利用虛擬儀器開發(fā)平臺Lab VIEW

1、 摘 要隨著計算機技術與測量儀器技術的結合，促使了一種新的測量儀器虛擬儀器的出現(xiàn)。虛擬儀器是一種功能意義上的儀器，由個人計算機、儀器硬件及應用軟件組成。其基本工作原理是:先通過儀器硬件采集信號，然后通過軟件編程來實現(xiàn)數(shù)據(jù)的顯示及測量等功能。隨著網(wǎng)絡通信技術的發(fā)展，網(wǎng)絡化虛擬儀器也應運而生，它是將虛擬儀器技術與網(wǎng)絡通信技術相結合，從而實現(xiàn)網(wǎng)絡化測量。 本課題利用虛擬儀器開發(fā)平臺lab view 和ni公司的數(shù)據(jù)采集卡設計了虛擬任意波形發(fā)生器和虛擬示波器。虛擬任意波形發(fā)生器能夠實現(xiàn)任意波形載入、增益控制、直流偏置調節(jié)、濾波器狀態(tài)設置等功能。虛擬示波器不但具有傳統(tǒng)示波器的波形顯示控制功能，而且還對傳

2、統(tǒng)示波器的功能進行了擴展，實現(xiàn)了參數(shù)自動測量顯示、波形存儲和頻率響應分析等功能。 最后，本文總結并以實例說明了lab view 實現(xiàn)網(wǎng)絡通信的幾種方法:tcp或udp通信、data socket, web server及遠程面板技術等。關鍵詞:虛擬儀器，lab view，任意波形發(fā)生器，示波器，data socketabstractthe combination of computer technology and measure technology make a kind of new measure instrument-virtual instruments. virtual inst

3、ruments is a kind of instruments of functional meaning, it is composed of personal computer, hardware and 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 networ

4、k technology, the networked virtual instruments appeared. networked virtual instruments implement networked measurement, which is the outcome of virtual instruments integrate with network communication technology. based on the software lab view of virtual instrument and data acquisition card of ni,

5、the virtual arbitrary waveform generator and virtual oscilloscope are 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 functions ach

6、ieved in traditional scope such as waveform display and control, but also achieves some expanded functions. for example, the parameters can be measured and displayed automatically, the waveform can be saved and the frequency response can be analyzed. ultimately, this thesis sums up several means of

7、lab view to realize communication through network such as tcp or udp communication, data socket, web server and remote panels technology. keywords: virtual instruments, lab viev, arbitrary waveform generator, oscilloscope, data socket目 錄第1章 緒論.11.1研究背景和課題的提出.11.2國內外研究現(xiàn)狀綜述.11.3課題的主要工作和本文的主要內容.2第2章 虛擬

8、儀器及其開發(fā)平臺lab view.32.1 虛擬儀器.32.1.1 虛擬儀器的概念.32.2.2 lab view的特點與應用.32.1.3 虛擬儀器的組成.42.1.4 虛擬儀器的分類、應用和發(fā)展方向.52.1.5 pxi模塊化儀器平臺.82.2 虛擬儀器開發(fā)平臺lab view.92.2.1 lab view簡介.92.2.2 lab view的特點與應用.92.2.3 lab view編程.11第3章 虛擬任意波形發(fā)生器的設計.133.1 虛擬任意波形發(fā)生器簡介.133.2 虛擬任意波形發(fā)生器軟件編程.133.2.1 虛擬任意波形發(fā)生器前面板設計.133.2.2 虛擬任意波形發(fā)生器程序框

9、圖設計.163.3 虛擬示波器簡介.163.4 虛擬示波器的軟件編程.173.4.1 虛擬示波器前面板設計.173.4.2 虛擬示波器的程序框圖設計.18第4章 基于虛擬儀器的網(wǎng)絡通信技術.204.1 網(wǎng)絡化虛擬儀器.204.2 web server及遠程面板技術.214.2.1 lab view中的web server設置.214.2.2 發(fā)布前面板對象.214.2.3 發(fā)布html文件.22結束語.25參考文獻.26致謝.27 第一章 緒 論1.1 研究背景和課題的提出 20世紀80年代中期ni( national instruments，即美國國家儀器公司)首先提出了“軟件就是儀器( t

10、he software is the instrument)這一基于計算機技術的虛擬儀器概念。虛擬儀器由于其性價比、開放性等優(yōu)勢迅速地占領了市場，成為測控儀器新的經(jīng)濟增長點和發(fā)展方向。同時隨著網(wǎng)絡技術的爆炸式發(fā)展，網(wǎng)絡技術已滲透到各行各業(yè)。網(wǎng)絡技術在虛擬儀器中的具體應用就包括網(wǎng)上教學實驗、遠程數(shù)據(jù)采集與控制、高檔測量儀器設備資源的遠程實時調用、遠程測試等新興技術和產(chǎn)業(yè)。網(wǎng)絡化虛擬儀器己經(jīng)成為21世紀虛擬儀器發(fā)展的重要方向，具有極大的市場潛力和應用前景?？偟膩碚f虛擬儀器代表了儀器儀表的發(fā)展方向，而網(wǎng)絡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)絡化技術具有非常廣闊的前景。本課題

