（机械制造及其自动化专业论文）基于ni平台的波束形成声源识别研究.pdf

基于n i 平台的波束形成声源识别研究 摘要 基于传声器阵列的波束形成算法是噪声源识别的重要方法之一。它的原理 是根据各个传声器接收到的声音信号的时延以及传声器的位置来确定声源的位 置，适合中高频和中长距离的声源识别，被广泛应用于航空航天技术、汽车工 业、测试技术和材料研究等领域。 首先，在对波束形成声源识别算法学习的基础上，对基于时域信号延时求 和波束形成和多重信号处理波束形成算法进行了研究，并且对这两种算法的声 源识别仿真结果进行了对比。其次，对测试仪器的发展、虚拟仪器技术以及 l a b v e i w 软件进行了简要的介绍，基于n i 平台和l a b v e i w 开发了声源识别 系统，完成了其硬件模块和软件模块的设计。最后使用该系统对音箱进行信号 采集和声场重建，准确得到了音箱的声场特性。 关键词：虚拟仪器，波束形成，阵列信号处理，传声器阵列 t h es o u n ds o u r c ei d e n t i f i c a t i o no fb e a m f o r m i n g b a s e do nn i a b s t r a c t b e a m f o r m i n gm e t h o db a s e do nm i c r o p h o n e a r r a yi s o n eo ft h em o s t i m p o r t a n tm e t h o d si nt h es o u n ds o u r c ei d e n t i f i c a t i o n i t sp r i n c i p l ei si d e n t i f y i n g t h e s o u n ds o u r c eb yd e l a yt i m eo fr e c e i v i n gs o u n db ym i c r o p h o n ea n dt h ep o s i t i o no f m i c r o p h o n e s i ti sw i d e l yu s e di nt h es p a c et e c h n o l o g y ，a u t o m o b i l ei n d u s t r y ， m a t e r i a ls c i e n c e ，a n ds oo n f i r s t l y , t h r o u g hs t u d y i n g t h eb a s i so fs o u n ds o u r c ei d e n t i f i c a t i o n o f b e a m f o m i n g ，d e l a y s u mb e a m f o r m i n ga n dm u l t i p l es i g n a lc l a s s i f i c a t i o n ( m u s i c ) i sb e i n go nr e s e a r c h ，a n dt h es i m u l a t i o nr e s u l t so fb o t ha l g o r i t h m sw e r ec o m p a r e d s e c o n d l y , t h ed e v e l o p m e n to fi n s t r u m e n t s ，v i r t u a l i n s t r u m e n tt e c h n o l o g ya n d l a b v e i ws o f t w a r ew e r eb r i e f l yr e v i e w e d 。b a s e do nt h el a b v e i wa n dn i ，s o u n d s o u r c ei d e n t i f f c a t i o ns y s t e mi n c l u d i n gh a r d w a r ea n ds o f t w a r ei sd e v e l o p e d f i n a l l y , t h i ss v s t e mi su s e do ns p e a k e r ，a n dt h ea c c u r a t ea c o u s t i cc h a r a c t e r i s t i c so c c u r k e y w o r d s ：v i r t u a li n s t r u m e n t ，b e a m f o r m i n g ，a r r a ys i g n a l p r o c e s s i n g ， m i c r o p h o n ea r r a y 插图目录 图2 1 测试系统结构框图5 图2 。