畢業(yè)論文：基于labview的電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)(終稿)-精品

1、基于labview的電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目錄摘要- 3 -引言- 4 -1. 1傳統(tǒng)電子學(xué)實(shí)驗(yàn)室教學(xué)模式的弊端- 4 -1. 1.1 實(shí)驗(yàn)室設(shè)備利用率低- 4 -1. 1.2實(shí)驗(yàn)信息管理混亂- 4 -1. 1.3 實(shí)驗(yàn)教師工作繁雜- 5 -1. 2 虛擬儀器在電子實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用- 5 -1. 2.1 虛擬儀器概述- 5 -1. 2.2 LabVIEW的編程簡(jiǎn)介- 5 -1. 2.3 虛擬儀器中的數(shù)字電子技術(shù)- 6 -第一章 數(shù)字電路教學(xué)實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)- 9 -1.1平臺(tái)的構(gòu)建- 9 -1.2半加器的設(shè)計(jì)- 10 -1.3全加器的設(shè)計(jì)- 11 -1.4比較器的設(shè)計(jì)- 12 -1.5雙向同步計(jì)數(shù)器

2、的設(shè)計(jì)- 12 -1.6與非門的設(shè)計(jì)- 14 -1.7 D觸發(fā)器的設(shè)計(jì)- 14 -1.8 JK觸發(fā)器的設(shè)計(jì)- 15 -1.9 譯碼器的設(shè)計(jì)- 16 -第二章 虛擬數(shù)字示波器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)- 18 -2.1虛擬示波器的介紹- 18 -2.2軟件設(shè)計(jì)思想- 19 -2.3 前面板設(shè)計(jì)- 20 -24信號(hào)采集模塊- 22 -2.5信號(hào)測(cè)量和分析控制模塊- 23 -2.6虛擬示波器的具體軟件設(shè)計(jì)- 23 -第三章 基于虛擬儀器的實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)方案- 27 -31虛擬儀器實(shí)驗(yàn)室的硬件平臺(tái)- 27 -311 DAQ虛擬儀器系統(tǒng)- 28 -312 GPIB虛擬儀器系統(tǒng)- 31 -313 VXI虛擬儀器系統(tǒng)- 32

3、 -314 PXI虛擬儀器系統(tǒng)- 33 -315 USB和IEEEl394虛擬儀器系統(tǒng)- 34 -316 RS一232虛擬儀器系統(tǒng)- 35 -32虛擬儀器實(shí)驗(yàn)室的軟件平臺(tái)- 36 -321虛擬儀器軟件體系結(jié)構(gòu)(VISA)- 37 -322儀器驅(qū)動(dòng)程序- 37 -323應(yīng)用軟件- 38 -第四章 論文總結(jié)- 40-參考文獻(xiàn)- 43 -致謝- 44 -摘要隨著低成本高性能的計(jì)算機(jī)資源普及運(yùn)用，數(shù)字化儀器平臺(tái)逐漸取代傳統(tǒng)電子儀器已成為一種趨勢(shì)。我國(guó)理工科學(xué)校的教學(xué)、科研需要大量的測(cè)量分析儀器設(shè)備，特別是電子類實(shí)驗(yàn)教學(xué)，每種儀器都必須配置多套，而且有些儀器設(shè)備價(jià)格十分昂貴。因此購(gòu)置儀器設(shè)備的巨大投入經(jīng)

4、費(fèi)，一般學(xué)校難以承受，造成儀器設(shè)備缺乏和過時(shí)陳舊等現(xiàn)象，嚴(yán)重影響教學(xué)科研效果。另外，由于傳統(tǒng)電子學(xué)實(shí)驗(yàn)室教學(xué)模式存在的弊端，造成實(shí)驗(yàn)室設(shè)備利用率低，實(shí)驗(yàn)信息管理混亂，實(shí)驗(yàn)教師工作繁雜，最終不僅僅浪費(fèi)了學(xué)校大量的人力物力，而且學(xué)生還不能真正地掌握實(shí)驗(yàn)，培養(yǎng)過關(guān)的動(dòng)手能力（學(xué)校實(shí)驗(yàn)室儀器配備不全，一些必要的實(shí)驗(yàn)無法展開）。如果把虛擬儀器運(yùn)用到實(shí)驗(yàn)教學(xué)和科研中，不但可以節(jié)約大量?jī)x器設(shè)備的經(jīng)費(fèi)投入，而且能夠提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)和科研的質(zhì)量與效率。尤其是虛擬儀器LabVIEW在數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用，效果更為明顯。關(guān)鍵詞:電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué) 虛擬儀器 LabVIEW 優(yōu)勢(shì)引言實(shí)驗(yàn)室是教學(xué)、 科研的重要基地 ,實(shí)

5、驗(yàn)室的建設(shè)也反映了學(xué)校的教學(xué)體系、 學(xué)科建設(shè)和管理體制的水平。電子學(xué)實(shí)驗(yàn)是理工科專業(yè)教學(xué)的一個(gè)重要內(nèi)容 ,是培養(yǎng)學(xué)生電子技術(shù)應(yīng)用和工程設(shè)計(jì)能力不可缺少的教學(xué)環(huán)節(jié)。由于其面向的是一個(gè)發(fā)展迅速的學(xué)科 ,所以實(shí)驗(yàn)室教學(xué)方法、 手段和水平也要不斷改進(jìn)和提高 ,以適應(yīng)學(xué)科的發(fā)展。1. 1傳統(tǒng)電子學(xué)實(shí)驗(yàn)室教學(xué)模式的弊端1. 1.1 實(shí)驗(yàn)室設(shè)備利用率低高校實(shí)驗(yàn)室教學(xué)設(shè)備數(shù)量有限 ,特別是一些貴重儀器 ,要做到學(xué)生與設(shè)備一對(duì)一配套是不現(xiàn)實(shí)的。在傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)室教學(xué)模式中 ,一般會(huì)將學(xué)生分為若干小組 ,以組為單位作實(shí)驗(yàn) ,使部分同學(xué)難以全部參與和投入 ,沒能充分了解和掌握實(shí)驗(yàn)全過程。1. 1.2實(shí)驗(yàn)信息管理混亂實(shí)驗(yàn)

6、信息 ,特別是實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、 分析和查詢是電子實(shí)驗(yàn)的一個(gè)重要內(nèi)容。在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式中 ,學(xué)生靠手工記錄和分析數(shù)據(jù)。存在的問題是:第一 ,記錄時(shí)人為誤差較大;第二 ,不便于保存、 查詢和整理。1. 1.3 實(shí)驗(yàn)教師工作繁雜實(shí)驗(yàn)報(bào)告的評(píng)閱 ,典型問題的解答與數(shù)據(jù)核對(duì) ,包含大量的重復(fù)性工作 ,給指導(dǎo)教師帶來很多重復(fù)性勞動(dòng) ,精力很難集中在實(shí)驗(yàn)臺(tái)上。1. 2 虛擬儀器在電子實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用1. 2.1 虛擬儀器概述所謂虛擬儀器，就是在以計(jì)算機(jī)為核心的硬件平臺(tái)上，配合以相應(yīng)的輸入/輸出接口，具有計(jì)算機(jī)顯示器的虛擬面板，測(cè)試功能由測(cè)試軟件來實(shí)現(xiàn)的一種計(jì)算機(jī)儀器系統(tǒng)。自美國(guó)國(guó)家儀器公司(Nationa

