噪聲 信號(hào)。信號(hào)調(diào)理中主要就是放大器 ，它可以 將弱小的電信號(hào)放大后提高分辨率和減小噪聲。 (2)信號(hào)調(diào)理 信號(hào)調(diào)理是將外部開(kāi)關(guān)變量信號(hào)輸入到計(jì)算機(jī)時(shí)經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換、放大、濾波、保護(hù)、隔離等措施轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)能夠接收的邏輯電平 [10]。常見(jiàn)的傳感器有應(yīng)變式傳感器、電感式傳感器、電容式傳感器、壓電式傳感器、磁電式傳感器以及光電式傳感器等等。 虛擬示波器的總體流程圖如圖 51 所示 18 圖 51 虛擬示波器總體流程圖 數(shù)據(jù)采集模塊 對(duì)于示波器而言數(shù)據(jù)采集無(wú)疑是重要部分，然而由于相應(yīng)的硬件設(shè)備無(wú)法完成數(shù)據(jù)采集模塊的具體設(shè)計(jì)，本文就數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)及采樣原理介紹如下： 前面板參數(shù)賦值 開(kāi) 始 數(shù)據(jù)采集開(kāi)始 數(shù)據(jù)讀取 采集停止 波形存儲(chǔ)與回放 結(jié) 束 波形顯示 濾波處理 頻譜分析 時(shí)域分析 Y N 19 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的構(gòu)成 基于計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由傳感器、信號(hào)調(diào) 理、數(shù)據(jù)采集 (DAQ)硬件、個(gè)人計(jì)算機(jī)、軟件等基本要素構(gòu)成。 運(yùn)用虛擬信號(hào)發(fā)生器產(chǎn) 生不同頻率、 幅值 和相角的典型波形：正弦波、三角波、鋸齒波、矩形波等 。 傳統(tǒng)示波器與虛擬示波器對(duì)比 虛擬示波器在使用和功能上具有許多優(yōu)點(diǎn)與傳統(tǒng)示波器比較， 如表格 42 所示： 虛擬示波器 傳統(tǒng)示波器 波形便于存儲(chǔ)及打印 波形只能用戶(hù)自己記 錄 17 測(cè)量精度高，適用性強(qiáng) 測(cè)量精度不高，適用性弱 波形均勻穩(wěn)定，無(wú)閃爍， 波形穩(wěn)定度不高，存在閃爍， 多窗口多波形顯示 波形顯示個(gè)數(shù)有硬件設(shè)備決定 成本低、體積小、便于攜帶 成本高、體積大、不便攜帶 表格 2 傳統(tǒng)示波器與虛擬示波器有缺對(duì)比 本文關(guān)于虛擬示波器的設(shè)計(jì)參閱 雙 蹤臺(tái)式數(shù)字示波器的功能 。 (3)帶寬 (Bandwidth) 是指在固定的的時(shí)間可傳輸?shù)馁Y料數(shù)量，亦即在傳輸管道中可以傳遞數(shù)據(jù)的能力。 在測(cè)量中，任何一種測(cè)量的精密程度高低都只能是相對(duì)的，皆不可能達(dá)到絕對(duì)精 確，總會(huì)存在有各種原因?qū)е碌?誤差， 為使測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確可靠．盡量減少 誤差， 提高測(cè)量精度 。 通常情況下，圖像的分辨率越高，所包含的像素就越多，圖像就越清晰，印刷的質(zhì)量也就越好 ， 所以分辨率 決定了顯示圖像的細(xì)節(jié)的精細(xì)程度，是示波器重要的性能指標(biāo)之一 。 (1)分辨率（ resolution） 就是屏幕顯示圖像的精度，即顯示器顯示圖像的像素的多少。本文中研究的虛擬示波器即是基于這種體系結(jié)構(gòu) [8]。目前，虛擬儀器的四種體系結(jié)構(gòu)中，在虛擬示波器中應(yīng)用最多的是 PCDAQ 體系。 虛擬示波器 虛擬示波器使用功能強(qiáng)大的微型計(jì) 算機(jī)來(lái)完成信號(hào)的處理和波 15 形的顯示，利用軟件技術(shù)在屏幕上設(shè)計(jì)出方便、逼真的儀器面板，進(jìn)行各種信號(hào)的處理、加工和分析，用各種不同的方式 (如數(shù)據(jù)、圖形、圖表等 )表示測(cè)量結(jié)果，完成各種規(guī)模的測(cè)量任務(wù)。