（信号与信息处理专业论文）基于虚拟技术的虚拟高频实验室仪器的实现.pdf

摘黉 摘要 高频实验室是工科高等院校必备的实验教学设施。高频实验室存在着仪器 种类多、成本高、用途单一等缺点。丽虚拟仪器在很大程度上能够解决以上困 境，并且有利于从整体上改善办学条件和提高教学水平。通常虚拟仪器系统由 数据采集、数据分析、结果输出显示组成，数据采集部分通过硬件来实现，数 据分析和结果输出完全由计算机的软件系统来完成。本文硬件选用n i 公司生产 的数据采集卡p c 一6 2 5l 结构，软件利用图形化编程诱言l a b v i e w 为开发平台， 从硬件结构和软件两个方丽实现赢频虚拟实验室仪器的设计。 本文在分析与研究虚拟仪器、虚拟仪器开发环境l a b v i e w 、虚拟仪器硬 件系统的基础上，重点依据高频放大器、调幅及检波、调频及鉴频、调相及鉴 相原理，利用l a b v i e w 编程语言，结合编程思路与方法，对虚拟高频放大器、 虚拟调幅及检波器、虚拟调频及鉴频器、虚拟调相及鉴相器进行设计与仿真。 本文采用l a b v i e w 编程语言对虚拟信号发生器、虚拟示波器、虚拟频谱 分析仪进行设计，其可以实现信号生成、数据采集、数据处理、数据读取和存 储、波形显示等功能。 本文结合虚拟仪器的设计，总结了设计与研究过程中遇到的难题并指出了 解决方法。本文实现了虚拟仪器的高频虚拟实验室的的基硝建设，使之成为现 有实验教学的有益补充，从而大大提高实验教学的灵活性和适应性。 关键词：虚拟仪器，虚拟实验室，l a b v i e w a bs t r a c t h i 曲f r e q u e n c yl a bi st h en e c e s s a r yi n s t i t u t i o n a l o fe x p e r i m e n t a lc o u r s ei n e n g i n e e r i n gc o l l e g e s 。i th a ss o m es h o r t c o m i n g s ，i n c l u d i n gav a r i e t yo fa p p a r a t u s ， h i g hc o s t ，s i n g l eu s e ，e t c v i r t u a li n s t r u m e n tc a ns o l v et h a td i f f i c u l tp o s i t i o na n db e b e n e f i c i a lt oi m p r o v et h ew h o l ee d u c a t i o n a lc o n d i t i o na n dt e a c h i n gl e v e l ，u s u a l l y v i r t u a li n s t r u m e n ts y s t e mi sm a d eu po fd a t aa c q u i s i t i o n ，d a t aa n a l y s i sa n do u t p u t d i s p l a y e x c e p ts o m ep a r to fd a t aa c q u i s i t i o ni sc o m p l e t e db yh a r d w a r e ，t h eo t h e r s a r ea l lr e a l i z e db ys o f t w a r e s ot h ep a p e rd e s c r i b e st h ed e s i g na n dr e a l i z a t i o no ft h e 撼g h f r e q u e n c yv i r t u a ll a bi n s t r u m e n t sf r o mh a r d w a r ea n ds o f t w a r e ，u s i n gt h ed a q p c 2 51o ft h en ic o m p a n ya st h eh a r d w a r e ，a n dg r a p h i cp r o g r a ml a n g u a g e l a b v i e wa st h ed e v e l o p m e n ts o f t w a r e b a s e do nt h ea n a l y s i sa n dr e s e a r c ho fv i r t u a li n s t r u m e n t ，t h ev i r t u a li n s t m m e n t s d e v e l o p i n ge n v i r o n m e n t - - l a b v i e wa n dv i r t u a li n s t r u m e n th a r d w a r es y s t e m s ， v i r t u a lh i g hf r e q u e n c ya m p l i f i e r 、v i r t u a la ma n dd e m o d u l a t i o n 、v i r