畢業(yè)設(shè)計(jì)---利用虛擬儀器開發(fā)虛擬任意波形發(fā)生器和虛擬示波器

1、<p>　　摘 要</p><p>　　隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)與測(cè)量?jī)x器技術(shù)的結(jié)合，促使了一種新的測(cè)量?jī)x器—虛擬儀器的出現(xiàn)。虛擬儀器是一種功能意義上的儀器，由個(gè)人計(jì)算機(jī)、儀器硬件及應(yīng)用軟件組成。其基本工作原理是:先通過(guò)儀器硬件采集信號(hào)，然后通過(guò)軟件編程來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的顯示及測(cè)量等功能。隨著網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)化虛擬儀器也應(yīng)運(yùn)而生，它是將虛擬儀器技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)相結(jié)合，從而實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化測(cè)量。 &l

2、t;/p><p>　　本課題利用虛擬儀器開發(fā)平臺(tái)Lab VIEW 和NI公司的數(shù)據(jù)采集卡設(shè)計(jì)了虛擬任意波形發(fā)生器和虛擬示波器。虛擬任意波形發(fā)生器能夠?qū)崿F(xiàn)任意波形載入、增益控制、直流偏置調(diào)節(jié)、濾波器狀態(tài)設(shè)置等功能。虛擬示波器不但具有傳統(tǒng)示波器的波形顯示控制功能，而且還對(duì)傳統(tǒng)示波器的功能進(jìn)行了擴(kuò)展，實(shí)現(xiàn)了參數(shù)自動(dòng)測(cè)量顯示、波形存儲(chǔ)和頻率響應(yīng)分析等功能。 </p><p>　　最后，本文總結(jié)并以實(shí)例

3、說(shuō)明了Lab VIEW 實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信的幾種方法:TCP或UDP通信、Data Socket, Web Server及遠(yuǎn)程面板技術(shù)等。</p><p>　　關(guān)鍵詞:虛擬儀器，Lab VIEW，任意波形發(fā)生器，示波器，Data Socket</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　The combination o

4、f computer technology and measure technology make a kind of new measure instrument--virtual instruments. Virtual instruments is a kind of instruments of functional meaning, it is composed of personal computer, hardware a

5、nd applied software. The basic principle is the hardware acquires singles, then using the software to realize data displaying and measurement. Along with the development of communication and network technology, the netwo

6、rked virtual instruments appeared. Networke</p><p>　　Based on the software Lab VIEW of virtual instrument and data acquisition card of NI, the virtual arbitrary waveform generator and virtual oscilloscope ar

7、e designed in this thesis. The virtual arbitrary waveform generator has such functions as arbitrary waveform loading, gain controlling, dc offset adjusting, filters setting up. The virtual oscilloscope not only has the f

8、unctions achieved in traditional scope such as waveform display and control, but also achieves some expanded functions. For ex</p><p>　　Ultimately, this thesis sums up several means of Lab VIEW to realize co

9、mmunication through network such as TCP or UDP communication, Data Socket, Web Server and remote panels technology. </p><p>　　Keywords: Virtual Instruments, Lab VIEV, Arbitrary Waveform Generator, Oscillosco

10、pe, Data Socket</p><p><b>　　目 錄</b></p><p>　　第1章 緒論.........................................................1</p><p>　　1.1研究背景和課題的提出..................................

11、......1</p><p>　　1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀綜述..........................................1</p><p>　　1.3課題的主要工作和本文的主要內(nèi)容..............................2</p><p>　　第2章 虛擬儀器及其開發(fā)平臺(tái)Lab VIEW..................

12、...............3</p><p>　　2.1 虛擬儀器....................................................3</p><p>　　2.1.1 虛擬儀器的概念........................................3</p><p>　　2.2.2 Lab VIEW的特點(diǎn)與應(yīng)用

13、..................................3</p><p>　　2.1.3 虛擬儀器的組成........................................4</p><p>　　2.1.4 虛擬儀器的分類、應(yīng)用和發(fā)展方向.........................5</p><p>　　2.1.5 PXI模塊化儀器平

14、臺(tái).....................................8</p><p>　　2.2 虛擬儀器開發(fā)平臺(tái)Lab VIEW....................................9</p><p>　　2.2.1 Lab VIEW簡(jiǎn)介..........................................9</p><p&g

15、t;　　2.2.2 Lab VIEW的特點(diǎn)與應(yīng)用..................................9</p><p>　　2.2.3 Lab VIEW編程.........................................11</p><p>　　第3章 虛擬任意波形發(fā)生器的設(shè)計(jì)....................................13&l

16、t;/p><p>　　3.1 虛擬任意波形發(fā)生器簡(jiǎn)介.....................................13</p><p>　　3.2 虛擬任意波形發(fā)生器軟件編程.................................13</p><p>　　3.2.1 虛擬任意波形發(fā)生器前面板設(shè)計(jì).........................13

17、</p><p>　　3.2.2 虛擬任意波形發(fā)生器程序框圖設(shè)計(jì).......................16</p><p>　　3.3 虛擬示波器簡(jiǎn)介.............................................16</p><p>　　3.4 虛擬示波器的軟件編程.................................

18、......17</p><p>　　3.4.1 虛擬示波器前面板設(shè)計(jì).................................17</p><p>　　3.4.2 虛擬示波器的程序框圖設(shè)計(jì).............................18</p><p>　　第4章 基于虛擬儀器的網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)..........................

19、........20</p><p>　　4.1 網(wǎng)絡(luò)化虛擬儀器.............................................20</p><p>　　4.2 Web Server及遠(yuǎn)程面板技術(shù)...................................21</p><p>　　4.2.1 Lab VIEW中的Web Serve

20、r設(shè)置...........................21</p><p>　　4.2.2 發(fā)布前面板對(duì)象.......................................21</p><p>　　4.2.3 發(fā)布HTML文件........................................22</p><p>　　結(jié)束語(yǔ)......

21、.......................................................25</p><p>　　參考文獻(xiàn)...........................................................26</p><p>　　致謝..................................................

22、.............27</p><p><b>　　第一章 緒 論</b></p><p>　　1.1 研究背景和課題的提出 </p><p>　　20世紀(jì)80年代中期NI( National Instruments，即美國(guó)國(guó)家儀器公司)首先提出了“軟件就是儀器"( The Software is the Instrume

23、nt)這一基于計(jì)算機(jī)技術(shù)的虛擬儀器概念。虛擬儀器由于其性價(jià)比、開放性等優(yōu)勢(shì)迅速地占領(lǐng)了市場(chǎng)，成為測(cè)控儀器新的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)點(diǎn)和發(fā)展方向。同時(shí)隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的爆炸式發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)技術(shù)已滲透到各行各業(yè)。網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在虛擬儀器中的具體應(yīng)用就包括網(wǎng)上教學(xué)實(shí)驗(yàn)、遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集與控制、高檔測(cè)量?jī)x器設(shè)備資源的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)調(diào)用、遠(yuǎn)程測(cè)試等新興技術(shù)和產(chǎn)業(yè)。網(wǎng)絡(luò)化虛擬儀器己經(jīng)成為21世紀(jì)虛擬儀器發(fā)展的重要方向，具有極大的市場(chǎng)潛力和應(yīng)用前景。總的來(lái)說(shuō)虛擬儀器代表了儀器儀表的發(fā)展方

24、向，而網(wǎng)絡(luò)化的虛擬儀器則代表了虛擬儀器的發(fā)展方向，所以研究虛擬儀器及其網(wǎng)絡(luò)化技術(shù)具有非常廣闊的前景。本課題在實(shí)驗(yàn)室的PXI模塊化儀器平臺(tái)下設(shè)計(jì)了虛擬任意波形發(fā)生器和虛擬示波器，并且在現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)資源基礎(chǔ)上對(duì)虛擬儀器的網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)進(jìn)行了研究和應(yīng)用。</p><p>　　1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀綜述 </p><p>　　近年來(lái),世界各國(guó)的虛擬儀器公司開發(fā)了不少虛擬儀器開發(fā)軟件，以便使用者利用這些

