（电气工程专业论文）基于虚拟仪器的电子信息类教学实验系统的研究与实现.pdf

摘要 将虚拟仪器技术应用于实验教学对于提高教学质量、合并实验室组建实验 中心具有重要意义。本文针对高校电子信息类实验室，提出了一套适用于实验 教学的通用虚拟实验系统方案。该系统主要由通用模拟量测控模块，通用开关 量测控模块，通用脉冲量测控模块，虚拟函数发生器四大模块，以组成一套基 于虚拟仪器的实验系统。 该系统的特点是：通用性的模块化设计，以最少的实验设备来完成多项实 验内容，各个模块可以应用在电子信息类专业许多学生实验中。同时结合计算 机的强大功能，充分体现了虚拟仪器的优势，能有效地提高实验效果，减少实 验费用。本实验系统不仅适用于学生实验，而且还可以应用于实际工程中，具 有很好的实用价值和经济效益。 本文在分析电子信息类实验教学内容基础上，设计了各虚拟仪器的外围硬件 电路，如：通用模拟量测控模块、通用开关量测控模块、通用脉冲量测控模块、 虚拟函数发生器。研制了相应的软件，包括：各仪器的虚拟控制面板控制软件； 主机与单片机的通信软件；数据处理软件；各种控制算法软件等。并针对通用 开关量测控模块、通用脉冲量测控模块给出了常见实验实例，详细说明了各个 模块实验使用方法。 关键词：虚拟仪器，单片机，模拟量，开关量，脉冲量，实验系统 a b s t r a c t t h ea p p l i c a t i o no fv i r t l l a li n s 锄e n t st e c h n o l o g yi ne x p e r i m e mt c a c l l i n gi sv 髓y m l p o r 眦f o ri m p r o v i n g 也eq l l a l i qo ft e a c h i i l ga i l du 王1 i d n gia _ b o r a t o r i e si i l _ t o a n e x p 喇m e mc e n t e r t l l i sp a p e rp r o v i d e sas c h e m eo fg e n e r a l 删c x p e 血e n t 访蛐m m e n t ss y s 咖，w h i c hi s a d 印t e df o re x p e r i n l e n tt e a c l l i n g t h es y s t e mi s c o m p o s e do fag e n e r a la n a l o gm e a s l l r ea n dc o n t r o lm o d u l e ，ag e n e r a ls w i t c hm e a s l 】r e a f l dc o m r 0 1m o d u l e ，ag e n e r a lp u l s em e a s u r ea i l dc o n t r o lm o d u l e ，av i r t u a lf h n c t i o n g e n e r a t o r ，w 1 1 i c hc o n s t i t i n e as e to fe x p e r i m e ms y s t e mb a s e do nt h ev i r t u a l i n s l r u m e n t a b i gs p e c i a l 岛a t u r eo f t h i ss y s t e mi st o 酬a i ng e n e r a lu s eo f t l l em o d u l et ot 1 1 e b e s t ，w 1 1 i c h 酊f o rl l s i n gm el e 鹪eo fe x p e d m e mi i l s m l m e mt oc o m p l e t et 1 1 em o s to f e x p e r i m e mc o n t e n t s e a c hm o d u l e c a na p p l yi nm a z l ys t u d e n te x p e r i m e n t so f e l e c t r o n j c si n f o n n a t i o ns p e c i a l 够j o i i l i n gt o g e 也e rt 1 1 e s 仃o n g f i l i l c t i o no fm e c o m p u t e ra tt h es 锄et i m e ，也i ss y s t e mr e p r e s e m 也ea d v a m a g eo f 讥m l a li r l s m 】m e n t w e l l ，t l l a tc a nv e r ye 虢c t i v e l ye l e v a t e 也er e s i l l to fe x p e 血n e n t sa n dd e c r e a s et 1 1 e e x p