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太原理工大学硕士研究生学位论文 基于声卡的虚拟示波器 摘要 现代科技发展日新月异，计算机尤其如此。计算机强大的处理能力， 使得它成为一种很好的工具，其应用范围也越来越广泛。虽然传统仪器 已经得到迅猛的发展，仪器精度越来越高，功能越来越强，性能越来越 好，但传统仪器基本上没有摆脱单独使用、手动操作的模式。传统台式 仪器是由厂家设计并定义好功能的个封闭结构，它有固定的输入输出 接口和仪器操作面板。每种仪器只能实现一类特定的测量功能，并以确 定的方式提供给用户。我国高档台式仪器如数字示波器主要依赖进口， 一方面这些仪器加工工艺复杂、制造水平要求高，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，提供传统台式仪器所不具备的功能，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，目前研制一种结构简单、操作方便、 费用低的数字示波器是非常必要的。 声卡a i d 转换性能优越，技术成熟，配合l a b v i e w 强大的数据采集 与处理功能，可以构建性价比相当高的数据采集系统。本文运用普通的 计算机声卡代替商用数据采集卡，设计了一种双通道数字存储示波器。 它具有1 6 位的量化精度，最高采样频率为4 4 k h z 。该系统能够正确采集 太原理工大学硕士研究生学位论文 声卡设计频率范围内的信号。对1 v 以上的信号，能够通过设计的电路衰 减到合适的范围；对微伏级别的信号，能放大直到示波器上看到清晰的 信号。 虚拟数字存储示波器是虚拟仪器技术的一种具体应用，它将软件和 虚拟仪器硬件紧密结合在一起，在公用计算机上虚拟地实现了示波器的 各种功能，并进行了扩充。虚拟数字存储示波器系统由信号采集、信号 处理和结果显示三大部分构成，但是除了信号采集部分是由硬件实现之 外，其它两部分都是由软件实现。我们所设计的虚拟数字存储示波器总 体上包括数据采集、波形运算、波形存储回放以及滤波等模块组成。它 除了通用功能外，又具有普通示波器所没有的许多优点，如波形可以存 储为数据文件，以便进行永久保存、随时调用数据，进行波形实时显示。 成本低廉，功能可根据应用的需要不断加强。因而用声卡构建低成本的 数据采集系统是切实可行的。 关键词：声卡，虚拟示波器，虚拟仪器，信号调理，l a b v i e w 太原理工大学硕士研究生学位论文 t h ed e s i g n0 fav t u a l o s c 。l o g r a p hb a s e do ns o u n dc a r d a b s t r a c t m o d e ms c i e n c ea n dt e c h n o l o g yd e v e l o p m e n t c h a n g e sw i t he a c hn e wd a y , c o m p u t e re s p e c i a l l y8 0 p o w e r f u lc o m p u t e rp r o c e s s i n gc a p a c i t yh a sm a d ei t a ne x c e l l e n tt o o la n di t sa p p l i c a t i o nh a sb e c o m ei n c r e a s i n g l y w i d e s p r e a d v v h i l et r a d i t i o n a l e q u i p m e n th a sg o tr a p i dd e v e l o p m e n t , t h ei n s t r u m e n t a c c u r a c yi sm o r ea n dm o r eh i g h ，t h ef u n c t i o ni sn l o r ea n dm o r es t r o n g ，a n d t h ep e r f o r m a n c ei sm o r ea n di n o r eg o o d 。b u tt h et r a d i t i o n a li n s t r u m e n t b a s i c a l l yh a sn o tg o t t e nr i do fe x c l u s i v eu s ea n dm a n u a l - o p e r a t e dp a r e m t h e t r a d i t i o n a lt a b l ei n s t r u m e n ti sac l o s e ds t r u c t u r ed e f i n e db yt h ef a c t o r y i th a s t h ef i x e di n p u f