11、在實驗室的pxi模塊化儀器平臺下設計了虛擬任意波形發(fā)生器和虛擬示波器，并且在現(xiàn)有的網(wǎng)絡資源基礎上對虛擬儀器的網(wǎng)絡通信技術進行了研究和應用。1.2 國內外研究現(xiàn)狀綜述 近年來,世界各國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儀器公司提供的開發(fā)軟件編制測試軟件，并組建自己的虛擬儀器或測試系統(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，是非常實用的開發(fā)軟件。lab windows/cvi則是為熟悉c語言的開發(fā)人員準備的、在windows環(huán)境下的標準ansic開發(fā)環(huán)境。在虛擬儀器網(wǎng)絡化技術

12、方面，ni公司從軟硬件兩方面都提供了產(chǎn)品。在lab view和lab windows/cvi中均提供了網(wǎng)絡開發(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現(xiàn)各種網(wǎng)絡通信功能，如:發(fā)送包含測控信息的電子郵件，將文件或數(shù)據(jù)傳送到ftp服務器，利用瀏覽器瀏覽虛擬儀器，編寫cgi程序實現(xiàn)服務器端操作等.這些開發(fā)工具包功能強大，能實現(xiàn)大部分的網(wǎng)絡功能，當然它們也要求開發(fā)者具有較豐富的計算機網(wǎng)絡知識和深厚的計算機網(wǎng)絡開發(fā)功底。為了降低開發(fā)難度，ni公司開始在lab

13、view6.1中提供ni lab view remote panels(遠程面板)技術，它可以通過具體的配置利用ie 來控制用lab view設計的虛擬儀器程序。當然遠程面板技術也存在著速度慢，客戶端連接能力有限等缺陷。lab view還提供另一種網(wǎng)絡傳輸技術一一data socket技術,用戶可以不用進行復雜的底層tcp編程，就可以通過計算機網(wǎng)絡向多個用戶終端同時廣播現(xiàn)場的測試數(shù)據(jù)。國內虛擬儀器的研究起步于九十年代中期，至今已有多家科研院所、高校及公司從事虛擬儀器技術的研究與產(chǎn)品的開發(fā)。例如虛擬儀器技術及其網(wǎng)絡化實現(xiàn)就是作為南京理工大學檢測技術與自動化裝置博士點211工程建設項目,本課題所進

14、行的研究也是整個研究工作的延續(xù)。1.3 課題的主要工作和本文的主要內容 本課題以ni公司的gp模塊化硬件平臺為基礎，選用了其中的ni pxi-5421和ni pxi-5122 兩塊板卡來設計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)絡條件基礎上，對虛擬儀器的網(wǎng)絡通信技術做了研究和應用。本文的主要內容是:第一章:對本文的研究背景、課題的提出和本文的主要工作內容做簡單介紹。 第二章:介紹了虛擬儀器及其軟件開發(fā)平臺lab view，并對本課題所使用的pxi模塊化儀器平臺及數(shù)據(jù)采集卡做了簡單介紹。 第三章:敘述了能夠產(chǎn)生八種標準波形和任意序列波形的虛擬任意波形發(fā)生器的設計過程。 敘述了

15、虛擬示波器的設計過程。本課題所設計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、參數(shù)測量等多種功能。 第四章:研究并應用虛擬儀器的網(wǎng)絡通信技術，主要包括tcp或udp通信、data socket技術、web server及遠程面板技術。第二章 虛擬儀器及其開發(fā)平臺lab view2.1 虛擬儀器2.1.1 虛擬儀器的概念 隨著計算機技術、電子測量技術和通信技術的飛速發(fā)展，儀器技術領域發(fā)生著巨大的變化，各種創(chuàng)新的積累使得現(xiàn)代測量儀器的功能和作用發(fā)生了質的飛躍。尤其是以計算機為核心的設計思想以及儀器系統(tǒng)與計算機軟件技術的緊密結合，導致了儀器的概念發(fā)生了突破性的變化，出現(xiàn)了一種全新

16、的儀器概念虛擬儀器(virtual instruments) 。虛擬儀器是基于計算機的儀器，它是在通用計算機上通過軟件將計算機資源與儀器硬件有機地融合為一體，從而把計算機強大的計算處理、控制能力和儀器硬件的測量能力結合在一起，使得使用者在操作這臺計算機時，就像在操作一臺由他自己設計的專用儀器一樣。也就是說當儀器硬件平臺v0接口設備與計算機連接好，再編制某種具有測量功能的軟件后，計算機就成為具備這種功能的測試儀器。這時通過計算機軟件就能實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的顯示、存儲以及分析處理?？偟膩碚f，虛擬儀器技術就是利用高性能的模塊化硬件，結合高效靈活的軟件來完成各種側試、測量和自動化應用的一種技術。而由計算機硬件

