（控制理论与控制工程专业论文）虚拟仪器及其在电工电子实验中的应用.pdf

ab s t r a c t t h e p a p e r in t r o d u c e s v i r t u a l i n s t r u m e n t ( v i i n t h e a b b r e v ia t e d f o r m ) a n d it s a p p l ic a t i o n i n e l e c t r o n ic l a b s . i n t h e 1 t h c h a p t e r , t h e r e s o u r c e a n d i m p o r t a n c e o f t h e s u b j e c t a r e g i v e n b r i e fl y a t f i r s t , t h e n t h e c o n c e p t ， c r i t i c a l t e c h n i q u e o f v i a r e e l a b o r a t e d , s o a r e c l a s s i f i c a t i o n a n d d e v e l o p t e n d e n c y .t h e d a q v i w h i c h i s u s e d i n t h i s s u b j e c t i s d i s c u s s e d s y s t e m a t i c a l ly , i n c l u d i n g t h e h a r d w a r e t e c h n o l o g y o f d i g i t a l a c q u i s it i o n a n d t h e s t r u c t u r e o f s o ft w a r e s y s t e m . i n t h e 3 r d c h a p t e r , s o m e s o ft w a r e s a r e i n t r o d u c e d , a n d t h e s o f t w a r e b e n c h u s e d in t h i s s u b j e c t i s d e c i d e d . a ll s o ft - m e t h o d s , p r o g r a m a l g o r it h m a n d s k i l l a r e d is c u s s e d a t t h e p r o c e s s o f s o ft w a r e d e s i g n . t h e s p e c i f i c f u n c t io n s u s e d in l a b s a r e t h o r o u g h ly p r e s e n t e d , e s p e c i a l ly it s s o ft w a r e p a t t e r n s i n t h e 4 t h c h a p t e r , a n d t h e e x a m p l e i s g i v e n w h i c h i s t h e a p p l i c a t i o n o f t h e v i s y s t e m . a t la s t , t h e in s u f f i c i e n t in t h e s u b j e c t i s a n a ly z e d , a n d th e s o l v in g p r o p o s a l s a r e b r o u g h t , t h e c o n c l u s i o n i s g iv e n f in a l l y . t h i s s y s t e m o f v i w h ic h i s b a s e d o n o n e c o m p u te r r e a l iz e s t h e a c q u is it io n , a n a ly s is a n d e x h i b it io n o f t h e m e a s u r e d s ig n a l , t h r o u g h p a r t ic u l a r h a r d w a r e ( s u c h a s d i g i t a l a c q u i s it i o n c a r d , in t e r f a c e b o x ) a n d s o f t w a r e , w h i c h i s e x p l o i t e d b y u s . t h e h a r d w a r e i s o n l y u s e d t o i n p u t o r o u t p u t t h e s ig n a l , t h e k e y o f t h is in s t r u m e n t is s o ft w a