2 虚拟仪器的组成结构图6 图2 3 虚拟仪器构成图1 0 图2 4p c d a q 型虚拟仪器系统1 l 图3 1 传声器阵列信号处理原理图1 6 图3 2 传声器阵列布局1 7 图3 3 阵列指向性对比18 图3 - 4 仿真条件2 l 图3 5 延时求和波束形成算法声源识别效果2 2 图3 - 6m u s i c 算法声源识别效果2 2 图4 1 系统功能结构示意图2 4 图4 2 电容式传声器结构示意图2 5 图4 3 定时和触发总线示意图2 7 图4 - 4 软件系统流程图2 8 图4 5 主程序界面的程序框图2 9 图4 6 文件路径子程序读取方法2 9 图4 7 参数设定前面板图3 0 图4 8 多虚拟通道配置的程序框图3 1 图4 9 创建虚拟通道3 1 图4 1 0 采样任务定时设置函数3 2 图4 1 1 触发参数设置函数3 2 图4 1 2 开始采集任务函数3 2 图4 1 3 读取采样数据函数：3 2 图4 1 4 停止任务函数3 3 图4 1 5 清除任务函数3 3 图4 1 6 波束形成算法子程序j 3 4 图4 一1 7 图片处理子程序3 5 图5 1 传声器阵列3 7 图5 3n i p x i 8 1 7 6 数据采集系统3 8 图5 4 音箱声源实验系统图3 9 图5 5 传声器阵列测量和数据处理流程图4 l 图5 6 声源识别实验结果4 2 图5 7 十字阵列实验结果4 3 图5 82 d 间距网络阵列识别结果4 3 i v 表格清单 表2 1 传统测量仪器与虚拟测量仪器比较7 表5 1 传声器灵敏度4 0 v 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的研究 成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，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 金月巴王些盔堂 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。 学位论文作者签名： 锄泌偶 肌7 嘲伽 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金起王些盔堂有关保留、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，允许论文被查阅和借阅。 本人授权金壁至些太堂可以将学位论文的全都或部分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) 学位论文作者繇砌 飙吁 名只，匕e t 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 铆鹳。弘亥 签字日期：- 年匕月g e i 电话： 邮编： 致谢 本论文完成之际，首先要衷心地感谢我的导师毕传兴研究员在我的研究生 学习阶段所给予我的关心和耐心细致的指导。导师渊博的知识、严谨的治学态 度、精辟的学术见解、高尚的师德以及和蔼可亲的为人一直深深地影响着我和 激励着我，成为我人生路上最宝贵的财富。导师不仅在学术上给予我悉心的指 导和帮助，而且在生活上也给予我许多关怀和帮助。在今后的学习、工作和生 活中我将切实铭记导师的教诲，在这里再一次向他表示最真诚的感谢和最崇高 的敬意。 衷心感谢陈剑教授、徐小军老师对我的关心和帮助，与他们的交流对于我 的研究方向的确立和试验的开展有着重要的作用。 在三年的硕士研究生的学习和工作中，我与夏海、王彦博、张丰利、雷达、 徐陈夏、雷鸣准等同学之间互相交流、互相关心、互相帮助。在论文的撰写期 间也得到他们的帮助，在此表示感谢。 当然，还要感谢我的家人和朋友对我的支持和鼓励，我取得的每一点进步 都离不开他们的关心和帮助。 最后，向所有关心和支持我完成学业的老师、亲人、同学和朋友表示感谢! 作者：任国栋 2 0 0 9 年3 月 第一章绪论 1 1 研究噪声源识别的意义 噪音是一类引起人烦躁、或音量过强而危害人体健康的声音。噪音污染主 要来源于交通运输、车辆鸣笛、工业噪音、建筑施工、社会噪音( 音乐厅、高音 喇叭、早市和人的大声说话) 等。经常在强烈噪声环境中从事工作的人，最普遍 的症状是健忘乏力、耳鸣和耳聋。近年来研究表明，在强烈的噪声对人的影响 下，人的整个机体都会受到损害，不仅使人易于发病，而且使人的劳动生产率显 著下降，噪声越大，劳动过程越复杂，在劳动过程中脑力劳动的成分越多，则 劳动生产率下降的程度越大。 噪音污染已经和水污染、大气污染、固体废弃物污染并称为四大污染，因此控 制噪声已经成为世界性学术课题。从声源方面入手控制噪声是比较直接有效的途 径，这个途径中，最为关键的一个问题就是要正确地识别和定位声源，获取声 源的声辐射特性。现在比较常规的噪声源识别和定位技术主要有两种，一种是 近场声全息方法( n a h ) ，一种是波束形成方法( b e a m f o r m i n g ) 。近场声全息 技术经过很长时间的发展已经日趋成熟，广泛应用于近距离测量和对中低频噪 声源的识别【l 】。波束形成是基于传声器阵列的一种信号处理方法，适合中高频 和中长距离声源的识别。