基于虚拟仪器技术的光采集系统设计.doc

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1、常熟理工学院课程设计报告目录测控系统综合设计设计任务书(六)1一、设计任务1二、设计目的3三、设计要求3四、设计内容3五、设计报告要求4六、设计进度安排4七、设计考核办法5光敏电阻应用22程序流程图23系统硬件的设计24电路的设计24软件设计25光采集的前面板25前面板操作使用说明26改图的是程序的运行和停止，以及采集信号状态的显示。27改图实现了对采集信号的显示，有时域和频域两种波形的显示。27框图程序的设计及功能实现方法27首先开始实验时要对数据采集通道选择，labview中采集通道设置如下图27单位指定从通道返回的电压测量所使用的单位。28源指定采样时钟的源接线端。如未连线该输入端，将使

2、用设备的默认板载时钟。28有效边沿指定在采样时钟脉冲的上升/下降沿采集/生成采样。28再由频谱测量连接示波器显示出采集的信号。最后将数据保存。28系统调试结果29程序框图30测控系统综合设计设计任务书(六)题目：基于虚拟仪器技术的光采集系统设计一、设计任务本课题所要求设计的基于虚拟仪器技术的光采集系统的工作原理为：利用NI ELVIS II的函数发生器（FGEN）功能，向光源LED提供频率可调、幅值可调的电压信号，光敏电阻的光电流随着光通量的不同而变化，光强越强，光电流越大利用压力应变片，将所受的压力转换成电信号。首先，应设计硬件电路对该信号进行初步的调理，然后由NI ELVIS II数据采集

3、平台提供的模拟输入通道送至计算机中，利用虚拟仪器软件开发平台LabVIEW来开发系统软件，以实现对光信号的采集、分析、处理与报表生成等，并利用LabVIEW编写的软件系统对信号进行处理。具体指标与要求如下：(一)硬件设计要求1、理解光敏电阻测量的电路原理及基本的信号处理的方法；了解光敏电阻的电阻变化与光强的关系。要求对光敏电阻进行选型，对光信号调理电路进行设计，说明其工作原理。2、理解NI ELVIS II数据采集平台的工作原理，通过NI ELVIS II数据采集平台对光信号及其调理电路出来的电压信号进行采集、分析与处理。(二)软件设计要求要求采用状态机的软件设计结构来设计光采集系统软件。系统

4、软件具有“系统初始化”、“系统等待”、“数据采集”、“报表生成”“打开报表”、“退出”等功能。具体要求如下：1、系统初始化光采集系统软件运行后，首先进入系统初始化状态。系统初始化状态主要可以对NI ELVIS II数据采集平台，所用的数据采集通道及软件界面上的所有控件进行初始化。系统初始化结束后，软件进行等待状态中，等待其他功能的选中与运行。2、系统等待在系统等待状态下，用户可选择其他功能并运行。要求系统等待状态采用事件驱动结构来实现。3、数据采集要求系统可以对光信号进行连续的实时采集、分析与显示。可对采样参数进行设置包括对所用NI ELVIS II数据采集平台物理通道、采样速率、每通道采样点

5、数、电压最大值与最小值等参数的设置。可对光源信号参数进行设定包括对波形类型、直流偏压(V)、幅度(V)、频率(Hz)等参数的设置。将采集到的时域波形等参数进行实时显示，对信号进行频谱分析并显示其频谱波形。4、报表生成报表生成功能可以实现对光信号连续采集与分析过程中的相关参数包括所用NI ELVIS II数据采集平台物理通道，电压最大值、最小值、采样速率、每通道采样点数、时域波形、频谱波形等参数或波形作为报表的内容进行保存。5、打开报表打开报表功能可以对保存的报表进行打开以便进行离线进行分析和处理。6、退出按下“退出”键，将退出系统软件。要求系统软件界面设计友好，方便操作。在系统软件界面即前面板

6、上必须有状态显示栏，以显示软件当前运行的状态。二、设计目的通过本次设计使学生具备：(1) 初步了解测控系统的设计步骤，掌握系统设计方法，加深对专业理论知识的理解，能够综合运用所学的传感器原理与检测技术、虚拟仪器技术、测控电路、测控系统原理与设计等专业知识设计测控系统各个单元，并组成系统。(2) 通过制定测控系统设计方案，合理选择传感器及其他元件，正确计算、选择各电路和元件参数，确定尺寸和选择材料，以及较全面地考虑制造工艺、使用和维护等要求，达到了解和掌握测控系统综合设计过程和方法的目的。(3) 进行设计基本技能的训练。如：计算、绘图、熟悉和运用设计资料（手册、图册、标准和规范等）以及使用经验数