r e . w e d e v is e t h e f u n c t i o n o f o s c i l lo s c o p e , d m m , g e n e r a t o r , a c h ie v e i t s a p p l i c a t io n in t h e e l e c t r i c a l a n d e l e c t r o n i c l a b o r a t o r y . t h i s v i r t u a l i n s t r u m e n t i s d i r e c t e d t h e e x p e r i m e n t o f r l c s e r i e s - p a r a l l e l c o n n e c t i o n r e s o n a n c e , r c o n e s t e p t e m p o r a ry r e s p o n s e a n d s o o n . t h i s s y s t e m a d o p t s f r i e n d l y m u t u a l i n t e r f a c e , w h i c h i s s i m i l a r w it h t h e m a n ip u l a t e d p a n e l o f t r a d it io n a l in s tr u m e n t . i t h a s g o o d a p p li c a t io n a n d c o n v e n i e n t g r a s p . i t a l s o p r o v i d e s p r i n te r in t e r f a c e a n d c a n p r in t w a v y c u r v e o f e x p e r i m e n t a t i o n . t h e o p e n n a t u r a l m a k e s i t s a d d o r r e d u c e t h e f u n c t i o n a l p a t t e r n a r b it r a r i l y . k e y w o r d s : v i r t u a l i n s t r u m e n t ; p c i n s t r u m e n t ; t r a d i t i o n a l i n s t r u m e n t d i g i t a l a c q u i s i t i o n c a r d g r a p h i c u s e d i n t e r f a c e ; p e r i p h e r a l c o m p o n e n t i n t e r c o n n e c t b u s o b j e c t - o r i e n t e d p r o g r a m m i n g . i i i 中南人学硕 ! 丁 学位论文 第 i 章概 述 第 1 章概述 1 . 1课题的来源和意义 1 匕厂 匕 一 子 从础教学实验中心，是校级j, l .础教学实验中心，是而向全 校文、理、工科一、二年纪木科生的电工电子基础教学实验基地、电子 综合训练基地、全校大学生电子科技活动基地和电类专业课程教学实验 基地。电工电子基础教学及实验，也是国家教育部评选优秀教学学校重 点考核的基础课程之一。应用电子研究所向国家2 1 1 重点高校实验室建 设申报了对于电工电子实验基地的虚拟实验室建设 这一项目，并得 到了通过。 该用于实验教学的虚拟仪器可称之智能教学仪器，它采用了当 今国际上最先进的仪器技术，在同一套硬件上实现了多种仪器功 能，基木能满足教学实验的要求，具有较好的先进性。 该仪器以虚拟仪器技术为核心，通过计算机控制数据采集卡实现信 号提取及数字化， 并巨 在用户接口 上采用信号隔离和缓冲电 路， 有效的 保护了仪器和计算机。山于该仪器是以计算机虚拟的，是一台综合的计 算机化的仪器，总价格低于一次电子实验所需各类仪器的价格总和，具 有良 好的经济性。 虚拟仪器在组成和改变仪器的功能和技术性能方面具有灵活性与经 济性，因而特别适应于当代科学技术迅速发展和科学研究不断深化所提 出的更高更新的测量课题和测量需求。“ 没有测量就没有鉴别，科学技 术就不能前进”，虚拟仪器将会在科学技术的各个领域得到广泛应用。 在高校的电 工电 子试验室中，一直以 来都使用从厂家购买来的传统仪 器，配置了信号发生器、数字示波器、数字万用表等。一个实验的完成 通常需要多台设备的配合，一套完整的实验测量设备少则万元，多则几 力 元。而在虚拟仪器构成的虚拟实验室中，设备成本则大幅降低。同等 的性能条件下，相应的虚拟仪器价格要低二分之一甚至更多。那么开发 这种既具有先进性，又具有较高性价比的综合性教学实验虚拟仪器，就 是本课题的主要研制日的。 中南人学硕 ! 丁 学位论文第 1 章概 述 在山虚拟仪器构成的虚拟实验室里，由一台教师机和二十余台学员 机，纠成一 个局域网。