25、儀器公司提供的開發(fā)軟件編制測(cè)試軟件，并組建自己的虛擬儀器或測(cè)試系統(tǒng)。最早和最具影響的開發(fā)軟件，是NI公司的Lab VIEW軟件和Lab Windows/CVI開發(fā)軟件。Lab VIEW采用圖形化編程方案，是非常實(shí)用的開發(fā)軟件。Lab Windows/CVI則是為熟悉C語(yǔ)言的開發(fā)人員準(zhǔn)備的、在Windows環(huán)境下的標(biāo)準(zhǔn)ANSIC開發(fā)環(huán)境。在虛擬儀器網(wǎng)絡(luò)化技術(shù)方面，NI公司從軟硬件兩方面都提供了產(chǎn)品。在Lab VIEW和Lab Window

26、s/CVI中均提供了網(wǎng)絡(luò)開發(fā)工具，如Lab VIEW Internet Developers Toolkit, Lab Windows Internet Developers Toolkit等。利用它們可以較容易的實(shí)現(xiàn)各種網(wǎng)絡(luò)通信功能，如:發(fā)送包含測(cè)控信息的電子郵件，將文件或數(shù)據(jù)傳送到FTP服務(wù)器，利用瀏覽器瀏覽虛擬儀器，編寫CGI程序?qū)崿F(xiàn)服務(wù)器端操作等.這些開發(fā)工具包功能強(qiáng)大，能實(shí)現(xiàn)大部分的網(wǎng)絡(luò)功能，當(dāng)然它們也要求開發(fā)者具有較豐富的計(jì)

27、算機(jī)網(wǎng)絡(luò)知識(shí)和深厚的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)開發(fā)功底。為了</p><p>　　1.3 課題的主要工作和本文的主要內(nèi)容 </p><p>　　本課題以NI公司的GP模塊化硬件平臺(tái)為基礎(chǔ)，選用了其中的NI PXI-5421和NI PXI-5122 兩塊板卡來(lái)設(shè)計(jì)功能完善的虛擬任意波形發(fā)生器和虛擬示波器，其次在教研室的網(wǎng)絡(luò)條件基礎(chǔ)上，對(duì)虛擬儀器的網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)做了研究和應(yīng)用。</p><p

28、><b>　　本文的主要內(nèi)容是:</b></p><p>　　第一章:對(duì)本文的研究背景、課題的提出和本文的主要工作內(nèi)容做簡(jiǎn)單介紹。 </p><p>　　第二章:介紹了虛擬儀器及其軟件開發(fā)平臺(tái)Lab VIEW，并對(duì)本課題所使用的PXI模塊化儀器平臺(tái)及數(shù)據(jù)采集卡做了簡(jiǎn)單介紹。 </p><p>　　第三章:敘述了能夠產(chǎn)生八種標(biāo)準(zhǔn)波形和任意序

29、列波形的虛擬任意波形發(fā)生器的設(shè)計(jì)過(guò)程。 敘述了虛擬示波器的設(shè)計(jì)過(guò)程。本課題所設(shè)計(jì)的示波器能夠完成波形顯示、觸發(fā)控制、頻譜/功率譜分析、波形存儲(chǔ)、參數(shù)測(cè)量等多種功能。 </p><p>　　第四章:研究并應(yīng)用虛擬儀器的網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，主要包括TCP或UDP通信、Data Socket技術(shù)、Web Server及遠(yuǎn)程面板技術(shù)。</p><p>　　第二章 虛擬儀器及其開發(fā)平臺(tái)Lab VIEW&l

30、t;/p><p><b>　　2.1 虛擬儀器</b></p><p>　　2.1.1 虛擬儀器的概念 </p><p>　　隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、電子測(cè)量技術(shù)和通信技術(shù)的飛速發(fā)展，儀器技術(shù)領(lǐng)域發(fā)生著巨大的變化，各種創(chuàng)新的積累使得現(xiàn)代測(cè)量?jī)x器的功能和作用發(fā)生了質(zhì)的飛躍。尤其是以計(jì)算機(jī)為核心的設(shè)計(jì)思想以及儀器系統(tǒng)與計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)的緊密結(jié)合，導(dǎo)致了儀器的概念

31、發(fā)生了突破性的變化，出現(xiàn)了一種全新的儀器概念——虛擬儀器(Virtual Instruments) 。虛擬儀器是基于計(jì)算機(jī)的儀器，它是在通用計(jì)算機(jī)上通過(guò)軟件將計(jì)算機(jī)資源與儀器硬件有機(jī)地融合為一體，從而把計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的計(jì)算處理、控制能力和儀器硬件的測(cè)量能力結(jié)合在一起，使得使用者在操作這臺(tái)計(jì)算機(jī)時(shí)，就像在操作一臺(tái)由他自己設(shè)計(jì)的專用儀器一樣。也就是說(shuō)當(dāng)儀器硬件平臺(tái)v0接口設(shè)備與計(jì)算機(jī)連接好，再編制某種具有測(cè)量功能的軟件后，計(jì)算機(jī)就成為具備這種功

32、能的測(cè)試儀器。這時(shí)通過(guò)計(jì)算機(jī)軟件就能實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的顯示、存儲(chǔ)以及分析處理?？偟膩?lái)說(shuō)，虛擬儀器技術(shù)就是利用高性能的模塊化硬件，結(jié)合高效靈活的軟件來(lái)完成各種側(cè)試、測(cè)量和自動(dòng)化應(yīng)用的一種技術(shù)。而由計(jì)算機(jī)硬件資源、模塊化儀器硬件和相應(yīng)的測(cè)試軟件組成的模塊化儀器系統(tǒng)則稱為虛擬儀器系統(tǒng)。</p><p>　　2.1.2 虛擬儀器的主要特點(diǎn)和與傳統(tǒng)儀器的比較</p><p>　　虛擬儀器是對(duì)傳統(tǒng)儀器概念的

33、重大突破，具有以下特點(diǎn): </p><p>　　核心思想是軟件。虛擬儀器的硬件確定后，它的功能主要是通過(guò)軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)。軟件在虛擬儀器中具有關(guān)鍵的地位，是虛擬儀器的靈魂，并且軟件的靈活性和復(fù)用性使得用戶可以按照自己的需要來(lái)定義和設(shè)置測(cè)量功能，也就是說(shuō)虛擬儀器使得用戶能夠自定義儀器功能。而傳統(tǒng)儀器的核心是硬件，并且儀器的功能由生產(chǎn)廠家確定，用戶不能自己更改儀器功能。</p><p>　　具有良好

34、的人機(jī)界面。在虛擬儀器中，測(cè)量結(jié)果是通過(guò)軟件在計(jì)算機(jī)屏幕上生成，并且儀器的操作也是通過(guò)與傳統(tǒng)儀器面板相似的圖形界面軟面板來(lái)實(shí)現(xiàn)。因此，用戶可以根據(jù)自己的愛好，利用計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的圖形環(huán)境和在線幫助功能，通過(guò)編制軟件來(lái)定義自己所喜愛的面板形式。 </p><p>　　強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理功能。信號(hào)處理理論的不斷完善以及計(jì)算機(jī)運(yùn)算速度的不斷提高，為虛擬儀器快速、準(zhǔn)確處理數(shù)據(jù)提供了良好基礎(chǔ)。 </p><p&

35、gt;　　測(cè)量速度快。測(cè)量輸入信號(hào)的多個(gè)特性(如電壓、頻率、上升時(shí)間)往往只需要一個(gè)數(shù)據(jù)模塊，并且要測(cè)量的信號(hào)特性能被數(shù)據(jù)處理器快速計(jì)算出來(lái)，這種將多種測(cè)試集于一體的方法縮短了測(cè)試時(shí)間，從而提高了測(cè)試速度。</p><p>　　有更好的測(cè)量準(zhǔn)確度。在傳統(tǒng)的自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)中，必須把信號(hào)連接到每一臺(tái)儀器上以完成對(duì)各種參數(shù)的測(cè)量。這樣，測(cè)量往往受電纜長(zhǎng)度、阻抗、儀器校準(zhǔn)和修正因子差異等影響。而虛擬儀器受這些因素的影響較小