t u a lf ma n d f r e q u e n c yd e t e c t i o n ，v i r t u a lp ma n dp h a s ed e t e c t i o na r ed e s i g n e da n ds i m u l a t e dw i 搬 t h en e wp r o g r a m m i n gi d e aa n dm e t h o du n d e rl a b v i e wi nt h i sp a p e r a l s oi nt h i sp a p e r ，v i r t u a ls i g n a lg e n e r a t i o n ，v i r t u a lo s c i l l o s c o p e ，v i r t u a ls p e c t r u m a n a l y z e ra r e d e s i g n e d w i t hl a b v i e w , w h i c hc a nr e a l i z es i g n a l g e n e r a t i o n , d a t a a c q u i s i t i o n ，d a t ap r o c e s s i n g ，d a t ar e a d i n ga n ds t o r i n g ，w a v e f o r md i s p l a y ，a n ds oo n c o m b i m n g w i t hv i r t u a li n s t r u m e n ts c i e n t i f i cd e s i g n ，t h ep r o b l e m sa r es u m m a r i z e d a n ds o l u t i o n sa r ep o i n t e do u ta tl a s t 。t h eb a s i cc o n s t r u c t i o no ft h eh i g h - f r e q u e n c y v i r t u a ll a bi n s t r u m e n t sa r er e a l i s e e di nt h i sp a p e r ，w h i c hi st h eu s e f u ls u p p l e m e n tt o l a b o r a t o r yt e a c h i n ga n dc o u l dg r e a t l yi m p r o v et h ef l e x i b i l i t ya n da d a p t a b i l i t yo f l a b o r a t o r yt e a c h i n g 。 k e yw o r d s ：v i r t u a li n s t r u m e n t ，v i r t u a ll a b o r a t o r y , l a b v i e w 学位论文独创性声明 本人郑重声明： i 、坚持戬群求实、截新捧的科学耩裤麸事麟究互俸。 2 、本论文是我个人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究 成果。 3 、本论文孛除雩l 文癸，蔚有实验、数据帮肖关材料均是寞实熬。 4 、本论文中除引文和致谢的内容外，不包含其他人或其它机构 已经发表或撰霹过戆研究藏果。 5 、其他同志对本研究所做的嚣献均已在论文中作了声明并表示 了谢意。 作者签名：。馨翻盏 。 日 期： 磷。e 耸 学位论文使用授权声明 本太完全了解裔索蓓惑工程大学有关傈鐾、使焉学谴论文的撬 宠，学校誊毅保留学饿论文并囱国家主管部门戚其指定机构送交论文 的电子版和纸质版：有权将学位论文用予非赢利目的的少量复制并允 许论文进入学梭图书馆被套涟；有投将学位论文靛蠹容编入有关数据 寒避行梭索：有权将学位论文豹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。 作者签名： 馨溺煎。 蠢 蓑：巡：篁：茸 第一章绪论 1 1 课题背景 第一章绪论 虚拟仪器技术是测试技术和计算机技术综合集成的产物。虚拟仪器是用户在通用计算 机平台上，根据需求定义和设计仪器的测试功能，在操作这台计算机时，就像是在操作一 台自己设计的测试仪器掸。虚拟仪器从二十世纪八十年代初产生一直到现在，技术发展 逐步成熟，在工业自动化、仪器制造和实验室方面应用较为广泛。鉴于虚拟仪器较传统仪 器的优越性，将虚拟仪器应用到高校的实验室中，利用虚拟技术将传统的商校实验仪器设 计出来，目前研究培养学生动手能力和创新能力的虚拟实验宣系统已成为高校实验复建设 与发展的新模式。 在工科类学校中，很多学科都是以实验课程为基础的，实验对于培养学生的实际操作 能力和解决问题的能力是至关重要的，实验在大学理工科教育中的地位越来越重要。目前 高校发展趋势是将实骏与教学分离开采，使褥实验不再是教学豹驸属，两是作为主予课程 来讲授。传统的实验形式在某种程度上限制了实验者的积极性和创造力，使实验者成为被 动静接受体。