i i i 教师机管理所有的学员机，具备电子教鞭，回 答学生提问，观察实验结果，发布消息，实验演示等功能; 学员机配备具 有一定功能的软件，采集数据的硬件以及不同实验所需的实验电路板。 不同实验的数据从实验电路板输出，由专用的硬件采集，并与学员机通 讯c i 相连， 通过专用的软件分析， 在学员 机的c r t 上显示采集的 波形。 学员机也可以调用计算机存储的数据，其中有自 行输入的数据，也有以 前保存的实验数据。这样学生可以充分的把计算机知识与实验所需的专 业知识结合起来， 提高实践能力以 及分析能力。 虚拟实验室大大区别于以往的传统实验室，也区别于现在在高校实 验室中比 较流行的 虚拟电 子实验平台( 如e l e c t r o n i c s w o r k b e n c h ) 。 后 者没有涉及硬件知识，单纯的依赖软件， 所有的 信号，波形，元器件都 是虚拟理想化的，它的实验结果是完美的，但是脱离了实验电路板，降 低了学生对实际电路组成的认识以及动手能力。而虚拟仪器是软硬件相 结合，克服了传统实验室纯硬件和e w 8 纯软件的弊端，达到教与学的最 佳组合。 1 . 2虚拟仪器介绍 1 . 2 . 1 简介 自1 9 8 6 年美国国家仪器公司( n a t i o n a l i n s t r u m e n t ) 提出虚拟仪器 ( v i ) 的概念以 来，这种集计算机技术，通讯技术和测量技术于一体的模 块化仪器便在世界范围内得到了广泛的认同与应用，逐渐体现了仪器仪 表技术发展的一种趋势。 所谓 虚拟仪器是指利用p c 机强大的运算能力，图形环境和在线帮助 功能，建立具有良 好的人机交互性能的虚拟仪器面板，完成对仪器的控 制，数据分析与显示，并通过一组软件和硬件，实现完全由用户自己定 义，适合不同应用环境和对象的各种功能。用户在操作这台计算机时， 就像在操作自己定义，自己设计的一台单个仪器一样，从而完成对被测 试量的采集、分析、判断、显示、数据存储等。虚拟仪器通过软件将计 算机硬件资源与 仪器硬件有机的融合为一体，从而把计算机强大的计算 处理能力和仪器硬件的数据采集能力有效地结合起来发挥出其优势。 中南大学硕 卜 学位论文 第 ! 章概述 试仪器可以更高速和精密的获得客观世界的信息， 迅速地填补了基于计 算机的测试仪器和传统测试仪器之间的距离。a s i c 电路的密度越来越 高，体积越来越小，同时价格也越来越低，使得仪器生产厂商可以在同 样甚至更小休积和更低成本的前提下， 制造功能更为强大的测试仪器。 ( 5 ) d s p 、可编程逻辑器件技术和专用数字信号处理芯片的长足进 步， 使祝1 ,l 于微计 算机的虑拟仪器更多的得到使1 11 。从!) s i) 和可编程逻 辑器件的出现开始，电子设计中 “ 硬件设计软件化”的设计方法便被越 来越多的电子工程师所采用。在测试仪器中大量采用d s p 和可编程逻辑 器件，大大地增强了虚拟仪器的处理速度，增强了硬件模块的柔性，降 低了 测试仪器的生产成本和维护费用， 缩短了 测试仪器推向市场的时 间， 把产品的研制风险降到最低。另外， 设备的升级也变得容易。毫无 疑问， 将来虚拟仪器的设计 将大量采用集成密度更高， 速度更快的d s p 和可编程逻辑器件。 1 . 3虚拟仪器系统的构成和分类 在虚拟仪器系统中，用计算机灵活强大的软件代替传统仪器的某些 部件，用人的智力资源代替许多物质资源，通过一些软件与硬件，形成 了既有普通仪器的基本功能，又有一般仪器所不具备的特殊功能的新型 仪器。 1 . 3 . 1 系统构成 虚拟仪器系统主要由计算机、 软面板及插在计算机内 扩展槽中的板 卡或标准机箱中的模块等组成。计算机可以是台式p c 机、工作站、 便携 机或v x i , p x i 中的 控制器，其c p u 的能 力决定了 虚拟仪器的数据处理能 力。 虚拟仪器系统的软面板实际上是一组图形化用户界面，是用来操作 虚拟仪器进行测量的人机界面，其形式可因测试项目要求不同而不同。 虚拟仪器系统的硬件是计算机和为其配置的必要的仪器硬件模块。计算 机与为其配置的电子仪器测试模块通过编制的计算机测试软件结合起 来，组成通用的测量控制硬件平台。虚拟仪器系统的基本构成框图如 1 . 2 所示。 中南大学硕 卜 学位论文 第 1 章概 述 培训即可迅速掌握操作规程;使得它在仪器计量领域具有很强的生命力 和 卜 分厂 阔的前景。 在专用测量系统方而，虚拟仪器的发展空间更为广阔。配以专用探 头和软件可检测特定系统的参数，如汽车发动机参数、汽油标号、炉窑 温度、血液脉搏波、 心电 参数等多 种数据。 美国 的g e o m a t i c s 公司 和 g o l d s m i t h 公司等利用虚拟仪器开发工具， 研制开发出了 农业自 动化灌 溉系统和秋苗分析系统;清华大学利用虚拟仪器技术构建汽车发动机检 测系统，用于汽车发动机出厂前的自 动检验。 在自 动控制和工业控制领域，虚拟仪器同样应用广泛。绝大部分闭 环控制系统要求精确的采样、及时的数据处理和快速的数据传输。虚拟 仪器系统j哈恰符合上述特点，不但可以和高速数据采集设备构成自动测 量系统，而且可以 和控制设备构成自 动控制系统。