（工程力学专业论文）基于PCI数据采集卡的虚拟函数记录系统研究及应用.pdf

重庆大学硕士学位论文中文摘要 摘要 随着计算机技术的发展与普及，数字设备正越来越多地取代模拟设备，在生 产过程控制和科学研究等广泛的领域中，计算机测控技术正发挥着越来越重要的 作用。传统的仪器随着时代的发展已经凸现出很多缺点，所以对传统仪器的改造 己势在必行。 本文介绍了虚拟仪器的概念，比较了虚拟仪器较传统仪器所具有的诸多优点， 对p c 虚拟仪器的硬件基础进行了分析，并结合自己开发pc 虚拟仪器的经验，叙 述了p c 虚拟仪器的设计思想与整体构思，并以这些思想原则为指导，设计了一个 实用数据采集系统。 在本文中，作者详细介绍了虚拟式函数记录仪系统的逻辑结构和软硬件设计， 运用面向对象o o p 的软件设计方法，通过中心控制模块、数据采集模块、数据存 储和回放模块、后处理模块的设计实现了对位移信号进行采集处理分析和显示的 虚拟函数仪器系统的实测。 虚拟仪器是新兴学科，本文可以给其他传统实验仪器的虚拟化提供思路，比 如超声波混凝土探伤、振动测试虚拟仪器等。本论文的工作还有待进一步深入， 编写的程序也还有待进一步优化和实用化。 关键词：虚拟仪器，信号采集，多线程，后处理 重庆大学硕士学位论文 英文摘要 a b s t r a c t w i t ht h e c o m p u t e r sd e v e l o p m e n ta n dp o p u l a r i z a t i o n ，d i g i t i z e ri s r e p l a c i n g s i m u l a t i o nd e v i c eg r a d u a l l y t h ec o m p u t e rm e a s u r ea n dc o n t r o l t e c h n o l o g yp l a y sa m o r ea n dm o r ei m p o r t a n tr o l ei nt h ep r o c e s so f p r o d u c t i o na n ds c i e n t i f i cr e s e a r c h a s t h et i m e p r o g r e s s e s ，t h ec o n v e n t i o n a li n s t r u m e n th a se m e r g e ds h o r t a g e s s oi ti s n e c e s s a r yt oi m p r o v i n g t h ef u n c t i o no ft h ec o n v e n t i o n a li n s t r u m e n t i nt h i sp a p e r , t h ec o n c e p t i o no ft h ev i r t u a l - i n s t r u m e n ta n dt h em e r i to fw h i c h a g a i n s tc o n v e n t i o n a li n s t r u m e n th a v eb e e ni n t r o d u c e d t h eh a r d w a r eb a s eo fp e r s o n a l c o m p u t e rh a sb e e na n a l y z e d b a s eo nt h ea u c t o r i a le x p e r i e n c eo fd e v e l o p i n gt h ev i ，t h e v i r t u a li n s t r u m e n t d e s i g n i d e aa b o u tt h e p e r s o n a lc o m p u t e rh a s b e e n d i s p l a y e d a c c o r d i n g t ot h i si d e a ，ap r a c t i c a l i t yd a t aa c q u i s i t i o n s y s t e mh a s b e e nd e s i g n e d i nt h i sp a p e r , t h el o g i cs t r u c t u r eo fv i r t u a lf u n c t i o nr e g i s t e r e ds y s t e ma n dt h e d e s i g nc o n c e r n i n gt h es o f t w a r ea n dh a r d w a r eh a v eb e e ne x p l i c a t e d ，t h eo b j e c t o r i e n t e d p r o g r a m m i n gt e c h n o l o g yh a sb e e nu s e da n dv i r t u a lf u n c t i o ni n s t r u m e n ts y s t e mi nw h i c h t h ed i