(論文)基于labview的多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(論文)最新優(yōu)秀畢業(yè)論文資料搜集嘔血奉獻(xiàn)

大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計說明書（畢業(yè)論文）題 目：基于LabVIEW的多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)學(xué)生姓名： 學(xué) 號：專 業(yè)：測控技術(shù)與儀器班 級： 指導(dǎo)教師： 61畢業(yè)設(shè)計說明書（畢業(yè)論文）摘 要虛擬儀器是將儀器技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)、總線技術(shù)和軟件技術(shù)緊密的融合在一起，利用計算機(jī)強(qiáng)大的數(shù)字處理能力實現(xiàn)儀器的大部分功能，打破了傳統(tǒng)儀器的框架，形成的一種新的儀器模式。本設(shè)計采用NI PCI-6221數(shù)據(jù)采集卡，運用虛擬儀器及其相關(guān)技術(shù)于多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計。該系統(tǒng)具有數(shù)據(jù)同時采集、采集數(shù)據(jù)實時顯示、存儲與管理、報警記錄等功能，最后使用Web技術(shù)實現(xiàn)了采集數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程訪問。本文首先概述了測控技術(shù)和虛擬儀器技術(shù)在國內(nèi)外的發(fā)展及以后的發(fā)展趨勢，探討了虛擬儀器的總線及其標(biāo)準(zhǔn)、框架結(jié)構(gòu)、LabVIEW開發(fā)平臺，然后介紹了數(shù)據(jù)采集的相關(guān)理論，給出了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)圖。在分析本系統(tǒng)功能需求的基礎(chǔ)上，介紹了程序模塊化設(shè)計、數(shù)據(jù)庫、Web、多線程等設(shè)計中用到的技術(shù)，最后一章給出了本設(shè)計的前面板圖。本設(shè)計是虛擬儀器在測控領(lǐng)域的一次成功嘗試。實踐證明虛擬儀器是一種優(yōu)秀的解決方案，能夠高效的實現(xiàn)各種測控任務(wù)。關(guān)鍵字：虛擬儀器；數(shù)據(jù)采集；MySQL；PHP；LabVIEW畢業(yè)設(shè)計說明書（畢業(yè)論文）AbstractVirtual instrument(VI)is combines computer science,bus technology,software engeneering with measurement instrumentation techology,employes the computers powerful digtal process compability to realize main function of instrument.It breakes the mainframe of traditonal instrument and forges a new instrument pattern.This project use NI PCI-6221 DAQ(data acquisition) card,ingeniously applyes VI technology in the development of a Multi-channel data acquisition develoment and finally achieves a solution which can provide many functions including multi-channel and multi-parameter signal acquisition,huge measurement information storage and management,Alarm record, and Collecting data show that real-time.Finally the use of Web technology to achieve the Acquisition of data remote access.This paper Introduced in detail the test technology in the domestic and foreign development and the later trend of development, then introduced the virtual instruments development. Study and reseach deeply VIs concept,hardware configuration and software architechture.Then introduce the development platform-LabVIEW.Introduced the theory of data acquisition, which elaborated on the acquisition of hardware, the input signal conditioning, given the DAQ system structure of the hardware.Based on the analysis of the DAQ system on the basis of functional requirements, described in detail the design used in some software-related technologies, including procedures modular design, database technology, Web technology, multi-threaded technology.The final chapter given the specific design of the font panel.This project is a successful application of VI in measurement domain,which testifies that VI is an available and effective solution and can be employed to accomplish majority complicated measurement task.Key words: Virtual Instrument; DAQ; MySQL; PHP; LabVIEW 目 錄摘要IAbstractII目錄IV第一章 緒論11.1 引言11.2 課題背景11.2.1 測控技術(shù)的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀11.2.2 虛擬儀器技術(shù)發(fā)展趨勢31.3 本設(shè)計所做的工作51.3.1 多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計51.3.2 遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)檢索的設(shè)計6第二章 虛擬儀器72.1 虛擬儀器技術(shù)概述72.1.1 虛擬儀器的概念72.1.2 虛擬儀器的特點及優(yōu)勢72.1.3 虛擬儀器和傳統(tǒng)儀器的比較82.1.4 虛擬儀器測試系統(tǒng)的組成102.1.5 虛擬儀器I/O接口設(shè)備112.1.6 虛擬儀器的軟件結(jié)構(gòu)132.2 虛擬儀器的開發(fā)軟件132.2.1 虛擬儀器的開發(fā)語言132.2.2 圖形化虛擬儀器開發(fā)平臺LabVIEW142.2.3 基于LabVIEW平臺的虛擬儀器程序設(shè)計15第三章 系統(tǒng)設(shè)計理論及硬件平臺的實現(xiàn)173.1 PC機(jī)173.2 數(shù)據(jù)采集理論173.2.1 數(shù)據(jù)采集技術(shù)概論173.2.2 采集系統(tǒng)的一般組成及各部分功能描述193.2.3 傳感器213.2.4 信號調(diào)理213.2.5 輸入信號的類型223.2.6 輸入信號的連接方式253.2.7 測量系統(tǒng)分類253.2.8 選擇合適的測量系統(tǒng)273.3 數(shù)據(jù)采集卡的選擇293.3.1 數(shù)據(jù)采集卡的主要性能指標(biāo)303.3.2 數(shù)據(jù)采集卡(DAQ卡)的組成313.3.3 NI PCI-6221數(shù)據(jù)采集卡313.4 本設(shè)計總體硬件框圖32第四章 系統(tǒng)軟件設(shè)計的相關(guān)技術(shù)334.1 程序模塊化設(shè)計概述334.1.1 程序設(shè)計的模塊化原則334.1.2 軟件系統(tǒng)的模塊化設(shè)計原則344.1.3 本設(shè)計的軟件系統(tǒng)模塊劃分354.2 數(shù)據(jù)庫技術(shù)364.2.1 數(shù)據(jù)庫技術(shù)概述364.2.2 ADO與數(shù)據(jù)庫的交互技術(shù)384.2.3 MySQL數(shù)據(jù)庫384.3 Web技術(shù)394.3.1 Web技術(shù)概述394.3.2 PHP技術(shù)414.3.3 遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)訪問系統(tǒng)434.4 多線程技術(shù)434.4.1 Windows的多線程機(jī)制434.4.2 LabVIEW與多線程444.4.3 多線程技術(shù)在本設(shè)計中的應(yīng)用444.5 系統(tǒng)具體應(yīng)用程序的實現(xiàn)454.5.1 數(shù)據(jù)采集部分程序454.5.2 數(shù)據(jù)保存部分程序454.5.3 歷史數(shù)據(jù)查詢部分程序464.5.4 報警記錄部分程序46第五章 系統(tǒng)軟件的具體實現(xiàn)485.1 登錄系統(tǒng)485.2 通道參數(shù)配置495.3 實時數(shù)據(jù)顯示505.4 歷史數(shù)據(jù)查詢505.5 報警記錄51第六章 總結(jié)53致謝54參考文獻(xiàn)55附錄 遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)檢索系統(tǒng)代碼57畢業(yè)設(shè)計說明書（畢業(yè)論文）第一章 緒 論1.1 引言測控技術(shù)在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)、工業(yè)生產(chǎn)和國防科技等諸多領(lǐng)域中應(yīng)用十分廣泛，它的現(xiàn)代化已被認(rèn)為是科學(xué)技術(shù)、國防現(xiàn)代化的重要條件和明顯標(biāo)志。20世紀(jì)70年代以來，計算機(jī)、微電子等技術(shù)迅猛發(fā)展，在其推動下，測控儀器與技術(shù)不斷進(jìn)步，相繼誕生了智能儀器、PC儀器、VXI儀器、虛擬儀器及互換性虛擬儀器等微機(jī)化儀器及其自動測控系統(tǒng)，計算機(jī)與現(xiàn)代化儀器設(shè)備間的界限日漸模糊，測控領(lǐng)域和范圍不斷拓寬1。近年來，以計算機(jī)為中心、以網(wǎng)絡(luò)為核心的網(wǎng)絡(luò)化測控技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)化測控系統(tǒng)得到越來越多的應(yīng)用，尤其是在航空航天等國防科技領(lǐng)域。網(wǎng)絡(luò)化的測控系統(tǒng)大體上由兩部分組成：測控終端與傳輸介質(zhì)，隨著個人計算機(jī)的高速發(fā)展，測控終端的位置越來越多的被個人計算機(jī)所占據(jù)，其中，軟件系統(tǒng)是計算機(jī)系統(tǒng)的核心，甚至是整個測控系統(tǒng)的靈魂，應(yīng)用于測控領(lǐng)域的軟件系統(tǒng)稱為監(jiān)控軟件。傳輸介質(zhì)組成的通信網(wǎng)絡(luò)主要完成數(shù)據(jù)的通信與采集，這種數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是整個測控系統(tǒng)的主體，是完成測控任務(wù)的主力。因此，這種“監(jiān)控軟件數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)”構(gòu)架的測控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)在很多領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用，并形成了一套完整的理論1。1.2 課題背景1.2.1 測控技術(shù)的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀早期的測控系統(tǒng)采用大型儀表集中對各個重要設(shè)備的狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，通過操作盤進(jìn)行集中式操作；而計算機(jī)測控系統(tǒng)是以計算機(jī)為主體，加上檢測裝置、執(zhí)行機(jī)構(gòu)與被控對象(生產(chǎn)過程)共同構(gòu)成的整體。系統(tǒng)中的計算機(jī)實現(xiàn)生產(chǎn)過程的檢測、監(jiān)督和控制功能。由于通信協(xié)議不開放，因此這種測控系統(tǒng)是一個自封閉系統(tǒng)，一般只能完成單一的測控功能，一般通過接口，如RS-232或GPIB接口可與本地計算機(jī)或其他儀器設(shè)備進(jìn)行簡單互連1。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，在我國國防、通信、航天、航空、氣象、環(huán)境監(jiān)測、制造等領(lǐng)域，要求測控和處理的信息量越來越大、速度越來越快。同時測控對象的空間位置日益分散，測控任務(wù)日益復(fù)雜，測控系統(tǒng)日益龐大，因此，提出了測控現(xiàn)場化、遠(yuǎn)程化、網(wǎng)絡(luò)化的要求。