钢如在传统仪器的控麓系统实验中，输入信号由信号发生器产生，系统输出 波形通常由扫撼示波器显示，实验中调试仪器需要花费大量时间，而且传统示波器不具备 保存历史曲线及打印功能，必须实时记录系统响应曲线。因此，实验者不能将精力集中在 实验的设计和分析上，_ 井且由于示波器本身的条件限制，实验的精度不能满足很高的要求。 与之相比虚拟实验室具有可充分利用实验资源、共享使用先进的实验经验和精密的实验仪 器的特点，两墓不再受传统摹一实验模式熬慕缚，具有更高酶灵活性。晷前，硬件实验设 备投资大、成本及维修费用高、设备更新困难、实验内容固定不变等是制约实验的主要问 题。并髓目前实验室仪器在向硬件功能软件化、集成化、模块纯、硬件平螽遴用化发展。 基于虚拟技术的虚拟实验室疋是改善与适应这种状况的最佳途径，正在被广泛应用。 高频电子线路实验室是工科高等院校必备的实验教学设施。传统的实验仪器通常是大 批的台式传统测量仪器，若于台不同的仪器缀成一套实验系统，一个实验室有少则几套多 则几十套这样的实验仪器系统。这种传统的实验仪器系统投资大、用途单一、维护工作量 大、成本较高。而在实验室建设中，由于实验室传统设备存在老化严重、技术落籍、实验 南京信息工程大学硕士学位论文 经费又比较短缺的情况。为了降低学校实验室的成本、提高实验室资源胞利用率、满足目 前的实验教学，因此组建高频虚拟实验室，将传统的实验仪器用虚拟技术设计出来，即用 软件代替硬件，用编程模拟实验的全过程，对大大提高高频实验教学的伸缩性和适应性具 有重要的现实意义。 1 2 虚拟仪器的研究现状 虚拟仪器概念最早是由美国国家仪器公司在1 9 8 6 年提出的，但其雏形可以追溯到 1 9 8 1 年由美国西北仪器系统公司推出的a p p l e 2 为基础的数字存储示波器，但是由于当时 计算机软件开发水平的限制，编写个人仪器的驱动程序和人机交互接口是一项专门的技术 工作，必须由专业厂商才能完成，这种状况使得个人仪器的推广和应用没有形成工业标准。 从2 0 世纪8 0 年代中期开始，p c 机的出现使仪器的计算机化成为可能。在仪器计算机化领 域中n i 公司走在了前列n 引，1 9 8 6 年美国国家仪器公司首先提出了虚拟仪器的概念，推 出了l a b v i e w 等软件产品，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心的 测量系统的根本性转变。以软件为主的测量系统，充分利用工作站、台式计算机和笔记本 电脑的计算、显示、存储和互联网等提高工作效率，为工程师及科学家提高生产率、测量 精度及系统性能方面做出贡献。 1 9 8 7 年，在c o l o r a d od a t as y s t e m 、h e w l e t tp a c k a r d 等著名仪器公司努力下，具有开 放体系结构的仪器总线标准v x i b u s 规范的第一个版本正式发布。v x i b u s 已成为公认 的2 1 世纪仪器总线系统和自动测试系统的优秀平台，推动了虚拟仪器向高精度、高性能、 标准化方向发展。1 9 9 8 年，i v i ( i n t e r c h a n g e a b l ev i r t u a li n s t r u m e n t ) 基金会成立，制定了i 规范，i v i 基金会致力于从基本的互操作性( i n t e r o p e r a b i l i t y ) 到可互换性( i n t e r c h a n g e a b i l i t y ) 的研究，为仪器驱动程序提升了标准化水平，推动虚拟仪器继续向标准化、可互换性方向 发展【2 1 。当今虚拟仪器的系统开发采用的总线包括传统的r s 2 3 2 串行总线、g p i b 通用接 口总线、v x i 总线，以及已经被p c 机广泛采用的u s b 通用串行总线和i e e e1 3 9 4 总线( 即 f i r e w i r e ，也叫做火线) 。世界各国的公司，特别是美国n i 公司，为使虚拟仪器能够适应 上述各种总线的配置，开发了大量的软件以及适应要求的硬件( 插件) ，可以灵活地组建不 同复杂程度的虚拟仪器自动测试系统。虚拟仪器开发商不仅注意使虚拟仪器能够适应上述 各种通用计算机总线系统，使之为虚拟仪器服务，而且也注意建立各种仪器专用的总线系 统。美国n i 公司在1 9 9 7 年9 月1 日推出模块化仪器的主流平台p x i ，这是与c o p a c tp c i 完全兼容的系统。这种虚拟仪器模块化主流平台p x i c o m p a c e ，p c i 的传输速度已经达到 2 第一章绪论 1 0 0 i b s ，是目前已经发布的最高传输速度。 近年来，世界各国的虚拟仪器公司开发了不少虚拟仪器开发平台软件，以便使用者利 用这些仪器公司提供的开发平台软件组建自己的虚拟仪器或测试系统，并编制测试软件。 最早和最具影响的开发软件是n i 公司的l a bv i e w 软件和l a b w i n d w o s c v i 开发软件。 l a b v i e w 采用图形化编程方案是非常实用的开发软件，l a b w i n d o w s c v i 是为熟悉c 语言的 开发人员准备的，在w i n d o w s 环境下的标准a n s i c 开发环境。