（机械电子工程专业论文）基于lab+windowscvi平台的虚拟仪器的设计与开发.pdf

东北大学硕士学位论文摘要 基于l a b w i n d o w s / c v i 平台的虚拟仪器的设计与开发 摘要 测试仪器是进行科学研究的重要工具， 任何一台仪器都由 信号的采集与控制、 信号的分析与处理、结果的表达与输出这三大功能组成。传统仪器的功能都是由 硬件来实现，这就决定了 传统仪器的功能和结构只能由 仪器生产厂家来定义和制 造，而用户无法改变。虽然传统仪器的精度、功能和性能随着微电子技术和大规 模集成电 路技术的发展而不断提高， 但是对于复杂的测试参数较多的场合，使用 起来很不方便， 其局限性非常明 显。随着计算机技术的发展，出 现了 虚拟仪器， 在计算机上实现仪器的 三大功能， 把计 算机技术和仪器技术完美结合起来，充分 利用飞速发展的计算机技术来实现或增强传统仪器的功能。虚拟仪器具有结构简 单、 研制周期短、系统可扩展、维护方便、性能/ 价格比 好等特点。同时，它与网 络和外设的 连接相当 方便， 有利于实现数据的处理和信息的 共享。虚拟仪器开创 了 仪器使用者可以 成为仪器设计者的新时代，代表了 仪器发展的方向。 本课题正是顺应仪器发展的趋势，运用以 a n s i c库为基础的 l a b w i n d o w s / c v i 软件开发平台， 通过熟练运用d l l 技术， 研制开发了虚拟信号发生 器、基于声卡和凌华数据采集卡的虚拟示波器以 及部分非线性信号的先进算法如 小波分析、小波包分析和神经网络分析。其中基于声卡的虚拟数字示波器中信号 采集部分的 程序在v i s u a l c + + 6 .0 开发 环境下， 使用功能强大的c 十 十 语言进行编写， 主要是调用wi n d o w s 系统的mms y s t e m.d l l中的低级音频函数， 采用双缓存机 制， 实现声卡对音频信号的实时 采集; 基于凌华数据采集卡的虚拟数字示波器是 利用d l l 技术直接在l a b w i n d o w s / c v i 环境下编写， 二者均可实现对实时 信号的 实时采集、实时分析、实时显示及存储功能:非线性信号的先进分析方法是用底 层语言c编写，可形成独立模块，供其他程序使用。 本课题开发采用l a b wi n d o w s / c v i 软件开发平台， 可形成独立安装的软件包， 完全脱离l a b w i n d o w s / c v i 软件开发环境独立运行， 安装方便、实用性强。虚拟 仪器参数的控制全部通过图形用户界面进行人机交互，面板设计形象，易于实际 操作。 经实际验证，与传统仪器相比， 测试效率及测试精度高。用户还可以 通过 相应的编程对虚拟仪器进行移植、 改进或功能扩展， 可被广泛应用于教学及实验、 工程信号分析、故障诊断等领域。 关键词虚拟仪器l a b w i n d o w s / c v i d l l 技术小波分析神经网络 东北大学硕士学位论文ab s t r a c t t h e d e s i g n a n d d e v e l o p m e n t o f v i r t u a l i n s t r u me n t b a s e d o n l a b wi n d o ws / cvi ab s t r a c t t e s t i n g i n s t r u m e n t s a r e t h e i m p o r t a n t t o o l s i n s c i e n c e r e s e a r c h . e v e r y i n s t r u m e n t i n c l u d e s t h r e e f u n c t i o n c o m p o n e n t s . t h e y a re s i g n a l a c q u i s it i o n a n d c o n t r o l , s i g n a l a n a l y s i s a n d p r o c e s s i n g , e x p re s s i o n a n d o u t p u t o f r e s u l t s . t h e f u n c t i o n s o f t r a d i t i o n a l i n s tr u m e n t s a r e e x e c u t e d t h r o u g h h a r d w a r e , w h i c h d e c i d e s t h a t t h e f u n c t i o n s a n d s t r u c t u r e s o f t r a d i t i o n a l i n s t r u m e n t s a r e o n l y d e f in e d a n d m a n u f a c t u r e d b y t h e i n s t r u m e n t m a n u f a c t u r e r s . a n d t h e u s e r s c a n n o t c h a n g e t h e f u c t i o n