（计算机应用技术专业论文）基于labview虚拟示波器的设计及远程控制.pdf

基于l a b vie w 虚拟示波器的设计及远程控制 中文摘要 随着计算机技术的发展，仪器工业正在经历一场巨变。虚拟仪器作为现代仪器的 一个主要发展方向，在测量和控制方面都有无以伦比的强大功能和灵活性，如今它作 为传统仪器的主要替代方式，在科学研究和工业生产中得到广泛的应用。计算机强大 的处理和显示能力，使它可以在数据采集、分析和表达中的任意一个方面提升仪器的 性能。以虚拟仪器为代表的新型仪器改变了传统仪器的思想，充分利用了计算机强大 的软硬件资源，把计算机技术和测量技术紧密结合起来，是融合了电子测量、信号处 理、计算机和网络技术的新型测量仪器，由于成本低、使用方便等优点得到了广泛的 应用。 本文以美国国家仪器公司( 以下简称n i 公司) 开发的l a b v i e w 8 2 为软件开发平 台，以n i 公司u s b - 6 0 0 9 数据采集卡为硬件开发平台，设计了一种多功能虚拟数字示 波器。由仪器硬件采集外部信号，通过软件编程来实现仪器的显示及测量等功能。与 传统的示波器相比，在功能使用上有了很大的提高，除了具有传统模拟示波器对波形 的采集、显示等功能外，还可以实现对信号的滤波、频谱分析、参数测量、数据的存 储和回放等功能，具有功能易扩展、开发周期短等特点。 本文首先介绍了虚拟仪器的研究背景和意义以及国内外的一些研究进展。接着对 虚拟仪器总体进行了概述，讨论了虚拟仪器的概念、构成、特点、发展，建立了虚拟 仪器的基本框架。然后对虚拟示波器的重要组成部分数据采集系统进行了探讨。 在此基础上，进行了虚拟示波器的系统设计，这也是本文的重点。该部分阐述了虚拟 示波器的设计方案，并给出了各功能模块的详细设计以及将各模块按照示波器总体的 功能集成。最后对该虚拟示波器进行了系统测试。 以实例说明了l a b v i e w 实现网络通信的几种方法：t c p u d p 通信技术、远程访问技 术、d a t a s o c k e t 技术，并实现了虚拟示波器的远程网络通信。结果表明，本文所设计 的示波器能够满足一般的工程测试，具有一定的实际使用价值。 关键词：虚拟仪器，l a b v ie w ，虚拟示波器，d a t a s o c k e t l a b v i e w - b a s e dv i r t u a lo s c i o s c o p e ，d e s i g na n dr e m o t ec o n t r o l e n g l i s ha b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to f c o m p u t e rt e c h n o l o g y , i n s t r u m e n t a t i o ni n d u s t r yi se x p e r i e n c i n g a l lu p h e a v a l v i r t u a li n s t r u m e n t sa sam o d e r ni n s t r u m e n tam a j o rd e v e l o p m e n td i r e c t i o ni n t h em e a s u r e m e n ta n dc o n t r o la l eu n m a t c h e dp o w e ra n df l e x i b i l i t y , a n dn o wa sam a j o r a l t e r n a t i v et ot r a d i t i o n a li n s t r u m e n t s ，i ns c i e n t i f i cr e s e a r c ha n di n d u s t r i a lp r o d u c t i o na r c w i d e l y u s e d p o w e r f u lc o m p u t e rp r o c e s s i n ga n dd i s p l a yc a p a b i l i t i e s ，i tc a ni n t h ed a t a c o l l e c t i o n ,a n a l y s i sa n de x p r e s s i o ni na n yo n ea s p e c to ft h ei n s t r u m e n tt oe n h a n c e p e r f o r m a n c e v i r t u a li