除了上述的优秀开发软件之 外，美国h p 公司的h p v e e 和h p t i g 平台软件，美国t e k t r o n i s 公司的e z - - t e s t 和t e k t n s 软件，以及美国h e md a t a 公司的s n a p - - m a r t e r 平台软件，也是国际上公认的优秀 虚拟仪器开发平台软件曙1 。 目前，国外企业在中国虚拟仪器市场占据着绝大部分的市场份额，美国是虚拟仪器的 诞生地，也是全球最大的虚拟仪器制造国。生产虚拟仪器的主要厂家有h p 公司目前生产 1 0 0 多种型号的虚拟仪器，t e k t r o n i x 公司目前生产约8 0 多种型号的虚拟仪器，此外还有 n i 公司k e i t h e l y 公司等。实际上，我国虚拟仪器的发展并不晚，几乎和国外领先企业处于 同一时期。但由于各种原因，整个仪器行业在过去的2 0 年中大部分时间处于停滞阶段。好 在以r i g o l 为代表的国内测试测量厂商已经意识到了这个问题。在我国仪器仪表行业整体 回暖的大环境下，虚拟仪器也得到发展，特别是以计算机加数模转换及软件应用来实现传 统仪器中的示波器、频谱分析仪等，有力打破了国外企业垄断的市场局面，促进了国内仪 器行业的全面繁荣。 j 1 3 本论文研究目的与内容安排 随着我国高等教育体制的深化改革以及招生规模的不断扩大、学生规模急剧膨胀、学 校仪器设备缺乏或过时陈旧严重影响教学效果，实验设备的高利用率容易造成仪器损坏。 而实验是大学理工科教育的一个重要环节，实验对于培养学生的实际操作能力和解决问题 的能力是至关重要。虚拟仪器的开发与利用在很大程度上解决实验教学的困境，它可以节 省基础设施的重复建设和仪器设备重复引进的资金投入，有利于从整体上改善办学条件和 提高教学水平。同时与网络联合使用能够灵活地提供给用户不同的实验教学内容、不受时 间、场地的限制，允许用户根据自己的情况确定学习的内容和安排学习进度，从而可以最 大限度的满足用户的不同需要。由此可见，虚拟仪器在实验教学方面具有广阔的应用前景。 本文论述的是高频电子线路实验室仪器的实现，用n i 公司的虚拟仪器开发环境l a b v i e w 开发出7 个不同的虚拟仪器，包括仪器的前面板设计，流程图设计。 3 南京倍息工程大学硕士学位论文 本文的结构安排如下： ( 1 ) 第二章介绍了盘拟仪器的基本原理，虚拟仪器的组成、虚拟仪器的特点、虚拟仪器 的应用、虚拟仪器开发环境l a b v i e w 。 ( 2 ) 第三章介绍了虚拟仪器硬件平台，如插卡型虚拟仪器系统、外挂型虚拟仪器总线系 统、菇精度集成虚拟仪器总线系统。分析了牟口u s b 、g b i b 总线、v x i 总线、p x i 总线，对 在l a b v l e w 中利用数据采集卡实现数据采集的软件包括仪器驱动程序，硬件通信的驱动 程序，应震程序层散了详细脆研究与分析。 ( 3 ) 第四辈利用l a b v i e w 开发平台，对高频实验室的虚拟仪器高频放大器、调幅 及检波、调频及鉴频、调相及鉴相等四个实验模块进行了设计，并通过仿真实验验证了设 计的正确性。 ( 4 ) 第五章利用l a b v i e w 开发平台开发了实验室几种常用实验测量仪器，虚拟信号发 生器、虚拟示波器、虚拟频谱分搋仪了。实现了信号生成、数据采集、数据处理、数据读 取和存储、照示等功能。 ( 5 ) 第六章作者结合虚拟仪器研带l 成果，总结讨论了虚拟仪器的研发方法，搔出了设计 中出现的问题，提出了改进方法。本课题宪成了基于虚拟仪器的高频虚拟实验室的的基础 建设。 4 第二露虚拟仪器的概述 第二章虚拟仪器的概述 2 1 虚拟仪器概述 2 1 。1 虚拟仪器 透鏊年来，计算机科学帮微电子技术i 豉及潮络技术的迅速发展和普及，有力遗推动了 多年来发展挺对缓慢的仪器技术的革麟和进步。与此阕对，仪器的远程控制、实验信息懿 远程获取和传输也越来越重要，于是种新型的基于计算机技术所形成的仪器种类虚 拟仪器 i r t u a li n s t r u m e n t s ) 技寒凑现。虚拟仪器靛漱现是测量仪器发展史上熬一场 革命，它不仅被广泛地应用在科学研究领域，而且使得新型远程教育模式的实现成为可能。 虚拟仪器裁避瑷通焉计算撬为核心靛硬释平台上，壶震户设计定义，测试功能出测试 软件实现的一种计算机彼器系统。虚拟仪器的本质是葶! l 用现有的计算机，加上特殊设计的 仪器硬件和专用软件形戒既有普通仪器的基本功能又有一般仪器所没有的特殊功能的高档 低价的新型仪器。它楚剥矮诗算极强大的图形环境器禚线帮助功麓，建立虚拟仪器鬣板， 以代替传统仪器实现信号数据的运算、分析处理，利用i o 接口设备完成信母的采集、测 量与调璎，疑鼹完成吝种测试功能菸一种计算枕仪器系统。 十。 虚拟仪器可使用相同的硬件系统，通过不同的软件就可以实现功能完全不同的各种测 量测试仪器，帮软俘系统楚虚拟仪器的核心，软件可以定义为各种仪器，因此可戮说“软 件即仪嚣”。 虚拟仪器彻底改变了传统仪器由生产厂家定义功能的模式，而是在少爨附加硬 牛的基 础上融粥户定义仪器功麓。因必它的运行主要依赣软停，所以修改域增热功能、改蛰性髭 都非常灵活，便于利用p c 的软硬件资源和赢接使用p c 的外设和网络功能。