36、，從而進(jìn)一步提高了測(cè)量的準(zhǔn)確度。 </p><p>　　便于擴(kuò)展。當(dāng)測(cè)試系統(tǒng)需要增加新的測(cè)量功能或提高其性能時(shí)，用戶只需要增加軟件來(lái)執(zhí)行新的功能;當(dāng)需要重新組建測(cè)試系統(tǒng)時(shí)，可以通過(guò)增加或更換一個(gè)通用模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)，而不用購(gòu)買一個(gè)全新的系統(tǒng)。 </p><p>　　虛擬儀器具備和其他設(shè)備互聯(lián)的能力。虛擬儀器不僅具備與VXI總線等其他總線的接口能力，還可以將虛擬儀器接入網(wǎng)絡(luò)，如Internet等，

37、以實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)的監(jiān)控和管理。傳統(tǒng)儀器則只可以連接有限的設(shè)備。 </p><p>　　集成和組合性能高。虛擬儀器技術(shù)從本質(zhì)上來(lái)說(shuō)是一個(gè)集成的軟硬件概念。其各個(gè)功能模塊都是清晰的模塊化組合方式，選擇不同的硬件、軟件模塊，進(jìn)行不同的組合就可以組建不同的系統(tǒng)，達(dá)到不同的目的。 </p><p>　　技術(shù)更新快。由于虛擬儀器技術(shù)是建立在當(dāng)今世界最新的計(jì)算機(jī)技術(shù)、數(shù)據(jù)采集技術(shù)和通信技術(shù)基礎(chǔ)上，因而技

38、術(shù)更新速度快于傳統(tǒng)儀器。 </p><p>　　總的來(lái)說(shuō)，與傳統(tǒng)儀器相比，虛擬儀器在各方面都具有明顯的優(yōu)勢(shì)，能夠滿足科技高速發(fā)展對(duì)電子測(cè)量技術(shù)提出的新要求，也必然會(huì)成為電子測(cè)量?jī)x器發(fā)展的趨勢(shì)。</p><p>　　2.1.3 虛擬儀器的組成 </p><p>　　虛擬儀器的組成主要包括硬件和軟件兩個(gè)基本要素，具體組成如圖2.1所示。 </p><

39、p><b>　　1.軟件組成 </b></p><p>　　虛擬儀器系統(tǒng)的軟件組成包括I/O接口軟件、儀器驅(qū)動(dòng)程序和應(yīng)用軟件開發(fā)環(huán)境三部分。 </p><p>　　(1)I/0接口軟件 </p><p>　　I/O接口軟件存在于儀器與計(jì)算機(jī)中的儀器驅(qū)動(dòng)程序之間，是一個(gè)對(duì)儀器寄存器進(jìn)行直接存取數(shù)據(jù)操作，并為儀器與儀器驅(qū)動(dòng)程序提供信息傳遞的底

40、層軟件，是實(shí)現(xiàn)開放的、統(tǒng)一的虛擬儀器系統(tǒng)的基礎(chǔ)與核心。</p><p>　　(2)儀器驅(qū)動(dòng)程序 </p><p>　　儀器驅(qū)動(dòng)程序是完成對(duì)某一特定儀器的控制與通信的軟件程序，是連接上層應(yīng)用程序與底層I/O接口軟件的紐帶和橋梁。每個(gè)儀器模塊均有自己的儀器驅(qū)動(dòng)程序。例如在本課題設(shè)計(jì)中就需要用到NI-SCOPE和NI-FGEN這兩個(gè)儀器驅(qū)動(dòng)程序。儀器驅(qū)動(dòng)程序的實(shí)質(zhì)是為用戶提供用于儀器操作的較抽象

41、的操作函數(shù)集。其內(nèi)容包括:操作接口、編程接口、功能庫(kù)和子程序接口等。</p><p>　　(3)應(yīng)用軟件開發(fā)環(huán)境 </p><p>　　應(yīng)用軟件開發(fā)環(huán)境將計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)分析和顯示功能與儀器驅(qū)動(dòng)器融合在一起，為用戶開發(fā)虛擬儀器提供了必需的軟件工具與環(huán)境。目前，可供開發(fā)人員選擇的虛擬儀器系統(tǒng)應(yīng)用軟件開發(fā)環(huán)境主要包括兩種:基于傳統(tǒng)的文本語(yǔ)言式的平臺(tái)，如NI公司的Lab Windows/CVI、Mi

42、crosoft公司的Visual C++、Borland公司的Delphi等;基于圖形化編程環(huán)境的平臺(tái)，如NI公司的Lab VIEW和HP公司的HPVEE等。軟件是虛擬儀器技術(shù)中最重要的部份，在應(yīng)用軟件開發(fā)環(huán)境下，使用正確的軟件工具并通過(guò)設(shè)計(jì)或調(diào)用特定的程序模塊，就可以高效地創(chuàng)建自己的人機(jī)交互界面。</p><p><b>　　2.硬件組成 </b></p><p>

43、　　虛擬儀器的硬件由兩部分組成，一部分是計(jì)算機(jī)硬件，另一部分是儀器硬件。計(jì)算機(jī)用于管理虛擬儀器的硬件資源，是虛擬儀器的硬件基礎(chǔ)和核心。儀器硬件則是與計(jì)算機(jī)硬件一起工作，用來(lái)采集數(shù)據(jù)、提供源信號(hào)和控制信號(hào)。</p><p>　　2.1.4 虛擬儀器的分類、應(yīng)用和發(fā)展方向</p><p>　　1.虛擬儀器的分類 </p><p>　　測(cè)試與測(cè)量的發(fā)展以測(cè)試總線的發(fā)展為標(biāo)

44、志。測(cè)試總線從GPIB發(fā)展到VXI、PXI,測(cè)試儀器也由機(jī)架式發(fā)展到了插卡式。雖然虛擬儀器更多地強(qiáng)調(diào)軟件在儀器中的應(yīng)用，但虛擬儀器仍離不開硬件技術(shù)的支持，信息的獲取仍需要通過(guò)硬件來(lái)實(shí)現(xiàn)。虛擬儀器的發(fā)展隨著微機(jī)的發(fā)展以及采用的總線方式的不同，可以分為以下7種類型: </p><p>　　(1)PC總線插卡型虛擬儀器 </p><p>　　這種方式借助于插入PC中的數(shù)據(jù)采集卡和專用的軟件(如L

45、ab VIEW)相結(jié)合，完成具體的數(shù)據(jù)采集和處理的任務(wù)。它充分利用了PC的總線、機(jī)箱和電源等硬件資源及其豐富的軟件資源。不過(guò)插卡式儀器價(jià)格比較昂貴，并且這類儀器受計(jì)算機(jī)機(jī)箱和總線的限制，還有電源功率不足、機(jī)箱內(nèi)部噪聲電平較高且無(wú)屏蔽、插槽尺寸較小且數(shù)量少等缺點(diǎn)。</p><p>　　(2)GPIB總線方式的虛擬儀器</p><p>　　GPIB總線是獨(dú)立儀器上一種最通用的總線，計(jì)算機(jī)連接的

46、儀器數(shù)目不超過(guò)15臺(tái),電纜總長(zhǎng)度不超過(guò)20m,最高數(shù)據(jù)傳輸速率為8Mbyte/s。 凡是符合GPIB標(biāo)準(zhǔn)的儀器設(shè)備，不論出自何廠，均可用此標(biāo)準(zhǔn)總線連接起來(lái)構(gòu)成自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)。GPIB系統(tǒng)的應(yīng)用從最初的測(cè)試儀器控制迅速普及到自動(dòng)控制、電視、導(dǎo)航、通信、核物理和工業(yè)控制等眾多領(lǐng)域。目前各大公司生產(chǎn)的臺(tái)式儀器中幾乎都配有GPIB接口，很多集成電路的制造商也生產(chǎn)了各種GPIB的接口芯片。由于GPIB儀器總線只是8位并行儀器總線，傳輸速率和傳輸距離

47、有限，已經(jīng)跟不上當(dāng)今大規(guī)模測(cè)試系統(tǒng)的需求。但是GPIB 總線仍然是實(shí)驗(yàn)室條件下，組建中等水平的自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)所歡迎的總線。</p><p>　　(3)并行口式虛擬儀器 </p><p>　　并行口式虛擬儀器可以連接到計(jì)算機(jī)并行口。標(biāo)準(zhǔn)并口是采用25線的并行通訊總線，由于是用于計(jì)算機(jī)與打印機(jī)或者繪圖儀的連接總線，因此，傳輸速率較高,傳輸距離較短(最長(zhǎng)2m)。 </p><p