傳統(tǒng)的單機(jī)儀器己遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能適應(yīng)大數(shù)量、高質(zhì)量的信息采集要求，產(chǎn)生了由計算機(jī)控制的測控系統(tǒng)，系統(tǒng)內(nèi)單元通過各種總線互連，進(jìn)行信息的傳輸。網(wǎng)絡(luò)化的測控技術(shù)興起于國外，是在計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、通信技術(shù)高速發(fā)展，以及對大容量分布式測控的大量需求背景下發(fā)展起來。主要可分為以下幾個階段。第一階段：起始于20世紀(jì)70年代通用儀器總線(GPIB)的出現(xiàn)，GPIB實現(xiàn)了計算機(jī)與測控系統(tǒng)的首次結(jié)合，使得測量儀器從獨立的手工操作單臺儀器開始走向計算機(jī)控制的多臺儀器的測控系統(tǒng)。此階段是網(wǎng)絡(luò)化測控系統(tǒng)的雛形與起始階段。第二階段：起始于20世紀(jì)80年代VXI標(biāo)準(zhǔn)化儀器總線的出現(xiàn)，VXI系統(tǒng)可以將大型計算機(jī)昂貴的外設(shè)、VXI設(shè)備、通信線路等硬件資源以及大型數(shù)據(jù)庫程序等軟件資源納入網(wǎng)絡(luò)，使得這些寶貴的資源得以共享。此階段是網(wǎng)絡(luò)化測控系統(tǒng)的初步發(fā)展階段。第三階段：隨著技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)場總線技術(shù)的出現(xiàn)帶動了現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)(FCS)的迅速發(fā)展，使得可以在一個工廠范圍內(nèi)通過總線將成千上萬個智能傳感器/變送器等智能化的儀表組成一個網(wǎng)絡(luò)化測控儀器系統(tǒng)，此階段是網(wǎng)絡(luò)化測控系統(tǒng)的快速發(fā)展階段。第四階段：在對現(xiàn)代化要求極高的領(lǐng)域，傳統(tǒng)的測控系統(tǒng)已經(jīng)逐漸無法滿足用戶的要求。許多部門或大型企業(yè)迫切要求構(gòu)建基于Internet或大型局域網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)化測控系統(tǒng)，即通常所說的分布式測控網(wǎng)絡(luò)，此階段是網(wǎng)絡(luò)化測控系統(tǒng)發(fā)展的成熟階段。1.2.2 虛擬儀器技術(shù)發(fā)展趨勢虛擬儀器是微電子、通信、計算機(jī)等現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)高速發(fā)展的產(chǎn)物。自從1785年庫侖發(fā)明靜電扭秤，1834年哈里斯提出靜電電表結(jié)構(gòu)以來，電測儀表和電子儀器隨相關(guān)技術(shù)的進(jìn)步、儀器儀表元器件質(zhì)量的提高和測量理論方法的改進(jìn)得到飛速發(fā)展。有一種較普遍地說法將測量儀器的發(fā)展分為五個階段，如圖1.1所示。圖1.1測量技術(shù)的發(fā)展從十九世紀(jì)初到二十世紀(jì)末，測量儀器經(jīng)歷了模擬儀器、電子儀器、數(shù)字儀器、智能儀器等階段，發(fā)展到現(xiàn)在的虛擬儀器。模擬儀器主要有模擬式電壓表、電流表等，這些儀表解決了當(dāng)時對某些量的測量的需求。從二十世紀(jì)初到五十年代左右，測量儀器的材料性能得到改善出現(xiàn)了電子管，同時測量理論和方法與電子技術(shù)、控制技術(shù)相結(jié)合，出現(xiàn)了以記錄儀和示波器為代表的電子儀表五十年代以后隨著晶體管和集成電路的出現(xiàn)以及應(yīng)用電子技術(shù)的發(fā)展將數(shù)字技術(shù)成功地應(yīng)用到測量儀器。這時電子控制集成電路和計算機(jī)技術(shù)開始融為一體成為測量儀器的主要特征。七十年代初第一片微處理器問世，微型計算機(jī)技術(shù)從此發(fā)展迅猛，在其影響下測量儀器呈現(xiàn)出新的活力并取得了長足進(jìn)步。伴隨微電子技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的迅速發(fā)展及在電工電子測量技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用，測量儀器也不斷進(jìn)步和發(fā)展，出現(xiàn)了智能儀器。智能儀器是將微機(jī)置于儀器內(nèi)部，使儀器具有控制、存儲、運算、邏輯判斷及自動操作等智能特點，并在測量準(zhǔn)確度、靈敏度、可靠性、自動化程度、運用能力及解決測量技術(shù)問題的深度和廣度等方面都有明顯的進(jìn)步。這種內(nèi)置微處理器的儀器，既能進(jìn)行自動測試又能完成數(shù)據(jù)處理，可取代部分的腦力勞動。隨著電子技術(shù)、微計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，智能儀器的智能水平不斷提高。但是在數(shù)字化儀器、智能儀器階段基本上沒有擺脫傳統(tǒng)儀器那種獨立使用、手動操作的模式，難以勝任更復(fù)雜、多任務(wù)的測量需求。為解決這樣的問題，總線式儀器與系統(tǒng)應(yīng)運而生。人們發(fā)明制造出CAMAC、RS-232和GPIB等多種儀器通訊接口總線，用于將多臺智能儀器連在一起，以構(gòu)成更復(fù)雜的測試系統(tǒng)。1982年美國西北儀器公司總裁德伯克提出了微機(jī)化儀器的概念，也就是人們現(xiàn)在常提到的卡式儀器?？ㄊ絻x器是虛擬儀器的雛形，是將傳統(tǒng)獨立式儀器的測量電路部分與接口部分集合在一起制成儀器功能卡，將其插入微機(jī)的內(nèi)部插槽或外部插件箱中形成的儀器。PC總線儀器系統(tǒng)是卡式儀器的一種，它是利用PC機(jī)內(nèi)部的總線，把若干塊儀器卡插在PC機(jī)內(nèi)部或外部擴(kuò)展機(jī)箱內(nèi)而組成的。插卡總線機(jī)箱與PC機(jī)間的通信，可利用RS-232、GPIB接口總線或以太網(wǎng)電纜等進(jìn)行。雖然許多廠家通過定義新的儀器總線，不斷對卡式儀器進(jìn)行改進(jìn)，但其大多是在微機(jī)內(nèi)總線的插槽上進(jìn)行開發(fā)，沒有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，且各廠家生產(chǎn)的插卡尺寸大小不一，設(shè)備兼容性較差。在這種情況下，用戶自然會提出標(biāo)準(zhǔn)化的要求。1987年，美國的惠普和泰克等5家公司在VME總線的基礎(chǔ)上，聯(lián)合提出了一種新型總線系統(tǒng)-VXI(VME eXtension For Instrumentation)總線，即由微機(jī)總線VME擴(kuò)展而成的微機(jī)化儀器專用總線。1997年美國NI公司推出了一種新的儀器總線標(biāo)準(zhǔn)PXI總線標(biāo)準(zhǔn)。制定PXI規(guī)范的目的是為了將PC的性能價格比優(yōu)勢和PCI總線面向儀器領(lǐng)域的必要擴(kuò)展結(jié)合起來，以期形成一種主流的虛擬儀器測試平臺。