s p l a c e m e n ts i g n a lc a nb ec o l l e c t i o n ，d i s p o s a l ，a n a l y s e sa n d d i s p l a yb yd e s i g nt h e c e n t e rc o n t r o lm o d u l a r , d a t ac o l l e c t i o nm o d u l a r , d a t am e m o r ya n dp l a y b a c km o d u l a r a n d p o s tt r e a t m e n t m o d u l a r v h - t u a l i n s t r u m e n ti sa n e w l ys u b j e c t t h et h o u g h t i nt h i sp a p e rc a r lp r o v i d es o m e i d e af o ro t h e rt r a d i t i o n a lt e s ti n s t r u m e n t ，s u c ha su l t r a s o n i cd e t e c t i o no nc e n c r e t ea n d s h o c k t e s t i n gw i t hv i t h ep r o j e c tn e e d sf u r t h e rs t u d y t h ep r o g r a m c o m p i l e di nt h i s s t u d y n e e d st ob eo p t i m i z e da n db em a d em o r c p r a c t i c a l k e y w o r d s ：v i r t u a li n s t r u m e n t ，s i g n a lc o l l e c t i o n ，m u l f i t h r e a d i n g ，p o s t - p r o c e s s t i 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 1 绪论 1 1 问题的提出及研究意义 1 1 1 结构试验现状 结构试验是研究工程结构性能的重要环节，可为结构设计、施工研究提供可 靠的数据。它的任务是通过有计划有重点地对结构物受载或受约束变形后的工作、 力学性能进行观察并对测量参数( 如位移、应力、振幅、频率等) 进行分析。为了 更好地研究工程结构在单向、低周反复、疲劳荷载及地震波干扰下的受力性能和 破坏机理，更全面地观察其破坏的全过程，常需开展一系列结构或构件的模型以 致实体的静载或动载试验。现在这类试验研究从荷载模拟、动态反应的观察到测 试数据的采集和分析处理等都从单一的、静止的、孤立的向整体的、动态的而且 要求连续的、实时的方向发展。这无疑对测试手段和测试设备提出了许多新的要 求。 目前试验技术的发展特点是测试方法的多样化和测试仪器的高精度、小型化 和电气化。电测仪器配合传感器之后，可以将机械量转变为电量，并使整个测试 过程自动化，既节省人力，又避免了人为误差。此外还可以进一步做到遥控监测。 电子计算机的应用，使测试技术、荷载作用模拟、试验分析等发生了巨大变化。 使用电子计算机的数据采集器，由控制器编制程序，选择操作方式，用硬件处理 数据，如标定改变、非线性修正、越线报警、测点越限转移、控制参数实时转换 等等，把试验技术引进了一个新的自动化时代。 仪器仪表技术的发展大致经历了以下两条发展主线：从测量的技术和方法上 划分，经历了从机械仪表、模拟电子仪表、数字化电子仪表到智能仪表的发展过 程；从仪表结构上划分，经历了单机仪表、叠架式仪器系统到虚拟仪器系统的发 展过程。传统仪器一般均为一个独立的装置，有机箱、操作面板、信号 j o 端子、 信号处理机构成电路等，检测结果输出方式有数字、指针或图形窗口等，有的还 有打印输出口。传统仪表的功能可概括描述为：信号采集与控制、信号分析与处 理、结果的表达与输出，这些功能均以硬件或固化软件的形式存在。这种架构形 式决定了传统仪器只能由仪器的生产厂来定义制造，而用户无法改变。传统仪器 基本上未能摆脱独立使用、手动操作。功能相对固定、使用具有局限性的模式。 计算机技术的发展，给传统仪表技术注入了强大的活力，有力地促进了数字化仪 器、智能仪器的快速发展。 第一阶段的模拟仪器纯粹是由模拟电路来实现测试功能，它们的物理结构大 重庆大学硕士学位论文1 绪论 多是电磁式或机械式的，借助于指针来近似显示最终结果，容易引起读数误差。 这类仪器现在在某些实验室仍能看到，如晶体管电压表和电流表，动圈测温仪表 等。 第二阶段的数字化仪器是在模拟仪器基础上的发展。它将模拟信号的测量转 化为数字信号的测量，并最终以数字方式输出最终结果，完全消除了人为读数误 差，但它也是完全依靠硬件来实现测试功能。这类测试仪器在目前相当普及，如 数字式万用表，数字式频谱仪等。 第三阶段是带有一定分析处理采集数据的智能仪器。这类仪器内置有微处理 器和小容量存储器，既能进行智能化测试又能保存有限的测试数据。