e r i m e n tb u d g e t m o r e o v e r ，t h i ss y s t 锄n o to n l yi s 印p l i c a b l et ot h es n m e m e x p e r i m e n 乜，b u ta l s oc a nb e 幽c t l ya p p l i e di ne n g i l l e e 血gp r o j e c t ，w 1 1 i c hp r o d u c e s 也ei a 瑶e re c o n o r n i cb e n e 斑 i nt l l i sp a p e r ，m es 缸u c t u r ea n dp e m i n m n c eo f h a r d 、v a r ei sd e s c m e d ，s u c ha sa g e n e r a la n a i o gm e a s u 咒a n dc o n 们lm o d u l e ，ag e n c 融s 埘t c hm e a s u r ea n dc o n 廿o l m o d u l e ， ag 黜lp l l l m e 勰l l r e姐dc o n t r o lm o d u l e ，a 1 1 dav 抽：1 1 a lf h n c t i o n g e n e r a _ t o r t h es o m 忸r cs u c ha sv 删f h c 印l a t c s ，c o r r 吼u 1 1 i c 撕o i l ss o n w a r e ，d a 土a p m c e s s i n gs o f 啊a r e ，c o m r o la l g o r i t l l i 粥s o f t 、a r ea n ds oo n ，a r ec o m p i l e d i na d d i t i o n ， a 纽i l i a rc x p 痂e mr e s p e c 吐v e l yi se n 岫e m t e d ，妇i n ga tt h eg e n e r a l a 1 1 a l o g m e a s u r ea n dc o m r o lm o d i l l e ，也eg e n e r a ls 、7 i r i t c hm e 勰u r e 甜l dc o m m lm o d l i l e ，也e g e n e m lp l l l s em e 鼬u r e 锄dc o n 舡d lm o d l l l e ，a n de l a b o r a t e do nh o wt ol l s et h ee a c h m o d u l ec o m p l e t et 1 1 e s ee x p e r i m e n t s k e y w o r d s ：v 油】a lh i m | l e n t s ，s c m ，a n a l o gs i 缈a l ，s 、i t c hs i g l l a i ，p u l s es i g n a l ， e x p e r i m e n ts y s t e m 2 插图清单 图1 1 虚拟仪器的内部功能划分 图1 2 虚拟仪器的系统构成 图2 1 模拟量模块系统原理框图 图2 2 精密差动放大电路原理图 图2 3 程控增益放大器原理图 图2 4l m 3 3 1 高精度v ，f 接线图 图2 5 数据传输电路原理图 图2 6 调功方式示意图 图2 7 按键接线原理图 图2 8 模拟量模块控制面板 图2 9p c 机对单片机通信流程一 图2 1 0 单片机对p c 机通信流程一 图2 1 l 单片机接收和发送数据的中断服务程序 图3 1 通用开关量测控模块原理框图 图3 2 并行输入输出接口及其输入输出通道电路 图3 3 输入通道的信号调理及保护电路 图3 4 晶体管驱动电路 图3 5 m o c 3 0 4 l 接口电路 图3 6 开关量模块的控制面板 图3 7 开关量模块主程序框图 图3 8 交通灯连线图 图4 1 通用脉冲量模块原理框图一 心 q 哪 邶 m 玛 邯 h 插 墙 侈 加 勉 筋 筋 拼 拍 ” 汐 一 一 一 ：| 一 一 一 一 一 =|二|=二二=二 图4 2 逻辑切换电路原理图 图4 3 掉电保护原理图 图4 4 内部脉冲发生电路- 图4 5 脉冲量测量控制面板 图4 6 测速实验原理图 图5 1 单片机控制部分原理框图 图5 2 整机硬件原理框图一 图5 3 数字波形合成原理框图 图5 4 波形合成电路原理图 图5 5 幅度和偏移量调整电路。 