相對VXI儀器，按PXI總線標(biāo)準(zhǔn)制成的PXI儀器具有成本低、便于組成便攜式測試系統(tǒng)等優(yōu)點2。這些以PC為核心、由測量功能軟件支持，具有虛擬控制面板、必要儀器硬件和通信能力的PC儀器或VXI儀器就是虛擬儀器。虛擬儀器技術(shù)的出現(xiàn)，使得用戶可以自己定義儀器，靈活地設(shè)計儀器系統(tǒng)，滿足多種多樣的實際需求。隨著虛擬儀器軟件開發(fā)平臺及硬件的發(fā)展，基于虛擬儀器的儀器系統(tǒng)的開發(fā)周期更短，費用更低，測量速度、準(zhǔn)確度及可復(fù)用性提高，且更便于相應(yīng)儀器系統(tǒng)的維護(hù)和擴(kuò)展3。當(dāng)今社會正處于一個正在高速發(fā)展的狀態(tài)中，要在有限的時空內(nèi)實現(xiàn)大量的信息交換，隨之而來的是信息密度急劇增大，因而在研究和生產(chǎn)過程中要求數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對信息的處理速度越來越高，功能越來越強(qiáng)。先進(jìn)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，不僅希望設(shè)備能夠單獨進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，還希望他們之間能夠互相通信，構(gòu)成數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，甚至是測試網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，實現(xiàn)信息共享，以便對眾多的被測信號進(jìn)行對比、綜合和自動分析、從而得出準(zhǔn)確的判斷。然而傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集儀器在此方面受到很大的限制?；谔摂M儀器技術(shù)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的提出在一定程度上解決了傳統(tǒng)數(shù)據(jù)采集所面臨的問題，虛擬儀器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)成為當(dāng)今數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)發(fā)展的重要方向。本文正是在虛擬儀器技術(shù)的基礎(chǔ)上對多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計，實現(xiàn)多路信號的采集，并對實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行實時顯示、記錄、分析處理。虛擬儀器的出現(xiàn)是儀器發(fā)展史上的一場革命，代表著儀器發(fā)展的最新趨勢和新方向，并且是信息技術(shù)的重要領(lǐng)域擴(kuò)充，對科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和工業(yè)生產(chǎn)將產(chǎn)生不可估量的影響。1.3 本設(shè)計所做的工作1.3.1 多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計本設(shè)計以3個通道進(jìn)行設(shè)計，從傳感器來的模擬輸入信號，經(jīng)過信號調(diào)理后，輸入到NI PCI-6221數(shù)據(jù)采集卡，然后經(jīng)過PCI總線送入PC機(jī)，由軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，包括數(shù)據(jù)的平均值濾波，采樣波形的實時顯示，并以一定的時間間隔插入數(shù)據(jù)庫進(jìn)行歷史數(shù)據(jù)保存，邊采集邊保存，然后通過數(shù)據(jù)庫技術(shù)實現(xiàn)了歷史數(shù)據(jù)的檢索。1.3.2 遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)檢索的設(shè)計關(guān)于遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)檢索部分，因為數(shù)據(jù)已保存到數(shù)據(jù)庫里，通過網(wǎng)絡(luò)很容易進(jìn)行訪問。本設(shè)計采用ApachePHPMySQL服務(wù)器套件來實現(xiàn)了采集數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程訪問。第二章 虛擬儀器2.1 虛擬儀器技術(shù)概述2.1.1 虛擬儀器的概念虛擬儀器的概念是由美國國家儀器公司（National Instruments）最先提出的45。所謂虛擬儀器是基于計算機(jī)的軟硬件測試平臺，它可代替?zhèn)鹘y(tǒng)的測量儀器，如示波器、邏輯分析儀、信號發(fā)生器、頻譜分析儀等；可集成于自動控制、工業(yè)控制系統(tǒng)之中；可自由構(gòu)建成專有儀器系統(tǒng)。虛擬儀器是智能儀器之后的新一代測量儀器。虛擬儀器的核心技術(shù)思想就是“軟件即是儀器” 。該技術(shù)把儀器分為計算機(jī)、儀器硬件和應(yīng)用軟件三部分。虛擬儀器以通用計算機(jī)和配備標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字接口的測量儀器（包括GPIB、RS-232等傳統(tǒng)儀器以及新型的VXI模塊化儀器）為基礎(chǔ)，將儀器硬件連接到各種計算機(jī)平臺上，直接利用計算機(jī)豐富的軟硬件資源，將計算機(jī)硬件（處理器、存儲器、顯示器）和測量儀器（頻率計、示波器、信號源）等硬件資源與計算機(jī)軟件資源（包括數(shù)據(jù)的處理、控制、分析和表達(dá)、過程通訊以及圖形用戶界面）有機(jī)的結(jié)合起來。2.1.2 虛擬儀器的特點及優(yōu)勢虛擬儀器是基于計算機(jī)的功能化硬件模塊和計算機(jī)軟件構(gòu)成的電子測試儀器，而軟件是虛擬儀器的核心678，如圖2.1所示，其中軟件的基礎(chǔ)部分是設(shè)備驅(qū)動軟件，而這些標(biāo)準(zhǔn)的儀器驅(qū)動軟件使得系統(tǒng)的開發(fā)與儀器的硬件變化無關(guān)。這是虛擬儀器最大的優(yōu)點之一，有了這一點，儀器的開發(fā)和換代時間將大大縮短。虛擬儀器中應(yīng)用程序?qū)⒖蛇x硬件（如GPIB，VXI，RS-232，DAQ板）和可重復(fù)用庫函數(shù)等軟件結(jié)合在一起，實現(xiàn)了儀器模塊間的通信、定時與觸發(fā)。源代碼庫函數(shù)為用戶構(gòu)造自己的虛擬儀器（VI）系統(tǒng)提供了基本的軟件模塊。由于VI的模塊化、開放性和靈活性，以及軟件是關(guān)鍵的特點，當(dāng)用戶的測試要求變化時可以方便地由用戶自己來增減硬、軟件模塊，或重新配置現(xiàn)有系統(tǒng)以滿足新的測試要求。這樣，當(dāng)用戶從一個項目轉(zhuǎn)向另一個項目時，就能簡單地構(gòu)造出新的VI系統(tǒng)而不丟失己有的硬件和軟件資源。