虚拟仪器不但 造价低，两且通过修改软稃霹增嬲它熬适应幢进两延长它抟生命震鬻是一种舆有稷好发震 前景的仪器。与传统仪器相比，虚拟仪器具有离效、开放、易用灵瀵、功能强大、性价比 高、可操作性葑等明显优点，其体表现为： 1 ) 智能佬程度蘸，处理能力强 虚拟仪器的处理能力和智能化程度主要取决于仪器软件水平，用户完垒可以根据实际 应用需袋，将毙遘蕊信号处理冀法、人工智熊技术秘专家系统应弱予仪嚣设计与集成，获 南京信崽工程大学硕士毕业论文 而将智能仪器水平提高到一个新的层次。 2 ) 应用搜强，系统费震低 应用虚拟仪器思想，用相同的基本硬件可构造多种不同功能的测试分析仪器，如同一 个高速数字采样器，可设诗崮数字示波器、逻辑分折仪、计数器等多静仪器。这样形成的 测试仪器系统功能更灵活、更高效、更开放、系统费用更低。通过与计算机网络连接，还 可实现虚拟仪器的分布式共享，更好地发挥仪器的使用价值。 3 ) 操作性强，易用灵活 虚拟仪器面板可由用户定义，针对不同应用可以设计不同的操作显示界面。使用计算 机的多媒体处理能力霹以使仪器操作交得更鸯羹童观、篱便、易于理勰，测燮结果可以直接 进入数据库系统，测量完后还可打印、显示所需的报表或曲线。这蝗都使得仪器的可操作 性大大提高丽髓易用、灵活。 2 。2 虚拟仪器的组成 虚撅仪器蹙利用离性能的模块纯硬件，结合高效灵活的软件来究成各释溅试、渊量和 自动化的应用。灵活离效的软件能创建完全豳定义的用户界面，模块化的硬件能方便地提 供全方位的系统集成，标准的软硬件平台能满足对同步和定时应用的需求。虚拟仪器的输 入输出由数据采集卡、g p i b 卡等硬件模块完成，仪器的功能主要由软件构成，虚拟仪器 系统框图如图l 所示。 图2 1 虚拟仪器系统框图 一套完整的虚拟仪器系统的结梅一般来说分为四层： 1 ) 测试管理层 用户使用虚拟仪器生产厂商开发的应用程序组成自己的一套测试仪器。这是虚拟仪器 6 第二章壤拟仪器的概述 的优点之一，它可以方便蛾使用户根据自己的需要、自己的风格建立自己的测试仪器。 2 应尾( 程序) 好发鼷 凼生产商提供的软件开发工具，如n i 公司的l a b v i e w 软件、m n d o w s c 软件， 震户可以鼹这类较静进霉亍深层开发，以扩展彼器原有靛功麓。 3 ) 仪器驱动层 由生产商开发，针对不蓠类登的仪器有不同解驱动程序接叠，淹给用户提供方便易用 的仪器驱动程廖。泰毙公霞、蒸普公蠲秘美弱国家仪器公镯等3 5 家豳际最大的仪器公裁成 立了v - x ip l u g & p l a y 系统联聪，并且推出v i s a ( v i r t u - a li n s t r u m e n ts o f t w a r ea r c h i t e c t u r e ) 标准。 4 ) i o 总线驱动层 毒生产藕开发，臻予将不同类型酶实隧仪器透过相同檬准酶总线连接起来形成一套完 整的测试系统，如褥剿广泛应用的v x i ( 开放式测量系统) 总线系统。 l 、虚拟仪器硬件 硬件是虚拟佼嚣工作懿基础，它髓主要动能楚完成对被溅嬉譬熊采集、传输釉显示溯 量的结果。虚拟仪器的硬件主要是由计算机和信号采集调理部件所组成，其中计算机包括 擞处瑷器、存储器疑遂示嚣等，宅主要焉来提供安时悫毂缒数据处理及传输性麓，计算祝 是虚拟仪器的硬件基础。对予工业自动控制、测试与测量耐言，计算机是功能强大、价格 低廉的运行平台。由予虚拟仪器充分铡耀了计算枫酌图形用户界面( g u i ) ，所开发的具体威 耀程序都基于w i n d o w s 运行环境，所以计繁视的硬件配置必须舍逡。随餐虚拟仪器软件功 能的增强。对计算机的性麓要求也逐步增加，而p c 机的性能的翻益提升足以满足软件的 要求。 如果按照构成仪器的三大功能，所有控制系统、工业测试系统均可归纳至虚拟仪器| ! f 勺 框架串来，较涛常露的袁拱议器系统硬侔结构图舞豳2 _ 屯。 ，童；- f 磊囊翮，- n 蚤药毳f 卜，沔嚣爵西蚤二若b 一接铡羲孬h 结果篱泰l 。鉴l 酬薄惑罨 刊信号调理卜州数懿采集卡 _ 叫接铡羲舞 叫2 纛罘蘩旋l i j l 一j l _ _ _ _ _ 一o 啪嗍_ 叫_ _ _ _ 一_ 岬_ 一 睡2 2 虚摈仪器系统硬件缕梅 2 、虚拟仪器软件 软件是虚拟仪器的关键，蟊前软件编程方法己献原来豹b a s i c 、c 语言、v i s u a l b a s i c 和l a b w i n d o w s 向可视圈形纯编程语言发鼹。可视圈形化编程语嵩楚指把复杂、烦琐、费 时的语言编程简化成用菜单式图标提示的方法选择功能，并用线条把各种功能( 图形) 连接 7 南京信息工稷大学硕士毕业论文 起来的简单图形编程方式。鬯的优点有易于集成、具有高效率、可快速建立操作界面，具 有多种显示和控割，翕予馒用者理勰维护，查错、节省8 0 的开发时间等。蚕前使用较多 的是文本式编程语言如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，图形化编程语如 l a b v i e w ，h p v e e 等，利用其可以实现纛拟面板功能的软件程序、定义测试功能的流程 图软件程序。 