7、据、进行经验估算和数据处理及计算机应用的能力。 (4)了解现代仪器科学与技术的发展前沿，学习和掌握基于虚拟仪器技术的测控系统组成和工作原理；进一步掌握虚拟仪器LabVIEW图形化软件设计方法与调试技巧。(5)培养学生查阅资料的能力和运用知识的能力；提高学生的论文撰写和表述能力；培养学生正确的设计思想、严谨的科学作风；培养学生的创新能力和运用知识的能力。三、设计要求1、了解和掌握整个以虚拟仪器技术平台构建的测控系统组成、工作原理、各单元功能和应用背景。2、根据设计任务进行文献资料的检索，根据测控系统的功能和工作原理，确定测控系统的功能，制定设计方案和设计虚拟仪器面板。3、合理选择传感器的种类与型

8、号，设计信号调理电路；利用虚拟仪器技术软件开发平台LabVIEW来编写与调试系统软件。4、按学校课程设计的撰写规范撰写且提交一份完整的设计报告。四、设计内容1、基于虚拟仪器技术的光采集系统硬件设计。2、基于虚拟仪器技术的光采集系统软件设计。具体设计内容详见前面的设计任务。五、设计报告要求报告中提供如下内容：1、 目录2、正文(1)设计任务书(只需要打印指导教师提供的设计任务书，不要对任务书的内容进行任何的修改)；(2)总体设计方案(包括对现代测控系统发展的概述，构建一个测控系统的总体结构图，对光敏电阻测量的电路原理及基本的信号处理的方法的发展与概述等、光敏电阻的电阻变化与光强的关系的概述等，光

9、信号调理电路的设计，并根据任务书要求，选择合适的技术参数和技术方案，对多种设计方案进行分析比较，系统总体结构图概述等)；(3)系统硬件设计，包括传感器的选择(测量原理分析，传感器的量程、测量精度与结构、型号的确定)、信号调理电路的选择、设计及计算(根据测量要求、传感器的类型及特点，选择或设计合适的信号调理电路，并绘制电气系统原理图。)；(4)系统软件设计，包括系统软件程序流程图、前面板与框图程序的设计及功能实现方法等；(5)系统总体调试、运行及其结果；要求有程序和运行结果等。3、收获、总结与体会4、参考文献(不低于20篇)六、设计进度安排本课程设计共需2周时间，其具体安排见下表:时 间上午下午

10、第一周星期一设计动员、布置设计任务查找与消化相关资料星期二查找与消化相关资料总体方案设计星期三总体方案设计系统硬件设计星期四系统硬件设计系统硬件设计星期五系统硬件调试系统硬件调试第二周星期一系统软件设计系统软件设计星期二系统软件设计系统软件设计星期三系统软件调试系统总体调试及性能分析与总结星期四撰写设计报告撰写设计报告星期五完成设计报告并上交答辩七、设计考核办法本设计满分为100分，从设计平时表现、设计报告及设计答辩三个方面进行评分，其所占比例分别为20%、40%、40%。基于虚拟仪器技术的光采集系统设计前言随着电子工业测量技术与电子测量仪器技术的高速发展，新的测试理论、测试方法、测试领域以及

11、新的仪器结构不断出现，它们在许多方面己经冲破了传统仪器的概念，电子测量仪器的功能和作用发生了质的变化，在这种背景下，虚拟仪器技术应运而生。虚拟仪器，是借助于计算机的软硬件平台，建立起基于PC机的测试与控制系统。虚拟仪器是当前测控领域的技术热点，它代表了未来仪器技术的发展方向。它最大特点是“按需构造，随做随用”，用户可以随心所欲地根据自己的需求设计自己的仪器系统，仅仅通过修改软件就能改变仪器功能，以满足多种多样的应用需求。“软件就是仪器”反映了虚拟仪器技术的本质特征。美国国家仪器公司（简称NI）公司的软件产品LabVIEW，是虚拟仪器语言中最有代表性的，LabVIEW 是一个革命性的图形编程开发

12、环境，它以G 语言为基础，用户进行数据采集、控制、数据分析和数据表示。基于LabVIEW 的数据采集系统是下一代自动测试系统的发展方向。本系统主要分为两部分，第一部为数据采集硬件设计，第二部分为数据管理及分析。功能主要包括：数据采集等，软件采用了NI 公司的LabVIEW2010 开发。第一部分数据采集硬件的设计。第二部分数据管理与分析，用LabVIEW 编写了基于Windows XP的上位机应用程序以及上位机与采集卡之间的通信程序；利用LabSQL 工具包建立了ACCESS 数据库，实现对采集到的数据的存储，并可以查询历史数据。同时系统可以生成报表以及可以对所需要的数据进行打印，并可以对得到

