（无线电物理专业论文）基于虚拟仪器技术的电磁辐射的检测研究.pdf

摘要 随着科技的发展，低频电磁辐射对人体的危害已经被证实。对低频电磁辐射 的测量对于保护人类健康有重要的意义。论文详细介绍了电磁辐射的理论基础， 当前电磁环境状况，电磁辐射研究领域动态。特别指出移动电话和计算机等家用 电器的电磁辐射概况，以及电磁波检测工作的必要性。在此基础上分析了虚拟仪 器系统的设计思路，根据虚拟仪器“软件就是仪器 的核心，开发了三种以虚拟 仪器技术为核心的电磁辐射自动测量系统。详细介绍了系统的软硬件组成，并且 利用该测试系统对环境中的不同辐射源进行测量，对数据进行分析处理，并实现 了不同辐射源的模式识别。整个系统界面友好，操作方便，功能齐全，具有较高 的应用价值。 关键词：自动测量；虚拟仪器；l a b v l e w ；辐射；模式识别 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft e c h n o l o g y ，l o w f r e q u e n c ye l e c t r o m a g n e t i c r a d i a t i o nh a z a r dt oh u m a n sh a sb e e nc o n f i r m e d f o rt h ep r o t e c t i o no fh u m a n h e a l t h ，t h el o w f r e q u e n c ye l e c t r o m a g n e t i cr a d i a t i o nm e a s u r e m e n t sa r e i m p o r t a n t t h ep a p e ri l l u s t r a t e st h eb a s i ct h e o r yo fe l e c t r o m a g n e t i c r a d i a t i o n ，c u r r e n te l e c t r o m a g n e t i cs t a t eo ft h ee n v i r o n m e n ta n dd y n a m i c f i e l do fe l e c t r o m a g n e t i cr a d i a t i o n t h ep a p e rs p e c i a l l yp o i n t so u tt h e o v e r v i e wo fe l e c t r o m a g n e t i cr a d i a t i o no ft h o s em o b i l ep h o n e s ，c o m p u t e r s a n do t h e rh o m ea p p li a n c e s m e a n w h i l e ，t h ep a p e rp o i n t so u tt h ei m p o r t a n c e o ft h ew o r ko f e l e c t r o m a g n e t i cd e t e c t i o n 0 nt h eb a s i so ft h i s ，t h ep a p e r a n a l y z e st h ed e s i g ni d e a so fv i r t u a li n s t r u m e n ts y s t e m b a s e do nv i r t u a l i n s t r u m e n t sc o r eo f“s o f t w a r ei st h e e q u i p m e n t ”d e v e l o p et h r e e e l e c t r o m a g n e t i cr a d i a t i o n a u t o m a t i cm e a s u r i n gs y s t e m s t h ep a p e rd e t a i l s t h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r ec o m p o n e n t so ft h es y s t e m t h ep a p e rm e a s u r e st h e d i f f e r e n tr a d i a t i o ns o u r c e sm a k i n gu s eo ft h et e s ts y s t e m ，a n a l y z e st h e d a t aa n da c h i e v e st h ep a t t e r nr e c o g n i t i o no fd i f f e r e n ts o u r c e s t h ew h o l e s y s t e mi su s e r f r i e n d l y ，e a s yt oo p e r a t e ， a n dh a v eah i g hv a l u e k e yw o r d s ：a u t o m a t i cm e 删e m e m ；v i r t u a li n s t r u m e n t ；l a b v i e w ；r a d i a t i o n ； p a t t e mr e c o g n i t i o n 厦门大学学位论文原创性声明 兹呈交的学位论文，是本人在导师指导下独立完成的研究成果。 