虛擬儀器與信號(hào)處理

VirtualInstrumentationsAndSignalProcessing虛擬儀器與信號(hào)處理主要內(nèi)容一、虛擬儀器的基本概念

1。虛擬儀器的概念

2。計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

3。虛擬儀器的體系結(jié)構(gòu)二、信號(hào)處理的基本理論

1。信號(hào)與信號(hào)處理

2。信號(hào)處理基礎(chǔ)

3?，F(xiàn)代信號(hào)處理方法主要內(nèi)容三、虛擬儀器的軟件平臺(tái)

1。Labview2。Lanwindows/CVI四、練習(xí)與課程報(bào)告

1。設(shè)計(jì)練習(xí)

2。完成報(bào)告參考書：虛擬儀器原理及應(yīng)用林君，謝宣松等編著科學(xué)出版社虛擬儀器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)張易知，肖嘯等編著西電出版社

http//一、儀器的演化發(fā)展儀器是服務(wù)于人的一類裝置經(jīng)常地，我們需要借助外界裝置幫助自身的行為人的行為過程：感知分析表達(dá)控制決策輸出儀器是一類能幫助我們感知、控制客觀對(duì)象的裝置儀器的概念儀器是指能完成對(duì)信號(hào)的采集與控制、分析與處理、結(jié)果顯示或輸出三大功能的一類設(shè)備儀器的概念數(shù)據(jù)采集對(duì)象控制信號(hào)處理分析結(jié)果表達(dá)輸出儀器的形式組成

機(jī)械式儀器電子式儀器機(jī)械電子式儀器

結(jié)構(gòu)

單臺(tái)儀器疊架式儀器虛擬儀器現(xiàn)代意義上的儀器第一代儀器：模擬儀器第二代儀器：數(shù)字化儀器第三代儀器：智能儀器第四代儀器：虛擬儀器現(xiàn)代儀器的發(fā)展傳統(tǒng)儀器（數(shù)字儀器）第一代儀器：模擬儀器最早的電子儀器。基本特征是采用模擬電子技術(shù)實(shí)現(xiàn)，采用指針顯示結(jié)果。如指針式萬用表、晶體管電壓表等第二代儀器：數(shù)字化儀器數(shù)字化儀器目前相當(dāng)普及。這類儀器將模擬信號(hào)的測量轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)的測量，并以數(shù)字方式輸出最終結(jié)果。如數(shù)字電壓表、數(shù)字頻率計(jì)等儀器的發(fā)展第三代儀器：智能儀器智能儀器內(nèi)置微處理器，能進(jìn)行自動(dòng)測量，具有一定的數(shù)據(jù)處理能力，可取代部分腦力勞動(dòng)如很多的分析控制儀器第四代儀器：虛擬儀器虛擬儀器是現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)和測量技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，是傳統(tǒng)儀器觀念的一次巨大變革，是將來儀器發(fā)展的一個(gè)重要方向。儀器的發(fā)展儀器技術(shù)革命第一代到第二代數(shù)字電子技術(shù)的發(fā)展。。。數(shù)字化儀器第二代到第三代微處理器的大量應(yīng)用。。。智能化儀器缺點(diǎn)：功能獨(dú)立，結(jié)構(gòu)簡單，手動(dòng)操作，廠家定義第三代到第四代

計(jì)算機(jī)硬軟件技術(shù)的進(jìn)步。。。虛擬儀器

特點(diǎn)：利用了計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的軟硬件資源通過軟件完成儀器的功能用戶自己在屏幕上生成儀器面板