17、資源、模塊化儀器硬件和相應的測試軟件組成的模塊化儀器系統(tǒng)則稱為虛擬儀器系統(tǒng)。2.1.2 虛擬儀器的主要特點和與傳統(tǒng)儀器的比較虛擬儀器是對傳統(tǒng)儀器概念的重大突破，具有以下特點: l 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軟件來實現(xiàn)。軟件在虛擬儀器中具有關鍵的地位，是虛擬儀器的靈魂，并且軟件的靈活性和復用性使得用戶可以按照自己的需要來定義和設置測量功能，也就是說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。l 具有良好的人機界面。在虛擬儀器中，測量結果是通過軟件在計算機屏幕上生成，并且儀器的操作也是通過與傳統(tǒng)儀

18、器面板相似的圖形界面軟面板來實現(xiàn)。因此，用戶可以根據(jù)自己的愛好，利用計算機強大的圖形環(huán)境和在線幫助功能，通過編制軟件來定義自己所喜愛的面板形式。 l 強大的數(shù)據(jù)處理功能。信號處理理論的不斷完善以及計算機運算速度的不斷提高，為虛擬儀器快速、準確處理數(shù)據(jù)提供了良好基礎。 l 測量速度快。測量輸入信號的多個特性(如電壓、頻率、上升時間)往往只需要一個數(shù)據(jù)模塊，并且要測量的信號特性能被數(shù)據(jù)處理器快速計算出來，這種將多種測試集于一體的方法縮短了測試時間，從而提高了測試速度。l 有更好的測量準確度。在傳統(tǒng)的自動測試系統(tǒng)中，必須把信號連接到每一臺儀器上以完成對各種參數(shù)的測量。這樣，測量往往受電纜長度、阻抗、

19、儀器校準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，從而進一步提高了測量的準確度。 l 便于擴展。當測試系統(tǒng)需要增加新的測量功能或提高其性能時，用戶只需要增加軟件來執(zhí)行新的功能;當需要重新組建測試系統(tǒng)時，可以通過增加或更換一個通用模塊來實現(xiàn)，而不用購買一個全新的系統(tǒng)。 l 虛擬儀器具備和其他設備互聯(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，如internet等，以實現(xiàn)對現(xiàn)場生產(chǎn)的監(jiān)控和管理。傳統(tǒng)儀器則只可以連接有限的設備。 l 集成和組合性能高。虛擬儀器技術從本質上來說是一個集成的軟硬件概念。其各個功能模塊都是清晰的模塊化組合方式，選擇不同的

20、硬件、軟件模塊，進行不同的組合就可以組建不同的系統(tǒng)，達到不同的目的。 l 技術更新快。由于虛擬儀器技術是建立在當今世界最新的計算機技術、數(shù)據(jù)采集技術和通信技術基礎上，因而技術更新速度快于傳統(tǒng)儀器。 總的來說，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，能夠滿足科技高速發(fā)展對電子測量技術提出的新要求，也必然會成為電子測量儀器發(fā)展的趨勢。2.1.3 虛擬儀器的組成 虛擬儀器的組成主要包括硬件和軟件兩個基本要素，具體組成如圖2.1所示。 1.軟件組成 虛擬儀器系統(tǒng)的軟件組成包括i/o接口軟件、儀器驅動程序和應用軟件開發(fā)環(huán)境三部分。 (1)i/0接口軟件 i/o接口軟件存在于儀器與計算機中的儀器

21、驅動程序之間，是一個對儀器寄存器進行直接存取數(shù)據(jù)操作，并為儀器與儀器驅動程序提供信息傳遞的底層軟件，是實現(xiàn)開放的、統(tǒng)一的虛擬儀器系統(tǒng)的基礎與核心。(2)儀器驅動程序 儀器驅動程序是完成對某一特定儀器的控制與通信的軟件程序，是連接上層應用程序與底層i/o接口軟件的紐帶和橋梁。每個儀器模塊均有自己的儀器驅動程序。例如在本課題設計中就需要用到ni-scope和ni-fgen這兩個儀器驅動程序。儀器驅動程序的實質是為用戶提供用于儀器操作的較抽象的操作函數(shù)集。其內容包括:操作接口、編程接口、功能庫和子程序接口等。(3)應用軟件開發(fā)環(huán)境 應用軟件開發(fā)環(huán)境將計算機的數(shù)據(jù)分析和顯示功能與儀器驅動器融合在一起，

22、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)應用軟件開發(fā)環(huán)境主要包括兩種:基于傳統(tǒng)的文本語言式的平臺，如ni公司的lab windows/cvi、microsoft公司的visual c+、borland公司的delphi等;基于圖形化編程環(huán)境的平臺，如ni公司的lab view和hp公司的hpvee等。軟件是虛擬儀器技術中最重要的部份，在應用軟件開發(fā)環(huán)境下，使用正確的軟件工具并通過設計或調用特定的程序模塊，就可以高效地創(chuàng)建自己的人機交互界面。2.硬件組成 虛擬儀器的硬件由兩部分組成，一部分是計算機硬件，另一部分是儀器硬件。計算機用于管理虛擬儀器的硬件資源

