【正文】 模擬時(shí)域信號(hào)(Time Domain)運(yùn)載的信息不僅有信號(hào)的電平，還有電平隨時(shí)間的變化。常見(jiàn)的直流信號(hào)有溫度、流速、壓力、應(yīng)變等。圖 脈沖信號(hào)2）模擬信號(hào)(Analog)模擬直流信號(hào)(DC)是靜止的或變化非常緩慢的模擬信號(hào)。圖 開(kāi)關(guān)信號(hào)第二類(lèi)數(shù)字信號(hào)是脈沖信號(hào)(Pulse Train)。一個(gè)開(kāi)關(guān)信號(hào)運(yùn)載的信息與信號(hào)的瞬間狀態(tài)有關(guān)。模擬信號(hào)則可分為直流、時(shí)域、頻域信號(hào)。根據(jù)信號(hào)運(yùn)載信息方式的不同，可以將信號(hào)分為模擬或數(shù)字信號(hào)。任意一個(gè)信號(hào)是隨時(shí)間而改變的物理量。大多數(shù)數(shù)字信號(hào)調(diào)理模塊還提供其他一些電路模塊，使得用戶可以通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡的數(shù)字I/O比直接控制電磁閥、電燈、電動(dòng)機(jī)等外部設(shè)備。目前，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)也可以利用軟件來(lái)解決這一問(wèn)題。很多信號(hào)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(lì)。另外，某些高性能的數(shù)據(jù)采集卡自身帶有抗混疊濾波器。大多數(shù)信號(hào)調(diào)理模塊有低通濾波器，用來(lái)濾除噪聲。如果數(shù)據(jù)采集卡的地與信號(hào)地之間有電位差，而又不進(jìn)行隔離，那么就有可能形成接地回路，引起誤差。2）隔離 隔離是指使用變壓器、光或電容耦合等方法在被測(cè)系統(tǒng)和測(cè)試系統(tǒng)之間傳遞信號(hào)，避免直接的電連接。信號(hào)調(diào)理的通用功能如下[15] [16]：1）放大 微弱信號(hào)都要進(jìn)行放大以提高分辨率和降低噪聲，使調(diào)理后信號(hào)的電壓范圍和A/D的電壓范圍相匹配。 信號(hào)調(diào)理從傳感器得到的信號(hào)大多要經(jīng)過(guò)調(diào)理才能進(jìn)入數(shù)據(jù)采集設(shè)備，信號(hào)調(diào)理功能包括放大、隔離、濾波、激勵(lì)、線性化等。 傳感器傳感器部分是跟外界溝通的門(mén)戶，負(fù)責(zé)把外界的各種物理信息，如光、壓力、溫度、聲音等物理信號(hào)變成電信號(hào)。② 用戶需要削減軟件開(kāi)支。下列情況使用軟件觸發(fā)：用戶需要對(duì)所有采集操作有明確的控制，并且事件定時(shí)不需要非常準(zhǔn)確。采集卡等待一個(gè)外部?jī)x器發(fā)出的數(shù)字脈沖到來(lái)后初始化采集卡，這是外部觸發(fā)。硬件觸發(fā)可進(jìn)一步分為外部觸發(fā)和內(nèi)部觸發(fā)。軟件觸發(fā)最容易，你可以直接用軟件，例如使用布爾面板控制去啟動(dòng)/停止數(shù)據(jù)采集。2）觸發(fā)(Triggering)觸發(fā)涉及初始化、終止或同步采集事件的任何方法。下列情況可以不使用Buffer I/O：① 數(shù)據(jù)組短小，例如每秒只從兩個(gè)通道之一采集一個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)。② 需要連續(xù)采集或產(chǎn)生AC數(shù)據(jù)(10樣本/秒)，并且要同時(shí)分析或顯示某些數(shù)據(jù)。不使用Buffer意味著對(duì)所采集的每一個(gè)數(shù)據(jù)你都必須及時(shí)處理(圖形化、分析等)。需要注意的是Buffer與采集操作的速度及容量有關(guān)。例如，你需要采集每秒采集幾千個(gè)數(shù)據(jù)，在一秒內(nèi)顯示或圖形化所有數(shù)據(jù)是困難的。在數(shù)據(jù)采集之前，程序?qū)?duì)采集板卡初始化，板卡上和內(nèi)存中的Buffer是數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)的中間環(huán)節(jié)。理論上設(shè)置采樣頻率為被采集信號(hào)最高頻率成分的2倍就夠了，但實(shí)際上工程中選用510倍，有時(shí)為了較好地還原波形，甚至更高一些。出現(xiàn)的混頻偏差是輸入信號(hào)的頻率和最靠近的采樣率整數(shù)倍的差的絕對(duì)值。 合適采樣率采樣波形 采樣率過(guò)低采樣波形采樣率過(guò)低的結(jié)果是還原的信號(hào)的頻率看上去與原始信號(hào)不同。