f o u t p u ti n t e r f a c e sa n dt h ei n s t r u m e n to p e r a t i o np a n e l s e a c h k i n do fi n s t r u m e n to n l yc a l lc a l t yo u ts o m es p e c i f i cs u r v e yf u n c t i o n s ，a n d p r o v i d e dt ot h eu s e rb yt h ed e f m i t ew a y o u rt a b l ei n s t r u m e n ts u c ha s h i g h 。g r a d ed i g i t a lo s c i l l o s c o p em a i n l yr e l i e do ni m p o r t o nt h eo n oh a n d t h e s ei n s t r u m e n t sp r o c e s s i n gt e c h n i ci se o m p l e x ，m a n u f a c t u r e r sl e v e li sh i g h ， a n dt h ep r o d u c t i o n b r e a k t h r o u g hh a st h ed i f f i c u l t y o nt h eo t h e rh a n d ，t h eu s e r i l i 太原理工大学硕士研究生学位论文 m a ya p p l ys o m ea d v a n c e dd i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n ga l g o r i t h m si nt h ed e s i g n o fv i r t u a li n s t r u m e n t sa n dp r o v i d ef u n c t i o nw h i c ht h et r a d i t i o n a lt a b l e i n s t r u m e n td o e sn o th a v e m o r e o v e rw em a yr e a l i z et h e m u l t i - p u r p o s e i n t e g r a t e di n s t r u m e n td e s i g nt h r o u g ht h es o f t w a r ec o n f i g u r a t i o n t h e r e f o r e ， t h ec u r r e n td e v e l o p m e n to fal o w - c o s td i g i t a lo s c i l l o s c o p ew h i c hh a sas i m p l e s t r u c t u r ea n do p e r a t i o ni sv e r yn e c e s s a r y s o u n dc a r d a dt r a n s f o r m a t i o np e r f o r m a n c ei s s u p e r i o r , a n dt h e t e c h n o l o g yi sm a t u r e i tm a y c o n s t r u c tt h eq u i t eh i g hc o s tp e r f o r m a n c ed a t a a c q u i s i t i o ns y s t e m t h i sa r t i c l ed e s i g n sa k i n do fd u a l - c h a n n e lv i r t u a l d i g i t a l - s t o r a g eo s c i l l o g r a p h i th a s1 6q u a n t i f i c a t i o np r e c i s i o n s ，t h eh i g h e s t s a m p l i n gf r e q u e n c yi s4 4 k i - i z t h i ss y s t e mc a nc o r r e c t l yg a t h e rt h es i g n a li n t h es o u n dc a r dd e s i g nf r e q u e n c yr a n g e t h es i g n a la b o v e5 0v o l tc a l lb e a t t e n u a t e dt ot h ea p p r o p r i a t es c o p eb yt