图5 6 数字调频电路 图5 7 锁相环工作原理图 图5 8 阶梯正弦波信号 图5 9 周期矩形脉冲信号 图5 1 0 简单的二阶滤波电路 图5 1 l 恒流源电路 图5 1 2 虚拟函数发生器的软面板 图5 1 5 虚拟函数发生器波形产生流程图 3 0 3 1 3 2 一3 3 粥 鲳 ” 甜 叭 铊 们 钳 钳 铝 如 铉 舛 表格清单 表1 1 虚拟仪器与传统仪器的比较3 表3 1 交通灯状态变化表2 7 表4 1 四相步进电机环形分配器存储状态表3 6 表5 1n 为正奇数时f s ( n ) 取值计算表一4 8 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得研究成果。据我 所知除了文中特别加以标志和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研 究成果，也不包含为获得 盒监王些盔堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材 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。 学位做储签字壤。玩也签字日期砖帅跏日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 盒胆王些盔堂有关保留、使用学位论文的规定，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，允许论文被查阅或借阅。本人授权 金壁王些盔堂可以将学位论文的全部或部分论文内容编入有关数据库进行检索，可以采用 影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者躲兽巧也 导师躲 秘争 签字日期：噼c 【月狮日签字日期0 峨f 月夕d 日 学位论文作者毕业去向 工作单位： 通讯地址： 电话 邮编 致谢 值此论文完成之际，首先向我的导师王建平教授致以最诚挚的谢意。在整 个硕士学习和课题研究阶段，王老师无论在工作和学习上都给了我极大的关心 和支持，他渊博的学识、丰富的科研和现场经验、严谨求实的工作作风，使我 受到了深深的启迪和教诲。王老师在整个课题完成过程中对我进行了精心的指 导，用他广博的知识、开阔的眼界和先进的思想为我指明了方向。 感谢我的现场导师常州自动化研究所的许中高级工程师，他在我的课题研 究期间给了我悉心的指导和无私的帮助。 在此还要感谢合肥工业大学电气及自动化工程学院的孟祥发老师，他在我 需要帮助的时候热情地伸出了援助的手，其平易近人、助人为乐的精神使我永 远难忘。同时还要感谢所有关心和帮助过我的老师和同学们。 最后我要感谢我的家人，感谢淮北职业技术学院的领导和同事们，是他们 给予我物质和精神上的帮助，使我能安心完成学业。 作者：訾兴建 2 0 0 5 年1 0 月 1 1 引言 第一章绪论 大学实验室既是进行科学研究的重要基地，又是培养学生实践能力的重要 场所，因此，实验室建设是学校教学过程中的一项重要工作。本课题针对高校 电子信息类实验室存在的一些问题寻求解决方案，以期对高校实验室建设提出 有价值的建议。 高等学校电子信息类专业的教学过程中要涉及许多实验，其中包括电子实 验，微机原理与接口技术实验，传感器实验。自控系统实验，系统集成实验， 通信原理与系统实验，电机与拖动实验，过程控制实验，计算机控制实验等。 目前，高校的上述实验课程中往往采用一些传统的实验仪器与设备，如示波器， 函数发生器，万用表等，还有一些针对性很强专用的实验设各( 包括软硬件) ， 如计算机控制实验系统。一个传统的实验要使用多种仪器，而且不同实验所用 的仪器也不尽相同，如果开设综合性实验则所需仪器设各更多，如此多的仪器 设备不仅价格昂贵，体积大，占用空间多，而且相互连接也十分不便。鉴于传 统实验平台硬件成本高、构造复杂、通用性差、功能单一的缺点，如果能够开 发出一套通用的实验仪器，使之尽可能适用于多种实验教学，将大大节约实验 经费，产生可观的经济效益。 虚拟仪器是利用计算机强大的图形环境和在线帮助功能( 通过一组软件和 硬件) ，形成既具有普通仪器的基本功能，又具有一般仪器所没有的特殊功能的 高档、低价的新型仪器。通过建立中英文界面的虚拟仪器面板，完成对仪器的 控制、采集数据的分析和显示，用其代替传统仪器，可以改变传统仪器的使用 方式使仪器的功能和使用效率明显提高，大幅度降低仪器的价格，而且用户 可以根据自己的需要定义仪器的新功能。因此本文设计的基于虚拟仪器的电子 信息类教学实验系统，作为高等学校电子信息类专业的通用实验器材，其具有 如下主要优点f 1 】口1 l 口2 l ： ( 1 ) 通过友好的人机界面使实验操作灵活、方便： ( 2 ) 通过运用计算机强大的计算与处理能力，大大地提高了数据分析、处 理能力； ( 3 ) 通过设计、仿真与实铡的对比使理论与实验操作密切结合； ( 4 ) 通过一机多用、硬件资源共享，大大节约了实验室建设的资金。 ( 5 ) 通过嵌入自编软件来提高系统使用的灵活性，以满足综合性、开发性 教学实验的要求。 教学实验的要求。 1 2 虚拟仪器的概念、特点、，构成及种类【2 l 】f 2 3 】【5 0 】 1 2 1 虚拟仪器的概念 虚拟仪器( v i r t u a li n s t r u e n t s ，简称v i ) 是通过应用程序将计算机与功能 模块硬件结合起来，用户可通过友好的图形界面来操作计算机，就像操作自己 定义、设计的测试仪器，从而完成被测试量的采集、分析、判断、显示与数据 处理。 