s o p t i o n a l l y . t h o u g h t h e p r e c i s i o n , t h e f u n c t i o n a n d t h e c a p a b i l i t y o f t r a d i t i o n a l i n s t r u m e n t s a r e i m p r o v e d r a p i d l y w i t h t h e d e v e l o p m e n t o f m i c r o e l e c t r o n i c s t e c h n o l o g y a n d l a r g e s c a l e i n t e g r a t e d c i r c u i t ( l s i ) t e c h n o l o g y , t h e t r a d i t i o n a l i n s t r u m e n t s a r e n o t u s e d c o n v e n i e n t l y i n s i t u a t i o n s t h a t t h e r e a r e m a n y c o m p l e x t e s t i n g p a r a m e t e r s . t h e i r l o c a l i z a t io n i s l i m i t e d o b v i o u s l y . wi t h t h e d e v e l o p m e n t o f c o m p u t e r s c i e n c e t e c h n o l o g y t h e v i r tu a l i n s t r u m e n t s a p p e a r , w h i c h a c h i e v e t h e p e r f e c t c o m b i n a t i o n o f c o m p u t e r s c i e n c e t e c h n o l o g y a n d i n s t r u m e n t t e c h n o l o g y . t h e t h r e e f u n c t i o n c o m p o n e n t s o f i n s t r u m e n t a re e x e c u t e d t h r o u g h c o m p u t e r . s o t h e f u n c t i o n s o f t r a d i t i o n a l i n s t ru m e n t s c a n b e e x e c u t e d a n d e n h a n c e d t h r o u g h t h e c o m p u t e r s c i e n c e t e c h n o l o g y w h i c h d e v e l o p e r a p i d l y . v i rt u a l i n s t r u me n t s i n i t i a t e t h e n e w e r a t h a t t h e i n s t r u me n t u s e r s c a n b e t h e i n s t r u me n t d e s i g n e r s . v ir t u a l in s t r u m e n t s d e l e g a t e t h e d i r e c t i o n o f i n s t r u m e n t s . c o n f o r m t h e t r e n d o f i n s t r u m e n t d e v e l o p m e n t , in t h i s t h e s i s t h e a u t h o r a d o p t s l a b wl n d o w s / c v i s o f t w a r e d e v e l o p m e n t e n v ir o n m e n t b a s e d o n a n s i c l i b r a r y , u s i n g s k i l l f u l l y d l l t e c h n i q u e , d e v e l o p s v i r t u a l s i g n a l g e n e r a t i o n , v i r t u a l d i s p l a y i n s t r u m e n t re s p e c t i v e l y b a s e d o n s o u n d c a r d a n d a c l - 8 1 1 1 d a t a a c q u i s i t i o n c a r d , p a r t o f a d v a n c e d a r i t h m e t i c a b o u t i n l in e s i g n a l s u c h a s s m a l l w a v