48、>　　(4)串行口式虛擬儀器 </p><p>　　串行總線包括傳統(tǒng)的RS232串行總線、USB通用串行總線和IEEE 1394總線。RS232串行總線是早期采用的通用串行總線，技術(shù)成熟，許多測(cè)量?jī)x器都帶RS232串行總線接口。將帶有RS232總線接口的儀器作為I/O接口設(shè)備，并通過(guò)RS232串行總線與計(jì)算機(jī)組成虛擬儀器系統(tǒng)仍然是目前虛擬儀器構(gòu)成的方式之一。它支持長(zhǎng)距離傳輸，抗干擾能力強(qiáng)，但數(shù)據(jù)傳輸率低，主

49、要適用于速度較低的測(cè)試系統(tǒng)。當(dāng)今PC機(jī)采用更多的是USB總線和IEEE 1394總線。USB和IEEE 1394總線傳輸速率高，可連接設(shè)備多，并且均具有即插即用的能力，使得外設(shè)的安裝變得十分簡(jiǎn)單，既不必打開機(jī)箱插入插卡，又不必考慮資源分配。</p><p>　　(5)VXI總線方式虛擬儀器 </p><p>　　VXI總線，是一種高速計(jì)算機(jī)總線--VME總線在儀器領(lǐng)域的擴(kuò)展。它具有穩(wěn)定的電

50、源，強(qiáng)有力的冷卻能力和嚴(yán)格的RFI/EMI屏蔽等特性，為虛擬儀器系統(tǒng)提供了一個(gè)更為廣闊的發(fā)展空間。由于其標(biāo)準(zhǔn)開放、傳輸速率高、數(shù)據(jù)吞吐能力強(qiáng)、定時(shí)和同步精確、采用模塊化設(shè)計(jì)、使用方便靈活、眾多廠商支持等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)越來(lái)越受到人們的重視。在近十年時(shí)間內(nèi)，隨著VXI總線規(guī)范的不斷完善和發(fā)展，以及VXI即插即用系統(tǒng)聯(lián)盟的不懈努力，VXI系統(tǒng)的組建和使用變得越來(lái)越方便。其應(yīng)用面也越來(lái)越廣，尤其是在組建中大規(guī)模自動(dòng)測(cè)量測(cè)試系統(tǒng)，以及對(duì)速度、精度要求

51、較高的場(chǎng)合，有著其他儀器系統(tǒng)無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)。</p><p>　　(6)PXI總線方式虛擬儀器 </p><p>　　PXI(PCI eXtensions for Instrumentation)總線是NI公司在1997年9月推出的全新的開放性、模塊化儀器總線規(guī)范。它是以Compact PCI為基礎(chǔ)的，由具有開放性的PCI總線面向儀器領(lǐng)域的擴(kuò)展而來(lái)。PXI總線符合工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，在機(jī)械、電氣和軟

52、件特性方面充分發(fā)揮了PCI總線的全部?jī)?yōu)點(diǎn)。</p><p>　　(7)LXI總線方式虛擬儀器 </p><p>　　LXI(LAN eXtensions for Instrumentation)總線是2004年由VXI科技公司和Agilent聯(lián)合推出的一種基于工業(yè)以太網(wǎng)的新的總線規(guī)范，是繼GPIB、VXI、 PXI之后的新一代基于以太網(wǎng)絡(luò)LAN的自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)模塊化構(gòu)架平臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)。它的推出被稱

53、為是“自1972年推出HP-IB總線以來(lái)的30多年里，測(cè)試和測(cè)控領(lǐng)域業(yè)界最大的新聞”。以太網(wǎng)的錯(cuò)誤檢測(cè)、故障定位、長(zhǎng)距離互聯(lián)以及樹狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)都比現(xiàn)有的總線結(jié)構(gòu)優(yōu)越，網(wǎng)絡(luò)速度也由最初的lOMb/s發(fā)展到現(xiàn)在的lOGb/s。LXI很有可能成為今后的市場(chǎng)主流總線技術(shù)。</p><p>　　2.虛擬儀器的應(yīng)用 </p><p>　　虛擬儀器的功能和性能已被不斷地提高，如今在許多應(yīng)用中它己成為傳統(tǒng)儀

54、器的主要替代方式。隨著PC、半導(dǎo)體和軟件功能的進(jìn)一步更新，未來(lái)虛擬儀器技術(shù)的發(fā)展將為測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供一個(gè)極佳的模式，并且在測(cè)量和控制方面也有無(wú)以倫比的強(qiáng)大功能和靈活性。目前虛擬儀器可廣泛應(yīng)用于電子測(cè)量、振動(dòng)分析、聲學(xué)分析、故障診斷、航天航空、軍事工程、電力工程、機(jī)械工程、建筑工程、鐵路交通、地質(zhì)勘探、生物醫(yī)療、教學(xué)及科研等諸多方面。 </p><p>　　3.虛擬儀器的發(fā)展方向</p><p

55、><b>　　(1)硬件軟件化 </b></p><p>　　硬件軟件化是通過(guò)軟件編程的方法改變硬件模塊的結(jié)構(gòu)，以完成不同功能及性能指標(biāo)，并且可以依靠硬件的柔性來(lái)增強(qiáng)其適應(yīng)性和靈活性。例如FPGA(Field Programmable Gate Array)和CPLD (Complex Programmable Logic Device)等器件在虛擬儀器系統(tǒng)中的應(yīng)用，使系統(tǒng)開發(fā)人員可在

56、生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)直接根據(jù)系統(tǒng)的要求和定義來(lái)修改邏輯功能，具有設(shè)計(jì)靈活、制作及上市快速的特點(diǎn)。</p><p>　　(2)虛擬儀器的標(biāo)準(zhǔn)化 </p><p>　　虛擬儀器的標(biāo)準(zhǔn)化主要包括硬件平臺(tái)的標(biāo)準(zhǔn)化和軟件模塊的標(biāo)準(zhǔn)化。目前， VXI, PXI等硬件規(guī)范已基本實(shí)現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)化，但在觸發(fā)方式、同步、延時(shí)、不同通道的共用時(shí)基等方面還未實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化，這將影響其在不同平臺(tái)上的互換性和移植性，也將影響虛擬儀器軟件

57、模塊的標(biāo)準(zhǔn)化。軟件模塊的標(biāo)準(zhǔn)化則是將在一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化硬件平臺(tái)上運(yùn)行的軟件按功能特點(diǎn)分成一系列的軟件模塊，這些軟樣模塊也需要像硬件模塊那樣，由專門的虛擬儀器開發(fā)人員設(shè)計(jì)，并形成行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)(如電壓表模塊、函數(shù)發(fā)生器模塊、示波器模塊等)，使用戶可以像購(gòu)買硬件模塊那樣購(gòu)買軟件模塊。</p><p>　　(3)虛擬儀器網(wǎng)絡(luò)化 </p><p>　　在計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)時(shí)代，利用虛擬儀器技術(shù)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)測(cè)控己是大勢(shì)所

58、趨，也是本次設(shè)計(jì)中的內(nèi)容之一。虛擬儀器對(duì)于分布式數(shù)據(jù)采集來(lái)說(shuō)尤為有用。利用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)將分散在不同地方不同功能的測(cè)試設(shè)備聯(lián)系在一起，并且將實(shí)時(shí)采集的數(shù)據(jù)傳輸?shù)搅硪慌_(tái)處理分析機(jī)上進(jìn)行處理分析，分析后的結(jié)果可被執(zhí)行機(jī)構(gòu)、測(cè)試人員查詢使用，使得數(shù)據(jù)采集、傳輸、處理分析成為一體，便于實(shí)時(shí)采集監(jiān)控。重要的數(shù)據(jù)還可以實(shí)行多機(jī)備份，提高了系統(tǒng)的可靠性。另外對(duì)于不適合人員操作的危險(xiǎn)和環(huán)境惡劣的數(shù)據(jù)采集區(qū)域也可以實(shí)行遠(yuǎn)程采集，將采集的數(shù)據(jù)放在服務(wù)器中供用戶使

59、用。</p><p>　　2.1.5 PXI模塊化儀器平臺(tái) </p><p>　　NI首先提出的專為測(cè)試任務(wù)設(shè)計(jì)的PXI模塊化儀器平臺(tái)，己經(jīng)成為當(dāng)今測(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(lái)了一場(chǎng)翻天覆地的改革。PXI平臺(tái)作為一種專為工業(yè)數(shù)據(jù)采集與自動(dòng)化應(yīng)用量身定制的模塊化儀器平臺(tái)，內(nèi)建有高端的定時(shí)和觸發(fā)總線，再配以各類模塊化的確硬件