圖2.1虛擬儀器開發(fā)框圖虛擬儀器技術(shù)的優(yōu)勢在于可由用戶定義自己的專用儀器系統(tǒng)，且功能靈活，很容易構(gòu)建，所以應(yīng)用面極為廣泛。虛擬儀器技術(shù)十分符合國際上流行的“硬件軟件化”的發(fā)展趨勢，因而常被稱作“軟件儀器” 。它功能強(qiáng)大，可實現(xiàn)示波器、邏輯分析儀、頻譜儀、信號發(fā)生器等多種普通儀器全部功能，配以專用探頭和軟件還可檢測特定系統(tǒng)的參數(shù)，如汽車發(fā)動機(jī)參數(shù)、汽油標(biāo)號、爐窯溫度、血液脈搏波、心電參數(shù)等多種數(shù)據(jù)；它操作靈活，完全圖形化界面，風(fēng)格簡約，符合傳統(tǒng)設(shè)備的使用習(xí)慣，用戶不經(jīng)培訓(xùn)即可迅速掌握操作規(guī)程。2.1.3 虛擬儀器和傳統(tǒng)儀器的比較虛擬儀器具有傳統(tǒng)獨立儀器無法比擬的優(yōu)勢（如表1-1所示）。在高速度、高帶寬和專業(yè)測試領(lǐng)域，獨立儀器具有無可替代的優(yōu)勢。在中低檔測試領(lǐng)域，虛擬儀器可取代一部分獨立儀器的工作，但完成復(fù)雜環(huán)境下的自動化測試是虛擬儀器的拿手好戲，是傳統(tǒng)的獨立儀器難以勝任的，甚至不可思議的工作。1）傳統(tǒng)儀器的面板只有一個，上面布置了種類繁多的顯示和操作元件。由此導(dǎo)致許多識讀和操作錯誤。虛擬儀器與之不同，它可以通過在幾個分面板上的操作來實現(xiàn)比較復(fù)雜的功能。這樣，在每個分面板上就可以實現(xiàn)功能操作的單純化和面板布置的簡潔化，從而提高操作的正確性和便捷性。同時，虛擬儀器的面板上的顯示元件和操作元件的種類與形式不受標(biāo)準(zhǔn)元件和加工工藝的限制，由編程來實現(xiàn)，設(shè)計者可以根據(jù)用戶的要求和操作需要來設(shè)計儀器面板。2）在通用硬件平臺確定后，軟件取代傳統(tǒng)儀器中由硬件完成的儀器功能。3）儀器的功能是由用戶根據(jù)需要用軟件來定義，不是事先由廠家定義的。4）儀器性能的改進(jìn)和功能擴(kuò)展只需更新相關(guān)軟件設(shè)計，不需購買新儀器。5）虛擬儀器開放、靈活，與計算機(jī)同步發(fā)展，與網(wǎng)絡(luò)及其他周邊設(shè)備互聯(lián)。6）由于其以PC為核心，使得許多數(shù)據(jù)處理的過程不必像過去那樣由測試儀器本身來完成，而是在軟件的支持下，利用PC機(jī)CPU的強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理功能來完成，使得基于虛擬儀器的測試系統(tǒng)的測試精度、速度大為提高，實現(xiàn)自動化、智能化、多任務(wù)測量。7）可方便地存貯和交換測試數(shù)據(jù)，測試結(jié)果的表達(dá)方式更加豐富多樣。8）虛擬儀器在高性價比的條件下，降低系統(tǒng)開發(fā)和維護(hù)費用，縮短技術(shù)更新周期。表1.1 虛擬儀器與傳統(tǒng)儀器的比較虛擬儀器傳統(tǒng)儀器開發(fā)維護(hù)費用低開發(fā)維護(hù)費用高技術(shù)更新周期短（0.51年）技術(shù)更新周期短（510年）軟件是關(guān)鍵硬件是關(guān)鍵價格低價格昂貴開放、靈活與計算機(jī)同步，可重復(fù)用和重配置固定可用網(wǎng)絡(luò)聯(lián)絡(luò)周邊各儀器只可連有限的設(shè)備自動化、智能化、多功能、遠(yuǎn)距離傳輸功能單一，操作不便近年來，隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，己經(jīng)形成了網(wǎng)絡(luò)虛擬儀器。這是一種新型的基于Web技術(shù)的虛擬儀器，使得虛擬儀器測試系統(tǒng)成為Internet/Intranet的一部分，實現(xiàn)現(xiàn)場監(jiān)控和管理。在當(dāng)前流行的C/S/D網(wǎng)絡(luò)模式下，利用嵌入式技術(shù)（包括數(shù)據(jù)庫嵌入和網(wǎng)絡(luò)模塊的嵌入）可以充分利用有效資源，提高測試效率。2.1.4 虛擬儀器測試系統(tǒng)的組成虛擬儀器是基于計算機(jī)的儀器。計算機(jī)和儀器的密切結(jié)合是目前儀器發(fā)展的一個重要方向。這種結(jié)合基本有兩種方式，一種是將計算機(jī)裝入儀器，其典型的例子就是所謂智能化的儀器。隨著計算機(jī)功能的日益強(qiáng)大以及其體積的日趨縮小，這類儀器功能也越來越強(qiáng)大，目前已經(jīng)出現(xiàn)含嵌入式系統(tǒng)的儀器。另一種方式是將儀器裝入計算機(jī)。以通用的計算機(jī)硬件及操作系統(tǒng)為依托，實現(xiàn)各種儀器功能，虛擬儀器主要是指這種方式9。虛擬儀器的組成與傳統(tǒng)儀器一樣，主要由數(shù)據(jù)采集與控制、數(shù)據(jù)分析和處理、結(jié)果顯示三部分組成。如圖2.2所示。圖2.2 虛擬儀器的內(nèi)部功能的劃分對于傳統(tǒng)儀器，這三個部分幾乎均由硬件完成；對于虛擬儀器，前一部分由硬件構(gòu)成，后兩部分主要由軟件實現(xiàn)。與傳統(tǒng)儀器相比，虛擬儀器設(shè)計日趨模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化，設(shè)計工作量大大減小。通常虛擬儀器測試系統(tǒng)硬件組成部分是由傳感器部件、信號調(diào)理及信號采集部件（如外置或內(nèi)置數(shù)據(jù)采集卡、圖形圖像采集卡及攝像機(jī)及其用于輔助測量并能與計算機(jī)通訊的常規(guī)儀器等）、通用計算機(jī)、打印機(jī)等構(gòu)成。系統(tǒng)軟件部分通常用專用的虛擬儀器開發(fā)語言（如LabVIEW）編寫而成，并可通過Internet實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展。2.1.5 虛擬儀器I/O接口設(shè)備I/O接口設(shè)備主要用來完成被測輸入信號的采集、放大、模數(shù)轉(zhuǎn)換?？筛鶕?jù)實際情況采用不同的I/O接口硬件設(shè)備，如數(shù)據(jù)采集卡/板(DAQ)、GPIB總線儀器、VXI總線儀器、串口儀器、USB等。虛擬儀器的構(gòu)成主要有五種類型9，如圖2.3所示。圖2.3 虛擬儀器構(gòu)成方式1）DAQ(Data Acquisition)數(shù)據(jù)采集卡是指基于計算機(jī)標(biāo)準(zhǔn)總線(如ISA、PCI、USB等)的內(nèi)置功能插卡。其中USB是最新技術(shù)的數(shù)據(jù)采集卡，具有精度高，可攜性好等優(yōu)點，它更加充分地利用計算機(jī)的資源，大大增加了測試系統(tǒng)的靈活性和擴(kuò)展性；利用DAQ卡可方便快速地構(gòu)建虛擬儀器系統(tǒng)。在性能上，隨著A/D轉(zhuǎn)換技術(shù)，濾波技術(shù)和信號調(diào)理技術(shù)的發(fā)展，DAQ卡的采樣速率已達(dá)1GB/s，精度高達(dá)24位，通道數(shù)高達(dá)64個，并具有數(shù)字I/O，模擬I/O和計數(shù)器/定時器等通道。