虛擬儀器－－傳統(tǒng)儀器（形式與內(nèi)容）儀器技術(shù)革命二、虛擬儀器的定義a.英國國家物理實(shí)驗(yàn)室（NPL）定義（http://www.npl.co.uk）虛擬儀器是在通用計(jì)算機(jī)（如PC機(jī)、Mac或工作站）中加上軟件和/或硬件，并使用計(jì)算機(jī)屏幕提供儀器虛擬界面的可重用測量儀器。b.NI公司的定義（http://）虛擬儀器就是在通用計(jì)算機(jī)上加上一組軟件和／或硬件，使用者在操作這臺(tái)計(jì)算機(jī)時(shí)，就象是在操作一臺(tái)他自己設(shè)計(jì)的專用電子儀器。虛擬儀器是一種軟件定義的系統(tǒng)，基于用戶需求的軟件定義了一般測量硬件的功能。c.VXIplug&play規(guī)范定義（http://）實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)分立儀器功能的一組軟件模塊，也包括與其相關(guān)或必須的硬件資源。虛擬儀器的定義虛擬儀器是在計(jì)算機(jī)上顯示傳統(tǒng)儀器面板，它將硬件電路完成的信號(hào)調(diào)理和處理功能由計(jì)算機(jī)程序完成。硬件是基礎(chǔ)軟件即儀器與傳統(tǒng)儀器一樣，虛擬儀器同樣劃分為數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析處理、顯示結(jié)果三大功能模塊。插入式DAQ卡VXI儀器GPIB儀器RS232信號(hào)處理統(tǒng)計(jì)數(shù)字濾波分析網(wǎng)絡(luò)傳輸文件I/O硬復(fù)制圖形用戶接口虛擬儀器功能模塊劃分儀器的構(gòu)成比較數(shù)據(jù)采集信號(hào)處理結(jié)果表達(dá)與儀器控制硬件（電子線路）硬件（電子線路）硬件（顯示器與旋鈕）硬件（電子線路）計(jì)算機(jī)軟件（算法）計(jì)算機(jī)硬件＋軟件（顯示器與虛擬旋鈕）傳統(tǒng)分析儀器虛擬分析儀器計(jì)算機(jī)系統(tǒng)資源儀器=A/D+CPU+軟件TheSoftwareIsInstruments儀器定義和功能的轉(zhuǎn)變傳統(tǒng)儀器廠商定義功能虛擬儀器用戶定義功能多種測試儀器的功能以軟件的形式集成于同一臺(tái)計(jì)算機(jī)虛擬儀器的優(yōu)點(diǎn)傳統(tǒng)分析儀器虛擬分析儀器儀器定義廠家用戶功能設(shè)定功能特定，與其它設(shè)備連接受到限制。面向應(yīng)用的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，可方便地與網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、外設(shè)和其它設(shè)備連接。關(guān)鍵環(huán)節(jié)硬件軟件開放性封閉式系統(tǒng)，功能固定，不能改變?；谟?jì)算機(jī)技術(shù)的開放式系統(tǒng)，靈活的軟件功能模塊。性能價(jià)格比低高，可重復(fù)使用。技術(shù)更新速度慢（周期5~10年）快（周期1~2年）開發(fā)維護(hù)開發(fā)維護(hù)費(fèi)用高軟件結(jié)構(gòu)，節(jié)省費(fèi)用虛擬儀器的發(fā)展

虛擬儀器的概念最早由美國國家儀器公司（NationalInstruments）在1986年提出虛擬儀器的雛形可以追溯到1981年由美國西北儀器系統(tǒng)公司推出的AppleII為數(shù)字存儲(chǔ)示波器，當(dāng)時(shí)被稱為個(gè)人儀器（Personal

Instrument）。1986年，NI公司推出了圖形化的虛擬儀器編程環(huán)境LabVIEW，標(biāo)志著虛擬儀器軟件設(shè)計(jì)平臺(tái)基本成型，虛擬儀器從概念構(gòu)思變?yōu)楣こ處熆蓪?shí)現(xiàn)的具體對(duì)象。虛擬儀器的發(fā)展有兩條主線:

(適合于較大型集成系統(tǒng))

(應(yīng)用于普及型系統(tǒng))PC插卡式并行口式

串口USB方式

80年代

1995年1999年GPIBVXIPXI1978年1987年1997年三、虛擬儀器的結(jié)構(gòu)虛擬儀器典型的體系結(jié)構(gòu)儀器=總線模塊＋算法虛擬儀器的分類

根據(jù)虛擬儀器所采用的總線形式不同，虛擬儀器可以分為下面幾種類型：PC-DAQ測試系統(tǒng)：以數(shù)據(jù)采集卡(DAQ卡)、計(jì)算機(jī)和虛擬儀器軟件構(gòu)成的測試系統(tǒng)。GPIB系統(tǒng)：以GPIB標(biāo)準(zhǔn)總線儀器、計(jì)算機(jī)和虛擬儀器軟件構(gòu)成的測試系統(tǒng)。VXI系統(tǒng)：以VXI標(biāo)準(zhǔn)總線儀器、計(jì)算機(jī)和虛擬儀器軟件構(gòu)成的測試系統(tǒng)。串口系統(tǒng)：以RS232標(biāo)準(zhǔn)串行總線儀器、計(jì)算機(jī)和虛擬儀器軟件構(gòu)成的測試系統(tǒng)?，F(xiàn)場總線系統(tǒng)：以現(xiàn)場總線儀器、計(jì)算機(jī)和虛擬儀器軟件構(gòu)成的測試系統(tǒng)。其中PC-DAQ測試系統(tǒng)是最常用的構(gòu)成計(jì)算機(jī)虛擬儀器系統(tǒng)的的形式。ComputerYourSignalDAQDeviceTerminalBlockCable(1)PC-DAQ數(shù)據(jù)采集卡