本人在论文写作中参考的其他个人或集体的研究成果，均在文中以明 确方式标明。本人依法享有和承担由此论文产生的权利和责任。 声明人( 签名) ：赶正蕊 孵钼弓日 厦门大学学位论文著作权使用声明 本人完全了解厦门大学有关保留、使用学位论文的规定。厦门大 学有权保留并向国家主管部门或其指定机构送交论文的纸质版和电 子版，有权将学位论文用于非赢利冒的的少量复制并允许论文进入学 校图书馆被查阅，有权将学位论文的内容编入有关数据库进行检索， 有权将学位论文的标题和摘要汇编出版。保密的学位论文在解密后适 用本规定。 本学位论文属于 1 保密( ) ，在年解密后适用本授权书。 2 。不保密( 0 ( 请在以上相应括号内打“ ) 作者签名：起丑惹日期：多矿学年 占月 弓 日 导师签谚毫 日期：z 卯矿年 月 多 日 第一章绪论 1 电磁辐射的理论基础 第一章绪论 电磁辐射是指能量以电磁波的形式在空间传播的现象。电磁波是以波动形 式存在的电磁场，它可以脱离电荷和电流而在空间传播，它的传播不需要介质。 电磁辐射通常指电场强度、磁场强度和无线电干扰三种物理现象或物理量。环境 学和环境管理中所指的电磁辐射还包含独立的电场和磁场以及电磁感应现象和 感应电流等。环境保护面临的主要问题有资源破坏和环境污染( 又称介质污染) 两大问题，环境污染又包含能量流污染和物质流污染两种类型。其中，电磁环境 污染属于能量流污染。口1 电磁环境的组成包括天然电磁环境和人为电磁环境。3 1 天然电磁环境指的是来自太阳的电磁波和来自地球这个大磁体的地磁场。而 人为电磁环境指的是：广播电视城市中影响电磁环境的最大辐射源是电视，广播 发射塔；通讯设施中的雷达微波站、卫星地面站、移动通信基站、无线电寻呼和 手机等；以电力为能源的交通工具产生的宽频电磁噪声；电力系统的高压变电站 和输电线；工业、科研、医疗技术中使用的高频设备工作时产生的电磁感应场和 辐射场；各种家用电器产生的电磁场。 电磁辐射危害人体的机理主要是热效应、非热效应和累积效应等n 1 。 1 ) 热效应：人体7 0 以上是水，水分子受到电磁波辐射后相互摩擦，引起 机体升温，从而影响到体内器官的正常工作。 2 ) 非热效应：人体的器官和组织都存在微弱的电磁场，它们是稳定和有序 的，一旦受到外界电磁场的干扰，处于平衡状态的微弱电磁场即将遭到破坏，人 体也会遭受损伤。 3 ) 累积效应：热效应和非热效应作用于人体后，对人体的伤害尚未来得及 自我修复之前( 通常所说的人体承受力内抗力) ，再次受到电磁波辐射的话， 其伤害程度就会发生累积，久之会成为永久性病态，危及生命。对于长期接触电 磁波辐射的群体，即使功率很小，频率很低，也可能会诱发想不到的病变，应引 起警惕。多种频率电磁波特别是高频波和较强的电磁场作用人体的直接后果是在 不知不觉中导致人的精力和体力减退，容易产生白内障、白血病、脑肿瘤，心血 基于虚拟仪器技术的电磁辐射的检测研究 管疾病、大脑机能障碍以及妇女流产和不孕等，甚至导致人类免疫机能的低下， 从而引起癌症等病变。 2 当前电磁环境状况 近二十年来，随着我国科学技术进步和社会经济的迅速发展，各种电子、电 力设备和设旋大量出现在人们的日常生活和工作中。但是，随之而来的电磁辐射 污染阀题也尽益严重。 据国家环境保护总局1 9 9 7 - 1 9 9 8 年在全国3 0 个省、直辖市进行的环境电 磁辐射污染调查显示，我国爵前环境中人为电磁辐射不断增强的主要原因是： 1 ) 广播电视发射设备的增多、功率的增大； 2 ) 通信发射设备以及移动电话的普及和频繁使用； 3 ) 工业、科研、医疗应用中高频用电设备的增加； 4 ) 电力部f 1 高压输电线路的发展； 5 ) 交通运输的电气化。 6 ) 家用电器的迅猛普及，特别是计算机的使用。 据统计，墨前全国广播电视发射设备有l 万多台，总功率超过1 3 万千瓦； 丽工业、科研、医疗等高频设备近1 5 万台，合计功率达2 5 0 万千瓦；移动通信 设备的发展更是迅速，在过去几年的时间里手机用户数量猛增，到2 0 0 0 年6 月 底，我黧的移动电话用户数已发展到近6 千万，移动透信基站超过7 万个瀚。 由于对电磁辐射所造成的健康危害的不同理解，不同国家所制定的电磁辐射 标准有很大的差异。其中，俄罗斯、意大利、中国、比利时等国家在制定标准时 考虑了电磁辐射对人体神经效应方面的影响，标准限值比较严厉，美国、澳大利 亚、德国等国在制定标准时采用了国际非电离协会( i c n i r p ) 的推荐标准，没有 考虑电磁辐射对人体神经效应方面的影响，而只是考虑已有明确研究结果的热效 应，标准限值较宽松，将来仍然有进一步提高标准限值的可能泌1 。 接着本文着重介绍两种类型的电磁辐射现状： 2 1 移动电话的电磁辐射概；咒 随着科学技术水平的不断发展和人类生活水平的迅速提嵩，手持移动电话 2 第一章绪论 ( 简称手机) 彻底改变了人们的通讯方式，已成为人们在社交、工作及生活中信 息交流便捷使用的工具，其普及程度也越来越高。