h ed e s i g nc i r c u i t ；t h em i c r o v o l tl e v e l s i g n a lc a l lb ee n l a r g e du n t i lt h ec l e a rs i g n a lo nt h eo s c i l l o g r a p h v m u a ld i g i t a l s t o r a g e o s c i l l o g r a p hi s t h er e a la p p l i c a t i o no fv j l t t l a l i n s t r u m e n tt e c h n o l o g y i ti n t e g r a t e sh a r d w a r ew i t hs o f t w a r et o g e t h e rt i g h t l y a n dr e a l i z e sa l lf u n c t i o no fc o m m o no s c i l l o g r a p h ，e v e ne x t e n d si t v m u a l d i g i t a l s t o r a g eo s c i l l o g r a p hs y s t e mc o m p r i s e ss i g n a la c q u i s i t i o n ，s i g n a l p r o c e s s i n ga n do u t p u td i s p l a y e x c e p ts i g n a la c q u i s i t i o ni sc o m p l e t e db y h a r d w a r e ，t h eo t h e r s a l ei e a l j z e d b y s o f t w a r e v i r t u a ld i g i t a l - s t o r a g e i v 太原理工大学硕士研究生学位论文 o s c i l l o g r a p hw ed e s i g n e dc o n s i s t so fd a t aa c q u i s i t i o n ，w a v e f o r mc o m p u t e r , p a r a m e t e rm e a s u r e ，w a v e f o r ms t o r a g ea n df i l t e rm o d u l e s i th a ss o m em e r i t s w h i c hc o m m o no s c i l l o g r a p hd o e s n t h a v e ，s u c ha ss a v i n gw a v e f o r ma s p e r m a n e n c ed a t a ，u s i n gd a t aa ta n ym o m e n t ，r e a l t i m ed i s p l a y , c o s tl o wa n d e x t e n d i n gf u n c t i o n sb a s e do nr e q u i r e m e n to fa p p l i c a t i o n t h u sc o n s t r u c t i n g t h el o wc o s td a t aa c q u i s i t i o ns y s t e mw i t ht h es o u n dc a r di s p r a c t i c a la n d f e a s i b l e k e yw o r d s ：s o u n dc a r d ，v m u a lo s c i l l o g r a p h ，v l r t u a li n s t r u m e n t , s i g n a lc o n d i t i o n i n g ，l a b v i e w v 太原理工大学硕士研究生学位论文 图表索引 图索引 图1 1 常见的虚拟仪器组建方案2 图l 2 虚拟仪器的构成5 图2 - - - - 1 充分采样率时的信号2 1 图2 _ _ 2 过低采样率的采样结果2 l 图2 _ - 3 实际信号的频率组成2 2 图2 _ 一4 采样后信号的频率组成和混频偏差2 2 图2 _ _ 5 各种采样率的效果2 3 图2 _ _ 6 抗混频滤波器2 4 图2 - - 7 软件框图2 5 图4 一l 硬件框图3 5 图4 - - - 2p c i 声卡3 5 图4 _ - 3 声卡接口示意图3 6 图4 _ _ 4 声卡工作框图3 7 图4 一- 5 设计流程图3 8 图4 _ 6 衰减电路4 0 图4 _ - 7 放大电路4 l 图5 一l 声卡函数及声卡设置前面板4 2 图5 _ - 2 波形运算在主程序中的位置4 3 图5 _ - 3 波形运算前面板及程序框图4 4 图5 - 一4 建立数组4 5 图5 - - - 5 写盘子程序位置及前面板4 5 图5 _ _ 6 存盘框图程序4 5 图5 _ - 7 写电子表格节点程序4 6 图5 - - 8 读盘位置及前面板4 7 图仁9 数据读盘程序框图4 8 图5 一l o 读电子表格4 8 图5 一l l 打开文件子程序4 9 图s 一1 2 触发控制子程序在主程序中位置和前面板5 0 图5 一1 3 触发控制框图程序5 l 图5 一1 4s l o p e 图标和前面板5 2 图5 一1 5 触发方式框图5 2 图5 1 6s l o p e 程序框图5 3 图5 1 7 相位测量在主程序中的位置5 4 x 太原理工大学硕士研究生学位论文 图5 一1 8 输入正弦信号时的李沙育图5 4 图5 1 9 相位分析子程序图标及- b t - 算频率估计程序5 5 图5 2 0 参数测量程序框图5 6 图5 2 1 电压测量模块位置5 7 图5 - _ 2 2 电压测量程序5 7 图5 2 3 参数测量前面板5 8 图扣- 2 4 交直流分量估计节点图标及连接端口5 8 图孓- 2 5 均方根节点图标及连接端口5 9 图5 2 6 脉冲参数节点图标及连接端口5 9 图5 _ 2 7 滤波器设计流程图6 3 图孓- 2 8 滤波前面板及程序6 4 图5 - - 2 9 滤波前后波形图6 4 图6 1 示波器前面板6 5 图“- 3 示例波形6 8 图6 _ 4 电路原理图6 9 图6 _ _ 5 改接前图7 0 图6 - - 6 改接后图7 l 表索引 表l 一1 虚拟仪器与传统仪器比较 表2 一lg p i b 板卡性能参数 表5 一l 李沙育图形对照表 6 1 5 5 4 表6 1 输入信号测得值对照6 8 x i 声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在指导教师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文 不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究 做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的 法律责任由本人承担。 论文作者签名：墓塞型 日期： 丝堕垒堂一 关于学位论文使用权的说明 本人完全了解太原理工大学有关保管、使用学位论文的规定，其 中包括：学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印 件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文； 学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为目的， 复制赠送和交换学位论文；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容( 保密学位论文在解密后遵守此规定) 。 签名：圣量巡 日期： 导师签名： 沙6 嗽瑶 日期：莎2 4 仁钐 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 1 问题的提出 第一章绪论 现代科技发展日新月异，计算机尤其如此。计算机强大的处理能力，使得它成为 一种很好的工具，其应用范围也越来越广泛。虽然传统仪器已经得到迅猛的发展，仪 器精度越来越高，功能越来越强，性能越来越好，但传统仪器基本上没有摆脱单独使 用、手动操作的模式。在工业自动化测试及测量领域，传统的方法有许多重复建设， 使用起来很不方便，其局限性非常明显，显然已经不能适应时代发展的需要了。传统 台式仪器是由厂家设计并定义好功能的个封闭结构，它有固定的输入输出接口和 仪器操作面板。每种仪器只能实现一类特定的测量功能，并以确定的方式提供给用户。 常用的数字示波器、数字万用表、信号发生器、数据记录仪以及温度和压力监控器就 是传统仪器的代表。 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。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，提供传统台式 仪器所不具备的功能，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， 目前研制一种结构简单、操作方便、生产技术要求不高、费用低的数字示波器是非常 必要的。如何利用先进的计算机技术提高效率则成为测量领域迫切需要解决的问题。 1 2 虚拟仪器概述 虚拟仪器( v i r t u a li n s t r u m e n t ) 是基于计算机的仪器。计算机和仪器的密切结 合是目前仪器发展的个重要方向。