7、l Instruments，NI) 在1986年提出虛擬儀器的概念之后，虛擬儀器技術(shù)便一直成為發(fā)達(dá)國(guó)家自動(dòng)測(cè)控領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)和應(yīng)用前沿。目前，最著名的虛擬儀器系統(tǒng)是NI的LabVIEW，其最廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域是測(cè)控領(lǐng)域，而文章將要探討的，是將該系統(tǒng)應(yīng)用于數(shù)字邏輯電路的教學(xué)、實(shí)驗(yàn)的問題。文章認(rèn)為，由于虛擬儀器的自身特點(diǎn)及數(shù)字與模擬電路的差異性，虛擬儀器系統(tǒng)并不適用于模擬電路系統(tǒng)的教學(xué)或?qū)嶒?yàn)，但對(duì)于數(shù)字電路系統(tǒng)，則有較強(qiáng)的、特殊的優(yōu)勢(shì)。1. 2.2 LabVIEW的編程簡(jiǎn)介在LabVIEW環(huán)境下開發(fā)的應(yīng)用程序稱之為VI。VI是LabVIEW的核心，由一個(gè)人機(jī)交互的界面前面板(Front Panel)和

8、相當(dāng)于源代碼功能的框圖程序后面板（Diagram）組成。前面板是程序的界面，在這一界面上有控制量(Controls)和顯示量(Indicators)兩類對(duì)象。在前面板中，控制量模擬儀器的輸入裝置并把數(shù)據(jù)提供給VI的框圖程序，例如開關(guān)、旋鈕；而顯示量則是模擬儀器的輸出裝置并顯示由框圖程序獲得或產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，例如用于顯示波形的窗口等。每一個(gè)程序前面板都對(duì)應(yīng)著一段框圖程序?？驁D程序用LabVIEW圖形編程語(yǔ)言編寫，可以把它理解成傳統(tǒng)程序的源代碼?？驁D程序由端口、節(jié)點(diǎn)、圖框和連線構(gòu)成。其中端口被用來同程序前面板的控制和顯示傳遞數(shù)據(jù)，節(jié)點(diǎn)被用來實(shí)現(xiàn)函數(shù)和功能調(diào)用，圖被用來實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)化程序控制命令，而連線代表

9、程序執(zhí)行過程中的數(shù)據(jù)流，定義框圖內(nèi)的數(shù)據(jù)流動(dòng)方向。后面板又稱代碼窗口或流程圖，是VI圖形化的源能，一般不包括業(yè)務(wù)邏輯方法，Web層則和Enterprise Beans交互，自身比如JSP和Servlets中會(huì)包含一些業(yè)務(wù)邏輯。1. 2.3 虛擬儀器中的數(shù)字電子技術(shù) 虛擬儀器LabVIEW具有典型的圖形化語(yǔ)言風(fēng)格，其程序的編制過程就是將不同的圖標(biāo)（VI）進(jìn)行選擇、組合并連線的過程。其不同圖標(biāo)（VI）相當(dāng)于具有不同功能的“子程序”，圖標(biāo)間的連線指定了數(shù)據(jù)的流向，相當(dāng)于代碼語(yǔ)言的“賦值”語(yǔ)句。在LabVIEW的函數(shù)選板中，既包含了大量專用的信號(hào)處理、信號(hào)運(yùn)算等VI圖標(biāo)，也包含了各種數(shù)值運(yùn)算、邏輯運(yùn)算

10、的基本VI圖標(biāo)。其中的邏輯運(yùn)算VI，其圖標(biāo)就是標(biāo)準(zhǔn)的邏輯運(yùn)算符號(hào)，其中相應(yīng)的邏輯運(yùn)算VI選板如圖1。圖1 布爾邏輯運(yùn)算VI選板不難看出，利用這些圖標(biāo)編制的邏輯運(yùn)算程序（LabVIEW后面板），也就是一個(gè)規(guī)范的數(shù)字邏輯電路的邏輯圖。就信號(hào)的輸入/輸出來說，LabVIEW亦提供了豐富的輸入控件和輸出控件，如各種形式的開關(guān)、按鈕、指示燈、波形顯示器等等，這些“器件”可直接用簡(jiǎn)單的拖動(dòng)方式拖放到相應(yīng)位置即可使用。如圖2數(shù)值輸入控件圖2 前面板中的控件更重要的是，虛擬儀器系統(tǒng)不同于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)或仿真技術(shù)，后兩者只不過是對(duì)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的一種模擬而已，而虛擬儀器雖稱為“虛擬”，但其實(shí)質(zhì)是一種基于計(jì)算機(jī)軟、硬件系

11、統(tǒng)作為支撐，通過采用一定的數(shù)學(xué)模型和算法來完成處理過程的真實(shí)儀器系統(tǒng)，一句話，虛擬儀器系統(tǒng)并非“虛擬”儀器，而是“真實(shí)”儀器，它是要完成真實(shí)儀器系統(tǒng)功能的。也就是說，基于虛擬儀器系統(tǒng)進(jìn)行的相應(yīng)實(shí)驗(yàn)或教學(xué)過程，通過配置相關(guān)的A/D或DAQ接口，即成為能完成實(shí)際儀器功能的儀器，故基于虛擬儀器進(jìn)行教學(xué)、實(shí)驗(yàn)，比基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)或仿真技術(shù)的教學(xué)實(shí)驗(yàn)更具有實(shí)際意義！由于虛擬儀器LabVIEW中提供的布爾運(yùn)算VI比較完備，再加上系統(tǒng)本身圖形化的語(yǔ)言風(fēng)格，完全可以做到將“程序邏輯圖實(shí)驗(yàn)過程輸入輸出”等過程的結(jié)合，使過程簡(jiǎn)單明晰，可以完成數(shù)字邏輯電路中幾乎所有的實(shí)驗(yàn)及演示，如：半加器、全加器、比較器、計(jì)數(shù)器、

12、與非門、D觸發(fā)器、JK觸發(fā)器、譯碼器等等，而且，具體的實(shí)驗(yàn)或演示過程，還可運(yùn)用LabVIEW中程序執(zhí)行過程的“高亮度單步執(zhí)行”模式，充分地觀察到信號(hào)的動(dòng)態(tài)流程和邏輯電路的運(yùn)算過程，甚至可以將某種邏輯運(yùn)算過程單獨(dú)開發(fā)為專門的用戶VI，形成一獨(dú)特功能的新型概念的“虛擬芯片”，供需要時(shí)直接調(diào)用。下面就以一些大學(xué)課程中簡(jiǎn)單的數(shù)字電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)為例，來介紹討論運(yùn)用虛擬儀器LabVIEW實(shí)現(xiàn)數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)的過程。第一章 數(shù)字電路教學(xué)實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì) 在電子技術(shù)課程中，數(shù)字電路作為電類專業(yè)的基礎(chǔ)核心課程，其實(shí)驗(yàn)教學(xué)是十分重要的環(huán)節(jié)，實(shí)驗(yàn)包括半加器、全加器、數(shù)據(jù)選擇器等內(nèi)容。1.1平臺(tái)的構(gòu)建 最后以相同的步驟完成減法器