尤其在制造业，虚拟 仪器的卓越计算能力和巨 大数据吞吐能力必将使其在温控系统、在线监 测系统、电 力仪表系统、流程控制系统等工控领域发挥更大的作用。 虚拟仪器已在超大规模集成电路测试，模拟电路/ 数字电路测试，现 代家用电器测试，电子元件/ 电路电子测试以 及军事、航天、生物、医 学、工厂测试，电工技术领域等的可移动式现场测试工作中得到了 应 用，且应用领域还将不断拓宽。 随着计算机网 络技术、多媒体技术、分布式技术等的飞速发展，其 内容会更加丰富，会有更多的厂商看重虚拟仪器技术领域这一广阔的市 场。例如，美国泰克公司、h p 公司以及n i 等公司均己开发出或正在致 力于开发通过i n t e rn e t 网 进行远程测试的开发工具。国内外许多大学也都 在尝试将虚拟仪器应用到实验教学和计算机辅助教学中。 目 前虚拟仪器在我国的应用才处于起步阶段， 许多科研单位，大 学，生产部门还是传统的测试仪器占据主导地位，微计算机与测试仪器 基本_ i: 还处于 互不相关的状态， 这大大地影响了电子行业的发展。 根据 我国的实际情况，我们可以采用引进与开发结合的道路，一方面，引进 吸收国际先进的电子测试仪器和技术，跟踪国际先进水平; 另一方面，大 力发展以基于p c 机插卡式硬件功能模块为主的测试技术，充分利用其低 廉的成木和我们已拥有的大量微计算机及其软件资源，逐步缩短与国际 先进水平的差距。 ， 卜 南大 学硕 一 学位f交 第 个 书 x 述 虚拟仪器是计算机技术、仪器技术、测量技术、数/ 模、模/ 数转 换技术、软件技术等完美的结合，它己 经成为测试与仪器技术发展的一 个重要方向。随着高速a j d芯片和电路的进一步集成化，可以设想在不 远的将来，一台安装虚拟仪器软件的标准微机成为一个多功能的测量仪 器，最能够根木上改变目 前专用仪器的研制和生产方式，具有广阔的应 川前景和巨大的潜在经济效益。 荃于虚拟仪器的演化、发展历程，可以作出如下的展望和预测: ( 1 ) 虚拟仪器必将在国防、电子测量、电气工程、机电一体化、教 育和牵涉到国计民生的越来越多的领域普及推广，“ 虚拟制造”，“ 虚 拟工厂”将成为熟悉的名词。 “ 虚拟仪器实验室”将部分地取代传统的 实验5 3 .服务 飞 教学和科d i f: o ( 2 ) 标准化、通用化、系列化、模块化以及开放式的体系结构等 v x i 系统的观念，将成为仪器更新换代的重要方向。数据采集、测试、 过程控制、信息传输和通信等现代信息技术汇集在一起，将使标准化、 规范化及软件化仪器更 广泛流行， 传统仪器将逐 渐失去主导 地位。 ( 3 ) 微电子、计算机、软件、通信及网络等技术的迅速发展，必将 使通过高速计算机网络构成的分布式测试系统和监控系统进行远程监控 及故障诊断的技术，即将联网测量技术在更广泛的领域得到应用。继 “ 软件就是仪器” 概念之后，很可能会出现 “ 网络就是仪器”新观念。 中南大学硕 卜 学位论文 m2 章 数据采集式虚拟仪器系统 第2 章 数据采集式虚拟仪器系统 在l 章第 3节介绍了因总线方式不同而构成的多种虚拟仪器系统， 其r il 一类为基于 p c i ( p e r i p h e r a l c o m p o n e n t i n t e r c o n n e c t ， 外部设备 互连)总线的p c - d a q 系统 ( 即插入式数据采集系统) 。 因为个人计算机数量庞大，用途广泛灵活，使得该 系统特别适合于 教学部门和各种实验室使用。在本课题中，我们采用的虚拟仪器系统正 是此类系统。 p c i 总线最初是i n t e l 为了 取代i s a 和l i s a 而开发的一种高性能的 扩展总线结构，具有比v g s a 局部总线更强的信号适应性，目 前已被广泛 采纳为 尸 c和工作站的行业标准。p c 工总线的高速数据吞吐能力能够很好 的满足数据采集的需要， 使之成为实时数据采集的理想方案。 p c - d a q 系统将一 块p c i 总线的多功能 插入式计算机数据采集卡( p l u g - i n p c d a q ) 直接插入在一台 运行w i n d o w s 9 5 / 9 8 / n t 的 p c 机的p c i 插 槽上，再加上专用的软件开发平台，即可构成集多种仪器于一身的测控 虚拟仪器。 2 . 1数据采集技术 现已 有大量的科技和工程人员对计算机进行总线扩展，目的是为了 将其用于实验室研究、工业控制、测试和测量上。而这些都要用到基于 计算机的数据采集技术。而一个数据采集系统的基本任务就是测量和产 生现实世界的物理信号。 本节中， 将对数据采集技术做个阐述。 i .数据采集系统信号分 类 传感器把物理信号转换成电信号 ( 电压或电流) ，例如热电偶 ( 温 度/ 电 压) 、r t d s ( 温度/ 电阻) 、应变片 ( 拉或压力/ 电阻) 、微音器 ( 压强 / 电压) 。信号调理附件能够对微弱信号进行放大、光电隔离、滤波等处 理，以便更精确和更安全地测量。同时它还能够激发和线性化某些传感 器及其信号。当输入信号被适当调理后，即可输给插入式数据采集卡进 行数字化。同时它也能产生控制信号。数据采集卡的程序设计依靠驱动 软件进行了简化，因而用户能够调用传统的语言和应用软件包来设计高 级程序。