粗略地说这种结合有两种方式，一种是将计算机 装入仪器，其典型的例子就是所谓智能化的仪器。随着计算机功能的日益强大以及其 体积的日趋缩小。这类仪器功能也越来越强大，目前已经出现含嵌入式系统的仪器。 另一种方式是将仪器装入计算机。以通用的计算机硬件及操作系统为依托，实现各种 l 太原理工大学硕士研究生学位论文 仪器功能。虚拟仪器主要是指这种方式。下面的框图反映了常见的虚拟仪器方案。 图1 l 常见的虚拟仪器组建方案 h g l 肚i - - iac o d l n l o nv l , n m li n 曲m m e n t h e m e 虚拟仪器的主要特点有： ( 1 ) 尽可能采用了通用的硬件，各种仪器的差异主要是软件。 ( 2 ) 可充分发挥计算机的能力，有强大的数据处理功能，可以创造出功能更强的 仪器。 ( 3 ) 用户可以根据自己的需要定义和制造各种仪器。 虚拟仪器实际上是个按照仪器需求组织的数据采集系统。虚拟仪器的研究中涉 及的基础理论主要有计算机数据采集和数字信号处理。目前在这一领域内，使用较为 广泛的计算机语言是美国n i 公司的l a b v i e w 。 虚拟仪器的起源可以追朔到2 0 世纪7 0 年代，那时计算机测控系统在国防、航天 等领域已经有了相当的发展。p c 机出现以后，仪器级的计算机化成为可能，甚至在 m i c r o s o f t 公司的w i n d o w s 诞生之前，n i 公司已经在m a c i n t o s h 计算机上推出了 l a b v l e w 2 0 以前的版本。对虚拟仪器和l a b v i e w 长期、系统、有效的研究开发使得 该公司成为业界公认的权威。 普通的p c 有一些不可避免的弱点。用它构建的虚拟仪器或计算机测试系统性能 不可能太高。目前作为计算机化仪器的个重要发展方向是制定了v x i 标准，这是一 种插卡式的仪器。每一种仪器是个插卡，为了保证仪器的性能，又采用了较多的硬 件，但这些卡式仪器本身都没有面板，其面板仍然用虚拟的方式在计算机屏幕上出现。 这些卡插入标准的v x l 机箱，再与计算机相连，就组成了一个测试系统。v x l 仪器价 2 太原理工大学硕士研究生学位论文 格昂贵，目前又推出了一种较为便宜的p x i 标准仪器。 虚拟仪器研究的另一个问题是各种标准仪器的互连及与计算机的连接。目前使用 较多的是i e e e 4 8 8 或g p i b 协议。未来的仪器也应当是网络化的。 虚拟仪器技术指在包含数据采集设备的通用计算机平台上，根据需求可以高效率 地构建形形色色的测量系统。对大多数用户而言，主要的工作变成了软件设计。虚拟 仪器技术突破了传统仪器的局限，可以将许多信号处理的方法方便地应用于军事、航 空、航天、等领域和科研院所，现在已经越来越多地出现在工厂及其他的民用场合。 1 2 1 虚拟仪器的产生 虚拟仪器技术是现代计算机系统和仪器系统相结合的产物，是当今计算机辅助测 试领域的一项重要技术。它推动着传统仪器朝着数字化、智能化、模块化、网络化的 方向发展。电子测量仪器发展至今，大体上可以分为四代：模拟仪器、数字化仪器、 智能仪器和虚拟仪器。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、数字示波器、数字 频率计等。这类仪器将模拟信号的测量值转化为数字信号，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能力，可取代部分脑脑力劳动，习惯上称为 智能仪器。它的功能块全部都是以硬件或固定软件的形式存在，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，是将来仪器产业发展的个重要方向。 虚拟仪器( v i r t u a li n s t r u m e n t s ，简称v i ) 的概念，是美国国家仪器公司 ( n a t i o n a li n s t r u m e n t sc o r p 简称n ij 于1 9 8 6 年提出的。n i 公司时也提出了“软件 即仪器”的口号，彻底打破了传统仪器只能由厂家定义，用户无法改变的局面，从而 引起了仪器和自动化工业的一场革命。随着现代软件和硬件技术的飞速发展，仪器的 智能化和虚拟化已经成为各级实验室以及研究结构发展的方向。虚拟仪器，它既具有 传统仪器的功能，又有别于其他传统仪器。它能够充分利用和发挥现有计算机的先进 3 太原理工大学硕士研究生学位论文 技术，使仪器的测试和测量及自动化工业的系统测试和监控变得异常方便和快捷。 1 2 2 虚拟仪器概念 虚拟仪器是利用p c 计算机显示器的显示功能模拟传统仪器的功能面板，以多种 形式表达输出检测结果，利用p c 计算机强大的软件功能实现信号数据的运算、分析、 处理，由i o 接口设备完成信号的采集、测量和调理，从而完成各种测试功能的一种 计算机仪器系统“1 。