13、、數(shù)據(jù)選擇器、計(jì)數(shù)器、觸發(fā)器、譯碼顯示等模塊的設(shè)計(jì)，再將實(shí)驗(yàn)仿真模塊整合到一個(gè)平臺(tái)中，使用時(shí)只需點(diǎn)擊選擇模塊按鈕，就能調(diào)用其實(shí)驗(yàn)?zāi)K。這樣在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中就可以非常方便地使用和查看各個(gè)模塊的功能。這就構(gòu)成一個(gè)數(shù)字電路仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，如圖1-1所示。圖1-1 數(shù)字電路仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)1.2半加器的設(shè)計(jì) 半加器電路是指對(duì)兩個(gè)輸入數(shù)據(jù)位進(jìn)行加法，輸出一個(gè)結(jié)果位，不考慮低位數(shù)據(jù)的進(jìn)位，產(chǎn)生進(jìn)位輸出的加法器電路。輸入信號(hào)：A、B；輸出信號(hào)：本位和S，向高位的進(jìn)位C。邏輯表達(dá)式為： S= AB，C =AB。根據(jù)其邏輯關(guān)系用LabVIEW編寫程序框圖，如圖1-2所示。圖1-2半加器程序框圖前面板如下：其實(shí)現(xiàn)功能為：當(dāng)

14、單獨(dú)按開關(guān)A或B時(shí)S亮，當(dāng)開關(guān)A，B同時(shí)開時(shí)C亮，S暗。1.3全加器的設(shè)計(jì) 在相加的過程中，除最低位外，其余各位既要考慮本位的被加數(shù)Ai和Bi，還要考慮低位向本位的進(jìn)位Ci-1，就是說低位的Ci-1也作為一個(gè)獨(dú)立的變量參與運(yùn)算。因此，所謂全加就是求取三個(gè)變量（本位Ai、加數(shù)Bi輸入以及低位向本位進(jìn)位Ci-1）的和S及本位向高位的進(jìn)位Ci。因?yàn)槿悠魇腔诎爰悠髯龀傻?，其中部分電路是半加器，所以可以利用LabVIEW中子VI的功能將半加器打包成一個(gè)子程序，作為VI模塊調(diào)用。如圖1-3所示。圖1-3全加器程序框圖前面板如下：1.4比較器的設(shè)計(jì)在二維二進(jìn)制比較器的設(shè)計(jì)中，比較它們是否相等，當(dāng)A1A0

15、和B1B0相等時(shí)，S燈亮，即兩數(shù)相等，反之，不相等。程序如圖1-4所示。圖1-4比較器程序框圖前面板如下：1.5雙向同步計(jì)數(shù)器的設(shè)計(jì)在雙向同步計(jì)數(shù)器的設(shè)計(jì)中，通過控制UP/DOWN鍵，當(dāng)UP/DOWN鍵為1時(shí)，隨著計(jì)數(shù)脈沖的不斷輸入而作遞增計(jì)數(shù)；當(dāng)UP/DOWN鍵為0時(shí)，隨著計(jì)數(shù)脈沖的不斷輸入而作遞減計(jì)數(shù)。即此計(jì)數(shù)器可作為加減用的同步雙向計(jì)數(shù)器。 因?yàn)殡p向同步計(jì)數(shù)器是基于JK觸發(fā)器做成的，其中部分電路是JK觸發(fā)器，所以可以利用LabVIEW中子VI的功能將JK觸發(fā)器打包成一個(gè)子程序，作為VI模塊調(diào)用，其程序如圖1-5所示。圖1-5雙向同步計(jì)數(shù)器的程序框圖前面板如下：1.6與非門的設(shè)計(jì)在與非門的

16、實(shí)驗(yàn)中，由于其比較簡(jiǎn)單，設(shè)計(jì)起來也比較簡(jiǎn)單，在這不過多的敘述了。程序框圖如圖1-6所示。圖1-6與非門的程序框圖前面板如下：1.7 D觸發(fā)器的設(shè)計(jì)其功能為輸入為1時(shí)，輸出為1；輸入為0時(shí)，輸出亦為0，輸出Q與輸入D保持一致。其程序框圖如圖1-7所示。圖1-7 D觸發(fā)器的程序框圖前面板如下：1.8 JK觸發(fā)器的設(shè)計(jì)在JK觸發(fā)器的設(shè)計(jì)中，JK表示兩個(gè)信號(hào)的輸入端，CLK是脈沖輸入端，Q與 為兩個(gè)互補(bǔ)輸出端。 JK觸發(fā)器的狀態(tài)方程為Qn+1 JnQn，JK觸發(fā)器常被用作緩沖存儲(chǔ)器，移位寄存器和計(jì)數(shù)器。其程序框圖如圖1-8所示。圖1-8 譯碼器程序框圖其前面板如下：1.9 譯碼器的設(shè)計(jì)此設(shè)計(jì)的是3線8

17、線譯碼器74LS138，其中 A2 、A1 、A0 為地址輸入端，為譯碼輸出端，S1、為使能端。其功能為：當(dāng)S11，0時(shí)，器件使能，地址碼所指定的輸出端有信號(hào)（為0）輸出，其它所有輸出端均無信號(hào)（全為1）輸出。當(dāng)S10， X時(shí)，或 S1X，1時(shí)，譯碼器被禁止，所有輸出同時(shí)為1。其程序框圖如圖1-9所示。圖1-9 譯碼器的程序框圖前面板如下：第二章 虛擬數(shù)字示波器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)2.1虛擬示波器的介紹虛擬示波器是將模擬信號(hào)經(jīng)過抽樣量化，以二進(jìn)制數(shù)字形式存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)器中，并以數(shù)字方式輸出。其頻率分辨率取決于信號(hào)樣本長(zhǎng)度，只要存儲(chǔ)的容量足夠大，存儲(chǔ)的信號(hào)樣本足夠多，頻率分辨率就足夠高。分析精度取決

18、于量化誤差和計(jì)算機(jī)的字長(zhǎng)，只要保證量化誤差在一定的范圍內(nèi)和有足夠的計(jì)算機(jī)的字長(zhǎng)，即可實(shí)現(xiàn)高精度測(cè)量，至于處理速度，完全取決于計(jì)算機(jī)的運(yùn)行速度。由于計(jì)算機(jī)技術(shù)的高速發(fā)展，以個(gè)人計(jì)算機(jī)為核心的虛擬示波器實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)處理是非常容易的。其主要特點(diǎn)是:(l)處理速度快處理速度對(duì)于一個(gè)具有信號(hào)分析功能的設(shè)備來說是非常重要的，它不僅直接影響工作效率，而且還影響到分析的質(zhì)量。用本示波器的FFT功能處理1024點(diǎn)數(shù)據(jù)僅以毫秒為計(jì)時(shí)單位，這就能更正確地反映被分析信號(hào)的特征。(2)多功能傳統(tǒng)儀器大多是單功能的儀器，一臺(tái)儀器只能完成一種固定功能，如濾波器、頻譜分析儀、信號(hào)發(fā)生器等。但是本儀器卻是一種多功能的綜合設(shè)備，例如

19、，可以對(duì)信號(hào)進(jìn)行頻譜分析、相位分析等。集許多功能于一身。是一種理想的示波和分析系統(tǒng)。(3)頻率分辨率高模擬信號(hào)處理的一個(gè)很大的缺點(diǎn)是頻率的分辨率不高，這主要原因是模擬濾波器的通帶不可能做的很窄，它受到技術(shù)的限制。但虛擬示波器采用數(shù)字運(yùn)算，頻率分辨率取決于被分析信號(hào)的長(zhǎng)度，即信號(hào)的持續(xù)時(shí)間，使信號(hào)的持續(xù)時(shí)間是T，則頻率分辨率為f=1/T。只要T足夠長(zhǎng)，分辨率就足夠高。例如，若抽樣頻率為IkHz，樣本數(shù)取1024點(diǎn)(相當(dāng)于T=ls)，則頻率分辨率為IHz。(4)分析精度高，穩(wěn)定可靠在虛擬示波器中，影響系統(tǒng)精度的因素主要有兩個(gè):A/D轉(zhuǎn)換器精度和數(shù)字運(yùn)算所取的字長(zhǎng)。本文中A/D轉(zhuǎn)換器選用12位，轉(zhuǎn)換