e a n a l y s i s , s m a l l w a v e p a c k a g e a n a l y s i s a n d b p n e r v e n e t w o r k . i n v i rt u a l d i g i t a l d i s p l a y i n g i n s t r u m e n t b a s e d o n s o u n d c a r d , t h e a c q u i s i t i o n p a r t p r o g r a m i s f i n i s h e d i n v c + + 6 .0 e n v i r o n m e n t u s in g s t r o n g l y f u n c t i o n c + + , m a i n l y t r a n s f e r l o w a u d i o f r e q u e n c y f u n c t i o n s o f mms y s t e m.d l l i n wi n d o w s , a d o p t i n g d o u b l e d e p o s i t s , a c h i e v i n g r e a l - t i m e d a t a a c q u i s i t i o n o f s o u n d c a r d . o t h e r w i s e 东 北大学 硕士学位论文a b s t r a c t i n v i r t u a l d i g i t a l d i s p l a y i n g i n s t r u m e n t b as e d o n a c l - 8 1 1 1 c a r d , t h e a c q u i s i t i o n p r o g r a m i s d ir e c t l y w r it t e n i n l a b w i n d o w s / c v i w it h d l l t e c h n i q u e , t h e y b o t h c a n r e a l i z e r e a l - t i m e a c q u i s i t i o n , r e a l - t i m e a n a l y s i s , r e al - t im e d i s p la y i n g a n d s t o r a g e f u n c t i o n . b e s i d e s , t h e a d v a n c e d a r i t h m e t i c s a b o u t i n l i n e s i g n a l a r e w r i tt e n b y b a s e d l a n g u a g e c t h e y c a n f o r m i n d e p e n d e n t m o d u l e s a n d c a n b e u s e d s i m p l y b y o t h e r p r o g r a ms . t h i s t h e s i s t a k e s l a b wi n d o w s / c v i a s i t s d e v e l o p m e n t e n v i r o n m e n t , i t c a n f o r m i n d e p e n d e n t s e t u p s o ft w a r e p a c k a g e a n d r u n a b s o l u t e l y d e v i a t i n g t h e d e v e l o p m e n t e n v i r o n m e n t , a c c o r d i n g l y , i t s s e t u p i s e as y a n d h as a s t ro n g p r a c t i c a b i l i t y . t h e c a n t o n m e n t o f p a r a m e t e r s o f t h e v i r t u a l i n s t r u m e n t s i s a l l p r o c e s s e d t h r o u g h t h e g r a p h i c i n t e r f a c e i n t h i s t h e s i s . t h e d e s i g n o f t h e i n t e r f a c e i s v i s u a l a n d e a s y t o h a n d l e . t h r o u g h t h e p r a c t i c al v al i d a t i o n , c o m p a r e d b y t h e t r a d i t i o n a l i n s t r u m e n t s , t h e t e s t in g e f f i c i e n c y a n d