虚拟仪器以透明的方式，通过软件对数据的分析处理、表达以及 图形化用户接口，把计算机资源( 如微处理器、显示器等) 和仪器硬件( 如a d ，d i a 、 数字i o 、定时器、信号调理等) 的测量能力、控制能力结合在一起。虚拟仪器突破 了传统仪器以硬件为主体的模式，实际上使用者是在操作具有测试软件的电子计算机 进行测量，犹如操作一台虚设的电子仪器。 虚拟仪器技术的实质是充分利用最新的计算机技术来实现和扩展传统仪器的功 能。虚拟仪器是基于计算机的仪器”1 。软件是虚拟仪器的关键，当基本硬件确定以后， 就可以通过不同的软件实现不同的功能。用户可以根据自己的需要，设计自己的仪器 系统，满足多种多样的应用要求。利用计算机丰富的软、硬件资源，可以大大突破传 统仪器在数据的分析、处理、表达、传递、储存等方面的限制，达到传统仪器无法比 拟的效果。它不仅可以用于电子测量、测试、分析、计量等领域，而且还可以用于进 行设备的监控以及工业过程自动化。虚拟仪器还可以广泛应用于电力工程、物矿勘探、 医疗、振动分析、声学分析、故障诊断及教学科研等多个方面。 1 2 3 虚拟仪器的构成。 虚拟仪器从构成要素上讲，由计算机、应用软件和仪器硬件等构成；从构成方式 上讲，则由以d a q 板和信号调理为仪器硬件而组成的p c d a q 测试系统，或以g p i b ，v x i ， s e r i a l 和f i e l db u s 等标准总线仪器为硬件组成的g p i b 系统、v x i 系统、串口系统 和现场总线系统等多种形式。虚拟仪器的构成如图1 2 所示。无论哪种v i 系统，都 是将仪器硬件搭载到笔记本电脑、台式微机或工作站等各种计算机平台加应用软件而 构成的。 4 太原理工大学硕士研究生学位论文 图卜_ 2 虚拟仪器的构成 l 阿g u mi - - 2v i r n l a lj n s t m m e n tc o n s 吐m 6 0 1 2 4 虚拟仪器的优点“ 一台性能优良的虚拟仪器不仅可以实现传统仪器的大部分功能，而且在许多方面 有传统仪器无法比拟的优点，如使用灵活方便、功能丰富、价格低廉、可一机多用、 可重复开发等。与传统仪器相比虚拟仪器主要有以下优点： 1 1 ) 融合了计算机强大的硬件资源，突破了传统仪器在数据处理、显示、存储 等方面的限制，大大增强了传统仪器的功能。而且高性能处理器、高分辨率显示 器、大容量硬盘等已成为虚拟仪器的标准配置。 ( 2 ) 利用了计算机丰富的软件资源，一方面，实现了部分仪器硬件的软件化， 节省了物质资源，增加了系统的灵活性；一方面，通过软件技术和相应的数值算 法，实时、直接地对测量数据进行各种分析与处理；另一方面，通过图形用户界 面( g r a p hu s e ri n t e r f a c e ) 技术，真正做到界面友好、人机交互。 5 太原理工大学硕士研究生学位论文 表1 1 虚拟仪器与传统仪器比较 t a b l e1 一lc o m p a r i s o nb e t w e e nv i i l u a li n s t r u m e n ta n d 劬d i 吐a li n s f f u m e n t 虚拟仪器传统仪器 价格低廉，可复用与可重配置性强价格较贵，仪器间一般无法互用 开放性、灵活、可与计算机技术保持封闭，仪器之间配合较慢 同步发展 用户能够自定义仪器功能只有厂家才能定义 能与周围设备及网络连接功能单一只能连接有限的独立设备 核心是软件核心是硬件 开发维护费用低开发维护费用昂贵 技术更新周期短更新周期长 ( 3 ) 基于计算机总线和模块化仪器总线，使仪器的硬件实现了模块化、系列化， 大大缩小了系统的尺寸。可方便地构建模块化仪器。 ( 4 ) 基于计算机网络技术和接口技术，使v i 系统具有方便、灵活的互联能力， 广泛支持诸如c a n ，f i e l db u s ，p r o f i b u s 等各种工业总线标准。因此，利用v i 技术可方便地构建自动测试系统实现测量、控制过程的网络化。 ( 5 ) 基于计算机的开放式标准体系结构。虚拟仪器的硬、软件都具有开放性、 模块化、可重复使用及互换性等特点。因此，用户可根据自己的需要，选用不同 厂家的产品，使仪器系统的开发更为灵活、效率更高，缩短了系统组建和维护时 间。 虚拟仪器与传统仪器的比较如表1 1 。 1 3 虚拟仪器的发展 1 3 1 国外虚拟仪器的现状 虚拟仪器技术目前在国外发展很快，以美国国家仪器公司( n i 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 6 太原理工大学硕士研究生学位论文 仪器系统及其图形编程语言，已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。虚拟仪器的概念使得现代计算机技术、通信技术和测量技术达到了前所未有 的紧密结合，进而引发了传统仪器观念的一次巨大变革。