n s t r u m e n tr e p r e s e n t e db yt h en e we q u i p m e n th a sc h a n g e dt h e t r a d i t i o n a li n s t r u m e n t so ft h o u g h t ，f u l lh s co fp o w e r f u lc o m p u t e rh a r d w a r ea n d o f t w a r e r e s o u r c e s ，t h ec o m p u t e rt e c h n o l o g ya n dm e a s u r e m e n tt e c h n i q u e sc l o s e l yt o g e t h e r , w h i c h i n t e g r a t e se l e c t r o n i cm e a s u r e m e n t ，s i g n a lp r o c e s s i n g ，c o m p u t e ra n dn e t w o r kt e c h n o l o g y , f l n e wm e a s u r i n gi n s t r u m e n t s ，d u et ol o wc o s t ，e a s yt ou s et h ea d v a n t a g e sh a v eb e e nw i d e l y u s e d i nt h i sp a p e r , t h eu n i t e ds t a t e sn a t i o n a li n s t r u m e n t s ，i n e ( h e r e i n a f t e rr e f e r r e dt oa sn i c o m p a n y ) d e v e l o p e db yl a b v i e w 8 2f o rs o f t w a r ed e v e l o p m e n tp l a t f o r mt on iu s b 一6 0 0 9 d a t aa c q u i s i t i o nc a r df o rt h eh a r d w a r ed e v e l o p m e n tp l a t f o r m ，t r yt od e v e l o pam u l t i f u n c t i o n v i r t u a ld i g i t a lo s c i l l o s c o p e i n s t r u m e n th a r d w a r ec o l l e c t i o nb ya l le x t e r n a ls i g n a l ，t h r o u g h s o f t w a r ep r o g r a m m i n gt oa c h i e v et h ei n s t r u m e n td i s p l a ya n dm e a s u r e m e n tf u n c t i o n s c o m p a r e dw i t ht r a d i t i o n a lo s c i l l o s c o p e s ，i nt h ef u n c t i o n a lu s eh a sb e e ng r e a t l yi m p r o v e d ，i n a d d i t i o nt ot r a d i t i o n a la n a l o go s c i l l o s c o p e sf o rw a v e f o r ma c q u i s i t i o na n dd i s p l a yf u n c t i o n s ， b u ta l s oa l l o w st h es i g n a lf i l t e r i n g ，s p e c t r a la n a l y s i s ，p a r a m e t e rm e a s u r e m e n t ，d a t as t o r a g e a n dp l a y b a c kf u n c t i o n s ，w i t hf e a t u r e se a s ye x p a n s i o n ，t h ed e v e l o p m e n tc y c l ei ss h o r ta n ds o o n n l i sp a p e ri