20、誤差小于ILSB，運(yùn)算中字長(zhǎng)的選擇和減小計(jì)算誤差的措施可以保證所要求的計(jì)算精度。本儀器是一個(gè)數(shù)字處理系統(tǒng)，具有數(shù)字計(jì)算機(jī)的基本結(jié)構(gòu)，從而具備了重復(fù)性好、穩(wěn)定可靠等優(yōu)點(diǎn)。(5)虛擬示波器不僅具有一般儀器所具有的操作面板，還具有計(jì)算機(jī)常用的輸入輸出設(shè)備，還可隨時(shí)在計(jì)算機(jī)磁盤中對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行讀寫操作，給用戶提供了極大的方便。2.2軟件設(shè)計(jì)思想 創(chuàng)建虛擬儀器的過程共分三步：(1)設(shè)計(jì)虛擬儀器的前面板。虛擬儀器的交 互式用戶接口被稱為前而板，它是模仿實(shí)際儀器的面板。前面板包含旋鈕、按鈕， 圖形和其他控制與顯示對(duì)象，通過鼠標(biāo)和鍵盤為控制對(duì)象輸入數(shù)據(jù)，在計(jì)算機(jī)屏 幕上觀看結(jié)果。(2)編寫虛擬儀器流程圖。

21、流程圖是一個(gè)編程問題的圖形化解決 方案(也是虛擬儀器的源代碼)。虛擬儀器從流程圖中接受命令。(3)確定虛 擬儀器的圖標(biāo)和連接(表示某一虛擬子儀器)的參數(shù)列表，圖標(biāo)和連接允許將此儀 器作為最高級(jí)的程序，也可以作為其他程序或子程序中的程序(子儀器)。 采用模塊化的軟件設(shè)計(jì)思想編寫，每個(gè)功能的實(shí)現(xiàn)由一個(gè)模塊完成，系統(tǒng)軟件總體包括數(shù)據(jù)采集、參數(shù)測(cè)量、頻譜分析、濾波及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和回放等模塊，最終實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、處理、記錄、顯示等功能口l。系統(tǒng)組成如圖2-1：圖2-1系統(tǒng)組成框圖2.3 前面板設(shè)計(jì)LabVIEW前面板用于設(shè)置輸入數(shù)值和觀察輸出量，用于模擬真實(shí)示波器的前面板。由于虛擬面板直接面向用戶，是虛擬示波

22、器控制軟件的核心。設(shè)計(jì)前面板時(shí)，主要考慮界面美觀，操作簡(jiǎn)潔，用戶可以通過前面板中的開關(guān)和旋鈕模擬傳統(tǒng)儀器的操作，通過鍵盤和鼠標(biāo)實(shí)現(xiàn)對(duì)虛擬示波器的控制。前面板上設(shè)有各個(gè)功能模塊按鈕，當(dāng)按下相應(yīng)按鈕時(shí)，即可調(diào)用該子程序。根據(jù)傳統(tǒng)示波器的面板控鍵的功能，利用LabVIEW中的控制模板，分別在設(shè)計(jì)面板上放入模擬實(shí)際控鍵的顯示器、通道選擇控鍵、垂直增益控鍵、觸發(fā)源、觸發(fā)電平、時(shí)基控制等。例如：打開LabVIEW前面板編輯窗口，點(diǎn)擊鼠標(biāo)右鍵，顯示控制模板，選擇GraphWaveform Graph，作為示波器的顯示器，它可以顯示一個(gè)或多個(gè)波形。在顯示器模板上點(diǎn)擊鼠標(biāo)右鍵，對(duì)其進(jìn)行屬性設(shè)置，如根據(jù)示波器的頻

23、率與幅度值的變化，利用工具模板中的文字工具，對(duì)顯示器橫(時(shí)間)、縱(幅度)坐標(biāo)的刻度重新設(shè)置。用Graph控鍵設(shè)計(jì)的示波器是完全同步的，波形穩(wěn)定。點(diǎn)擊Show Control PaletteClassic ControlsBooleanHorizontal Slide Switch選擇開關(guān)，設(shè)置觸發(fā)斜坡控鍵(極性)，開關(guān)可對(duì)正、負(fù)斜坡進(jìn)行選擇。點(diǎn)擊Show Control PaletteNumericDial作為選擇開關(guān)，設(shè)置掃描速率和垂直靈敏度等各種控鍵，它們使用的是同一種旋鈕式控鍵。根據(jù)控鍵所起作用和使用需要，對(duì)各控件進(jìn)行性質(zhì)設(shè)置。如垂直靈敏度控鍵，設(shè)置三個(gè)刻度點(diǎn)(05Wdiv，1 Vdi

24、v，2W div)，當(dāng)置于不同檔時(shí)，可改變波形的垂直方向的靈敏度?！皰呙杷俾省笨劓I的設(shè)置與“垂直靈敏度”相似，單位是“msdiv”，當(dāng)選擇不同檔位時(shí)，顯示器的橫坐標(biāo)刻度間隔分別以2msdiv，4msdiv和8msdiv變化，以達(dá)到改變波形的水平方向的掃描速度。按BooleanVertical Switch路徑，設(shè)置“通道選擇”控鍵。設(shè)置三個(gè)選擇檔，分別是“A”、“B”和“A&B”，用來實(shí)現(xiàn)單通道和雙通道顯示的功能。軟面板程序用來提供用戶與虛擬示波器的接口。當(dāng)按下“采集”按鈕，然后運(yùn)行程序就可以開始采集信號(hào)。用戶可以進(jìn)行單通道和雙通道的任意切換：各種功能模塊的實(shí)現(xiàn)在面板上都對(duì)應(yīng)著相應(yīng)的按

25、鈕，按下該按鈕就可以調(diào)出該模塊子程序。在子程序中按下返回鍵就回到主程序面板。設(shè)計(jì)的前面板如圖22所示。圖2-2虛擬示波器前面板24信號(hào)采集模塊數(shù)據(jù)采集模塊是虛擬示波器軟件的核心，主要完成數(shù)據(jù)的采集。包括觸發(fā)控制、通道控制和時(shí)基控制等。觸發(fā)控制主要包括觸發(fā)方式控制，觸發(fā)斜坡控制和觸發(fā)電平控制。通道控制主要控制單通道或者是雙通道測(cè)量。時(shí)基控制主要控制采集卡的掃描率及采樣數(shù)。采集中主要用到的函數(shù)有CreatDevice、InitDeviceProAD、ReadDeviceProAD_NotEmpty、 ReleaseDeviceProAD和 ReleaseDevice。CreatDevice負(fù)責(zé)創(chuàng)建

26、PCI設(shè)備對(duì)象，并返回其設(shè)備對(duì)象句柄。InitDeviceProAD負(fù)責(zé)初始化設(shè)備對(duì)象中的AD部件，為設(shè)備操作就緒有關(guān)工作，如預(yù)置AD采集通道，采樣頻率等。ReadDeviceProAD_NotEmpty讀取設(shè)備上的AD數(shù)據(jù)，ReleaseDeviceProAD釋放設(shè)備上的AD部件，ReleaseDevice釋放設(shè)備對(duì)象所占用的系統(tǒng)資源及設(shè)備對(duì)象自身。2.5信號(hào)測(cè)量和分析控制模塊這個(gè)模塊主要由三個(gè)基本的功能模塊組成:電壓測(cè)量模塊、頻率和相位測(cè)量模塊、頻譜分析模塊組成。電壓測(cè)量模塊主要完成對(duì)電壓幅值、電壓有效值、電壓的頻率及周期等參數(shù)的測(cè)量，并將結(jié)果顯示出來。頻率和相位測(cè)量模塊主要是利用李沙育圖