各儀器廠家生產(chǎn)了大量的DAQ卡功能模塊供用戶選擇，如示波器、串行數(shù)據(jù)分析儀、動態(tài)信號分析儀、任意波形發(fā)生器等。在計算機(jī)上掛接多個DAQ功能模塊，配合相應(yīng)的軟件，就可以構(gòu)成一臺具有多功能的測試儀器。這種基于計算機(jī)的儀器，既具有高檔儀器的測量品質(zhì)，又能滿足測量需求的多樣性。對我國大多數(shù)用戶來說，它具有很高的性能價格比，是一種特別適合我國國情的虛擬儀器方案。2）GPIB(General Purpose Interface Bus)通用接口總線，是計算機(jī)和儀器的標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議。GPIB的硬件規(guī)格和軟件協(xié)議以納入國際工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)IEEE-488.1和IEEE-488.2，它是最早的儀器總線，目前多數(shù)儀器都配備了遵循IEEE-488的GPIB接口。典型的GPIB測試系統(tǒng)包括一臺計算機(jī)，一塊基于GPIB總線的接口卡和多臺GPBI儀器軟件及相應(yīng)的傳感模塊硬件。每臺GPIB儀器有單獨的地址，由計算機(jī)控制操作。系統(tǒng)中的儀器可以增加、減少或更換，只需對計算機(jī)的控制軟件作相應(yīng)的改動?；贕PIB總線結(jié)構(gòu)的接口卡數(shù)據(jù)傳輸速率一般低于500kb/s，不適合與對系統(tǒng)速度要求較高的應(yīng)用。3）VXI(VME bus eXtension for Instrumentation )是VME總線在儀器領(lǐng)域的擴(kuò)展，上個世紀(jì)1993年VXI總線1.4版本被批準(zhǔn)為IEEE-1155標(biāo)準(zhǔn)，成為開放式工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。儀器專用總線在吸收IEEE-488的成功經(jīng)驗基礎(chǔ)上，增加了10MHz時鐘線，模擬和數(shù)字混合總線，星形總線等高速總線，定時關(guān)系嚴(yán)格，兼有計算機(jī)總線和儀器總線的優(yōu)點。4）PXI(PCI eXtension For Instrumentation)是Compact PCI總線在儀器領(lǐng)域的擴(kuò)展，是NI公司于1997年發(fā)布的一種新的開放性、模塊化儀器總線規(guī)范。其核心是Compact PCI結(jié)構(gòu)和Microsoft Windows軟件。PXI是在PCI內(nèi)核技術(shù)上增加了成熟的技術(shù)規(guī)范和要求形成的。PXI增加了用于多個板卡同步的觸發(fā)總線和10MHz參考時鐘、用于精確定時的星形觸發(fā)總線，以及用于相鄰模塊間高速通信的局部總線等，來滿足實驗和測量用戶的要求。PXI兼容Compact PCI機(jī)械規(guī)范，并增加了空氣冷卻裝置、環(huán)境測試（溫度、濕度、振動和沖擊實驗）等要求。這樣可保證多廠商產(chǎn)品的互操作性和系統(tǒng)的易集成性。5）串口系統(tǒng)是以Serial標(biāo)準(zhǔn)總線儀器與計算機(jī)為儀器精簡平臺組成的虛擬測試系統(tǒng)10。RS-232總線是早期采用的通用串行總線，將帶有RS-232標(biāo)準(zhǔn)總線接口的儀器作為I/O接口設(shè)備，通過RS-232串口總線與計算機(jī)組成虛擬儀器系統(tǒng)目前仍然是虛擬儀器構(gòu)成方式之一，主要適用于速度較低的測試系統(tǒng)。2.1.6 虛擬儀器的軟件結(jié)構(gòu)虛擬儀器技術(shù)的核心是軟件，其軟件基本結(jié)構(gòu)如圖2.4所示。用戶可以采用各種編程軟件來開發(fā)自己所需要的應(yīng)用軟件。以美國NI公司的軟件產(chǎn)品LabVIEW和LabWindows/CVI為代表的虛擬儀器專用開發(fā)平臺是當(dāng)前流行的集成化開發(fā)工具。這些軟件開發(fā)平臺提供了強(qiáng)大的儀器軟面板設(shè)計工具和各種數(shù)據(jù)處理工具，再加上虛擬儀器硬件廠商提供的各種硬件的驅(qū)動程序模塊，簡化了虛擬儀器的設(shè)計工作。隨著軟件技術(shù)的迅速發(fā)展，軟件開發(fā)的模塊化、復(fù)用化，和各種硬件儀器驅(qū)動軟件的模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化，虛擬儀器軟件開發(fā)將變得更加快速、方便。圖2.4 虛擬儀器軟件結(jié)構(gòu)2.2 虛擬儀器的開發(fā)軟件2.2.1 虛擬儀器的開發(fā)語言虛擬儀器系統(tǒng)的開發(fā)語言有：標(biāo)準(zhǔn)C，Visual C+ ，Visual Basic等通用程序開發(fā)語言。但直接由這些語言開發(fā)虛擬儀器系統(tǒng)，是有相當(dāng)難度的。除了要花大量時間進(jìn)行測試系統(tǒng)面板設(shè)計外，還要編制大量的設(shè)備驅(qū)動程序和底層控制程序。這些工作對于那些不熟悉這方面知識的工程設(shè)計人員來說，要花費大量時間和精力，這樣直接影響了系統(tǒng)開發(fā)的周期和性能。除了通用程序開發(fā)語言以外，還有一些專用的虛擬儀器開發(fā)語言和軟件，其中有影響的開發(fā)軟件有：NI公司的LabVIEW，LabWindows/CVI。LabVIEW采用圖形化編程方案，是非常實用的開發(fā)軟件。LabWindows/CVI是為熟悉C語言的開發(fā)人員準(zhǔn)備的，是在Windows環(huán)境下的標(biāo)準(zhǔn)ANSIC開發(fā)環(huán)境。除此以外還有HP公司的HP-VEE ，HP-TIG開發(fā)平臺，美國Tektronix公司的Ez-Test ，Tek-TNS平臺軟件，這些都是國際上公認(rèn)的優(yōu)秀的虛擬儀器開發(fā)軟件平臺11。2.2.2 圖形化虛擬儀器開發(fā)平臺LabVIEWLabVIEW(Laboratory Virtual Instrument Engineering)是一種圖形化的編程語言，它廣泛地被工業(yè)界、學(xué)術(shù)界和研究實驗室所接受，視為一個標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)采集和儀器控制軟件。LabVIEW集成了與滿足GPIB、VXI、RS-232和RS-485協(xié)議的硬件及數(shù)據(jù)采集卡通訊的全部功能。它還內(nèi)置了便于應(yīng)用TCP/PI、ActiveX等軟件標(biāo)準(zhǔn)的庫函數(shù)，是一個功能強(qiáng)大且靈活的軟件。利用它可以方便地建立自己的虛擬儀器，其圖形化的界面使得編程及使用過程都更加形象化。傳統(tǒng)的文本式編程是一種順序的設(shè)計思路，設(shè)計者必須寫出執(zhí)行的語句。而LabVIEW是基于數(shù)據(jù)流的工作方式，同時是基于圖形化的編程，這使得設(shè)計者不必掌握大量的編程語言和程序設(shè)計技巧便可設(shè)計出虛擬儀器系統(tǒng)11。目前，在以PC機(jī)為基礎(chǔ)的測試和工控軟件中，LabVIEW的市場普及率僅次于C+/C語言。