反過(guò)來(lái)說(shuō)，如果給定了采樣頻率，那么能夠正確顯示信號(hào)而不發(fā)生畸變的最大頻率叫做恩奎斯特頻率，它是采樣頻率的一半。所以如果只知道該信號(hào)的采樣值，并不能知道它的采樣率，缺少了時(shí)間尺度，也不可能知道信號(hào)x(t)的頻率。 模擬信號(hào)采樣圖如果對(duì)信號(hào)x(t)采集N個(gè)采樣點(diǎn)，那么x(t)就可以用下面這個(gè)數(shù)列表示：X={x[0]，x[l]，x[2]，x[3]，…，x[N－l]}這個(gè)數(shù)列被稱(chēng)為信號(hào)x(t)的數(shù)字化顯示或者采樣顯示。這樣信號(hào)x(t)可以用一組分散的采樣值來(lái)表示：{x(0)，x(△t)，x(2△t)，x(3△t)，…，x(k△t)，…}。t＝0，△t，2△t，3△t……等等，x(t)的數(shù)值就被稱(chēng)為采樣值。時(shí)間間隔△t被稱(chēng)為采樣間隔或者采樣周期。數(shù)據(jù)采集時(shí)，有一些基本原理要注意，還有更多的實(shí)際的問(wèn)題要解決。各種類(lèi)型信號(hào)采集的難易程度差別很大。 數(shù)據(jù)采集技術(shù)概論在計(jì)算機(jī)廣泛應(yīng)用的今天，數(shù)據(jù)采集的重要性是十分顯著的。另一方面的考慮是工業(yè)計(jì)算機(jī)通常具有很多類(lèi)型的接口有利于功能進(jìn)一步擴(kuò)展的需要。為了保證記錄儀可靠的運(yùn)行，設(shè)計(jì)時(shí)選定工業(yè)計(jì)算機(jī)。第三章 系統(tǒng)設(shè)計(jì)理論及硬件平臺(tái)的實(shí)現(xiàn) PC機(jī)虛擬儀器就是用通用計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力代替以往需要硬件電路才能完成的功能，所以數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)軟件運(yùn)行的計(jì)算機(jī)平臺(tái)的選擇至關(guān)重要。③ 便于實(shí)現(xiàn)“測(cè)試集成”和虛擬儀器庫(kù)的思想。同時(shí)也對(duì)于將來(lái)系統(tǒng)的維護(hù)提供了便利。設(shè)計(jì)者可把一個(gè)復(fù)雜自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)分為多個(gè)子系統(tǒng)，每一個(gè)都可完成一定的功能。在設(shè)計(jì)大型自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)時(shí)一步完成一個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是相當(dāng)有難度的。這為程序的調(diào)試和參數(shù)的設(shè)定帶來(lái)諸多的方便。② 設(shè)計(jì)的思路和運(yùn)行過(guò)程清晰而且直觀。在許多情況下，使用VI可以仿真?zhèn)鹘y(tǒng)儀器，不僅在屏幕上出現(xiàn)一個(gè)惟妙惟肖的標(biāo)準(zhǔn)儀器面板，而且其功能也與傳統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)儀器相差無(wú)幾。流程圖中包括前面板上的控件連線端子，還有一些前面板上沒(méi)有，但編程必須有的東西，例如函數(shù)、結(jié)構(gòu)和連線等。2）流程圖：流程圖提供VI的圖形化源程序。1）前面板：前面板是圖形用戶界面，也就是VI的虛擬儀器面板，這一界面上有用戶輸入和顯示輸出兩類(lèi)對(duì)象，具體表現(xiàn)有開(kāi)關(guān)、旋鈕、圖形以及其他控制和顯示對(duì)象。像許多通用的軟件一樣，LabVIEW提供了Windows、UNIX、Linux、Macintosh OS等多種版本[12]。因此，LabVIEW受到越來(lái)越多工程師、科學(xué)家的普遍青睞。目前，在以PC機(jī)為基礎(chǔ)的測(cè)試和工控軟件中，LabVIEW的市場(chǎng)普及率僅次于C++/C語(yǔ)言。傳統(tǒng)的文本式編程是一種順序的設(shè)計(jì)思路，設(shè)計(jì)者必須寫(xiě)出執(zhí)行的語(yǔ)句。它還內(nèi)置了便于應(yīng)用TCP/PI、ActiveX等軟件標(biāo)準(zhǔn)的庫(kù)函數(shù)，是一個(gè)功能強(qiáng)大且靈活的軟件。 圖形化虛擬儀器開(kāi)發(fā)平臺(tái)——LabVIEWLabVIEW(Laboratory Virtual Instrument Engineering)是一種圖形化的編程語(yǔ)言，它廣泛地被工業(yè)界、學(xué)術(shù)界和研究實(shí)驗(yàn)室所接受，視為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)采集和儀器控制軟件。