（通信与信息系统专业论文）基于数据采集卡的虚拟仪器及其在局域网中的设计与应用.pdf

摘要i _ 5 2 。8 。 随着计算机技术的发展，传统仪器开始向计算机化发展。虚拟仪 器( v i r t u a li n s t r u m e n t ) 是现代计算机技术、仪器技术及其他新技术 完美结合的产物，其强大的功能已完全超出了仪器概念本身。本文首 先叙述了虚拟仪器的概念、发展、组成等，并用图形化编程软件 l a b v t e w 设计了虚拟示波器和虚拟频谱分析仪，将其用于激光自混 合干涉测量实验系统进行检验。此外，还对虚拟仪器在局域网中的应 用进行了研究，采用了d d e 技术、d a t a s o c k e t 技术和d c o m a c t i v e x 技术三种不同的方案，并在实时性、远程控制、开发难度和可靠性方 面进行了定性的比较。 最后，提出了进一步研究的设想。 关键词：虚拟仪器；l a b v l e w ；i 丞程测控 !墨 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fc o m p u t e rt e c h n i q u e ，c l a s s i c a li n s t r u m e n t i s b e g i n n i n g t ot u r ni n t oc o m p u t e r i z a t i o n v i r t u a li n s t r u m e n ti st h e p r o d u c to fm o d e mc o m p u t e rt e c h n i q u e ，i n s t r u m e n tt e c h n i q u ea n do t h e r n e wt e c h n i q u e t h ec o n c e p t i o n ，s t r u c t u r ea n dd e v e l o p m e n to fv i r t u a l i n s t r u m e n ta r ed e s c r i b e di nt h i st h e s i s v i r t u a lo s c i l l o s c o p ea n dv i r t u a l s p e c t r u ma n a l y s ta r ed e s i g n e dw i t hl a b v i e w ：w h i c ha r e u s e di nt h e e x p e r i m e n ts y s t e mo ft h es e l f - m i x i n gi n t e r f e r e n c ei ns e m i c o n d u c t o ra n d t e s t e d i nt h i s t h e s i s ，t h et e c h n o l o g i e s o fd d e ，d a t a s o c k e t ， d c o m a c t i v e xa r ea l s od e s c r i b e d t h r e em e t h o d sb a s e do nt h e s e t e c h n o l o g i e s d e s c r i b e da b o v ea r ea p p l i e dt or e m o t ec o n t r o la n d m e a s u r e m e n ts y s t e m s y s t e ms t r u c t u r ea n dw o r k i n gp r i n c i p l ea r es t a t e d i nd e t a i l a tl a s t ，t h ef u r t h e rs c h e m ao fr e s e a r c hi sp r e s e n t e d k e yw o r d s ：v i g u a li n s t r u m e n t ；l a b v i e w ； r e m o t ec o n t r 0 1a n dm e a s u r e m e n t l l 第一章绪论 随着计算机技术的发展，传统仪器丌始向计算机化的方向发展。