【正文】 m)以及圖標(biāo) /連結(jié)器 (Icon/Connector)三部分。 利用 LabVIEW ， 可產(chǎn)生獨(dú)立運(yùn)行的可執(zhí)行文件，它是一個(gè)真正的 32 編譯器。 LabVIEW具有一系列無(wú)與倫比的優(yōu)點(diǎn) ： 首先， LabVIEW作為圖形化語(yǔ)言編程，采用流程圖式的編程，運(yùn)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(guò)程和思維過(guò)程非常相似 ； 同時(shí)，LabVIEW 提供了豐富的 VI 庫(kù)和儀器面板素材庫(kù)，近 600 種設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序 (可擴(kuò)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(chǔ) ； 并且 LabVIEW 還提供了專門用于程序開(kāi)發(fā)的工具箱 ， 使得用戶能夠設(shè)置斷點(diǎn) ， 調(diào)試過(guò)程中可以使用數(shù)據(jù)探針和動(dòng)態(tài)執(zhí)行程序來(lái)觀察數(shù)據(jù)的傳輸過(guò)XX 大學(xué) 2021 屆本科畢業(yè)論文 15 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(shí)是基于圖形化的編程，這使得設(shè)計(jì)者不必掌握大量的編程語(yǔ)言和程序設(shè)計(jì)技巧便可設(shè)計(jì)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(guò)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(kāi)發(fā)平臺(tái)，美國(guó) Tektronix 公司的 EzTest ， TekTNS 平臺(tái)軟 件，這些都是國(guó)際上公認(rèn)的優(yōu)秀的虛擬儀器開(kāi)發(fā)軟件平臺(tái) [11]。 LabVIEW 采用圖形化編程方案，是非常實(shí)用的開(kāi)發(fā)軟件 。這些工作對(duì)于那些不熟悉這方面知識(shí)的 工程設(shè)計(jì)人員來(lái)說(shuō)，要花費(fèi)大量時(shí)間和精力，這樣直接影響了系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的周期和性能。但直接由這些語(yǔ)言開(kāi)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(kāi)發(fā)的模塊化、復(fù)用化，和各種硬件儀器驅(qū)動(dòng)軟件的模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化，虛擬儀器軟件開(kāi)發(fā)將變得更加快速、方便。以美國(guó) NI 公司的軟件產(chǎn)品LabVIEW 和 LabWindows/CVI 為代表的虛擬儀器專用開(kāi)發(fā)平臺(tái)是當(dāng)前流行的集成化開(kāi)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，其軟件基本結(jié)構(gòu)如圖 所示。 5） 串口系統(tǒng)是以 Serial 標(biāo)準(zhǔn)總線儀器與計(jì)算機(jī)為儀器精簡(jiǎn)平臺(tái)組成的虛擬測(cè)試系統(tǒng) [10]。 PXI 兼容 Compact PCI 機(jī)械規(guī)范，并增加了空氣冷卻裝置、環(huán)境測(cè)試 （ 溫度、濕度、振動(dòng)和沖擊實(shí)驗(yàn) ） 等要XX 大學(xué) 2021 屆本科畢業(yè)論文 13 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(kuò)展 ， 是 NI 公司于 1997 年發(fā)布的一種新的開(kāi)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(kuò)展 ，上個(gè)世紀(jì) 1993 年 VXI 總線 版本被批準(zhǔn)為 IEEE1155 標(biāo)準(zhǔn)，成為 開(kāi)放式工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。系統(tǒng)中的儀器可以增加 、 減少或更換，只需對(duì)計(jì)算機(jī)的控制軟件作相應(yīng)的改動(dòng)。典型的 GPIB 測(cè)試系統(tǒng)包括一臺(tái)計(jì)算機(jī)，一塊基于 GPIB 總線的接口卡和多臺(tái) 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(jì)算機(jī)和儀器的標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議。這種基于計(jì)算機(jī)的儀器，既具有高檔儀器的測(cè)量品質(zhì) ， 又能滿足測(cè)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(dòng)態(tài)信號(hào)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(diǎn)，它更加充分地利用計(jì)算機(jī)的資源，大大增加了測(cè)試系統(tǒng)的靈活性和擴(kuò)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]，如圖 所示。 虛擬儀器 I/O 接口設(shè)備 I/O 接口設(shè)備主要用來(lái) 完成被測(cè)輸入信號(hào)的采集、放大、模數(shù)轉(zhuǎn)換。 數(shù)據(jù)分析和處理 數(shù)字信號(hào)處理 數(shù)據(jù)濾波 數(shù)據(jù)分析 統(tǒng)計(jì)分析 采集與控制 插入式數(shù)據(jù)采集板 GPIB 儀器 VXI/PXI 儀器 RS232 儀器 結(jié)果顯示 網(wǎng)絡(luò)通信 硬盤拷貝輸 出 文件 I/O 圖形用戶接口 XX 大學(xué) 2021 屆本科畢業(yè)論文 11 通常虛擬儀器測(cè)試系統(tǒng)硬件組成部分是由傳感器部件、信號(hào)調(diào)理及信號(hào)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(jī)及其用于輔助測(cè)量并能與計(jì)算機(jī)通訊的常規(guī)儀器等 ）、 通用計(jì)算機(jī) 、 打印機(jī)等構(gòu)成 。 