27、形來測(cè)量被測(cè)信號(hào)的頻率以及相位角。頻譜分析模塊主要是采用FFT變換，實(shí)現(xiàn)頻域信號(hào)的分析，包括幅值頻譜、相位頻譜以及功率譜分析。這三個(gè)功能模塊分別由三個(gè)子VI來實(shí)現(xiàn)的。2.6虛擬示波器的具體軟件設(shè)計(jì)本文開發(fā)的虛擬示波器是采用模塊化設(shè)計(jì)，借助于LabV工EW提供的可視化集成開發(fā)環(huán)境，我們可以很方便的設(shè)計(jì)出用戶所需要的虛擬儀器。本虛擬儀器的程序框圖如圖2-3所示。圖2-3虛擬示波器程序框圖該示波器是由一個(gè)主程序和幾個(gè)子程序組成的。每一個(gè)子程序?qū)嶋H上都是能實(shí)現(xiàn)一定功能、完成一定任務(wù)的虛擬儀器(通常稱為“子VI”)，主程序通過對(duì)子程序的調(diào)用，來實(shí)現(xiàn)信號(hào)的采集、分析、處理等功能，使虛擬示波器具有層次化和模

28、塊化的結(jié)構(gòu)。下面對(duì)各主要子虛擬儀器(子Vl)做個(gè)簡(jiǎn)介。(1)“通道選擇”子程序該子程序主要是實(shí)現(xiàn)對(duì)通道的選擇，有三種選擇方式:A通道、B通道、A&B，選擇不同的通道可以實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入信號(hào)的選取。(2) 數(shù)據(jù)存盤子程序該子程序可以實(shí)現(xiàn)對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行存取，以備以后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理。(3)數(shù)據(jù)讀取子程序該子程序主要是實(shí)現(xiàn)對(duì)被保存數(shù)據(jù)的讀取和波形的回放，能直觀地觀察到被采集到的數(shù)據(jù)波形。 (4)頻譜分析子程序該子程序主要是通過短時(shí)傅立葉變換(FFT)實(shí)現(xiàn)信號(hào)的譜分析，這里主要包括幅值譜、相位譜和功率譜分析。當(dāng)然可以在這個(gè)基礎(chǔ)上根據(jù)你的實(shí)際需要進(jìn)行改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)頻率響應(yīng)函數(shù)分析和相干函數(shù)分析。

29、(5)測(cè)量子程序該子程序主要是實(shí)現(xiàn)對(duì)電信號(hào)的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行測(cè)量，被測(cè)的參數(shù)包括交流有效值、支流分量、峰一峰值、最大值、最小值、振動(dòng)幅值等等。從而得到被測(cè)信號(hào)的相關(guān)待測(cè)參數(shù)。（6)頻率和相位測(cè)量子程序該子程序的兩個(gè)主要功能是:通過李沙育圖形來確定被測(cè)信號(hào)的頻率和相位角。本小節(jié)討論了虛擬示波器的實(shí)現(xiàn)技術(shù)，并對(duì)信號(hào)的采樣技術(shù)和波形的顯示技術(shù)做了仔細(xì)的研究。虛擬示波器的軟件設(shè)計(jì)采用模塊化的設(shè)計(jì)思想，實(shí)現(xiàn)了數(shù)字存儲(chǔ)示波器的各種功能，并且在原有功能的基礎(chǔ)上增加了對(duì)信號(hào)的分析處理功能?；贚abvIEW強(qiáng)大的功能，軟件實(shí)現(xiàn)較為方便，有效地節(jié)省了開發(fā)的時(shí)間。第三章 基于虛擬儀器的實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)方案任何一臺(tái)儀器從功能

30、上來說無非由以下三大功能模塊組成：信號(hào)的采集與控制、信號(hào)的分析與處理、結(jié)果的表達(dá)與輸出。虛擬儀器就是將這三大模塊的功能盡可能用計(jì)算機(jī)來實(shí)現(xiàn)。大多數(shù)虛擬儀器是由計(jì)算機(jī)來完成信號(hào)的分析和處理、結(jié)果的表達(dá)與輸出這兩個(gè)功能塊的部分或全部功能。也就是說，虛擬儀器是由計(jì)算機(jī)硬件資源、模塊化儀器硬件和用于數(shù)據(jù)分析、過程通訊及圖形用戶界面(GUI)的控制軟件組成，在軟件控制下，由模塊化儀器硬件進(jìn)行測(cè)量信號(hào)的數(shù)據(jù)的采集，數(shù)據(jù)采集完畢后，傳給計(jì)算機(jī)，軟件再進(jìn)行數(shù)據(jù)的分析處理，通過圖形用戶界面等方式將結(jié)果顯示給用戶。虛擬儀器系統(tǒng)構(gòu)成，參見圖3-1。圖31虛擬儀器系統(tǒng)構(gòu)成31虛擬儀器實(shí)驗(yàn)室的硬件平臺(tái)我們知道虛擬儀器的

31、硬件主要是由計(jì)算機(jī)和IO接口設(shè)備兩部分組成的。按照構(gòu)成虛擬儀器的接口總線的不同，分為數(shù)據(jù)采集插卡式(DAQ)虛擬儀器、RS232RS485虛擬儀器、并行接口虛擬儀器、USB虛擬儀器、GPIB虛擬儀器、VXI虛擬儀器、PXI虛擬儀器以及最新的IEEEl394接口虛擬儀器。以下對(duì)這些類型的虛擬儀器總線進(jìn)行分析比較，根據(jù)自身的條件確定適合實(shí)驗(yàn)室需要的建設(shè)方案。311 DAQ虛擬儀器系統(tǒng)DAQ(Data AcquiSition)，即數(shù)據(jù)采集儀器，是一種比較典型的虛擬儀器，它的出現(xiàn)和發(fā)展與計(jì)算機(jī)密切相關(guān)。DAQ儀器以微型計(jì)算機(jī)為平臺(tái)，將計(jì)算機(jī)硬件積計(jì)算機(jī)軟件結(jié)合起來，實(shí)現(xiàn)特定的儀器測(cè)量和分析功能，它具有

32、性價(jià)比高、設(shè)計(jì)手段靈活、通用性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用前景非常廣闊。DAQ儀器設(shè)計(jì)都是基于某一種總線迸行的，因此總線的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范將對(duì)所設(shè)計(jì)的儀器系統(tǒng)的性能，包括結(jié)構(gòu)上的先進(jìn)性、可靠性、兼容性及擴(kuò)充和升級(jí)等方面起到關(guān)鍵作用。下面主要研究基于PCI總線的DAQ虛擬儀器系統(tǒng)。一個(gè)由PCDAQPCI插卡式虛擬儀器組成的多通道多參量測(cè)量系統(tǒng)如圖32所示。該測(cè)量系統(tǒng)由兩大部分構(gòu)成：傳感器及其調(diào)理電路部分和DAQ虛擬儀器硬件平臺(tái)。圖3-2多通道多參量PC-DAQPCI插卡式虛擬儀器1傳感器及其調(diào)理電路在該系統(tǒng)中，計(jì)算機(jī)要想取得現(xiàn)場(chǎng)的各種參數(shù)，就必須先用傳感器將各種物理量轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，只有那些數(shù)值大小合適的電壓信號(hào)才可