n t r o d u c e st h ev i r t u a li n s t r u m e n t ，a sw e l la st h er e s e a r c hb a c k g r o u n da n d s i g n i f i c a n c eo fp r o g r e s si nan u m b e ro fs t u d i e sa th o m ea n da b r o a d t h e no nt h ev i r t u a l m a c h i n e si n g e n e r a lp r o v i d e sa n o v e r v i e wa n dd i s c u s s e dt h e c o n c e p t o fv i r t u a l i n s t r u m e n t a t i o n ，c o m p o s i t i o n ，c h a r a c t e r i s t i e s ，d e v e l o p m e n t , a n de s t a b l i s h e d t h eb a s i c f r a m e w o r ko ft h ev i r t u a li n s t r u m e n t a n dt h e na ni m p o r t a n tc o m p o n e n to ft h ev i r t u a l o s c i l l o s c o p e - d a t aa c q u i s i t i o ns y s t e ma r cd i s c u s s e d o nt h i sb a s i s ，c a r r i e do u tav i r t u a l o s c i l l o s c o p es y s t e md e s i g n , w h i c hi st h ef o c u so ft h i sa r t i c l e t l l i ss e c t i o nd e s c r i b e st h e d e s i g no ft h ev i r t u a lo s c i l l o s c o p ep r o g r a m ，a n dg i v e st h ed e t a i l e dd e s i g no fe a c hf u n c t i o n a l m o d u l ea sw e l la st h eo v e r a l ls c o p eo fe a c hm o d u l ei na c c o r d a n c ew i t ht h ef u n c t i o n a l i n t e g r a t i o n f i n a l l yt h ev i r t u a lo s c i l l o s c o p ec o n d u c t e ds y s t e mt e s t i n g b yw a yo fi l l u s t r a t i o n o ft h el a b v i e ws e v e r a l w a y st o a c h i e v e n e t w o r k c o m m u n i c a t i o n ：t c p ，l m i pc o m m u n i c a t i o i l s t e c h n o l o g y , r e m o t ea c c e s s t e c h n o l o g y , d a t a s o e k e tt e c h n o l o g y , a n dr e a l i z eav i r t u a lo s c i l l o s c o p e , ar e m o t en e t w o r kc o m m u n i c a t i o n s r 1 1 l er e s u l t ss h o wt h a tt h eo s c i l l o s c o p ed e s i g n e dt om e e tt h eg e n e r a le n g i n e e r i n gt e s t i n g , h a sa c e l t a i np r a c t i c a lv a l u e 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 ，l a b v i e w ,av i r t u a lo s c j o s c o p e ， d a t a s o c k e t 目录 第一章绪论1 1 研究背景和课题的提出1 1 2 国内外研究现状综述一l 1 2 1 国外研究现状l 1 2 2 国内研究现状。