但存储能力 受小容量存储器的限制。智能仪器的功能模块仍然是硬件电路( 或部分固化的软 件) 来实现，无论是开发设计还是实际应用，都缺乏灵活性，有待进一步提高。 电测仪器的第四阶段出现了虚拟仪器。它是在现代计算机技术，通信技术和 测试技术的深层次结合的产物，是传统测试仪器观念的一次巨大变革，必将成为 未来仪器产业发展的一个重要方向。 今后我们应着重对结构试验荷载的模拟和荷载系统装置进行研究，逐步提高 量测精度和试验过程自动化程度：引用现在物理上的新成就和其他先进技术来解 决应力、位移、裂缝、内部缺陷及振动的量测问题；开展结构模型试验理论、方 法和结构非破损试验检测技术的研究以及结构耐久性的研究等，使建筑结构试验 技术达到现代化水平，更好地适应和满足建筑科学发展的要求。 1 1 2 数据采集方式 数据采样是一种通过间接方法取得事物状态的技术，如将事物的温度、压力、 流量等属性通过一定的转换技术将其转换为电信号，然后再将电信号转换为数字 化的数据。数据采集系统包括硬件和软件两大系统。硬件系统一般由传感器、扫 描仪、测定仪、键盘、打印机、接口和计算机及其附带的数据处理及记录系统等 组成。数据采集系统可以对大量数据进行快速采集、处理、分析、判断、报警、 直读、绘图、存储、试验控制和人机对话等。采样速度可高达每秒几万个数据， 如要打印，也只需0 1 o 2 秒点。 微机数据采集系统原理框图如图所示： 重庆大学硕士学位论文1 绪论 荷载传感器lh动 位移传感器1 卜叫桥l _ 一 态 a d 阻转一微型计算机 茎堡壁墅卜望卜 应换 燹卡 位移传感器2 卜j 仪 图1 1 微机数据采集系统原理 f i g 1 1t h e t h e o r yo f d a t aa c q u i s i t i o ns y s t e mi nc o m p u t e r 当混凝土构件发生变形，各个部位的传感器输出电信号，由于传感器输出的 信号很微弱，需要使用电阻应变仪对信号进行放大，放大后的电压信号送到安装 在计算机上的a d 接口卡上，把模拟量转变为数字量，送到计算机总线上，计算 机读取数字量后，根据换算关系及标定出的有关数据换算出需要的非电量数据( 如 载荷、位移、应变) ，然后在计算机屏幕上显示，并根据需要记录在计算机的磁盘 中。 在抗震试验仪器中，近年来发展起来的瞬态记录仪实际上是一种数据采集设 备。被测信号通过适当的放大或衰减后，送到模数转换器( d 转换器) ，将输 入的模拟信号数字化。数字化包括采集量化两个过程，转换为二进制代码后 即被送入数字存储器。采集量化存储不断重复。整个过程受逻辑电路控 制。转换速度则由定时电路控制。触发信号可来自外部也可取自内部，即所谓外 触发和内触发，储存过程也就是记录过程。储存的数据信息可以反复读出，通过 数字接口送往计算机处理，也可以经数模转换( d a 转换器) 还原成模拟信号， 再送入示波仪或其他记录仪显示所测信号波形。 1 1 3 传统仪器的特点 传统仪器功能单一，其自身由各种各样的元器件构成，决定了传统仪器有如 下特点： 一方面，( 1 ) 传统仪器的使用必然受到使用环境因素的制约，比如温度、湿 度、电压、电流等，造成实验结果不能如实反映理论知识，与理论值总是存在误 差；( 2 ) 由于各个元器件的微小差异，导致同一型号的仪器之间都存在着误差， 当然这误差是在允许范围内，但必然造成实验的不一致性；( 3 ) 当仪器处于半新 不旧、时好时坏状态时，教师、学生的大量时间消耗在重复排除小故障上，大大 重庆大学硕士学位论文1 绪论 降低了教学科研的效率。所以无论是教师还是学生都迫切地希望有性能稳定、使 用灵活的仪器。 另一方面，( 1 ) 有些传统仪器极其昂贵：( 2 ) 任何一台传统仪器部有定的 使用范围极限，超过极限，只能更换一台类似的但有其它使用范围的仪器，造成 仪器重复购置。以示波器、信号发生器为例，就各有高频、中频、低频的要求：( 3 ) 元器件在不断发展，实验内容在不断更新，使得传统仪器要不停地更新换代；( 4 ) 由于使用和时问推移，所有的传统的仪器必然会遇到仪器维护、故障修理、老化 报废等问题。所以使用传统仪器必定要浪费大量的人、财、物力。当然传统仪器 并不是一无是处，它最大的优点在于直观，具有实践性。 1 1 4 传统x y 函数记录仪特点 静载试验最常用的记录仪器是x y 函数记录仪。它可以把电测传感器输入的 模拟信号，经放大后输入，用直角坐标的函数关系曲线记录。 ， x y 记录仪是采用自动平行原理的记录仪，x 、y 轴各由一套独立的伺服电动 机系统带动，传动原理如图。用多笔时，将y 轴系统作相应增加。最大笔速x y 皆为5 0 0 毫米，秒。一般记录幅面为2 5 x 3 0 e r a 2 ，静态精度要求在1 0 以内。其缺 荷载传感器1动 i 态 卜丫 位移传感器 桥电 记录仪1 电阻 荷载传感器2路 应 一丫 变 ii 仪记录仪夕 位移传感器2 图1 2 传统x y 仪系统图 f i g1 2t h ec o n f i g u r a t i o no f t r a d i t i o n a lx yi n s t r u m e n t 点为：( 1 ) 使用纸张作为记录介质，容易损耗，不易保存和做后处理。化) 对每个 数据都画在图上，没有高频处理能力，使曲线不光滑。