虚拟仪器 ( v i r t u a li n s t r u m e n t ，简称v i ) 是2 0 世纪9 0 年代提出的新概念，是现代计 算机技术、仪器技术及其它新技：术完美结合的产物。虚拟仪器技术的提出与发展， 标志着2 1 世纪自动测试与电子测量仪器技术发展的一个重要方向。 虚拟仪器把计算机、仪器硬件、固件与计算机软件结合起来，除继承传统仪 器的已有功能外，还增加了许多传统仪器所不能及的先进功能。虚拟仪器的最大 特点是其灵活性。用户在使用过程中可以根据需要添加或删除仪器功能，以满足 各种需求和各种环境，并且能充分利用计算机丰富的软硬件资源，突破了传统仪 器在数据处理、表达、传送以及存储方面的限制。 1 1 虚拟仪器系统概述 i 1 1 虚拟仪器的概念 所谓虚拟仪器，就是在通用的计算机平台上定义和设计仪器的功能，用户操 作计算机的同时就是在使用一台专门的电子仪器。虚拟仪器以计算机为核心， 充分利用计算机强大的图形界面和数据处理能力，提供对测量数据的分析和现实 功能。 虚拟仪器是现代仪器技术与计算机技术结合的产物。随着计算机技术特别是 计算机的快速发展，c p u 处理能力的增强，总线吞吐能力的提高以及显示器技术 的进步，人们逐渐意识到，可以把仪器的信号分析和处理、结果的表达与输出功 能转移给计算机来完成。这样，可以利用计算机的高速计算能力和宽大的显示屏 更好的完成原来的功能。如果在计算机内插上一块数据采集卡，就可以把传统仪 器的所有功能模块都集中在一台计算机中了。而软件就成为了虚拟仪器的关键， 任何一个使用者都可以通过修改虚拟仪器的软件来改变它的功能，这就是美国 n i 公司“软件就是仪器”( t h es o f t w a r ei st h ei n s t r u m e n t ) 一说的来历”1 。 1 i 2 虚拟仪器的组成 虚拟仪器的组成与传统仪器一样，由图1 1 所示，由数据采集与控制、数据 分析与处理、结果显示三部分组成。 【聚盎与簿稍糯鹫 鳍薹裹选 捶桑瓣据 耋受竿信号处毪 网络港值 g p 拍仪舞 数罕滤渡硬盘拷贝输出 程i 膳x l 使嚣娆计分析义件l ，o r s - 2 3 2 瘦器 数值分析 固形用户接口 图1 1 虚拟仪器的内部功能划分 对_ 二传统仪器，三个部分几乎均由硬件完成，对于虚拟仪器，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、 复杂性大大减小。 匮垂卜恒匿圈一 瓤 叫串行绥d 仪器，p l c | + 控 p c 砌j ：作站 对 。 广1 。 象 笆! ! ! ! 兰! 竺翌1 1 7 测试软件 + _ 叫现场总线( f i e 堪b q ；c a nb u s ) 设备l 图12 虚拟仪器系统构成 虚拟仪器从硬件构成上讲，已完全脱离了原有的单个仪器的概念，并不是 在计算机上实现某一台仪器的功能，而是形成了一个虚拟仪器系统的概念。它是 几种仪器的综合，是在计算机上实现多种不同仪器的协同工作的整体。虚拟仪器 的硬件结构如图1 2 。3 所示，它主要以计算机为核心，在其基础上扩展了不同类 型的硬件设备，构成不同类型的虚拟仪器系统。目前较为常用的虚拟仪器系统是 数据采集系统、g p i b 仪器控制系统、v x i p x t 仪器系统、串行接口仪器系统以及 它们四者之间的任意结合。 从图1 2 中可以看出，支持虚拟仪器的硬件种类很多，这大大丰富了虚拟 仪器的功能。无论哪种虚拟仪器系统，都是将硬件仪器搭载到笔记本电脑、台式 计算机或工作站等计算机平台上，再加上相应的应用软件而构成。因而，虚拟仪 器技术与计算机技术达到同步发展。 