（机械电子工程专业论文）虚拟仪器技术基础及其应用研究.pdf

摘要 随着科学技术的进步，对测量技术的要求越来越高。电子测量技术在各个领域得到 了越来越广泛的应用。传统的电子测量仪器由于其功能单一，体积庞大，已经很难满足 实际测量工作中多样性、多功能的需要。随着集成电路和计算机技术的迅猛发展虚拟仪 器技术应运而生。它与传统仪器相比，功能更强、处理速度更快、频带更宽、用途更广、 操作更简单、体积更小、可扩充性更好。虚拟仪器可以充分利用计算机的运算、存储和 显示功能。因而在降低仪器成本的同时。使仪器的灵活性和数据处理能力大大提高，可 以更方便的组建测试系统，更好的满足多种测量要求。 本文以低频虚拟示波器和虚拟电感测微仪为主要研究对象，从采样定理入手，分析 了d o s 下和w i n d o w s 下的不同模式，论述了基于虚拟仪器概念的信号采集系统在w i n d o w s 2 0 0 0 操作系统中的实现方案。 本论文研究了虚拟仪器的基本设计方法，从数据采集卡、i s a 总线、w i n d o w s2 0 0 0 操作系统、w i n d o w s 计时器、波形恢复算法等方面，讨论了数字信号的实时显示问题。 结合p c 6 3 1 0 数据采集卡，在w i n d o w s2 0 0 0 环境下开发了信号实时采集和显示的程序。 本论文重点研究了信号波形的恢复与显示技术，利用基于自由端点条件的三次样条 插值算法实现波形的插值，分析了移动平均法不同形式的加权函数和各种噪声于扰的形 式，用基于标准正态分布的加权函数的移动平均法和比较法分剐实现了各种噪声的降低 和消除，并设计出了算法模块。具有良好的可移植性，可以重复使用在不同的系统中。 最后，利用d i b 位图方式实现了波形的存储和打印，拓展了仪器的功能。整个系统 具有良好的灵活性和通用性。 本系统为进一步研究和开发基于不周应用背景的虚拟仪器奠定了基础。运行结果证 明本论文所采用的理论和方法是正确可行的。 关键词： 虚拟仪器；实时显示；样条函数：移动平均：正态分布 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y , t h er e q u i r e m e n to nm e a s u r e m e n t t e c h n o l o g yi sg e t t i n gm o r ea n dm o r ei m p o r t a n tt h ea p p l i c a t i o no f e l e c t r o n i cm e a s u r e m e n t t e c h n o l o g yh a se x t e n d e dt om o r ef i e l d st h a nb e f o r e d u et ol i m i t e df u n c t i o n sa n db i gs i z e ， t r a d i t i o n a le l e c t r o n i cm e a s u r i n ge q u i p m e n t sa r en ol o n g e rs u i t a b l et oc o n l n l o np u r p o s e s t h e r a p i dd e v e l o p m e n t o f i n t e g r a t e dc i r c u i ta n dc o m p u t e rt e c h n o l o g yg i v e sb i r t ht oan e w k i n do f i n s t r u m e n t ，v i r t u a li n s t r u m e n t ( v i ) c o m p a r e dw i t ht r a d i t i o n a le q u i p m e n t ，v ic h a r a c t e r i z e s w i t hm o r ef u n c t i o n s ，h i g h e rp r o c e s s i n gs p e e d ，w i d e rb a n d w i d t h ，f r i e n d l i e ri n t e r f a c e ，s m a l l s i z ea n db e t t e re x p a n d a b i l i t y i ti sb a s e do np c p l a t f o r m ，w h i c hm a k e i tc o n v e n i e n tt ou s et h e s o f t w a r ea n dh a r d w a r er e s o u r c e so fp ca n d g e t t h ea b i l i t yo fd a t ap r o c e s s i n gf l e x i b l e w i t hv i am e a s u r e s y s t e mc a nb ee a s i l yb