【正文】 制軟件時通過對控制和功能模塊中子模塊的靈活調(diào)用，選取相應(yīng)的功能子模塊，分別置于前后面板內(nèi)，使用連線工具即可完成虛擬儀器設(shè)計。 LabvIEW 語言是一種面向工程技術(shù)人員的圖形化編程語言，是一種面向?qū)ο蟮哪K化編程語言，使面向?qū)ο蠹夹g(shù)程序的復(fù)用性達到最佳，被譽為工程師和科學(xué)家的語言。一個數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的基本任務(wù)是測量和產(chǎn)生現(xiàn)實世界的物理信號。信號調(diào)理附件能夠?qū)ξ⑷跣盘栠M行放大、光電隔離、濾波等處理，以便更精確和安全地測量。當輸入信號被適當調(diào)理 后，即可輸給插入式數(shù)據(jù)采集卡進行數(shù)字化，同時它也能產(chǎn)生控制信號。當然，計算機的性能決定了整個過程的速度。歸類的標準是信號中有用的不同信息。一個數(shù)字信號只有兩個分離的狀態(tài) :低電平和高電平。數(shù)字信號又可以分為開關(guān)信號和脈沖序列信號，模擬信號則可以 分為直流信號、時域信號、頻域信號。 基于計算機的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)各部分的作用 要從一個基于計算機的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)得到合理的結(jié)果，依賴于系統(tǒng)的每一個組成部分，即計算機、傳感器、信號調(diào)理、數(shù)據(jù)采集硬件和軟件。 1 傳感器 傳感器將被測試的物理量轉(zhuǎn)化成電信號的最基本的環(huán)節(jié)。對于每一種傳感器，電信號的大小都與被監(jiān)測信號的物理參數(shù)成正比。 (1) 放大和衰減 數(shù)據(jù)采集卡接收的信號是范圍很廣的電壓信號，如果太強，就需要衰減器把被測信號減弱后再輸入給數(shù)據(jù)采集卡，這樣一方面可以保證數(shù)據(jù)采集卡可以順利采數(shù)，另一方面有利于系統(tǒng)的安全運行。在設(shè)定調(diào)理電路的放大或衰減倍數(shù)時，一般應(yīng)滿足這樣一個條件 :經(jīng)調(diào)理后的信號其最大值應(yīng)盡可能地達到數(shù)據(jù)采集卡可以接受的電壓范圍，最大限度地提高數(shù)據(jù)的準確度。 (3) 濾波 濾波的目的是消除噪音信號，提高 輸入信號的信噪比。交流信號通常需要抗失真的低通濾波器，因為這樣的濾波器有一陡峭的截止頻率，因而幾乎能夠完全消除高頻干擾信號。 (5) 線性化 很多傳感器對被測量都有非線性響應(yīng)，因而需要對輸出信號進行線性化。為了再現(xiàn)原始信號，必須有足夠高的采樣頻率。根據(jù)采樣定理，采樣頻率至少是輸入最高頻率的兩倍，才可能不產(chǎn)生失真。采用連續(xù)掃描方法，要比給每個通道一個放大器和 ADC 要經(jīng)濟得多，但這僅僅實用于在采樣點之間對時間不是很重要的場合。對于低頻信號，可以用間隔掃描辦法來產(chǎn)生同時采樣的效果，而不必增加采樣保持電路。 (3) 分辨率 ADC 的位數(shù)越多，分辨率就越高，可區(qū)分的電壓就越小。如果增加到 16 位，代碼增加到 655536，這樣就可以得到較為精確地反映原始信號的數(shù)字信號。一般情況下，由于 DAQ 卡的電壓范圍可以調(diào)節(jié)，所以將信號電壓范圍調(diào)到與微機相匹配以便利用其可靠的分辨率范圍。例如，某 DAQ 板的分辨率為 16 位，范圍取 0 一 1OV，增益取 100，則有 1LSB=(10/100xZ’ 6)= 協(xié) v，這樣一來，在數(shù)字化的過成中，一位的分辨率為。 DAQ輸出信號由停滯、轉(zhuǎn)換率、分辨率等構(gòu)成。 (6) 定時 I/0 許多場合都要用到定時器，如數(shù)字脈沖定時、產(chǎn)生方波等。門限信號實際上是觸發(fā)信號一使它工作或不工作 。輸出是在輸出線上產(chǎn)生方波和脈沖。高分辨率意味著計數(shù)器可以計更多的數(shù)，時鐘頻率決定了產(chǎn)生數(shù)據(jù)信號輸入的快慢，頻率越高，計數(shù)增長得越快，因而輸入端的信號頻率高，就可以產(chǎn)生高頻的脈沖波和方波。數(shù)據(jù)系統(tǒng)一個主要方面是驅(qū)動軟件的使用。驅(qū)動軟件在保持高性能、提高給用戶易于理解的基礎(chǔ)的同時，隱藏了復(fù)雜、詳細的硬件及程序設(shè)計。數(shù)據(jù)采集技術(shù)是電子測量儀器的基礎(chǔ)，當然也是虛擬儀器的基礎(chǔ)。 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)簡稱 DAS(DataAequisitionSyst。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是計算機、智能儀器與外界物理世界聯(lián)系的橋梁，是獲取信息的重要途徑。它所處理的是數(shù)字信號，因此輸入的模擬信號必須進行模數(shù) (A/D)轉(zhuǎn)換，將模擬信號量化 :，變成數(shù)字信號。數(shù)據(jù)采集要經(jīng)過采樣和量化兩個必要步驟。如果被測信號變化緩慢，也可以不用采樣 /保持器。 A/D 轉(zhuǎn)換器將采樣信號量化，將轉(zhuǎn)換成的數(shù)字信號輸入到計算機中。有的系統(tǒng)不采用公用放大器，而根據(jù)信號特點單獨配置。 。 圖 31 數(shù)據(jù)采集卡結(jié)構(gòu)圖 采樣 /保持器的工作原理 在實際系統(tǒng)中用到 A/D 轉(zhuǎn)換時，如果模擬信號變換較快，那么，為了保證轉(zhuǎn)換精度，就要在 A/D 轉(zhuǎn)換之前加上采樣 /保持電路，使得在 A/D 轉(zhuǎn)換期間輸入的模擬信號保持不變。在采樣方式下，采樣 /保持器的輸出必須跟蹤模擬輸入電壓 :在保持方式下，采樣/保持器的輸出將保持采樣命令發(fā)出時刻的電壓輸入值，直到保持命令結(jié)束為止。從圖中可以看到，采樣 /保持 器由輸入緩沖放大器、輸出緩沖放大器、保持電容和控制開關(guān)組成。在測控系統(tǒng)中，被測量經(jīng)常是幾個或者幾十個，為了降低成本和減小面積，系統(tǒng)通常使用公共的放大器、采樣 /保持器以及 A/D 轉(zhuǎn)換器，因此需要使用多路開關(guān)輪流把各路被測信號分時的與這些公用器件連通。圖 4一 4為 LF13508 單端 8通道多路模擬開關(guān)原理框圖，它有三個二進制控制輸入端 口。 EN 為使能端，當 EN=0 時，通道斷開，禁止模擬量輸入 。在實際數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，有時采樣點數(shù)不止八路，因此需要使用多個集成模擬開關(guān)進行通到擴展，以滿足要求。正是由于計算機技術(shù)、量化采集和數(shù)字信號處理技術(shù)的引入，使其對于各類簡單信號、復(fù)雜信號、單次信號和周期信號波形的測量、記錄、存儲、分析復(fù)現(xiàn)都非常有效，在各行各業(yè)中均有廣泛的應(yīng)用。虛擬儀器也是由這三大部分組成，但是除了信號采集部分可以由硬件或者軟件實現(xiàn)之外，其它兩部分都是由軟件實現(xiàn)的。時基控制主要控制采集掃描數(shù)據(jù)的掃描率、信道掃描次數(shù) (取樣數(shù) )。信道控制主要控制單信道或雙信道測量 。頻譜分析模塊采用 FFT算法，完成頻域信號分析。根據(jù)虛擬示波器功能的需要，程序至少應(yīng)包含以下模塊 : (1) 數(shù)據(jù)采集 :主要完成數(shù)據(jù)采集的控制，包括設(shè)備號、通道選擇控制、采樣速率、采樣點數(shù)等，另外選擇采集的波形類型。