虚拟仪器系统的软件主要分为：仪器面板控制软件、数据分析处理软件、仪器驱动软件 和逶媚接蜀软件，它的结构淘如图2 3 所承。 仪器面板控制软件 数据分析处理软件 仪器驱动软件 d l l 、v i s a 、d a q m x 2 。1 。3 虚拟仪器的应用 d a qll r s 2 3 2 图2 3 虚拟仪器软件系统图 虚拟仪器的功能和性熊已被不叛地提离，如今在许多应用中它已成为传统仪器的主要 替代方式。随着p c 、半导体和软件功能的进一步更新，未来虚拟仪器技术的发展将为测试 系统於设计提供一个极佳懿模式，并显在测量和控制方瑟都有无以伦魄的强大功能和灵活 性，可厂“泛应用于电子测量、振动分析、声学分析、故障诊断、航天航空、军事工程、电 工程、机械工程、建筑工程、铁路交通、地质勘探、生物医疗、教学及科研等多方面。虚 拟仪器的各种优点让用户可以放心她舍弃| 翻的传统测量设备，接受更薪型以计算机为基础 的虚拟仪器系统。囱于计算机的性能价格不断改进，使虚拟仪器的价格更为大众化，用户 不必霉受限予传统仪器的使用限制翻昂贵的份格，进一步降低了使蔫成本，减少了系统的 开发费用和系统的维护费用。此外，新型笔记本电脑又把虚拟仪器的便携性和强大功能推 向一个新的水平。所有这些妊将翱快虚拟仪器静发展，使它的功能和应溺领域不断增强和 扩大。 8 第二章虚拟仪器的概述 2 2 虚拟仪器开发环境 l a b v i e w 是实验室虚拟仪器集成环境( 1 a b o r a t o r yv i r t u a li n s t r u m e n te n g i n e e r i n g w o r k b e n c h ) 的箍称是美国国家仪器公蠲( n a t i o n a li n s t r u m e n t s ，筒称n i ) 的创新软件 产品。l a b v i e w 是一个基于图形化编程语言g 的虚拟仪器开发环境，它提供了一种全新 酶编程方法，鼯对称之为“虚拟仪器”的软件对象进行图形纯的操作组合。 数据采集、仪器控制、过程监控和自动测试是实验室研究和工业自动化领域广泛存在 的实际任务。在世纪年代个人计算机出现之前，几乎所有拥有测控仪器的实验室都采用贵 重的仪器控制器测试系统，这些功能单一、价格昂贵的仪器控制器通过一个集成通信口来 控制i e e - - 4 8 8 总线仪器( g p i b 程控仪器) 。后来随赣p c 的出现，工程师和科学家们找到 了一种透过性能价格魄高的遥羯控割台式仪器的方法，由此n l 公司也应运箍生。 k a b v l e v v 的概念雏形来源于特鲁查德和柯德斯凯世纪年代末期在a r l ( a p p l i e d r e s e a r c hl a b o r a t o r y , 应用研究实验室) 完成的一个大型测试系统。该系统主要用于测试美 国海军的声呐探测器，通过几年的时间柯德斯凯把从该测试系统褥到的启示发展到测试系 统软件由多层虚拟仪器( v i r t u a li n s t r u m e n t ，简称v i ) 构成的新概念。个v i 可以由更低层 的多个v i 组成，就像真实仪器由印制电路板组成，丽印制电路扳又由集成电路( 1 c ) 组 成一样，底层v i 代表了最基本的软件功能一计算与输入输出( 的) 操作，虚拟仪器模型 的勇一个主要特征是每一个v l 都有一个用户接口缀件i 翁藩板) 。同时，在分析比较了 少种框图编程方法的优劣后，柯德斯凯决定采用数据流程图作为编程工具，柯德斯凯领导 的开发小组于1 9 8 6 年5 月推出乙a b v i 滞b e t a 测试版，又经过几个月的反复修改，于1 9 8 6 年1 0 月正式发布了l a b v l e w l 0 版。1 9 8 8 年簸l a b v l e w 2 。0 采用了面向对象编程技术，1 9 9 2 年8 月l a b v i e w 2 5 实现从m a c i n t o s h 平台到w i n d o w s 的移植，从l a b v i e w 3 0 版本开始， 作力一个完整优异的圈形化软件开发环境摄到了工敛界和学术雾的认可，开始迅速占领市 场，赢得了广大用户的青睐。目前，l a b v l e m 的最新版本为n i 公司2 0 0 7 年推出的 己a b ￥王e w 8 。5 。 它的基本特点是： l 、具有良好的用户接口，其用户接口类似于传统仪器的面板，包括按钮、旋镪、图形 显示组件、控篱l 组件等。通过鼠标和键盘向程序中输入数据，操作结果由软件在计算机屏 幕上生成。 2 、编程方式简单、直观、采用图形语畜、图标释联机代替文本形式编写程序，是对具 体编程问题的图形化解决方案。 9 南京信息工程大学硕士毕业论文 3 、具有层次结构和模块化的特点，每一个可以作为顶层程序，也可以作为其它程序的 子程序。 4 、提供程序调试功能，程序调试工具包括在源代码中可以设置断点，可单步执行，也 霹跌启动。 创建虚拟仪器的过程分为四步： 第步：创建前面板。前面板是图形化用户界面，用于设置输入数值和观察输出量。它 摸仿了实际仪器的面板，前瑟板包含了旋钮、按钮、图形和其他控制与显示对象。遵过鼠 标和键盘输入数据、控制按钮，也可在计算机显示器上直接观看结果。若想要在数字控制 孛输入绫掺改数值，只需要阁操作工爨点盍控制郝传帮增减按钮，或者用操作工具或标签 工具双击数值栏进行输入数值修改。 