LabWindows/CVI是為熟悉C語(yǔ)言的開(kāi)發(fā)人員準(zhǔn)備的，是在Windows環(huán)境下的標(biāo)準(zhǔn)ANSIC開(kāi)發(fā)環(huán)境。除了通用程序開(kāi)發(fā)語(yǔ)言以外，還有一些專(zhuān)用的虛擬儀器開(kāi)發(fā)語(yǔ)言和軟件，其中有影響的開(kāi)發(fā)軟件有：NI公司的LabVIEW，LabWindows/CVI。除了要花大量時(shí)間進(jìn)行測(cè)試系統(tǒng)面板設(shè)計(jì)外，還要編制大量的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序和底層控制程序。 虛擬儀器軟件結(jié)構(gòu) 虛擬儀器的開(kāi)發(fā)軟件 虛擬儀器的開(kāi)發(fā)語(yǔ)言虛擬儀器系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)語(yǔ)言有：標(biāo)準(zhǔn)C，Visual C++ ，Visual Basic等通用程序開(kāi)發(fā)語(yǔ)言。這些軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)提供了強(qiáng)大的儀器軟面板設(shè)計(jì)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(qū)動(dòng)程序模塊，簡(jiǎn)化了虛擬儀器的設(shè)計(jì)工作。用戶可以采用各種編程軟件來(lái)開(kāi)發(fā)自己所需要的應(yīng)用軟件。RS232總線是早期采用的通用串行總線，將帶有RS232標(biāo)準(zhǔn)總線接口的儀器作為I/O接口設(shè)備，通過(guò)RS232串口總線與計(jì)算機(jī)組成虛擬儀器系統(tǒng)目前仍然是虛擬儀器構(gòu)成方式之一，主要適用于速度較低的測(cè)試系統(tǒng)。這樣可保證多廠商產(chǎn)品的互操作性和系統(tǒng)的易集成性。PXI增加了用于多個(gè)板卡同步的觸發(fā)總線和10MHz參考時(shí)鐘、用于精確定時(shí)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(lái)滿足實(shí)驗(yàn)和測(cè)量用戶的要求。其核心是Compact PCI結(jié)構(gòu)和Microsoft Windows軟件。儀器專(zhuān)用總線在吸收IEEE488的成功經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上，增加了10MHz時(shí)鐘線，模擬和數(shù)字混合總線，星形總線等高速總線，定時(shí)關(guān)系嚴(yán)格，兼有計(jì)算機(jī)總線和儀器總線的優(yōu)點(diǎn)?；贕PIB總線結(jié)構(gòu)的接口卡數(shù)據(jù)傳輸速率一般低于500kb/s，不適合與對(duì)系統(tǒng)速度要求較高的應(yīng)用。每臺(tái)GPIB儀器有單獨(dú)的地址，由計(jì)算機(jī)控制操作。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。對(duì)我國(guó)大多數(shù)用戶來(lái)說(shuō)，它具有很高的性能價(jià)格比，是一種特別適合我國(guó)國(guó)情的虛擬儀器方案。在計(jì)算機(jī)上掛接多個(gè)DAQ功能模塊，配合相應(yīng)的軟件，就可以構(gòu)成一臺(tái)具有多功能的測(cè)試儀器。在性能上，隨著A/D轉(zhuǎn)換技術(shù)，濾波技術(shù)和信號(hào)調(diào)理技術(shù)的發(fā)展，DAQ卡的采樣速率已達(dá)1GB/s，精度高達(dá)24位，通道數(shù)高達(dá)64個(gè)，并具有數(shù)字I/O，模擬I/O和計(jì)數(shù)器/定時(shí)器等通道。 虛擬儀器構(gòu)成方式1）DAQ(Data Acquisition)數(shù)據(jù)采集卡是指基于計(jì)算機(jī)標(biāo)準(zhǔn)總線(如ISA、PCI、USB等)的內(nèi)置功能插卡?？筛鶕?jù)實(shí)際情況采用不同的I/O接口硬件設(shè)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。系統(tǒng)軟件部分通常用專(zhuān)用的虛擬儀器開(kāi)發(fā)語(yǔ)言（如LabVIEW）編寫(xiě)而成，并可通過(guò)Internet實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展。