LabVIEW具有一系列無與倫比的優(yōu)點：首先，LabVIEW作為圖形化語言編程，采用流程圖式的編程，運用的設(shè)備圖標(biāo)與科學(xué)家、工程師們習(xí)慣的大部分圖標(biāo)基本一致，這使得編程過程和思維過程非常相似；同時，LabVIEW提供了豐富的VI庫和儀器面板素材庫，近600種設(shè)備的驅(qū)動程序(可擴(kuò)充)如GPIB設(shè)備控制、VXI總線控制、串行口設(shè)備控制、以及數(shù)據(jù)分析、顯示和存儲；并且LabVIEW還提供了專門用于程序開發(fā)的工具箱，使得用戶能夠設(shè)置斷點，調(diào)試過程中可以使用數(shù)據(jù)探針和動態(tài)執(zhí)行程序來觀察數(shù)據(jù)的傳輸過程，更加便于程序的調(diào)試。因此，LabVIEW受到越來越多工程師、科學(xué)家的普遍青睞。利用LabVIEW ，可產(chǎn)生獨立運行的可執(zhí)行文件，它是一個真正的32編譯器。像許多通用的軟件一樣，LabVIEW提供了Windows、UNIX、Linux、Macintosh OS等多種版本12。2.2.3 基于LabVIEW平臺的虛擬儀器程序設(shè)計所有的LabVIEW應(yīng)用程序，即虛擬儀器(VI)，它包括前面板(Front Panel)、流程圖(Block Diagram)以及圖標(biāo)/連結(jié)器(Icon/Connector)三部分。1）前面板：前面板是圖形用戶界面，也就是VI的虛擬儀器面板，這一界面上有用戶輸入和顯示輸出兩類對象，具體表現(xiàn)有開關(guān)、旋鈕、圖形以及其他控制和顯示對象。但并非畫出兩個控件后程序就可以運行，在前面板后還有一個與之對應(yīng)的流程圖。2）流程圖：流程圖提供VI的圖形化源程序。在流程圖中對VI編程，以控制和操縱定義在前面板上的輸入和輸出功能。流程圖中包括前面板上的控件連線端子，還有一些前面板上沒有，但編程必須有的東西，例如函數(shù)、結(jié)構(gòu)和連線等。如果將VI與傳統(tǒng)儀器相比較，那么前面板上的控件對應(yīng)的就是傳統(tǒng)儀器上的按鈕、顯示屏等控件，而流程圖上的連線端子相當(dāng)于傳統(tǒng)儀器箱內(nèi)的硬件電路。在許多情況下，使用VI可以仿真?zhèn)鹘y(tǒng)儀器，不僅在屏幕上出現(xiàn)一個惟妙惟肖的標(biāo)準(zhǔn)儀器面板，而且其功能也與傳統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)儀器相差無幾。這種設(shè)計思想的優(yōu)點體現(xiàn)在兩方面： 類似流程圖的設(shè)計思想，很容易被工程人員接受和掌握，特別是那些沒有很多程序設(shè)計經(jīng)驗的工程人員。 設(shè)計的思路和運行過程清晰而且直觀。如通過使用數(shù)據(jù)探針、高亮執(zhí)行調(diào)試等多種方法，程序以較慢的速度運行，使沒有執(zhí)行的代碼顯示灰色，執(zhí)行后的代碼會高亮顯示，同時在線顯示數(shù)據(jù)流線上的數(shù)據(jù)值，完全跟蹤數(shù)據(jù)流的運行。這為程序的調(diào)試和參數(shù)的設(shè)定帶來諸多的方便。3）圖標(biāo)/連接設(shè)計：這部分的設(shè)計突出體現(xiàn)了虛擬儀器模塊化程序設(shè)計的思想。在設(shè)計大型自動檢測系統(tǒng)時一步完成一個復(fù)雜系統(tǒng)的設(shè)計是相當(dāng)有難度的。而在LabVIEW中提供的圖標(biāo)/連接工具正是為實現(xiàn)模塊化設(shè)計而準(zhǔn)備的。設(shè)計者可把一個復(fù)雜自動檢測系統(tǒng)分為多個子系統(tǒng)，每一個都可完成一定的功能。這樣設(shè)計的優(yōu)點體現(xiàn)在如下幾方面： 把一個復(fù)雜自動檢測系統(tǒng)分為多個子系統(tǒng)，程序設(shè)計思路清晰，給設(shè)計者調(diào)試程序帶來了諸多的方便。同時也對于將來系統(tǒng)的維護(hù)提供了便利。 一個復(fù)雜自動檢測系統(tǒng)分為多個子系統(tǒng)，每一個子系統(tǒng)都是一個完整的功能模塊，這樣把測試功能細(xì)節(jié)化，便于實現(xiàn)軟件復(fù)用，大大節(jié)省軟件研發(fā)周期，提高系統(tǒng)設(shè)計的可靠性。 便于實現(xiàn)“測試集成”和虛擬儀器庫的思想。同時為實現(xiàn)虛擬儀器設(shè)計的靈活性提供了前提。第三章 系統(tǒng)設(shè)計理論及硬件平臺的實現(xiàn)3.1 PC機(jī)虛擬儀器就是用通用計算機(jī)強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力代替以往需要硬件電路才能完成的功能，所以數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)軟件運行的計算機(jī)平臺的選擇至關(guān)重要?？紤]到數(shù)據(jù)采集設(shè)備通常運行在工業(yè)現(xiàn)場，常常有較強(qiáng)的振動、電源干擾和電磁干擾。為了保證記錄儀可靠的運行，設(shè)計時選定工業(yè)計算機(jī)。工業(yè)計算機(jī)采取了抗干擾措施，有利于計算機(jī)平臺的可靠運行。另一方面的考慮是工業(yè)計算機(jī)通常具有很多類型的接口有利于功能進(jìn)一步擴(kuò)展的需要。推薦配置：處理器：Intel (R) Core (TM)2 Duo CPU E6550 2.33GHz內(nèi)存：1GB硬盤：160GB顯卡：128M3.2 數(shù)據(jù)采集理論該部分主要包括數(shù)據(jù)采集技術(shù)概述，傳感器，輸入信號的分析、調(diào)理以及測量系統(tǒng)的選擇，下面分別予以說明。3.2.1 數(shù)據(jù)采集技術(shù)概論在計算機(jī)廣泛應(yīng)用的今天，數(shù)據(jù)采集的重要性是十分顯著的。它是計算機(jī)與外部物理世界連接的橋梁。各種類型信號采集的難易程度差別很大。實際采集時，噪聲也可能帶來一些麻煩。數(shù)據(jù)采集時，有一些基本原理要注意，還有更多的實際的問題要解決。假設(shè)現(xiàn)在對一個模擬信號x(t)每隔t時間采樣一次。時間間隔t被稱為采樣間隔或者采樣周期。它的倒數(shù)l/t被稱為采樣頻率，單位是采樣數(shù)/每秒。t0，t，2t，3t等等，x(t)的數(shù)值就被稱為采樣值。所有x(0)，x(t)，x(2t)都是采樣值。這樣信號x(t)可以用一組分散的采樣值來表示：x(0)，x(t)，x(2t)，x(3t)，x(kt)，圖3.1顯示了一個模擬信號和它采樣后的采樣值。采樣間隔是t，注意，采樣點在時域上是離散的。圖3.1 模擬信號采樣圖如果對信號x(t)采集N個采樣點，那么x(t)就可以用下面這個數(shù)列表示：X=x0，xl，x2，x3，xNl這個數(shù)列被稱為信號x(t)的數(shù)字化顯示或者采樣顯示。這個數(shù)列中僅僅用下標(biāo)變量編制索引，而不含有任何關(guān)于采樣率(或t)的信息。所以如果只知道該信號的采樣值，并不能知道它的采樣率，缺少了時間尺度，也不可能知道信號x(t)的頻率。根據(jù)采樣定理，最低采樣頻率必須是信號頻率的兩倍。反過來說，如果給定了采樣頻率，那么能夠正確顯示信號而不發(fā)生畸變的最大頻率叫做恩奎斯特頻率，它是采樣頻率的一半。