当然，计算机的性能决定了整个过程的速度。在实时系统中， 中南人学硕 卜 学位论文 第2 章 数据采集式in 拟仪器系统 需要高速的处理器和协处理器，或插入式辅助处理器，如 d s p芯片，单 片机芯片。某些场合，一台低速计算机也能实现要求。 总的来讲，可以把信号分为模拟信号和数字信号两类。一个数字信 号只有两个分离的状态:即高电平和低电平。相反，模拟信号包括了随 时问变化的连续信息。数字信号又可以分成开关信号和脉冲序列信号， 模拟信号 则可以分成直流信号、时域信号、频域信号，这五种信号分别 对应着一种主要的信号信息:状态、变化率、幅值、形状、频率。 2 .数据采集卡各部分作用 要从一个基于计算机的数据采集系统得到合理的结果，依赖于系统 的侮一个组成部分，下面我们对系统的硬件部分予以讨论。 ( 1 )传感器 传感器把物理信号转换成电 信号。 例如:热电 偶、r t d s 、热敏电阻、 集成电路传感器等，都将温度转变成电压或电阻。又如应变片、流量传 感器、压力计等将流速、压力转换成电 信号。对于每种传感器，电信号 的大小都与被监测的物理参数成正比。 一些传感器，像热电偶等，由于精度较低，信号也微弱，因而需要对 其调理和校正才可能得出精确结果。 而另外一些传感器，如 r t d s ，应变片等，电阻随温度或力改变。它 们需要一个精确的电 压和电 流去感受电阻变化。热敏电阻的阻值高，因 而一个电源和一个参考电阻就可测量。而像 r t d s ， 应变片等阻值较低， 因而它们需要额外设备来提高灵敏度和消除导线电阻的影响。 在木课题中，主要的信号来源于实验电路板，而电路板产生的输出信 号为模拟电压和电流信号，所以把非电信号转换为电信号的传感器这一 环节就可忽略。 ( 2 ) 信号调理 从传感器输出的信号必须经过调理才能够输入数据采集板，信号调 理包括放大、隔离、滤波、传感器激励、线性化等处理。 i .放大 微弱信号 都要进行放大以提高分辨率和降低噪声，也使调理后信号 的最大电压值和 a d c的最大输入值相等，这样可以提高精度。同时，高 分辨率可以降低对高放大倍数要求并可以提供较宽的动态范围。仪器信 号调理 s c x i的前端系统有几种放大模式，这些放大增益适合于 s c x i机 中南大学硕 卜 学位论文 第z 章 数据采集式虚拟仪偿系 统 架靠近传感器的微弱信号。最后只把大信号送到计算机，以使噪声影响 减到最小。 下 i .隔离 隔离也是信号调理的一种。从安全的角度把传感器信号或外部输入 信号同计算机隔离开，因为被监测系统可能产生瞬时高电压。另一个原 因是隔离可使从数据采集板出来的数据不受地电位和输入模式的影响。 当输入 。 n q板的信号与输出的信号不共地时，可能产生较大误差甚至损 坏系统，而用隔离办法就能保证信号准确。 i i i 滤波 滤波可以消除噪声信号。噪声滤波器通常用于直流信号。 许多 s c x i 模块都有从4 -1 o k h z 的 低通滤波器。 交流信号 通常需要 抗失真的 低通滤 波器，因为这样的滤波器有一个陡峭的截_【上 频率，因而几乎能够完全消 除高频千扰信号。实际上，某些产品如动态数据采集板有自己内在的抗 失真滤波器。 i v .激励 信号调理也能够为某些传感器提供工作电流。r t d s需要电流将电阻 变化反映出来， 而应变片需要一个完各的桥式电路及电源。很多设备都 提供电流源以便使用这些传感器。 v 线性化 很多传感器对被测量量都有非线性响应，因而需要对输出信号进行 线性化。美国n i 公司的驱动程序和一些应用软件也具有对信号线性化的 功能。 虽然本课题的信号没有通过传感器，但信号微弱且有干扰存在，需 进行信号 调理才能进行下一步的 a / d转换。目 前，市场上己经存在信号 调理的集成产品，若自 行设计含特殊要求的数据采集卡时 ( 如高速低精 度或低速高精度的 d a q ) ， 选择合理的信号调理模块， 可以节省设计的时 间，提高采集卡的兼容性。 ( 3 )数据采集硬件 数据采集硬件与众多因素相关，要根据具体情况来进行分析。这里， 先对 一 通用的特性进行一些介绍。 i . 采样频率 采样频率高，就能在一定时间获得更多的原始信号信息，如图 2 . 1 ， 卜 南人学硕 了 学位论文 第2 章 数据采集式虚拟仪器系统 ( a )所示。为了再现原始信号，必须有足够高的采样频率。显然，如果 信号 变化比采集板的数字化要快，或者采样太慢，就会产生波形失真， 如图 2 . 1 ( b )所示。 跟据奈奎斯特理论， 采样频率至少是原始信号最高 频率的两倍，才不至于产生波形失真。 ( a ) 合适的 采样频率 ( b )不合适的 采样频率 图2 . 1采样频率与信号 1 1 . 采样方法 要从几个通道得到数据， 通常使用多 路开关把每个信号端连接到a / d 转换器 ( 缩写 a d c ) 。采用连续扫描方法，要比给每个通道一个放大器和 a d c要经济得多，但这仅适合于在采样点之间时间不是很重要的场合口 如果采样点之间对时间要求严格，则必须同时采集。 对于低频信号， 可 以 川ifs o o i a ! 描办法来产 i 4 i1 时采样的效果， i 6 1 不必增加采样保持电 路。 