t e s t i n g p re c i s i o n o f t h e v i r t u a l i n s t r u m e n t s a r e m u c h b e tt e r . a n d t h e u s e r s c a n c h a n g e , im p r o v e a n d e x p a n d t h e f u n c t i o n s o f v ir tu a l i n s t r u m e n t s t h r o u g h c o r r e s p o n d i n g p r o g r a m s . t h e y c a n b e w i d e l y u s e d i n e n g i n e e r i n g s i g n al a n a l y s i s , f a u l t d i a g n o s i s a n d s o o n. 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 ; d l l t e c h n i q u e ; l a b wi n d o w s / c v i ; s m a l l w a v e a n a l y s i s ; n e r v e n e t wo r k i v 独创性声明 本人声明 所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。 论文中取 得的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己 经发表或 撰写过的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确 的说明并表示谢意。 学 位 论 文 作 者 签 “ :w 4 日 a : ) as l 1 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学 位论文的规定:即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的 复印 件和磁盘，允许论文被查阅和借阅，本人同意在东北大学可以 将 学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 ( 如作者和导师同意网上交流， 请在下方签名; 否则视为不同意。 ) 学位论文作者签名 签字日期: ) , t el :a * -a * - 多 、 冲 导师签名: 签字日期: ，i,- . ; ， 7 东北大学硕士学泣 论文第一章绪论 第一章绪论 1 . 1 课题的提出和意义 i . 课题的提出 随着计算机技术、 大规模集成电 路技术和通讯技术的飞速发展，电 子测量仪 器技术发生了巨大的变化，新的测试理论、测试方法、测试领域以 及仪器结构不 断出 现，在许多方面已经冲破了传统仪器的概念。在这种背景下，美国国家仪器 公司 ( n a t i o n a l i n s t n u n e n t s c o r p . 简 称n i 公司 ) 于2 0 世纪8 0 年 代中 期首 先 提出 基于 计算机技术的虚拟仪器的 概念， 把虚拟测试技术带入新的发展时期，随后研制和 推出了 基于多种总线系统的 虚拟仪器。 虚拟仪器技术把计算机技术与仪器技术完美地结合起来，开辟了现代仪器技 术的新天地。在虚拟仪器系统中，用功能强大的计算机软件代替传统仪器的某些 硬件，用人们的智力资源代替许多物质资源， 特别是在系统中运用计算机直接参 与测试信号的产生和测量特征的分析，从而使传统仪器中的一些硬件甚至整台仪 器从系统中消失，而由计算机的软件资源来完成它们的功能。在虚拟仪器系统中， 硬件仅仅是为了解决信号的输入输出，软件才是整个仪器系统的关键， 任何一个 使用者都可以 通过修改软件，很方便地改变、增减仪器系统的功能与规模，所以 有“ 软件就是仪器 ( t h e s o f t w a r e i s t h e i n s t n u n e n t ) ” 之说， 它反映了 虚拟仪器技术 的 本 质 特 征。 to 在东北大学测试技术实验室， 所有的试验仪器包括信号发生器、示波器和信 号分析仪都是传统仪器，而且都是多年以前购买的，功能单一，随着技术的不断 进步， 其性能已经不能顺应需要。它们一般不具有与计算机的接口，因而配合计 算机进行数据采集和数据处理十分困难，而且，由于是传统型仪器，因此其功能 不能 进行扩展，以 适应新的教学和科研的需要。为了 满足需要，一个办法就是购 买新的 试验仪器，但是试验仪器一般价格昂贵， 而且当 今科学技术发展迅猛， 新 购进的仪器很快就将被淘汰，这样投资巨大而收效小:另一种方法就是顺应仪器 发展的趋势，研究设计虚拟仪器，这样投入小而收效大，而且能够根据不同的需 求，修改软件程序而进行功能扩展，用户不必不断购买新仪器。因此，在综合分 析了以 上因素的基础上， 确立了 本课题， 研究和设计信号发生器、 虚拟数字示波 器，以满足教研室教学和科研的需要。 东北大学硕士学泣 论文第一章绪论 第一章绪论 1 . 1 课题的提出和意义 i . 