相对于近场声全息法必须要求规则阵列，波束形成方 法可以用不规则阵列，比如随机阵列、圆环阵列等等。因此，波束形成算法对 传声器的数量要求大大降低。对于波束形成算法，传声器阵列的布局对识别效 果影响很大，选择合适的阵列形式可以遏制旁瓣、避免一定的混叠现象、提高 识别精度、减少传声器的数量。 因此，研究基于波束形成的声源识别方法很有意义，可以为噪声的研究和 治理提供准确的测量数据和分析结果，对于提高汽车产品质量、保护城市环境、 满足消费者和市场需求等方面有着重大意义。 1 2 测试技术与测试仪器的发展与现状 测试仪器已成为人类认识自然、改造自然的重要手段。测试计量技术是获 取信息的源头，已逐渐成为一门涉及数学、物理学、微电子学、精密机械、传 感器技术、自动控制技术、计算机技术和通信技术等学科相互交叉的新型学科。 测试的基本任务是获取有用的信息；而仪器是人类认识世界的基本工具，也是 信息社会人们获取信息的主要手段之一【2 j 。 因此，拥有先进的科学实验手段是科学技术现代化的一个重要标志，对于 汽车工业也是如此。随着科学技术的发展，汽车结构不断完善，性能不断提高， 现代汽车性能在满足了使用者日益提高的要求的同时，还在不断被改进，因此， 各方面的功能和性能都日趋完善。相应地，汽车领域对测试技术和测试仪器的 要求也是不断的提高，而测试仪器与测试技术的发展，反过来又会促进汽车技 术的发展。随着现代测试技术和计算机技术的发展，测试技术和测试仪器也有 了巨大的变革。测试仪器发展至今，经历了模拟仪器、分立元件仪器、数字化 仪器、智能化仪器四代发展历程【3 】。第一代模拟仪器是以电磁感应基本定律为 基础的模拟指针式仪表，如指针式万用表、指针式电压表、指针式电流表等， 这类指针式仪器借助指针来显示最终的结果。第二代测试仪器是在2 0 世纪5 0 年代出现电子管和2 0 世纪6 0 年代出现晶体管之后，便产生了以电子管或晶体 管为基础的测试仪器分立元件式仪表。第三代测试仪器是在2 0 世纪7 0 年 代集成电路出现之后，产生了以集成电路芯片为基础的数字式仪器，这类仪器 目前相当普及，如数字电压表、数字频率计等。第四代测试仪器是随着2 0 世纪 8 0 年代微电子技术的发展和微处理器的普及，出现的智能式仪器，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，可代替部分脑 力劳动，其缺点是它的功能块全部以硬件( 或固化的软件) 的形式存在，无论开 发还是应用都缺乏灵活性。目前，由测试技术与计算机深层次的结合正在引起 测试仪器领域里一场新的革命，一种全新的仪器结构概念导致新一代仪器 虚拟仪器的出现。虚拟仪器的出现，不但可以有效降低测试、测量系统的成本， 共享测试系统的硬件和软件资源，而且可以提高开发效率；虚拟仪器逐渐成为 测试系统和测量仪器新的发展方向【4 j 。 1 3 目前国内外噪声源识别的理论与方法 1 3 1 主观评价法 专业的技术人员通过听，就可以大体上区别机械设备上各部分噪声源的频 率特征、强度大小以及指向性，为进一步测量工作提供一定的参考作用，避免 不必要的测量，减少工作量，但是对于比较复杂的问题，这种方法是不可取的。 1 3 2 声全息法 声全息【5 】最初是从光全息理论演化而来的，声辐射的波动方程和电磁辐射 波动方程具有相同的形式，也就是说声和光一样也具有波动性。正是基于这种 考虑，2 0 世纪6 0 年代后期，提出了声全息的概念，就这样把光全息的理论方法 应用到声音的研究中，就产生了声全息方法。这种理论的移植是从事科学研究 的一个重要方法。随着声全息技术的不断发展，从最初的只对单频相干波的分 析，到平面声场的重建和三维立体声场的重建，声全息的理论方法和实践经验 不断丰富，已经发展为一个比较完善的理论体系。整个声全息过程的实现分为两 个部分，这两个部分别是获取全息面上复声压和用声场的空间变换算法重建出 测量面。第一步，要获取全息面上复声压幅值，这个获取是比较简单的，还有 获取全息面上复声压的相位，这个过程就比较复杂一些，但是通过单参考源传 递函数法还是可以得到的。第二步，通过得到的复声压重建出重建面，重建方 法是目前国内外研究机构研究的方向和重点。常规声全息重建的计算方法有空 间声场变换声全息、边界元方法声全息、最小二乘法声全息。这几种方法是最 近几年应用比较广泛的声全息方法。 1 3 3 基于传声器阵列的声源识别算法 传声器阵列测量技术【6 】是近些年来发展起来的研究噪声源识别的一种重要 方法。不同性质的声源会产生特定的声波信号，声波按特定的物理规律在空间 传播形成声场；应用传声器可以测得声场中任意点上的声压时间历程，这个时 间历程度量了在传声器位置处大气压力脉动的大小，但是从这个时间历程不能 得到其它更多的声源信息。传声器阵列测量技术是一个特殊的声学测量分支， 所谓传声器阵列就是由多个在空间确定的位置上排列的一组传声器。由这个阵 列测量出的空间中的声场信号，经过特殊的数据处理就可以得到更多的有关于 声源的信息。