j 。2 1 3 研究目的和意义2 1 4 本文的主要内容租工作3 第二章虚拟仪器及其开发平台l a b v le w 4 2 1 虚拟仪器：4 2 1 1 虚拟仪器的基本概念及功能构成- ：4 2 1 2 虚拟仪器的主要特点和与传统仪器的比较5 2 1 3 虚拟仪器的组成7 2 1 4 虚拟仪器的分类、应用和发展方向。8 2 2 基于l a b vi 酬的虚拟仪器设计方法“。1 l 2 2 1 虚拟仪器的开发环境l l 2 2 。2l a b v l 酬开发平台介绍。：l l 2 2 3 虚拟仪器前面板的设计1 2 2 2 4 虚拟仪器流程图的设计1 3 2 3 本章小结。j 1 3 第三章虚拟示波器的设计及数据采集技术1 4 3 1 虚拟示波器的设计基础1 4 3 1 1 传统示波器的分类。1 4 3 1 2 数字示波器的基本原理1 4 3 2 虚拟示波器1 5 3 2 1 虚拟示波器的工作原理1 6 3 2 2 基于p c - d a o 体系的虚拟示波器的结构和特点1 6 3 3 数据采集技术。1 7 3 3 1 数据采集：1 7 3 3 2 采样原理1 7 3 3 3 信号分类和信号调理1 8 3 3 4 信号测量系统的连接1 8 3 4 数据采集系统- 2 l 3 4 1 数据采集系统的硬件2 l 3 4 2 数据采集系统的软件2 l 3 4 3 基于l a b vi 酬的数据采集系统。2 2 3 5 数据采集卡。2 2 3 5 1 数据采集卡的功能模块2 2 3 5 2niu s b - 6 0 0 9 数据采集卡性能参数。2 3 3 5 3 数据采集卡的设置与测试2 4 3 6 本章小结2 8 第四章虚拟示波器的软件实现2 9 4 1 虚拟示波器的软件设计2 9 4 。1 1 虚拟示波器的主要技术指标：2 9 4 1 2 虚拟示波器的软件结构2 9 4 1 3 虚拟示波器各模块功能介绍3 0 4 1 4 虚拟示波器总程序流程图。3 l 4 2 虚拟示波器程序框图设计3 2 4 2 1 数据采集模块：3 2 4 2 2 仿真信号模块。3 3 4 2 3 通道选择模块3 4 4 2 4 滤波模块3 4 4 2 5 频谱分析模块3 5 4 2 6 虚拟数字示波器前面板及程序框图。3 6 4 3 虚拟示波器的测试j 。3 8 屯3 1 程序调试3 8 4 3 2 虚拟示波器的系统测试3 8 4 4 本章小结j 4 1 第五章基于虚拟仪器的网络通信技术及远程控制：4 2 5 1 网络虚拟化仪器：4 2 5 2 网络化虚拟仪器的结构模式么：4 3 5 2 1c s ( cl ie n t s e r v e r ) 模式：4 3 5 2 2b s ( b r o w e r s e r v e r ) 模式。4 3 5 2 3c s b ( cl ie n t s e r v e r b r o w e r ) 模式。4 4 5 3t c p 与u d p 通信技术4 4 5 4 远程访问技术：4 5 5 4 1 发布前面板对象。4 6 5 4 2 发布h t 眦文件4 6 5 5d a t a s o c k e t 技术及虚拟示波器远程控制的实现4 6 5 5 1d a t a s o c k e t 简介4 6 5 5 2d a t a s o c k e t 的构成。4 7 5 5 3 虚拟示波器基于d a t a s o e k e t 网络通信技术实现远程控制4 8 5 6 本章小结5 l 第六章总结与展望7 ：5 2 6 1 总l 右! ：5 2 6 2 展望5 2 参考文献：5 3 致谢5 5 个人简历一5 6 基于l a b v i e w 虚拟示波器的设计及远程控制 第一章绪论 t 研究背景和课题的提出 2 0 世纪8 0 年代中期n i 公司( n a t i o n a li n s t r u m e n t s ，即美国国家仪器公司) 首先 提出了“软件就是仪器 ( t h es o f t w a r ei st h ei n s t r u m e n t ) 这一基于计算机技术的 虚拟仪器概念口1 。虚拟仪器由于其性价比、开放性等优势迅速地占领了市场，成为测控 仪器新的经济增长点和发展方向。同时随着网络技术的发展，己渗透到各行各业。网 络技术在虚拟仪器中的具体应用就包括网上教学实验、远程数据采集与控制、高档测 量仪器设备资源的远程实时调用、远程测试等新兴技术和产业。