所有的测量、控制仪器的功能可由“数据采集”、“数据分析”、“结果输出 与显示”三大部分组成。其中，数据分析、算法实现和结果显示完全可由计算 机软件完成，只需另外提供一定的数据采集硬件、输出端口和驱动设备。由此 可以看到虚拟仪器与传统仪器的基本区别：传统仪器的这些功能都是以硬件或 者固化的软件的形式存在的，而虚拟仪器的功能则是通过软件完成的。所以说， 软件是虚拟仪器的核心。 虚拟仪器的内部功能划分如图1 1 插入式d a o 卡 g p i b 仪器 v x i 仪嚣 r s - 2 3 2 采集处理 信号处 网络传输 理 数字滤 硬复制 波 统计文件i ，o 图形用产接 分析 口 数据分析结果表达 图1 1 虚拟仪器的内部功能划分 应用程序将可选硬件( 如g p i b 、v x i 、r s 一2 3 2 、d a q 板) 和可重复使用的 原代码库函数等软件结合在一起，实现了仪器模块闻的通信、定时与触发。原 代码库函数为用户构造自己的v i 系统提供了基本的软件模块。由于v i 的模块 化、开放性和灵活性，以及软件是关键的特点，当用户的测试、控制要求变化 时，可以方便她由用户自己来增减硬、软件模块，或重新配置现有系统以满足 新的测试、控制要求。这样，当用户从一个项目转向另一个项目时，就能简单 地构造出新的v i 系统而不丢弃已有的硬件和软件资源。十多年前，美国n i 公 司提出的“软件就是仪器”的口号，形象地描述了软件在v i 中的重要作用。 1 2 2 虚拟仪器的特点 2 虚拟仪器与传统仪器的比较如下表： 表1 1 虚拟仪器与传统仪器的比较 虚拟仪器传统仪器 软件使得开发与维护费用降至最低开发与维护开销高 技术更新周期短( 1 2 年)技术更新周期长( 5 l o 年) 关键是软件 关键是硬件 价格低、可复用与可重配置性强价格昂舞 闻户定义仪器功能厂商定义仪器功能 开放、灵活，可与计算机技术保持同步发展封闭、固定 与网络及其它周边设备方便互联的面向功能单一、互联有限的独立 应用的仪器系统设备 总的来说，虚拟仪器具有灵活性、可扩展性、易维护性、高性价比、易组 建、高可靠性的特点，能够更迅捷、更经济、更灵活地解决测试、控制问题。 1 2 3 虚拟仪器构成 从构成要素上讲，虚拟仪器系统是由计算机、应用软件和仪器硬件组成的。 应用软件用于编程、测试和分析，计算机是v i 系统的心脏和动力，仪器硬件是 测控系统获取信息、进行控制的基础。 数据采集与控制硬件 i 一信号调理i _ 一数据采集卡 呻 iil 测 固吨至 控 叫 串行口仪器，p l c h 卜_ 对 象 卜叫盯司 - _ 叫现场总线( f i e i 曲u s ) 设备卜， 图1 2 虚拟仪器的系统构成 1 2 4 虚拟仪器的种类 虚拟仪器的硬件平台由计算机及其i 0 接口设备两部分组成。i ，0 接口设备 主要执行信号的输入、数据采集、放大、模，数转换任务。根据i ，o 接口设备总 线类型的不同，虚拟仪器的构成方式主要有五种：p c d a q p c i 插卡式虚拟仪 器系统、g p i b 虚拟仪器测试系统、v x i 总线虚拟仪器测试系统、p x i 总线虚拟 仪器测试系统和p c 串口总线虚拟仪器测试系统。利用各种图形化驱动程序就 可以驱动上述各种总线的i 0 接口设备，实现对被测信号的输入、数据采集、 放大与模数转换，进而供计算机迸一步分析处理。使用者不必熟悉p c i 计算机 总线、g p i b 总线、v x i 总线、串口总线，就可以掌握对虚拟仪器的使用。 ( 1 ) p c d a q p c i 插卡式虚拟仪器是虚拟仪器最基本最廉价的构成形式。 数据采集卡( d a q 卡) 由多路开关、放大器、采样保持器、刖d 转换器几部分 与其它有关电路如定时计数器、总线接口电路等作在一块印刷电路板上构成， 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， 还装有数模转换器( d a ) ，d a 处在p c 计算机的后向通道，即输出通道，用 于将计算机输出的数字量转换为模拟量，从而实现控制功能。p c 。d a o ，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 因而也受p c 计算机机箱环境和计算机总线的限制，存在诸多的不足，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。 ( 2 ) g p i b 总线( 即i e e e 4 8 8 总线) 是一种数字化2 4 脚( 扁型接口抽座) 并行总线，其中1 6 根线为t t l 电平信号传输线，包括8 根双向数据线、5 根 接口管理线、3 根数据传输控制线，另8 根为地线和屏蔽线。g p i b 使用八位并 行、字节串行、异步通信方式，所有字节通过总线顺序传送。