13、的数据进行一些必要的分析，如加窗函数，逐点分析。这在对一些重要数据的保存方面就显得相当地必要。1总体设计方案1.1 测控系统发展的概述现代测控技术是一门高新技术，以测控、测量、电子等学科为基础，涉及计算机技术、信息处理技术、电子技术、自动控制技术、测试测量技术、仪器仪表技术及网络技术等领域。随着现代科学技术的飞速发展和不断融入，加快了现代测控技术的发展，使其正朝着智能化、集成化、微型化、虚拟化、网络化和远程化的方向大步迈进。作为一门实践性很强的技术，现代测控技术在工业、农业和国防等领域的应用广度和深度正不断的扩大，并将为改进技术水平和提高生产率做出巨大的贡献。1.1.1 现代测控技术的特点现代

14、测控技术的特点可以概括为：智能化、数字化、网络化、分布式化。(1) 智能化 现代测控系统中应用的仪器仪表都是智能化的仪器，以微处理器为基础，具有方便使用、灵巧、多功能等特点。随着微电子技术的发展和更多的人工智能的不断引入，智能化仪器的计算能力和计算方法将得到大大增强。(2)数字化 数字化在测控领域中的应用主要体现在：控制器到远程终端设备的数字化控制，传感器的数字化控制，通信、信号处理等过程的数字化控制等。(3) 网络化 传感器技术、测控技术、计算机技术与网络技术的结合，使分布式、网络化的测控系统的组建变得十分便捷。随着计算机网络技术的迅猛发展及其他相关技术的不断完善，使得计算机网络的规模更加庞

15、大，其在航空航天、气象、通信和国防等领域的应用也更为广泛。(4) 分布式化 分布式测控技术是以网络技术和微型计算机术为基础，采用分布式的结构将系统内所使用设备连接起来，从而组合成符合要求的分布式测控系统。在生产过程的控制中，分布式测控系统可以实现测量控制管理的全自动化，大大降低了测控成本，提高了测控效率。1.1.2 现代测控系统概述现代测控系统是一个综合系统，其目的是实现生产过程的自动化控制，它以计算机技术为核心，并集控制和测量为一体。(1)现代测控系统的组成现代测控系统的组成大致可以分为五个部分，即：控制器部分。是系统的控制中心和指挥中心，主要指计算机、小型机、单片机等。程控设备和仪器。包括

16、：激励源、程控伺服系统、各种程控开关及仪器、执行元件、存储器件、显示器件等。测控应用软件。包括 I/O 接口软件、可执行应用程序和仪器驱动程序等。总线与接口部分。包括连接器、电缆、插槽、机械接插件等。它是连接控制器与各种设备、程控仪器的通路，以完成数据、命令及消息的交换与传输。被测对象。主要是指生产线、系统、子系统、被测设备等，通过电缆、开关、接插件等于测控设备相连接。根据测控任务的不同，被测对象也是千差万别的。(2)现代测控系统的基本类型 按照结构不同，现代测控系统可以分为三类：基本型、闭环控制型和标准通用接口型。基本型测控系统主要由传感器、数据采集卡、信号调理和计算机组成。它能够完成对多点

17、的实时、快速测量，并能进行信号和数据分析，消除干扰，最终做出判别。闭环控制型是指应用于闭环控制系统的测试系统，其过程的自动控制可归纳为实时数据采集、实时控制、实时判断决策三个阶段。标准通用接口型是由模块组合而成，并且所有模块的对外接口都是按照规定标准设计的。1.1.3 现代测控技术的应用(1)新型传感器技术 传感技术是当今世界发展最迅速的高新技术之一。为了适应现代科学技术的发展，新型传感器逐渐融入了诸如计算机技术、智能技术和网络技术等新技术，使其结构更加完善，功能更加强大。新型传感器技术的应用体现在：微型化气体传感器广泛应用于交通、医学、化工、机器人、国防、防伪等领域。数字化传感器在实际生产和

18、生活中应用广泛，如：银行监控、测量环境温度、图像传感器等。集成化传感器主要用于温度测量、压力测量和视觉测量。智能化传感器的典型应用，如：火车机车的状态监测、心内压监控系统等。网络化传感器在工业、农业、军事国防、医疗、抢险救灾、环境监测、城市管理、反恐等许多领域具有潜在的实用价值和重要的科研价值。(2)现代测控总线技术 在现代测控系统中，利用总线技术可以在很大程度上简化测控系统结构，增加系统的可靠性、开放性、兼容性及可维护性，从而降低系统成本。现代测控总线技术的应用有：GPIB 总线技术利用计算机实现了对仪器的操作和控制，促使测控技术向大规模测控系统的方向迅速发展。USB 总线具有低成本、速度快