圖 虛擬儀器的內(nèi)部功能的劃分 對(duì)于傳統(tǒng)儀器 ， 這三個(gè)部分幾乎均由硬件完成 ； 對(duì)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(shí)現(xiàn)。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 Inter/Intra 的一部分，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控和管理。 8） 虛擬儀器在高性價(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)建成專有儀器系統(tǒng)。在 LabVIEW 中設(shè)計(jì)虛擬數(shù)字濾波器 ,關(guān)鍵問(wèn)題是要知道濾波器圖標(biāo)的調(diào)用路徑和合理設(shè)置濾波器的有關(guān)參數(shù) . 比如 ,要設(shè)計(jì)一個(gè)虛擬數(shù)字式巴特沃斯濾波器 ,其設(shè)計(jì)過(guò)程是在 Functions 選項(xiàng)板下 次選擇 Analyze Signal Processing Filters 子選項(xiàng)板 ,最后在 Filters 子選項(xiàng)板中選擇Butterworth Filter. vi 圖標(biāo) , 選中后在流程圖中便出現(xiàn)巴特沃斯濾波器(Butterworth Filter. vi) 圖標(biāo) ,然后 ,設(shè)置 Butterworth Filter. vi 的相關(guān)參數(shù) 。 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 4 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XX 大學(xué) 2021 屆本科畢業(yè)論文 6 后，輸入到 NI PCI6254 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。XX 大學(xué) 2021 屆本科畢業(yè)論文 5 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 RS23 GPIB 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。 圖 測(cè)量技術(shù)的發(fā)展 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)得到飛速發(fā)展。許多部門或大型企業(yè)迫切要求構(gòu)建基于 Inter 或大型局域網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)化測(cè)控系統(tǒng)，即通常所說(shuō)的分布式測(cè)控網(wǎng)絡(luò)，此階段是網(wǎng)絡(luò)化測(cè)控系統(tǒng)發(fā)展的成熟階段。 第三階段 ： 隨著技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的出現(xiàn)帶動(dòng)了現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng) (FCS)的迅速發(fā)展，使得可以在一個(gè)工廠范圍內(nèi)通過(guò)總線將成千上萬(wàn)個(gè)智能 傳感器 /變送器等智能化的儀表組成一個(gè)網(wǎng)絡(luò)化測(cè)控儀器系統(tǒng)，此階段是網(wǎng)絡(luò)化測(cè)控系統(tǒng)的快速發(fā)展階段。 第二階段 ： 起始于 20 世紀(jì) 80 年代 VXI 標(biāo)準(zhǔn)化儀器總線的出現(xiàn)， VXI 系統(tǒng)可以將大型計(jì)算機(jī)昂貴的外設(shè)、 VXI 設(shè)備、通信線路等硬件資源以及大型數(shù)據(jù)庫(kù)程序等軟件資源納入網(wǎng)絡(luò)，使得這些寶貴的資源得以共享。 第一階段 ： 起始于 20 世紀(jì) 70 年代通用儀器總線 (GPIB)的出現(xiàn)， GPIB 實(shí)現(xiàn)了計(jì)算機(jī)與測(cè)控系統(tǒng)的首次結(jié)合，使得測(cè)量?jī)x器從獨(dú)立的手工操作單臺(tái)儀器開(kāi)始走向計(jì)算機(jī)控制的多臺(tái)儀器的測(cè)控系統(tǒng)。 網(wǎng)絡(luò)化的測(cè)控技術(shù)興起于國(guó)外，是在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、通信技術(shù)高速發(fā)展，以及對(duì)大容量分布式測(cè)控的大量需求背景下發(fā)展起來(lái)。同時(shí)測(cè)控對(duì)象的空間位置日益分散，測(cè)控任務(wù)日益復(fù)雜，測(cè)控系統(tǒng)日益龐大，因此，提出了測(cè)控現(xiàn)場(chǎng)化、遠(yuǎn)程化、網(wǎng)絡(luò)化的要求。由于通信協(xié)議不開(kāi)放，因此這種測(cè)控系統(tǒng)是一個(gè)自封閉系統(tǒng)，一般只能完成單一的測(cè)控功能，一般通過(guò)接口，如 RS232 或 GPIB 接口可與本地計(jì)算機(jī)或其他儀器設(shè)備進(jìn)行簡(jiǎn)單互連 [1]。 課題背景 測(cè)控技 術(shù)的國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀 早期的測(cè)控系統(tǒng)采用大型儀表集中對(duì)各個(gè)重要設(shè)備的狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，通過(guò)操作盤進(jìn)行集中式操作；而計(jì)算機(jī)測(cè)控系統(tǒng)是以計(jì)算機(jī)為主體，加上檢測(cè)裝置、執(zhí)行機(jī)構(gòu)與被控對(duì)象 (生產(chǎn)過(guò)程 )共同構(gòu)成的整體。傳輸介質(zhì)組成的通信網(wǎng)絡(luò)主要完成數(shù)據(jù)的通信與采集，這種數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是整個(gè)測(cè)控系統(tǒng)的主體，是完成測(cè)控任務(wù)的主力。 近年來(lái)，以計(jì)算機(jī)為中心、以網(wǎng)絡(luò)為核心的網(wǎng)絡(luò)化測(cè)控技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)化測(cè)控系統(tǒng)得到越 來(lái)越多的應(yīng)用，尤其是在航空航天等國(guó)防科技領(lǐng)域。 LabVIEW XX 大學(xué) 2021 屆本科畢業(yè)論文