它是在7 0 年代由 h p 公司制订的总线标准，后来被定义为g p i b 总线，主要用于连接测试仪器和 微型计算机。它是用来连接特定系统而不是用来连接功能模块的，因此应用起 来并不灵活。g p i b 总线最多只能连接1 5 个设备( 包括作为主控器的微机) 。另 外，它采用非同步传送方式，使不同速度的设备可以在一起协调工作，但是数 据的传输速度还是比较慢，最大速度只有l mb p s 。g p i b 总线标准在计算机仪 器的发展史上曾经发挥过十分重要的作用，甚至今天仍然在很多地方保留了一 席之地。 ( 3 ) p x i 是p c i 在仪器领域的扩展( p c ie x t e n s i o n sf o ri n s t r u m e n t a t i o n ) ， 它将c o m p a c t p c i 规范定义的p c i 总线技术发展成适合于试验、测量与数据采 集场合应用的机械、电气和软件规范，从而形成了新的虚拟仪器体系结构。制 订p x i 规范的目的，是为了将台式p c 的性能价格比优势与p c i 总线面向仪器 领域的必要扩展完美地结合起来，形成一种主流的虚拟仪器测试平台。p x i 规 范定义了保证多厂商产品互操作性的仪器级接口标准。与其它规范所不同的是， p x i 在电气要求的基础上还增加了相应的软件要求，以进一步简化系统集成。 这些软件的要求就形成了p x i 的系统级接口标准。p x i 规范要求厂商而非用户 来开发标准的设备驱动程序，使p x i 系统更容易集成和使用。p x i 规范还规定 了仪器模块和机箱制造商必须提供用于定义系统配置情况的初始化文件。初始 4 化文件所提供的这些信息是操作软件正确配置系统所必不可少的。例如，通过 这种机制，可以确定相邻仪器模块是否具有兼容局部总线的能力。如果信息不 对或者丢失，将无法操作和利用p x i 的局部总线能力。p x i 的重要特性之一是 维护了与标准c o m d a c t p c i 产品的互操作性。但许多p x i 兼容系统所需要的组 件也许并不需要完整的p x i 总线特征。例如，用户或许要在p x i 机箱中使用一 个标准c o m p a c t p c i 网络接口模块，或者要在标准c o m p a c t p c i 机箱中使用p x i 兼容模块，在这些情况下，用户所需要的是模块的基本功能而不是完整的p x i 特性。 ( 4 ) v x i 是一种高速计算机总线一v m e ( v m eb u se x t e n s i o nf o r i n s t r u m e n t a t i o n ) 总线在仪器领域的扩展，是公认的2 1 世纪仪器总线系统和自 动测试系统的优秀平台。由于它的标准开放，结构紧凑，具有数据吞吐能力强， 定时和同步精确，模块可重复利用等优点，因此在近1 0 年时间内v x i 规范不 断完善和发展，并迅速在仪器测量和工业控制等领域得到应用，表现出很强的 发展潜力。1 9 9 3 年由多家公司组成v p p 系统联盟，致力于来自各厂商的v x i 模块的规范化以来，由于以v x i 总线为平台的虚拟仪器软件和硬件都具有开放 性、模块化、可重复使用以及互换性等特点，v x i 系统的发展更为迅速，被国 内外专家誉为“跨世纪的仪器总线”、“划时代的技术成果”，并被认为是电子仪 器和自动测试领域的“第三次革命”。v x i 总线标准是在1 9 8 7 年提出来的，在 全世界范围内完全开放的，可以应用于不同厂家之间的行业标准。v x i b u s 小型 便携系统( 其系统体积可以降到相应的g p i b 系统的1 4 ) 可以用于构造很大的 系统( 最多可以上挂2 5 6 个器件) ，工作速度很快( 并行数据传输总线的传输速 度上限可达到4 0 m b p s ，本地总线的传输速度上限是l gb p s ) ，上限速度虽然难 以达到，但是系统的速度仍会明显高于相应的g p i b 系统。此外，v x i b u s 系统 采用模块化设计，系统构建灵活，研制开发时间相对较短。v x i 总线虚拟仪器 由于其集成化、标准化、快速的数据传输能力和良好的电磁兼容性而得到迅速 的发展。 ( 5 ) 串口r s 2 3 2 总线是早期采用的通用单行总线，最初多用于数据通 信上，但随着工业测控行业的发展，许多测量仪器都带有r s 2 3 2 串口总线接 口。将带有r s 2 3 2 总线接口的仪器作为i o 接口设备通过r s 2 3 2 串口总线与 p c 计算机组成虚拟仪器系统目前仍然是虚拟仪器的构成方式之一，主要适用于 速度较低的测试系统，与g p i b 总线、v x i 总线p x i 总线相比，它的接口简单， 使用方便。当今，p c 计算机己更多地采用了u s b 总线和i e e e l 3 9 4 总线。尤 其是i e e e l 3 9 4 总线，它是一种高速串行总线，由它构建的虚拟仪器系统，数 据传输速度已经达到l o o m b p s 。由串口总线组成虚拟仪器测试系统，其i ，o 接 口设备就是带有r s 一2 3 2 4 8 5 接口的测试仪器，通常可以直接和计算机上的串口 相连。