19、、使用灵活、即插即用、易于扩展等优点，在低速设备上应用广泛。IEEE 总线具有支持多种总线速率、支持等时和异步两种传输方式、分层的硬件和软件、支持点对点传输、可扩展总线、错误检测和处理等优点，成为外部硬盘、视频设备、高度数字音频和其他高速外设的首选接口。自动化系统与设备正朝着现场总线体系结构的方向前进，将极大的促进企业网络和自动化相关行业的发展。LXI总线有着巨大的竞争潜力和广阔的发展空间，尤其适合于多个单位合作研究开发生产的项目和分布在不同地区的研发机构。(3)虚拟仪器技术 虚拟仪器技术是计算机辅助测试领域的一项重要技术，是现代仪器技术和现代计算机技术深层次结合的产物，具有功能强大、交互性、

20、灵活性、系列化和模块化、网络化等优点。虚拟仪器技术的应用也较广泛，如：利用虚拟仪器技术测量不同进口压力和转速下的液力变矩器的性能参数。虚拟仪器技术用于蚕茧无损质量检测。利用虚拟仪器计算机视觉软件和开发工具，开发出计算机自动化秧苗分析系统，可用于预测在最后发芽期限发芽良好的秧苗数量及监视秧苗质量。虚拟仪器技术用于农机监控、检测上及农机现代化管理与教育。(4)远程测控技术 常见的远程测控技术有：专线远程测控技术、电话网远程测控技术、以太网远程测控技术和无线通信远程测控技术。远程测控技术的应用主要有：基于 Internet 的远程测控技术，在核电站检测、电网运行监控、石油输送管道的远程监控、机器人的

21、远程监控等领域应用广泛。基于现场总线的远程测控技术，主要应用于现场总线仪表、现场总线网络、现场总线远程测控系统等的监测。基于无线通信的远程测控技术特别适用于用户密度不高、距离较远、不易布线和地理环境复杂的地区和情况。最好随着计算机技术的发展，各领域逐渐开始采用以信息的获取与应用为中心的方式，以实现工业生产、仪器仪表的自动化控制。同时，数据处理技术、信号传感技术、计算机控制技术等先进技术也在飞速发展，促使现代测控技术发生深刻的变化。现代测控技术的未来发展将朝着智能化、系统化、标准化及系统功能的综合性等趋向，并更加的开放化、标准化，为促进技术水平的提高做出巨大的贡献。1.2 虚拟仪器技术概述 1.

22、2.1虚拟仪器的概念虚拟仪器的概念是由美国国家仪器公司（National Instruments）最先提出的45。所谓虚拟仪器是基于计算机的软硬件测试平台，它可代替传统的测量仪器，如示波器、逻辑分析仪、信号发生器、频谱分析仪等；可集成于自动控制、工业控制系统之中；可自由构建成专有仪器系统。虚拟仪器是智能仪器之后的新一代测量仪器。虚拟仪器的核心技术思想就是“软件即是仪器” 。该技术把仪器分为计算机、仪器硬件和应用软件三部分。虚拟仪器以通用计算机和配备标准数字接口的测量仪器（包括GPIB、RS-232等传统仪器以及新型的VXI模块化仪器）为基础，将仪器硬件连接到各种计算机平台上，直接利用计算机丰富

23、的软硬件资源，将计算机硬件（处理器、存储器、显示器）和测量仪器（频率计、示波器、信号源）等硬件资源与计算机软件资源（包括数据的处理、控制、分析和表达、过程通讯以及图形用户界面）有机的结合起来。1.2.2 虚拟仪器的特点及优势虚拟仪器是基于计算机的功能化硬件模块和计算机软件构成的电子测试仪器，而软件是虚拟仪器的核心，如图1.1所示，其中软件的基础部分是设备驱动软件，而这些标准的仪器驱动软件使得系统的开发与仪器的硬件变化无关。这是虚拟仪器最大的优点之一，有了这一点，仪器的开发和换代时间将大大缩短。虚拟仪器中应用程序将可选硬件（如GPIB，VXI，RS-232，DAQ板）和可重复用库函数等软件结合在

24、一起，实现了仪器模块间的通信、定时与触发。源代码库函数为用户构造自己的虚拟仪器（VI）系统提供了基本的软件模块。由于VI的模块化、开放性和灵活性，以及软件是关键的特点，当用户的测试要求变化时可以方便地由用户自己来增减硬、软件模块，或重新配置现有系统以满足新的测试要求。这样，当用户从一个项目转向另一个项目时，就能简单地构造出新的VI系统而不丢失己有的硬件和软件资源。图1.1虚拟仪器开发框图虚拟仪器技术的优势在于可由用户定义自己的专用仪器系统，且功能灵活，很容易构建，所以应用面极为广泛。虚拟仪器技术十分符合国际上流行的“硬件软件化”的发展趋势，因而常被称作“软件仪器” 。它功能强大，可实现示波器、