60、和相應(yīng)的測(cè)試測(cè)量開發(fā)軟件，就可以建立完全自定義的測(cè)試測(cè)量解決方案。無(wú)論是面對(duì)簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)采集應(yīng)用，還是高端的混合信號(hào)同步采集，借助PXI高性能的硬件平臺(tái)，都能應(yīng)付自如。這就是虛擬儀器技術(shù)帶來(lái)的無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)。PXI采用最先進(jìn)的商業(yè)化的硬件和軟件技術(shù)，以及自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的概念和技術(shù)，為高性能的測(cè)量提供了精確的定時(shí)和觸發(fā)。通過(guò)采用商業(yè)化的PC和數(shù)字化技術(shù)，PXI能夠以較低的成本為用戶提供專用自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的高性能，而且PXI測(cè)試平臺(tái)具有完整的硬件

61、和軟件相容規(guī)范，可以滿足絕大多數(shù)測(cè)試系統(tǒng)的要求。開放的PXI規(guī)范使得不僅可以組成模塊化的測(cè)試系統(tǒng)，而且可以很容易整合多個(gè)廠家的測(cè)試系統(tǒng)，同時(shí)PXI規(guī)范也能把不同平臺(tái)的儀器輕易地集成到PXI的測(cè)試系統(tǒng)中。為節(jié)省空間，PXI模塊化儀器系統(tǒng)將所有的儀器模塊</p><p>　　2.2 虛擬儀器開發(fā)平臺(tái)Lab VIEW </p><p>　　2.2.1 Lab VIEW簡(jiǎn)介 </p>

62、<p>　　虛擬儀器開發(fā)平臺(tái)是開發(fā)虛擬儀器的工具和集成開發(fā)環(huán)境。目前，各種虛擬儀器開發(fā)工具和平臺(tái)產(chǎn)品多達(dá)幾十種，其中最具代表性的是NI公司推出的一個(gè)圖形化軟件開發(fā)環(huán)境Lab VIEW (Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench,即實(shí)驗(yàn)室虛擬儀器工程平臺(tái))。 Lab VIEW可以看作是一個(gè)通用的軟件開發(fā)平臺(tái)，它在一般的數(shù)據(jù)管理、科學(xué)計(jì)算等方面都可以開發(fā)出優(yōu)秀的應(yīng)用程

63、序。但是Lab VIEW最大的優(yōu)勢(shì)還在于測(cè)控系統(tǒng)的開發(fā)，因?yàn)樗粌H提供了幾乎所有經(jīng)典的信號(hào)處理函數(shù)和大量現(xiàn)代的高級(jí)信號(hào)分析工具，而且Lab VIEW程序還非常容易和各種數(shù)據(jù)采集硬件集成，可以和多種主流的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線通訊以及與大多數(shù)通用標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)鏈接。使用Lab VIEW開發(fā)虛擬儀器比使用基于文本的語(yǔ)言不但開發(fā)效率可以提高10~15倍，而且程序的執(zhí)行速度也不會(huì)受多大影響。</p><p>　　2.2.2 La

64、b VIEW的特點(diǎn)與應(yīng)用</p><p>　　Lab VIEW軟件工具的特點(diǎn)可歸納如下: </p><p>　　Lab VIEW 是基于圖形化的軟件編程平臺(tái)，不僅人機(jī)界面用“所見即所得”的可視化技術(shù)建立，而且程序代碼也是圖形化的代碼，使編程過(guò)程更加接近人的思維，是應(yīng)用于測(cè)控領(lǐng)域的專用軟件開發(fā)工具。 </p><p>　　采用數(shù)據(jù)流編程模式，能夠同時(shí)運(yùn)行多個(gè)程序。 &

65、lt;/p><p>　　提供了豐富的用于數(shù)據(jù)采集、分析、表達(dá)及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的函數(shù)庫(kù)。 </p><p>　　不僅具備傳統(tǒng)的程序調(diào)試手段，如設(shè)置斷點(diǎn)、單步運(yùn)行，還提供了獨(dú)具特色的高亮執(zhí)行和探針工具，能夠使程序動(dòng)畫式運(yùn)行，有利于設(shè)計(jì)者觀察程序運(yùn)行的細(xì)節(jié)，使程序的調(diào)試和開發(fā)更為便捷。 </p><p>　　內(nèi)置了PCI,DAQ,GPIB,PXI,VXI,RS-232和RS-485

66、在內(nèi)的各種儀器通信總線標(biāo)準(zhǔn)的所有功能函數(shù)，支持?jǐn)?shù)據(jù)采集卡和GPIB,串口設(shè)備、VXI儀器、PLC、工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線以及用戶特殊的硬件板卡，免費(fèi)提供世界各大廠商1000多種儀器的驅(qū)動(dòng)，方便用戶迅速組建自己的應(yīng)用系統(tǒng)，使得不懂總線標(biāo)準(zhǔn)的開發(fā)者也能夠驅(qū)動(dòng)不同總線標(biāo)準(zhǔn)接口的設(shè)備與儀器。 </p><p>　　具有強(qiáng)大的外部接口能力，可以實(shí)現(xiàn)Lab VIEW與外部的應(yīng)用軟件(如Word, Excel等 )、C語(yǔ)言、Window

67、s API,MATLAB等編程語(yǔ)言之間的通信. </p><p>　　強(qiáng)大的Internet功能，內(nèi)置了便于應(yīng)用TCP/IP,DDE, Active X等軟件標(biāo)準(zhǔn)的庫(kù)函數(shù)。支持常用網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，方便網(wǎng)絡(luò)、遠(yuǎn)程測(cè)控儀器的開發(fā)。 </p><p>　　支持多種操作系統(tǒng)平臺(tái)，在任何一個(gè)平臺(tái)上開發(fā)的Lab VIEW應(yīng)用程序都可直接 移植到其他平臺(tái)上。 </p><p>　　La

68、b VIEW的應(yīng)用: </p><p>　　應(yīng)用于生產(chǎn)檢測(cè)。Lab VIEW已成為測(cè)試測(cè)量領(lǐng)域的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化開發(fā)工具。結(jié)合NI Test Stand(系統(tǒng)測(cè)試軟件)和該領(lǐng)域中最大的儀器驅(qū)動(dòng)程序庫(kù)，用戶可以設(shè)計(jì)自動(dòng)化模型或?qū)⒌淖詣?dòng)化測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行組織、控制和執(zhí)行。</p><p>　　應(yīng)用于研究和分析。Lab VIEW開發(fā)環(huán)境中集成了功能強(qiáng)大的高級(jí)分析庫(kù)，可滿足用戶所有分析要求。科學(xué)家和研究

69、人員一直在用Lab VIEW分析、計(jì)算生物醫(yī)學(xué)、航空、能源開發(fā)和其他眾多工業(yè)領(lǐng)域的真實(shí)結(jié)果. </p><p>　　應(yīng)用于過(guò)程控制和工業(yè)自動(dòng)化。Lab VIEW一直被作為圖形化程序開發(fā)環(huán)境應(yīng)用于過(guò)程控制和工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域。對(duì)于基本的過(guò)程監(jiān)控領(lǐng)域，Lab VIEW同其他譜如PID控制工具包、PLC驅(qū)動(dòng)程序等附加軟件結(jié)寺在一起。可以實(shí)現(xiàn)高速、多通道的測(cè)量和控制。</p><p>　　應(yīng)用于機(jī)器監(jiān)

70、控。Lab VIEW可應(yīng)用于要求實(shí)時(shí)控制、振動(dòng)分析、視覺和圖像分析以及運(yùn)動(dòng)控制的機(jī)器監(jiān)控系統(tǒng)。</p><p>　　2.2.3 Lab VIEW編程</p><p>　　在Lab VIEW環(huán)境下開發(fā)的應(yīng)用程序被稱作VI(Virtual Instruments)，并被冠以.vi后綴，以表示虛擬儀器的含義，一個(gè)Ⅵ由前面板和程序框圖組成。</p><p><b>