网络化虚拟仪器己经 成为2 1 世纪虚拟仪器发展的重要方向，具有极大的市场潜力和应用前景。总的来说虚 拟仪器代表了仪器仪表的发展方向，而网络化的虚拟仪器则代表了虚拟仪器的发展方 向，所以研究虚拟仪器及其网络化技术具有非常广阔的前景。本文在设计了多功能虚 拟数字示波器的基础上，应用现有的网络资源对虚拟仪器的网络通信技术进行了研究 和应用。 1 2 国内外研究现状综述 1 2 1 国外研究现状 虚拟仪器技术近些年在国外发展很快，以美国国家仪器公司为代表的一批厂商已 经在市场上推出了基于虚拟仪器技术而设计的商品化仪器产品。在美国，虚拟仪器系 统及其图形编程语言，己作为各大学理工科学生的一门必修课程。美国的斯坦福大学 的机械工程系要求三、四年级的学生在实验时应用虚拟仪器进行数据采集和实验控制。 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。 最早和最具影响力的开发软件，是n i 公司的l a b v i e w 软件和l a b w i n d o w s c v i 开发软 件口1 。n i 公司在1 9 9 7 年9 月，发布了一种全新的开放性模块化仪器总线规范叫x i ， 在此标准之前，按照测控功能硬件的不同，业界己经存在g p i b ，v x i ，p c - d a q 标准虚 拟仪器体系结构。随着相关电子技术的进步，虚拟仪器产品也成倍增加1 。n i 、h p 和 a g l e n t 公司都推出了基于电脑系统的虚拟测试和控制系统，广泛应用于实验室测量， 工业自动化中的在线测量，分布式多点测量系统等领域。 青海师范大学硕士学位论文 1 2 2 国内研究现状 在国内已有部分院校的实验室引入了虚拟仪器系统，开发出一批虚拟仪器系统用 于教学和科研。其中，华中理工大学机械学院工程测试实验室将其开发成果在网上公 开展示；四川大学基于虚拟仪器的设计思想，研制了“航空电台二线综合测试仪，将 8 台仪器集成一体，组成虚拟仪器系统，使用方便、灵活；清华大学汽车系利用虚拟仪 器技术组建的汽车发动机检测系统，用于汽车发动机的出厂检验，主要检测发动机的 功率特性、负荷特性等，一台发动机检测完之后，就可打印出完整的检测报告h 】。此外， 国内已有几家企业在研制p c 虚拟仪器，哈工大仪器王电子有限责任公司就是其中之一， 产品己达到一定的批量，其主要产品有数字存储示波器系列、任意波形发生器及频率 计系列、多通道大容量波形记录仪系列。国内专家预测，未来的几年内我国将有5 0 9 6 的仪器为虚拟仪器，将有大批企业使用虚拟仪器系统对生产设备的运行状况进行实时 监测。随着微型计算机的发展，虚拟仪器将会逐步取代传统的测试仪器而成为测试仪 器的主流。 3 研究目的和意义 在现代电子测量、仪器仪表等领域，示波器是电子信号测量行业最常用的仪器之 一，主要用来测量并显示被测信号的参数和波形，在科学研究、科学实验及现场检测 等许多领域被广泛应用。随着计算机技术和现代测试技术的飞速发展，现代测试系统 越来越复杂，需要测试的数据量也越来越大，对测试的速度、精度、实时性、数据可 信度、完整性以及测试系统的可靠性、智能化、开放性等要求也越来越高。针对这些 要求，如何利用基于计算机的虚拟仪器技术，快速高效的提出测试系统的构建方案， 成为测试系统的首要任务和迫切需要。目前高精度、具有数据存储能力的示波器，由 于工艺复杂，技术要求高，因而价格昂贵，所以虚拟示波器的设计有其经济价值。虚 拟仪器这种集计算机技术、通讯技术和测量技术于一体的模块化仪器已在世界范围内 得到了广泛的认同与应用，使得成千上万传统仪器都融入计算机体系之中。 目前，我国正处于科学技术蓬勃发展的新时期，对仪器设备的要求更加迫切。虚 拟仪器作为传统仪器的替代品，市场容量巨大。一方面，目前我国高档台式仪器，如 数字示波器、频谱分析仪、逻辑分析仪等主要依赖进口，这些仪器加工工艺复杂、对 制造水平要求很高，生产突破有困难。另一方面，用户可以将一些先进的数字信号处 理算法应用于虚拟仪器的设计，完善传统仪器不具备的功能，而且完全可以通过软件 配置实现多功能集成的仪器设计。因此，虚拟示波器的研制是非常有必要的。 2 基于l a b v i e w 虚拟示波器的设计及远程控制 1 4 本文的主要内容和工作 本论文以n i 公司u s b - 6 0 0 9 数据采集卡为硬件开发平台，设计了虚拟示波器，其 次在现有网络条件基础上，对虚拟仪器的网络通信技术做了研究和应用。 本文的主要内容是： 。 第一章：对本文的研究背景、课题的提出和本文的主要工作内容做简单介绍。 第二章：虚拟仪器及其软件开发平台l a b v i e w 。 