传声器阵列的指向性原理是对物体表面的声源分布进行测量，找 到主要噪声源的位置并得到其辐射声场的主要特征，以及声源产生的物理机制。 传声器阵列测量可以通过优化传声器阵列来减小声源识别过程中的空间混淆， 使声源识别的空间分辨率达到很高的要求。不但能够得到需要分析的整个物体 表面的声场辐射特性，而且能够对声源进行频域上的分析，得到声源所包含的 主要频率成分在声源上的分布情况。并且在整个测量过程中，不需要对被测物 体进行拆装，也不需要采用特殊的声源隔离方法，特别是在研究运动声源的情 况下，传声器阵列测量技术是一种理想的声源定位方法。它克服了传统方法需 要移动测量仪器的最大弊端，在测量过程中测量仪器不需要移动，通过适当的 数据处理软件，可以使传声器阵列聚焦在固定的声源位置，并对需要的声源范 围进行扫描，从而获得声源的分布。 1 4 本文的来源和主要内容 该论文题目来源于国家自然科学基金“近场声全息重建误差及其关键 问题研究。其研究内容为：传声器阵列测量技术中的传声器阵列布局优化 和波束形成算法，并设计实验系统对波束形成算法进行验证。波束形成声源识 别算法可以为噪声的研究和治理提供准确的测量数据和分析结果，对于提高汽 车产品质量、保护城市环境、满足消费者和市场需求等方面有着很大意义。 第一章：介绍了传声器阵列信号处理算法的重要意义，介绍了测试技术与 测试仪器的发展与现状，以及目前国内外噪声源识别的理论与方法。 第二章：介绍了虚拟仪器技术，主要包括虚拟仪器的概念、特点以及虚拟 仪器的国内外现状和发展趋势。同时，本章还介绍了虚拟仪器的硬件构成以及 软件开发平台- - l a b v i e w 。 3 第三章：介绍了传声器阵列声源识别算法方法的原理，从波束形成算法的 基本概述到延时求和波束形成算法，以及m u s i c 算法。并对这些算法的声源 识别效果进行了仿真研究，对仿真结果进行了对比分析。 第四章：介绍了声源识别测试系统的设计开发，并从硬件设计和软件设计 两个方面进行了介绍。重点讲述了软件设计部分，包括系统的总体设计、各主 要功能模块的设计与实现。 第五章：采用本系统在半消声室内对音箱声源进行了分析，对窄带声源信 号的辨识实验确定出了声源的位置，验证了系统的正确性；并根据实验分析的 结果对传声器阵列各参数对识别效果的影响进行了讨论。 第六章：对论文工作进行了总结，提出存在的不足，对下一步工作计划进 行了展望。 4 第二章虚拟仪器技术 随着计算机技术、大规模集成电路技术和通信技术的不断发展，仪器领域 也随之发生了很大的变化。从最初的传统仪器到数字化仪器、嵌入式系统仪器 和智能仪器，到现在比较先进和流行的虚拟仪器。虚拟仪器是把计算机技术、 电子技术、传感器技术、信号处理技术、软件技术结合起来，比传统仪器增加 了很多新功能。如图2 1 所示为测试系统结构框图。虚拟仪器的最大特点是可 以功能的自定义，用户在使用过程中，可以根据需要添加或删除仪器功能，以 满足各种需求和各种环境，并且能充分发挥计算机丰富的软硬件资源，突破了 传统仪器在数据处理、表达、传送、以及存储方面的限制。 插卡式d a q 卡信号处理 图形用户界面 g p 毋仪器 分析 a 硬件复制 v x i 仪器q 。统计0 文件i o r s 2 3 2 数字滤波网络传输 图2 - 1 测试系统结构框图 从功能上说，虚拟仪器通过应用程序将计算机与功能化硬件结合起来，完 成对被测对象的采集、分析、存储、打印等功能。因此，与传统仪器一样，虚 拟仪器同样划分为数据采集、数据分析处理、结果表达三大功能模块【7 1 。虚拟 仪器以透明的方式把计算机资源和仪器硬件的测试能力结合起来，实现了仪器 的功能的自定义。 2 1 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 ，简称v i ) 就是利用高性能的模块化硬件， 结合高效灵活的软件来完成各种测试、测量和自动化的应用工作。虚拟仪器的 实质是利用计算机的显示功能和计算功能，结合传统仪器的采集功能，使测试 功能更加灵活高效。模块化的硬件能方便地提供全方位的系统集成，标准的软 硬件平台能满足对同步和定时的应用。 2 1 1 虚拟仪器的概念 数据采集、仪器控制、过程监控和自动化测量是实验室研究和自动测量领 域需要面临和解决的问题，通常一个测试系统有三大部分构成：信号的采集、 数据的处理、结果的输出。虚拟仪器也不例外，也有这三部分构成。图2 2 为 虚拟仪器的组成结构图。 图2 - 2 虚拟仪器的组成结构图 在这个通用仪器硬件平台上，调用相同的测试软件就构成了不同功能的仪 器。因此，虚拟仪器通常由硬件设备与接口、设备驱动软件( 或称仪器驱动器) 和虚拟仪器面板组成。其中，硬件设备与接口可以是以各种p c 为基础的内置 功能卡、通用接口总线( g p i b ) 卡、串行口、v x i 总线接口等设备，或者是其 他各种可编程的外置测试设备；设备驱动软件是直接控制各种硬件接口的驱动 程序，虚拟仪器通过底层设备驱动软件与真实的仪器系统进行通信；最后以虚 拟仪器面板的形式在计算机屏幕上显示出来，其显示的控件与真实仪器面板操 作元素对应，所以用户用鼠标或键盘操作为虚拟仪器的面板，就如同操作真实 仪器一样真实、方便。 