第二步：创建框圈程序。在前面板窗目的主菜单中选择将前面板窗口切换到糍隧程序 窗口，此时会器到与前面板对象对应的端口。根据需要在功能模板中找到所需的节点，并 将节点图标放置到框图程序窗口，用数据连线将这些端口和节点的图标连接起来，形成一 个完整的框图程序。 第三步：创建图标。一个虚拟仪器的图标连接端口就像一个图形表示某一虚拟仪器的 参数列表。这样其它酶虚拟仪器才能将数据传输给个子仪器，蚕标黍睫接允许将此仪器 作为最高级的程序，也可以作为其它程序或子程序的子程序。 第四步：运行和调试程序。运行和调试程序是任何- - f - 编程语言编程的最重要的一步。 在l a b v i e w 中，用户可以通过两种方式来运行程序运行和连续运行。如果一个程序存在 语法错误，则在面板工具条上的运行按钮将会变成一个折断的箭头，表示程序不能被执行。 这对这个按镪被称作错误列表，点击宅则弹邂错误溥单窗爨，点击其中经何一个所列出豹 错误，则出错的对象或端口就会变成高亮。调试程序时可以利用单步执行、设置断点、设 置探针采显示数据流动方向。 总上所述，利用l a b v i e w ，可以通过交亘式的图形化前面板来控制系统。例如，可以 对几千种硬件设备( g p i b 、v x i 、p x i 、r s 一2 3 2 、r s 一4 8 5 、p l c 、插入式数据采集卡等) 进行数据采集；可以遥过网终、交互应用遥讽昶结构位查询语言( s q l ) 等方式与其缝数据 源相联；可以利用其功能强大的数据分析程序对原始数据进行分析，得到有意义的结果并 热数显示输出；可以创建执行速度较快豹3 2 位编译程芋( l a b v i e w 是一个囊正的3 2 位编 译器) ，用来实现数据采集等测试任务。l a b v i e w 带有大量数据采集、分析、显示、存储 的函数库以及众多的程序开发工具，还通过动态链接库d l l 、共事库函数、a c t i v e x 等提 l o 熊三章纛拟仪器的概述 供了大量的外部代码接口。在调试方面，具有设置断点、单步运行等有力的功能。 2 3 本章小结 本章首先对虚拟仪器从不同的角度进行了简单的介绍，分析了虚拟仪器的组成、特点、 发震、硬箨平台。酶时对纛熬搜器酶较替开发平台l a b v i e w 进行了详细麴阐述。 第三章虚拟仪器硬件平台 第三章虚拟仪器硬件平台 纛拟仪器可以充分利用现有计算机资源，配以独特设计的软硬件，实现普通仪器的全 部功能以及一些在普逶铰器上无法赛凝鹃功能，它袄赖较髀遥过计算巍来控裁测试硬俘分 析和提供测试数据。幽于没有专门的前面板、显示器和电源，其硬件通常在p c 或v x i c p c i 主杌中，所有仪器面板和显示器都在监视器上模拟，所以称为虚拟仪器。虚拟仅器不但功 能多样、测量准确，瓤且爨瑟友好、操 乍筒爨，与其它设备集残方便灵活，虚拟仪器技术 的出现彻底打破了传统仪器e l j 厂家定义、用户无法改变的模式，给用户一个充分发挥自己 才囊和想象力能空翔，焉户可鼓较据不同要求，设计妻己酶仪器系统，满足多样豹应用需 求。其特点是价格适中、功能强、测试速度快、可熏组。有趋势表明，虚拟仪器最终要取 代大爨鼢传统饺器成为搜器领域熬主流产晶，成隽测量、分析、控制、鑫动仡仪表的核心， 并成为机器人的核心搜术。 目前，震拟仪器有两类：类基- t p c ，它是由p c 、能插入p c 机箱的插卡城模块和 糖关测试软箨( 舞l 曲v | 嚣w 掰构成，采潮这释结构巍构成基予p c 瓣示波器、任意波形 发生器、波形分析仪、函数发生器、逻辑分析仪、电压表和数据采熊产品。另一类熬于v x i 或c p c i p x i 专蔫系统，采褥这释结构巍鞫成焉子生产测试离性能专震鞭l 试系统、数据采 集系统和自动测试设备( m ) 。 3 。1 插卡型虚拟仪器平台 基于通用p c 的硬件，可以利用p c 机组建成为灵活的虑拟仪器，是现在比较流行的虚 拟饺器系统。这释方式借助予插入p c 枧或工控辊内酌数据采集卡与专黑黪软件褶结合， 完成测试任务。它充分利用计算机的总线、枫箱、电源及系统软件的便利，其关键在于a d 转换技术。 括卡类型有i s a 卡、p c m c i a 卡窝p c i 卡等多种类型。随着计算枧鼹发展，i s a 型捶 卡已经逐渐遐出舞台，p c m c i a 卡由于受到缩构连接强度太弱的限制影响了它的工程应用， 嚣p c i 总线正在广泛使瘸，已经藏淹p c 鹣事实标准。它是秭阎步懿独立于c p u 熬3 2 位或6 4 位局部总线，时钟频率为3 3 m h z ，数据传输率高达1 3 2 - - 一2 6 4 m b p s ，p c i 总线技术 静无黻读写寒发方式，可在一瓣阉缴送大氯数据。p c 王总线上盼外凰设备霹与c p u 并发工 1 2 南京傣息工程大学硕士学位论文 作，从而提高了整体性能。p c i 总线还有自动配置功能，从而使所有与p c ! 兼容的设备实 现真蠢的“即攒印用”。 下面重点介绍p c i 插卡式虚拟仪器系统。 3 1 1p c i 一插卡式测量系统的组成和p c i 采集卡 对i o 接口设备的驱动是虚拟仪器实现对真实物理信号采集的基础。