71、;　　(1)前面板簡(jiǎn)介：</b></p><p>　　前面扳是Ⅵ的交互式接口，與真實(shí)的物理儀器面板相似。前面板主要由各種控件組成，其中有些控件是用戶用來(lái)向程序中輸入數(shù)據(jù)的，這些控件叫控制控件；另一些則是程序向用戶輸出運(yùn)行結(jié)果的，這些控件叫顯示控件?？刂萍惋@示件的數(shù)據(jù)流方向正好相反，但是它們?cè)谇懊姘迳峡梢韵嗷マD(zhuǎn)換。</p><p>　　打開Lab VIEW的工作窗口，任意新建一

72、個(gè)VI，都會(huì)彈出此Ⅵ的前面板，即Lab VIEW編程時(shí)控件的選用和設(shè)置工作窗口．點(diǎn)擊鼠標(biāo)右鍵，便會(huì)在前面板上出現(xiàn)包含全部控件類別的控件模扳，如圖2．2所示。</p><p>　　其中每一個(gè)圖標(biāo)代表一類數(shù)據(jù)類型控件，例如第一個(gè)的Numeric圖標(biāo)代表數(shù)據(jù)類型控件，第二個(gè)的Boolean圖標(biāo)代表布爾類型控件。點(diǎn)擊每一黃控件的代表圖標(biāo)便可以進(jìn)入此類的所有于控件模板中，然后可以從中拖動(dòng)任意一個(gè)控件置于前面板。在前面板右鍵

73、單擊每個(gè)控件可以選擇Properties來(lái)設(shè)置控件的屬性。</p><p>　　在Lab VIEW里，存在著數(shù)字變量、布爾變量、字符變量、數(shù)組變量、簇變量等變量類型，所以相應(yīng)的也存在著這些變量類型的控件。</p><p>　　（2）程序框圖簡(jiǎn)介：</p><p>　?、鰪某绦蚩驁D中接受指令，程序框圖是一種解決編程問(wèn)題的圖形化方式，實(shí)際上就是Ⅵ的程序代碼。</p

74、><p>　　選擇前面板的菜單欄中的Windows一欄，再點(diǎn)擊Show Block Diagram或者用鼠標(biāo)雙擊前面板的控件即可進(jìn)入到程序框圖中。Lab VIEW的核心是結(jié)構(gòu)化的數(shù)據(jù)流框圖程序，它決定了程序的數(shù)據(jù)走向和執(zhí)行方式。前面板只是用來(lái)給用戶選擇所需要的控件類型和數(shù)量，并不能實(shí)現(xiàn)用戶所定義的功能，程序框圖才是編程的關(guān)鍵。它用來(lái)控制數(shù)據(jù)流的走向，是實(shí)現(xiàn)程序功能的關(guān)鍵部分，是整個(gè)程序的靈魂。因此，編程任務(wù)的絕大部分

75、工作都將在程序框圖里面來(lái)完成。在程序框圖編輯窗口里，點(diǎn)擊右鍵可以打開函數(shù)模板，如圖2.3所示．在函數(shù)模板里每一個(gè)圖標(biāo)也代表一類函數(shù)模扳。例如第一個(gè)國(guó)標(biāo)Structures代表結(jié)構(gòu)函數(shù)模板，第二個(gè)國(guó)標(biāo)Numeric代表數(shù)字函數(shù)模板。打開每一糞函數(shù)模板的代表圖標(biāo)，我們可以從函數(shù)模板里選擇各類不同功能和作用的函數(shù)子模板。每一個(gè)函數(shù)子模板都有其對(duì)應(yīng)的功能和作用。</p><p>　　程序框圖的對(duì)象主要有：</p&g

76、t;<p>　　節(jié)點(diǎn)。節(jié)點(diǎn)是承載數(shù)據(jù)流的載體，Lab VIEW里有函數(shù)節(jié)點(diǎn)、結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)、屬性節(jié)點(diǎn)、調(diào)用庫(kù)函數(shù)節(jié)點(diǎn)、包含節(jié)點(diǎn)、Sub VI節(jié)點(diǎn)。每一類節(jié)點(diǎn)都有其各自不同的作用和功能，倒如結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)主要用來(lái)控制程序的執(zhí)行結(jié)構(gòu)方式。</p><p>　　端口。Lab VIEW是一種數(shù)據(jù)流控制的程序開發(fā)環(huán)境，數(shù)據(jù)從一個(gè)端螭口流向另一個(gè)端口。Lab VIEW里有控件端口、節(jié)點(diǎn)端口，結(jié)構(gòu)端口和常數(shù)端口共四類端口。端

77、口是連線的出發(fā)點(diǎn)或結(jié)束點(diǎn)，即端口之間是通過(guò)連線來(lái)控制數(shù)據(jù)的流向。</p><p>　　連線。連線是編寫Lab VIEW程序的一項(xiàng)主要工作。任何一個(gè)錯(cuò)誤的連線都將導(dǎo)致程序的無(wú)法執(zhí)行。</p><p>　　第三章 虛擬任意波形發(fā)生器和虛擬示波器的設(shè)計(jì)</p><p>　　3.1 虛擬任意波形發(fā)生器簡(jiǎn)介</p><p>　　現(xiàn)在越來(lái)越多的現(xiàn)代測(cè)試系

78、統(tǒng)中都不可避免地使用到任意波形發(fā)生器。它不僅可以用作多功能信號(hào)源，而且能使對(duì)小故障源和實(shí)時(shí)信號(hào)的模擬與仿真變得便利。市場(chǎng)的需求也帶動(dòng)了AWG(Arbitrary Waveform Generator)技術(shù)研究的熱潮。各種函數(shù)、波形發(fā)生器的研究成果不斷涌現(xiàn)。任意波形發(fā)生器主要包括兩類，一類是傳統(tǒng)的專用儀器。它的開法難度大、周期長(zhǎng)、成本商，因此，高性能的傳統(tǒng)任意波形發(fā)生器一般都價(jià)格昂貴，而且大多為進(jìn)口儀器。另一類則屬于虛擬儀器。它是以專用的

79、模塊化硬件板卡為基礎(chǔ)，再利用Lab VIEW等軟件方便地編程，就能編寫用戶需要的波形發(fā)生器程序，開發(fā)出成本較低且實(shí)用的虛擬任意波形發(fā)生器。本課題開發(fā)的虛擬任意波形發(fā)生器就屬于這種類型。</p><p>　　目前市場(chǎng)上商品化的任意波形發(fā)生器也有一部分使用了類似虛擬儀器的技術(shù)。例如：AWG的著名制造商美國(guó)時(shí)Agilent、FLUKE等公司的產(chǎn)品很多部是使用Lab VIEW開發(fā)軟件，然后由專門的硬件集成的。從某種意義上

80、來(lái)說(shuō)這也屬于虛擬儀器的范疇，同時(shí)也反映了虛擬儀器技術(shù)在開發(fā)新型高性能AWG方面有很大的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。由目前所掌握的相關(guān)資料以及產(chǎn)品信息可以看出，AWG的技術(shù)已經(jīng)日趨成熟。市場(chǎng)上的產(chǎn)品已經(jīng)不僅能實(shí)現(xiàn)正弦、方波、三角波等標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)的生成，還能產(chǎn)生各種噪聲、指數(shù)上升/下降、心率波、微波、射頻等專用的信號(hào)。在信號(hào)的種類不斷豐富的同時(shí)，信號(hào)的品質(zhì)也在逐步增強(qiáng)。帶寬一般在幾μHz到幾十MHz的范圍內(nèi)，波形純度高，失真度低。另外。很虛擬AWG也支持用戶通過(guò)

81、友好的圖形化儀器操作界面來(lái)自己編輯波形，并且這種編輯工作往往非常方便，編輯好后，下載到儀器內(nèi)存中，就可得到自定義的波形。本課題所設(shè)計(jì)的虛擬任意波形發(fā)生器就能夠讓用戶自己編輯波形，從而實(shí)現(xiàn)真正意義上的任意波形發(fā)生器功能。</p><p>　　3.2 虛擬任意波形發(fā)生器軟件編程</p><p>　　虛擬任意波形發(fā)生器的軟件編程，主要是結(jié)合NI-FGEN驅(qū)動(dòng)函數(shù)在Lab VIEW開發(fā)平臺(tái)下實(shí)現(xiàn)，

