【正文】 要采集的信號有所了解，因為不同信號的測量方式和對采集系統(tǒng)的要求是不同的，只有了解被測信號，才能選擇合適的測量方式和采集系統(tǒng)。6）數(shù)字信號調(diào)理 即使傳感器直接輸出數(shù)字信號，有時也有必要進行調(diào)理，其作用是將傳感器輸出的數(shù)字信號進行必要的整形或電平調(diào)整。5）線性化 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行線性化，以補償傳感器帶來的誤差。4）激勵 信號調(diào)理也能夠為某些傳感器提供所需的激勵信號，比如應(yīng)變傳感器、熱敏電阻等就需要外界電源或電流激勵信號。通常還需要抗混疊濾波器，濾除信號中感興趣的最高頻率以上的所有頻率的信號。3）濾波 濾波的目的是從所測量的信號中除去不需要的成分。使用隔離的原因：是從安全的角度考慮；二是隔離可使從數(shù)據(jù)采集卡讀出來的數(shù)據(jù)不受地電位和輸入模式的影響。信號調(diào)理模塊應(yīng)盡可能靠近信號源或傳感器，使得信號在受到傳輸信號的環(huán)境噪聲影響之前已被放大，使信噪比得到改善。由于不同傳感器有不同的特性，除了這些通用功能外，還要根據(jù)具體傳感器的特性和要求來設(shè)計特殊的信號調(diào)理功能。因為被測試對象的信號來源已經(jīng)是變換好了的電信號，所以傳感器部分在設(shè)計中沒有得到具體體現(xiàn)，但是這部分是設(shè)計過程中必需要考慮的。③ 采集事件需要與外部裝置同步。下列情況使用硬件觸發(fā)：① 采集事件定時需要非常準確。許多儀器提供數(shù)字輸出(常稱為“trigger out”)用于觸發(fā)特定的裝置或儀器，在這里，就是數(shù)據(jù)采集卡。當(dāng)某一模擬入通道發(fā)生一個指定的電壓電平時，讓卡輸出一個數(shù)字脈沖，這是內(nèi)部觸發(fā)。硬件觸發(fā)讓板卡上的電路管理觸發(fā)器，控制了采集事件的時間分配，有很高的精確度。觸發(fā)器通常是一個數(shù)字或模擬信號，其狀態(tài)可確定動作的發(fā)生。② 需要縮減存儲器的開支。③ 采樣周期必須準確、均勻地通過數(shù)據(jù)樣本。下列情況需要使用Buffer I/O：① 需要采集或產(chǎn)生許多樣本，其速率超過了實際顯示、存儲到硬件，或?qū)崟r分析的速度。如果你的卡有DMA性能，模擬輸入操作就有一個通向計算機內(nèi)存的高速硬件通道，這就意味著所采集的數(shù)據(jù)可以直接送到計算機的內(nèi)存。但是將采集卡的數(shù)據(jù)先送到Buffer，你就可以先將它們快速存儲起來，稍后再重新找回它們顯示或分析。需要注意的兩個問題是：是否使用緩沖？是否使用外觸發(fā)啟動、停止或同步一個操作？1）緩沖(Buffers)這里的緩沖指的是PC內(nèi)存的一個區(qū)域(不是數(shù)據(jù)采集卡上的FIFO緩沖)，它用來臨時存放數(shù)據(jù)。圖 數(shù)據(jù)采集結(jié)構(gòu)圖。為了避免這種情況的發(fā)生，通常在信號被采集(A/D)之前，經(jīng)過一個低通濾波器，將信號中高于奈奎斯特頻率的信號成分濾去。這種信號畸變叫做混疊。如果信號中包含頻率高于奈奎斯特頻率的成分，信號將在直流和恩奎斯特頻率之間畸變。根據(jù)采樣定理，最低采樣頻率必須是信號頻率的兩倍。這個數(shù)列中僅僅用下標(biāo)變量編制索引，而不含有任何關(guān)于采樣率(或△t)的信息。采樣間隔是△t，注意，采樣點在時域上是離散的。所有x(0)，x(△t)，x(2△t)都是采樣值。它的倒數(shù)l/△t被稱為采樣頻率，單位是采樣數(shù)/每秒。假設(shè)現(xiàn)在對一個模擬信號x(t)每隔△t時間采樣一次。實際采集時，噪聲也可能帶來一些麻煩。它是計算機與外部物理世界連接的橋梁。推薦配置：處理器：Intel (R) Core (TM)2 Duo CPU E6550 內(nèi)存：1GB硬盤：160GB顯卡：128M 數(shù)據(jù)采集理論該部分主要包括數(shù)據(jù)采集技術(shù)概述，傳感器，輸入信號的分析、調(diào)理以及測量系統(tǒng)的選擇，下面分別予以說明。工業(yè)計算機采取了抗干擾措施，有利于計算機平臺的可靠運行?？紤]到數(shù)據(jù)采集設(shè)備通常運行在工業(yè)現(xiàn)場，常常有較強的振動、電源干擾和電磁干擾。同時為實現(xiàn)虛擬儀器設(shè)計的靈活性提供了前提。② 一個復(fù)雜自動檢測系統(tǒng)分為多個子系統(tǒng)，每一個子系統(tǒng)都是一個完整的功能模塊，這樣把測試功能細節(jié)化，便于實現(xiàn)軟件復(fù)用，大大節(jié)省軟件研發(fā)周期，提高系統(tǒng)設(shè)計的可靠性。這樣設(shè)計的優(yōu)點體現(xiàn)在如下幾方面：① 把一個復(fù)雜自動檢測系統(tǒng)分為多個子系統(tǒng)，程序設(shè)計思路清晰，給設(shè)計者調(diào)試程序帶來了諸多的方便。而在LabVIEW中提供的圖標(biāo)/連接工具正是為實現(xiàn)模塊化設(shè)計而準備的。3）圖標(biāo)/連接設(shè)計：這部分的設(shè)計突出體現(xiàn)了虛擬儀器模塊化程序設(shè)計的思想。如通過使用數(shù)據(jù)探針、高亮執(zhí)行調(diào)試等多種方法，程序以較慢的速度運行，使沒有執(zhí)行的代碼顯示灰色，執(zhí)行后的代碼會高亮顯示，同時在線顯示數(shù)據(jù)流線上的數(shù)據(jù)值，完全跟蹤數(shù)據(jù)流的運行。這種設(shè)計思想的優(yōu)點體現(xiàn)在兩方面：① 類似流程圖的設(shè)計思想，很容易被工程人員接受和掌握，特別是那些沒有很多程序設(shè)計經(jīng)驗的工程人員。如果將VI與傳統(tǒng)儀器相比較，那么前面板上的控件對應(yīng)的就是傳統(tǒng)儀器上的按鈕、顯示屏等控件，而流程圖上的連線端子相當(dāng)于傳統(tǒng)儀器箱內(nèi)的硬件電路。在流程圖中對VI編程，以控制和操縱定義在前面板上的輸入和輸出功能。