u i l d e df o rd i f f e r e n tr e q u i r e m e n t s t h i sd i s s e r t a t i o nd i s c u s s e st h e i m p l e m e n t a t i o n o fv i r t u a l o s c i l l o g r a p h a n dv i r t u a l i n d u c t a n c em i c r o m e t e r i ta n a l y s e st h es a m p l i n gt h e o r e ma n dt h ed i f f e r e n tm o d ei nd o sa n d w i n d o w s ，a c c o m p l i s h i n g a s i g n a la c q u i s i t i o ns y s t e mi nw i n 3 2o p e r a t i o ns y s t e m t h i sd i s s e r t a t i o ns t u d i e st h eb a s i cd e s i g nm e t h o do fv i ，d i s c u s s e st h er e a l t i m ed i s p l a yo f d i g i t a ls i g n a lw i t ht h ep o i n t so fd a t aa c q u i s i t i o nc a r d , i s al i n e ，w i n d o w s2 0 0 0o p e r a t i o n s y s t e m ，t h ec a l c u l a g r a p ho fw i n d o w s ，e t c c o m b i n e dw i t hp c 6 3 1 0d a t aa c q u i s i t i o nc a r d ，t h e p r o g r a m m ew i t ht h ef u n c t i o n so f d a t ar e a l t i m ea c q u i s i t i o na n dd i s p l a yi nw i n d o w s2 0 0 0i s d e v e l o p e d t h i sd i s s e r t a t i o ne m p h a s i z e so nt h et e c h n o l o g yo fw a v e r e s u m i n ga n dd i s p l a y i n g u s i n g t l r i c e s p l i n ea r i t h m e t i c o nw a v er e s u m i n g ，a n dm o v i n ga v e r a g eo nr e d u c i n gn o i s e s 1 1 1 e a r i t h m e t i cm o d u l eh a sg o o d i n d e p e n d e n c ea n d c a nb eu s e di nd i f f e r e n ts y s t e m r e p e a t e d l y f i n a l l y , t h ed i s s e r t a t i o nd e v e l o p st h es t o r a g ea n dp r i n tf u n c t i o no fv ib yu s i n gd i b b i t m a p m o d e n l ew h o l es y s t e mh a sg o o d f l e x i b i l i t ya n dg e n e r a l i z a t i o n t h es y s t e ms e t t l e sab a s i sf o rf u r t h e rr e s e a r c ha n d d e v e l o p m e n ti nd i f f e r e n tb a c k g r o u n d o p e r a t i o n r e s u l t st e s t i f yt h ec o r r e c m e s sa n d f e a s i b i l i t yo f t h ea p p l i e d t h e o r ya n dm e t h o d k e y w o r d s ：v i r t u a li n s t r u m e n t ：t t e a l t i m ed i s p l a y ：s p l i n ef u n c t i o n ：m o v i n g a v e r a g e 二 n o r m a l s c h o o l 虚拟仪器技术基础及其应用研究 第一章绪论 测量是为确定被测对象的量值而进行的实验过程。