虚拟仪器技术的核心是软件，其软件基本结构如图1 3 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n i 公司的软件产品 l a b v i e w 和l a b w i n d o w c v i 为代表的虚拟仪器专用开发平台是当前流行的集成开 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，再加上虚拟仪器硬件厂商提供的各种硬件的驱动程序模块，大大简化了虚拟 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、标准化，将使 虚拟仪器软件开发变得更加方便。 第一一章绪论 幽13 虚拟仪器软件结构 11 3 虚拟仪器的特点 虚拟仪器与传统仪器相比有很多优势，如表1 1 所示。 表1 1 虚拟仪器与传统仪器的比较 虚报倥嚣 传统仪禧 仪器功能由用户自己定义 仪器功能由仪器r 商定义 面向应用的系统赌构。可方便地与阿绻 蓐其它坟器设备的联螭十分钉黻 扑城舒迸接 友好的嘲形器面，计算机褛数、分忻处 豳】蓐葬i i i , l 、， 芷璞数，信息鬣小 理 数锯可蝙辑、存绪、打印 数据光 壹编辑 关键是软件 关犍燕嫒件 价格慨藏可盔用岛可重置性缝强 健梧昂贽 萋于计搏机披术并坡的功艟横块可构 累筑封挪- 功熊嘲定。筇扩餍控坻 成多种仪器 基平救件襞统盼结构犬犬节省好麓维 搿_ ；j 芒和维护费用高 护拢j | l 拄术望新周期赋( i - 2 年) 技术更新周删长( 5 i o 年) 个人萄搁有一个赛验室 多为窭鞭富等部f 1 所拥有 由表中可以看出，虚拟仪器具有传统仪器无法比拟的强大优势，因而将成 为仪器发展的未来趋势。 1 1 4 虚拟仪器的发展 电子仪器发展至今，大体可分为四代：模拟仪器、数字化仪器、智能仪器、 和虚拟仪器。 1 第一代模拟仪器 第一代模拟仪器如指针式万用表、晶体管电压表等，它们的基本结构是电 磁机械式的，借助指针来显示最终结果。 2 第二代数字化仪器 数字化仪器目前相当普及，如数字电压表、数字频率计等。这类仪器将模 拟信号的测量转化为数字信号的测量，并以数字方式输出最终结果，适用 于快速响应和较高准确度的测量。 3 第三代智能仪器 智能仪器内置微处理器，既能进行自动测试，又具有一定的数据处理，可 取代部分脑力劳动，习惯上称为智能仪器。它的功能模块全部都是以硬件 ( 或固化的软件) 的形式存在，无论是开发还是应用，都缺乏灵活性。 4 第四代虚拟仪器 第一幸绪论 虚拟仪器是现代计算机技术、通信技术和测量技术相结合的产物，是传统 仪器观念的一次巨大变革，是将来仪器产业发展的一个重要方向。 从t 9 8 7 年以专用集成电路( a s i c ) 和计算机技术为基础的总线仪器一虚拟 仪器的雏形问世，到1 9 9 3 年虚拟仪器已发展到三百多家厂商，一千多种虚拟仪 器产品+ 1 9 9 5 年厂商更达一千余家，产品达数千种。美国是虚拟仪器的诞生地， 也是全球最大的虚拟仪器制造国生产虚拟仪器的主要厂家有n z 公司、 f p 公司 等。可以说虚拟仪器正以传统仪器无法比拟的速度飞速发展。 虚拟仪器技术的优势在于用户自定义仪器功能、结构等，且构建容易、转 换灵活，因此应用领域十分广阔。当前，国内外有很多部门和公司都在积极地开 展这些方面的研究和应用工作。例如，美国的g e o m a t i c s 公司和g o d s m i t h 公司 等利用虚拟仪器开发工具，研制开发出了农业自动化灌溉系统和秧苗分析系统。 比利时i n t e r s o f t 电子工程公司利用虚拟仪器思想开发出了r a s s p d p 和r a s s s 软件。美国斯坦福大学利用虚拟仪器技术构建了虚拟仪器教学、实验、仿真系统。 挪威c a r d i a c 公司采用l a b v i e w 平台构建了测试北海油田石油、大气、水流的 m p f m 系统。在国内，清华大学应用虚拟仪器技术构建汽车发动机性能检测系统， 用于汽车发动机出厂前的自动监测。石油科学研究院将虚拟仪器技术应用于小型 石油精炼实验系统中。电子部三所应用虚拟仪器技术建立了仪器自动化计量控制 系统。 我国的虚拟仪器研制是从1 9 8 4 年开始起步的，十几年来，在a p p l e 、i b m p c 及其兼容机上进行了研制和开发，主要工作有两个方面：一是通用仪器卡；二是 专用测试仪。