23、，是虛擬儀器的硬件基礎和核心。儀器硬件則是與計算機硬件一起工作，用來采集數(shù)據(jù)、提供源信號和控制信號。2.1.4 虛擬儀器的分類、應用和發(fā)展方向1.虛擬儀器的分類 測試與測量的發(fā)展以測試總線的發(fā)展為標志。測試總線從gpib發(fā)展到vxi、pxi,測試儀器也由機架式發(fā)展到了插卡式。雖然虛擬儀器更多地強調軟件在儀器中的應用，但虛擬儀器仍離不開硬件技術的支持，信息的獲取仍需要通過硬件來實現(xiàn)。虛擬儀器的發(fā)展隨著微機的發(fā)展以及采用的總線方式的不同，可以分為以下7種類型: (1)pc總線插卡型虛擬儀器 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lab view)相結合，完成具體的數(shù)據(jù)采集和處理的任務

24、。它充分利用了pc的總線、機箱和電源等硬件資源及其豐富的軟件資源。不過插卡式儀器價格比較昂貴，并且這類儀器受計算機機箱和總線的限制，還有電源功率不足、機箱內部噪聲電平較高且無屏蔽、插槽尺寸較小且數(shù)量少等缺點。(2)gpib總線方式的虛擬儀器gpib總線是獨立儀器上一種最通用的總線，計算機連接的儀器數(shù)目不超過15臺,電纜總長度不超過20m,最高數(shù)據(jù)傳輸速率為8mbyte/s。 凡是符合gpib標準的儀器設備，不論出自何廠，均可用此標準總線連接起來構成自動測試系統(tǒng)。gpib系統(tǒng)的應用從最初的測試儀器控制迅速普及到自動控制、電視、導航、通信、核物理和工業(yè)控制等眾多領域。目前各大公司生產(chǎn)的臺式儀器中幾

25、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有限，已經(jīng)跟不上當今大規(guī)模測試系統(tǒng)的需求。但是gpib 總線仍然是實驗室條件下，組建中等水平的自動測試系統(tǒng)所歡迎的總線。(3)并行口式虛擬儀器 并行口式虛擬儀器可以連接到計算機并行口。標準并口是采用25線的并行通訊總線，由于是用于計算機與打印機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2m)。 (4)串行口式虛擬儀器 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

26、術成熟，許多測量儀器都帶rs232串行總線接口。將帶有rs232總線接口的儀器作為i/o接口設備，并通過rs232串行總線與計算機組成虛擬儀器系統(tǒng)仍然是目前虛擬儀器構成的方式之一。它支持長距離傳輸，抗干擾能力強，但數(shù)據(jù)傳輸率低，主要適用于速度較低的測試系統(tǒng)。當今pc機采用更多的是usb總線和ieee 1394總線。usb和ieee 1394總線傳輸速率高，可連接設備多，并且均具有即插即用的能力，使得外設的安裝變得十分簡單，既不必打開機箱插入插卡，又不必考慮資源分配。(5)vxi總線方式虛擬儀器 vxi總線，是一種高速計算機總線-vme總線在儀器領域的擴展。它具有穩(wěn)定的電源，強有力的冷卻能力和嚴

27、格的rfi/emi屏蔽等特性，為虛擬儀器系統(tǒng)提供了一個更為廣闊的發(fā)展空間。由于其標準開放、傳輸速率高、數(shù)據(jù)吞吐能力強、定時和同步精確、采用模塊化設計、使用方便靈活、眾多廠商支持等優(yōu)點，已經(jīng)越來越受到人們的重視。在近十年時間內，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越方便。其應用面也越來越廣，尤其是在組建中大規(guī)模自動測量測試系統(tǒng)，以及對速度、精度要求較高的場合，有著其他儀器系統(tǒng)無法比擬的優(yōu)勢。(6)pxi總線方式虛擬儀器 pxi(pci extensions for instrumentation)總線是ni公司在1997年9月推

28、出的全新的開放性、模塊化儀器總線規(guī)范。它是以compact pci為基礎的，由具有開放性的pci總線面向儀器領域的擴展而來。pxi總線符合工業(yè)標準，在機械、電氣和軟件特性方面充分發(fā)揮了pci總線的全部優(yōu)點。(7)lxi總線方式虛擬儀器 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lan的自動測試系統(tǒng)模塊化構架平臺標準。它的推出被稱為是“自1972年推出hp-ib總線以來的30多年里，測試和測控領域業(yè)界最大的新聞”。以

29、太網(wǎng)的錯誤檢測、故障定位、長距離互聯(lián)以及樹狀拓撲結構都比現(xiàn)有的總線結構優(yōu)越，網(wǎng)絡速度也由最初的lomb/s發(fā)展到現(xiàn)在的logb/s。lxi很有可能成為今后的市場主流總線技術。2.虛擬儀器的應用 虛擬儀器的功能和性能已被不斷地提高，如今在許多應用中它己成為傳統(tǒng)儀器的主要替代方式。隨著pc、半導體和軟件功能的進一步更新，未來虛擬儀器技術的發(fā)展將為測試系統(tǒng)的設計提供一個極佳的模式，并且在測量和控制方面也有無以倫比的強大功能和靈活性。目前虛擬儀器可廣泛應用于電子測量、振動分析、聲學分析、故障診斷、航天航空、軍事工程、電力工程、機械工程、建筑工程、鐵路交通、地質勘探、生物醫(yī)療、教學及科研等諸多方面。 3