但并非畫出兩個控件后程序就可以運行，在前面板后還有一個與之對應(yīng)的流程圖。所有的LabVIEW應(yīng)用程序，即虛擬儀器(VI)，它包括前面板(Front Panel)、流程圖(Block Diagram)以及圖標(biāo)/連結(jié)器(Icon/Connector)三部分。利用LabVIEW ，可產(chǎn)生獨立運行的可執(zhí)行文件，它是一個真正的32編譯器。LabVIEW具有一系列無與倫比的優(yōu)點：首先，LabVIEW作為圖形化語言編程，采用流程圖式的編程，運用的設(shè)備圖標(biāo)與科學(xué)家、工程師們習(xí)慣的大部分圖標(biāo)基本一致，這使得編程過程和思維過程非常相似；同時，LabVIEW提供了豐富的VI庫和儀器面板素材庫，近600種設(shè)備的驅(qū)動程序(可擴充)如GPIB設(shè)備控制、VXI總線控制、串行口設(shè)備控制、以及數(shù)據(jù)分析、顯示和存儲；并且LabVIEW還提供了專門用于程序開發(fā)的工具箱，使得用戶能夠設(shè)置斷點，調(diào)試過程中可以使用數(shù)據(jù)探針和動態(tài)執(zhí)行程序來觀察數(shù)據(jù)的傳輸過程，更加便于程序的調(diào)試。而LabVIEW是基于數(shù)據(jù)流的工作方式，同時是基于圖形化的編程，這使得設(shè)計者不必掌握大量的編程語言和程序設(shè)計技巧便可設(shè)計出虛擬儀器系統(tǒng)[11]。利用它可以方便地建立自己的虛擬儀器，其圖形化的界面使得編程及使用過程都更加形象化。LabVIEW集成了與滿足GPIB、VXI、RS232和RS485協(xié)議的硬件及數(shù)據(jù)采集卡通訊的全部功能。除此以外還有HP公司的HPVEE ，HPTIG開發(fā)平臺，美國Tektronix公司的EzTest ，TekTNS平臺軟件，這些都是國際上公認的優(yōu)秀的虛擬儀器開發(fā)軟件平臺[11]。LabVIEW采用圖形化編程方案，是非常實用的開發(fā)軟件。這些工作對于那些不熟悉這方面知識的工程設(shè)計人員來說，要花費大量時間和精力，這樣直接影響了系統(tǒng)開發(fā)的周期和性能。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。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)動軟件的模塊化、標(biāo)準化，虛擬儀器軟件開發(fā)將變得更加快速、方便。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)平臺是當(dāng)前流行的集成化開發(fā)工具。 虛擬儀器的軟件結(jié)構(gòu)虛擬儀器技術(shù)的核心是軟件。5）串口系統(tǒng)是以Serial標(biāo)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]。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）等要求。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。4）PXI(PCI eXtension For Instrumentation)是Compact PCI總線在儀器領(lǐng)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。3）VXI(VME bus eXtension for Instrumentation )是VME總線在儀器領(lǐng)域的擴展，成為開放式工業(yè)標(biāo)準。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(yīng)的改動。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(yīng)的傳感模塊硬件。2）GPIB(General Purpose Interface Bus)通用接口總線，是計算機和儀器的標(biāo)準通信協(xié)議。這種基于計算機的儀器，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。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、動態(tài)信號分析儀、任意波形發(fā)生器等。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，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(gòu)建虛擬儀器系統(tǒng)。虛擬儀器的構(gòu)成主要有五種類型[9]。 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的采集、放大、模數(shù)轉(zhuǎn)換。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(diào)理及信號采集部件（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(gòu)成。 虛擬儀器的內(nèi)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(gòu)成，后兩部分主要由軟件實現(xiàn)。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]。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(jīng)出現(xiàn)含嵌入式系統(tǒng)的儀器。計算機和儀器的密切結(jié)合是目前儀器發(fā)展的一個重要方向。