2 1 2 虚拟仪器和传统仪器的比较 虚拟仪器的突出优点是不仅可通过各种不同的接口总线组建不同规模的自 动测试系统，它还可以通过与不同的接口总线的通信将虚拟仪器、带总线接口 的各种电子仪器和各种插件单元调配，并组建成为中小型甚至大型的自动测试 系统。与传统仪器相比有以下的特点【8 】。 1 开发时间少 在驱动和应用两个层面上，虚拟仪器高效的软件构架能与计算机、仪器仪 表和通讯方面的最新技术结合在一起，虚拟仪器的软件构架设计不仅方便了用 户的操作，同时还提供了灵活性和强大的功能，使用户能够轻松地进行测量和 控制系统的配置、创建、发布、维护和修改。 2 无缝集成 虚拟仪器技术从本质上说是一个集成的软硬件概念。随着产品在功能上不 断地趋于复杂，工程师们通常需要集成多个测量设备来满足完整的测试需求， 6 而连接和集成这些不同设备总是要耗费大量的时间，而虚拟仪器软件平台可以 为所有的i o 设备提供了标准的接口，帮助用户轻松地将多个测量设备集成到 单个系统，减少了任务的复杂性 3 性能高 虚拟仪器技术是在p c 技术的基础上发展起来的，所以完全“继承 了以 现成即用的p c 技术为主导的最新商业技术的优点，包括功能卓越的处理器和 文件i o ，在数据高速导入磁盘的同时还能实时地进行复杂的分析。此外，不 断发展的因特网和越来越快的计算机网络使得虚拟仪器技术展现其更强大的优 势。 4 扩展性强 虚拟仪器的软硬件工具使得测试工作者不再圈囿于当前的技术中。由于虚 拟仪器软件的灵活性，只需更新计算机或测量硬件，就能以最少的硬件投资和 极少的、甚至无需软件上的升级即可改进整个系统。在利用最新科技的时候， 可以把它们集成到现有的测量设备，最终以较少的成本，加速产品上市的时间。 5 功能自定义 仪器的功能是用户根据需要由软件取代传统仪器中的硬件来完成的。 决定虚拟仪器具有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”。表2 一l 给出了虚拟仪器和传统仪器的比较【9 1 。 表2 1 传统测量仪器与虚拟测量仪器比较 虚拟测量仪器传统测量仪器 用户定义仪器功能 生产厂家定义仪器功能 使用软件使得开发、维护成本降低开发维护开销高 价格低、可复用、可重配置性强价格昂贵 开放、灵活、可与计算机技术保持比较封闭、固定 同步发展 技术更新周期短 技术更新周期长 与网络及其他周边设备方便互联的功能单一、互联有限的独立设备 面向应用的仪器系统 2 1 3 虚拟仪器的分类和发展趋势 虚拟仪器的分类方法很多，根据总线方式的不同可以分为5 种类型。 1 p c d a q 插卡式 这种方式用数据采集卡配以计算机采集平台和虚拟仪器软件，便可以构成 各种数据采集和虚拟仪器系统。它充分利用了计算机的总线、机箱、电源、以 及软件的便利，其关键在于a d 转换技术。这种方式受p c 机箱、总线限制， 存在电源功率不足、机箱内噪声电平较高、无屏蔽，插槽数目不多、尺寸较小 等缺点。 2 并行接口式 最新发展的一系列可连接到计算机的并行接口式测试仪器，其硬件集成在 个采集盒里或探头上，软件装在计算机上，可以完成各种v i 功能。它最大 的好处是可以与笔记本计算机相连，方便野外作业。由于其价格低廉、用途广 泛，特别适合于研发部门和各种教学实验室应用。 3 g p i b 总线式 g p i b 技术是e e e 4 8 8 标准的v i 早期发展阶段。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量系统发展。典型的g p i b 系统是由一台p c ， 一块g p i b 接口卡和若干台g p i b 仪器通过g p i b 电缆连接而成。在标准情况下， 块g p i b 接口卡可带多达1 4 台的仪器，电缆长度可达2 0 m 。 4 v x i 总线方式 v x i 总线是高速计算机总线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。由于它的标准开放、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，还有众多仪器厂家支持的 优点，很快得到了广泛的应用。 5 p x i 总线方式 p x i 这种新型的模块化仪器系统是在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，包括多板同步触发总线技术，增加了用于相邻模块的 高速通信的局部总线，并具有高度的可扩展性。 因此，无论那种虚拟仪器系统都是将硬件设备搭载到台式p c 、工作站或 笔记本电脑等各种计算机平台上，加上应用软件，实现基于计算机的全数字化 采集测试分析。 自2 0 世纪8 0 年代以来，n i 公司已经研制和推出了多种总线系统的虚拟仪 器，特别是它推出的l a b v i e w 图形编程环境和l a b w i n d o w s c v i 编程环境已享 誉世界，成为这类新型仪器开发系统的世界生产大户。