此外，许多大学都在尝试将虚拟仪器应用到实验教学和计算机辅助 教学中。例如，西安交通大学电气学院在现代测试技术课程教学中，以虚拟 仪器系统为平台，开发虚拟仪器实验，通过仿真与实验，开拓了学生思路，使学 生较好的理解该课程的内容。虚拟仪器一机多用、硬件资源共享等特点大大节约 了实验室建设的投资8 ”。 1 2 软件开发工具简介 应用软件开发环境是设计虚拟仪器所必需的软件工具。应用软件开发环境的 选择，可以开发人员的喜好不同而不同，但最终都必须提供给用户一个界面友好、 功能强大的应用程序。 软件在虚拟仪器中处于重要的地位，它肩负着对数据进行分析处理的任务， 如数字滤波，频谱变换等。在很大程度上，虚拟仪器能否成功的运行，就取决于 软件。因此，美国n i ( n a t i o n a i n s t r u m e n t ) 公司提出了“软件就是仪器“的 口号。 通常在编制虚拟仪器软件时，有两种方法。种是传统的编程方法，采用高 级语百，如v 叶+ 、v b 、d e l p h i 等；另一种是采用流行的图形化编程方法，如采 用n 】公司的l a b v i e w 、l a b w i n d o w s c t i 软件，眇公司的v e e 等软件进行编程。 使用图形化软件编程的优势是软件开发周期短，编程容易，特剥适用于不具有专 业编程水平的工程技术人员。 第一章绪论 虚拟仪器系统的软件主要包括仪器驱动程序，应用程序和软面板程序。仪器 驱动程序主要用来初始化虚拟仪器，设定特定的参数和工作方式，使虚拟仪器保 持正常的工作状态。应用程序主要对采集来的数据信号进行分析处理，用户可以 通过编制应用程序来定义虚拟仪器的功能。软面板程序用来提供用户与虚拟仪器 的接 2 1 ，它可以在计算机屏幕上生成一个和传统仪器面板相似的图形界面，用于 显示测量和处理的结果，另一方面，用户也可以通过控制软面板上的开关和按钮， 模拟传统仪器的操作，通过键盘和鼠标，实现对虚拟仪器系统的控制。 1 2 1l a b v l e w 的应用 l a b v i e w( l a b o r a t o r yv i r t u a li n s t r u m e n te n g i n e e r i n gw o r k b e n c h ) 作为目前国际上唯一的编译型图形化编程语言，把复杂、繁琐、费时的语言编程 简化成用菜单或图标提示的方法选择功能( 图形) ，并用线条把各种功能( 图形) 连接起来的简单图像编程方式。l a b v i e w 中编写的框图程序，很接近程序流程图。 因此，只要把程序流程框图画好了，程序也就差不多编好了。 l a b v i e w 中的程序查错不需要先编译，若存在语法错误，l a b v i e w 会马上 告诉用户。只要用鼠标轻轻点两三下，用户就可以快速的查到错误的类型、原因 以及错误的准确位置。这个特性在程序较大的情况下尤其让人感到方便。 l a b v i e f 中的程序调试方法同样令人称道。程序测试的数据探针工具最具 典型性。用户可以在程序调试运行的时候，在程序的任意位置插入任意多的数据 探针，检查任意一个中间结果。增加或取消一个数据探针，只需要轻轻点两下鼠 标就行了。 同传统的编程语言相比，采用l a b v i e w 图形编程方式可以节省大约8 0 的 程序开发时间，但其运行速度却几乎不受影响。 除了具备其他语言所提供的常规函数功能外，l a b v i e w 中还集成了大量的 生成图形界面的模板、丰富实用的数值分析、数字信号处理功能，以及多种硬件 设备驱动功能( 包括r s 2 3 2 、g p i b 、v x i 、数据采集板卡、网络等) 。另外，免费 提供的几十家仪器厂商的数百种源码仪器级驱动程序，可为用户开发仪器控制系 统时节省大量的编程时间”“”“0 1 。 1 2 2l a b w in d o w s c v i 的使用 l a b w i n d o w s c v i 是基于a n s ic 的、交互式c 语言集成开发平台。