( 3 ) 采用笔式记录，其笔 容易损坏和丢失。( 4 ) 其工作环境比较严格，不能在温度变化太大的地方使用。 且预热时间较长。 传统的x y 绘图仪无法进行后续的数据处理分析。特别是在计算机技术高速 发展的今天，大量的数据分柝都需要用计算机来进行，而这些老式的试验机甚至 4 重庆大学硕士学位论文1 绪论 无法把数据传送到计算机中。所以，对现有的传统仪器进行计算机化的改造，可 以极大地提高设备的使用效率。 1 1 5 虚拟仪器的特点 所谓虚拟仪器，就是在通用计算机平台上，用户根据自己的需求定义和设计 仪器的测试功能，其实质是将传统仪器硬件和最新计算机软件技术充分结合起来， 以实现并扩展传统仪器的功能。在1 9 8 6 年，美国国家仪器公司( n a t i o n a li n s t r u m e n t c o r p o r a t i o n 简称n i 公司) 最早提出了虚拟仪器的概念。与传统仪器相比，虚拟仪 器在智能化程度、处理能力、性能价格比、可操作性等方面均具有明显的技术优 势。十几年来，我国在a p p l e 、1 b m p c 及其兼容机上进行了研制和开发，主要 工作有两个方面：一是通用仪器卡；二是专用测试仪。此外，许多大学都在尝试 将虚拟仪器应用到实验教学和计算机辅助教学中。例如，西安交通大学电气学院 在现代测试技术课程教学中，以虚拟仪器系统为平台，开发虚拟仪器实验， 通过仿真与实验，开拓了学生的思路，使学生较好地理解该课程的内容。虚拟仪 器一机多用、硬件资源共享等特点大大节约了实验室建设的投资。目前，虚拟仪 器己在科研开发、计检、测控、超大规模集成电路测试、模拟和数字电路测试、 现代家用电器测试、电子元件、电力电子器件测试以及军事、航天、生物医学、 电工技术领域等可移动式现场测试工作中得到应用，且应用领域还将不断拓宽。 2 0 0 4 年4 月1 日，由重庆大学研究生创新实践基地与美国国家仪器公司( n a t i o n a l i n s t r u m e n t s ) 共建的“重庆大学- 美国国家仪器公司虚拟仪器联合实验室”正式揭 牌，该公司首期投入1 0 万美元的硬件设备，与重庆大学研究生创新实践基地共同 建设虚拟仪器实验室。 虚拟仪器是用户自己定义的，只要将各种计算机平台、硬件、软件和附备件 结合起来，便可以得到所需要的应用设备。它以计算机系统( p c ) 为基础，( 1 ) 大大突破了传统仪器在数据处理、显示、传送、存储、速度、精度、环境等方面 的限制，具有极大的灵活性和稳定性；( 2 ) 当各种与主流p c 相关的新兴技术出现 时，只需更改相关的部件，就可以跟上p c 革新的步伐，享受所带来的便利；( 3 ) 由干计算机的性能价格比不断改进，使得虚拟仪器的价格更为大众所接受。所以 有了虚拟仪器，就无需再为传统仪器的备种限制、不方便性，以及为选取特定功 能所支付的昂贵费用而捉襟见肘。 虚拟仪器的应用主要有以下三个方面： ( 1 ) 模拟实验系统。多媒体、计算机网络、通信的发展与应用，引起了实验 教学模式的改革，在全国范围内掀起了c a i 热潮。例如，用p s p i c e 模拟电子线路 实验，用s y s t e mv i e w 模拟通信系统实验，用m a t l a b 模拟控制实验等。模拟实验 重庆大学硕十学位沦文 1 绪论 系统准确、效率高，实验内容不受限于传统仪器，可以千变万化。 ( 2 ) 代替传统的测量仪器。虚拟仪器可在很高的采样率和高增益下，仍然维 持测量的精确度，在进行数据分析采集、数据分析、输出结果方面有其独到的稳 定性、快速比、灵活性。由上图可知，用一台虚拟仪器可以代替多台函数记录仪。 例如：用l a b v i e w 、l a b w i n d o w s c v l 等构造示波器、信号发生器、频率计等。 ( 3 ) 系统模拟。有了虚拟仪器，就可从系统的总体入手，对被模拟系统的功 能进行剖析，验证整体及局部的可行性，然后才进行真实系统的研究。这样不仅 可以降低成本、减少系统开发费用和系统维护费用，还可以节省时间、提高效率。 1 1 6 本系统特点及功能 本系统采用p c i 2 0 0 3 型数据采集卡，p c i 2 0 0 3 卡是一种基于p c i 总线的数据采 集卡，可直接插在计算机内的任一p c i 插槽中，构成实验室、产品质量检测中心 等各种领域的数据采集、波形分析和处理系统。也可构成工业生产过程监控系统。 p c i 2 0 0 3 板上装有1 2 b i t 分辨率的a d 转换器和d a 转换器。为用户提供了8 双1 6 单的模拟输入通道和2 路模拟输出通道。输入信号幅度可以经程控增益仪表放大 器调到合适的范围，保证最佳转换精度。a 转换器输入信号范围：5 v 、i o v 、 0 。1 0 v ，d a 转换器输入信号范围：5 v 、i o v 、o - i o v 。 1 2 本文研究的目的与内容 本课题主要利用虚拟仪器p c i 插卡式数据采集卡，信号发生源，采用m i c r o s o f t 公司的v c + + 编程语言，进行实时数据的采集处理，再利用各种滤波算法对信号进 行降噪处理，并对结果进行理论分析比较。