课题的提出 随着计算机技术、 大规模集成电 路技术和通讯技术的飞速发展，电 子测量仪 器技术发生了巨大的变化，新的测试理论、测试方法、测试领域以 及仪器结构不 断出 现，在许多方面已经冲破了传统仪器的概念。在这种背景下，美国国家仪器 公司 ( n a t i o n a l i n s t n u n e n t s c o r p . 简 称n i 公司 ) 于2 0 世纪8 0 年 代中 期首 先 提出 基于 计算机技术的虚拟仪器的 概念， 把虚拟测试技术带入新的发展时期，随后研制和 推出了 基于多种总线系统的 虚拟仪器。 虚拟仪器技术把计算机技术与仪器技术完美地结合起来，开辟了现代仪器技 术的新天地。在虚拟仪器系统中，用功能强大的计算机软件代替传统仪器的某些 硬件，用人们的智力资源代替许多物质资源， 特别是在系统中运用计算机直接参 与测试信号的产生和测量特征的分析，从而使传统仪器中的一些硬件甚至整台仪 器从系统中消失，而由计算机的软件资源来完成它们的功能。在虚拟仪器系统中， 硬件仅仅是为了解决信号的输入输出，软件才是整个仪器系统的关键， 任何一个 使用者都可以 通过修改软件，很方便地改变、增减仪器系统的功能与规模，所以 有“ 软件就是仪器 ( t h e s o f t w a r e i s t h e i n s t n u n e n t ) ” 之说， 它反映了 虚拟仪器技术 的 本 质 特 征。 to 在东北大学测试技术实验室， 所有的试验仪器包括信号发生器、示波器和信 号分析仪都是传统仪器，而且都是多年以前购买的，功能单一，随着技术的不断 进步， 其性能已经不能顺应需要。它们一般不具有与计算机的接口，因而配合计 算机进行数据采集和数据处理十分困难，而且，由于是传统型仪器，因此其功能 不能 进行扩展，以 适应新的教学和科研的需要。为了 满足需要，一个办法就是购 买新的 试验仪器，但是试验仪器一般价格昂贵， 而且当 今科学技术发展迅猛， 新 购进的仪器很快就将被淘汰，这样投资巨大而收效小:另一种方法就是顺应仪器 发展的趋势，研究设计虚拟仪器，这样投入小而收效大，而且能够根据不同的需 求，修改软件程序而进行功能扩展，用户不必不断购买新仪器。因此，在综合分 析了以 上因素的基础上， 确立了 本课题， 研究和设计信号发生器、 虚拟数字示波 器，以满足教研室教学和科研的需要。 东北大学 硕士学 位论文第一章 绪论 2 . 课题的 意义 目 前，在一些发达国家虚拟仪器技术非常先进，虚拟仪器产品广泛地应用在 工业控制、通讯、自 动化、电子、电力、生化制药和工业生产等各种领域。而在 我国 基本上还处于传统测试仪器与计算机脱离的状态，其发展潜力很大，因而研 究与应用虚拟仪器技术可以 迅速发展我国的 仪器产业， 对提高工业界的 测试水平 具有深远的意义。 虚拟仪器对测量仪器发展的深刻意义还在于， 虚拟仪器的功能可以由 用户根 据需要自 行设计软件来定义和扩展， 而不是象传统仪器那样，功能只能由 厂家事 先定义并且固定不可变更。这样，用户不必购买多台不同功能或者昂贵的集多种 功能于一身的传统仪器，也不必不断购买新的仪器。因为虚拟仪器可以与计算机 同步发展，与网络及其他外部设备互连，用户只需根据需要改变软件程序就可以 不断赋予或者扩展增强它的功能，从这个意义上说， 仪器的设计及制造不再是仪 器厂家的专利。虚拟仪器开创了仪器使用者可以成为仪器设计者的时代，这将给 仪器使用者带来无尽的收益。 . 2 虚拟仪器的概念及特点 仪器是人们进行研究和生产的辅助工具， 在计算机出现之前，仪器的功能都 是通过硬件来实现。随着计算机技术的发展， 仪器的 许多功能都可以由 计算机完 成，如逻辑判断、人机交流等。因此， 虚拟仪器是仪器技术和计算机技术发展的 产物，是研究人员更好用、更方便的工具。 虚拟仪器 ( v i rt u a l i n s t r u m e n t ， 简称v i ) 的概念， 是n i 公司于1 9 8 6 年提出的。 所谓虚拟仪器技术，就是用户在通用计算机平台上，根据任务的需要来定义和设 计仪器的功能， 其实质是软硬件结合， 虚实结合的 产物，是充分利用最新的计算 机技术来实现和扩展传统仪器功能。虚拟仪器的基本思想是利用计算机来管理仪 器，组织仪器系统，进而逐步代替仪器完成某些功能，最终达到取代传统电子仪 器 的 目 的 . 2 ) 虚拟仪器技术综合运用了计算机技术， 数字信号处理技术， 标准总线技术和 软件工程方法，代表了测量仪器与自 动测试系统未来的发展方向。 虚拟仪器是一 个开放式的结构， 它以通用计算机为核心， 通过配置1 / 0接口设备 ( 如数据采集卡 d a q , g p i b 总 线仪器、 v x i 总 线仪器模 块、 串口 总 线仪 器等) 实 现 信号的 获取与 控制， 还可以 用数字信号处理器d s p 实现信号的处理， 加上实现不同 测量功能的 软件对采集获得的信号数据进行分析处理及显示， 从而实现仪器的功能。 虚拟仪器是用计算机应用程序实现仪器的功能，而不是用硬件实现， 这是与 东北大学 硕士学 位论文第一章 绪论 2 . 课题的 意义 目 前，在一些发达国家虚拟仪器技术非常先进，虚拟仪器产品广泛地应用在 工业控制、通讯、自 动化、电子、电力、生化制药和工业生产等各种领域。