这种方法以一定时间间隔扫描输入通道，用脉冲来计算各通道两次被扫 瞄的时间间隔。 i h. 分辨率 a d c的位数越多，分辨率就越高，可区分的电压就越小。例如，三位 转换把模拟电压范围分成 2 3 ( 8位) 段，每段用二进制代码在 0 0 0到 1 1 1 之问表示。因而，数字信号并不能真实地反映原始信号，因为一部分信 息被漏掉了。如果增加到十二位，代码数从 0增加到 4 0 9 6 ，这样就可以 南人学硕 学位论义 第2 0, 数据采集式a k 拟仪器系统 较精确地反映原始信号的数字信息。 i v .电压范m 电压范围指a d c 能扫描到的最高和最低电压。一般情况下，由于d a q 板的电压范围可调，所以可将信号电压范围调到与微机相配以便利用其 可靠的分辨率范围。范田、增益、分辨率决定了可分辨的最小电压变化， 它表示 1 l s b 。例如，某 d a q板的分辨率为 1 6 位，范围取0 _1 0 v ,增益 取1 0 0 ， 则有1 l s i 二i n/ ( 1 0 0 x 2 6 ) =1 . 5 ll y 。 这样， 在数字化过程中， 一位的分辨率为1 . 5 u v o 考虑到_ l 述因素外，在对数据采集产品进行评估时，还必须考虑下 而的因素。 i .差分非线性度 理论上，当增加输入给 d a q板的电压时，数字代码也 应该线性地增 加， 图像应是一条直线。 偏离该理想直线称为非线性。 d n l ( d i f f e r e n t i a l n o n - l i n e a r i t y ) 就是度量最坏的情况下的偏离情况。 理想的d a q 板的d n l 应为0 。实际使用的d a q 板的d n l 在0 . 5 l s b内。 d n l 可以用一个楼梯的 例子来说明。对于一个有较好 d n l的板，每一步的高度和宽度都应该是 一样的，相反则每一步都是不规则的。 i 丁 相对精确度 相对精确度是用来衡量最坏情况下偏离 d a q板转换功能直线的量。 要计算一块 d a q板的相对精确度时，可以从输入端加一电 压并将其数字 化。把数字化的直线同用计算方法得出的数字量进行比较，两者偏差的 最大值就是相对精确度。要得到好的相对精确度与 a d c和模拟电路周围 的环境都有关。 【 丁 i .停滞时间 对于典型的数据采集， 信号一般先经多路开关到放大器，再到a d c . 放大器必须能够跟踪多路开关的输出和停滞以 使a d c 能准确工作，否则， a d c就会把通道间的数据混淆。 这之间需要放大器停留的时间称为 停滞 时间。 停滞时间不好的 采集板是一个重要问题，因为它发生在模拟阶段。 d a q板不能把这个错误信息送到计算机。当采样频率高、增益大的时候， 停滞是很困难的。实际上，如果用机外实行程序设计放大的办法，放大 器能够在2 u s 内达到1 2 位的精确度，其增益可达1 0 0 .因而，n i 公司开 发了 d a q板专用的 n i - p g i a软件，它能够解决高频采样和高增益时的停 中南大学硕1 学位论文 第z 章 数据采集式虚拟仪器系统 滞( 、】 ih l 问题。 i v .噪声 数字信号的值与信号 之间的差异称之为噪声。由于计算机是一个有 噪声的数字环境，要从插入式板上得到数据需要一个精细的多层 d a q板 设计，而这些板是经过消除模拟信号设计的。简单地把放大器、a d c ,总 线接1 - 1 电路安装在一块一层或多层板上形成的d a q 板，其噪声非常严重。 设计者需要对板进行屏蔽以减少噪声。适当的屏蔽不只应该加在 d a q板 对模拟信号 的敏感部分，而是应嵌在d a q 板的层内。 v .模拟输出 模拟输出电路通常是为d a q 板的系统提供激励o d a c 输出 信号由 停滞、 转换率、分辨率等因素构成。停滞时间和转换率决定了输出信号幅值改 变的快慢。因而， 停滞时间少、转换率高的d a c 可以提供一个高频信号， 例如音频信号的 产生。相比 之下，如果 d a c的输出 信号去驱动低功率加 热器，就不需要连接速度很快的 d a c ,因为加热器本身就不能很快地跟 踪电压变化。总之，是应用决定了d a c 的技术要求。 v t .数字 i / 0 计算机数据采集系统中，数字化 i / 0用来控制过程、产生测试信号、 与外设通信。它的重要参数包括:数字口 线数、接收 ( 发送)率、驱动 能力等。如果输出去驱动电机、灯、开关型加热器等用电器，就不必用 较高的数据转化率。当然线数要能同控制项目配合，而且需要的电流要 小于板所能提供的驱动电流。加上合适的数字信号调理设备，仍可以用 低电流的t t l 电平信号取监控高电压、大电流的工业设备。 数字 t / 0最常见的应用是在计算机和外设如打印机、数据记录仪等 之ii j 传送数据，因为这些设各传送数据以字节的形式传送，所以数字口 的线数8位排成一组。另外一些数字口为了同步通信的需要还有 “ 握手” 线路。总之，通道数、传送率、 “ 握手”线路都是重要参数，依据具体的 应用场合而定。 v t t .定时 t / 0 许多场合都要用到计数器 ( 定时器) ，如数字脉冲定时、产生方波等。 定时器包括三个重要信号:门限信号、计时信号、输出。