在我国，随着移动通讯网a 网、 b 网、g s m 网、以及c d m a 网在应用中日益成熟，移动电话的普及率日趋加大。 到2 0 0 1 年4 月末，我国已是世界上拥有移动电话量最多的国家之一口1 。但手 机在给人们的工作和生活带来方便的同时，也给环境带来一定的污染，国外有长 期使用手机引起脑部病变的报道呻1 。 手机电磁辐射从距离上可分为两种：近场辐射和远场辐射，影响手机消费者 的主要是近场辐射。专家认为，电磁辐射作为一种普遍的“非电离辐射”，功率 仅有0 6 、1 w ，比一般的家用电器小的多。但手机与人体的距离是所有辐射产品 中最近的，特别是贴近大脑时，而人与一般家用电器的距离大多在1 2 m 以外； 有些人每天使用手机的时间已超过受到其他家用电器辐射的时间，所以手机辐射 对人体的危害要远大于电视塔、微波炉等3 。 2 2 家用电器及电脑的电磁辐射概况 家用电器是供家庭日常应用的电器器具，也可用于农业生产和公用事业，故 也称为日用电器。它能够改善生活环境，减轻家务劳动，并为日常生活的社会化 服务工作创造有利条件，提高人民的生活水平；但另一方面，如果使用不当，也 会造成电磁环境恶化，影响人民的身体健康或造成无线电噪声干扰。 实际上，家用电器在居室中产生的电磁波要比高压输电线强很多倍。这些电 器很多都是在人体很近的地方使用。如烧水壶和吹风机，每天使用吹风机的时间 如超过2 5 m i n ，就会给身体造成危害。受电磁波辐射的时间越长，受到危害越 大。在各种家用电器中除剃须刀和吹风机外，很少有距离3 c m 的，而在距3 0 a m 处， 微波炉的电磁感应强度是比较大的。随着电器的普及，微波炉已进入大多数的家 庭中。微波炉是利用微波加热的设备，国际上对微波加热设备均采用2 4 5 0 m h z 和 9 1 5 m h z 的固定频率n 引。我国大多采用的是2 4 5 0 m h z 频率。其工作原理是，在微 波的作用下，食物中的水分子取向发生改变，这种改变引起分子扰动来加热食物。 具体的讲，微波加热就是由电磁场与物质分子直接发生作用，按照能量守恒定律， 这部分微波被食物中的水分子吸收直接转变为热量n 。但是人们在使用过程中会 不可避免的受到微波辐射。近年来，使用微波炉的意外事件不断发生，因此对微波 基于虚拟仪器技术的电磁辐射的检测研究 炉的电磁辐射进行测试意义十分重大。 电脑的终端是监视器。从辐射搬源来看，它们包括显示器辐射源、机箱辐射 源以及音箱、打印机、复印机等周边设备辐射源。机箱内部的各种部件，包括高 频率、功耗大的c p u ，带有内部集成大量晶体管的主芯片的各个板卡，带有高速 直流伺服电机的光驱、软驱和硬盘，若干个散热风扇以及电源内部的变压器等等， 工作时则会发出低频电磁波等辐骞季和噪音干扰。秘羽 3 电磁波检测工作的必要性 在电子技术为我们的生活，工作带来匝大方便的同时，其电磁辐射对人体健 康的影螭也越来越受到人们的关注。 虽然对电磁环境的负面影响可以采取定的防护措施，但要从根本上解决问 题，还是要提早预防，一旦发现问题就及时处理，这就要求对电磁环境状态有科 学的数据分析，合理的监测测量，徽到防忠于未然，这样才能很好的控制电磁环 境的恶性发展，在利用电磁资源给我们的的生活带来便利的同时又将其反作用降 至最低。 我国有关的政府管理部f l 和科磷机构在此方巍做了大量的调查研究工作，并 逐渐建立起相应的管理体系，针对存在的主要问题采取了必要的控制措施。近几 年，为适应全球贸易一体化的需要，我国加强了在电磁辐射领域的国际交流与合 作，积极参与到国际e m f 项目中。滋 4 电磁辐射研究领域动态 新技术的大量应用使电磁场成为最普遍的环境影响因素之一，国际上许多研 究机构均对电磁辐射与人体健康闻的关系展开了大量研究。驭3 3 美国、西德、日本、英国等发达国家，早在上世纪3 0 年代就制定了电磁辐 射的安全卫生标准，并已将电磁辐射的监测与管理纳入了日常的环保管理工作 中。在唾5 年以前，前苏联和美国对此进行了一系捌的研究。2 0 世纪在7 0 年 代制定出关于高频电磁场容许临界参数的第一批标准文件。目前科学研究，对热 效应已有定量的结论。对非热效应，还没有定量的值，只有定性的结论。w h o 参 与电磁场安全性研究已经很久了。其现阶段的工作重点为1 9 9 6 年开始，为期五 4 豢一掌绪论 年的“国际电磁场计划( i n t e r n a t i o n a le m fp r o j e c t ) 1 4 1 其目的在予整合国 际藏襁关的研究活动，黻霸能尽旱协助世人理清电磁场是否会对人体造成热效应 之矫的蕻缝伤害。赞助或参与蓝计划鳇单位包括8 令国际级组织( 爨、i 纛黔、 i c n i r p 、i e c 、i l o 、n a t o 、u n e p ) ，嚣除了i c n i r p ( 国际非离子辐射防护委员会) 之外，负责科学工作执行的单位包含英国、美国等7 个国家级研究组织或政府 部门，而参与或表达对此项计划有兴趣的国家总数达4 0 个。其研究重点在于更 准确的评话环境中低频电磁场韵暴露风险、长期暴露于低频电磁场的可能生物作 黑与概铡、耀关静警刽办法与防护措施、安全暴露的教育宣传等。 