33、以直接進(jìn)入虛擬儀器平臺(tái)，大多數(shù)被測(cè)信號(hào)要經(jīng)傳感器及其調(diào)理電路變送后才能進(jìn)入虛擬儀器系統(tǒng)。傳感器完成信號(hào)的獲取，它將被測(cè)參量轉(zhuǎn)換成相應(yīng)可用于輸出的電信號(hào)。傳感器輸出的電信號(hào)大多數(shù)不能直接輸送到顯示、記錄或分析儀器中去。其主要原因是：大多數(shù)傳感器輸出的電信號(hào)很微弱，需要進(jìn)一步放大，有的還要進(jìn)行阻抗變換；有些傳感器輸出的是電參量，要轉(zhuǎn)換為電能量：輸出信號(hào)中混雜有干擾噪聲，需要去掉噪聲，提高信噪比；若測(cè)試工作僅對(duì)部分頻段的信號(hào)感興趣，則有必要從輸出信號(hào)中分離出所需的頻率成分；當(dāng)采用數(shù)字式儀器、儀表和計(jì)算機(jī)時(shí)，模擬輸出信號(hào)還要轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)等等。因此，傳感器的輸出信號(hào)要經(jīng)過適當(dāng)?shù)恼{(diào)理，使之與后續(xù)測(cè)試環(huán)節(jié)

34、相適應(yīng)。故調(diào)理電路的基本作用有三個(gè)：放大：將微弱電壓信號(hào)放大。轉(zhuǎn)換：將非電壓輸出信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)。濾波：濾除高頻干擾，限制信號(hào)的最高頻率fmax避免產(chǎn)生混淆和混疊。如果信號(hào)調(diào)理電路輸出的是規(guī)范化的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，即420mA電流信號(hào)(經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)電阻轉(zhuǎn)換為15v2IOV標(biāo)準(zhǔn)電壓信號(hào))，則稱這種信號(hào)調(diào)理電路為變送器。2DAO虛擬儀器硬件平臺(tái)DAQ虛擬儀器的硬件平臺(tái)由Pc計(jì)算機(jī)與數(shù)據(jù)采集卡(DAQ卡)組成。數(shù)據(jù)采集卡(DAQ卡)由以下幾個(gè)部分組成：多路開關(guān)。將各路信號(hào)輪流切換到放大器的輸入端，實(shí)現(xiàn)多參數(shù)多路信號(hào)的分時(shí)采集。放大器。將前一級(jí)多路開關(guān)切換進(jìn)入待采集的信號(hào)進(jìn)行放大(或衰減)至采樣環(huán)節(jié)的量程范圍內(nèi)。

35、通常實(shí)際系統(tǒng)中放大器做成增益可調(diào)的放大器，設(shè)計(jì)者可根據(jù)輸入信號(hào)不同的幅值選擇不同的增益倍數(shù)。采樣保持器。取出待測(cè)信號(hào)在某一瞬時(shí)的值(即實(shí)現(xiàn)信號(hào)的時(shí)間離散化)，并在AD轉(zhuǎn)換過程中保持信號(hào)不變。AD轉(zhuǎn)換器。將輸入的模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量輸出，并完成信號(hào)幅值的量化。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，目前通常將采樣保持器與AD轉(zhuǎn)換器集成在一塊芯片上。以上四個(gè)部分都處在計(jì)算機(jī)的前向通道，是組成數(shù)據(jù)采集卡的主要環(huán)節(jié)，與其它有關(guān)電路如定時(shí)計(jì)數(shù)器、總線接口電路等制作在一塊印刷電路板上，即構(gòu)成數(shù)據(jù)采集卡(DAQ卡)，完成對(duì)信號(hào)數(shù)據(jù)的采集、放大和模數(shù)轉(zhuǎn)換任務(wù)。很多數(shù)據(jù)采集卡印刷電路板上，還裝有數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DA)，DA處在Pc計(jì)算機(jī)

36、的后向通道，即輸出通道，用于將計(jì)算機(jī)輸出的數(shù)字量轉(zhuǎn)換為模擬量，從而實(shí)現(xiàn)控制功能。3在LabVIEW中DAQ設(shè)備的配置通常情況下，在LabVIEW中安裝和配置DAQ設(shè)備的步驟如下：DAQ硬件板卡的安裝；使用LabVIEW自帶的Io配置工具選擇確定地址、中斷等基本參數(shù)使用DAQ Channel Wizard配置I0通道；進(jìn)行LabVlEW DAQ編程。312 GPIB虛擬儀器系統(tǒng)目前，工程中的儀器設(shè)備種類繁多、功能各異，一個(gè)系統(tǒng)經(jīng)常需要連接多臺(tái)不同類型的儀器協(xié)同工作，這就需要一種能夠?qū)⒁幌盗袃x器設(shè)備和計(jì)算機(jī)聯(lián)成整體的接口系統(tǒng)。GPIB(General Purpose Interface Bus)正

37、是這樣的接口，從此，電子測(cè)量由獨(dú)立的、傳統(tǒng)的單個(gè)儀器向大規(guī)模自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的方向發(fā)展。GPIB接口是一種8位數(shù)字并行通訊接口，其數(shù)據(jù)傳輸速度為iMbytes。GPIB設(shè)備分為聽者(Listeners)、說者(Talkers)和控制器(controllers)。說者負(fù)責(zé)發(fā)出消息(數(shù)據(jù)或命令)，聽者負(fù)責(zé)接收消息(數(shù)據(jù)或命令)，控制器(通常是一臺(tái)計(jì)算機(jī))負(fù)責(zé)管理總線上的消息，并指定通訊連接和發(fā)送GPIB命令到指定的設(shè)備。有些GPIB設(shè)備在不同的時(shí)候可以扮演不同角色，有時(shí)充當(dāng)說者，有時(shí)充當(dāng)聽者，有時(shí)又作為控制器。GPIB接口的優(yōu)點(diǎn)在于通過一個(gè)接口可以將多個(gè)GPIB設(shè)備連接在一起，同時(shí)完成多種不同物理量的

38、測(cè)量。GPIB的基地址共有31個(gè)，為了獲得較高的數(shù)據(jù)傳輸速度，連接設(shè)備一般不超過14個(gè)，對(duì)于普通的測(cè)量這已經(jīng)足夠了。開發(fā)基于GPlB總線的虛擬儀器一般需要如下硬件：計(jì)算機(jī)、帶有GPIB接口的測(cè)試儀器、GPIB接口卡和GPIB連接電纜。測(cè)試儀器的類型及數(shù)量取決于實(shí)際的測(cè)試要求，儀器本身還要有與之配套的傳感器。GPIB接口卡主要用于將儀器與計(jì)算機(jī)相連，各GPIB接口之間用GPIB連接電纜連接。采用GPIB系統(tǒng)組建虛擬儀器系統(tǒng)具有明顯的優(yōu)越性：采用位并行，字節(jié)串行，雙向異步的數(shù)據(jù)傳輸方式，并使用了三線連鎖掛鉤技術(shù)；具有廣泛的靈活性和通用性；成本低，使用方便。313 VXI虛擬儀器系統(tǒng)VXlbus是W