门限信号实际 上是触发信号使它工作或不工作;计时信号也即信号源，它提供了 计数器操作的时间基准;输出是在输出线上产生的方波和脉冲，它们最 中南大学硕士学位论文 第2 章 数据采集式虚拟仪器系统 重要的参数是分辨率和时间频率。高分辨率意味着计数器可以计更多的 数，时钟频率决定了产生数字信号输入的快慢，频率越高，计数增长得 快，因而输入端的信号频率高，就可产生高频的脉冲波和方波。 v i l l .总线仲裁和高级系统的d m a 传送 构建数据采集系统一个重要的方而就是实现与同步数据处理相联系 的高速数据吞吐。为了实现系统任务，最重要的是数据传送不需要使用 处理器。i s a总线用专门的电路来实现 d m a传送，因而不需要处理器的 参与。p c t 总线数据传送速率达 1 3 2 m b i t / s ，并且也有不需要处理器进行 d m a传送的能力。 但 p c i总线在主板 a 没有专门的d m a电路， 但它可 实现总线控制。p c i总线数据采集板可控制总线，进行高速传送数据， 然后释放总线，而没有总线控制能力的 i s a总线则需要依靠中断来进行 数据传送，因而降低了系统的速度。实际上，系统可以用i s a 板进行d m a 传送，再用p c i 总线作从板。 2 . 2 仪器系统的软件体系 数据采集系统的软件体系结构同其他虚拟仪器系统的软件结构一 样，包含以下三部分，如图2 . 2 所示。 应用软件开发环境 仪器驱动程序 输入输 出( 1 / 0 )接口 软件 图2 . 2 虚拟仪器软件体系结构 ( 1 ) 输入/ 输出 ( 1 / 0 ) 接口软件 在 v p p ( v x i p l u g 仪 器驱动程序对于仪器的操作与管理，又是通过输入/ 输出 ( i / 0 )软件所 提供的统一基础与格式的函数库 ( v i s a库)的调用来实现的。对于应用 程序设计人员来说，一旦有了仪器驱动程序，在不是十分了解仪器内部 操作过程的情况下，也可以进行虚拟仪器系统的设计工作。仪器驱动程 序是连接上层应用软件与底层输入/ 输出 ( i / 0 )软件的纽带与桥梁。 在过去，仪器供应厂家在提供仪器模块的同时提供的仪器驱动程序 的形式，都类似于一个 “ 黑匣子” ，用户只能见到仪器驱动程序的引出函 数原型，而将源程序 “ 神秘 “ 地隐藏起来。 用户一旦发现供应厂家提供 的仪器驱动程序不能完全符合使用要求时，也无法对其作出 修改， 仪器 的功能山供应厂家而不是用户木身来规定的。而 v p p规范明确地定义了 仪器驱动程序的组成结构与实现，明确规定仪器厂家在提供仪器模块的 同时，必须提供仪器驱动程序的源程序文件与动态链接库 ( d l l ) 文件， 并且山于仪器驱动程序的编写是在v 工 s a 软件的共同基础上，因此仪器驱 动程序之间有很大的互参考性，仪器驱动程序源程序也容易理解，从而 提供给用户修改仪器驱动程序的权利和能力，使用户可以对仪器功能进 行扩展，将仪器使用的主动权真正交给了用户。 ( 3 )应用软件开发环境 应用软件建立在仪器驱动程序之上，直接面对操作用户，通过提供 直观友好的测控操作界面、丰富的数据分析与处理功能，来完成自动测 试任务。应用软件开发环境的选择，可因开发人员的喜好不同而不同， 但最终都必须提供给用户一界面友好，功能强大的应用程序。在目前， 虚拟仪器系统应用软件开发环境主要包括两种: 中南人学硕 1 : 学位论文 第z 章 数据采集式虚拟仪器系统 第一种是墓于传统的文本语言式的平台，主要是 n i公司的 l a h w i n d o w s / c v 1 , v c + + , d e l p h i , t u r b o c , f3 c + + 等;这类语言具有适应 而广、开发灵活的特点， 但开发人员需要较多的编程经验和较强的调试 能力: 另一种是基于图形组态和编程的图形组态软件， 如l ip 公司的li p v e e , n i公司的 l a b v i e w , 1 0 t e c h公司的 d a s y l a b , c a p i t a l e q u i p m e n t公司 的t e s t p o i n t 2 . 0 和h e m 公司 的s n a p - m a s t e r 等。 这类 组 态软 件都 通过 建立和连接图标来构成虚拟仪器工作程序并定义其功能，而不是用传统 的文本编辑形式。它们具有编程效率高、通用性强、交叉平台互换性好 的特点，适用于大批量多品种仪器的生产。该图形化软件开发平台的提 出，可以大大减轻系统开发人员的负担，使其能将主要精力集中投入到 系统设计中，而不再是具体软件细节的推敲上。但该类软件缺点是缺少 程序流程控制，大都解释执行。 此外虚拟仪器的开发厂家，为扩大虚拟仪器的功能，在测量结果的 数据处理、表达模式及其变换方而做了许多工作，发布了各种应用软件， 建立了数据处理的高级函数功能分析库和开发工具库 ( 例如测量结果的 谱分析、快速傅立叶变换 f f t , f h t 、逆 f f t 、逆 f h t和细化分析，各种 数字滤波器、卷积处理和相关函数处理、微积分、峰值和闭值检队波形 发生、噪声发生、回归分析、均方根估计、差分积分运算、排序、数值 运算、时域和频域分析等) ，这些功能函数为用户进一步扩展虚拟仪器的 功能提供了 基础，使虚拟仪器发展成为可以组建极为复杂自 动测试系统 的仪器系统，更加有利于多方向的实验系统的开发和建设。 