通常，人們利用計(jì)算機(jī)擴(kuò)展槽和外部接口，將信號(hào)測量硬件設(shè)計(jì)為計(jì)算機(jī)插卡或外部設(shè)備，直接插接在計(jì)算機(jī)上，再配上相應(yīng)的應(yīng)用軟件，組成計(jì)算機(jī)虛擬儀器測試系統(tǒng)。這是目前應(yīng)用得最為廣泛的一種計(jì)算機(jī)虛擬儀器組成形式。按計(jì)算機(jī)總線的類型和接口形式，這類卡可分為ISA卡，EISA卡，VESA卡，PCI卡，PCMCIA卡，并口卡、串口卡和USB口卡等。按板卡的功能則可以分為A/D卡、D/A卡、數(shù)字I/O卡、信號(hào)調(diào)理卡、圖象采集卡、運(yùn)動(dòng)控制卡等。

(2)GPIB總線儀器

GPIB(GeneralPurposeInterfaceBus)是測量儀器與計(jì)算機(jī)通訊的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。GPIB總線測試儀器通過GPIB接口和GPIB電纜與計(jì)算機(jī)相聯(lián)，形成計(jì)算機(jī)測試儀器。與DAQ卡不同，GPIB儀器是獨(dú)立的設(shè)備，能單獨(dú)使用。GPIB設(shè)備可以串接在一起使用，但系統(tǒng)中GPIB電纜的總長度不應(yīng)超過20m，過長的傳輸距離會(huì)使信噪比下降，對(duì)數(shù)據(jù)的傳輸質(zhì)量有影響。

(3)VXI總線模塊

VXI總線模塊是另一種新型的基于板卡式相對(duì)獨(dú)立的模塊化儀器。從物理結(jié)構(gòu)看，一個(gè)VXI總線系統(tǒng)由一個(gè)能為嵌入模塊提供安裝環(huán)境與背板連接的主機(jī)箱和插接的VXI板卡組成。與GPIB儀器一樣，它需要通過VXI總線的硬件接口才能與計(jì)算機(jī)相連。

(4)RS232串行接口儀器

很多儀器帶有RS232串行接口，通過連接電纜將儀器與計(jì)算機(jī)相連就可以構(gòu)成計(jì)算機(jī)虛擬儀器測試系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)用計(jì)算機(jī)對(duì)儀器進(jìn)行控制。

(5)現(xiàn)場總線模塊

現(xiàn)場總線儀器，是一種用于惡劣環(huán)境條件下的、抗干擾能力很強(qiáng)的總線儀器模塊。與上述的其它硬件功能模塊相類似，在計(jì)算機(jī)中安裝了現(xiàn)場總線接口卡后，通過現(xiàn)場總線專用連接電纜，就可以構(gòu)成計(jì)算機(jī)虛擬儀器測試系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)用計(jì)算機(jī)對(duì)現(xiàn)場總線儀器進(jìn)行控制。

VXI產(chǎn)品示例PCI總線DAQ卡PXI產(chǎn)品一些常見的虛擬儀器產(chǎn)品基于USB總線的數(shù)據(jù)采集卡四、虛擬儀器的軟件虛擬儀器軟件結(jié)構(gòu)PXIVXIGPIBDAQIMAQMotion硬件板卡軟件程序解決方案軟件驅(qū)動(dòng)模塊

虛擬儀器典型單元模塊

虛擬儀器的核心是軟件，其軟件模塊主要由硬件板卡驅(qū)動(dòng)模塊，信號(hào)分析模塊和儀器表頭顯示模塊三類軟件模塊組成。

硬件板卡驅(qū)動(dòng)模塊通常由硬件板卡制造商提供，直接在其提供的DLL或ActiveX基礎(chǔ)上開發(fā)就可以了。目前PC-DAQ數(shù)據(jù)采集卡、GPIB總線儀器卡、RS232串行接口儀器卡、FieldBus現(xiàn)場總線模塊卡等許多儀器板卡的驅(qū)動(dòng)程序接口都已標(biāo)準(zhǔn)化，為減小因硬件設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序不兼容而帶來的問題，國際上成立了可互換虛擬儀器驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)協(xié)會(huì)(InterchangeableVirtualInstrument),并制訂了相應(yīng)軟件接口標(biāo)準(zhǔn)。