在这个过程中常借助一些专门的 设备，即测量仪器。把被测对象直接或间接的与同类已知单位进行比较，取得用数值和 单位共同表示的测量结果。测量是揭示客观世界规律，用数字语言描述周围世界，进而 改造世界的重要手段。提高测量水平，降低测量成本，减少测量误差，提高测量效率， 对国民经济各个领域是至关重要的。因此，测量手段的现代化，已被公认为是科学技术 和生产现代化的重要条件和明显标志。 随着科学技术的发展，对许多物理量，如距离、重量、速度、温度等。使用传统测 量方法已经不能满足现代化科学研究和生产的需要。因此都将他们设法通过一定的传感 器变换成电信号，然后利用一整套比较成熟的电子学方法来进行测量。这也就使得电子 测量技术在很多领域得到了应用。在现代科学技术中具有不可替代的重要作用。 1 ，1 电子测量仪器的发展 从狭义上讲，电予测量是在电子学中测量有关电的量值，通常包括以下几个方面： 电量的测量，如电流、电压、功率、电能等：信号特性及所受干扰的测量，如信号波形、 失真度、频率、相位、信噪比等：元件和电路参数的测量，如电阻、电感、电容、电 路频率响应、通带宽度、相位移等。 电子测量与其他测量相比，具有以下几个明显的特点： 1 测量频率范围宽 低端除测直流外还可以测低至1 0 巧h z ，高端可至1 0 0 g h z 左右的信号( 某些测量领 域甚至更高) 。电子测量能工作在这样宽的频率范围，因此它的应用范围很广泛。但也 由于频率范围宽，在不同的频段测量所依据的原理，采用的方法，使用的元器件等可能 相差很远，通常把被测电量或供给同一电量的仪器分为不同的频段。例如超低频信号发 生器、音频信号发生器、高频信号发生器等等。当然这给使用带来很多不便。近年来研 制了很多宽频带的仪器，使一台仪器能在很宽的频率范国内工作。 2 量程广 由于所测电量的大小相差极大，要求测量仪器的盘程也要极宽。使用电子测量仪器 就可以做到这点。例如一台高灵敏度的数字电压表，可以测出l o n v 至i k v 的电压， 量程达1 1 个数量级。电子计数器的量程更宽，其频率范围可达1 7 个数量级。量程宽正 是电子测量仪器的突出优点。 3 测量准确度赢 电子仪器的准确度通常可比其他测量仪器高很多。特别是对频率和时间的测量，由 于采用了原子频标和原子秒作为基准，使误差减小到1 0 1 3 1 0 “4 量级。人们常常把其 他参数转换成频率再进行铡量，以提高测量的准确程度。电子测量准确度高正是它在现 代科技领域得到广泛应用的重要原因之一。 4 测量速度快 电子测量由于是通过电子运动和电磁波的传播来进行工作的。因此具有其它测量方 法通常无法类比的高速度。这也是它被广泛应用的一个重要原因。随着科学技术的发展， 对测量过程和测量数据处理的速度都提出了越来越高的要求。因此，不断提高测量速度 虚拟仪器技术基础及其应用研究 也是电子测量发展的一个重要方向。 5 易于实现遥测和长期不问断测量 由于可以把电子测量仪器或与它连接的传感器放到人类不便长期停留或无法达到 的地区去进行遥测，这就扩大了人类用测量的方法定量的认识世界的范围。 6 易于利用计算机，形成电子测量与计算技术的紧密结合 这个特点决定了电子测量技术成为当今测量技术中的主流。由于电子测量的测量结 果和它所需的控制信号都是电信号，这非常有利于直接或通过a d 、d a 变换与计算机 连接，实现测量的自动化。特别是7 0 年代以来，超大规模集成电路和微处理机的出现， 更使电子测量领域发生了重大变化。随着计算机功能的不断提高和成本的不断下降，就 可以在不增加仪器体积和不明显增加成本的情况下，使仪器的性能发生很大的飞跃，使 它具有高性能、多功能、智能化的特点。例如在测量中能够实现程控、遥控、自动调节、 自动校准、自动诊断故障及自动修复，对测量结果可以进行自动纪录，自动完成数据的 运算、分析和处理。测量的速度和准确度将大大提高。 正是由于这些特点，使得电子测量仪器得到了迅猛的发展。电子测量仪器发展至今， 大体可分为四代：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，这类仪器至今仍在各个场合被广泛使用着。如指针式万用表、晶 体管电压表及模拟示波器等，均是典型的模拟式仪器仪表。这类仪器仪表的基本结构是 电磁机械式的，利用电磁测量原理，借助指针的移动或电子束的偏移来显示最终结果。 它们的特点是结构简单，成本较低易于维护，适用于对精度要求不高的场合。 第二代数字化仪器，这类仪器目前相当普及，如数字电压表、数字频率计等。这类 仪器将模拟信号的测量转化为数字信号测量，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，可取代部分脑力劳动。习惯上称为智能仪器。智能仪器以微电子器件代替常规电子 线路，具有信息采集、显示、处理、传输及优化控制等功能，甚至具有辅助专家进行推 断分析与决策的能力。它的功能块全部都是以硬件( 或固化的软件) 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，这类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。