中南大学硕 卜 学位论文 第3 章 系统的软件设 计 第3 章 系统的软件设计 山“ 软件就是仪器”这一国际趋势，可见虚拟仪器的软件开发是关 键，所以采用何种软件开发平台也是选择的重点。在此对目前通用的两 利 仪器升发平台，做较为详细的介绍与比较，并介绍本课题中所采用的 语言开发设计平台。此外，对软件设计中的算法及应用的技术进行介绍。 3 . 1编程环境 美国n i 公司开发的仪器仪表测试应用平台是目前最为通用和流行的 开发软件， 包括两类: 一类是图 形化的开发平台l a b v i e w， 它使用直观 的方法来自 动生成所需的测试程序。其中测试人员仅需要依据自己 在仪 器仪表领域的专业知识，定义界面模式，设置测试方案或步骤，则该软 件平台就可以迅速完成相应的测试任务，并给出非常直观的分析结果。 另一类是交互式的c . c + + 开发平台l a b wi n d o w s / c v i ，它把c语言和虚 拟仪器的软件工具库结合起来，使得有经验的 c . c + + 开发工作人员可 以用c的编程环境，开发虚拟仪器系统。 下而，先对这两种当前国内外使用最为广泛的虚拟仪器开发平台 l a b v i e w和l a b wi n d o w s / c v i 做个介绍。 3 . 1 . 1图形化开发平台 l a b v i e w 1 .概述 l a b v i e w 是由 n i 公司开发的，全称为实验室虚拟仪器工程平台 ( l a b o r a t o r y v i r t u a l i n s t r u m e n t e n g i n e e r i n g w o r k b e n c h ) 。 它的 概念 是 直 观 的前面板与流程式的编程方法的结合，是构建虚拟仪器的理想工具。 l a b v i e w 和仪器系统的数据采集、分析、显示部分一起协调工作，是简 化了而又更易于使用的基于图形化编程语言c的开发环境。 前面板是一个经久的仪器概念，而软件前面板是自 动化的拓展，因 为它们保持了传统直观的视觉和感觉效果。同时，软件前面板创建了一 个真正的接口，无论用户使用什么类型的硬件，并且，不象硬件前面板， 软件前而板只包含了对于一个应用场合很重要的参数，用户能够很容易 地从一个单一前面板控制多台仪器，并把整个系统作为一台虚拟仪器来 看待。 . 南人学硕 卜 学位论文 第3 章 系统的软件设计 流程图式的程序设计与科技工程人员较为熟悉的数据流和方块图的 概念是一致的，而且山于流程图与传统程序设计语言的语法细节无关， 构建和测试程序就可以少费时间。使用流程图方法可以实现内部的自我 复制，采用前而板、流程图、图标等，用户还能够重用虚拟仪器，可以 随时改变虚拟仪器来满足自己的需要。 l a b v i e w 集成了很多仪器硬件库， 如 g p i b nx i / p x i / 基于计算机的 仪器，r s - 2 3 2 / 4 8 5协议、 插入式数据采集、 模拟/ 数字 /i-l数器 i / o 、信号 凋理、分布式数据采集、图象获取和机器视觉、运动控制、p c l / 数据日 志等。 与传统的编程方式相比，使用 l a b v i e w设计虚拟仪器，可以提高效 率4 - 1 0 倍。同时， 利用其模块化和递归方式， 用户可以 在很短的时间内 构建、设计和更改自己的虚拟仪器系统。 2 . l a b v i c w的特点 l a b v i e w具有以下特点: ( 1 )图形化的仪器编程环境: 它使用 “ 所见即所得”的可视化技术 建立人机界而，针对测试、测量以 及过程控制等领域。l a b v i e w 提供了 而板上所必需的许多显示和控制对象，如旋钮、表头、图表等。用户还 可以方便地将现有控制对象改成适合自己需要的控制对象。 ( 2 )内置的程序编译器:l a b v i e w采用编译方式运行3 2 位应用程 序，解决了其他按解释方式工作的图形编程平台速度慢的问题，其速度 大体相当于编译c的 速度。 ( 3 ) 灵活的程序调试手段:用户可以在源代码中设置断点，单步执 行源代码，在源代码的数据流上设置探针， 在程序运行中观察数据流的 变化。 ( 4 )功能强大的函数库:l a b v i e w 提供了大量现有函数供用户直 接调 用，从底层 v x i , g p i b 、串n 及数据采集板的控制子程序到大量的 仪器驱动程序，从基本的功能函数到高级分析库，涵盖了仪器设计中几 乎所需要的函数。 ( 5 ) 支持多种系统平台: l a b v i e w支持多利 ， 系统平台， 在 wi n d o w s n t / 9 5 / 3 . 1 , p o w e r m a c i n t o s h , h p . s u n s p a r c等系统平台上， n i 公司 都提供了相应版本的软件，并且平台之间开发的应用程序可直接进行移 植。 中南大学n ! 卜 学位论文 第3 章 系统的软件r61 ( 6 )开放式的开发平台:l a b v