采樣方式可分為實(shí)時(shí)采樣和非實(shí)時(shí)采樣。最后 在示波管上或直接顯示在 LCD 上 將模擬波形顯示 。但是 模擬示波器只能用來(lái) 分析 和 觀(guān)察 重復(fù) 出現(xiàn) 的周期信號(hào)，對(duì)于 慢速信號(hào) 或偶爾出現(xiàn)的高頻信號(hào)，難以 進(jìn)行 觀(guān)察和分析 ，模擬示波器 突出 的 優(yōu)點(diǎn) 是 模擬帶寬可以做到很高。 (1)模擬示波器 模擬示波器 一直是測(cè)量波形 的 工具 之一 ，它 可以 把各種抽象的 電信號(hào) 較為 直觀(guān)地顯示 出來(lái) ， 易于 對(duì)信號(hào)進(jìn)行定性的分析。 13 傳統(tǒng)示波器工作原理 在示波器的熒光屏上，顯示電壓波形的原理如下：被測(cè)電壓是時(shí)間的函數(shù)，在直角坐標(biāo)系統(tǒng)中，可以用 ()xu f t? 的曲線(xiàn)表示； 示波器的兩副偏轉(zhuǎn)板使電子束在兩個(gè)互相垂直的方向偏轉(zhuǎn)，這兩個(gè)方向可以看成是坐標(biāo)軸； 因此，要在管子的熒光屏上顯示被測(cè)電壓的波形，就必須使射線(xiàn)沿水平方 向的偏轉(zhuǎn)同時(shí)間成正比，而在垂直方向 同被測(cè)電壓成正比（每一瞬間）； 所以，鋸齒波電壓 加到水平偏轉(zhuǎn)板上，它迫使射線(xiàn)以恒定的速度從左向右沿水平方向偏轉(zhuǎn)； 并且很快的返回到起始位置； 射線(xiàn)沿水平軸經(jīng)過(guò)的距離跟時(shí)間成正比 ； 被測(cè)電壓加到垂直偏轉(zhuǎn)板上，因而，每一瞬間射線(xiàn)的位置單值的對(duì)應(yīng)于 這一瞬間被測(cè)信號(hào)的值； 在鋸齒波電壓作用期間，射線(xiàn)就繪出了被測(cè)信號(hào)的曲線(xiàn)，示波器波形顯示原理如圖 41 所示， 圖 41 示波器波形顯示原理 圖 以上圖形是鋸齒波的重復(fù)周期等于輸入信號(hào) 周期整數(shù)倍的情況（一倍），熒光屏上顯示出的信號(hào)圖形 是穩(wěn)定不動(dòng)的， 如果不是整數(shù)倍，則每次出現(xiàn)的信號(hào)波形就不會(huì)重合，圖形將不斷移動(dòng)，不利于觀(guān) 14 測(cè)， 為了保證鋸齒波的周期等于輸入信號(hào)的整數(shù)倍，示波器必須具有同步或觸發(fā)電路 [7]。它可以將被測(cè)信號(hào) (電量、非電量轉(zhuǎn)化成的電信號(hào) )隨時(shí)間的變化規(guī)律，直觀(guān)形象地用圖形表示出來(lái)。用戶(hù)可以將設(shè)計(jì)所需的 控件放置到前面板上， 類(lèi)似于實(shí)際儀表面板上的各種 輸入 /輸出口、按鍵、旋鈕、顯示屏等，通過(guò)合理布局就能設(shè)計(jì)出滿(mǎn)意的虛擬儀器操作前面板 。在后面板程序窗口菜單中，執(zhí)行 “查看” |“函數(shù)選板”命令，即可打開(kāi)函數(shù)選板，如圖 34(a)所示；或者在后面板鼠標(biāo)右鍵單擊即可獲得函數(shù)選板，如圖 34(b)所示。 函數(shù)選板提供的不同信號(hào)處理函數(shù)可以很方便的拖放到程序框圖設(shè)計(jì)區(qū)，這些函數(shù)被稱(chēng)作為節(jié)點(diǎn)。 LabVIEW 編程過(guò)程中正是引用函數(shù)節(jié)點(diǎn)的大量引用，充分體現(xiàn)了它圖形化編程的優(yōu)越性。 (1)工具 (Tools)選板 工具選板提供了各種用于創(chuàng)建、修改、調(diào)試 VI 的工具。在編寫(xiě)程序時(shí)經(jīng)常需要在前面板和后面板之間切換，可以在前面板通過(guò)菜單“窗口” |“顯示程序窗口”切換到后面板，在后面板通過(guò)菜單“窗口” |“顯示前面板”切換到前面板，或者運(yùn)用快捷鍵Ctrl+E 來(lái)輪流切換。 LabVIEW 的前面板如圖 31 所示， 9 圖 31 前面板窗口 (2)后面板 (即程序框圖 ) 用戶(hù)在前面板正確的設(shè)計(jì)出虛擬儀器的界面，還是不能按照預(yù)計(jì)的要求實(shí)現(xiàn)其相應(yīng)的功能 操 作，還需要與之配套的程序框圖，以完成與前面板上 控件間的數(shù)據(jù)傳遞和交換、數(shù)據(jù)信號(hào)的處理、顯示及分析等任務(wù)。 (1)前面板 前面板是 VI 的面板，這一界面有輸入型控件和輸出型控件；輸入型控件一般包括旋鈕、按鈕、轉(zhuǎn)盤(pán)、數(shù)值和字符以及布爾輸入控件 ，用來(lái)模擬儀器的輸入裝置，為 VI 程序框圖提供數(shù)據(jù)輸入。 軟件的特點(diǎn) 歸納起來(lái) LabVIEW 軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)具有以下優(yōu)點(diǎn)： （ 1）圖形化的編程方式，設(shè) 計(jì)者無(wú)需寫(xiě)任何文本格式的代碼，是真正的工程師的語(yǔ)言 ； （ 2）提供了豐富的數(shù)據(jù)采集、分析及存儲(chǔ)的庫(kù)函數(shù) ； （ 3）既提供了傳統(tǒng)的程序調(diào)試手段，如設(shè)置斷點(diǎn)、單步運(yùn)行，同時(shí)提供有獨(dú)到的高亮執(zhí)行工具，使程序動(dòng)畫(huà)式 運(yùn)行，利于設(shè)計(jì)者觀(guān)察程 8 序運(yùn)行的細(xì)節(jié)，使程序的調(diào)試和開(kāi)發(fā)更為便捷 ； （ 4） 32bit 的編譯器編譯生成 32bit 的編譯程序 ，保證用戶(hù)數(shù)據(jù)采集、測(cè)試和測(cè)量方案的高速執(zhí)行 ； （ 5）囊括了 DAQ、 GPIB、 PXI、 VXI/RS23 485 在內(nèi)的各種儀器通信總線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)的所有功能函數(shù) ，使得不懂總線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)的開(kāi)發(fā)者也能夠驅(qū)動(dòng)不 同總線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)就口設(shè)備與儀器 ； （ 6）提供大量與外部代碼或軟件進(jìn)行連接的機(jī)制，諸如 DLLs(動(dòng)態(tài)連接庫(kù) )、 DDE（共享庫(kù)）、 ActiveX 等 ； （ 7）強(qiáng)大的 Inter 功能，支持常用網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，方便網(wǎng)絡(luò)、遠(yuǎn)程測(cè)控儀器的開(kāi)發(fā) [6]。 (1)VISA 庫(kù) VISA 實(shí)質(zhì)是標(biāo)準(zhǔn)的 I/O 函數(shù)庫(kù)及其相關(guān)規(guī)范的總稱(chēng)， 它駐留 在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)之中， 起著連接計(jì)算機(jī)與儀器的作用 ，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)儀器的控制； 測(cè)控對(duì)象 信號(hào)調(diào)理 數(shù)據(jù)采集卡 GPIB 接口儀器 GPIB接口卡 VXI 總線(xiàn)儀器 串行接口儀器 /PLC 現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)設(shè)備 其他計(jì)算機(jī)硬件 計(jì)算機(jī) 6 (2)儀器驅(qū)動(dòng)程序 儀器驅(qū)動(dòng)程序是指實(shí)現(xiàn) 儀器 系統(tǒng)控制與通信的軟件程序集， 是應(yīng)用程序?qū)崿F(xiàn)儀器控制的橋梁， 應(yīng)用程序?qū)x器的操作是通過(guò)儀器驅(qū)動(dòng)程序來(lái)實(shí)現(xiàn)的，而儀器驅(qū)動(dòng)程序?qū)τ趦x器的操作與管理是通過(guò)調(diào)用VISA 庫(kù)函數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)的 ； (3)應(yīng)用軟件 應(yīng) 用軟件建立在儀器驅(qū)動(dòng)程序之上，直接面對(duì)操作用戶(hù)， 該軟件建立在儀器驅(qū)動(dòng)程序之上，通過(guò)應(yīng)用程序提供的操作界面及其后臺(tái) 的數(shù)據(jù)分析與處理功能完成測(cè)試任務(wù)； 虛擬儀器應(yīng)用軟件的編寫(xiě)大致有兩類(lèi) ： 一類(lèi)是文本式編