我圜的电磁辐射琢境管理起步较晚。但从1 9 8 8 年以来，先感已发布7 电 磁辐射防护规定( g b 8 7 0 2 - 8 8 ) 、环境电磁波卫生标准( g b 9 1 7 5 - 8 8 ) 等2 5 项 中华人民共和国困家标准，发布了辐射环境保护导则一电磁辐射环境影响评价 方法与标准( 爵疗1 0 ，3 - 9 6 ) 等3 顼中华入民共和雷环境保护行妲标准，发布 了微波辐射生活区安全隈擅( g j b 4 7 5 8 8 ) 等2 项中华人民共帮星黧家军震 标准。豳家环境保护局1 9 9 7 年发布的电磁辐射环境保护管理办法，使我国 的电磁辐射军用环境管理有了法规依据n 朝。同时，我国的研究人员也在积极探索 低频电磁场对入体的生物效应。 在跨入2 l 世纪之器，实验室研究开始站在与计算和通谦剖新相并列的测量 创新的最喜誊线。这些学科的翊互融合衍生凄的耨科技己对我铜的生活造威了普遍 的影响。今天，测量工具正从实验室、医院和工厂移彝办公室、各种场所和我们 的家庭。例如，新一代的非扩散性治疗仪器使患者在自己舒适的家中监控和治疗 自己的病情成为可能。分布式的测量仪器和轻快灵活的备种设备已允许进行现场 测试溪。墨蓠瓣霹电磁辐射翡检测主要是剩用手持检溅设备魏国产的7 0 1 型三维 场强计或其它三维场强计进行测量，并记录测量数据，测量返回矗瓣数据进行整 理和处理，最后统计成报表或文档。在测量期闻测量工作都有检测工作人员来手 动完成，这是传统的环境检测方法。 5 本文研究恣容 褶院较戳前的电磁辐射检测方法，本文提出虚拟仪器的概念，在对电磁辐 射研究酶基稿上开发了个以虚拟仪器技术为核心的电磁辐射自动测量系统，详 缨介绍了系统鳇软硬件组成，并置捌用该测试系统对环境中鲍不嚣辐射源进行测 量，对数据进行分析处理。 5 基于廉拟仪器技术的电磁辐射的检测研究 5 。1 研究目标 基于电磁波辐射及其检测的理论基础和其发展现况，通过自制的电磁波自动 测量系统对具体的环境电磁辐射进行测量，并判定环境中的各种电磁辐射主要是 由那些频段组戒，实现不同辐射源的模式识别。 5 2 研究内容 1 ) 用德国l e y b o l d 的数据采集卡进行数据采集，利用l a b v i e w 圈形纯开发 平台进行虚拟仪器的软件编程，开发一个电磁波检测的自动化测量系统，共对环 境中的各种电磁辐射源进行检测，得到具体数据，进行分析。 2 ) 用普通电脑的声卡进行数据采集，重新进行相疲的l a b v i e w 软件编程， 开发一个电磁波检测的自动化测量系统，并对环境中的各种电磁辐射源进行检 测，得到具体数据，进行分析。 3 ) 用数字示波器进行数据采集，重新进行相应的l a b v i e w 软件编程，开发 一个电磁波检测的自动化测量系统。 4 ) 通过实验验证测量数据的准确性，软件编程的正确性，以及利用自制电 磁波自动化测量系统进行环境检测的可行性，并实现了不同辐射源的模式谈别。 6 第章虚拟仪技术 虚拟仪器概述“” 什么是虚拟仪器 第二章虚拟仪器技术 虚拟仪器，就足在以通用计算机为核心的硬件平台上，由f j 户设计定义、具 有虚拟前面板、测试功能由测试软件实现的一种计算机仪器系统。其基本思想就 是在测试系统或仪器设计中尽可能地用软件代替硬件，即“软件就是仪器”。虚拟 仪器代表着从传统硬件为主的测量系统到以软件为中一f l , 的测量系统的根本性转 变。新的以软件为中一1 1 , 的虚拟仪器系统为用户提供了创新技术并大幅降低了生产 成本。有了虚拟仪器，工程师和科学家就可以完全根据自己的需求组建测量和自 动化系统，而不用再受功能固定的传统仪器的限制。 从图2l 可咀看出虚拟仪器的三大组成部分： 篱 虢 卜匝丑匝固一 罔21 虚拟仪器体系结构图 习 ；l ； 1 ) 高效的软件 软件是虚拟仪器技术中最重要的部份。使用诈确的软件工具并通过设计或调 用特定的程序模块，1 ：程师和科学家们可以高效地创建自己的应用以及友好的人 基于虚拟仪器技术的电磁辐射的检测研究 机交互界面。有了功能强大的软件，您就可以在仪器中创建智能性和决策功能， 从而发挥虚拟仪器技术在测试应用中的强大优势。 2 ) 模块化的i 0 硬件 面对如今日益复杂的测试测量应用，n i 提供了全方位的软硬件的解决方案。 无论您是使用p c i ，p x i ，p c m c i a ，u s b 或者是1 3 9 4 总线，n i 都能提供相应的模 块化的硬件产品，产品种类从数据采集、信号条理、声音和振动测量、视觉、运 动、仪器控制、分布式i o 到c a n 接口等工业通讯，应有尽有。n i 高性能的硬 件产品结合灵活的开发软件，可以为负责测试和设计工作的工程师们创建完全自 定义的测量系统，满足各种独特的应用要求。 3 ) 用于集成的软硬件平台 n i 首先提出的专为测试任务设计的p x i 硬件平台，已经成为当今测试、测量 和自动化应用的标准平台，它的开放式构架、灵活性和p c 技术的成本优势为测 量和自动化行业带来了一场翻天覆地的改革。p x i 作为一种专为工业数据采集与 自动化应用度身定制的模块化仪器平台，内建有高端的定时和触发总线，再配以 各类模块化的i o 硬件和相应的测试测量开发软件，您就可以建立完全自定义 的测试测量解决方案。