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(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)鍵價格低價格昂貴開放、靈活與計算機同步，可重復(fù)用和重配置固定可用網(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(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，己經(jīng)形成了網(wǎng)絡(luò)虛擬儀器。7）可方便地存貯和交換測試數(shù)據(jù)，測試結(jié)果的表達方式更加豐富多樣。5）虛擬儀器開放、靈活，與計算機同步發(fā)展，與網(wǎng)絡(luò)及其他周邊設(shè)備互聯(lián)。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。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(biāo)準元件和加工工藝的限制，由編程來實現(xiàn)，設(shè)計者可以根據(jù)用戶的要求和操作需要來設(shè)計儀器面板。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(fù)雜的功能。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。在高速度、高帶寬和專業(yè)測試領(lǐng)域，獨立儀器具有無可替代的優(yōu)勢。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(biāo)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(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。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，當(dāng)用戶的測試要求變化時可以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。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，實現(xiàn)了儀器模塊間的通信、定時與觸發(fā)。 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(gòu)成的電子測試儀器，而軟件是虛擬儀器的核心[6][7][8]，其中軟件的基礎(chǔ)部分是設(shè)備驅(qū)動軟件，而這些標(biāo)準的儀器驅(qū)動軟件使得系統(tǒng)的開發(fā)與儀器的硬件變化無關(guān)。該技術(shù)把儀器分為計算機、儀器硬件和應(yīng)用軟件三部分。虛擬儀器是智能儀器之后的新一代測量儀器。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[4][5]。 遠程數(shù)據(jù)檢索的設(shè)計關(guān)于遠程數(shù)據(jù)檢索部分，因為數(shù)據(jù)已保存到數(shù)據(jù)庫里，通過網(wǎng)絡(luò)很容易進行訪問。虛擬儀器的出現(xiàn)是儀器發(fā)展史上的一場革命，代表著儀器發(fā)展的最新趨勢和新方向，并且是信息技術(shù)的重要領(lǐng)域擴充，對科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和工業(yè)生產(chǎn)將產(chǎn)生不可估量的影響?；谔摂M儀器技術(shù)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的提出在一定程度上解決了傳統(tǒng)數(shù)據(jù)采集所面臨的問題，虛擬儀器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)成為當(dāng)今數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)發(fā)展的重要方向。先進的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，不僅希望設(shè)備能夠單獨進行數(shù)據(jù)采集，還希望他們之間能夠互相通信，構(gòu)成數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，甚至是測試網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，實現(xiàn)信息共享，以便對眾多的被測信號進行對比、綜合和自動分析、從而得出準確的判斷。隨著虛擬儀器軟件開發(fā)平臺及硬件的發(fā)展，基于虛擬儀器的儀器系統(tǒng)的開發(fā)周期更短，費用更低，測量速度、準確度及可復(fù)用性提高，且更便于相應(yīng)儀器系統(tǒng)的維護和擴展[3]。這些以PC為核心、由測量功能軟件支持，具有虛擬控制面板、必要儀器硬件和通信能力的PC儀器或VXI儀器就是虛擬儀器。制定PXI規(guī)范的目的是為了將PC的性能價格比優(yōu)勢和PCI總線面向儀器領(lǐng)域的必要擴展結(jié)合起來，以期形成一種主流的虛擬儀器測試平臺。1987年，美國的惠普和泰克等5家公司在VME總線的基礎(chǔ)上，聯(lián)合提出了一種新型總線系統(tǒng)VXI(VME eXtension For Instrumentation)總線，即由微機總線VME擴展而成的微機化儀器專用總線。雖然許多廠家通過定義新的儀器總線，不斷對卡式儀器進行改進，但其大多是在微機內(nèi)總線的插槽上進行開發(fā)，沒有統(tǒng)一標(biāo)準，且各廠家生產(chǎn)的插卡尺寸大小不一，設(shè)備兼容性較差。PC總線儀器系統(tǒng)是卡式儀器的一種，它是利用PC機內(nèi)部的總線，把若干塊儀器卡插在PC機內(nèi)部或外部擴展機箱內(nèi)而組成的。伯克提出了微機化儀器的概念，也就是人們現(xiàn)在常提到的卡式儀器。人們發(fā)明制造出CAMAC、RS232和GPIB等多種儀器通訊接口總線，用于將