第三章：虚拟示波器的设计及其硬件数据采集系统的介绍。 第四章：虚拟示波器的软件实现。本论文所设计的示波器能够完成波形显示、滤 波频谱分析、波形存储、参数测量等多种功能。虚拟示波器的集成、调试，给出仪器 测试效果。 第五章：基于虚拟仪器的网络通信技术。研究并应用虚拟仪器的网络通信技术， 主要包括t c p u d p 通信技术、远程访问通信技术、d a t a s o c k e t 通信技术。基于 d a t a s o c k e t 通信技术实现虚拟示波器的远程控制。 第六章：总结和展望。 ! 3 青海师范大学硕士学位论文 第二章虚拟仪器及其开发平台l a b v le w 2 1 虚拟仪器 n i 公司提出“软件即是仪器的虚拟仪器( v 1 ) 概念，是现代计算机和仪器技术 结合的产物，是计算机辅助测试( c a t ) 领域的一项重要技术。引发了传统仪器领域的 一场重大变革，使得计算机和网络技术得以长驱直入仪器领域，和仪器技术结合起来， 开创了软件即是仪器的先河。 2 1 1 虚拟仪器的基本概念及功能构成 所谓虚拟仪器，是以通用计算机为核心，根据用户对仪器的设计定义，用软件实 现虚拟控制面板设计和测试功能的一种计算机仪器系统。用户可通过鼠标、键盘或触 摸屏来操作虚拟面板，就如同使用一台专用测量仪器一样，实现需要的测量测试目的。 虚拟仪器的概念可具体描述为“虚拟仪器是利用现有的p c 计算机加上特殊设计的 仪器硬件的专用软件，形成既有普通仪器的基本功能，又有一般仪器所没有的特殊功 能的新型仪器 。虚拟仪器技术使用户可以根据自己的要求设计自己的仪器系统，从而 满足多种多样的应用需求。可广泛应用于科研、生产、军工的测量与控制系统嘲。可见 虚拟仪器是将现有的计算机技术、设计软件和高性能模块化硬件结合在一起而建立的 功能强大又灵活易变的仪器。在虚拟仪器系统中，硬件仅仅是为了解决信号的输入、 输出和调理，软件才是整个仪器系统的关键，使用者可以通过修改软件，方便的改变、 增减仪器系统的功能与规模，所以说“软件就是仪器 。 传统的仪器通常由信号的采集、分析、显示三部分组成，而虚拟仪器技术利用计 算机使得这三部分由一台计算机来实现。虚拟仪器以透明的方式把计算机资源和仪器 硬件的测量、控制能力结合在一起，通过软件实现对数据的分析处理、表达以及图形 化用户接口，极大的缩小了仪器硬件的成本和体积，并通过软件实现数据的显示、存 储以及分析处理。 虚拟仪器从功能上可以划分为三个部分1 ( 如图2 1 所示) ： l 、信号采集与控制。虚拟仪器是由计算机和仪器硬件组成硬件平台，实现对信号， 的采集、测量、转换与控制。 2 、数据分析与处理。虚拟仪器充分利用计算机的存储、运算功能，并通过软件实 现对输入数据信号的分析与处理。处理内容包括数字滤波、数据统计、数值分析等。 从数据分析上看，虚拟仪器比传统仪器具有更强大的数据分析能力。 3 、测量结果的显示。虚拟仪器充分利用计算机的资源，如显示器、存储器等，把 4 基y - l a b v i e w 虚拟示波器的设计及远程控制 测量结果以多种方式来表达与输出，其输出形式包括通过总线网络的远距离数据传输， 通过光盘、磁盘的拷贝输出，在硬盘上存储数据以及通过计算机屏幕等图形接口的输 出方式。 采集与控制数据分析数据表达 插入式数据采集板数据信号处理网络 6 p i b 仪器 数字滤波 c 硬拷贝输出 文件i ov x i 仪器统计 r s - 2 3 2 仪器 数字分析图形用户接口 。 图2 1 虚拟仪器的功能和构成 虚拟仪器中的“虚拟 有以下两个层面的意思。， 1 、虚拟的控制面板 传统仪器通过设置在面板上的各种控件来完成一些操作和功能，如各种开关、按 键、滑动调节键、显示器等实现仪器电源的通、断，被测信号输入通道、放大倍数、 滤波特性等参数设置，测量结果的数值显示、波形显示等。 传统仪器面板上的控件都是实物，而且是用手动和触摸进行操作的，而虚拟仪器 面板上的各种控件，是与传统仪器实物控件相像的图标，实际功能通过相应的软件程 序来实现。 2 、虚拟的测量测试与分析 传统的仪器是通过设计具体的模拟或数字电路实现仪器的测量测试及分析功能。 而虚拟仪器是利用软件程序实现这些功能。 可见，虚拟仪器是有计算机硬件资源、模块化仪器硬件和用于数据分析、过程通 信及图形用户界面的软件组成的测控系统，是一种由计算机操纵的模块化的仪器系统。 2 1 2 虚拟仪器的主要特点和与传统仪器的比较 虚拟仪器是对传统仪器概念的重大突破，具有以下特点h 3 ： l 、核心思想是软件。虚拟仪器的硬件确定后，它的功能主要是通过软件来实现。 软件在虚拟仪器中具有关键的地位，并且软件的灵活性和复用性使得用户可以按照自 己的需要来定义和设置测量功能，也就是说虚拟仪器使得用户能够自定义仪器功能。 