无论是面对简单的数据采集应用，还是高端的混合信号同 步采集，借助p x i 高性能的硬件平台，您都能应付自如。 1 2 虚拟仪器分层式架构 虚拟仪器的架构是分层次的，由下至上包括四层，如图2 2 所示，依次是 测量前端层，总线层，测量和控制服务层和应用程序层。这四层结构组成了一 个协同工作的有机的整体，但每一层都是相对独立的，即每一层的组件可以在 不影响其他层工作的情况下进行更改和替换。正如前面提到的，在测量硬件不 变的情况下利用不同的应用程序就可以完成截然不同的任务，使用同一个应用 程序也可以在测量硬件更换的情况下完成相同的任务。这种模块化的架构使基 于虚拟仪器技术的测试系统更加灵活，更易于集成，同时也具有更强的鲁棒性。 c 1 7 】 8 第二章虚拟仪器技术 应用程序层 本地程序控制l 1 m e m 就 。 远稃柠制程序 。”t 1l a n 7 t i 测量与控制服务层 v i s a i v i d a q m x ii 总线层 外部总线内部总线 a 测鞋仪器 测 l 模块化仪器 i 台式仪器 量 j- 十 前 端 信号调理单元 t 层 l 传感器l 11 被测单元( 电量) 被测单元( 非电量) 图2 2 虚拟仪器的分层式架构 1 2 1 ：测量前端层 测量前端层由测试系统中所有的测量设备组成，它完成被测信号的采集、 调理和模数转换的工作，为高级的分析处理提供最原始的数据。 自然界中的被测信号包括电量信号，如电流、电压、和非电量信号，如温 度、光强、振动、压力、形变等。电量信号一般可以直接进行测量，对于非电 量信号，必须使用各种传感器将其转换成电量信号后才能进行测量，由于传感 器输出的信号通常都比较微弱且信噪比较低，所以这类信号在被数字化之前还 需先进行放大、隔离、滤波等预处理，这项工作可以由单独的信号调理单元完 成，也可以由集成在后续测量仪器中的电路完成n 8 1 。 测量仪器包括两大类。一类是传统的台式仪器或便携式数据采集设备，需 要为每个设备配置专门的驱动程序，如示波器、c a s s y 数据采集卡、n 1 6 0 0 8 数 据采集卡。另一类是模块化仪器，一般采用插卡式设计，可以安装在p c 机或特 定的插槽内，如声卡、音视频采集和发生模块等。 1 2 2 ：总线层 总线层是虚拟仪器构架中连接底层硬件和上层软件的媒介，测量仪器的总 9 基于虚拟仪器技术的电磁辐射的检测研究 线是仪器和计算机之间进行数据和指令交换的通道。一个自动化测量系统所使 用的总线结构的传输带宽、传输时延、传输确定性、易连接性、坚固性以及抗 干扰能力对系统的总体性能有直接影响。在测试测量领域内使用的总线主要分 为两大类，一类是外部总线，另一类是内部总线。 外部总线用于台式仪器或少数便携式数据采集设备与p c 之间的互连，也被 称为独立总线，常见的有r s 2 3 2 、u s b 、g p i b 、e t h e r n t 等，这些总线具有不同 的优缺点及应用领域。r s 2 3 2 总线传输速率较低，抗干扰能力也较差，但是这 种总线价格低廉，可直接连接到p c 机的端口上。支持流控制并允许自定义传输 参数以实现较为灵活的奇偶校验和时钟补偿机制，因此被用于许多低成本仪器 或数据流量小的仪器，如c a s s y 数据采集卡的控制和示波器的控制。u s b 总线 传输时延较大，电缆设计缺乏工业标准、在噪声环境中易造成数据丢失，但它 具备即插即用、热插拔等易连接优点和高达6 0 m b s 的传输带宽，且支持多点布 线，可在一个端口上通过集线器连接多个仪器，所以被广泛作为便携式数据采 集设备与便携式模块化仪器机箱的外部总线。g p i b 总线是面向仪器设计的，普 通的p c 机一般不具有相应的接口，必须通过特定的控制插卡或桥接器进行连 接，但它具备传输时延低，传输确定性高和抗干扰能力强的优点。所以长期以 来，都是指令密集型的台式仪器的首选。e t h e r n e t 总线在传输速率的稳定性、 传输的确定性和安全性上都有很多的缺陷，但是它是唯一能够实现远距离数据 传输的总线，利用它可以构建各种分布式系统和远程监控系统。n 8 1 9 2 0 3 内部总线分布在机箱内部，也被称为模块化总线，是各个模块化仪器插卡 与c p u 之间或者不同插卡之间数据交换的总线通道。由于模块化仪器上没有数 据处理电路，他所采集到的原始数据需经过运行在p c 上软件的处理才能被用户 识别，而且这种处理常常必须是实时的，例如显示动态信号的波形曲线，所以 这类总线需要更高的传输带宽和更低的传输延时。在科学测量领域常用的模块 化仪器总线主要是p c i 和p x i 。p c i 总线是目前p c 机机箱内最常见的i o 总线， 用3 2 位并行线实现1 3 3 m b s 的传输带宽，传输时延不到l u s 。由于总线具备独 立于c p u 的时钟，外设插卡可以通过一个仲裁进程直接访问和控制总线，无需 等待c p u 的服务，使i o 处理的延时和c p u 的负荷大大降低。