“1 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 bw i n d o w s c v i 开发软件。l a b v i e w 采用图形化编程方案，是非常实用的开发软件。l a b w i n d o w s c v i 是为熟悉c 语言的开发人员准备的、在w i n d o w s 环境下的标准a n s ic 开发环境。除 了上述的优秀开发软件之外，美国h p 公司的h p - v e e 和h p t i g 平台软件，美国 t e k t r o n i x 公司的e z t e s t 和t e k t n s 软件，以及美国h e m d a t a 公司的s n a p - m a s t e r 平台软件，也是国防止公认的优秀虚拟仪器开发平台软件。” 当今虚拟仪器的系统开发采用的总线包括传统的r s 2 3 2 串行总线、g p i b 通用接 口总线、v x i 总线，以及己经被p c 机广泛采用的u s b 通用串行总线和i e e e l 3 9 4 总线 即f i r e w i r e ，也叫做火线) 。世界各国的公司，特别是美国n i 公司，为使虚拟仪器 能够适应上述各种总线的配置。开发了大量的软件以及适应要求的硬件( 插件) ，可以 灵活地组建不同复杂程度的虚拟仪器自动测试系统。” 虚拟仪器开发商不仅注意使虚拟仪器能够适应各种通用计算机总线系统，使之为 虚拟仪器服务，而且也注意建立各种仪器专用的总线系统。美国n i 公司在1 9 9 7 年9 月1 日推出模块化仪器的主流平台p x i ，这是与c o m p a c tp c i 完全兼容的系统。这种 虚拟仪器模块化主流平台p x i c o m p a c tp c i 的传输速度己经达到1 0 0 m b s ，是目前已 经发布的最高传输速度。” 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 式及其变换方面也做了许多工作，发布了各种软件，建立了数据处理的高级分析库和 开发工具库( 例如测量结果的谱分析、快速傅立叶变换、各种数字滤波器、卷积处理 和相关函数处理、微积分、峰值检测、波形发生噪声发生、回归分析、数值运算、时 域和频域分析等) ，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。 7 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 3 2 国内虚拟仪器的现状 在国内已有部分院校的实验室引入了虚拟仪器系统，上海复旦大学、上海交通大 学、广州暨南大学、华中理工大学、四川联合大学等。近一、两年来这些学校在原有 的基础上，又开发了一批新的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。四川联合大学的教师基于虚拟 仪器的设计思想，研制了“航空电台二线综合测试仪”将8 台仪器集成于一体，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构建的汽车发动 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。 一台发动机检测完后，就可打印出完整的检测报告。此外，国内己有几家企业在研制 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，它的产品已达到定 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 的仪器为虚 拟仪器，国内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。虚拟仪器技术的提出与发展，标志着二十一世纪自动测试与电子测量仪器领域技 术发展的个重要方向。 1 3 3 虚拟仪器的发展趋势 虚拟仪器正在继续迅速发展。它可以取代测量技术在传统领域的各类仪器。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。 图形化编程平台的进一步发展与完善是虚拟仪器发展的个重要方向。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，如何使用构成简 单的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 等内容，是虚拟仪器技术的努力方向。我国还基本处于传统仪表与计算机化仪器互相 8 太原理工大学硕士研究生学位论文 分离的状态，世界各大相关产品商家都在向中国这个巨大的市场进军。结合我国的实 际情况，我们必须走引进与自行开发相结合的道路。一方面，大力引进国外虚拟仪器 方面的生产技术；另一方面，发展基于计算机的插卡式硬件模块为主的测控技术，发 展图形化平台的软件产品，充分利用我们现有的计算机及测控技术硬件，缩短与国际 先进水平的差距。 