30、.虛擬儀器的發(fā)展方向(1)硬件軟件化 硬件軟件化是通過軟件編程的方法改變硬件模塊的結構，以完成不同功能及性能指標，并且可以依靠硬件的柔性來增強其適應性和靈活性。例如fpga(field programmable gate array)和cpld (complex programmable logic device)等器件在虛擬儀器系統(tǒng)中的應用，使系統(tǒng)開發(fā)人員可在生產(chǎn)現(xiàn)場直接根據(jù)系統(tǒng)的要求和定義來修改邏輯功能，具有設計靈活、制作及上市快速的特點。(2)虛擬儀器的標準化 虛擬儀器的標準化主要包括硬件平臺的標準化和軟件模塊的標準化。目前， vxi, pxi等硬件規(guī)范已基本實現(xiàn)了標準化，但在觸發(fā)方式、

31、同步、延時、不同通道的共用時基等方面還未實現(xiàn)標準化，這將影響其在不同平臺上的互換性和移植性，也將影響虛擬儀器軟件模塊的標準化。軟件模塊的標準化則是將在一個標準化硬件平臺上運行的軟件按功能特點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)人員設計，并形成行業(yè)標準(如電壓表模塊、函數(shù)發(fā)生器模塊、示波器模塊等)，使用戶可以像購買硬件模塊那樣購買軟件模塊。(3)虛擬儀器網(wǎng)絡化 在計算機和網(wǎng)絡時代，利用虛擬儀器技術實現(xiàn)網(wǎng)絡測控己是大勢所趨，也是本次設計中的內容之一。虛擬儀器對于分布式數(shù)據(jù)采集來說尤為有用。利用網(wǎng)絡技術將分散在不同地方不同功能的測試設備聯(lián)系在一起，并且將實時采

32、集的數(shù)據(jù)傳輸?shù)搅硪慌_處理分析機上進行處理分析，分析后的結果可被執(zhí)行機構、測試人員查詢使用，使得數(shù)據(jù)采集、傳輸、處理分析成為一體，便于實時采集監(jiān)控。重要的數(shù)據(jù)還可以實行多機備份，提高了系統(tǒng)的可靠性。另外對于不適合人員操作的危險和環(huán)境惡劣的數(shù)據(jù)采集區(qū)域也可以實行遠程采集，將采集的數(shù)據(jù)放在服務器中供用戶使用。2.1.5 pxi模塊化儀器平臺 ni首先提出的專為測試任務設計的pxi模塊化儀器平臺，己經(jīng)成為當今測試、測量和自動化應用的標準平臺。它的開放式構架、靈活性和pc技術的成本優(yōu)勢為測量和自動化行業(yè)帶來了一場翻天覆地的改革。pxi平臺作為一種專為工業(yè)數(shù)據(jù)采集與自動化應用量身定制的模塊化儀器平臺，內建

33、有高端的定時和觸發(fā)總線，再配以各類模塊化的確硬件和相應的測試測量開發(fā)軟件，就可以建立完全自定義的測試測量解決方案。無論是面對簡單的數(shù)據(jù)采集應用，還是高端的混合信號同步采集，借助pxi高性能的硬件平臺，都能應付自如。這就是虛擬儀器技術帶來的無可比擬的優(yōu)勢。pxi采用最先進的商業(yè)化的硬件和軟件技術，以及自動測試系統(tǒng)的概念和技術，為高性能的測量提供了精確的定時和觸發(fā)。通過采用商業(yè)化的pc和數(shù)字化技術，pxi能夠以較低的成本為用戶提供專用自動測試系統(tǒng)的高性能，而且pxi測試平臺具有完整的硬件和軟件相容規(guī)范，可以滿足絕大多數(shù)測試系統(tǒng)的要求。開放的pxi規(guī)范使得不僅可以組成模塊化的測試系統(tǒng)，而且可以很容易

34、整合多個廠家的測試系統(tǒng)，同時pxi規(guī)范也能把不同平臺的儀器輕易地集成到pxi的測試系統(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、固定件和pc機裝入一個標準機箱內。本課題使用的就是型號為ni px i-1045的pxi機箱。該機箱內集成了多種模塊化儀器板卡，本課題所設計的虛擬任意波形發(fā)生器和虛擬示波器就是選用其中的ni pxi-5421和ni pxi-5221 兩塊數(shù)據(jù)采集卡在lab view 開發(fā)平臺下完成的。2.2 虛擬儀器開發(fā)平臺lab view 2.2.1 lab view簡介 虛擬儀器開發(fā)平臺是開發(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)工具和平臺產(chǎn)品多達幾十種