而在 我国 基本上还处于传统测试仪器与计算机脱离的状态，其发展潜力很大，因而研 究与应用虚拟仪器技术可以 迅速发展我国的 仪器产业， 对提高工业界的 测试水平 具有深远的意义。 虚拟仪器对测量仪器发展的深刻意义还在于， 虚拟仪器的功能可以由 用户根 据需要自 行设计软件来定义和扩展， 而不是象传统仪器那样，功能只能由 厂家事 先定义并且固定不可变更。这样，用户不必购买多台不同功能或者昂贵的集多种 功能于一身的传统仪器，也不必不断购买新的仪器。因为虚拟仪器可以与计算机 同步发展，与网络及其他外部设备互连，用户只需根据需要改变软件程序就可以 不断赋予或者扩展增强它的功能，从这个意义上说， 仪器的设计及制造不再是仪 器厂家的专利。虚拟仪器开创了仪器使用者可以成为仪器设计者的时代，这将给 仪器使用者带来无尽的收益。 . 2 虚拟仪器的概念及特点 仪器是人们进行研究和生产的辅助工具， 在计算机出现之前，仪器的功能都 是通过硬件来实现。随着计算机技术的发展， 仪器的 许多功能都可以由 计算机完 成，如逻辑判断、人机交流等。因此， 虚拟仪器是仪器技术和计算机技术发展的 产物，是研究人员更好用、更方便的工具。 虚拟仪器 ( v i rt u a l i n s t r u m e n t ， 简称v i ) 的概念， 是n i 公司于1 9 8 6 年提出的。 所谓虚拟仪器技术，就是用户在通用计算机平台上，根据任务的需要来定义和设 计仪器的功能， 其实质是软硬件结合， 虚实结合的 产物，是充分利用最新的计算 机技术来实现和扩展传统仪器功能。虚拟仪器的基本思想是利用计算机来管理仪 器，组织仪器系统，进而逐步代替仪器完成某些功能，最终达到取代传统电子仪 器 的 目 的 . 2 ) 虚拟仪器技术综合运用了计算机技术， 数字信号处理技术， 标准总线技术和 软件工程方法，代表了测量仪器与自 动测试系统未来的发展方向。 虚拟仪器是一 个开放式的结构， 它以通用计算机为核心， 通过配置1 / 0接口设备 ( 如数据采集卡 d a q , g p i b 总 线仪器、 v x i 总 线仪器模 块、 串口 总 线仪 器等) 实 现 信号的 获取与 控制， 还可以 用数字信号处理器d s p 实现信号的处理， 加上实现不同 测量功能的 软件对采集获得的信号数据进行分析处理及显示， 从而实现仪器的功能。 虚拟仪器是用计算机应用程序实现仪器的功能，而不是用硬件实现， 这是与 东北大学 硕士学位论文第一章绪论 传统仪器的最大区别。另外，虚拟仪器技术与计算机测控技术有所不同，主要是 两者的着重点有区别，计算机测控技术着重计算机的硬件和各种标准协议，虚拟 仪器技术则是着重仪器的功能，并充分利用了计算机测控技术。 虚拟仪器在以下几个方面具有传统仪器所无可比拟的特点: ( 1 ) 虚拟仪器的 功能、 性能、 指标可由 用户定义，即可以 根据用户的 不同 要求 对同一仪器的功能、性能、指标进行修改或增删， 彻底打破了传统仪器一经设计 制造完成后，其功能、性能、指标不可改变的封闭性、单一性。 ( 2 ) 可以 将多种仪器的功能、性能、 指标等以软件的形式集成在一个“ 功能软 件库” 虚拟仪器库内，通过它们的不同组合以 及与各种不同类型的 硬件接口 搭配， 使得在一台 个人计算机上就可实现各种仪器的 不同 功能， 大大提高了 仪器 功能的灵活性，甚至可以进行非常复杂的测试工作，如配以专用探头和软件可以 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、心电 参数等多 种数据。 ( 3 ) 由 于计算机具有强大的图形界面功能和数据运算功能， 因此虚拟仪器的操 作简单直观，符合传统设备的使用习 惯。数据分析及数据处理、结果与图形曲 线 的显示功能也非常强大。 ( 4 ) 集成方便，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。随着计算机技术在测控领域的广泛应用， 传统的仪 器设备缺乏相应的计算机接口，因而配合数据采集和数据处理十分困难， 而且， 传统仪器在对多种数据测量时纷乱繁杂，而在集成的虚拟测量系统中， 不仅可以 从繁复的仪器堆中解放出来，而且还可以实现自 动测量、自 动记录、自 动数据处 理。 ( 5 ) 可以 在同一总线系统的仪器之间或通过网 络进行数据交换， 实现资源共 享，进行远程操作，用数据库管理数据。 ( 6 ) 开发周期短、成本低、维护方便，易于应用新理论、新算法和新技术，实 现仪器的换代升级。 ( 7 ) 测量精度高， 测量范围宽并且性能稳定，可靠性高。 ( 8 ) 智能程度高， 具有自 学习和决策能力。 1 . 3 虚拟仪器的发展历史、现状及趋势 测量仪器发展至今，大体可分为四代:模拟仪器、数字化仪器、智能仪器和 虚拟仪器。 3 第一代模拟仪器，这类仪器在某些实验室仍能看到，如指针式万用表、晶体 东北大学 硕士学位论文第一章绪论 传统仪器的最大区别。另外，虚拟仪器技术与计算机测控技术有所不同，主要是 两者的着重点有区别，计算机测控技术着重计算机的硬件和各种标准协议，虚拟 仪器技术则是着重仪器的功能，并充分利用了计算机测控技术。 