由于虚拟仪器的应用越来越广泛，本 课题探索了传统仪器的数字虚拟化，展示了虚拟仪器在试验测试领域内的巨大前 景。本文的组织如下： 1 第二章讨论了虚拟仪器原理及其发展趋势；基于虚拟仪器的p c i 总线的数 据采集系统原理和结构。 2 第三章介绍了数字滤波的各种方法以及在计算机中的实现。 3 第四章介绍了本人设计的虚拟仪器实时数据采集系统所做的工作。包括系 统的基本结构设计，软件编制。 重庆大学硕士学位论文2 虚拟仪器技术及其实现的数据采集系统 2 虚拟仪器技术及其实现的数据采集系统 2 1 虚拟仪器技术概述 2 1 1 虚拟仪器的概念 所谓虚拟仪器是基于计算机的软硬件测试平台，它可代替传统的测量仪器， 如示波器、逻辑分析仪、信号发生器、频谱分析仪等；可集成于自动控制、工业 控制系统；可自由构建成专有仪器系统。它由计算机、应用软件和仪器硬件组成。 无论哪种虚拟仪器系统，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( 甚至可以是掌上电脑) 加上应用软件而构成的。 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测量、控制能力结合在一起，大大缩小 了仪器硬件的成本和体积，并通过软件实现对数据的显示、存储以及分析处理。 从发展史看，电子测量仪器经历了由模拟仪器、智能仪器到虚拟仪器。由于计算 机性能以摩尔定律( 每半年提高一倍) 飞速发展，已把传统仪器远远抛到后面。 并给虚拟仪器生产厂家不断带来较高的技术更新速率。 虚拟仪器的能力相当大，几乎达到了令人惊讶的地步。虚拟仪器最主要的应用 就是替代独立的仪器。随着插入式数据采集板的数字化电路速率的提高，以及触 发技术的改进，插入式数据采集板使台式仪器获得新生。例如，在虚拟仪器所取 代的仪器中，最常见的是示波器。显示波形的速率达到每秒几百次。利用所设计 的软件，用户可以调整数据采集板的动作，就象一台普通示波器显示输出波形。 其运作和独立的示波器相似。 图2 1 虚拟仪器系统结构框图 f i g2 1s t r u c t u r ed i a g r a mo fv i r t u a li n s t r u m e n ts y s t e m 7 重庆大学硕士学位论文 2 虚拟仪器技术及其实现的数据采集系统 2 1 2 虚拟仪器的发展概况 虚拟仪器的特点可归纳为： 1 在通用硬件平台确定后，由软件取代传统仪器中的硬件来完成仪器的功能。 2 仪器的功能是用户根据需要由软件来定义的，而不是事先由厂家定义好的。 3 仪器性能的改进和功能扩展只需进行相关软件的设计更新，而不需购买新 的仪器。 4 研制周期较传统仪器大为缩短。 5 虚拟仪器开放、灵活，可与计算机同步发展，可与网络及其它周边设备互 联。 决定虚拟仪器具有上述传统仪器不可能具备的特点的根本原因在于：“虚拟仪 器的关键是软件”。虚拟仪器在工程应用和社会经济效益方面具有突出优势。目前， 我国高档台式仪器如数字滤波器、频谱分析仪、逻辑分析仪等还主要依赖进口， 这些仪器加工工艺复杂，对制造水平要求高，生产突破有困难，而采用虚拟仪器 技术，可以通过只采购必要的硬件来设计自己的高性能价格比的仪器系统。 功能强大、现成即用的软件使整个测量过程自动进行。工程师们使用p c 就能 轻易完成整个数据采集、分析和显示的工作，同时却丝毫不影响到测量系统的性 能或功能。 虚拟仪器与传统仪器相比，有许多优势，如表2 1 所示 传统仪器虚拟仪器 灵活性差与外部设备或其他仪器的联结可方便的与网络外设或其他设备相连接 十分有限 功能由仪器厂商定义功能较弱功能由用户根据需要自己定义功能强大 图形界面小信息量小人机交互能力差界面优美信息量大具有良好的人机交互能力 数据分析处理能力弱具有强大的数据处理能力 数据存储能力弱大部分仪器完全没有所有仪器都具有很强的数据存储能力 硬件是仪器的核心软件是仪器的核心 价格高性价比低价格低廉性价比高 系统封闭功能固定几乎无扩展性基于计算机技术开放的功能模块可构成多种仪 器扩展性强 开发和维护费用高基于软件系统的结构大大节省开发维护费用 市场响应速度慢市场响应快 集成度低集成崖局日j 彤成仪器厍 2 1 3 虚拟仪器的现状 作为仪器领域中最新兴的技术，虚拟式仪器的研究、开发在内已经过了起步 阶段。从9 0 年代中期以来，国内的重庆大学、哈尔滨工业大学、西安交通大学、 重庆大学硕士学位论文2 虚拟仪器技术及其实现的数据采集系统 西安电子科技大学、中科泛华电子科技公司等院校和高科技公司，在研究和开发 虚拟仪器产品和虚拟仪器设计平台以及引进消化n i 公司、h p 公司的产品等方面 做了一系列有益工作，取得了一批瞩目的成果。相信在不久的将来，国内将会推 出种类更多、性能更优、功能更强的并具有自主版权的虚拟仪器产品。 虚拟仪器融合了计算机强大的硬件资源，突破了传统硬件化仪器在数据处理、 显示和存储等方面的限制，极大的提高了测试仪器的功能，同时它也利用了计算 机丰富的软件资源，一方面很大程度上实现了仪器部分硬件的软件化，节约了物 质资源，提高了仪器的灵活性；另一方面通过软件技术和相应的数值算法，既能 在线直接对测试数据进行各种处理，又能离线间接进行分析；另外其图形化用户 界面( g u i ) 技术，真正做到了界面友好，人机交互性好，基于计算机网络技术和 接口技术的发展，使得系统具有更加方便灵活的互联能力。