82、最終能夠產(chǎn)生八種標(biāo)準(zhǔn)波形和這八種標(biāo)準(zhǔn)波形任意組合的序列波形。下面分別從前面板和程序框圖兩部分來(lái)介紹設(shè)計(jì)過(guò)程。</p><p>　　3.2.1 虛擬任意波形發(fā)生器前面板設(shè)計(jì)</p><p>　　前面板程序是用來(lái)提供用戶與任意波形發(fā)生器的接口，它產(chǎn)生一個(gè)友好的界面，一方面用于顯示和處理結(jié)果；另一方面，用戶也可以通過(guò)控制面板上的開關(guān)和按鈕，模擬傳統(tǒng)的儀器操作，通過(guò)鍵盤和鼠標(biāo)實(shí)現(xiàn)對(duì)任意波形發(fā)生器的

83、控制。根據(jù)所要實(shí)現(xiàn)的功能，本課題設(shè)計(jì)的任意波形發(fā)生器前面板如圖3.3所示。</p><p>　　儀器前面板中控件主要分為三部分：前面板左邊為任意標(biāo)準(zhǔn)波形發(fā)生器(為了與儀器名字區(qū)分，并根據(jù)產(chǎn)生波形特點(diǎn)，特將任意波形輸出模式下的發(fā)生器命名為任意標(biāo)準(zhǔn)波形發(fā)生器)，主要用來(lái)產(chǎn)生八種標(biāo)準(zhǔn)波形：前面板右邊為任意序列波形發(fā)生器，主要用來(lái)產(chǎn)生由八種標(biāo)準(zhǔn)波形以任意周期、順序組臺(tái)的序列波形；前面板中間為公共控件部分，主要是一些公共按

84、鈕和儀器設(shè)置參數(shù)。下面飆這三部分來(lái)分別介紹前面板控件屬性和功能。</p><p>　　(1) 任意標(biāo)準(zhǔn)波形發(fā)生器</p><p>　　波形顯示控件：波形顯示控件主要是對(duì)產(chǎn)生的波形進(jìn)行預(yù)覽，尤其需要注意的是預(yù)覽窗口中顯示的是未加增益和直流偏置的最初波形圖。</p><p>　　Waveform Array數(shù)組控件：設(shè)置用戶所需標(biāo)準(zhǔn)波形的種類，包括正弦渡、余弦波、方波、

85、三角被、鋸齒被、上升/下降斜坡波形、直流電平八種波形，可以任意選擇，同時(shí)可以設(shè)置波形初始幅值(scaling)和采樣點(diǎn)數(shù)(#of points)。需要注意的是波形初始幅值的設(shè)定范置為-1.00列1.00，用戶可以通過(guò)設(shè)置增益大小來(lái)改變波形幅值的輸出范圍。</p><p>　　DC Offset(Arb Wav)數(shù)值輸入控件：設(shè)置波形直流偏置的大小。</p><p>　　Gain (Arb

86、Wav)數(shù)值輸入控件：設(shè)置波形振幅的增益太小。</p><p>　　Stop按鈕：任意標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)波發(fā)生器停止工作按鈕。</p><p>　　UPDATE按鈕：當(dāng)程序運(yùn)行時(shí)如需改變前面板的任何參數(shù)設(shè)置均可按該按鈕來(lái)下載，并進(jìn)行更新設(shè)置。</p><p>　　Actual Sample Rate數(shù)值顯示控件：最終產(chǎn)生信號(hào)的實(shí)際采樣率。</p><p>

87、;　　(2) 公共控件屬性與設(shè)置</p><p>　　AWG／ASG按鈕：控制對(duì)任意標(biāo)準(zhǔn)波形發(fā)生器和任意序列波形發(fā)生器的選擇。</p><p>　　Instrument Descriptor 數(shù)值輸入控件：設(shè)置運(yùn)行程序的硬件板卡編號(hào)，NIPnXI-5421在本系統(tǒng)中硬件板卡編號(hào)為PXlSlot4。</p><p>　　Clock Mode字符串輸入控件：選擇設(shè)備的內(nèi)

88、部時(shí)鐘模式。</p><p>　　Sample Rate字符串輸入控件：設(shè)置采樣率。</p><p>　　Update Clock Source字符串輸入控件：選擇時(shí)鐘源。</p><p>　　Analog Filter按鈕：控制是否對(duì)信號(hào)進(jìn)行模擬濾波。</p><p>　　Digital Filter按鈕：控制是否對(duì)信號(hào)進(jìn)行數(shù)字濾波。 &l

89、t;/p><p>　　(3) 任意序列波形發(fā)生器</p><p>　　Send SW Trigger按鈕：控制是否發(fā)送軟件觸發(fā)信號(hào)(軟件觸發(fā)方式下有效)。</p><p>　　Trigger Mode：字符串輸控件：選擇觸發(fā)模式。</p><p>　　Trigger source：字符串輸入控陣}選擇觸發(fā)源。</p><p&g

90、t;　　Waveform Dam簇：選擇組成序列波形的波形信息，根據(jù)數(shù)組提供的索引，暫時(shí)可以選擇四種波形來(lái)組成一個(gè)序列波形，如果用戶需要更波形連接組成序列，可以通過(guò)增加波形名稱數(shù)組元素的方法實(shí)現(xiàn)。簇中可以選擇組成序列波形的波形片段命名、波形類型、初始幅值和采樣點(diǎn)數(shù)。</p><p>　　Sequence：設(shè)定波形序列，利用數(shù)組索引的順序確定各波形片段連接順序及每種波形重復(fù)周期數(shù)。</p><p

91、>　　Resulting Sequence 數(shù)組：最后產(chǎn)生的序刊披形韻詳細(xì)信息，包含各波形片段名稱和循環(huán)次數(shù)。</p><p>　　DC Offset數(shù)值輸入控件：設(shè)置任意序列波形直流偏置大小。</p><p>　　Gain數(shù)值輸入控件：設(shè)置任意序列波形振幅的增益大小。</p><p>　　RE-SEQUENCE按鈕：更新波形序列。</p>&l

92、t;p>　　LOAD按鈕：在運(yùn)行階段重新導(dǎo)入新的序列被形。</p><p>　　STOP按鈕控件：任意序列波形發(fā)生器停止工作按鈕。</p><p>　　3.2.2 虛擬任意波形發(fā)生器程序框圖設(shè)計(jì)</p><p>　　任意波形發(fā)生器的框圖程序主要包括任意標(biāo)準(zhǔn)波形發(fā)生器和任意序列波形發(fā)生器兩部分，通過(guò)一個(gè)簡(jiǎn)單的選擇結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)兩者的選擇(前面板中的AWG／ASG即

93、為選擇結(jié)構(gòu)的控制按鈕)。下面僅介紹任意標(biāo)準(zhǔn)波形發(fā)生器的框圖程序設(shè)計(jì)。</p><p>　　設(shè)置波形數(shù)組，將創(chuàng)建的8種標(biāo)準(zhǔn)波形下載到內(nèi)容，并進(jìn)行圖形示波顯示</p><p>　　設(shè)置波形直流偏置和波形振幅的增益大小。</p><p><b>　　設(shè)置時(shí)鐘源。</b></p><p><b>　　設(shè)置波形采樣率&l

94、t;/b></p><p>　　3.3虛擬示波器簡(jiǎn)介</p><p>　　示波器是生產(chǎn)實(shí)踐和科學(xué)研究中應(yīng)用十分廣泛的電子測(cè)量?jī)x器。目前常用的模擬示波器，外型笨重，功能單一;數(shù)字示波器雖然有一定的功能擴(kuò)展，但價(jià)格昂貴，維護(hù)升級(jí)成本高，短時(shí)間內(nèi)難以普及應(yīng)用。隨著虛擬儀器技術(shù)的發(fā)展，基于虛擬儀器的虛擬示波器也應(yīng)運(yùn)而生。虛擬示波器充分利用計(jì)算機(jī)的信息處理能力，實(shí)現(xiàn)對(duì)多路輸入信號(hào)的實(shí)時(shí)采集和存