它利用现有的计算机，配上相应的硬件( 如数据采集卡、输入输出卡、 g p i b 卡等) 和专用软件，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 功能的高档低价的新型仪器。 虚拟仪器系统是铡控技术和计算机技术相结合的革命性产物。它从根本上更新了仪 器的概念，具有传统仪器无法比拟的优势。它的出现是仪器发展史上的一场革命，代表 着仪器发展的最新方向和潮流，是信息技术的一个重要领域，对科学技术的发展和工业 生产将产生不可估量的影响。虚拟仪器技术是现代计算机系统和仪器系统技术相结合的 产物，是当今计算杌辅助测试( c a t ) 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、虚拟化、网络化的方向发展。 1 2 虚拟仪器的概念 虚拟仪器是由计算机硬件资源、模块化仪器硬件和用于数据分析、过程通讯及图形 2 壁丝堡堂垫查薹型墨苎壁旦竺墨 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仪器系统。利用现有的 计算机，配上相应的硬件( 如数据采集卡、输入，输出卡、g p i b 卡等) 和专用软件，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高档低价的新型仪器。 它利用p c 计算机强大的图形环境，建立界面友好的虚拟仪器面板( 即软面板) ，操作人 员通过友好的图形界面及图形化编程语言控制仪器运行，完成对被测试量的采集、分析、 判断、显示、存储及数据生成。 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。 由于软件是虚拟仪器的关键，所以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。它不仅可以用于测量、测试、分析、 计量等领域，而且还用于进行设备的监控，用于工业过程自动化。 1 3 虚拟仪器的特点 虚拟仪器的突出优点是不仅可以利用p c 机组建成为灵活的虚拟仪器，更重要的是 它可以通过各种不同的接1 3 总线，组建不同规模的自测试系统。它可以通过与不同的接 口总线的通讯，将虚拟仪器、带接口总线的各种电子仪器或各种插件单元，调配并组建 成为中小型甚至大型的自动调试系统。 与传统仪器相比，虚拟仪器有以下优点： ( 1 ) 融合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，将这些管理集中交于计算机来处理，大大增强了传统仪器的功能。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，增加了系统灵活性；另一方面，通过软件技术和相应数值算法，实 时、直接地对测试数据进行各种分析与处理；此外，通过图形用户界面( g u i ) 技术， 真正做到界面友好、人机交互。强调“软件就是仪器”的新概念，软件在仪器中充当 了以往由硬件实现的角色，在某种程度上可以完成传统仪器不可能实现的测试功能。 ( 3 ) 由于减少了许多随时间可能漂移、需要定期校准的分立式模拟硬件，加上 标准化总线的使用，使系统的测量精度、测量速度和可重复性都大大提高。 ( 4 ) 基于计算机总线和模块化仪器总线，使传统仪器的硬件实现了模块化、系 列化，大大缩小了系统尺寸，可方便地构建模块化仪器( i n s t r u m e n t o n a c a r d ) 。 ( 5 ) 基于计算机网络技术和接口技术，系统具有方便、灵活的互联能力 ( c o n n e c t i v i t y ) ，广泛支持诸如c a n 、f i e l d b 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( a t s ，a u t o m a t i ct e s ts y s t e m ) ，实现测 量、控制过程的网络化。 ( 6 ) 基子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，缩短了系统组建时间。 ( 7 ) 由于虚拟仪器技术是建立在当今世界最新的计算机技术和数据采集技术基 础上的，因此技术更新较快，其成本低，测试自动化程度高。 1表传统仪器与虚拟仪器比较表 1 4 虚拟仪器发展现状 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 l i n s t r u m e n t sc o r p 简称n i ) 于1 9 8 6 年提出的。8 0 年代以来，n i 公司研制和推出了许多 总线系统的虚拟式仪器成为这类新型仪器世界第一生产大户。此后，美国的惠普( h p ) 公司，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许多此类仪器，并在短短的1 0 余年 便占有了世界仪器市场的1 0 左右。目前，虚拟仪器在发达国家已经十分普及。