而传统仪器的核心是硬件，并且仪器的功能由生产厂家确定，用户不能自己更改仪器 功能。 2 、具有良好的人机界面。在虚拟仪器中，测量结果是通过软件在计算机屏幕上生 青海师范大学硕士学位论文 成，并且仪器的操作也是通过与传统仪器面板相似的图形界面来实现。因此，用户可 以根据自己的爱好，利用计算机图形环境，通过编制软件来定义自己所喜爱的面板形 式。 3 、强大的数据处理功能。信号处理理论的不断完善以及计算机运算速度的不断提 高，为虚拟仪器快速、准确处理数据提供了良好基础。 4 、测量速度快。测量输入信号的多个特性只需要一个数据模块，并且要测量的信 号特性能被数据处理器快速计算出来。 5 、更好的测量准确度。在传统的自动测试系统中，必须把信号连接到每一台仪器 上以完成对各种参数的测量。这样，测量往往受电缆长度、阻抗、仪器校准和修正因 子差异等影响。而虚拟仪器受这些因素的影响较小，从而进一步提高了测量的准确度一 6 、便于扩展。当测试系统需要增加新的测量功能或提高其性能时，用户只需要增 加软件来执行新的功能；当需要重新组建测试系统时，可以通过增加或更换一个通用 模块来实现，而不用购买一个全新的系统。 7 、虚拟仪器具备和其他设备互联的能力。虚拟仪器不仅具备与v x i 总线等其他总 线的接口能力，还可以将虚拟仪器接入网络，如i n t e r n e t 等，以实现对现场生产的监 控和管理。 8 、集成和组合性能高。虚拟仪器技术从本质上来说是一个集成的软硬件概念。其 各个功能模块都是清晰的模块化组合方式，选择不同的硬件、软件模块，进行不同的 组合就可以组建不同的系统，达到不同的目的。 9 、技术更新快。由于虚拟仪器技术是建立在计算机技术、数据采集技术和通信技 术基础上，因而技术更新速度快于传统仪器。 总的来说，与传统仪器相比，虚拟仪器在各方面都具有明显的优势，能够满足科 技高速发展对电子测量技术提出的新要求，也必然会成为电子测量仪器发展的趋势。 虚拟仪器与传统仪器相比较如表2 1 所示。 表2 1 虚拟仪器与传统仪器比较表 虚拟仪器传统仪器 开发与维护费用低开发与维护开销高 技术更新周期短技术更新周期长 软件是关键硬件是关键 价格低，可重配置性强价格昂贵 用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 与网络与其他周边设备方便互联仪器系统功能单一。互联有限的独立设备 6 基于l a b v i e w 虚拟示波器的设计及远程控制 2 1 3 虚拟仪器的组成 虚拟仪器的组成主要包括硬件和软件两个基本要素呻1 ，具体组成如图2 2 所示。 匝堑亟圈 拳= = = = = = = ， ? 图2 2 虚拟仪器的组成 一 2 1 3 1 虚拟仪器的硬件组成 虚拟仪器的硬件一般分为基础硬件平台和外围硬件设备。基础硬件平台目前可以选 择各种类型的计算机。外围硬件设备则主要包括各种计算机外置测试设备和内置模块。 外置测试设备通常为带有某种接口的各种测试设备。内置模块主要有高速数据采集模 块、大容量存储器阵列模块、信号前端调理模块、模拟信号产生模块和数字输入输出 模块等。 l 、高速数据采集模块 高速数据采集模块将被测的模拟信号转换为计算机可以识别的数字信号，其核心器 件是a d 转换器，它是模拟电量与数字信号量转换的桥梁。a d 转换器的主要指标：采 集速率、分辨率、输入动态范围、采集通道数量、建立时间等。 2 、大容量存储器阵列模块 ，在对高速信号进行测试时，进入虚拟仪器的数据量非常大，有可能系统来不及将数 据实时传给计算机或计算机来不及进行实时处理，此时就需要将测试数据暂时保存在 大容量存储器阵列模块上的动态存储器或静态存储器中，然后按计算机可接受的速率 传送给计算机再由计算机进行后处理。 3 、信号前端调理模块 高速数据采集模块可以将模拟电信号转换为数字信号，但对输入的电信号是有一定 的限制的。信号前端调理模块的作用就是将外部输入信号加以调节，向高速数据采集 模块提供符合要求的信号。 4 、数字信号输入输出模块 数字信号输入输出模块常用于系统进行过程控制的场合，它可以提供1 1 i l 电平的 数字信号。由于数字信号输入输出模块一般提供5 vd c 和几毫安电流，当使用该模块 的低电流t t l 信号监视与控制工业系统中的高电压、大电流器件硬件时，需要增加适 当的数字调节附件模块，将控制值转换为功率信号。 7 青海师范大学硕士学位论文 5 、机箱控制与接口模块 机箱控制与接口模块是虚拟仪器机箱内不可缺少的模块，通常是一般卡的形式插在 机箱底板总线上，而板卡外部输入端子通过互连总线与计算机相连。