当设备驱动后， 由软件进行数据的分析处理进而实现某种测麓功能，并求取测量结果不能获得真实信号的 数据，后面的处理与分析都是纸上谈兵。因此，对接口设备的驱动是虚拟仪器系统的重要 环节。 一个由p c i 插卡式虚拟仪器组成的多遥道多参量测羹系统懿圈所示，该测跫系统感 两大部分构成：传感器及其调理电路和虚拟仪器硬件平台。 传感器卜叫调理电路 莱模 多 放样数 传感器卜叫调理电路 路。 大 。 保 转 o l 开 器 持换 l 关 器器 l ： ： 传感器h 调理电路 数据采集卡板 图3 一l 多通道多参跫p c 一激q p c i 测量系统 1 、传感器及其调理电路 只有那些数值大小合适的电压信号才可以直接进入虚拟仪器平台，大多数被测信号要 经传感器及箕调理电路变换后方能进入虚拟仪器系统。因此，虚拟仪器的输入信号大多数 来自传感器及其调理电路。传感器完成信号的获得，它将被测参量转换成相应可用于输出 的信号。被溅参量霹吸是各种菲电气参量，舞压力、温度、加速度等，也霹以是电气量，魏 电力输电线路电网电压及电流等。来自传感器的输出信号通常是含有噪声的微弱信号或者 是非电压信号，如电流、电荷、电参量电隰、电容、电感信号，故调理电路的三个基本作 用： ( 1 ) 放大将微弱电压信号放大。 ( 2 ) 转换将非电压输出信号转换为电压信号。 ( 3 ) 滤波滤除高频干扰，限制信号的最高频率避免产生混淆和混叠。 1 3 第三章虚拟仪器硬件平台 2 、数据采集卡组成与结构 数据采集卡由以下凡个部分组成；多路开关、放大器、采样保持器、a d 转换器。以 上四个部分都处在计算机的前向通道是组成数据采集卡的主要坏节，与其它有关电路如定 时计数器、总线接瑟电路等在一块印刷电路板上，即构成数据采集卡( d a q 卡) ，完成对信 号数据的采集、放大及模数转换任务。很多数据采集卡印刷电路板上，装有数模转换器， d a 处在p c 计算机的后向通道，用予将计算机输出的数字鬣转换为模拟量，从而实现控制 功麓。 p c i 插卡式虚拟仪器系统充分利用了p c 计算机的机箱、总线、电源及软件资源，但 是因褥也受计算机机箱环境释慈计算棍总线的限制，存在诸多韵不是，如电源功率不足、 机箱内噪声干扰、插槽数目不多、总线面向计算机而非面向仪器、插卡尺寸较小、插槽之 间无屏蔽、散热条件差等。但p c i 一用插卡式虚拟仪器在孤种虚拟仪器系统中是虚拟仪器 最基本最廉价鲍构成形式。 数据采集卡通常是插卡式结构，采用p c 计算机本身的p c i 总线或i s a 总线。在使用数 据采集卡以前需进行硬箨安装帮软锌设置硬件安装，就是将d a q 卡播入咒枫躲搁应的总线 扩展插槽内。 3 、数据采集卡的基本健能指标 使用者在选择数据采集卡构成系统时，必须对数据采集卡的性能指标有所了解。数据 采集卡的主瑟性能指标如下。 l ：模拟信号输入鄂分 ( 1 ) 模拟输入通道数。该参数表明数据采集卡所能够采集的最多的信号路数。 ( 2 ) 信号的输入方式。一般采集信号静输入方式骞 _ 单端输入即信号的其中一个端子接地。 _ 差动输入即信号两端均浮地。 一 单极性信号幅馑范围为 o ，a ，a 为信号最大幅值。 双极性信号幅值范围为 - a ，a 。 一般的数据采集卡都设有信号输入方式翡选择设置，设计者可缀据实际需要进行选择。 ( 3 ) 模拟信号的输入范围( 量程) 一般根据信号输入特性的不同( 单极性输入还是双 极性输入) 有不同的输入范豳，如对单极性输入，典型值骛0 。1 0 ，对双极性输入典型值为 一5 5 。 ( 4 ) 放大器增益。 1 4 南京信息工程大学硕士学位论文 ( 5 ) 模拟输入阻抗。采集卡固有参数一般不e l j 用户设置。 2 ：a d 转换部分 ， ( 1 ) 采样速率。指在单位时间内数据采集卡对模拟信号的采集次数。是数据采集卡的 重要技术指标。由采样定理知，为了使采样后输出的离散时间序列信号能无失真地复现出 原输入信号，必须使采样频率f s 至少为输入信号最高有效频率f m a x 的聪倍，否则会出现 频率混淆误藏。实际系统中，为了保证数据采样精度，一般有下列关系： f s = f 7 1 0 ) f m a x 宰n ( 3 。1 ) 式中n 为多通道数据采集系统的通道数 ( 2 ) 位数b 。b 是指户黻a d 转换器输出二进制数的位数，当输入电压u = i o 由二增至 满量程u = u m 值时，个八位( b = 8 ) a d 的数字输出由八个“0 ”变为八个“l ”，共计变化2 “ 个状态，故a d 转换器产生个最低有效位数字输出改变量，相应的输入量u m i n = i l s b = q 可由下式计冀： i l s b = 口= u m l 2 6 ( 3 2 ) 式中菇量化值；汰 矗；必满量程输入电篷，通常等予登转换器的电源电压。 ( 3 ) 分辨率与分辨力。指数据采集卡可分辨的输入信号最小变化量，分辨率一般以a d 转换器输出的二进制位数或b c d 码位数表示分辨力为1 l s b ( 最低有效位数) 。 ( 4 ) 精度。一般用量化误差表示，量化误差e 为l s b 2 。 以上为数据采集卡的主要性能指标，对于一些功能丰富的数据采集卡还有定时计数等 其它功麓，棚应地还有其它耀关指标。 3 2 外挂型虚拟仪器总线系统 出于基于p c i 总