因此虚拟仪器可方 便地构建自动测试系统，实现测量和控制的网络化。 虚拟仪器的出现和兴起，改变了传统仪器的概念、模式和结构，改变了人们 的仪器观! 虚拟仪器依靠其自身的以上这些优势，使它在仪器市场的竞争力不断 增强。许多虚拟仪器公司很快在整个测试仪器市场上占据一席之地。1 9 8 8 年国际 市场开始出现虚拟仪器产品，当时只有五家制造商推出3 0 种产品。此后虚拟仪器 产品每年成倍增加，至1 j 1 9 9 4 年底，虚拟仪器制造厂已达9 5 家共生产1 0 0 0 多种虚拟 仪器产品，销售额高达2 9 3 亿美元，占整个仪器销售额7 3 亿的4 ，当前，随着我 国科技事业的迅猛发展，对仪器设备有着巨大的需求。虚拟仪器赖以支撑的计算 机近几年正处于高速发展期。这也为虚拟仪器的进一步发展奠定了基础。虚拟仪 器作为高新技术的产物，市场容量非常巨大。具有关资料统计，1 9 9 5 年我国进口 电子测量仪器7 3 ，5 万台，价值3 2 亿美元。专家预测，到下个世纪初我国将有5 0 的 仪器为虚拟仪器。这些报道和预测给整个仪器仪表行业的设计者、制造厂商和使 用者以极大的震撼，使他们清醒意识到虚拟仪器对传统硬件化仪器的巨大挑战。 在未来的仪器发展方向上虚拟仪器毫无疑问的将成为仪器发展的主流方向，它必 将一一取代传统的硬件化仪器，逐步把硬件化仪器的大部分实现测试功能的硬件 转化为计算机软件，以文件的形式融入计算机中。虚拟仪器应具有以下特点： 2 l 世纪的仪器产品应具有鲜明的个性 对于不同类型的产品具有不同个性应该是自然而然的事，而即使是同类型产 品不同的个别，也应有不同的个性。例如目前世界生产f f t 动态信号分析仪，无 例外的都具有时域、幅值域、频域( 频谱) 、传递相干、互谱相关等分析功能。将 这些大功能模块细化后可以多达上百个功能。但是用户真正需要用的功能往往不 要这么多，而且不同的用户还要根据自己不同的用途，在这上百种功能中选择自 己需要的那几种。显然传统硬件仪器无法满足辟| 户的这要求，它们对所有的用 重庆大学硕士学位论文2 虚拟仪器技术及其实现的数据采集系统 户都是一样，上百个功能随仪器产品一下子卖给你，不管你对这众多的功能是否 都用得着! 说不定有用户只需要用其中的5 个或1 0 个功能，但却必须花购买上百 个功能的钱! 虚拟式仪器由于系统是开放的，可以满足用户提出的对功能设置、 功能增减的任何要求。因此虚拟仪器符合具有个性的这一特点。 2 1 世纪的仪器产品应具有参与性 这里所说的参与性主要是指用户可参与仪器产品的设计、制造、维修等全过程， 对于传统硬件化仪器产品，其设计、制造是专家和制造厂的事，用户虽然可以提 出某些意见和要求，但不可能立即实现。而且用户也不大可能参与产品的设计与 制造。用户能做的事就是使用好己买回去的( 绝不可能随意改动的) 仪器产品。 对于虚拟仪器，用户不仅可以参与、可以提出意见、提出要求，而且可以自行定 义、自行设计和制造。虚拟仪器是最具参与性特点的产品。 2 1 世纪的产品应具有快的响应速度 响应速度是相对于技术进步和市场需求而言的。毫无疑问，虚拟仪器作为一种 以软件为主体的产品，在跟踪技术进步和市场需要方面、在更新换代和预测维修 方面，其响应速度( 包括产品生产周期和产品更新换代周期) 是软件与硬件的较 量，显然软件产品的响应速度是传统硬件产品完全不能比拟的。因此，虚拟仪器 具有响应速度快的特点。 2 1 世纪的产品应最大限度绿色化 保护环境和节省能源是2 1 世纪人类共同的战略任务，制造业必须承担起消除 污染、保护环境、节约能源和资源的责任。当仪器备的造从硬加工变为加工后， 其在硬加工中消耗的大量能源和大量原材料( 资源) ，以及在制造、包装、运输、 使用过程中产生的一切污染( 废物、废气、废水和噪声) 都将被消除，从而使虚 拟仪器成为一类典型的绿色化产品。 2 2 虚拟仪器的构成及分类 虚拟仪器由通用仪器硬件平台和应用软件两大部分构成。 2 2 1 虚拟仪器硬件平台 构成虚拟仪器的硬件平台有两部分： 1 计算机：一般为一台p c 机或工作站，它是硬件平台的核心。 2 i o 接口设备：主要完成被测输入信号的采集、放大、模数转换。可根据实 际情况采用不同的 o 接口硬件设备，如数据采集卡板( d a q ) 、g p i b 总线仪 器、v x i 总线仪器模块、串口仪器等。虚拟仪器的构成方式主要有五种类型。 ( 1 ) p c 总线插卡型系统 这种方式借助于插入计算机内的数捌采集卡与专用的软件( 如d a s p 与 重庆大学硕士学位论文2 虚拟仪器技术及其实现的数据采集系统 l a b v i e w ) 相结合，完成测试任务。它充分利用计算机的总线、机箱、电源及软件 的便利，其关键在于a d 转换技术。 插卡式仪器价格最便宜，因个人计算机数量非常庞大，因此其用途广泛，特 别适合于教学部门和各种实验室用。基于p c i 总线的虚拟仪器测试系统在性能、 灵活性、易用性和低价格等方面具有相当优势。其仪器硬件为插卡式，具有与计 算机插卡同样的尺寸，将硬件插卡直接插入计算机中的p c i 槽上即可构成测试系 统，充分利用计算机的资源来实现数据采集及处理、故障分析诊断和过程控制等 智能测控。