虚拟仪器在以下几个方面具有传统仪器所无可比拟的特点: ( 1 ) 虚拟仪器的 功能、 性能、 指标可由 用户定义，即可以 根据用户的 不同 要求 对同一仪器的功能、性能、指标进行修改或增删， 彻底打破了传统仪器一经设计 制造完成后，其功能、性能、指标不可改变的封闭性、单一性。 ( 2 ) 可以 将多种仪器的功能、性能、 指标等以软件的形式集成在一个“ 功能软 件库” 虚拟仪器库内，通过它们的不同组合以 及与各种不同类型的 硬件接口 搭配， 使得在一台 个人计算机上就可实现各种仪器的 不同 功能， 大大提高了 仪器 功能的灵活性，甚至可以进行非常复杂的测试工作，如配以专用探头和软件可以 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、心电 参数等多 种数据。 ( 3 ) 由 于计算机具有强大的图形界面功能和数据运算功能， 因此虚拟仪器的操 作简单直观，符合传统设备的使用习 惯。数据分析及数据处理、结果与图形曲 线 的显示功能也非常强大。 ( 4 ) 集成方便，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。随着计算机技术在测控领域的广泛应用， 传统的仪 器设备缺乏相应的计算机接口，因而配合数据采集和数据处理十分困难， 而且， 传统仪器在对多种数据测量时纷乱繁杂，而在集成的虚拟测量系统中， 不仅可以 从繁复的仪器堆中解放出来，而且还可以实现自 动测量、自 动记录、自 动数据处 理。 ( 5 ) 可以 在同一总线系统的仪器之间或通过网 络进行数据交换， 实现资源共 享，进行远程操作，用数据库管理数据。 ( 6 ) 开发周期短、成本低、维护方便，易于应用新理论、新算法和新技术，实 现仪器的换代升级。 ( 7 ) 测量精度高， 测量范围宽并且性能稳定，可靠性高。 ( 8 ) 智能程度高， 具有自 学习和决策能力。 1 . 3 虚拟仪器的发展历史、现状及趋势 测量仪器发展至今，大体可分为四代:模拟仪器、数字化仪器、智能仪器和 虚拟仪器。 3 第一代模拟仪器，这类仪器在某些实验室仍能看到，如指针式万用表、晶体 东 北大学 硕士学位 论文第一章 绪 论 管电 压表等。它们的基本结构是电 磁机械式的， 借助指针来显示最终结果。 第二代数字化仪器， 这类仪器目 前相当 普及，如数字电 压表、 数字频率计等。 这类仪器将模拟信号的测量转化为数字信号 测量， 并以 数字方式输出最终结果， 适用于快速响应和较高准确度的测量。 第三代智能仪器，这类仪器内置微处理器，既能进行自 动测试又具有一定的 数据处理功能，可取代部分脑力劳动，习惯上称为智能仪器。它的功能块全部都 是以 硬件 ( 或固 化的软件)的形式存在， 无论是开发还是应用，都缺乏灵活性。 第四 代虚拟仪器， 它是现代计算机技术、 通信技术和测量技术相结合的 产物， 是传统仪器观念的一次巨大变革。 虚拟仪器技术是测控技术领域出 现的一项突破性进展，是当今计算机辅助测 试( c a t ) 的一项重要技术。 虚拟技术的开发和应用的活跃源于 1 9 8 6 年美国n i 公 司设计的l a b v i e w, n i 公司无论是在软件开发平台还是在虚拟仪器产品上都处于 领先水平。 在软件体系结构的各个层次上， 形成了 完整的设备驱动程序、 系统开 发平台、 使用支持软件、应用软件包相互支撑的格局。 在产品方面， n i 公司能 够 提供丰富的g p i b产品、 插卡式数据采集产品、 信号调理产品、 p x i 总线产品、 v x i 总线产品、图像采集产品等，均处于世界领先地位。目 前， 世界上陆续由数百家 公司， 如h p 公司、 t e k tr o n i x 公司、 r a c a l 公司等相继推出了多种总线系统多达数 百个品 种的虚拟仪器。作为仪器领域中最新兴的技术， 虚拟仪器的 研究、开发在 国内已 经过了起步阶段。9 0年代中期以 来，国内重庆大学、哈尔滨工业大学、西 安交大等高校及中科泛华公司等单位在研究开发虚拟仪器产品和引进、消化美国 n i 公司 和h p 公司产品 方面作了 一系列的 有益的工作， 并取得了 一批瞩目 的成果。 如北京中 科泛华公司， 在测控软件开发平台、 数据采集产品、 工业现场总线、 g p i b 产品、 v x 工 系统、 p x i 系统等产品的推广与 应用方面具备一定的规模， 形成了以 现 代测控技术和计算机技术为核心的测控系统开发、集成的专业技术公司。 虚拟仪器现正处于发展阶段， 它可以 看做是面向 对象思想在测试仪器领域的 发展。 这种思想使得虚拟仪器在开发上变得简单， 操作上简单直观，大大地发展 了 现代测试仪器的设计方法和技术， 拓宽了 测试应用领域。目 前，己 经相继出 现 了 一些虚拟仪器开发平台，并正在逐渐建立统一的虚拟仪器标准。 v i 技术走的是一条标准化、开放性、多厂商的技术路线，经过1 0 多年发展， 正沿着总线与驱动程序的标准化、硬/ 软件的模块化、 硬件模块的即 插即用化、编 程平台的图形化等方向发展。 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，融合了计算 机技术的v i 技术， 其内容会更加丰富。 例如， 美国泰克公司、 h p 公司以 及n i 公 司等均已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。