25、逻辑分析仪、频谱仪、信号发生器等多种普通仪器全部功能，配以专用探头和软件还可检测特定系统的参数，如汽车发动机参数、汽油标号、炉窑温度、血液脉搏波、心电参数等多种数据；它操作灵活，完全图形化界面，风格简约，符合传统设备的使用习惯，用户不经培训即可迅速掌握操作规程。1.2.3 虚拟仪器和传统仪器的比较虚拟仪器具有传统独立仪器无法比拟的优势（如表1-2所示）。在高速度、高带宽和专业测试领域，独立仪器具有无可替代的优势。在中低档测试领域，虚拟仪器可取代一部分独立仪器的工作，但完成复杂环境下的自动化测试是虚拟仪器的拿手好戏，是传统的独立仪器难以胜任的，甚至不可思议的工作。1）传统仪器的面板只有一个，上面

26、布置了种类繁多的显示和操作元件。由此导致许多识读和操作错误。虚拟仪器与之不同，它可以通过在几个分面板上的操作来实现比较复杂的功能。这样，在每个分面板上就可以实现功能操作的单纯化和面板布置的简洁化，从而提高操作的正确性和便捷性。同时，虚拟仪器的面板上的显示元件和操作元件的种类与形式不受标准元件和加工工艺的限制，由编程来实现，设计者可以根据用户的要求和操作需要来设计仪器面板。2）在通用硬件平台确定后，软件取代传统仪器中由硬件完成的仪器功能。3）仪器的功能是由用户根据需要用软件来定义，不是事先由厂家定义的。4）仪器性能的改进和功能扩展只需更新相关软件设计，不需购买新仪器。5）虚拟仪器开放、灵活，与计

27、算机同步发展，与网络及其他周边设备互联。6）由于其以PC为核心，使得许多数据处理的过程不必像过去那样由测试仪器本身来完成，而是在软件的支持下，利用PC机CPU的强大的数据处理功能来完成，使得基于虚拟仪器的测试系统的测试精度、速度大为提高，实现自动化、智能化、多任务测量。7）可方便地存贮和交换测试数据，测试结果的表达方式更加丰富多样。8）虚拟仪器在高性价比的条件下，降低系统开发和维护费用，缩短技术更新周期。表1.2 虚拟仪器与传统仪器的比较虚拟仪器传统仪器开发维护费用低开发维护费用高技术更新周期短（0.51年）技术更新周期短（510年）软件是关键硬件是关键价格低价格昂贵开放、灵活与计算机同步，可

28、重复用和重配置固定可用网络联络周边各仪器只可连有限的设备自动化、智能化、多功能、远距离传输功能单一，操作不便近年来，随着网络技术的发展，己经形成了网络虚拟仪器。这是一种新型的基于Web技术的虚拟仪器，使得虚拟仪器测试系统成为Internet/Intranet的一部分，实现现场监控和管理。在当前流行的C/S/D网络模式下，利用嵌入式技术（包括数据库嵌入和网络模块的嵌入）可以充分利用有效资源，提高测试效率。1.2.4 虚拟仪器测试系统的组成虚拟仪器是基于计算机的仪器。计算机和仪器的密切结合是目前仪器发展的一个重要方向。这种结合基本有两种方式，一种是将计算机装入仪器，其典型的例子就是所谓智能化的仪器

29、。随着计算机功能的日益强大以及其体积的日趋缩小，这类仪器功能也越来越强大，目前已经出现含嵌入式系统的仪器。另一种方式是将仪器装入计算机。以通用的计算机硬件及操作系统为依托，实现各种仪器功能，虚拟仪器主要是指这种方式9。虚拟仪器的组成与传统仪器一样，主要由数据采集与控制、数据分析和处理、结果显示三部分组成。如图1.3所示。图1.3 虚拟仪器的内部功能的划分对于传统仪器，这三个部分几乎均由硬件完成；对于虚拟仪器，前一部分由硬件构成，后两部分主要由软件实现。与传统仪器相比，虚拟仪器设计日趋模块化、标准化，设计工作量大大减小。通常虚拟仪器测试系统硬件组成部分是由传感器部件、信号调理及信号采集部件（如外