在美国 虚拟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。据“世界 仪表及自动化”杂志预测，2 l 世纪初叶，世界虚拟仪器的生产厂家将超过千家，其品种 将达到数千种，市场占有率将达到5 0 左右。虚拟仪器将成为下一世纪仪器发展的方向， 而且有逐步取代传统硬件化电子仪器的趋势。 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 和用这些仪器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。最早和最具影响的开发软件，是n i 公司的l a bv i e w 软件和l a bw i n d o w s c v l 开发 软件。l a bv i e w 采用图形化编程方案，是非常实用的开发软件。l a bw 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 i c 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 md a t a 公司的s n a p - - m a s t e r 平台软件， 也是国际上公认的优秀虚拟仪器开发平台软件。 作为仪器领域中最新兴的技术，虚拟仪器的开发和研究在国内尚属于起步阶段。从 9 0 年代中期以来，国内的清华大学，重庆大学，西安交通大学。西安电子科技大学以及 中科泛华电子科技公司，东方振动和噪声技术研究所等高校和公司，在研究和开发虚拟 4 虚拟仪器技术基础及其应用研究 仪器产品和虚拟仪器设计平台以及消化吸收n i 等产品方面作了大量工作，其成果已在 汽车发动机检测、自动计量控制系统等方面得到应用。其中，成果比较显著的是重庆大 学的秦树人教授所研制的虚拟仪器，目前重庆大学研制的产品已包括示波器、f f t 分析 仪、噪声测试分析仪、小波变换信号分析仪、多通道数据采集器等2 0 多个品种，并且 可以根据客户需求进行个性化设计。近日，这些虚拟仪器在中国计量科学研究院的测试 结果表明，其产品性能完全达到同类硬件仪器的技术指标。重庆大学进行的开发工作与 国外的n i 公司在技术路线上最大的区别在于：直接提供仪器本身，而不需要操作人员 有较高的计算机软硬件知识，因此可广泛适用于教育、科研、工业生产等领域。在国内， 已有部分院校的实验室引入了虚拟仪器系统，其中包括上海复旦大学、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，它的产品已达到一定的批量。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 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。 以i n t e m e t 为代表的计算机网络的迅速发展及其相关技术的日益完善，使传统的通 信方式突破了时空限制和地域限制，大范围的通信变得越来越容易。i n t e m e t 相关技术， 己被广泛应用于各行各业，对测控系统的组建也产生了越来越大的影响。 一个大的复杂测试系统的输入、输出、结果分析往往分布在不同的地理位置，仅用 一台计算机并不能胜任测试任务，需要由分布在不同地理位置的若干计算机共同完成整 个测试任务。集成测试越来越不能满足复杂测试任务的需要，函此，“网络化仪器”的 出现成为必然。“网络就是仪器”概念的确立，使人们明确了今后仪器仪表的研发战略， 促进并加速了现代测量技术手段的发展与更新。 1 5 课题研究的目的和意义 要想紧跟技术的发展，就要不断更新测量设备，以满足越来越商的测量要求，同时 测量手段的进步也为技术的进一步发展奠定了基础。虚拟仪器则是提高测量精度和效率 的有效手段。它改变了传统的测量模式，使测量系统由松散结合的、常常不兼容的独立 仪器发展成紧密结合的虚拟测量系统，把计算机技术与仪器技术完美的结合起来。 在各种现代测量手段中，计算机扮演着非常重要的角色。计算机以其优越的显示、 打印输出及数据处理等功能，与原有的测量系统相结合，可以大大提高测量的效率、精 度和灵活性。计算机在测量过程中的作用主要包括：控制测量过程；采集所需信号；对 信号进行各种数学逻辑运算，做出判断和估值；以各种方式输出测量结果；监控报警： 测量数据管理等。计算机辅助测量的突出优越性在于用软件提高测量的准确性、可靠性、 情况下，通过软件来实现不同的测量功能，用于不同的测量对象，使测量系统具有通用 性。 本课题即是要研究一种基于计算机辅助测量技术的虚拟仪器模块，优化测量手段， 提高测量效率。通过对数字信号处理技术理论的研究，结合实际情况，开发出合理高效 的数据处理模块，减少测量误差。用最少的硬件和软件成本开发多种虚拟仪器，开拓未 知的虚拟仪器领域。整个系统可以在不改变硬件的情况下只需加入一定的软件模块就 可以组建不同的仪器系统；或者在更换硬件的情况下，只需对软件进行少量的参数修改 就可以进一步提高仪器的性能。本课题开发的虚拟仪器可以应用在各种测量场合。 