网 东 北大学 硕士学 位论文第一章 绪 论 络化的虚拟仪器是仪器技术未来的发展主流。 专家预测:末来的几年内，我国将有大部分的仪器为虚拟仪器，大批的企业 用虚拟仪器系统对生产设备的 运行状况进行实时监测。虚拟仪器技术是现代电 子 测量仪器发展的主潮流，必将在更多、更广的领域得到应用、普及。 1 . 4 虚拟仪器的系统构成 任何一台仪器都由以 下三大功能块组成:信号的采集与控制、信号的分析与 处理、 结果的表达与输出。 在传统仪器中这些功能块全部都是以 硬件( 或固化的软 件) 的形式存在。 这种框架式的结构，决定了传统仪器的功能和结构只能由 仪器厂 家来定义、制造，用户无法改变的现实。 计算机技术的发展， 给传统仪器技术注入了强大的活力。 首先是微电 子技术、 大规模集成电路技术的发展，促进了数字化仪器、智能仪器的快速发展。仪器的 精度越来越高，功能越来越强， 性能越来越好。但是，传统仪器基本上没有摆脱 独立使用、 手动操作的 模式。 对于较为复杂的 应用场合， 测试参数较多的 场合， 使用起来就很不方便，其局限性非常明显。如果把计算机技术和仪器技术结合起 来，就能充分利用飞速发展的计算机技术来实现或增强传统仪器的功能。 把仪器 的三大功能块全部放在计算机上来实现， 在计算机上插数据采集卡， 用软件来进 行信号的分析处理，完成多种多样的测试功能，然后用软件在屏幕上生成仪器控 制面板，以 各种形式表达输出检测结果。总之，充分利用计算机丰富的软硬件资 源，可以 大大突破传统仪器在数据的处理、表达、传送、存储等方面的限制， 达 到传统仪器无法比拟的效果。 图1 . 1虚拟仪器的 构成框图 f i g . 1 . 1 s t r u c t u r e d i a g r a m o f v i r t u a l i n s t r u m e n t 东 北大学 硕士学 位论文第一章 绪 论 络化的虚拟仪器是仪器技术未来的发展主流。 专家预测:末来的几年内，我国将有大部分的仪器为虚拟仪器，大批的企业 用虚拟仪器系统对生产设备的 运行状况进行实时监测。虚拟仪器技术是现代电 子 测量仪器发展的主潮流，必将在更多、更广的领域得到应用、普及。 1 . 4 虚拟仪器的系统构成 任何一台仪器都由以 下三大功能块组成:信号的采集与控制、信号的分析与 处理、 结果的表达与输出。 在传统仪器中这些功能块全部都是以 硬件( 或固化的软 件) 的形式存在。 这种框架式的结构，决定了传统仪器的功能和结构只能由 仪器厂 家来定义、制造，用户无法改变的现实。 计算机技术的发展， 给传统仪器技术注入了强大的活力。 首先是微电 子技术、 大规模集成电路技术的发展，促进了数字化仪器、智能仪器的快速发展。仪器的 精度越来越高，功能越来越强， 性能越来越好。但是，传统仪器基本上没有摆脱 独立使用、 手动操作的 模式。 对于较为复杂的 应用场合， 测试参数较多的 场合， 使用起来就很不方便，其局限性非常明显。如果把计算机技术和仪器技术结合起 来，就能充分利用飞速发展的计算机技术来实现或增强传统仪器的功能。 把仪器 的三大功能块全部放在计算机上来实现， 在计算机上插数据采集卡， 用软件来进 行信号的分析处理，完成多种多样的测试功能，然后用软件在屏幕上生成仪器控 制面板，以 各种形式表达输出检测结果。总之，充分利用计算机丰富的软硬件资 源，可以 大大突破传统仪器在数据的处理、表达、传送、存储等方面的限制， 达 到传统仪器无法比拟的效果。 图1 . 1虚拟仪器的 构成框图 f i g . 1 . 1 s t r u c t u r e d i a g r a m o f v i r t u a l i n s t r u m e n t 东 北大学 硕士学 位论文第一章绪论 虚拟仪器系统由 硬件系统和软件系统两大部分构成， 基本框图如图1 . 1 所示。 把p l c 、 现场总线( f i e l d b u s ) 设备也放入这个框图中， 这是因为如果按构成仪器的 三大功能部件来看，所有的过程控制系统、工业自 动化系统均可归纳到虚拟仪器 系统的框架中来。 4 . 1 虚拟仪器的硬件系统 虚拟仪器的 硬件系统一般分为计算机硬件平台 和测控功能 硬件。 计算机硬件平台可以是各种类型的计算机，如普通台式计算机、便携式计算 机、工作站、 嵌入式计算机等。计算机管理着虚拟仪器的软硬件资源， 是虚拟仪 器的硬件基础。 按照测控功能硬件的 不同， v i 主要可分为d a q , g p i b , v x i , p x i 、串 行接 口 和现场总线等几种标准体系结构。 ( 1 ) d a q 数据 采集系统 构成方 法 d a q ( d a t a a c q u i s i t io n ) 数 据 采 集 产品 ， 指 的 是 基 于 计 算 机 标准 总 线( 如i s a , p c i , p c / 1 0 4 等) 的内 置功能 插卡。 它充分地利用计算机的资源， 大大增加了 测试 系统的灵活性和扩展性。利用 d a q可方便快速地组建基于计算机的仪器 ( c o m p u t e r - b a s e d i n s t r u m e n t s ) ， 实 现“ 一 机多 型” 和“ 一 机多 用” 。 一个典型的数据采集控