與傳統(tǒng)儀器相比，虛擬儀器設(shè)計(jì)日趨模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化，設(shè)計(jì)工作量大大減小。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(jié)果顯示三部分組成。另一種方式是將儀器裝入計(jì)算機(jī)。這種結(jié)合基本有兩種方式，一種是將計(jì)算機(jī)裝入儀器，其典型的例子就是所謂智能化的儀器。 虛擬儀器測(cè)試系統(tǒng)的組成虛擬儀器是基于計(jì)算機(jī)的儀器。這是一種新型的基于Web技術(shù)的虛擬儀器，使得虛擬儀器測(cè)試系統(tǒng)成為Internet/Intranet的一部分，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控和管理。8）虛擬儀器在高性?xún)r(jià)比的條件下，降低系統(tǒng)開(kāi)發(fā)和維護(hù)費(fèi)用，縮短技術(shù)更新周期。6）由于其以PC為核心，使得許多數(shù)據(jù)處理的過(guò)程不必像過(guò)去那樣由測(cè)試儀器本身來(lái)完成，而是在軟件的支持下，利用PC機(jī)CPU的強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理功能來(lái)完成，使得基于虛擬儀器的測(cè)試系統(tǒng)的測(cè)試精度、速度大為提高，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、智能化、多任務(wù)測(cè)量。4）儀器性能的改進(jìn)和功能擴(kuò)展只需更新相關(guān)軟件設(shè)計(jì)，不需購(gòu)買(mǎi)新儀器。2）在通用硬件平臺(tái)確定后，軟件取代傳統(tǒng)儀器中由硬件完成的儀器功能。這樣，在每個(gè)分面板上就可以實(shí)現(xiàn)功能操作的單純化和面板布置的簡(jiǎn)潔化，從而提高操作的正確性和便捷性。由此導(dǎo)致許多識(shí)讀和操作錯(cuò)誤。在中低檔測(cè)試領(lǐng)域，虛擬儀器可取代一部分獨(dú)立儀器的工作，但完成復(fù)雜環(huán)境下的自動(dòng)化測(cè)試是虛擬儀器的拿手好戲，是傳統(tǒng)的獨(dú)立儀器難以勝任的，甚至不可思議的工作。 虛擬儀器和傳統(tǒng)儀器的比較虛擬儀器具有傳統(tǒng)獨(dú)立儀器無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)（如表11所示）。虛擬儀器技術(shù)十分符合國(guó)際上流行的“硬件軟件化”的發(fā)展趨勢(shì)，因而常被稱(chēng)作“軟件儀器” 。這樣，當(dāng)用戶從一個(gè)項(xiàng)目轉(zhuǎn)向另一個(gè)項(xiàng)目時(shí)，就能簡(jiǎn)單地構(gòu)造出新的VI系統(tǒng)而不丟失己有的硬件和軟件資源。源代碼庫(kù)函數(shù)為用戶構(gòu)造自己的虛擬儀器（VI）系統(tǒng)提供了基本的軟件模塊。這是虛擬儀器最大的優(yōu)點(diǎn)之一，有了這一點(diǎn)，儀器的開(kāi)發(fā)和換代時(shí)間將大大縮短。虛擬儀器以通用計(jì)算機(jī)和配備標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字接口的測(cè)量?jī)x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(chǔ)，將儀器硬件連接到各種計(jì)算機(jī)平臺(tái)上，直接利用計(jì)算機(jī)豐富的軟硬件資源，將計(jì)算機(jī)硬件（處理器、存儲(chǔ)器、顯示器）和測(cè)量?jī)x器（頻率計(jì)、示波器、信號(hào)源）等硬件資源與計(jì)算機(jī)軟件資源（包括數(shù)據(jù)的處理、控制、分析和表達(dá)、過(guò)程通訊以及圖形用戶界面）有機(jī)的結(jié)合起來(lái)。虛擬儀器的核心技術(shù)思想就是“軟件即是儀器” 。所謂虛擬儀器是基于計(jì)算機(jī)的軟硬件測(cè)試平臺(tái)，它可代替?zhèn)鹘y(tǒng)的測(cè)量?jī)x器，如示波器、邏輯分析儀、信號(hào)發(fā)生器、頻譜分析儀等；可集成于自動(dòng)控制、工業(yè)控制系統(tǒng)之中；可自由構(gòu)建成專(zhuān)有儀器系統(tǒng)。本設(shè)計(jì)采用Apache＋PHP＋MySQL服務(wù)器套件來(lái)實(shí)現(xiàn)了采集數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程訪問(wèn)。 