p x i 总线称为面 向仪器的p c i 扩展总线，它结合了p c i 总线的电气特性和坚固的欧洲卡封装结 1 0 第二章虚拟仪器技术 构，将所有模块集成到一个专门的机箱中，模块与模块之间具有良好的通道隔 离机制，机箱背板上的星型触发总线和i o m 的共享时钟总线可以实现各个模块 之间的同步和定时，可使用普通p c 进行远程控制，也可利用机箱上的嵌入式处 理器进行本地控制，构建便携式的测试平台n 8 2 1 m 刳。 1 2 3 ：测量和控制服务层 测量和控制服务层是运行在计算机上的测量应用程序与测量硬件之间进行 通信的媒介，在虚拟仪器的开发中，可采用两种方式实现仪器的控制，一种是 直接仪器i o ，另一种是调用驱动程序a p i n 引。 直接i o ，即在应用程序中直接调用总线接口的读写函数，按照一定的语法 规则向仪器发送动作指令并解析仪器返回的数据。这个语法规则在早期是由不 同的仪器厂商各自定义的，1 9 9 0 年，一套标准化的可编程仪器指令诞生，称为 s c p i ，这套指令集为各类仪器规定了统一的语法格式，尽管它最初是基于g p i b 总线的，但后来已成为独立于物理接口的通用规范，并在仪器制造领域得到了 普遍实施。尽管如此，系统开发者还是需要花费很多的时间去熟悉仪器编程的 语法，而且在直接i o 方式下，程序的修改是十分不便的。 驱动程序是按照不同的仪器控制功能预先封装的一组应用程序接口，包括 仪器参数的设置，状态的查询，信号的测量和数据的读取等等，这些a p i 可在 应用程序中反复被调用，这样系统开发这就能专注于具体的项目，而不必掌握 仪器的指令语法、数据格式和i o 协议，也不必编写冗长的指令代码，从而降 低系统编程的难度。传统的驱动程序一般是基于特定的仪器和总线接口的，若 要替换这些硬件设备，就必须使用新的驱动程序。在虚拟仪器的驱动构架中， 还可以利用v i s a 、i v i 和d a q m x 这三种技术。v i s a 和i v l 分别使上层驱动程序 独立于底层的通讯界面和具体使用的仪器型号，d a q m x 测量服务软件为各种模 块化仪器提供统一的驱动程序。使用这些技术能够在最大程度上提高软件开发 的效率，并使测试系统的硬件层发生变动时，不会影响到原有的测量程序的运 行。n 7 1 1 2 4 应用程序层n 力 应用程序层是整个虚拟仪器构架的核心。对于传统仪器来说，操作面板是 固定的，数据处理算法由嵌入式处理器中的固件来实现，在仪器被生产出来之 基十虚拟仪技 u 磁耦射的椅测研究 后也是不可升级的，但在虚拟仪器的构架f ，这两样都可以通过灵活的测量程 序编程实现定制。 一个自动化测试系统的测量程序提供用户进行仪器控制、完成测量任务的 操作界面，并通过预先编写的算法对测量仪器获得的原始数据进行进一步的处 理或分析，最后将结果以直观的图标形式呈现给用户。在简单的测试系统中， 测量程序般只部署在一台控制p c 上，对于复杂的分布式系统，需要将一个大 型测量程序的不同部分部署到不同的目标上，其中位于各个测量现场的控制主 机往往只负责测量数据的实时处理和测量进程的实时控制，测量程序的用户界 面和进一步的数据分析则在远程主机上实现。由于这些测量程序运行在高性能 的p c 处理器上，所以它们可| 三l 实现相当复杂的信号分析算法，也可以让硬件输 出定制的模拟信号或数字信号，实现测量的控制。 2 虚拟仪器和传统仪器 21 虚拟仪器和传统仪器的区别m 删 从图2 3 可以看出，虚拟仪器与传统仪器的主要区别在于软件即信号处理 单元以及用户界面。 垦鋈鲴r 。1 c 恐r w e m v , 图23 传统仪器和虚拟仪器的基本模块对比 传统仪器依靠内嵌的处理器及固化的操作系统和应用程序来响应用户在面 板上的操作，按照用户的设置控制信号的采集，并对采集到的数据进行一定的 运算处理，最后将测量结果以一定的格式现实在屏幕上。令天，随着仪器性能 第二章虚拟仪器技术 的不断提高和功能的不断完善，它们的面板也越来越复杂，对于不同的测试项 目和测试要求，需要用到的功能往往各不相同，要将这些复杂的功能一一搞清 楚并熟练地加以操作运用并不十分容易，面对时间紧张地研发过程，仪器提供 给用户的界面需要尽可能的简单化。其次传统仪器一般是针对某个单一的测量 目的进行设计的，各自独立工作，彼此之间较难同步，对于复杂的测试项目， 需要某种机制将它们有机组合成一个能够流畅工作的系统。 与传统仪器不同，虚拟仪器依靠p c 的处理器，操作系统和各种应用程序 来完成测量任务。这些应用程序是针对不同的测试项目和测量要求进行设计的， 它们并不基于某台单独的仪器，而是面向整个测试系统，所以很容易在各台仪 器之间实现同步和定时。程序的界面就相对于传统仪器的面板，但可以按照测 量习惯选择各种按钮和表盘的排列方式，并添加实时的帮助信息。这样构建出 来的系统尽管内部十分复杂，但它呈现给用户的界面是十分友好易用的，即使 是原本对仪器完全不熟悉的测试者也可以很快地学会整个系统地使用方法。虚 拟仪器的优势还在于它的数据处理功能，传染仪器虽然也能进行某些运算，但 通常都很简单，无法满足复杂的信号分析算法。这样在整个测试过程中，测试 者所要做的仅仅是器件引脚的连接，必要的参数设置和简单的软件控制，就能 获得直观的物理结果，测量效率和准确率与以往相比都得到了质的提高。 2 2 虚拟仪器的灵活性1 虚拟仪器可由用户定义，而传统仪器则功能固定且由商家定义。