B、 XY、 Aamp。A 微分模式。 (4) 頻譜分析 :利用 FFT 窗口對波形進行頻譜分析。 系統(tǒng)總體流程圖 圖 41 系統(tǒng)總體流程圖 Labview 前面板用于設(shè)置輸入數(shù)值和觀察輸出值，用于模擬真實示波器的前面板。設(shè)計前面板時，主要考慮界面美觀，操作簡潔，用戶可以通過前面板中的開關(guān)和旋鈕模擬傳統(tǒng)儀器的操作，通過鍵盤和鼠標實 現(xiàn)對虛擬示波器的控制。 本系統(tǒng)包括了 27個控件，其中輸入控件 12個，顯示控件 15 個。枚舉 1控制是輸入原信號還是輸入已經(jīng)存儲的波形信號。枚舉 2控制著系統(tǒng)的三個不同的功能模塊，即實時顯示，頻譜分析和參數(shù)測量模塊。顯示控件主要是對所測量的參數(shù)進行顯示，包括有波形的頻率，峰峰值，占空比等。 14 圖 42 系統(tǒng)總體前面板 圖 43 系統(tǒng)總體程序框圖 利用濾波技術(shù)可以在被噪聲淹沒的信號中提取所需要的信號，抑制不需要的干擾信號。 LabVIEW 中列有各種數(shù)字濾波器，這些數(shù) 字濾波器都可以直接調(diào)用而用考慮它的內(nèi)部設(shè)計。該節(jié)點可設(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種濾波器類型 (低通、高通、帶通和帶阻 )的選擇。濾波模塊的前面板如圖 15 圖 44 濾波器前面板 圖 45 濾波器程序框圖 波形存儲和回放模塊波形存儲功能主要適用于因特殊原因不能實時處理數(shù)據(jù)，或者是數(shù)據(jù)對以后的研究具有重要的參考價值的場合，我們在實際實驗中，需要先把數(shù)據(jù)保 存下來，日后再將原保存的數(shù)據(jù)文件讀取出來，此時讀出的數(shù)據(jù)就和實時采集的數(shù)據(jù)一樣，也能進行自動參數(shù)測量，頻譜分析等。這樣的功能就依靠波形存儲回放顯示模塊來實現(xiàn)。 16 圖 46 存儲和回放模塊前面板 圖 47 a 存儲和回放模塊程序框 圖 圖 47 b 存儲與回放模塊程序框圖 17 頻譜分析模塊采用快速傅立葉 FFT 算法，完成頻域信號分析，可以獲得對應(yīng)的頻譜圖。 本文中可以實現(xiàn)的頻譜分析控制包括 : (1)窗口選擇 :提供多種頻譜分析窗口。 (3)坐標模式選擇 :Log/Linear 兩種坐標顯示模式可以選擇。可以在不同的縱坐標單位之間進行轉(zhuǎn)換 。 傅里葉變換是信號處理中最基本，最重要的變換之一，其本質(zhì)是建立了信號的以時間為變量的時域分析與以頻率為變量的頻譜分析之間的映射關(guān)系。 按照傅里葉級數(shù)的定義，凡是滿足狄利克雷條件的周期函數(shù)都能寫成傅里葉級數(shù)的形式，函數(shù)的周期為 T1，各次諧波成分的幅度值按以下各式計算： 直流分 量 a0= dtTtt tfT ? ? 1001 )(1 （ 41） 余弦分量的幅度 an= dtTtt tntfT ? ? 100 11 )c os ()(2 ? （ 42） 正弦分量的幅度 bn= dtTtt tntfT ? ? 100 11 )s in ()(2 ? （ 43） 其中 n=1,2,.....。計算機只能處理離散且有限長度的數(shù)據(jù)，要用計算機完成頻譜分析和其它方面的工作，通常的處理方法是模擬信號 x(t)進入數(shù)字計算機前先經(jīng)過數(shù)據(jù)采集卡 (DAQ)中的采樣器，將連續(xù)時間信號變?yōu)殡x散時間 信號，成為采樣信號而后再經(jīng) A/D 轉(zhuǎn)換器在幅值上量化變?yōu)殡x散的數(shù)字信號?，F(xiàn)將在頻域中分析其頻譜的變化。采樣信號的頻譜在幅值上比信號 x(t)的頻譜 X(? )幅值放大了 1/T 倍，并呈現(xiàn)周期性，周期為 s? ,即在頻率 ? 