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徐曉東，吳乃優(yōu),韓慧蓮，張  倫

1  引言
虛擬儀器（VI-Virtual Instrument）是指通過應(yīng)用程序?qū)⑼ㄓ糜嬎銠C與功能化硬件結(jié)合起來，用戶可通過友好的圖形界面來操作這臺計算機，就像在操作自己定義、設(shè)計的一臺單個儀器，從而完成對被測試量的采集、分析、判斷、顯示、數(shù)據(jù)存儲等功能。虛擬儀器是由用戶定義、自由組合計算機平臺、硬件、軟件以及組成系統(tǒng)所需的附件。而這在由供應(yīng)商定義、功能固定、獨立的傳統(tǒng)儀器上是做不到的。
2  虛擬儀器的構(gòu)成
虛擬儀器由硬件和軟件兩部分組成。從構(gòu)成要素講，虛擬儀器系統(tǒng)是由計算機、應(yīng)用軟件和儀器硬件組成的。為計算機配置的電子測量儀器硬件模塊是各種傳感器、信號調(diào)理器、模擬數(shù)字/轉(zhuǎn)換器(ADC)、數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換器(DAC)、數(shù)據(jù)采集器(DAQ)等。計算機及其配置的測量儀器硬件模塊組成了虛擬儀器測試硬件平臺的基礎(chǔ)。從構(gòu)成方式講，有以DAQ板和信號調(diào)理部分為硬件來組成的PC-DAQ測試系統(tǒng)，以GPIB、VXI、串行總線為基礎(chǔ)的現(xiàn)場總線系統(tǒng)等。系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示。 

圖1  虛擬儀器體系結(jié)構(gòu)圖

無論哪種虛擬儀器系統(tǒng)，都是將硬件儀器搭載到筆記本電腦、臺式計算機或工作站等各種計算機平臺上，再加上應(yīng)用軟件而構(gòu)成的。因而，虛擬儀器的發(fā)展已經(jīng)與計算機技術(shù)的發(fā)展完全同步。與傳統(tǒng)儀器相比，虛擬儀器在智能化程度、處理能力、性價比、可操作性等方面都具有明顯的優(yōu)勢。儀器技術(shù)和計算機技術(shù)的深層次的結(jié)合創(chuàng)造了虛擬儀器的概念，將計算機資源（處理器、存儲器、顯示器等）和通用儀器硬件（A/D、D/A變換器、數(shù)字輸入/輸出、定時和信號處理器等）與用于數(shù)據(jù)分析、過程通訊及用戶圖形界面的軟件有效地結(jié)合起來。由此提出了“軟件就是儀器”的口號。虛擬儀器應(yīng)用軟件主要有三個目的：① 提供一個集成的開發(fā)環(huán)境；② 一個與儀器硬件的高級接口；③ 一個與虛擬儀器用戶的接口。在虛擬儀器系統(tǒng)中，計算機可成為一部多功能的智能化的測試系統(tǒng)，除保持計算機原有的一切功能外，還可兼有數(shù)字存儲示波器、FFT頻譜分析儀、集成在線測試儀、智能信號發(fā)生器、邏輯分析儀及高精度頻率計等功能，使計算機在時域、頻域、數(shù)據(jù)域、IC測試及信號產(chǎn)生、信號分析方面的功能大大擴展，其測試功能已非傳統(tǒng)儀器所能比。
本虛擬儀器系統(tǒng)主要用來實現(xiàn)數(shù)字存儲式示波器和頻譜分析儀等功能。系統(tǒng)的基本工作原理是對模擬信號進行數(shù)據(jù)采集后存入數(shù)據(jù)文件，根據(jù)使用者的不同要求由軟件對數(shù)據(jù)進行相應(yīng)分析、處理，最終在屏幕上顯示處理結(jié)果。
3  通用測試系統(tǒng)工作原理
本套系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。傳感器（或前端采集設(shè)備）把物理信號轉(zhuǎn)換成電信號（電壓或電流），例如熱電偶（溫度/電壓）、微音器（壓強/電壓）等。信號調(diào)理裝置能夠?qū)ξ⑷跣盘栠M行放大、光電隔離、濾波等處理，以便更精確和更安全的測量，同時它還能夠激發(fā)和線性化某些傳感器及其信號。當輸入信號被適當調(diào)理后，即可輸給插入式數(shù)據(jù)采集卡進行數(shù)字化。同時它也能產(chǎn)生控制信號。數(shù)據(jù)采集卡的程序設(shè)計依靠驅(qū)動軟件進行了簡化，因而可以運用傳統(tǒng)語言來設(shè)計（本系統(tǒng)運用VC++6.0直接控制數(shù)據(jù)采集卡采集數(shù)據(jù)）。計算機的性能決定了整個采集過程的速度。高速的處理器和協(xié)處理器或插入式輔助處理器，如DSP(Data Signal Process)芯片，對于實時采集系統(tǒng)是非常重要的。 