95、儲(chǔ)，并進(jìn)行離線分析和處理。虛擬示波器既有最先進(jìn)的技術(shù)特點(diǎn)，順應(yīng)了當(dāng)代測(cè)試儀器的發(fā)展趨勢(shì)，也有較優(yōu)良的性能價(jià)格比。與傳統(tǒng)示波器比較，其優(yōu)點(diǎn)主要表現(xiàn)在:</p><p>　　捕捉的波形可以保存在磁盤中或從打印機(jī)打印出來(lái)備份。</p><p>　　采用自動(dòng)測(cè)量或光標(biāo)測(cè)量，能減少輸入放大器的示波管線性度的影響，可以獲得較高的準(zhǔn)確度。</p><p>　　波形均勻、穩(wěn)定、無(wú)閃

96、爍，同時(shí)還能跟隨觀察窗口的大小變化而變化，為用戶作細(xì)的觀測(cè)提供了方便。</p><p>　　通過(guò)用戶編程，可擴(kuò)充用戶需要的各種數(shù)據(jù)處理和分析能力，因此虛擬示波器更適合對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行性能測(cè)試和故障診斷。</p><p>　　多窗口顯示模式:虛擬示波器可將多個(gè)通道的實(shí)測(cè)波形圖、頻譜分析圖、功率譜分析圖等同時(shí)顯示在屏幕的不同窗口中，這一功能使虛擬示波器可以同時(shí)對(duì)控制系統(tǒng)多個(gè)工作部位運(yùn)行狀況進(jìn)行監(jiān)視。

97、</p><p>　　可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制功能。</p><p>　　3.4 虛擬示波器的軟件編程</p><p>　　3.4.1. 虛擬示波器前面板設(shè)計(jì)</p><p>　　前面板用來(lái)提供用戶與虛擬示波器的接口，通過(guò)一個(gè)友好的圖形界面，模擬傳統(tǒng)儀器操作，實(shí)現(xiàn)對(duì)虛擬示波器的控制，并且顯示數(shù)據(jù)處理結(jié)果。本課題設(shè)計(jì)的虛擬示波器前面板如圖4．3所示。根

98、據(jù)儀器的功能，在虛擬示波器前面板上設(shè)置實(shí)時(shí)圖形顯示窗口(包括波形圖、頻譜圖、功率譜圖、波形暫停截圖)、數(shù)據(jù)采集配置菜單(包括初始化配置、水平通道配置、垂直通道配置、觸發(fā)參數(shù)配置)、參數(shù)顯示窗口、錯(cuò)誤信息顯示窗口、波形圖顯示窗口大小調(diào)節(jié)旋鈕、暫停按鈕、保存按鈕、停止按鈕等。</p><p>　　3.4.2. 虛擬示波器的程序框圖設(shè)計(jì)</p><p>　　數(shù)據(jù)采集模塊主要完成數(shù)據(jù)采集時(shí)一些必要

99、的參數(shù)配置，包括NI PⅪ．d122數(shù)字</p><p>　　儀的初始化、通道配置、觸發(fā)控制等。其程序框圖如圖4．4所示。為了便于這部分程</p><p>　　序說(shuō)明，在程序的關(guān)鍵部分標(biāo)以數(shù)字序號(hào)。</p><p>　　1．用初始化函數(shù)來(lái)打開一個(gè)任務(wù)建立與數(shù)字儀的聯(lián)系，同時(shí)設(shè)置設(shè)備資源名稱和是否復(fù)位采集卡。這個(gè)功能函數(shù)與其余所有的M-SCOPE功能函數(shù)相比占用相當(dāng)多

100、的時(shí)間，所以當(dāng)重復(fù)采集數(shù)據(jù)時(shí)不必把它放在循環(huán)里面，程序只需調(diào)用初始化函數(shù)一次就夠了。通過(guò)打開一個(gè)任務(wù)，在數(shù)據(jù)采集卡和應(yīng)用程序間建立聯(lián)系后，就能向應(yīng)用程序傳輸數(shù)據(jù)。2．配置數(shù)字儀采集數(shù)據(jù)的方式。</p><p>　　3．配置數(shù)字儀垂直通道參數(shù)，包括vertical coupling(垂直耦合方式，包括AC耦合、DC耦合、GND耦合、vertical．range(垂直動(dòng)態(tài)范圍)、vertical offset(垂直偏

101、置)。</p><p>　　4．選擇信號(hào)輸入通道(雙通道；Channel o和Channel 1)，同時(shí)配置控制通道的電子特性參數(shù)包括input impedance(輸入阻抗，有50和1M兩種選擇)，最大輸入頻率(采用默認(rèn)值)。</p><p>　　5．配置水平通道參數(shù)，包括：enforce realtime(是否選擇實(shí)時(shí)采樣)、number of records(記錄個(gè)數(shù))，rain s

102、ample rate(最小采樣頻率)、reference position(參考位置)、min record length(最小采樣點(diǎn)數(shù))。</p><p>　　6．配置觸發(fā)控制參數(shù)。通過(guò)一個(gè)選擇結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)觸發(fā)方式的選擇，有以下四種觸發(fā)方式：immediate(直接觸發(fā))、Edge(邊緣觸發(fā))、Hysteresis(滯后觸發(fā))和Window Trigger(窗口觸發(fā))，利用前面板子框圖選擇標(biāo)簽中的幾個(gè)箭頭可以在不同

103、的觸發(fā)選擇子框圖之間進(jìn)行切換。每種觸發(fā)方式都設(shè)有相應(yīng)的觸發(fā)參數(shù)，如圖4．4顯示的就是Window Trigger(窗口觸發(fā))方式，在其相應(yīng)的框圖中就有trigger window mode(窗口觸發(fā)方式，可以選擇進(jìn)入窗口時(shí)觸發(fā)或者離開窗口時(shí)觸發(fā))、high level(窗口高電平)、low level(窗口低電平)。</p><p>　　7．?dāng)?shù)字儀初始化配置完成，開始采集數(shù)據(jù)。</p><p&

104、gt;　　8．?dāng)?shù)字儀讀取所采集的數(shù)據(jù)，用于信號(hào)分析處理。</p><p>　　第四章 基于虛擬儀器的網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)</p><p>　　網(wǎng)絡(luò)技術(shù)拓展了虛擬儀器的使用范圍，使之能通過(guò)局域網(wǎng)或Internet實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程通信，構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)化虛擬儀器。本章就網(wǎng)絡(luò)化虛擬儀器中的各種網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)進(jìn)行了研究，并結(jié)合虛擬示波器給出一些具體實(shí)例。</p><p>　　4.1 網(wǎng)絡(luò)化虛擬儀器&

105、lt;/p><p>　　網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)在虛擬儀器上的應(yīng)用可以實(shí)現(xiàn)儀器測(cè)量的數(shù)據(jù)資源共享，彌補(bǔ)傳統(tǒng)儀器測(cè)量單一、靈活性不大的缺點(diǎn)。隨著Internet的普及，測(cè)試技術(shù)網(wǎng)絡(luò)化已成為大勢(shì)所趨，網(wǎng)絡(luò)化虛擬儀器也成為時(shí)代的產(chǎn)物。網(wǎng)絡(luò)化虛擬儀器不僅繼承了虛擬儀器的優(yōu)點(diǎn)，而且充分利用了網(wǎng)絡(luò)的強(qiáng)大優(yōu)勢(shì)，使得系統(tǒng)更加靈活、更加有效利用資源、更加開放核心技術(shù)。</p><p>　　網(wǎng)絡(luò)化虛擬儀器也稱為虛擬儀器網(wǎng)絡(luò)化

106、，其一般特征是將虛擬儀器昂貴的外部設(shè)備、被測(cè)試點(diǎn)以及數(shù)據(jù)庫(kù)等資源納入網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)資源共享，并共同完成測(cè)試任務(wù)，使用網(wǎng)絡(luò)化虛擬儀器，人們可以在任何地點(diǎn)、任何時(shí)間獲得測(cè)量信息或數(shù)據(jù)。網(wǎng)絡(luò)化虛擬儀器也適合異地或遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)采集、故障檢測(cè)、報(bào)普等。網(wǎng)絡(luò)化虛擬儀器將傳統(tǒng)儀由單臺(tái)計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)的三大功能:數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析以及圖形化顯示分開處理，分別使用獨(dú)立的硬件模塊實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)儀器的三大功能，以網(wǎng)線相連接，使得測(cè)試網(wǎng)絡(luò)的功能遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于系統(tǒng)中各部分的獨(dú)立功能