39、Egus在儀器領(lǐng)域的擴(kuò)展(VMEbus eXtensions for fnstrumentation)，是計(jì)算機(jī)操縱的模塊化自動(dòng)儀器系統(tǒng)。VXI系統(tǒng)為虛擬儀器概念的實(shí)現(xiàn)提供了理想的環(huán)境。VXlbus標(biāo)準(zhǔn)和VPP規(guī)范的建立，使高密度、高效率、高速度、高度開放性、高可靠性和高度規(guī)范化的模塊化儀器走上了標(biāo)準(zhǔn)化的道路，為自動(dòng)測(cè)試技術(shù)的發(fā)展提供了新的技術(shù)支持，從而得到了積極的響應(yīng)、迅速發(fā)展和推廣應(yīng)用。VXI總線系統(tǒng)或者其子系統(tǒng)由一個(gè)VXIbus主機(jī)箱、若干VXIbus器件、一個(gè)VXIbus資源管理器和主控制器組成。VXI總線控制方式分為嵌入式和外接式兩類。嵌入式VXI控制方式就是把計(jì)算機(jī)做成VXIbus

40、模塊，直接安裝到VXI主機(jī)箱中，并通常占據(jù)0槽位置。采用嵌入式控制器的VXl系統(tǒng)具有最小可能的體積。嵌入式控制器能夠直接訪問VXIbus背板信號(hào)，并直接讀寫VXIbus器件的寄存器，而不會(huì)像外接控制器那樣進(jìn)行總線轉(zhuǎn)換而引入軟件開銷，因此具有最高的數(shù)據(jù)傳輸性能。外接式控制方式可以通過GPIB總線或者IEEE一1394總線及相應(yīng)的接口電路實(shí)現(xiàn)對(duì)VXI系統(tǒng)控制。外接式VXI控制方式是一種靈活而且性能價(jià)格比很高的控制方案，得到了十分廣泛的應(yīng)用。314 PXI虛擬儀器系統(tǒng)PXI(PCI eXtensions for Instrumentation)定義為用于測(cè)試、測(cè)量和控制應(yīng)用，基于PC的一種小型模塊化

41、儀器平臺(tái)。PXI基于PCI，并利用CompactPCI規(guī)范，所以它具有PCI的一些優(yōu)點(diǎn)：較低的成本，不斷提高的性能，以及為最終用戶提供的主流軟件模型。PXl結(jié)構(gòu)最初是在1997年由NI公司提出，旨在幫助用戶開發(fā)一種低成本測(cè)試系統(tǒng)同時(shí)還要堅(jiān)固耐用，并在多個(gè)工業(yè)領(lǐng)域都能滿足生產(chǎn)和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試要求。如今，PXI已經(jīng)成為測(cè)試、測(cè)量和自動(dòng)化應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)平臺(tái)，它的開放式構(gòu)架、靈活性和PC技術(shù)的成本優(yōu)勢(shì)為測(cè)量和自動(dòng)化行業(yè)帶來了一場(chǎng)翻天覆地的改革。PXI的規(guī)格區(qū)分為硬件與軟件兩個(gè)部分。其中硬件部分是基于CompactPCI的規(guī)格，建構(gòu)于CompactPCI的機(jī)構(gòu)規(guī)格與PCI的電氣規(guī)格之上，加上儀器上所需要的電氣信號(hào)

42、延伸，即是所謂PXI的規(guī)格。所以，PXI的數(shù)據(jù)傳輸速率的峰值在33MHz、32 bit的總線上，可達(dá)132MBs；在66 IVHz、64 bit的總線上更可高達(dá)528MBs，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于GPIB與VXI接口的傳輸速率。為更適于工業(yè)應(yīng)用，PXI總線方式為PCI總線內(nèi)核技術(shù)增加了成熟的技術(shù)規(guī)范和要求，增加了多板同步觸發(fā)總線的技術(shù)規(guī)范，以便應(yīng)用于相鄰模塊的高速通訊總線。PXI還具有高度的可擴(kuò)展性：PXI具有8個(gè)擴(kuò)展槽，通過使用PCIPCI橋接器，可擴(kuò)展到256個(gè)擴(kuò)展槽，而臺(tái)式PCI系統(tǒng)只有34個(gè)擴(kuò)展槽，臺(tái)式PC的性能價(jià)格比和PCI總線面向儀器領(lǐng)域的擴(kuò)展優(yōu)勢(shì)結(jié)合起來，便形成了出色的虛擬儀器平臺(tái)。315 U

43、SB和IEEEl394虛擬儀器系統(tǒng)USB通用串行總線(Universal serial bus)和IEEEl394總線(30nq Fireware總線)是被PC機(jī)廣泛采用的兩種總線，它們已被集成到計(jì)算機(jī)主板上。USB總線能以雛菊鏈方式連接127個(gè)裝置，需要一對(duì)信號(hào)線及電源線。USB 20標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)傳輸率能達(dá)到480Mbps。該總線具有輕巧簡(jiǎn)便、價(jià)格便宜、連接方便快捷的特點(diǎn)，現(xiàn)在已被廣泛用于寬帶數(shù)字?jǐn)z像機(jī)、掃描儀、打印機(jī)及存儲(chǔ)設(shè)備。IEEEl394總線是由蘋果公司于1989年設(shè)計(jì)的高性能串口總線，目前傳輸速率為100；200、400Mbps，將來可達(dá)32Gbps。這種總線需要兩對(duì)信號(hào)線和一對(duì)電源

44、線，可以用任意方式連接63個(gè)裝置，它是專為需要大數(shù)據(jù)量串行傳送的數(shù)碼相機(jī)、硬盤等設(shè)計(jì)的。USB及rEEE一1394總線均具有“即插即用”的能力和自動(dòng)識(shí)別功能，都擁有400M左右的帶寬，兩者都支持同步和異步傳輸，與并行總線相比，更適合于連接多外設(shè)的需要。這兩類總線技術(shù)是當(dāng)前虛擬儀器技術(shù)研究的熱點(diǎn)。316 RS一232虛擬儀器系統(tǒng)RS一232接口是目前最常用的一種串行通訊接口。它是在1970年由美國(guó)電子工業(yè)協(xié)會(huì)(EtA)聯(lián)合貝爾系統(tǒng)、調(diào)制解調(diào)器廠家及計(jì)算機(jī)終端生產(chǎn)廠家共同制定的用于串行通訊的標(biāo)準(zhǔn)。它的全名是“數(shù)據(jù)終端設(shè)備(DTE)和數(shù)據(jù)通訊設(shè)備(DCE)之間串行二進(jìn)制數(shù)據(jù)交換接口技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)”。圖3-

45、3 RS一232虛擬儀器系統(tǒng)串行接口(RS一232)是PC機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)配置，它用于數(shù)據(jù)的串行傳輸。其特點(diǎn)是開發(fā)和應(yīng)用簡(jiǎn)單，在通信距離較近，數(shù)據(jù)傳輸率要求不高的情況下，可直接采用。采用RS一232串行總線結(jié)構(gòu)建的虛擬儀器硬件平臺(tái)有以下幾方面的優(yōu)點(diǎn)：lRS一232總線與GPIB總線、VXI總線、PXI總線相比，它的接口簡(jiǎn)單、使用方便，應(yīng)用于速度較低的測(cè)量系統(tǒng)中，其優(yōu)勢(shì)十分明顯。2目前，有許多測(cè)量?jī)x器都帶有RS一232總線接口，與這些儀器相組合，構(gòu)成特定的虛擬儀器，能夠有效的提高原有儀器的自動(dòng)化程度及測(cè)量的精度和效率。3與目前使用最多的PCDAQ型結(jié)構(gòu)相比，RS一232虛擬儀器系統(tǒng)雖然速度有所降低，但價(jià)