最新版本 的l a b w i n d o w s c v i4 0 具有以下主要特点： ( 1 ) 基于a n s ic ，不用学复杂的c + + 即可实现w i n d o w s9 x n t 下的编程： ( 2 ) 同标准c c + + 兼容，可实现3 2 位用户库、目标模块、d l l s 的相互 调用； ( 3 ) 可直接生成3 2 位d l l s ，生成的d l l s 也可被l a b v i e w 直接调用； ( 4 ) 提供各种灵巧方便的界面生成、编程、调试工具，使得编程、调 试轻松自如： ( 5 ) 提供丰富的数值分析、数字信号处理函数库； ( 6 ) 提供g p i b 、v i i 、r s 2 3 2 、数据采集板卡以及网络连接功能； ( 7 ) 可免费获得数百种源码组g p i b 、v x i 、r s 2 3 2 仪器驱动程序。 1 2 3 可视化编程工具 v i s u a lc + + 是一一种功能齐全的面向对象的开发工具，可直接对硬件操作， 支持多任务多线程。v is u a lc + + 不仅是c + + 语言的集成开发环境，而且与w i n 3 2 紧密相连，所以，利用v is u a lc + + 9 7 发系统可以完成各种各样应用程序的开发， 从底层软件直到上层直接面向用户的软件都可以用v i s u a lc + + 来完成丌发：而 且，v i s u mc + + 强大的调试功能也为大型复杂软件的开发提供了有效的排错手 段。随着软件版本的不断升级，其功能也越来越强大，几乎包括了w i n d o w s 应用 的各个方面。 v i s u a lc 十+ 可以说是汇集m i c r o s o f t 公司技术精华的主流产品。它最重要 的特征是提供了m f c 类库，封装了w i n d o w sa p i 接口函数，并建立了应用程序框 架，使程序开发人员可以将主要精力集中在所要解决的具体问题上。尤其是利用 v i s u a lc + + 的a p p w i z a r d 功能生成s d i 或m d i 应用程序，进行少量修改后，就可 以进入软件界面的外观设计”2 “”3 。 表12各种开发环境的特点 欲件特点 m i e r o s o 丘v 扛n 蛊lc 易学、使用简单 面向对象】可凝能编程软件：它鹤露形 b o r l d c b u i l d e r 控件工具能生成复杂的多窗口糟户界面而术必编写复 杂的t b 爵；可创建自己的衄d 懈控件或缎件，以及多 b o f l w d c td e l p h i 钱整和安全的a c d v e x 控件 不必绾鸳代蚂就萄以进行数据槊豢和分析；摄供数据、 h e w k n - p a c k e d i 自p v 携 处理控觎；接供酒置过穗釉稿试报告 冥有用予数据爿黾豢、仪纛、阿缮葺狂分析盼季暮垒集成化的 n 副i o a 时l n s 旺u m e 引s 痒的图形化环橇；可编译性能强；w 遍9 咖盯、m o s 、 l 曲聃 s 、i 狂h 和并行弛w “m a x 中应用具有交叉平台 兼窑性；用于g u i 的搪拉用户再面缠程器：用于嵌莲 k 掣h 如螨v i 样帆开发的代码生成工具和内部编译嚣；用于g p i b 、 n 、串行、d a q 、t c p 和甩户控制畀蕊的攘成痒 如表1 2 所示，为各类软件编程特点的比较1 。 在本项目的开发过程中，作者选用的开发工具是l a b v i e w6 i ，在w i n d o w s 9 8 x p 操作系统下进行。因为l a b v i e w 具有如下优点“”： ( 1 ) 简单的方案。即使没有多少编程经验，仍可以很方便的使用 l a b v l e f f ，因为它使用“所见即所得”的可视化技术建立人机界面， 提供大量的仪器面板中的控制对象。此外，l a b v i e w 按其易用的方 式将复杂的任务包装起来，从而使复杂的任务得到简化。先进的 a c t i v e x 技术融合了简单的拖放编程方法，仪器控制和数据采集在 开发向导的g i 导下变得非常简单，使用户非常容易的开发自己的系 统，并将其立即投入使用。 ( 2 ) 灵活的仪器。将l a b v l e w 与一般的数据采集及仪器设备加以组合， 6 第一章绪论 可以设计出灵活的虚拟仪器，并可以随时将仪器系统移植到最适合 用户的平台上使用。 ( 3 ) 方便的程序调试。具有一些专用程序丌发工具箱，可以在源代码中 设置断点单步执行源代码，连线上设置探针，动态执行程序观察程 序运行过程中数据流的变化。 ( 4 ) 完整的丌发环境。l a b v i e w 软件包中包含了功能强大的数据采集、 分析和表达的能力，使用户可以在该平台上无缝的实现一个完整的 解决方案。另外，它还有一个多线程和用于最大限度提高系统性能 的优化图形编译器。这样，不仅简化了开发过程，而且可生成按编 译速度执行的可复用代码。此外，l a b v i e w 还可以生成在没有 l a b v i e w 环境的目标机器上单独运行的可执行文件。 ( 5 ) 快速的开发。l a b v i e w 为用户提供了实现仪器编程与数据采集系统 的便捷途径。通过仪器驱动程序可以与大多数仪器进行通讯，使用 户不必学习各种仪器的低级编程协议，从而简化了仪器的控制，缩 短了测试开发时间，提高了生产效率。 ( 6 ) 开放的平台。提供d l l 接口和c i n 节点，使用户能在他的平台上使 用其它软件平台编译的模块。能调用c 语言程序及已存在的d l l 库函数，是一个开放的开发平台。 1 3 课题来源 本课题是“多模激光自混合干涉测量系统”( 6 0 1 7 8 0 3 9 由国家自然科学基金 资助) 的一个子课题，用于完成精密测量系统的信号采集，图形显示和存储与分 析功能。 1 4 本文的主要工作 数字示波器和频谱分析仪是实验、教学、科研中常用的电子仪器，可以采 集信号并进行分析，但传统仪器都具有设备更新慢、功能单一、价格贵等缺点。 本文设计的虚拟数字示波器和虚拟频谱分析仪可以克服上述的缺点，充分 集合了软件和计算机强大的数字计算能力。将其应用于激光自混合干涉测量系 统，可以实现实时测量，节约了设备投资，并且可以通过调整一部分软件，方便 的实现系统的优化。 另外，由于现在网络技术及互联网的广泛应用，有必要对虚拟仪器在网络 中的应用进行一定的研究，进一步拓展虚拟仪器的应用范围和功能。 鉴于此，本文设定研究内容为： ( 1 ) 在分析虚拟仪器系统的基础上，根据具体的要求，采用相应的软件， 设计虚拟示波器及虚拟频谱分析仪。 ( 2 ) 研究和设计网络环境下远程测控系统的实现方法和技术，并对不同的 实现方法进行综合性能的比较。 ( 3 ) 根据一般激光自混合干涉效应，建立半导体激光自混合干涉实验系统， 将所设计的虚拟示波器和虚拟频谱分析仪用于该系统中进行实际测量并对结果 第一章绪论 进行讨论和分析。 一一笙三垦塑塑墨堡丝查些塑堡墨篓! 一一 w_，*_d_-_、_d，_一 第二章数据采集技术及数据采集卡 2 1 数据采集技术 数据采集技术( d a t aa c q u i s i tj o n ) 是信息科学的一个重要分支，它研究 信息数据的采集、存储、处理以及控制等作业。在智能仪器、信号处理以及工业 自动控制等领域，都存在着数据的测量与控s q ( o 题。将外部世界存在的温度、压 力、流量、位移以及角度等物理量应用非电量电测技术转换成电信号模拟量 ( a n a l o gs i g n a l ) ，然后再转换为数字信号( d i g i t a ls i g n a l ) ，再收集到计算 机并进一步予以处理、传输、显示与记录这一过程，即称为“数据采集”。 数据采集技术已在雷达、通信、水声、遥感、地质勘探、振动工程、无损 检测、语声处理、智能仪器、工业自动控制以及生物医学工程等领域有着广泛的 应用。 科学技术的发展，已在速度、分辨率、精度、接口能力、软件设计以及抗 干扰能力等方面向现代数据采集技术提出了越来越高的要求。随着微电子技术与 计算机科学技术的发展，数据采集技术的应用领域也会更为广阔“。 2 1 1 数据采集系统的典型结构 数据采集系统一般有三部分组成。 1 数据采集器：包括多路开关m u x ，测量放大器i a ，采样保持放 大器s h a ，模数转换器a d c 等。