35、，其中最具代表性的是ni公司推出的一個圖形化軟件開發(fā)環(huán)境lab view (laboratory virtual instrument engineering workbench,即實驗室虛擬儀器工程平臺)。 lab view可以看作是一個通用的軟件開發(fā)平臺，它在一般的數(shù)據(jù)管理、科學計算等方面都可以開發(fā)出優(yōu)秀的應用程序。但是lab view最大的優(yōu)勢還在于測控系統(tǒng)的開發(fā)，因為它不僅提供了幾乎所有經(jīng)典的信號處理函數(shù)和大量現(xiàn)代的高級信號分析工具，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)場總線通訊以及與大多數(shù)通用標準的實時數(shù)據(jù)庫鏈接。使用lab view開發(fā)虛

36、擬儀器比使用基于文本的語言不但開發(fā)效率可以提高1015倍，而且程序的執(zhí)行速度也不會受多大影響。2.2.2 lab view的特點與應用lab view軟件工具的特點可歸納如下: l lab view 是基于圖形化的軟件編程平臺，不僅人機界面用“所見即所得”的可視化技術建立，而且程序代碼也是圖形化的代碼，使編程過程更加接近人的思維，是應用于測控領域的專用軟件開發(fā)工具。 l 采用數(shù)據(jù)流編程模式，能夠同時運行多個程序。 l 提供了豐富的用于數(shù)據(jù)采集、分析、表達及數(shù)據(jù)存儲的函數(shù)庫。 l 不僅具備傳統(tǒng)的程序調試手段，如設置斷點、單步運行，還提供了獨具特色的高亮執(zhí)行和探針工具，能夠使程序動畫式運行，有利于

37、設計者觀察程序運行的細節(jié)，使程序的調試和開發(fā)更為便捷。 l 內置了pci,daq,gpib,pxi,vxi,rs-232和rs-485在內的各種儀器通信總線標準的所有功能函數(shù)，支持數(shù)據(jù)采集卡和gpib,串口設備、vxi儀器、plc、工業(yè)現(xiàn)場總線以及用戶特殊的硬件板卡，免費提供世界各大廠商1000多種儀器的驅動，方便用戶迅速組建自己的應用系統(tǒng)，使得不懂總線標準的開發(fā)者也能夠驅動不同總線標準接口的設備與儀器。 l 具有強大的外部接口能力，可以實現(xiàn)lab view與外部的應用軟件(如word, excel等 )、c語言、windows api,matlab等編程語言之間的通信. l 強大的inter

38、net功能，內置了便于應用tcp/ip,dde, active x等軟件標準的庫函數(shù)。支持常用網(wǎng)絡協(xié)議，方便網(wǎng)絡、遠程測控儀器的開發(fā)。 l 支持多種操作系統(tǒng)平臺，在任何一個平臺上開發(fā)的lab view應用程序都可直接 移植到其他平臺上。 lab view的應用: l 應用于生產(chǎn)檢測。lab view已成為測試測量領域的工業(yè)標準化開發(fā)工具。結合ni test stand(系統(tǒng)測試軟件)和該領域中最大的儀器驅動程序庫，用戶可以設計自動化模型或對建立的自動化測試系統(tǒng)進行組織、控制和執(zhí)行。l 應用于研究和分析。lab view開發(fā)環(huán)境中集成了功能強大的高級分析庫，可滿足用戶所有分析要求?？茖W家和研究人

39、員一直在用lab view分析、計算生物醫(yī)學、航空、能源開發(fā)和其他眾多工業(yè)領域的真實結果. l 應用于過程控制和工業(yè)自動化。lab view一直被作為圖形化程序開發(fā)環(huán)境應用于過程控制和工業(yè)自動化領域。對于基本的過程監(jiān)控領域，lab view同其他譜如pid控制工具包、plc驅動程序等附加軟件結寺在一起?？梢詫崿F(xiàn)高速、多通道的測量和控制。l 應用于機器監(jiān)控。lab view可應用于要求實時控制、振動分析、視覺和圖像分析以及運動控制的機器監(jiān)控系統(tǒng)。2.2.3 lab view編程 在lab view環(huán)境下開發(fā)的應用程序被稱作vi(virtual instruments)，并被冠以.vi后綴，以表示

40、虛擬儀器的含義，一個由前面板和程序框圖組成。(1)前面板簡介： 前面扳是的交互式接口，與真實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行結果的，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，但是它們在前面板上可以相互轉換。 打開lab view的工作窗口，任意新建一個vi，都會彈出此的前面板，即lab view編程時控件的選用和設置工作窗口點擊鼠標右鍵，便會在前面板上出現(xiàn)包含全部控件類別的控件模扳，如圖22所示。其中每一個圖標代表一類數(shù)據(jù)類型控件，例如第一個的numeric圖標代表數(shù)據(jù)類型控件

41、，第二個的boolean圖標代表布爾類型控件。點擊每一黃控件的代表圖標便可以進入此類的所有于控件模板中，然后可以從中拖動任意一個控件置于前面板。在前面板右鍵單擊每個控件可以選擇properties來設置控件的屬性。 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，所以相應的也存在著這些變量類型的控件。（2）程序框圖簡介： 從程序框圖中接受指令，程序框圖是一種解決編程問題的圖形化方式，實際上就是的程序代碼。選擇前面板的菜單欄中的windows一欄，再點擊show block diagram或者用鼠標雙擊前面板的控件即可進入到程序框圖中。lab view的核心