该模块的作用是 管理与控制仪器机箱底板的数据传输，同时完成机箱与计算机之间的数据互连。 2 1 3 2 虚拟仪器的软件结构 仪器软件与通用计算机软件构成虚拟仪器的软件，用于直接控制各个硬件接口， 并通过软件完成测试任务。对v x i 总线虚拟仪器而言，主要包括三部分，如图2 3 所 示。 图2 3 虚拟仪器软件框架 l 、应用软件开发环境为用户开发虚拟仪器提供了必须的软件工具与环境。目前， 主要有两类虚拟仪器开发环境：一是用传统的编程语言设计虚拟仪器，如l a b w i n d o w s 等；二是用图形编程语言设计虚拟仪器，如h p v e e ，l a b v i e w 等。 2 、仪器驱动器完成对某一特定仪器控制与通信的软件程序，是完成对仪器硬件控 制的纽带和桥梁，作为用户应用程序的一部分在计算机上运行。 3 、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 ) 是v x ip l u g & p l a y 规范 规定的生成虚拟仪器的软件结构和模式，它包括统一的仪器控制结构，与操作系统、 编程语言、硬件接口无关的应用程序编程接口等。v i s a 规定的制定，统一了应用程序 与系统硬件之间的底层接口软件，成为v x ip l u g & p l a y 的重要基础。v i s a 已经成为现 代自动测试系统的关键组成部分。 。 2 1 4 虚拟仪器的分类、应用和发展方向 2 1 4 1 虚拟仪器的分类 测试与测量的发展以测试总线的发展为标志。测试总线从g p i b 发展到v x i 、p x i ， 测试仪器也由机架式发展到了插卡式。虽然虚拟仪器更多地强调软件在仪器中的应用， 但虚拟仪器仍离不开硬件技术的支持，信息的获取仍需要通过硬件来实现。虚拟仪器 按照总线方式的不同，可以分为以下7 种类型： 1 、p c 总线插卡型虚拟仪器 8 基于l a b v i e w 虚拟示波器的设计及远程控制 ， 这种方式借助于插入计算机内的数据采集卡与专用的软件( 如l a b v i e w ) 构成测试 系统，完成具体的数据采集和处理的任务。它充分利用了p c 的总线、机箱和电源等硬 件资源及其丰富的软件资源。不过插卡式仪器价格比较昂贵，并且这类仪器受计算机 机箱和总线的限制，还有电源功率不足、机箱内部噪声电平较高且无屏蔽、插槽尺寸 较小且数量少等缺点。 2 、g p i b 总线方式的虚拟仪器 g p i b 技术是i e e e 4 8 8 标准的虚拟仪器早期的发展阶段。典型的g p i b 系统由一台计 算机、一块g p i b 接口卡和若干台g p i b 接口的仪器通过g p i b 电缆连接而成。由于g p i b 仪器总线只是8 位并行仪器总线，传输速率和传输距离有限，已经跟不上当今大规模 测试系统的需求。 3 、v x i 总线方式虚拟仪器 v x i 总线是一种高速计算机总线v m e 在v i 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 屏蔽等特性，为虚拟仪器系统提供了一个更为广阔的 发展空间。由于其标准开放、传输速率高、数据吞吐能力强、定时和同步精确、采用 模块化设计、使用方便灵活、众多厂商支持等优点，已经越来越受到人们的重视。 4 、p x i 总线方式虚拟仪器 p x i ( p c ie x t e n t i o n sf o ri n s t r u m e n t a t i o n ) 总线是n l 公司在1 9 9 7 年9 月推出 的全新的开放性、模块化仪器总线规范。p x i 总线方式是由p c i 总线内核技术增加多板 同步触发总线的技术规范和要求形成的，由具有开放性的p c i 总线面向仪器领域的扩 展而来。p x i 总线符合工业标准，在机械、电气和软件特性方面充分发挥了p c i 总线的 全部优点。 5 、并行总线方式虚拟仪器 并行口式虚拟仪器可以连接到计算机并行口。标准并口是采用2 5 线的并行通讯总 线，由于是用于计算机与打印机或者绘图仪的连接总线，因此，传输速率较高，传输 距离较短( 最长2 m ) 。 。6 、串行口式虚拟仪器 、串行总线包括传统的r s 2 3 2 串行总线、u s b 通用串行总线和i e e e l 3 9 4 总线。r s 2 3 2 串行总线是早期采用的通用串行总线，技术成熟，许多测量仪器都带r s 2 3 2 串行总线 接口。u s b 通用串行总线，是简化p c 与外设之间互连得一种标准总线，它使设备具有 热插热拔、即插即用、自动配置的能力。u s b 的级联星形拓扑结构大大扩充了外设数量， 使