如果信號中包含頻率高于奈奎斯特頻率的成分，信號將在直流和恩奎斯特頻率之間畸變。圖3.2和圖3.3顯示了一個信號分別用合適的采樣率和過低的采樣率進(jìn)行采樣的結(jié)果。圖3.2 合適采樣率采樣波形圖3.3 采樣率過低采樣波形采樣率過低的結(jié)果是還原的信號的頻率看上去與原始信號不同。這種信號畸變叫做混疊。出現(xiàn)的混頻偏差是輸入信號的頻率和最靠近的采樣率整數(shù)倍的差的絕對值。為了避免這種情況的發(fā)生，通常在信號被采集(A/D)之前，經(jīng)過一個低通濾波器，將信號中高于奈奎斯特頻率的信號成分濾去。理論上設(shè)置采樣頻率為被采集信號最高頻率成分的2倍就夠了，但實際上工程中選用5-10倍，有時為了較好地還原波形，甚至更高一些。3.2.2 采集系統(tǒng)的一般組成及各部分功能描述圖 3.4 數(shù)據(jù)采集結(jié)構(gòu)圖圖3.4表示了數(shù)據(jù)采集的結(jié)構(gòu)。在數(shù)據(jù)采集之前，程序?qū)Σ杉蹇ǔ跏蓟蹇ㄉ虾蛢?nèi)存中的Buffer是數(shù)據(jù)采集存儲的中間環(huán)節(jié)。需要注意的兩個問題是：是否使用緩沖？是否使用外觸發(fā)啟動、停止或同步一個操作？1）緩沖(Buffers)這里的緩沖指的是PC內(nèi)存的一個區(qū)域(不是數(shù)據(jù)采集卡上的FIFO緩沖)，它用來臨時存放數(shù)據(jù)。例如，你需要采集每秒采集幾千個數(shù)據(jù)，在一秒內(nèi)顯示或圖形化所有數(shù)據(jù)是困難的。但是將采集卡的數(shù)據(jù)先送到Buffer，你就可以先將它們快速存儲起來，稍后再重新找回它們顯示或分析。需要注意的是Buffer與采集操作的速度及容量有關(guān)。如果你的卡有DMA性能，模擬輸入操作就有一個通向計算機(jī)內(nèi)存的高速硬件通道，這就意味著所采集的數(shù)據(jù)可以直接送到計算機(jī)的內(nèi)存。不使用Buffer意味著對所采集的每一個數(shù)據(jù)你都必須及時處理(圖形化、分析等)。下列情況需要使用Buffer I/O： 需要采集或產(chǎn)生許多樣本，其速率超過了實際顯示、存儲到硬件，或?qū)崟r分析的速度。 需要連續(xù)采集或產(chǎn)生AC數(shù)據(jù)(10樣本/秒)，并且要同時分析或顯示某些數(shù)據(jù)。 采樣周期必須準(zhǔn)確、均勻地通過數(shù)據(jù)樣本。下列情況可以不使用Buffer I/O： 數(shù)據(jù)組短小，例如每秒只從兩個通道之一采集一個數(shù)據(jù)點。 需要縮減存儲器的開支。2）觸發(fā)(Triggering)觸發(fā)涉及初始化、終止或同步采集事件的任何方法。觸發(fā)器通常是一個數(shù)字或模擬信號，其狀態(tài)可確定動作的發(fā)生。軟件觸發(fā)最容易，你可以直接用軟件，例如使用布爾面板控制去啟動/停止數(shù)據(jù)采集。硬件觸發(fā)讓板卡上的電路管理觸發(fā)器，控制了采集事件的時間分配，有很高的精確度。硬件觸發(fā)可進(jìn)一步分為外部觸發(fā)和內(nèi)部觸發(fā)。當(dāng)某一模擬入通道發(fā)生一個指定的電壓電平時，讓卡輸出一個數(shù)字脈沖，這是內(nèi)部觸發(fā)。采集卡等待一個外部儀器發(fā)出的數(shù)字脈沖到來后初始化采集卡，這是外部觸發(fā)。許多儀器提供數(shù)字輸出(常稱為“trigger out”)用于觸發(fā)特定的裝置或儀器，在這里，就是數(shù)據(jù)采集卡。下列情況使用軟件觸發(fā)：用戶需要對所有采集操作有明確的控制，并且事件定時不需要非常準(zhǔn)確。下列情況使用硬件觸發(fā)： 采集事件定時需要非常準(zhǔn)確。 用戶需要削減軟件開支。 采集事件需要與外部裝置同步。3.2.3 傳感器傳感器部分是跟外界溝通的門戶，負(fù)責(zé)把外界的各種物理信息，如光、壓力、溫度、聲音等物理信號變成電信號。因為被測試對象的信號來源已經(jīng)是變換好了的電信號，所以傳感器部分在設(shè)計中沒有得到具體體現(xiàn)，但是這部分是設(shè)計過程中必需要考慮的。3.2.4 信號調(diào)理從傳感器得到的信號大多要經(jīng)過調(diào)理才能進(jìn)入數(shù)據(jù)采集設(shè)備，信號調(diào)理功能包括放大、隔離、濾波、激勵、線性化等。由于不同傳感器有不同的特性，除了這些通用功能外，還要根據(jù)具體傳感器的特性和要求來設(shè)計特殊的信號調(diào)理功能。信號調(diào)理的通用功能如下15 16：1）放大 微弱信號都要進(jìn)行放大以提高分辨率和降低噪聲，使調(diào)理后信號的電壓范圍和A/D的電壓范圍相匹配。信號調(diào)理模塊應(yīng)盡可能靠近信號源或傳感器，使得信號在受到傳輸信號的環(huán)境噪聲影響之前已被放大，使信噪比得到改善。2）隔離 隔離是指使用變壓器、光或電容耦合等方法在被測系統(tǒng)和測試系統(tǒng)之間傳遞信號，避免直接的電連接。使用隔離的原因：是從安全的角度考慮；二是隔離可使從數(shù)據(jù)采集卡讀出來的數(shù)據(jù)不受地電位和輸入模式的影響。如果數(shù)據(jù)采集卡的地與信號地之間有電位差，而又不進(jìn)行隔離，那么就有可能形成接地回路，引起誤差。3）濾波 濾波的目的是從所測量的信號中除去不需要的成分。大多數(shù)信號調(diào)理模塊有低通濾波器，用來濾除噪聲。通常還需要抗混疊濾波器，濾除信號中感興趣的最高頻率以上的所有頻率的信號。另外，某些高性能的數(shù)據(jù)采集卡自身帶有抗混疊濾波器。4）激勵 信號調(diào)理也能夠為某些傳感器提供所需的激勵信號，比如應(yīng)變傳感器、熱敏電阻等就需要外界電源或電流激勵信號。很多信號調(diào)理模塊都提供電流源和電壓源以便給傳感器提供激勵。5）線性化 許多傳感器對被測量的響應(yīng)是非線性的，因而需要對其輸出信號進(jìn)行線性化，以補償傳感器帶來的誤差。目前，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)也可以利用軟件來解決這一問題。6）數(shù)字信號調(diào)理 即使傳感器直接輸出數(shù)字信號，有時也有必要進(jìn)行調(diào)理，其作用是將傳感器輸出的數(shù)字信號進(jìn)行必要的整形或電平調(diào)整。大多數(shù)數(shù)字信號調(diào)理模塊還提供其他一些電路模塊，使得用戶可以通過數(shù)據(jù)采集卡的數(shù)字I/O比直接控制電磁閥、電燈、電動機(jī)等外部設(shè)備。3.2.5 輸入信號的類型在進(jìn)行數(shù)據(jù)采集前，必須對要采集的信號有所了解，因為不同信號的測量方式和對采集系統(tǒng)的要求是不同的，只有了解被測信號，才能選擇合適的測量方式和采集系統(tǒng)。任意一個信號是隨時間而改變的物理量。一般情況下，信號所運載信息是很廣泛的，比如：狀態(tài)(State)、速率(Rate)、電平(Level)、形狀(Shape)、頻率成分(Frequency Content)。根據(jù)信號運載信息方式的不同，可以將信號分為模擬或數(shù)字信號。數(shù)字信號又可分為開關(guān)信號和脈沖信號。模擬信號則可分為直流、時域、頻域信號。1）數(shù)字信號(Digital)第一類數(shù)字信號是開關(guān)信號(On-O