30、置或内置数据采集卡、图形图像采集卡及摄像机及其用于辅助测量并能与计算机通讯的常规仪器等）、通用计算机、打印机等构成。系统软件部分通常用专用的虚拟仪器开发语言（如LabVIEW）编写而成，并可通过Internet实现网络扩展。1.2.5 虚拟仪器I/O接口设备I/O接口设备主要用来完成被测输入信号的采集、放大、模数转换。可根据实际情况采用不同的I/O接口硬件设备，如数据采集卡/板(DAQ)、GPIB总线仪器、VXI总线仪器、串口仪器、USB等。虚拟仪器的构成主要有五种类型9，如图1.4所示。图1.4 虚拟仪器构成方式1）DAQ(Data Acquisition)数据采集卡是指基于计算机标准总线(

31、如ISA、PCI、USB等)的内置功能插卡。其中USB是最新技术的数据采集卡，具有精度高，可携性好等优点，它更加充分地利用计算机的资源，大大增加了测试系统的灵活性和扩展性；利用DAQ卡可方便快速地构建虚拟仪器系统。在性能上，随着A/D转换技术，滤波技术和信号调理技术的发展，DAQ卡的采样速率已达1GB/s，精度高达24位，通道数高达64个，并具有数字I/O，模拟I/O和计数器/定时器等通道。各仪器厂家生产了大量的DAQ卡功能模块供用户选择，如示波器、串行数据分析仪、动态信号分析仪、任意波形发生器等。在计算机上挂接多个DAQ功能模块，配合相应的软件，就可以构成一台具有多功能的测试仪器。这种基于计

32、算机的仪器，既具有高档仪器的测量品质，又能满足测量需求的多样性。对我国大多数用户来说，它具有很高的性能价格比，是一种特别适合我国国情的虚拟仪器方案。2）GPIB(General Purpose Interface Bus)通用接口总线，是计算机和仪器的标准通信协议。GPIB的硬件规格和软件协议以纳入国际工业标准IEEE-488.1和IEEE-488.2，它是最早的仪器总线，目前多数仪器都配备了遵循IEEE-488的GPIB接口。典型的GPIB测试系统包括一台计算机，一块基于GPIB总线的接口卡和多台GPBI仪器软件及相应的传感模块硬件。每台GPIB仪器有单独的地址，由计算机控制操作。系统中的仪

33、器可以增加、减少或更换，只需对计算机的控制软件作相应的改动。基于GPIB总线结构的接口卡数据传输速率一般低于500kb/s，不适合与对系统速度要求较高的应用。3）VXI(VME bus eXtension for Instrumentation )是VME总线在仪器领域的扩展，上个世纪1993年VXI总线1.4版本被批准为IEEE-1155标准，成为开放式工业标准。仪器专用总线在吸收IEEE-488的成功经验基础上，增加了10MHz时钟线，模拟和数字混合总线，星形总线等高速总线，定时关系严格，兼有计算机总线和仪器总线的优点。4）PXI(PCI eXtension For Instrumenta

34、tion)是Compact PCI总线在仪器领域的扩展，是NI公司于1997年发布的一种新的开放性、模块化仪器总线规范。其核心是Compact PCI结构和Microsoft Windows软件。PXI是在PCI内核技术上增加了成熟的技术规范和要求形成的。PXI增加了用于多个板卡同步的触发总线和10MHz参考时钟、用于精确定时的星形触发总线，以及用于相邻模块间高速通信的局部总线等，来满足实验和测量用户的要求。PXI兼容Compact PCI机械规范，并增加了空气冷却装置、环境测试（温度、湿度、振动和冲击实验）等要求。这样可保证多厂商产品的互操作性和系统的易集成性。5）串口系统是以Serial标

35、准总线仪器与计算机为仪器精简平台组成的虚拟测试系统10。RS-232总线是早期采用的通用串行总线，将带有RS-232标准总线接口的仪器作为I/O接口设备，通过RS-232串口总线与计算机组成虚拟仪器系统目前仍然是虚拟仪器构成方式之一，主要适用于速度较低的测试系统。 1.2.6 虚拟仪器的软件结构虚拟仪器技术的核心是软件，其软件基本结构如图1.5所示。用户可以采用各种编程软件来开发自己所需要的应用软件。以美国NI公司的软件产品LabVIEW和LabWindows/CVI为代表的虚拟仪器专用开发平台是当前流行的集成化开发工具。这些软件开发平台提供了强大的仪器软面板设计工具和各种数据处理工具，再加上