如果计算机的串口己被其它资源占用，则需要在计算机的p c i 或i s a 槽 中插入一块串口卡。此外，因为p c 计算机拥有大量熟练的用户，p c 机本身的 性能价格比也迅速提高。目前我国有一大批测试仪器亟待改造和更新，性能价 格比越来越高的p c 虚拟仪器无疑对广大用户具有巨大的吸引力。 无论哪种v i 系统，都是将仪器硬件搭载到笔记本电脑、台式p c 或工作站 等各种计算机平台加上应用软件而构成的，实现使用计算机的全数字化的采集 测试分析。 1 3 虚拟仪器的发展趋势1 研f 1 9 】 从1 9 8 6 年n i 公司提出v i 概念到现在，经过十几年的发展，不仅v i 技术 本身的内涵不断丰富，外延不断扩展，在军事和民用领域均得到了广泛的应用， 而且对现代测控技术产生了深远的影响。例如v i 原来最核心的思想是利用计算 机的强大资源使本来需要硬件实现的技术软件化，以便最大限度地降低系统成 本，增加系统功能与灵活性。由i t 产业特征决定了v i 技术也必须走标准化、 开放性这条技术路线，目前v i 已发展成具有g p i b 、p c d a q 、v x i 和p x i 多种 标准体系结构的开放技术。1 9 9 8 年n i 又发布了虚拟硬件( v i r t u a lh a r d w a r e ) 和可互拶虚拟仪器( 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 s ) 的概念，v i 基 金会又发布了相应的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 s ) 技术规 范。 2 0 世纪9 0 年代，虚拟仪器技术开始向图形化开发平台的更高级硬件模块、 i 0 总线及驱动程序标准化、可用性强等方向发展。当v x i 即插即用系统联盟 成立以后，在虚拟仪器方面提出更新的目标： ( 1 ) 对i o 进一步标准化，使它们在任何特定的语言环境中的使用与硬件 无关； ( 2 ) 对设备的驱动程序标准化，使用户能在源代码级使用仪器功能； ( 3 ) 通过外观和感观一致在软面板上对系统进行操作，并且有公用的安装 程序。 图形化编程平台的进一步发展与完善也是虚拟仪器技术发展的个重要方 向。如何使用户进行少量的学习甚至不需要学习就可使用功能强大的虚拟仪器， 如何使用户简洁地构成虚拟仪器系统并完成复杂的测试内容，如何帮助用户对 测试结果进行分析和判断等，都是虚拟仪器技术的发展方向。 随着技术的进步，在共同的标准下，使用不同厂家的模块化功能硬件和应 用软件毫无障碍地构建自己的测试、控制系统将是完全可能的事，而用户需要 做的可能只是运行几个程序而已。 总之，虚拟仪器技术经过几十年的发展，而今正沿着总线与驱动程序标准 化、硬软件模块化、编程平台的图形化和硬件模块的即插即用方向进步。以开 6 放式模块化仪器标准为基础的虚拟仪器标准日趋完善，建立在v x i 技术上的各 种先进仪器将会层出不穷。 1 4 目前国内高校电子信息类常用教学实验仪器存在的问题 目前国内高校信息类教学实验常用仪器仪表为：万用表、毫伏表、函数发 生器、示波器及各种专用实验设备等。上述实验设备在实验教学中暴露出的主 要弊端有： ( 1 ) 功能弱。如无实验模拟功能、辅助实验教学功能，以及普通示波器无 暂态信号、过度过程的存储、重现功能。 ( 2 ) 适用面窄。上述实验设备难以用于诸如微机原理与接口技术、传感器， 自控系统，系统集成、算法语言等课程的实验、实习教学。 ( 3 ) 维护、使用、管理不便。同一实验室往往集有多种类、多规格、多型 号的传统实验设备，易损件备用量大，操作使用方法各异，难以采用统一的管 理标准和规程。 ( 4 ) 无实验模拟功能，导致实验过程费时多、元器件损耗大。 1 5 本课题目的和意义 虚拟仪器与传统仪器相比，其主要优点是可以由用户自己定义、自己设计 仪器系统，以满足不同的教学要求，使仪器的功能更加强大、灵活，而且很容 易同网络、外设及其他应用相连接。这样既降低了价格，节省开发、维护的费 用，又缩短了技术开发周期。对比传统仪器和虚拟仪器的构成特点和发展空间， 可以看到研究基于虚拟仪器的通用实验系统具有重要的意义。 首先，该实验系统将结合虚拟仪器相对于传统仪器的优势，解决传统仪器 体积庞大，价格极高，缺乏相应的计算机接口，在数据采集及数据处理等方面 十分不便的问题，通过运用计算机强大的计算与处理能力，大大地提高数据分 析、处理能力，通过设计、仿真与实测的对比使课本理论知识与实验操作密切 结合。利用虚拟仪器实验系统，可使师生们从繁杂的仪器堆中解放出来，而且 还可实现自动测量、自力记录、自动数据处理。 其次，利用其图形化界面可进行直观的实验操作，实验教学过程充满着新 颖、新奇和新鲜感，能激发学生的求知欲，激励学生进行探究和思考，为培养 创新思维奠定基础。 此外，其通用性将使该系统适用多种实验，大大减少实验设备，从而节约 资金，方便教学。