1 6 论文的主要研究工作 本论文的主要工作为：对仪器的虚拟化及其相关技术进行了研究，通过采用高精度 的d 数据采集卡和相关的硬件设备，结合面向对象的v i s u a lc + + 编程语言、数据采集 与接口技术、微机通信技术等来实现虚拟示波器和电感测微仪的开发，实现了计算机辅 助测量和误差评定，通过编程，可以对信号进行显示和处理，提高数据处理精度及结果 显示的精度，完善仪器的功能与使用的方便程度。 具体包括以下几个方面的内容： l ，虚拟仪器技术理论研究 2 ，系统整体方案研究 3 ，在w i n d o w s2 0 0 0 操作系统下，a d 采集卡驱动技术研究，硬件端口读写技术研 究，实现数据的采集。 4 ，数字信号处理技术研究，包括采集信号周期设置、采集次数设定和采集周期内 数据点数设定，测量结果的综合评定，离散数据的插值算法研究，波形内插显 示技术研究，提高数据处理精度一为虚拟示波器和电感测微仪的功能改善及扩 展的实现提供可能。 5 ，软件设计，采用面向对象编程技术，实现虚拟仪器功能。 研究w i n d o w s2 0 0 0 下内存管理技术，运用动态链接库在w i n d o w s 环境下 实现对硬件的数据读取功能。 运用多线程技术和同步技术，实现数据采集和波形显示的协调运作。 利用w i n d o w s 下精确定时技术，实现波形显示的实时陛。 测量纪录的保存与测量结果的输出，即波形的存储和打印的程序设计。 滤波、平滑以及插值算法的程序实现。 软件的可靠性设计 6 ，系统的误差分析及实验研究 6 虚拟仪器技术基础及其应用研究 第二章虚拟仪器技术理论 2 1 虚拟仪器系统的构成 虚拟仪器一般由硬件设备与接口、设备驱动软件和虚拟仪器面板组成。其中，硬 件设备与接口可以是各种以p c 为基础的内置功能插卡、通用接口总线( g p i b ) 接口 卡、串行口、v x i 总线仪器接口等设备，或者是其他各种可程控的外置测试设备：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讯；并以虚拟仪器面板的形式在计算机屏幕上显示与真实仪器 面板操作元素相对应的各种控件。在这些控件中继承了对应仪器的程控信息，所以用 户用鼠标操作虚拟仪器的面板就如同操作真实仪器一样的真实与方便。 对于普通的测试设备，一般所得到的测试数据需要测试人员手工实时记录。如果 数据量比较大的时候，就将使测试过程变得冗长、复杂，不可避免的引起测试误差。 而且有的常用测试仪器，比如示波器，一般只对被测对象作出定性测试，如果要得到 波形实际物理数据，只能通过特定的本身带有的软盘驱动器将数据存入软盘，然后再 利用软盘与其他分析仪器“交流”数据。而采用虚拟仪器技术，测试设备所得到的测 试结果将会实时、直接的通过计算机的总线，传输到计算机的内存或硬盘，供以后分 析使用。 另外，根据工程的实际需要，使用人员可以通过软件编程或采用现有分析软件， 实时、直接的对测试数据进行各种分析与处理，如完成d f t 、f f t 运算、p i d 控制、模 糊逻辑控制、联合时域分析、数字信号处理、数学分析和数据库连接、统计分析参数 调整、单位转换等工作，从而对被控对象进行进一步的控制。 下面从硬件、软件两方面介绍虚拟仪器的构建技术。 2 1 1 虚拟仪器系统的硬件组成 虚拟仪器的硬件系统一般分为计算机硬件平台和测控功能硬件。 计算机硬件平台可以是各种类型的计算机，如普通台式计算机、便携式计算机、 工作站、嵌入式计算机等。计算机管理着虚拟仪器的硬软件资源，是虚拟仪器的硬件 基础。计算机技术在显示、存储能力、处理性能、网络、总线标准等方面的发展，导 致了虚拟仪器系统的快速发展。 按照测控功能硬件的不同，v i 可分为g p i b 、v x i 、p x i 和d a q 四种标准体系结构。 ( 1 ) g p i b ( g e n e r a lp u r p o s ei n t e r f a c eb u s ) 通用接口总线，是计算机和仪器 间的标准通讯协议。g p i b 的硬件规格和软件协议已纳入国际工业标准- - i e e e4 8 8 1 和i e e e4 8 8 2 。它是最早的仪器总线，目前多数仪器都配置了遵循i e e e4 8 8 的g p i b 接口。 典型的g p i b 测试系统包括一台计算机、一块g p i b 接口卡和若干台g p i b 仪器。 每台g p i b 仪器有单独的地址，由计算机控制操作。系统中的仪器可以增加、减少或 更换，只需对计算机的控制软件作相应改动。这种概念已被应用于仪器的内部设计。 在价格上，g p i b 仪器覆盖了从比较便宜的到异常昂贵的仪器。其技术已经比较成 熟，目前仍有大量用户拥有带有g p i b 接口的各种仪器。但是g p i b 的数据传输速度一 虚拟仪器技术基础及其应用研究 般低于5 0 0 k b s ，不适合于对系统速度要求较高的应用。主要用于实现对带有g p i b 接口的仪器的控制，组成自动测试系统。多用在实验室或计量室内对测试速度要求不 高的项目，也可用于数据采集和过程控制。 ( 2 ) v x i ( v m e b u se x t e n s i o nf o ri n s t r u m e n t a t i o n ) 系统是一种模块化的仪器 系统平台，是v m e 总线在仪器领域的扩展，是在1 9 8 7 年，在v m e 总线、e u r o c a r d 标 准( 机械结构标准) 和i e e e4 8 8 等的基础上，由主要仪器制造商共同制订的开放性 仪器总线标准。 v x i 系统最多可包含2 5 6 个装置，主要由主机箱、”0 槽“控制器、具有多种功能 的模块仪器和驱动软件、系统应用软件等组成。它具有体积小、结构紧凑、数据传输 效率高( 4 0 m b y t e s s ) 、信息吞吐量大、系统可靠性强等特点，特别是其测量功能强 大，易于组建，系统中各功能模块可随意更换，即插即用组成新系统。大大减少了用 户的系统开发时间，因此在复杂科研茅日高科技产品领域迅速受到重视。v x l 技术的推 出，使仪器和自动测试技术产生了一个质的飞跃，成为虚拟仪器领域中最重要的代表。 用v x i 组成的虚拟仪器，适用予测试工作量大、测试项目复杂、要求测试速度高、精 度高且空间狭小环境比较恶劣的地方，多用在高科技和军工部门。 目前，国际上有两个v x l 总线组织： v x i 联盟，负责制定v x i 的硬件( 仪器级) 标准规范，包括机箱背板总线、电 源分布、冷却系统、零槽模块、仪器模块的电气特性、机械特性、电磁兼容性毗及系 统资源管理和通讯规程等内容； v n 总线即插即用( v x ip l u g & p l a y ，简称v p p ) 系统联盟。宗昌是通过制订一系 列v x i 的软件( 系统级) 标准来提供一个开放性的系统结构，真正实现v x i 总线产品 的”即插即用4 。 这两套标准组成了v x i 标准体系，实现了v x i 的模块化、系列化、通用化以及v x i 仪器的互换性和互操作性。v x i 但是价格相对过高，适合于尖端的测试领域。 ( 3 ) p x i ( p c ie x t e n s i o nf o ri n s t r u m e n t a t i o n ) p c i 在仪器领域的扩展，是 n t 公司于1 9 9 7 年发布的一种新的开放性、模块化仪器总线规范。其核心是c o m p a c t p c i 结构和m i c r o s o f tw i n d o w s 软件。1 9 9 7 年，美国n i 公司公布了p x i 模块仪器系统的 技术规范，受到了各方面的极大关注，作为一个开放的工业标准，1 9 9 8 年成立了p x i 系统联盟，目前已有超过5 0 家公司加盟。 p x i 是在p c i 内核技术上增加了成熟的技术规范和要求形成的。p x i 增加了用于 多板同步的触发总线和参考时钟、用于精确定时的星形触发总线、以及用于相邻模块 间高速通信的局部总线等，来满足试验和测量用户的要求。p x i 兼容c o m p a c t p c i 机械 觌范，并增加了主动冷却、环境测试( 温度、湿度、振动和冲击试验) 等要求。这样 以来，可保证多厂商产品的互操作性和系统的易集成性。 p x i 主要面向广大中低档仪器用户，其价格要比v x l 便宜很多，能够满足不同层 次用户对测试、数据采集和工业自动化的应用需求。p x i 模块即插即用，使用灵活方 便。由于采用p c i 总线，因此其数据传输速率高( 1 3 2 2 6 4 胁y t e s s ) ；尤其是p x l 的操作系统和开发系统是为人们所熟悉的m i c r o s o f tw i n d o w s 软件，符合人们的心理 和习惯，易于开发进行系统集成。p x i 与g p i b 、v x i 、c o m p a c t p c i 具有兼容性，可以 很方便的组成混合系统。p x i 在机械、电气方面均有严格的标准。 虚拟仪器技术基础及其应用研究 ( 4 ) d a q ( d a t aa c q u i s i t i o n ) 数据采集，指的是基于计算机标准总线( 如i s a 、 p c i 、p c 1 0 4 等) 的内置功能插卡。它更加充分地利用计算机的资源，大大增加了测 试系统的灵活性和扩展性。利用d a q 可方便快速地组建基于计算机的仪器 ( c o m p u t e r b a s e di n s t r u m e n t s ) 实现“一机多型”和“一机多用”。 图2 - 1数据采集系统的功能模块 目前，市场上以p c 机为基础的内置插卡门类齐全。其中，现代的数据采集( d a q ) 多功能卡产品种类繁多，功能齐全：从数据采集的前向通道到后向通道的各个环节， 都有对应的d a q 产品。可以完成模拟波形采集与产生、数字信号采集、数字波形采集、 波形采集数据自动存储、模拟i o 、数字i o 、定时i o 、信号调理等工作：配有各种 操作系统完整的设备驱动程序；具有完备的使用指南，可以让i o 通道的命名、比例 变化和寻址操作更加简单。 在性能上，随着a d 转换技术、仪器放大技术、抗混叠滤波技术与信号调理技术 的迅速发展，d a q 的采样速率已达到i g b s ，精度高达2 4 位，通道数高达6 4 个，并 能任意结合数字i i o ，模拟i o 、计数器定时器等通道。