36、虚拟仪器硬件厂商提供的各种硬件的驱动程序模块，简化了虚拟仪器的设计工作。随着软件技术的迅速发展，软件开发的模块化、复用化，和各种硬件仪器驱动软件的模块化、标准化，虚拟仪器软件开发将变得更加快速、方便。图1.5 虚拟仪器软件结构1.2.7 虚拟仪器的开发软件1 虚拟仪器的开发语言虚拟仪器系统的开发语言有：标准C，Visual C+ ，Visual Basic等通用程序开发语言。但直接由这些语言开发虚拟仪器系统，是有相当难度的。除了要花大量时间进行测试系统面板设计外，还要编制大量的设备驱动程序和底层控制程序。这些工作对于那些不熟悉这方面知识的工程设计人员来说，要花费大量时间和精力，这样直接影响了系

37、统开发的周期和性能。除了通用程序开发语言以外，还有一些专用的虚拟仪器开发语言和软件，其中有影响的开发软件有：NI公司的LabVIEW，LabWindows/CVI。LabVIEW采用图形化编程方案，是非常实用的开发软件。LabWindows/CVI是为熟悉C语言的开发人员准备的，是在Windows环境下的标准ANSIC开发环境。除此以外还有HP公司的HP-VEE ，HP-TIG开发平台，美国Tektronix公司的Ez-Test ，Tek-TNS平台软件，这些都是国际上公认的优秀的虚拟仪器开发软件平台。2图形化虚拟仪器开发平台LabVIEWLabVIEW(Laboratory Virtual

38、Instrument Engineering)是一种图形化的编程语言，它广泛地被工业界、学术界和研究实验室所接受，视为一个标准的数据采集和仪器控制软件。LabVIEW集成了与满足GPIB、VXI、RS-232和RS-485协议的硬件及数据采集卡通讯的全部功能。它还内置了便于应用TCP/PI、ActiveX等软件标准的库函数，是一个功能强大且灵活的软件。利用它可以方便地建立自己的虚拟仪器，其图形化的界面使得编程及使用过程都更加形象化。传统的文本式编程是一种顺序的设计思路，设计者必须写出执行的语句。而LabVIEW是基于数据流的工作方式，同时是基于图形化的编程，这使得设计者不必掌握大量的编程语言和

39、程序设计技巧便可设计出虚拟仪器系统。目前，在以PC机为基础的测试和工控软件中，LabVIEW的市场普及率仅次于C+/C语言。LabVIEW具有一系列无与伦比的优点：首先，LabVIEW作为图形化语言编程，采用流程图式的编程，运用的设备图标与科学家、工程师们习惯的大部分图标基本一致，这使得编程过程和思维过程非常相似；同时，LabVIEW提供了丰富的VI库和仪器面板素材库，近600种设备的驱动程序(可扩充)如GPIB设备控制、VXI总线控制、串行口设备控制、以及数据分析、显示和存储；并且LabVIEW还提供了专门用于程序开发的工具箱，使得用户能够设置断点，调试过程中可以使用数据探针和动态执行程序来

40、观察数据的传输过程，更加便于程序的调试。因此，LabVIEW受到越来越多工程师、科学家的普遍青睐。利用LabVIEW ，可产生独立运行的可执行文件，它是一个真正的32编译器。像许多通用的软件一样，LabVIEW提供了Windows、UNIX、Linux、Macintosh OS等多种版本。1.2.8 基于LabVIEW平台的虚拟仪器程序设计所有的LabVIEW应用程序，即虚拟仪器(VI)，它包括前面板(Front Panel)、流程图(Block Diagram)以及图标/连结器(Icon/Connector)三部分。1）前面板：前面板是图形用户界面，也就是VI的虚拟仪器面板，这一界面上有用户

41、输入和显示输出两类对象，具体表现有开关、旋钮、图形以及其他控制和显示对象。但并非画出两个控件后程序就可以运行，在前面板后还有一个与之对应的流程图。2）流程图：流程图提供VI的图形化源程序。在流程图中对VI编程，以控制和操纵定义在前面板上的输入和输出功能。流程图中包括前面板上的控件连线端子，还有一些前面板上没有，但编程必须有的东西，例如函数、结构和连线等。如果将VI与传统仪器相比较，那么前面板上的控件对应的就是传统仪器上的按钮、显示屏等控件，而流程图上的连线端子相当于传统仪器箱内的硬件电路。在许多情况下，使用VI可以仿真传统仪器，不仅在屏幕上出现一个惟妙惟肖的标准仪器面板，而且其功能也与传统标准