另外，本课题所提供的一些模块也可满足工业现场测控的需 要，可直接应用于工业控制。所以，与原有的传统实验平台相比，该系统将产 7 生可观的经济效益和社会效益。 l6 本课题主要研究的内容 本课题研究的内容主要有：通用模拟量测控模块，通用开关量测控模块， 通用脉冲量测控模块，虚拟函数发生器四大模块，以组成套基于虚拟仪器的 模块化实验系统。 ( 1 ) 通用模拟量测控模块 通用模拟量测控模块的硬件主要由多路开关，精密差动放大电路，程控增 益放大电路，v f 转换，单片机，键显电路，数据通信电路( r s 4 8 5 ) ，报警显示， 负载控制等几个部分组成。软件采用汇编和v i s u a 乙b a s i c6 o 编制，通过该模 块和p c 机、p t l o o 传感器组成的实验系统可分别调用p i d 、d a h l i n 、s m i t h 预 估校正、模糊等算法进行准确的湿度控制。 ( 2 ) 通用开关量测控模块 针对电子信息类专业开关量检测和控制实验设计制作的通用开关量测控 模块采用美国a t m e l 公司的8 位单片机a t 8 9 c 5 2 作为微处理器。用串行移位寄 存器7 4 l s l 6 5 扩展并行口来输入实验( 或生产过程) 中的开关状态，7 4 l s l 6 4 输出所需的开关量控制信号，可检测3 2 路开关量状态，控制3 2 路开关量输出。 并且预留了扩展接口，可以通过增加硬件板来扩充测控点数，是一台可以由上 位机实时编程的简易可编程序控制器( p l c ) 。 ( 3 ) 通用脉冲量测控模块 。 以8 2 5 3 定时，计数器和8 9 c 5 2 单片机为核心开发设计的通用脉冲量测控模 块主要应用于一些涉及脉冲量的实验项目，如8 2 5 3 定时计数器实验、电脑时 钟实验、步进电机转速闭环控制实验等，以及产品计数、转速测量等应用场合。 ( 4 ) 虚拟函数发生器 虚拟函数发生器的硬件构成为：单片机、p l d ( 可编程逻辑器件) 、高速 d a 转换器、波形及频率合成单元、信号偏移与幅值调节电路、程控滤波电路 等。其软件由人机界面、数字处理、通信等模块等构成。其特点是采用数字波 形合成技术，能形成频率、幅值和偏移量可调的2 2 种信号，可用做电工、电子 实验的信号源。 8 2 1 概述 第二章通用模拟量测控模块 计算机测控系统从测控信号来看可分为数字量测控与模拟量测控。在计算 机控制和过程控制实验中，模拟量的测控实验占有相当大的比重，例如：温度 测控、多种液体混合控带烊。针对这些实验内容，本文设计了基于虚拟仪器的 通用模拟量测控模块，通过其与计算机的结合，利用计算机的强大图形显示功 能，可充分发挥虚拟仪器的优势。在做不同的模拟量测控实验时，只需改变外 接的传感器和负载，就可以满足实验需求，并将实验过程和实验结果形象地显 示在屏幕上。另外本模块还设有按键、显示电路，可以作为下位机直接应用在 工程项目中。 2 2 硬件组成7 】1 9 】【2 0 】【4 5 】 模拟量模块主要有多路开关，精密差动放大电路，程控增益放大电路，v f 转换，单片机，键显电路，数据传输电路( r s 4 8 5 ) ，控制量输出等几个部分组成。 系统原理图如图2 1 所示。 8 晒2 图2 1 系统原理框图 2 2 1a t 8 9 c 5 2 单片机 本模块采用a t m e l 公司的a t 8 9 c 5 2 单片机作为控制核心，进行模拟量的采 集，实现不同增益，并按照不同的控制算法进行输出控制，通过网络通讯串行 口向上位机或其它智能单元传送采集到的模拟状态和接收上位机或者其它智能 单元的数据、命令等，并控制l e d 显示状态。 9 2 2 2 多路开关 本模块可进行8 路模拟量的测量，故采用两片c d 4 0 5 2 双通道四路模拟开关 进行各路的选择。另外用一片c d 4 0 5 2 切换利用电阻分压设定的分别对应的标准 电压值，为了对放大器的零漂进行补偿以提高测量精度，采集过程中还将模拟 开关接地，以获取零输入时放大器的输出( 即零漂) 。 2 2 3 精密差动放大电路 有两级构成，采用三片集成运放o p 0 7 组装。接占电路如图2 。2 所示： v 图2 2 精密差动放大电路原理图 其理想的差动输入放大倍数为： 一鲁o + 笋， 为使放大器的输出能与其后级的v f 转换器的输入匹配，需使放大器的输 入电压为零或为正极性信号。而当切换模拟开关使放大器输入端接地进行零漂 测试时，在工作环境温度范围内，应使放大器的输出为零或负，这可通过调节 放大电路中的调零电位器实现。另外在该放大电路前面需要加二阶低通滤波器， 以克服干扰。 2 2 4 程控增益放大电路 当模块外接不同的传感器时，信号的变化范围是不同的，即测控信号的范 围比较宽，为了保证必要的测量精度，常采用改变量程的办法。改变量程时， 测量放大器的增益也应相应地加以改变；另外，在数据采集系统中，对于输入 的模拟信号一般都需要加前置放大器，以使放大器输出的模拟电压适合于模数 转换器的电压范围，但被测信号变化的幅度在不同的场合表现不同动态范围， 信号电平可以从微伏级到伏级，模数转换器不可能在各种情况下都与之相匹配， 如果采用单一的增益放大，往往使a d 转换器的精度不能最大限度地利用，或 l o 致使被测信号削顶饱和，造成很大的测量误差，甚至使a d 转换器损坏。