能保证仪器级的性能、精度 与可靠性。 仪器厂家生产了大量的d a q 功能模块可供用户选择，如示波器、数字万用表、串 行数据分析仪、动态信号分析仪、任意波形发生器等。在p c 计算机上挂接若干d a q 功能模块，配合相应的软件，就可以构成一台具有若干功能的p c 仪器。 在以p c 机为基础的虚拟仪器中，插入式数据采集卡( d a q ) 是虚拟仪器系统中最常用 的接口形式之一，其功能是将现场数据采集到计算机，或将计算机数据输出给受控对象。 目前，d a q 技术主要应用于高采样速率及直接控制方面。这种基于计算机的仪器，既具有 高档仪器的测量品质，又能满足测量需求的多样性。对大多数用户来说，这种方案很实 用，具有很高的性能价格化，是一种特别适合于我国国情的虚拟仪器方案。 图2 2 给出了虚拟仪器系统的硬件构成图。 2 1 2 虚拟仪器系统的软件结构 测试软件是虚拟仪器的“主心骨”。n i 公司在提出虚拟仪器概念并推出第一批实用成 果时，就用“软件就是仪器”来表达虚拟仪器的特征，强调软件在虚拟仪器中的极为重 要的位置。但这并不排斥测试硬件平台的重要性。n i 公司从一开始就推出丰富而又简洁 9 鏖垫堡堡垫查苎型墨茎堕旦堕壅 的虚拟仪器开发软件。使用者可以根据不同的测试任务，在虚拟仪器开发软件的提示下 编制不同的测试软件，来实现当代科学技术复杂的测试任务。 n i 公司推出的虚拟仪器概念迅速得到世界各国的广泛欢迎和支持，其主要原因就是 他们从一开始就推出丰富而实用的开发软件，如面向科学家和工程技术人员( 而不是计 算机的编程人员) 的l a bv i e w 和l a bw i n d o w s c v i 虚拟仪器开发平台软件。这些软件 以简单直观的编程方式、众多源码级的设备驱动程序、丰富实用的分析表达功能和支持 一信号调理器k 4 数据、图像采集k 叫g p i b 接口仪器卜叫g p i b 接口一pp 计算机 被传 卜叫串行口仪聊l c 卜叫 ( 装有 测 感 +呻 虚拟仪 对器 ，i v x t 6 嫱 i ， 器开发 象 软件) _ 叫现场总线( f i e i d ，c a n b u s ) 设备p 叫计算机内置插卡 h r 图2 2 虚拟仪器系统硬件构成 功能，使使用者能快速地构建自己的测量仪器或测量仪器系统。这些软件提供简单、直 观、易于操作的图形编程方式，把复杂的语言编程方式简化为菜单提示方式，使科学家 和工程技术人员可以得心应手地编制测试软件，规范一套由通用电子计算机和必需的电 子测量硬件模块组成的硬件测试平台来实现新的测试任务和要求。 测试软件的主要任务是： ( 1 ) 规范组成虚拟仪器的硬件平台的哪些部分被调用，并且规范这些部分的技术 特性； ( 2 ) 规范虚拟仪器的调控机构，设置调控范围，其中不少功能和性能直接由软件 实现； ( 3 ) 规范测试程序； ( 4 ) 调用数据处理和高级分析库，处理和变换测试结果； ( 5 ) 在电子计算机的显示屏上显示测试结果的数据、曲线族、模型甚至多维模型； ( 6 ) 规范测试结果的信息存储、传送或记录。 在虚拟仪器系统中用灵活强大的计算机软件代替传统仪器的某些硬件，特别是系统 中应用计算机直接参与测试信号的产生和测量特征的解析，使仪器中的一些硬件甚至整 件仪器从系统中“消失”，而由计算机的软硬件资源来完成它们的功能。虚拟仪器测试 系统的软件主要分为：仪器面板控制软件，数据分析处理软件，仪器驱动软件和通用i 0 接口软件( 如图2 3 所示) 。 o 虚拟仪器技术基础及其应用研究 仪器面板控制软件 士 数据分析处理软件 仪器驱动程序 l 通用i o 接口软件v i s a d l l 0 数据采集卡 + 计算机 图2 - 3 虚拟仪器测试系统的软件结构 2 1 2 1 仪器面板控制软件 即测试管理层，是用户与仪器之间交流信息的纽带。利用计算机强大的图形化编程 环境，使用“所见即所得”的可视化技术。从控制模块上选择你所需要的对象，放在虚 拟仪器的前面板上。控制模块上的对象包括开关、滑尺、下拉表、控制按钮和弹出式对 话框等输入对象和数字显示、仪表盘、温度计、表和可显示波形的x y 图、极化图、幅 度一相位图等显示对象，并能很容易通过标记、颜色、点线和标尺等各种各样的可视化 方式对数据进行灵活显示。当虚拟仪器完成后，就能在虚拟仪器工作时利用前面板去控 制整个系统。与传统仪器前面板相比，虚拟仪器软面板的最大特点就是软面板由用户自 己定义。因此，不同用户可以根据自己的需要和爱好组成灵活多样的虚拟仪器控制面板。 2 1 2 2 数据分析处理软件 利用计算机强大的计算能力和虚拟仪器开发软件功能强大的函数库可以极大提高 虚拟仪器的数据分析处理能力。节省开发时间。 2 1 2 3 仪器驱动软件 虚拟仪器驱动程序是处理与特定仪器进行控制通信的一种软件。仪器驱动器与通信 接口及使用开发环境相联系。它提供一种高级的、 虫象的仪器映像，它还能提供特定的 使用开发环境信息，例如图形化的表达方式，以此来支持使用开发环境。仪器驱动器是 虚拟仪器的核心是用户完成对仪器硬件控制的纽带和桥梁