不使用厂 商定义的、预封装好的软件，工程师和科学家获得了最大的用户定义的灵活性。 传统仪器把所有软件和测量电路一起封装，利用仪器前面板为用户提供一组有 限的功能。而虚拟仪器系统提供的则是完成测量或控制任务所需的所有软件和 硬件，软件功能完全由用户自定义。利用虚拟仪器技术，工程师和科学家们可 以使用这个高效且功能强大的软件来自定义采集、分析、存储、共享和显示功 能。虚拟仪器的灵活性体现在一下两点： 2 2 1 一个应用程序，不同的设备 如图2 4 所示，这是一个直流电压和温度测量系统。在基本系统构建之后， 可以在p c i 总线上使用m 系列d a q 设备开发应用程序；可以在p x i 系统上配置 坫于a 拟仪* 技术的1 8 磁辐咐的椅测目f 究 应_ 【 j 程序以完成新产品的测试；或者t 为了应用程序具有便携性，选择i 业 d a q 产品柬完成仟务。无论是何种选择，在这三种情况f ，仅在刚一个程序中 使用虚拟仪器而无需改变代码。 亨碍i 阐尊卿 童三曩嘲j ：享； 蒋瞰 j 齑 陶24 在不同设备上使用同一个应用程序 222 一个设备不同应用程序， 如图25 所示，利用m 系列d a 0 设备，可以完成测量电机位置积分的编码 器：可以监视和也录这个电机的功率。印使任务完全不刊也可以重用同样的m 系列d a q 设备。所需要做的就是使用虚拟仪器软件丌发一j 新的应用j f l i ! 序。 黉- 圈嘲嘲j 汀毫。雨 ，二p 虢嚼。、a y ：!二 蠹 甍 。鲁翟警! 蠹一i | j 一蓄= ： 陶254 i 同应用槲序使用同一个设备 b 辩瓢7 豺舢棼袅 一塑 第二章虚拟仪器技术 3 虚拟仪器开发平台- - l a b v i e w 开发虚拟仪器，必须有合适的软件工具。目前已有多种虚拟仪器的软件开发 工具。一类是文本式编程语言：如c 、v i s u a lc + + 、v i s u a lb a s i c 、l a b w i n d o w s c v i 等；另一类是图形化编程语言l a b v i e w 、h p v e e 等。这些软件开发工具为用户 设计虚拟仪器应用软件提供了最大限度的方便条件与良好的开发环境。下面将对 用得最多的l a b v i e w 做一简单介绍。州 3 1 什么是l a b v ie w 在以软件为核心的虚拟仪器构架下，一个符合行业标准且功能强大的应用开 发环境( a d e ) 对于实现测试系统的快速开发是至关重要的。l a b v i e w 是虚拟仪 器的倡导者美国国家仪器公司( n i ) 于1 9 8 6 年设计推出的一个专门用于开 发设计、控制和测试系统的软件工具。其独特的图形化开发环境为科学家和工程 师提供了一个简单易用且功能强大的程序开发平台，因而在科学研究，工业控制 和产品研发领域得到了广泛的应用。它强大的特性让用户可以非常方便地连接各 种各样的硬件产品和其它软件产品。l a b v i e w 平台不但使项目开发的周期大大缩 短，也使开发出来的系统具有更高的性能、运行效率、可靠性和兼容性。乜町n ” 3 2l a b v ie w 开发平台的特点汹1 3 2 1 图形化编程软件 l a b v i e w 为工程师和科学家们提供的最有力的特性就是图形化的编程环境。 可以使用l a b v i e w 在电脑屏幕上创建一个图形化的用户界面，即可设计出完全 符合自己要求的虚拟仪器。通过这个图形界面，可以操作仪器程序；控制硬件； 分析采集到的数据；显示结果。 阜十虚拟惶拙木的l u 磷舯的扮d 宄 霹雾爨景罡竺 l 止基_ 型矗立- 兰璧= 暨尘d 主量： ，罱乒 耀j 匦盏= 囝型捆一曰圄。 一目倒喁 = ：= = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = 一 的前面板和程序框图 您可以使用旋钮、丌关、转盘、图表等白定义您的前面板，用以代替传统仪 器的控制面板、创建自制测试而板或图形化表示控制和操作过程。标准流程图和 图形化程序幽的相似性使得它不象基于文本的传统语占那样难学，从而大大缩短 了用广的整个学习过程。您只需将各个图标连在一起创建各利t 流程图表，即可完 成虚拟仪器程序的开发，m 这也正好符合上程师和科学家们的原始设训理念。利 川圈形化编程，在保持您系统的功能与灵活| 生的同时，能大大加映您的开发速度。 322 连接功能和仪器控制 虚拟仪器软件编程的高效率米白内置的与硬件产品的完美集成陛。旨在丌发 测试、测量和控制系统的虚拟仪器软件还包括各种广泛的i o 功能。 【。a b v i e w 带有现成b j 用的函数库，用户可以川它集成各种独立台式仪器、数摒聚集设备、 运动控制和机器视觉产品、g p i b i e e e4 8 8 和串口r s2 3 2 设备、p lc s 等，从 而歼发出一套完整的测量和自动化解决方案。l a b v i e w 还包含r 主要的仪器标准 如v i s a g p i b 、串几和v x i 仪器可菸用标准；p x i 和錾一p x t 系统联盟 c o m p a c t p c i 标准的软硬件；i v i 可互换虚拟仪器驱动程序：v x ip l u g p l a y ；v x l 仪器标准驱动程序。 