在n i 公司之后，著名 的美国惠普( h p ) 公司紧紧跟上，推出了h p v e e 编程系统，可提供数十至百种 虚拟仪器的组建单元和整机，用户可用它组建或挑选自己所需的仪器。除此之 外，世界上陆续有数百家公司，如t e k t r o n i x 公司、r a c a l 公司等，也相继推出 了总线系统多达数百个品种的虚拟仪器。作为仪器领域中新兴的技术，虚拟仪 器的研究、开发在国内已经过了起步阶段。从2 0 世纪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、西安电子科技大学、成都电子 科技大学、中科泛华电子科技公司等院校和高科技公司，在研究和开发仪器产 品和虚拟仪器设计平台，以及引进消化n i 公司、f i p 公司的产品等方面做了一 系列有益的工作，取得了一批瞩目的成果。特别是北京东方所开发的d a s p 平 台，它包含直接面向最终用户的虚拟仪器库，可以直接使用，不需要进行编程 加工，使用起来非常方便。它提出“把实验室拎着走”的口号，致力于中国虚拟 仪器事业的发展壮大。 随着计算机、通信、微电子技术的日益完善，以及以i n t e r n e t 为代表的计 算机网络时代的到来和信息化要求的不断提高，传统的通信方式突破了时空的 限制和地域的限制。网络化将对虚拟仪器的发展产生一次新的革命，网络化虚 拟仪器将把单台虚拟仪器实现的三大功能( 数据采集、数据分析和图形化显示) 分开处理，以网线相连接，实现信息资源的共享。 2 2 虚拟仪器的硬件构成 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，计算机是虚拟仪器的硬件 基础。对于工业自动化的测试和测量来说，计算机是功能强大、价格低廉的运 行平台。由于虚拟仪器需借助计算机的图形界面，对计算机的c p u 速度、内存 大小、显示卡性能都有要求，而所开发的具体应用程序都基于w i n d o w s 环境运 行，所以要根据具体的系统选择合适的计算机配置。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，如u s b 接口数据采集卡、p c 接口的数据采集卡、带有g p i b 和 r s 2 3 2 接口的h p 3 4 4 0 1 a 数字万用表、带有g p i b 接口的p r a g m a t j e 2 2 0 5 a 任意 波形发生器等。内置模块则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。 1 、高速数据采集模块 高速数据采集模块将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，它是模拟信号与数字信号转换的桥梁。a d 转换器的主要 指标包括：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 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递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，如输入信号的动态范围会受到a d 转换器特性的限制。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。信号前端调理模块可对大信号限幅、滤波，如被测电路含 有可能会损坏计算机的高电压瞬态过程时，信号前端调理模块将输入信号与 9 a i d 转换器隔离，保证安全。对信号放大，提高分辨率，并降低噪声，如通过 低通滤波器滤出被测信号中不需要的高频成分，可以防止a d 转换过程中出现 混叠现象，提高测量精确度。 4 、模拟信号产生模块 当虚拟仪器用作模拟信号产生设备时，模拟信号产生模块发挥作用，其核 心器件是d a 转换嚣。 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，它通常出是以板 卡的形式插在机箱底板总线上，而板卡外部输入端于通过互连的总线与计算机 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 计算机之间的数据交互。 ” h ；懈 茎i2 - 3 虚拟仪器构成幽 虚拟仪器的组成主要包括硬件和软件两个基本要索。硬件的丰要功能是获 得世界中的真实信号，而软件的作用则是控制实现数据的采集、分析、处理、 显示等功能，并将其集成为仪器操作与运行的命令环境。对于虚拟仪器的硬件 结构，如图2 - 3 所示，其结构大致有三种形式【l “：闭环控制型、p c o a q 型和 标准接口型。 22 1 闭环控制型 闭环控制型是指应用于闭环控制系统中测试系统。生产工艺过程的自动控 制是人们长期探索的生产方式，但是只有在计算机技术及现代测试技术突飞猛 进的今天，才能达到高度的控制水平。