与基于其它总线的虚拟仪器测试系统相比，价格低廉的特点使其在工 业、军工、教育和科研领域得到了广泛应用。缺点在于插槽数十分有限，难以容 纳大量的通道。基于p c i 总线的虚拟仪器测试系统通常适用于低频低速的过程测 控系统、教学实验和实验室常规测试。 ( 2 ) 串口系统 以s e r i a l 标准总线与计算机为仪器硬件平台组成的虚拟仪器测试系统。 ( 3 ) g p i b 系统 g p i b 技术是i e e e 4 8 8 标准的v i 早期的发展阶段。它的出现使电子测量由独 立的单台手工操作向大规模自动测试系统发展，典型的g p i b 系统由一台p c 机、 一块g p i b 接口卡和若干个g p i b 形式的仪器通过g p i b 电缆连接而成。 g p i b 技术可用计算机实现对仪器的操作和控制，替代传统的人工操作方式， 可以很方便地把多台仪器组合起来，形成大的自动测量系统。g p i b 测量系统的结 构和命令简单，主要市场在台式仪器市场。适合于精度要求高、但对计算机速率 要求不高的传输场合应用。 ( 4 ) v x i 总线方式系统 v x i 总线是高速计算机总线w e 在领域的扩展，它具有稳定的电源，强有 力的冷却能力和严格的r f i e m i 屏蔽。由于它的标准开放，且具有结构紧凑、数 据吞吐能力强、定时和同步精确、模块可重复利用、众多仪器厂家支持的优点， 很快得到广泛的应用。 经过1 0 多年的发展，v x i 系统的组建和使用越来越方便，有其他仪器无法比 拟的优势，尤其适用于组建大、中规模自动测量系统以及对速度、精度要求高的 场合。然而，组建v x i 总线要求有机箱、零槽管理器及嵌入式控制器，造价比较 高。 ( 5 ) p x i 总线系统 p x i 总线方式是在p c i 总线内核技术上增加了成熟的技术规范和要求形成的， 增加了多板同步触发总线的参考时钟，适合于精确定时的星形触发总线，以便用 于相邻模块的高速通信的局部总线。p x i 有高度的可扩展槽，通过使用p c i p c i 重庆大学硕十学位论文2 虚拟仪器技术及其实现的数据采集系统 桥接器，可扩展到2 5 6 个扩展槽，台式p c 的性能价格比和p c i 总线面向仪器领域 的扩展优势结合起来，将形成未来主流的虚拟仪器平台。 无论上述哪种虚拟仪器系统，都是通过应用软件将仪器硬件与通用计算机相 组合。其中，p c d a q 测量系统是构成v i 的最基本的方式，也是最经济的方式。 2 2 2 虚拟仪器的软件结构 虚拟仪器软件由两大部分构成： 1 j 0 接口仪器驱动程序。这类程序用来完成特定外部硬件设备的扩展、驱 动与通信。设备驱动程序是联系用户应用程序与低层硬件设备的基础。每一种设 备驱动程序都是为增加编程灵活性和提高数据吞吐量而设计的。每个设备驱动程 序都具有一个共同的应用程序接口( a p i ) ，因此，不管虚拟仪器所使用的计算机 或者操作系统是什么，最终所编写的用户应用程序都是可移植的。 数据采集系统一个主要方面是驱动软件的使用。驱动软件是直接对数据采集 硬件系统注册来进行设计的软件层，管理着系统的操作以及计算机资源，比如c p u 中断、d m a 传送、存储器等。在保持高性能、提供给用户易于理解的基础的同时， 隐藏了复杂、详细的硬件级程序设计。越来越复杂的d a q 硬件、计算机、软件等 实际上更提高了驱动程序的重要性和价值。合适的驱动软件不但减少了组合d a q 板系统的时间，而且是高性能和系统性的最佳组合。 对于市场上的大多数计算机内置插卡，厂家都配备了相应的设备驱动程序。 用户在编制应用程序时，可以象调用系统函数那样，直接调用设备驱动程序，进 行设备操作。如果所用计算机内置插卡和外设插卡没有设备驱动程序，用户也可 以采用高级语言自己编写。 在本文中，要使用采集函数的一个关键问题是首先必须将头文件( p c i 2 0 0 3 h ) 写进源程序头部。如：# i n c l u d e “p c i 2 0 0 3 h ”，然后再将p c i 2 0 0 3 l i b 库文件分别加 入到v i s u a lc + + 工程中。其具体办法是选择v i s u a lc + + 集成开发环境中的工程 f p r o j e c t ) 菜单中的“添加”( a d d t o p r o j e c t ) 中的f i l e 命令，在弹出的对话框中分 别选择文件类型：l i b r a r yf i l e ( + 1 i b ) ，即可选择p c i 2 0 0 3 l i b 文件。 2 应用程序。它包含两个方面的程序： - 实现虚拟面版功能的前面版软件程序。 定义测试功能的流程图软件程序。 开发虚拟仪器，必须有合适的软件工具。目前己有多种虚拟仪器的软件开发工具： 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。 图形化编程语言：如l a b v i e w 、h p v e e 等。 下面分别对最有代表性的虚拟仪器编程工具做个介绍： ( 1 ) l a b v i e w 是美国n i 公司研制的图形化编程虚拟仪器系统，主要包括数据 重庆大学硕士学位论文2 虚拟仪器技术及其实现的数据采集系统 采集控制、数据分析、图形化显示等功能，它以图形方式组装软件模块，生成专 用仪器。