42、是結構化的數(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。前面板只是用來給用戶選擇所需要的控件類型和數(shù)量，并不能實現(xiàn)用戶所定義的功能，程序框圖才是編程的關鍵。它用來控制數(shù)據(jù)流的走向，是實現(xiàn)程序功能的關鍵部分，是整個程序的靈魂。因此，編程任務的絕大部分工作都將在程序框圖里面來完成。在程序框圖編輯窗口里，點擊右鍵可以打開函數(shù)模板，如圖2.3所示在函數(shù)模板里每一個圖標也代表一類函數(shù)模扳。例如第一個國標structures代表結構函數(shù)模板，第二個國標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，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。每一個函數(shù)子模板都有其對應的功能和

43、作用。程序框圖的對象主要有：l 節(jié)點。節(jié)點是承載數(shù)據(jù)流的載體，lab view里有函數(shù)節(jié)點、結構節(jié)點、屬性節(jié)點、調用庫函數(shù)節(jié)點、包含節(jié)點、sub vi節(jié)點。每一類節(jié)點都有其各自不同的作用和功能，倒如結構節(jié)點主要用來控制程序的執(zhí)行結構方式。l 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)從一個端螭口流向另一個端口。lab view里有控件端口、節(jié)點端口，結構端口和常數(shù)端口共四類端口。端口是連線的出發(fā)點或結束點，即端口之間是通過連線來控制數(shù)據(jù)的流向。l 連線。連線是編寫lab view程序的一項主要工作。任何一個錯誤的連線都將導致程序的無法執(zhí)行。第三章 虛擬任意波形發(fā)生器和虛擬示波器

44、的設計3.1 虛擬任意波形發(fā)生器簡介 現(xiàn)在越來越多的現(xiàn)代測試系統(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源，而且能使對小故障源和實時信號的模擬與仿真變得便利。市場的需求也帶動了awg(arbitrary waveform generator)技術研究的熱潮。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、成本商，因此，高性能的傳統(tǒng)任意波形發(fā)生器一般都價格昂貴，而且大多為進口儀器。另一類則屬于虛擬儀器。它是以專用的模塊化硬件板卡為基礎，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

45、發(fā)出成本較低且實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。 目前市場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。例如：awg的著名制造商美國時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。從某種意義上來說這也屬于虛擬儀器的范疇，同時也反映了虛擬儀器技術在開發(fā)新型高性能awg方面有很大的技術優(yōu)勢。由目前所掌握的相關資料以及產(chǎn)品信息可以看出，awg的技術已經(jīng)日趨成熟。市場上的產(chǎn)品已經(jīng)不僅能實現(xiàn)正弦、方波、三角波等標準信號的生成，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。在信號的

46、種類不斷豐富的同時，信號的品質也在逐步增強。帶寬一般在幾hz到幾十mhz的范圍內，波形純度高，失真度低。另外。很虛擬awg也支持用戶通過友好的圖形化儀器操作界面來自己編輯波形，并且這種編輯工作往往非常方便，編輯好后，下載到儀器內存中，就可得到自定義的波形。本課題所設計的虛擬任意波形發(fā)生器就能夠讓用戶自己編輯波形，從而實現(xiàn)真正意義上的任意波形發(fā)生器功能。3.2 虛擬任意波形發(fā)生器軟件編程 虛擬任意波形發(fā)生器的軟件編程，主要是結合ni-fgen驅動函數(shù)在lab view開發(fā)平臺下實現(xiàn)，最終能夠產(chǎn)生八種標準波形和這八種標準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介紹設計過程。3.2

47、.1 虛擬任意波形發(fā)生器前面板設計 前面板程序是用來提供用戶與任意波形發(fā)生器的接口，它產(chǎn)生一個友好的界面，一方面用于顯示和處理結果；另一方面，用戶也可以通過控制面板上的開關和按鈕，模擬傳統(tǒng)的儀器操作，通過鍵盤和鼠標實現(xiàn)對任意波形發(fā)生器的控制。根據(jù)所要實現(xiàn)的功能，本課題設計的任意波形發(fā)生器前面板如圖3.3所示。 儀器前面板中控件主要分為三部分：前面板左邊為任意標準波形發(fā)生器(為了與儀器名字區(qū)分，并根據(jù)產(chǎn)生波形特點，特將任意波形輸出模式下的發(fā)生器命名為任意標準波形發(fā)生器)，主要用來產(chǎn)生八種標準波形：前面板右邊為任意序列波形發(fā)生器，主要用來產(chǎn)生由八種標準波形以任意周期、順序組臺的序列波形；前面板中間

48、為公共控件部分，主要是一些公共按鈕和儀器設置參數(shù)。下面飆這三部分來分別介紹前面板控件屬性和功能。(1) 任意標準波形發(fā)生器l 波形顯示控件：波形顯示控件主要是對產(chǎn)生的波形進行預覽，尤其需要注意的是預覽窗口中顯示的是未加增益和直流偏置的最初波形圖。l waveform array數(shù)組控件：設置用戶所需標準波形的種類，包括正弦渡、余弦波、方波、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，同時可以設置波形初始幅值(scaling)和采樣點數(shù)(#of points)。需要注意的是波形初始幅值的設定范置為-1.00列1.00，用戶可以通過設置增益大小來改變波形幅值的輸出范圍。l