軸上， 18 每隔 ? S=2? /T，在 ? S， 2? S，?， m? s 處重復(fù)出現(xiàn) X(? )/T，在 m=o 處的譜線就是原信號 x(t)的頻譜 X(? )(乘以 1/T，稱為主分量 ? =? /T 到 ? /T 為主周期。 (2) 采樣定理 信號采樣是把連續(xù)時間信號變?yōu)殡x散時間序列的過程。其中T是采樣間隔，ω S=2π /T為采樣角頻率，它們的取值是一個很重要的問題。實際工程中的低通濾波器不可能有理想的低通特性，故采樣頻率需要更高，通常為ω S=(4~20) ω m。 S 不滿足采樣定律，即ω S2ω m，在每隔ω S重復(fù)出現(xiàn) X(ω )/T 譜線時均出現(xiàn)譜線的重迭。 (3)離散傅立葉變換 (DFT) 離散傅里葉變換是指用計算機實現(xiàn)對式 dtetxwX jw t??????? )()( （ 45） dweXtx jw t?????? )(21)( ?? （ 46） 所表示的傅立葉正反變換的數(shù)值計算 離散傅里葉變換定義式 : 當采樣點 i=0,1,2? n,時，共有 N個，即無限長信 號截斷后變?yōu)橹芷谛盘枺l譜由連續(xù)譜變?yōu)殡x散譜，即ω =k﹡ 2π /NT,于是有離散傅里葉變換的定義如下： 正變換： ktNt NNttnjk WixeiTxkX ?????? ?? ?? 10102 )()()( ? （ 47） 反變換： ktNNkktnjNk WkXNekXNtx????? ?? ?10210 )(1)(1)( ? （ 48） 算是式中的 NktjN eW ?2?? （ 49） 為復(fù)數(shù)因子。下面簡要介紹頻域分析模板中的主要模塊。如果輸入數(shù)組為長度為 2 的整數(shù)次冪，則調(diào)用快速傅里葉反變換算法，否則將調(diào)用一個更高效的離散傅里葉反變換算法 圖 48 頻譜分析模塊程序框圖 20 圖 49 頻譜分析模塊前面板 參數(shù)測量模塊總共測量了 14 個有關(guān)參數(shù)，分別為：周期平均值，周期均方根，直流值，反峰，正峰，峰峰值，均方根值，頻率，周期，連續(xù)期，占空比，前沖，過沖，邊沿斜率。儀器的主要功能包括波形顯示、頻譜分析、波形存儲和讀取等。用虛擬信號發(fā)生器來產(chǎn)生不同頻率和幅值的波形，通過虛擬示波器來顯示、測量、處理和分析這些波形，來檢測虛擬示波器的性能 。主要圍繞信號的采集、信號的分析和信號的處理幾個方面闡述了虛擬實驗儀器的硬件構(gòu)成和軟件設(shè)計。并通過模擬實驗和實時實驗對該虛擬儀器的 功能進行了測試，測試結(jié)果是令人滿意的。 論文的主要工作包括以下幾個方面 : 分析討論了虛擬儀器系統(tǒng)的構(gòu)成和設(shè)計原理，指出傳統(tǒng)測試儀器存在的缺陷和不足，提出了用虛擬儀器替代傳統(tǒng)儀器是具有現(xiàn)實意義的。分別從數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的各部分的作用和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計這兩方面研究如何來構(gòu)建虛擬儀器系統(tǒng)。 利用計算機和相關(guān)的硬件對虛擬示波器和虛擬信號發(fā)生器作了模擬實驗 檢測和實時實驗檢測，得到了相關(guān)的波形顯示和數(shù)據(jù)。在本文的研究基礎(chǔ)上，下一步的工作是 : (l) 對虛擬示波器和虛擬信號發(fā)生器的功能進行進一步的完善。 (3) 在此基礎(chǔ)上進一步開發(fā)多種虛擬儀器產(chǎn)品，如電壓表、虛擬頻率計等，以求構(gòu)成完善的虛擬實驗儀器系統(tǒng)。因此在實驗室的建設(shè)中，應(yīng)用虛擬技術(shù)是一個很好的選擇。相信未來，虛擬技術(shù)將得到更大的發(fā)展，應(yīng)用范圍也會越來越廣，具有廣闊的應(yīng)用前景和巨大 的潛在經(jīng)