l a b v i e w 由面板流程方框图、图标连接器组成，其中面板是用户界面， 流程方框图是虚拟仪器源代码，图标连接器是调用接口c a l l i n gi n t e r f a c e 。流程方 框图包括输入输出f o 部件、计算部件和子虚拟仪器功能部件。它们用图标和数 据流的连线表示i o 部件，直接与数据采集板( g p i b 板或其他外部物理通信计算 部件) 完成数学或其他运算，与操作子虚拟仪器功能部件调用其他虚拟仪器。然 而简单也就意味着功能上会有所欠缺，虽然其自带大量函数，但是这就在一定程 度上限制了用户的自行扩展。因此本文采用v i s u a lc + + 来编程。 f 2 ) v i s u a lc + + 是微软公司开发的基于面向对象可视化技术的开发平台。一般 地讲，可视化技术包含两个方面的含义：是软件开发阶段的可视化编程，它使 编程工作成为一件轻松愉快饶有兴趣的工作，二是利用计算机图形化技术和方法 对大量的数据进行处理并用图形图像的方式形象而具体地加以显示v i s u a lc + + 开 发虚拟仪器完美的体现了以上两点，它采用非常巧妙的方法将w i n d o w s 编程的复杂 性封装起来，使编程人员轻松进入编写w i n d o w s 下的应用程序开发，编程语言具有 编程灵活运行速度比较快的特点。 2 2 3 传感器及其调理电路 几乎所有的测量都是从传感器开始的，传感器是将待检测的各种物理量( 如 温度、应变、加速度等) 转换为电信号的装置，把传感器信号做初步处理并变为 分析仪或计算机可以进一步处理的信号的过程称为信号调理。信号调理包括信号 的放大、滤波、差分、隔离。同步采样和保持、电流电压转换、电压频率转 换、线性化处理等。 只有那些数值大小合适的电压信号可以直接进入虚拟仪器平台外，大多数被 测信号要经由传感器及其调理电路才能进入虚拟仪器系统，也可以说虚拟仪器的 输入信号大多数来自传感器及其调理电路。 1 传感器。传感器完成信号的获得，它将被测参量转换成相应的可用输出信 号。被测参量可以是各种非电气参量，如压力、温度、加速度等，也可以是电气 量，如电力输电线路电网电压及电流等。高压电网通过高压互感器将电网高电压 变为1 0 0 v 电压，通过电流互感器将电网大电流变为s a 电流后再采用电压、电流 传感器或变送电器将1 0 0 v 、s a 分别转换成s v 低电压送到虚拟仪器。 2 信号调理。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( 电阻、电容、电感等) 信号，故调理电路的基 本作用有三个： 放大：将微弱电压信号放大。 转换：将非电压输出信号转换为电压信号。 重庆大学硕士学位论文2 虚拟仪器技术及其实现的数据采集系统 滤波：滤除高频干扰，限制信号的最高频率f ( m a x ) ，遥免产生混叠。如果信号调 理电路输出是规范化的标准信号，即4 2 0 m a 电流信号( 经2 5 0 5 0 0 q 标准电 阻转换为l 一5 v 2 1 0 v 标准电压信号) ：则称这种信号调理电路为变送器。 2 2 4 数据采集卡及虚拟仪器硬件平台 数据采集( d a t a a c q u i s i t i o n ，d a q ) 是对多路模拟信号进行数字化测量，从而 获得大量数据以便进行分析和处理。虚拟仪器的硬件平台由p c 计算机与数据采集 卡( d a q ) 组成。数据采集系统按组成来分可分为两种方式：第一种方式是插入 式d a q 卡；第二种方式是外接式d a q 系统。 数据采集卡( d a q ) 由以下几个部分组成： 1 多路开关。将各路信号轮流切换到放大器的输入端，实现多参数多路信号的分 时采集。 2 放大器。将前一级多路开关切换进入待采集信号放大( 或衰减) 至采样环节的 量程范围内。通常实际系统中放大器做成增益可调的放大器，设计者可根据输入 信号不同的幅值选择不同的增益倍数。 3 采样，保持器。取出待测信号在某一瞬时的值( 即实现信号的时间离散化) ，并 在a d 转换过程中保持信号不变。如果被测信号变换很缓慢，也可以不用采样，保 持器。 4 a d 转换器。将输入的模拟量转化为数字量输出，并完成信号幅值的量化。随 着电子技术的发展，目前通常将采样保持器同a d 转换器集成在一块芯片上。 以上四个部分都处在p c 计算机的前向通道，是组成数据采集卡板的主要环 节，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， 即构成数据采集卡( d a q ) ，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，还装有数据转换器( 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。 2 2 5 实时数据采集系统的设计 以往的高速a d 采样模板大多采用板内存储器、事后处理技术，如在板上安 装d r a m 作为存储器，数据传输通过内存映射方式读缓冲区，但是实时性较差且 受内存储空间的限制。本论文采用北京阿尔泰公司出品的p c i 2 0 0 3 数