3 23 开放式环境 虽然l a b v i e w 己经提供了诸多应j h 系统所需要的工具，但它还是个开放 式的开发环境。软件的标准化取次于它与其它软件、测量和控制碗什及一些丌放 式工业标准的兼容性，凶为这些都决定了它与出自小同生产厂家产品的町共用 性。如果选择的软件符合了这些标准，就可以保证府用系统都充分利用了来臼不 例厂家的虽优秀的产品。此外，丌放式商、l k 标准叫步发展能帮助降低栏个系统 第二章虚拟仪器技术 成本。目前，有许多第三方软硬件生产厂家在开发并维护成百上千个l a b v i e w 函 数库及仪器驱动程序以帮助用户能借助l a b v i e w 轻松使用他们的产品。然而， 这还不是与l a b v i e w 应用系统相连接的唯一办法。l a b v i e w 还提供与a c t i v e x 软件、动态链接库( d l l s ) 及其它开发工具的共享库之间的开放式连接。此外， 您还可以用d l l 、可执行文件的方式或使用a c t i v e x 控件调用l a b v i e w 代码。 l a b v i e w 同样提供了广泛的通讯及数据存储方式，如t c p i p ，o p c ，s o l 数据库 连接，和x m l 数据存储格式。 3 2 4 降低成本、确保投资 因为只需一台安装了l a b v i e w 的计算机即可开发无数的应用程序、完成各 种任务，所以用l a b v i e w 开发的虚拟仪器证明是最经济的选择。一方面，只需 极低的系统开发成本，另一方面，从长远的来看它也能保证投资资金的安全、不 浪费。当测量需要发生变化时，无需购置新的仪器设备即可轻松对其进行修改或 扩展。可以开发完整的仪器库以备后用，其费用远远低子购买一台传统仪器。 3 2 5 支持多平台 大部分计算机使用的都是微软公司的w i n d o w s 系列操作系统。然而，也有 些其它的选择对某些特定应用来说有着显而易见的优势。随着计算机运算功能的 增强和体积的缩小，实时和嵌入式开发的应用在多数工业领域均有迅猛增长。这 使得减少不断更换开发平台所带来的损失变得格外重要，而选择正确的软件则是 解决这个问题的关键所在。l a b v i e w 则无需顾虑重重：它可运行在w i n d o w s 2 0 0 0 ，n t ，x p ，m e ，9 8 ，9 5 和嵌入式n t 环境下，同时还支持m a co s ，s u n s o l a r i s 与l i n u x 。通过l a b v i e w 实时( l a b v i e wr e a l - t i m e ) 模块，l a b v i e w 还 能够编译代码，让程序在v e n t u r c o me t s 实时操作系统中运行。考虑到程序兼 容性的重要意义，n i 公司的l a b v i e w 继续支持较早版本的w i n d o w s ，m a co s ， 和s u n 操作系统。l a b v i e w 是独立于平台的，在一种环境下编写的虚拟仪器程 序( 简称v i ) ，能够透明地转移到其他l a b v i e w 平台上。您所需做的，只是在 新环境下打开这个v i 即可。因为l a b v i e w 应用程序能跨平台使用，所以可以 确定今天的工作在明天也同样适用。随着新计算机技术日新月异的发展，还可以 轻而易举地将应用程序移植到新平台和操作系统中。另外，因为能开发出的虚拟 仪器程序能够在不同平台间移植、独立于操作系统，这既帮助节省了开发时间， 1 7 基于虚拟仪器技术的电磁辐射的检测研究 又避免了因为平台间转换带来的不便利。 3 2 6 分布式开发环境 利用l a b v i e w 可以轻松开发分布式应用程序，即便是进行跨平台开发。利 用简单易用的服务器工具，可以将需要密集处理的程序下载到其它机器上进行更 快速处理，也可以创建远程监控应用系统。强大的服务器技术简化了大型、多主 机系统的开发过程。另外，l a b v l e w 本身也包含了标准网络技术，如t c p i p ， 以及企业内部的发布与订阅协议等。 3 2 7 分析功能 在虚拟仪器系统中，将信号采集到电脑中并不意味着任务已经完成，通常 还需要利用软件完成复杂的分析和信号处理工作。在机械状态监视和控制系统的 高速测量应用中，经常需要对振动信号进行精确的阶次分析。闭环嵌入式系统一 般要利用控制算法进行逐点运算以便保证稳定性。除了在l a b v i e w 中已安装的 高级分析功能库外，n i 公司还为不同要求的测量提供了相应附加工具包，如： l a b v i e w 信号处理工具套件，l a b v i e w 声音与振动工具包，和l a b v i e w 阶次分 析工具包等。 3 2 8 可视化功能 在虚拟仪器用户界面里，l a b v i e w 提供了大量内置的可视化工具用于显示数 据：从图表到图形、从2 d 到3 d 显示，应有尽有。同时，你还可以随时修改界 面特征，如颜色、字体尺寸、图表类型，还有动态旋转、缩放等。除了图形化编 程和方便的定义界面属性外，只需利用拖放工具，就可将物体拖放到仪器的前面 板上。 3 2 9 灵活性与可调整性主要优势 工程师和科学家们需要并且要求系统能够不断变化。同时