圖2  基于PC-DAQ的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3.1  硬件部分
系統(tǒng)硬件部分主要由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成。本系統(tǒng)是一個基于PCI總線的數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)。在軟件界面中設(shè)置好增益倍數(shù)、采樣頻率、采樣深度等參數(shù)后，可以輸入兩路模擬信號，信號經(jīng)過增益控制電路后，送入低通濾波電路，對高頻噪聲進行抑制，再經(jīng)過采樣保持電路和相互獨立的同步的A/D轉(zhuǎn)換電路，輸出8bit/Sample的數(shù)據(jù)且自動存入FIFO RAM中，直到采樣結(jié)束，F(xiàn)IFO RAM發(fā)出結(jié)束信號，通知計算機停止A/D轉(zhuǎn)換并進行讀數(shù)據(jù)操作。
(1)  前端預(yù)處理電路 前端預(yù)處理電路包括增益控制電路、低通濾波電路。低通濾波電路起抑制高頻噪聲及對信號預(yù)處理功能。因為時域采樣引起頻譜的周期延拓，當輸入信號頻譜中有高于1/2倍采樣頻率的成分，將引起信號頻譜的混迭，所以要先濾去信號中高于1/2倍采樣頻率的成分。這樣雖然會產(chǎn)生一定的波形失真，但有助于后續(xù)的信號分析和處理。
(2)  同步采樣轉(zhuǎn)換系統(tǒng) 要精確取得信號的幅度值和相位值，就必須采用兩個相互獨立的通道進行采樣，而不能采用普通的多通道ADC芯片，因為這種芯片內(nèi)部一般只有一組AD轉(zhuǎn)換核心，而用分時采樣的辦法使其具有多通道的功能，每個通道之間必然存在相位差。本系統(tǒng)中每個通道用一片ADC芯片，兩個芯片的啟動端由同一采樣信號控制，采用軟件啟動，采樣頻率可調(diào)。
(3)  數(shù)據(jù)存儲模塊 若采用軟件查詢的方式進行每個樣點的采集，速度上可能達不到要求，所以采用硬件控制采樣過程，軟件提供采樣啟動及結(jié)束信號。
(4)  時鐘發(fā)生模塊 本部分包括20MHz的振蕩電路及可編程分頻器，以產(chǎn)生一定范圍的采樣頻率。由于最低采樣頻率要求為幾Ｋ，分頻器的分頻數(shù)Ｎ最大要達到約幾萬，這里使用一個16位的分頻器，可由四個4位計數(shù)器級聯(lián)而成。這樣最低采樣頻率可達20M/2¹⁶=0.3KHz，而且能得到２～65536之間可預(yù)置的任意分頻采樣時鐘。
(5)  計算機接口模塊 為通用計算機開發(fā)的插卡在工業(yè)控制領(lǐng)域主要采用STD總線以及VME總線，應(yīng)用于數(shù)據(jù)處理及一般用途的設(shè)計主要采用 ISA 或PCI總線。在PC機方面，從低檔機到高檔機一般都配有ISA總線，而PCI總線一般應(yīng)用于486以上的機型。相比之下PCI總線的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在傳輸速率上，可以達到33Mbps，所以本測試系統(tǒng)接口采用了PCI總線。
3.2  軟件部分
軟件的功能除了設(shè)計儀器面板外，最主要的就是進行數(shù)據(jù)分析和處理，并在面板上顯示處理結(jié)果。系統(tǒng)軟件部分主要由數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)分析模塊和數(shù)據(jù)顯示模塊三部分構(gòu)成。
  數(shù)據(jù)采集模塊 負責(zé)驅(qū)動儀器采集模擬信號并進行模數(shù)轉(zhuǎn)化，并實時監(jiān)控數(shù)據(jù)的采集過程。
  數(shù)據(jù)分析模塊 對數(shù)據(jù)采集模塊采集來的數(shù)據(jù)進行專業(yè)處理，如計算波峰和面積、分析入流和出流時間等，并能將結(jié)果輸出。可提供的功能還有頻譜分析功能（幅頻譜、相頻譜、功率譜等）及各種濾波功能。在測量結(jié)果的數(shù)據(jù)處理、表達模式及其變換方面也做了許多函數(shù)庫，建立了數(shù)據(jù)處理的高級分析庫和開發(fā)工具庫，因此本系統(tǒng)可以組建極為復(fù)雜的自動測試系統(tǒng)。此外，如果輸入模擬信號是一隨機信號的話，可以用軟件實現(xiàn)各種相關(guān)性分析功能，比如計算信號的自相關(guān)、互相關(guān)、自協(xié)方差、互協(xié)方差等函數(shù)。只要適當增加軟件的功能，系統(tǒng)還可以成為瞬態(tài)信號捕捉儀、波形仿真器等一系列信號分析儀器。對采樣數(shù)據(jù)進行數(shù)字濾波處理，采用的濾波方法有程序判斷法中的限速濾波和限幅濾波、中值濾波、算術(shù)平均濾波、滑動濾波等。
  數(shù)據(jù)顯示模塊 完成數(shù)據(jù)分析后的顯示，顯示面板可提供用戶直觀的曲線圖表等。
由于測試儀器完成的數(shù)據(jù)處理功能繁雜，要求運算速度要快，所以本軟件系統(tǒng)采用可視化編程語言VC++并配合Matlab軟件仿真，同時也利用VC++自己開發(fā)了一些動態(tài)鏈接庫（.dll）和ActiveX控件，增強了軟件系統(tǒng)的可重復(fù)使用性。同時也易于組建、修改及管理。
4  結(jié)語
本文運用計算機軟硬件技術(shù)來組建虛擬儀器，開發(fā)了基于PCI總線的虛擬儀器硬件板卡，并運用VC++語言開發(fā)了相關(guān)ActiveX控件及數(shù)據(jù)分析功能動態(tài)鏈接庫，最后利用這些自己設(shè)計的軟硬件實現(xiàn)了任意信號發(fā)生器、虛擬示波器、頻譜分析儀等功能，從而證實了這種開發(fā)方法的優(yōu)越性及其實現(xiàn)途徑的可行性。

參考文獻：
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