使用 程控增益放大器就能很好地解决这些问题，实现量程的自动切换，或实现全量 程的均一化，从而提高a d 转换的有效精度。 实现程控增益放大有多种方式。如用多路模拟开关切换电阻、利用d a 转 换器实现程控增益放大器、选用集成程控运算放大器、采用数字电位器实现程 控增益放大器。本文采用单片机和d a 转换器d a c 0 8 3 2 构成程控增益放大器。 图2 3 程控增益放大器原理图 d a 转换器内部有一组模拟开关的电阻网络，用它代替运放反馈部件，与仪 表放大器一起可组成程控增益放大衰减器，再配合软件判断功能就可实现数据 采集系统的自动切换量程。 一警 式中，2 5 6 b 可看作放大倍数，b 为单片机发来的数字量。 2 2 5a d 转换 在控制和测量系统中，电量或非电量输入通过传感器和前置电路接入后续 电路处理，在数字系统中，一般为a d 转换器件。由于外部信号通常来自于不同 的对象，对于高共模电压下的低电平信号必须采取相应措施完成信号的转换和 隔离。采用v f 转换和光电隔离将模拟输入转换为频率信号处理是模拟信号转 换和隔离的一种有效的方法。测量电路可以多种方式实现模拟量测量，应用a f 变换电路也可直接测量频率或周期。实现v f 和f v 转换有多款单片集成电路 可完成，其中n s 公司的l m 3 3 1 具有外围电路简单、性能价格比高、可单电源供 电、功耗低等优点。 l m 3 3 1 适宜应用于多种场合，在用作电压频率转换时，其输出为频率正比于 输入电压的脉冲串，该脉冲可通过简单的光电耦合实现输入输出隔离克服高共 模电平。此外l m 3 3 1 采用的温度补偿电路能保证在整个工作温度范围内的转换 l t 精度。其具体电路如图2 4 所示。 图2 4l m 3 3 1 高精度v f 接线图 2 2 6 数据传输电路 数据传输电路是模拟量测控模块与p c 计算机通信的接口部分。本文采用目 前广泛应用的r s 一4 8 5 串行接口总线构成数据采集与控制网络。r s 一4 8 5 采用平 衡发送和差分接收方式实现通信，在发送端驱动器将t t l 电平信号转换成差分 信号输出，在接受端接收器将差分信号还原成t t l 信号，这样可具有很强的抗 共模干扰能力和很高接收灵敏度。在传送数据速度达l o o k b p s 时通信距离可达 1 2 0 0 m 。当需接复杂算法控温时可作为智能模拟量i 0 模块，上传现场实测温度 值，接收及输出来自上位机的控制量。控制量的计算则由上位机完成；具体实 现是采用a t 8 9 c 5 2 的串行口，通过光耦器件6 n 1 3 6 及r s 一4 8 5 总线驱动器 d s 7 5 1 7 6 ，它是专为半双工串行通讯模式设计的，连接到r s 一4 8 5 总线上，再通 过4 8 5 2 3 2 模块与p c 机进行数据交换，具体电路如图2 5 所示。 2 2 7 控制量输出 该模块的输出量主要有两种：一种是控制外部设备的工作状态，一种是作 为报警信号，为此采用u l n 2 0 0 3 作为功率驱动芯片。u l n 2 0 0 3 集成驱动芯片是 具有7 个达林顿电路的集成芯片，该芯片集电极可收集最大达5 0 0 m a 的电流， 图2 5 数据传输电路原理图 耐压为3 0 v ，能驱动常规的l 印显示器。其内部由于接有续流二极管，还可驱 动感性负载，此处用来驱动双向可控硅驱动器m 0 c 3 0 4 1 及报警电路。 m o c 3 0 4 l 为专门设计用于功率双向晶闸管或反并联单向晶闸管的触发器，是 一种集成的带有光耦合的双向可控硅驱动电路。它内部集成了发光二极管、双 向可控硅和过零触发电路等器件。其特点是输入和输出完全隔离，可避免主电 路对控制电路的干扰，使强电和弱电系统得以隔离，相互无干扰，不考虑同步 问题，可以简化电路设计。这里用它驱动功率双向晶闸管b t l 3 8 从而控制外部 设备。 该模块则采用了调功的方式。所谓调功，就是采用过零触发技术，使晶闸 管在一个控制周期内，输出一串完整的正弦波，通过改变控制周期内输出正弦 波的个数，改变了晶闸管控制周期内的导通时间，实现了对功率的控制。该方 式对惯性大的系统尤为适用。 若系统采用的控制周期为1 6 秒，晶闸管的触发周期为l om s ，因此，输出 功率为1 6 0 0 级可调，使得系统的控制精度可达到较高的水平。 乍二习# 二 _ _ “。i； 。盼舻与姚肚一 图2 6 调功方式示意图 t 3 2 2 8 电源 为了提高系统的抗干扰能力，可将光电隔离技术应用于数字量输入、输出 通道的隔离中，本模块的电源用多个的稳压电源分别对各部分电路进行供电。 1 2 v 对运算放大器和模拟开关及温度传感器供电，5 v 。对c p u 与光耦连接部分供 电，5 v ：对光耦与输入输出通道连接部分供电。以上各电源都是采用7 8 0 0 系列 三端稳压器构成，另外为给l e d