v x i 总线将成为未来虚拟仪器的理想硬件平台，这是由于v x i 总线的性能决定的； 另一方面，基于p c i d a q 的虚拟仪器系统由于性价比高、灵活性好而受到大多数用户 的青睐，将得到高速的发展。随着计算机硬件、软件技术的迅速发展，虚拟仪器将向 高性能、多功能、集成化、网络化方向发展。 所谓虚拟仪器是基于汁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e 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 带来较高的技术更新速率。 。 虚拟仪器技术的优势在于可由用户定义自己的专用仪器系统，且功能灵活，很容 易构建，所以应用面极为广泛。尤其在科研、开发、测量、检测、计量、测控等领域 更是不可多得的好工具。虚拟仪器技术先进，十分符合国际上流行的“硬件软件化” 的发展趋势，因而常被称作“软件仪器”。它功能强大，可实现示波器、逻辑分析仪、 频谱仪、信号发生器等多种普通仪器全部功能，配以专用探头和软件还可检测特定系 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；它操作灵活，完全图形化界面，风格简约，符合传统设备的使用习惯，用户不 9 太原理工大学硕士研究生学位论文 经培训既可迅速掌握操作规程；它集成方便，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。 在仪器计量系统方面，示波器、频谱仪、信号发生器、逻辑分析仪、电压电流表 是科研机关、企业研发实验室、大专院所的必备测量设备。随着计算机技术在测绘系 统的广泛应用，传统的仪器设备缺乏相应的计算机接口，因而配合数据采集及数据处 理十分困难。而且，传统仪器体积相对庞大，多种数据测量时常感到捉襟见肘，手足 无措。我们常见到硬件工程师的工作台上堆着纷乱的仪器，交错的线缆和繁多待测器 件。然而在集成的虚拟测量系统中，我们见到的是整洁的桌面，条理的操作，不但使 测量人员从繁复的仪器堆中解放出来，而且还可实现自动测量、自动记录、自动数据 处理。其方便之极固不必多言，而设备成本的大幅降低却不可不提。套完整的实验 测量设备少则几万元，多则几十万元。在同等的性能条件下，相应的虚拟仪器价格要 低二分之一甚至更多。虚拟仪器强大的功能和价格优势，使得它在仪器计量领域具有 很强的生命力和十分广阔的前景。 在专用测量系统方面，虚拟仪器的发展空问更为广阔。环顾当今社会，信息技术 的迅猛发展，各行各业无不转向智能化、自动化、集成化。无所不在的计算机应用为 虚拟仪器的推广提供了良好的基础。虚拟仪器的概念就是用专用的软硬件配合计算机 实现专有设备的功能，并使其自动化、智能化。因此，虚拟仪器适合于一切需要计算 机辅助进行数据存储、数据处理、数据传输的计量场合。测量与处理、结果与分析相 脱节的面貌将大为改观。数据的拾取、存储、处理、分析条龙操作，既有条不紊又 迅捷快速。推而广之，一切计量系统，只要技术上可行，都可用虚拟仪器代替，由此 可见虚拟仪器应用空间是多么的宽广。 在自动控制和工业控制领域，虚拟仪器同样应用广泛。决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。虚拟仪器系统恰恰符合上述特点， 十分适合测控一体化的设计。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。 1 0 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 4 本课题研究意义 在虚拟仪器系统中，硬件解决信号的输入和输出，软件可以方便地修改、改变仪 器系统的功能，以适应不同使用者的需要。其中信号的输入部分一般使用数据采集卡 实现，商用的数据采集卡具有较大的通用性，但其价格昂贵。在具体的应用场合，有 些功能可能不实用。普通声卡具有1 6 位的量化精度、数据采集频率是4 4 k h z 完全可 以满足特定应用范围内数据采集的需要，个别性能指标还优于商用数据采集卡，而价 格却为商用数据采集卡的十几分之一甚至几十分之一。本文利用普通声卡作采集卡。 美国n i 公司的虚拟仪器软件l a b v i e w 作开发平台，设计实现了一种方便的、灵活性 强的虚拟示波器，该系统能够正确采集声卡设计频率范围内的信号( 如声音、脉搏、 心电、脑电、电话等) ，对一些应用领域是一种很好的选择。且前高精度、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，所以虚拟数字存储 示波器的设计有一定的经济价值；虚拟示波器能充分发挥虚拟仪器结构简单、灵活方 便、功能丰富、价格低廉、一机多用、能重复开发、可由用户自定义的优势。 虚拟数字存储示波器，不仅具有通用示波器的功能，还可同时显示、记录、存储 双通道输入的波形，对存储的曲线可通过