49、dc offset(arb wav)數(shù)值輸入控件：設置波形直流偏置的大小。l gain (arb wav)數(shù)值輸入控件：設置波形振幅的增益太小。l stop按鈕：任意標準準波發(fā)生器停止工作按鈕。l update按鈕：當程序運行時如需改變前面板的任何參數(shù)設置均可按該按鈕來下載，并進行更新設置。l actual sample rate數(shù)值顯示控件：最終產(chǎn)生信號的實際采樣率。(2) 公共控件屬性與設置l awgasg按鈕：控制對任意標準波形發(fā)生器和任意序列波形發(fā)生器的選擇。l instrument descriptor 數(shù)值輸入控件：設置運行程序的硬件板卡編號，nipnxi-5421在本系統(tǒng)中硬件板

50、卡編號為pxlslot4。l clock mode字符串輸入控件：選擇設備的內部時鐘模式。l sample rate字符串輸入控件：設置采樣率。l update clock source字符串輸入控件：選擇時鐘源。l analog filter按鈕：控制是否對信號進行模擬濾波。l digital filter按鈕：控制是否對信號進行數(shù)字濾波。 (3) 任意序列波形發(fā)生器l send sw trigger按鈕：控制是否發(fā)送軟件觸發(fā)信號(軟件觸發(fā)方式下有效)。l trigger mode：字符串輸控件：選擇觸發(fā)模式。l trigger source：字符串輸入控陣選擇觸發(fā)源。l waveform

51、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，暫時可以選擇四種波形來組成一個序列波形，如果用戶需要更波形連接組成序列，可以通過增加波形名稱數(shù)組元素的方法實現(xiàn)。簇中可以選擇組成序列波形的波形片段命名、波形類型、初始幅值和采樣點數(shù)。l sequence：設定波形序列，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周期數(shù)。l resulting sequence 數(shù)組：最后產(chǎn)生的序刊披形韻詳細信息，包含各波形片段名稱和循環(huán)次數(shù)。l dc offset數(shù)值輸入控件：設置任意序列波形直流偏置大小。l gain數(shù)值輸入控件：設置任意序列波形振幅的增益大小。l re-sequence按鈕

52、：更新波形序列。l load按鈕：在運行階段重新導入新的序列被形。l stop按鈕控件：任意序列波形發(fā)生器停止工作按鈕。3.2.2 虛擬任意波形發(fā)生器程序框圖設計 任意波形發(fā)生器的框圖程序主要包括任意標準波形發(fā)生器和任意序列波形發(fā)生器兩部分，通過一個簡單的選擇結構可以實現(xiàn)兩者的選擇(前面板中的awgasg即為選擇結構的控制按鈕)。下面僅介紹任意標準波形發(fā)生器的框圖程序設計。1） 設置波形數(shù)組，將創(chuàng)建的8種標準波形下載到內容，并進行圖形示波顯示2） 設置波形直流偏置和波形振幅的增益大小。3） 設置時鐘源。4） 設置波形采樣率3.3虛擬示波器簡介示波器是生產(chǎn)實踐和科學研究中應用十分廣泛的電子測量儀

53、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展，但價格昂貴，維護升級成本高，短時間內難以普及應用。隨著虛擬儀器技術的發(fā)展，基于虛擬儀器的虛擬示波器也應運而生。虛擬示波器充分利用計算機的信息處理能力，實現(xiàn)對多路輸入信號的實時采集和存儲，并進行離線分析和處理。虛擬示波器既有最先進的技術特點，順應了當代測試儀器的發(fā)展趨勢，也有較優(yōu)良的性能價格比。與傳統(tǒng)示波器比較，其優(yōu)點主要表現(xiàn)在:l 捕捉的波形可以保存在磁盤中或從打印機打印出來備份。l 采用自動測量或光標測量，能減少輸入放大器的示波管線性度的影響，可以獲得較高的準確度。l 波形均勻、穩(wěn)定、無閃爍，同時還能跟隨觀察窗口的

54、大小變化而變化，為用戶作細的觀測提供了方便。l 通過用戶編程，可擴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系統(tǒng)進行性能測試和故障診斷。l 多窗口顯示模式:虛擬示波器可將多個通道的實測波形圖、頻譜分析圖、功率譜分析圖等同時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對控制系統(tǒng)多個工作部位運行狀況進行監(jiān)視。l 可以實現(xiàn)遠程控制功能。3.4 虛擬示波器的軟件編程3.4.1. 虛擬示波器前面板設計前面板用來提供用戶與虛擬示波器的接口，通過一個友好的圖形界面，模擬傳統(tǒng)儀器操作，實現(xiàn)對虛擬示波器的控制，并且顯示數(shù)據(jù)處理結果。本課題設計的虛擬示波器前面板如圖43所示。根據(jù)儀器的功能，在虛擬示波器前面板上設置實時圖形顯示窗口(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