46、格低廉使用更加靈活。32虛擬儀器實(shí)驗(yàn)室的軟件平臺(tái)虛擬儀器的軟件框架從低層到頂層，包括三部分；VISA庫(kù)、儀器驅(qū)動(dòng)程序、應(yīng)用軟件。圖34虛擬儀器的軟件結(jié)構(gòu)321虛擬儀器軟件體系結(jié)構(gòu)(VISA)1VISA的由來在以往的虛擬儀器開發(fā)過程中，I0接口設(shè)備驅(qū)動(dòng)控制軟件的開發(fā)沒有制定共同的規(guī)范，儀器廠商按照各自的標(biāo)準(zhǔn)開發(fā)IO接口設(shè)各驅(qū)動(dòng)控制軟件出售給用戶。由于沒有統(tǒng)一的規(guī)范約束，只能專用而沒有通用性，因此不同類型的或不同廠家的W接口設(shè)備必須專門米設(shè)計(jì)它的驅(qū)動(dòng)程序。由于這種不可互換性，因而造成用戶在集成、使用和維護(hù)虛擬儀器系統(tǒng)時(shí)重復(fù)投入了大量的資金。為了推動(dòng)虛擬儀器軟件標(biāo)準(zhǔn)化的進(jìn)程，VXIPlug&

47、Play聯(lián)盟于1996年完成了對(duì)VISA規(guī)范的開發(fā)工作，并將各個(gè)函數(shù)的原型以標(biāo)準(zhǔn)的形式發(fā)布。2VISA簡(jiǎn)介VISA(Virtual InstrumentatiOrsoftware Architecture)，即虛擬儀器軟件體系結(jié)構(gòu)，實(shí)質(zhì)就是標(biāo)準(zhǔn)的IO函數(shù)庫(kù)及其相關(guān)規(guī)范的總稱。一般稱這個(gè)IO函數(shù)庫(kù)為VISA庫(kù)。它駐留于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)之中執(zhí)行儀器總線的特殊功能，是計(jì)算機(jī)與儀器之間的軟件層連接，以實(shí)現(xiàn)對(duì)儀器的程控。它對(duì)于儀器驅(qū)動(dòng)程序開發(fā)者來說是一個(gè)可調(diào)用的操作函數(shù)集，通過它可以直接訪問計(jì)算機(jī)的硬件設(shè)備。322儀器驅(qū)動(dòng)程序儀器驅(qū)動(dòng)程序是完成對(duì)某一特定儀器控制與通信的軟件程序集。它是應(yīng)用程序?qū)崿F(xiàn)儀器控制的橋

48、梁。每個(gè)儀器模塊都有自己的儀器驅(qū)動(dòng)程序，儀器廠商以源碼的形式提供給用戶。儀器驅(qū)動(dòng)程序的實(shí)質(zhì)是為用戶提供了用于儀器操作的較抽象的操作函數(shù)集。對(duì)于應(yīng)用程序來說，它對(duì)儀器的操作是通過儀器驅(qū)動(dòng)程序來實(shí)現(xiàn)的。儀器驅(qū)動(dòng)程序?qū)τ趦x器的操作與管理，又是通過輸入輸出(IO)軟件所提供的統(tǒng)一基礎(chǔ)與格式的函數(shù)庫(kù)(VISA庫(kù))的調(diào)用來實(shí)現(xiàn)的。對(duì)于應(yīng)用程序設(shè)計(jì)人員來說，一旦有了儀器驅(qū)動(dòng)程序，在不是十分了解儀器內(nèi)部操作過程的情況下，也可以進(jìn)行虛擬儀器系統(tǒng)的設(shè)計(jì)工作。在過去，用戶只能見到儀器驅(qū)動(dòng)程序的引出函數(shù)原型，儀器供應(yīng)廠家將源程序“神秘”地隱藏起來。用戶一旦發(fā)現(xiàn)供應(yīng)廠家提供的儀器驅(qū)動(dòng)程序不能完全符合使用要求時(shí)，也無法對(duì)

49、其做出修改，儀器的功能由供應(yīng)廠家而不是由用戶本身來規(guī)定的。而VPP規(guī)范明確規(guī)定儀器生產(chǎn)廠家在提供儀器模塊的同時(shí)，必須提供儀器驅(qū)動(dòng)程序的源程序文件與動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)(DLL)文件，并且由于儀器驅(qū)動(dòng)程序的編寫是在VISA的基礎(chǔ)上，因此儀器驅(qū)動(dòng)程序之間有很大的互參考性，儀器驅(qū)動(dòng)程序的源程序也容易理解。這樣，用戶就可以修改儀器驅(qū)動(dòng)程序，可以對(duì)儀器功能進(jìn)行擴(kuò)展，將儀器使用的主動(dòng)權(quán)真正交給了用戶。323應(yīng)用軟件應(yīng)用軟件是建立在儀器驅(qū)動(dòng)程序之上，直接面對(duì)操作用戶，通過提供直觀友好的測(cè)控操作界面、豐富的數(shù)據(jù)分析與處理功能，來完成自動(dòng)測(cè)試任務(wù)。應(yīng)用軟件還包括通用數(shù)字處理軟件。通用數(shù)字處理軟件包括用于數(shù)字信號(hào)處理的各種

50、功能函數(shù)，例如關(guān)于頻域分析的功率譜估計(jì)、FFT、FHT、逆FFT、逆FHT和細(xì)化分析等：時(shí)域分析的相關(guān)分析、卷積運(yùn)算、反卷運(yùn)算、均方根估計(jì)、差分積分運(yùn)算和排序等；以及數(shù)字濾波等等。這些功能函數(shù)為用戶進(jìn)一步擴(kuò)展虛擬儀器的功能提供了基礎(chǔ)。第四章 論文總結(jié)數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)和教學(xué)儀器技術(shù)的發(fā)展是本文理論知識(shí)的基礎(chǔ)，而虛擬儀器的基本思想和LabVIEw開發(fā)平臺(tái)則是程序開發(fā)設(shè)計(jì)過程中有力的工具。通過基礎(chǔ)性的理論知識(shí)，從而很好地運(yùn)用開發(fā)工具，并解決了在開發(fā)過程中所遇到的問題，開發(fā)出有實(shí)用價(jià)值的虛擬儀器綜合實(shí)驗(yàn):通過功能強(qiáng)大的開發(fā)平臺(tái)，將理論知識(shí)轉(zhuǎn)化為有效的、實(shí)用的教學(xué)工具。通過對(duì)課題的研究與開發(fā)，可以得出以下結(jié)論:(1)本文中開發(fā)的虛擬實(shí)驗(yàn)儀器對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)的分析處理、并生動(dòng)直觀地顯示出運(yùn)行數(shù)據(jù)、同時(shí)可進(jìn)行波形回放、存儲(chǔ)和打印數(shù)據(jù)結(jié)果。將這些虛擬儀器應(yīng)用到實(shí)驗(yàn)教學(xué)中去，以取代常規(guī)儀器，實(shí)際教學(xué)中可根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求，自行設(shè)計(jì)各種軟面板，定義儀器的功能并可以各種形式表達(dá)輸出檢測(cè)結(jié)果，進(jìn)行實(shí)時(shí)仿真分析。(2)本文是在LabVIEW平臺(tái)上開發(fā)的教學(xué)用虛擬實(shí)驗(yàn)儀器:虛擬示波器，主要建立了軟件開發(fā)的主要功能模塊，通過調(diào)用外部數(shù)據(jù)采集卡AC1810，達(dá)到了虛擬示