42、仪器相差无几。这种设计思想的优点体现在两方面： 类似流程图的设计思想，很容易被工程人员接受和掌握，特别是那些没有很多程序设计经验的工程人员。 设计的思路和运行过程清晰而且直观。如通过使用数据探针、高亮执行调试等多种方法，程序以较慢的速度运行，使没有执行的代码显示灰色，执行后的代码会高亮显示，同时在线显示数据流线上的数据值，完全跟踪数据流的运行。这为程序的调试和参数的设定带来诸多的方便。3）图标/连接设计：这部分的设计突出体现了虚拟仪器模块化程序设计的思想。在设计大型自动检测系统时一步完成一个复杂系统的设计是相当有难度的。而在LabVIEW中提供的图标/连接工具正是为实现模块化设计而准备的。设计

43、者可把一个复杂自动检测系统分为多个子系统，每一个都可完成一定的功能。这样设计的优点体现在如下几方面： 把一个复杂自动检测系统分为多个子系统，程序设计思路清晰，给设计者调试程序带来了诸多的方便。同时也对于将来系统的维护提供了便利。 一个复杂自动检测系统分为多个子系统，每一个子系统都是一个完整的功能模块，这样把测试功能细节化，便于实现软件复用，大大节省软件研发周期，提高系统设计的可靠性。 便于实现“测试集成”和虚拟仪器库的思想。同时为实现虚拟仪器设计的灵活性提供了前提1.3 数据采集系统在计算机广泛应用的今天，数据采集的重要性是十分显著的。它是计算机与外部物理世界连接的桥梁。各种类型信号采集的难易

44、程度差别很大。实际采集时，噪声也可能带来一些麻烦。数据采集时，有一些基本原理要注意，还有更多的实际的问题要解决。在通用微机系统里，含有一块非常重要的采集卡DAQ数据采集卡,它是完成采集系统的不可或缺的部分。1.3.1 数据采集系统的构成图1.6 数据采集系统结构图1.6表示了数据采集的结构。在数据采集之前，程序将对采集板卡初始化，板卡上和内存中的Buffer是数据采集存储的中间环节。需要注意的两个问题是：是否使用Buffer？是否使用外触发启动、停止或同步一个操作。 1 缓冲（Buffers）这里的缓冲指的是PC内存的一个区域（不是数据采集卡上的FIFO缓冲），它用来临时存放数据。例如，你需要

45、采集每秒采集几千个数据，在一秒内显示或图形化所有数据是困难的。但是将采集卡的数据先送到Buffer，你就可以先将它们快速存储起来，稍后再重新找回它们显示或分析。需要注意的是Buffer与采集操作的速度及容量有关。如果你的卡有DMA性能，模拟输入操作就有一个通向计算机内存的高速硬件通道，这就意味着所采集的数据可以直接送到计算机的内存。不使用Buffer意味着对所采集的每一个数据你都必须及时处理（图形化、分析等），因为这里没有一个场合可以保持你着手处理的数据之前的若干数据点。下列情况需要使用Buffer I/O：（1）需要采集或产生许多样本，其速率超过了实际显示、存储到硬件，实时分析的速度。（2）

46、需要连续采集或产生AC数据（10样本秒），并且要同时分析或显示某些数据。（3）采样周期必须准确、均匀地通过数据样本。下列情况可以不使用Buffer I/O：（1）数据组短小，例如每秒只从两个通道之一采集一个数据点。（2）需要缩减存储器的开支。 2 触发（Triggering）触发涉及初始化、终止或同步采集事件的任何方法。触发器通常是一个数字或模拟信号，其状态可确定动作的发生。软件触发最容易，你可以直接用软件，例如使用布尔面板控制去启动/停止数据采集。硬件触发让板卡上的电路管理触发器，控制了采集事件的时间分配，有很高的精确度。硬件触发可进一步分为外部触发和内部触发。当某一模入通道发生一个指定的电

47、压电平时，让卡输出一个数字脉冲，这是内部触发。采集卡等待一个外部仪器发出的数字脉冲到来后初始化采集卡，这是外部触发。许多仪器提供数字输出（常称为“trigger out”）用于触发特定的装置或仪器，在这里，就是数据采集卡。下列情况使用软件触发：用户需要对所有采集操作有明确的控制，并且事件定时不需要非常准确。下列情况使用硬件触发：（1）采集事件定时需要非常准确。（2）用户需要削减软件开支。（3）采集事件需要与外部装置同步。1.3.2 数据采集(DAQ)卡1 DAQ数据采集卡简介LabVIEW的数据采集（Data Acquisition）程序库包括了许多NI公司数据采集（DAQ）卡的驱动控制程序。通常，一块卡可以完成多种功能 - 模/数转换，数/模转换，数字量输入/输出，以及计数器/定时器操作等。用户在使用之前必须DAQ卡的硬件进行配置。这些控制程序用到了许多低层的DAQ驱动程序。本课程需要一块安装好的DAQ卡以及LabVIEW开发系统。数据采集系统的实物组成如图1.7所示： 图1.