信號(hào)分析模塊的功能主要是完成各種數(shù)學(xué)運(yùn)算，在工程測試中常用的信號(hào)分析模塊包括：(1)信號(hào)的時(shí)域波形分析和參數(shù)計(jì)算(2)信號(hào)的相關(guān)分析(3)信號(hào)的概率密度分析(4)信號(hào)的頻譜分析(5)傳遞函數(shù)分析(6)信號(hào)濾波分析(7)三維譜陣分析目前，LabVIEW、MATLAB等軟件包中都提供了這些信號(hào)處理模塊，另外在網(wǎng)上也能找到Basic語言和C語言的源代碼，編程實(shí)現(xiàn)也不困難。

儀器表頭顯示模塊主要包括波形圖、選鈕、儀表頭、推鈕、溫度計(jì)、棒圖等儀表顯示常用的軟件儀表盤顯示模塊，如下圖所示。LabVIEW、HPVEE等虛擬儀器開發(fā)平臺(tái)提供了大量的這類軟件模塊供選擇，設(shè)計(jì)虛擬儀器程序時(shí)直接選用就可以了。但這些開發(fā)平臺(tái)很昂貴，一般只在專業(yè)場合使用。實(shí)際上表頭等一些常用的虛擬儀器控件實(shí)現(xiàn)并不難，用VisualBasic、VisualC++語言編程時(shí)完全可以在標(biāo)準(zhǔn)Windows控件的基礎(chǔ)上修改其Draw屬性，自己編制虛擬儀器控件，并在程序中使用。

LabViewAgilentVEEDASYLabDirectViewProcessControl常見的虛擬儀器軟件平臺(tái)其它的虛擬儀器開發(fā)平臺(tái)

LabWindows/CVIVisualBasicVisualC++

其它基于圖形的程序－LabView

Labview是為那些對(duì)諸如C、C++、VisualBasic、Delhi等編程語言不熟悉的測試領(lǐng)域的工作者開發(fā)的，它采用可視化的編程方式，設(shè)計(jì)者只需將虛擬儀器所需的顯示窗口、按鈕、數(shù)學(xué)運(yùn)算方法等控件從Labview工具箱內(nèi)用鼠標(biāo)拖到面板上，布置好布局，然后在Diagram窗口將這些控件、工具按設(shè)計(jì)的虛擬儀器所需要的邏輯關(guān)系，用連線工具連接起來即可。

FrontPanelControls=InputsIndicators=OutputsBlockDiagramAccompanying“program”forfrontpanelComponents“wired”together基于圖形的程序－LabView基于圖形的程序－LabViewLabVIEW和LabWindows/CVI

詳細(xì)教程可以到

/china

或下載LabVIEW的學(xué)習(xí)方法：看自帶的大量例子：Help->FindExample一般大多數(shù)情況，找個(gè)例子根據(jù)自己需要改一改就可以了。如果不行，到NI網(wǎng)站上去查：/devzone/labviewzone.nsf/OpenPage?openagent&lvsection=codesharing

上面有很多很多的例子，全世界的VIer都往上面放例子

如果碰到問題，先查NI的網(wǎng)站，其中有兩個(gè)地方，一個(gè)是開發(fā)者園地，上面的LabVIEWZone很不錯(cuò)，你用英文可以在LabVIEW論壇上問問題

NIdeveloperZone地址：http:///zone/jsp/zone.jsp

還有一個(gè)就是KnowledgeBase,上面幾乎包括了所有常見的問題解答，大概好幾萬篇，可以搜索一下

地址:http:///?layout=KB

幾個(gè)虛擬儀器面板的例子評(píng)價(jià)內(nèi)容

1。功能性

2。方便性

3。美觀性虛擬數(shù)字示波器的軟面板虛擬RLC測試儀面板噪聲測量分析儀雙蹤信號(hào)示波和頻譜分析儀虛擬示波器虛擬數(shù)字電壓表基于虛擬儀器的溫度檢測與控制五、虛擬儀器的應(yīng)用虛擬儀器技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域航空航天教學(xué)核工業(yè)軍工通信測試鐵道…….遠(yuǎn)程地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測研究：實(shí)驗(yàn)室應(yīng)用工業(yè)監(jiān)測虛擬儀器的實(shí)際應(yīng)用http///china術(shù)語縮寫VI VirtualInstrument 虛擬儀器GPIB GeneralPurposeIn