通过对关键参数实时在线测试并控制， 这些参数按预定的规律变化，来达到维持生产的正常进行和达到高产优质的目 的，过程的自动控制大体可归纳为三个环节：一是实时数据采集，即对采集过 程中的有关物理量的瞬时值进行扫查；二是实时判断决策，即对采集的表征过 程状态的物理量进行运算分析、判断决策，并按已定的原则决定下一步过程控 制的措施；三是实时控制，即根据决策，按照自动控制理论实时地对各个执行 机构发出控制信号。 2 2 2 p c - d a q 型 p c d a q 型结构的虚拟仪器系统如图2 5 所示，它由传感器获得测试信号， 经过信号调理后，进行数据a d 采样，然后存储到通用计算机中；利用计算机 中的软件完成各种分析处理。这种结构的虚拟仪器系统能够完成对多点、多种 随时间变化参量的快速、实时测量，并能排除噪声干扰，进行数据处理、信号 分析，由测得的信号求出与研究对象有关的量值或给出其状态的判别。 被测量l 卜_ 叫传感器1h 信号调理卜 数 被测量2 卜一传感器2 卜_ 一信号调理卜_ 据 采 计 _ - 集 算 叫输出显示 板 机 卡 被测量n - _ _ 传感器n斗 信号调理卜卜 图2 4p c d a q 型虚拟仪器系统 2 2 3 标准通用接口型 系统的结构形式可分为专用接口型和标准通用接口型。专用接口型是将一 些具有一定功能的模块互相连接而成。但是由于各个模块千差万别，组成系统 时相互间接口十分麻烦，而且模块是系统不可分割的一部分，不能单独使用， 缺乏灵活性。标准通用接口也是由模块组合而成，所有模块的对外接口都按规 定标准设计，组建这类系统时非常方便。根据接口总线的不同，可以分为数据 采集插卡式( d a q ) 虚拟仪器、r s 2 3 2 r s 4 2 2 虚拟仪器、并行接口虚拟仪器、u s b 接口虚拟仪器、g p i b 接口虚拟仪器、v x i 虚拟仪器、p x i 虚拟仪器和i e e e l 3 9 4 接口虚拟仪器。 d a q 虚拟仪器广泛应用于一般的测试系统与工业过程控制，并且正在从 过去1 6 位的标准i s a 总线发展到3 2 位的p c i 总线插卡，为设计各种测试仪器 提供了更好的数据采集和控制能力。当然，d a q 虚拟仪器需要打开主机机箱连 接，使用比较麻烦，并且容易将干扰引入计算机，因此，基于通用计算机标准 配置接口的各种外接式虚拟仪器将成为发展方向。外接式方案避免了p c 内部 的噪声，特别适合于低电平信号应用，为仪器设计提供了更大的空间、更好的 隔离能力和更方便的连接方式。 r s 2 3 2 r s 4 2 2 串口在各种现场过程控制仪表中应用较多，支持长线传输， 抗干扰能力强，但数据传输率低，不适合动态测试应用。并行接口也是一种比 较传统的高速接口，一般打印机都配置并行接口，目前配置有并行接口的数字 示波器、逻辑分析仪等虚拟仪器已经出现在市场上。当然，今后更有发展前途 的是u s b 通用串行总线和i e e e l 3 9 4 高速串行总线。u s b 总线目前已经成为 p c 的标准配置，并且支持热插拔功能，i e e e l3 9 4 总线在一些高档台式和笔记 本微机上也已经开始流行。u s b 和i e e e l 3 9 4 总线最大的优点是数据传输率高， 目前基于i e e e l 3 9 4 总线的虚拟仪器已经达到l o o m b s 的数据传输率，完全满 足高性能动态测试的要求。 g p i b 、v x i s g lp x i 总线都是专门为程控仪器设计的计算机接口总线。其中 g p i b 总线( 即i e e e 4 8 8 总线) 是一种数字式并行总线，最多可以连接15 个设备( 包 括作为主控器的主机) ，主要用于连接测试仪器和计算机。当其采用高速h s 4 8 8 握手协议时，传输速率可高达8 m b p s 。v x i 总线( 即i e e e l l 5 5 总线) 是在1 9 8 7 年， 由五家测试仪器公司( h e w l e t tp a c k a r d ，t e k t r o n i x ，c o l o r a d od a t as y s t e m s ， r e a l d a n ai n s t r u m e n t s ) $ 0 订的仪器总线标准，其本质是一种高速计算机总线 v m e 总线在仪器领域的扩展。v x i 总线具有标准开放、结构紧凑、数据吞吐能 力强等优点，速率最高可达4 0 m b p s ，同时它还具有定时和同步精确、模块可重 复利用、众多仪器厂家支持等特点，正因如此v x i 总线得到了非常广泛的应用。 ，但是由于价格较高，推广应用目前还受到一定限制，故主要集中在航空、航天 等国防军工领域。p x i 2 0 】总线是于1 9 9 7 年由n i 公司提出以c o m p a c tp c i 为基础， 由具有开放性特点的p c i 总线扩展而来的。p x i 构造类似于v x i 结构，但它的设 备成本更低、运行速度更快，体积更紧凑，其符合工业标准，在机械、电气和 软件特性方面充分发挥了p c i 总线的优点。目前基于p c i 总线的软硬件均可应用 p x i 系统，因而p x i 系统具有良好的兼容性。