本設(shè)計(jì)所做的工作 多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)以3個(gè)通道進(jìn)行設(shè)計(jì)，從傳感器來(lái)的模擬輸入信號(hào)，經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理后，輸入到NI PCI6221數(shù)據(jù)采集卡，然后經(jīng)過(guò)PCI總線送入PC機(jī)，由軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，包括數(shù)據(jù)的平均值濾波，采樣波形的實(shí)時(shí)顯示，并以一定的時(shí)間間隔插入數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行歷史數(shù)據(jù)保存，邊采集邊保存，然后通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了歷史數(shù)據(jù)的檢索。本文正是在虛擬儀器技術(shù)的基礎(chǔ)上對(duì)多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)多路信號(hào)的采集，并對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示、記錄、分析處理。然而傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集儀器在此方面受到很大的限制。當(dāng)今社會(huì)正處于一個(gè)正在高速發(fā)展的狀態(tài)中，要在有限的時(shí)空內(nèi)實(shí)現(xiàn)大量的信息交換，隨之而來(lái)的是信息密度急劇增大，因而在研究和生產(chǎn)過(guò)程中要求數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對(duì)信息的處理速度越來(lái)越高，功能越來(lái)越強(qiáng)。虛擬儀器技術(shù)的出現(xiàn)，使得用戶可以自己定義儀器，靈活地設(shè)計(jì)儀器系統(tǒng)，滿足多種多樣的實(shí)際需求。相對(duì)VXI儀器，按PXI總線標(biāo)準(zhǔn)制成的PXI儀器具有成本低、便于組成便攜式測(cè)試系統(tǒng)等優(yōu)點(diǎn)[2]。1997年美國(guó)NI公司推出了一種新的儀器總線標(biāo)準(zhǔn)PXI總線標(biāo)準(zhǔn)。在這種情況下，用戶自然會(huì)提出標(biāo)準(zhǔn)化的要求。插卡總線機(jī)箱與PC機(jī)間的通信，可利用RS23GPIB接口總線或以太網(wǎng)電纜等進(jìn)行?？ㄊ絻x器是虛擬儀器的雛形，是將傳統(tǒng)獨(dú)立式儀器的測(cè)量電路部分與接口部分集合在一起制成儀器功能卡，將其插入微機(jī)的內(nèi)部插槽或外部插件箱中形成的儀器。1982年美國(guó)西北儀器公司總裁德為解決這樣的問(wèn)題，總線式儀器與系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。隨著電子技術(shù)、微計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，智能儀器的智能水平不斷提高。智能儀器是將微機(jī)置于儀器內(nèi)部，使儀器具有控制、存儲(chǔ)、運(yùn)算、邏輯判斷及自動(dòng)操作等智能特點(diǎn)，并在測(cè)量準(zhǔn)確度、靈敏度、可靠性、自動(dòng)化程度、運(yùn)用能力及解決測(cè)量技術(shù)問(wèn)題的深度和廣度等方面都有明顯的進(jìn)步。七十年代初第一片微處理器問(wèn)世，微型計(jì)算機(jī)技術(shù)從此發(fā)展迅猛，在其影響下測(cè)量?jī)x器呈現(xiàn)出新的活力并取得了長(zhǎng)足進(jìn)步。從二十世紀(jì)初到五十年代左右，測(cè)量?jī)x器的材料性能得到改善出現(xiàn)了電子管，同時(shí)測(cè)量理論和方法與電子技術(shù)、控制技術(shù)相結(jié)合，出現(xiàn)了以記錄儀和示波器為代表的電子儀表五十年代以后隨著晶體管和集成電路的出現(xiàn)以及應(yīng)用電子技術(shù)的發(fā)展將數(shù)字技術(shù)成功地應(yīng)用到測(cè)量?jī)x器。從十九世紀(jì)初到二十世紀(jì)末，測(cè)量?jī)x器經(jīng)歷了模擬儀器、電子儀器、數(shù)字儀器、智能儀器等階段，發(fā)展到現(xiàn)在的虛擬儀器。自從1785年庫(kù)侖發(fā)明靜電扭秤，1834年哈里斯提出靜電電表結(jié)構(gòu)以來(lái)，電測(cè)儀表和電子儀器隨相關(guān)技術(shù)的進(jìn)步、儀器儀表元器件質(zhì)量的提高和測(cè)量理論方法的改進(jìn)得到飛