另外，p x i 还有高度的可扩展性， 它有8 个扩展槽，通过使用p c i p c i 桥接器，它更可扩展至u 2 5 6 个扩展槽。现在p x i 总线的传输速率已经达到1 3 2 m b p s ( 最高为5 0 0 m b p s ) ，是目前已经发布的最高传 输速率。可见，基于p x i 总线的仪器将会得到越来越广泛的应用。 在机械振动和噪声测试领域，则覆盖了从u s b 接口、p c i 接口以及p x i 接口的较齐全的硬件产品。就最典型的动态信号采集( d s a ) 硬件来说，美国n i 公司提供了u s b 9 2 3 3 、p c i 4 4 7 x 以及p x i ，4 4 7 x 等众多产品。 2 3虚拟仪器的开发平台 1 2 l a b v i e w 是虚拟仪器软件开发环境，是开发设计、控制和测试系统的软件 工具。自1 9 8 6 年问世以来，在测试领域得到广泛的应用，利用n il a b v i e w 图 形化开发环境来开发项目，可以获得更高的质量，缩短开发时间，更好的提高 工程和生产效率。l a b v i e w 采用图形化数据流语言，以更加直观的方式用于自 动测量和控制系统，结合了内置i o 、交互式用户界面控件和指示器的数据流 语言使得l a b v i e w 开发、控制和测试系统更加方便。 2 3 1 虚拟仪器开发语言 一般而言，虚拟仪器的软件开发环境目前分为两类：第一类是目前常用的 文本式的编程语言环境，如v i s u a lc + + 、v i s u a lb a s i c 等，第二类是以n i 公司 的l a b v i e w 、惠普公司的h p v e e 等为代表的新一代图形化编程语言环境。目 前使用较为广泛的是l a b v i e w ，l a b v i e w 是l a b o r a t o r yv i r t u a li n s t r u m e n t e n g i n e e r i n gw o r k b e n c h 的缩写，它一种基于图形开发、调试和运行程序的集成 化开发环境，是一种3 2 位的编译型图形化编程语言，n i 将它称之为g 语言。 目前它的最新版本是l a b v i e w 8 2 ，这个版本在简单易用的图形化编程环境基 础上添更多用于开发测量应用程序的功能强大的诸多特性，同时也提供更多与 外部程序和服务轻松集成的开放式连接工具。这也是目前开发虚拟仪器最佳的 软件平台。 2 3 2 图形化的g 语言编程 l a b v i e w 是为替代常规的b a s i c ，c 等常规语言设计的，除了编程方式 不同以外，具有语言的所有特性，所以，l a b v i e w 不仅仅是一个功能比较完 整的软件开发环境，而是一种真正的编程语言，由于其独特的图形化编程方式， 所以又被成为g 语言。 l a b v i e w 的编程环境 1 l 】包括两个面板，一个是前面板( p a n e l ) ，用于编制 虚拟仪器的软面板；另一个是程序面板( d i a g r a m ) ，用于编写图形化的g 语言 程序源代码。与c c + + 等传统文本编程不同，l a b v i e w 的g 语言是把繁琐、 费时的代码编写输入，简化为使用菜单图标提示的方法选择功能，并用线条把 各种功能连接起来的简单图形编程方式。比如，要进行f f t 运算，只需要从 函数库中，调出f f t 子v i ( 相当于c 语言的子程序) 模块，然后用连接线与 输入控制和输出显示的控件连接起来即可。降低了对编程者编程经验和熟练程 度的要求，易于学习和使用，大大提高了编程效率。被誉为“工程师和科学家的 语言”。 2 3 3 图形化编程环境一l a b v i e w 的特点 由于虚拟仪器软件开发环境主要是面向测试工程师而非专业程序员。因此， 首先其编程必须简单、易于理解和修改；其次，它必须具有强大的人机交互界 面设计能力，易于实现各种复杂的仪器面板；第三，它还必须具有数据可视化 分析能力，提供丰富的仪器和总线接口硬件驱动程序。l a b v i e w 开发环境具有 一系列优点，它是一个完全、开放式的虚拟仪器开发系统应用软件，利用它可 以大大简化程序的设计。它使用方框图代替传统的文本式的程序代码，其所运 用的设备图标与科学家、工程师习惯的大部分图标基本一致；而且它还提供了 丰富的库函数、数值分析、信号处理和设备驱动等功能。与传统编程语言相比， 图形化编程语言的主要特点包括【1 2 】： 1 、利用e x p r e s s 技术快速开发：利用基于配置的e x p r e s sv i 和i 0 助手无需编 程即可快速地创建常见的测量应用程序。 2 、数以千计的例程：利用5 0 0 余种例程和更多的网上例程快速地开始。 3 、模块化和层次化：运行模块化l a b v i e wv i 或作为子v i 并且根据您的需要 轻松地扩展您的程序。 4 、集成的帮助：利用集成的基于文本的帮助和各种指南来快速地了解l a b v i e w 开发。 5 、拖放式用户界面库：通过在控件配置板交互式地自定