将多个现场模拟信号逐个采样 再量化成数字信号后送往计算机。 2 微机接口电路：用来传送数据采集系统运行所需要的数据、状 态信息以及控制信号。 3 数模转换器：将微机输出的数字信号再转换为模拟信号，以实 现系统要求的显示、记录与控制任务。 注：在许多场合中，多路开关m u x 之前或之后还要配置滤波、前置放 大器等信号调理电路( s i g n a lc o n d i t i o n i n gc i r c u j t ) 。 2 1 2 采集控制方式 计算机与外部信息( 包括数据、状态与控制信息) 的传送是通过总线进行 的。如果整个信息传输过程在程序控制下进行，系统总线的控制权属于微处理器， 称为程序控制方式。一般又可进一步分为定时传送方式、询问传送方式和中断传 送方式。另一种信息传输过程是当外部设备向微处理器申请到系统总线的控制权 后，直接与存储器间进行数据的传输，这就是所谓直接存储器存取( d m a ) 方式。 每当一种外设与微处理机相连时，总是要首先确定采用哪一种输入与输出方式。 l 程序定时传送方式 这种方式又称同步传送、暂停传送或无条件传送。当输入设备总有数据给微 处理器，或微处理器总有数据给输出设备时，可以使用这种传送方式。此种方式 对外设的输入与输出是通过取数或存数指令直接进行读出或写入数据的操作，其 时间完全由程序安排决定。不必查询外设的状态，也无需控制信号的介入。这样 塑兰垦垫塑墨叁丝垄丝塑塑墨壅 要求的硬件与软件都很简单，在一些生产控制过程中，对采样点的定时检测或对 控制点的定时控制，一般可以采用这种方式。这种传送方式是微处理器启动的。 采用程序定时传送方式时应该注意，必须在已知而且确信外部设备已准备好 的情况下才能用，否则就会出错。此方案由于要求c p u 与外设同步工作，因而使 用时很不灵活。 2 程序询问( p o l l e d ) 传送方式 这种传送方式又称为异步传送方式或条件传送方式，是微型机系统中常用的 一种输入输出控制方式。很多外部设备与微处理器传输数据的时间是随机的，每 当外设准备好发送或接收数据时，则建立一个状态标志。例如用一个触发器或寄 存器的某一位为“1 ”来做标记，微处理器则不断询问外设是否要求服务，微处 理器读取状态信息，然后根据状态标志是否为1 来判断外设是否准备好，程序流 程如图2 1 所示。 图2 1询问方式程序框图 微机系统中如果只有一台外设，采用程序询问方式是很方便的。微处理器或 处于询问等待状态，或在执行主要功能过程中穿插的询问该台外设是否要服务。 微机系统中，如果含有多台外设，微处理器将周期的询问每一台外设。可以将各 个外设的状态标志位线或连在一个公共检测线上。微处理器首先检测此线，有服 务要求时，再进一步去判断是哪一个外部设备要求服务。 询问方式的优点，在于相应要求的硬件少，软件也简单。特别是询问与执行 程序同步，确知为该外部设备服务需要的时间。这种方法的缺点，在于采用软件 询问常常浪费微处理器的时间，使其利用率下降，而且外设处于一个完全被动的 地位。当外设要求紧急服务时，微处理器一般不能及时响应，外部设备只能等待 微处理器顺序询问。但这种方式在微机系统任务比较单一，并不在乎微处理器利 用率场合，仍是可取的。特别对单用户来讲，询问方式仍然是一种简单适用的输 入输出方式。 3 程序中断传送方式 采用程序中断传送控制方式时，微处理器首先发出启动外设工作的命令，然 后继续执行主程序。在输入时，若外部设备准备输入微型机的数据已经存入接口 第一章数据采集救术及数据采集卡 寄存器；而在输出时，若外部设备接口已把上一次由微型机送入的数据输出，接 口寄存器已经空闲，则出夕卜部设备通过接口向微处理器发出中断申请。微处理器 响应此中断申请，暂停原执行的程序，转去中断服务程序执行输入或输出操作， 中断服务完成后微处理器再回来继续执行原来的程序。这样做可以大大提高微处 理器的效率并允许微处理器与多个外部设备同时并行工作。具体的中断处理流程 如图2 2 所示： 图2 2中断流程图 目前一共有三种不同的中断输入方式： ( 1 ) 单线中断请求：各外设中断请求线通过或门与微处理器相连。微处 理器收到中断请求后再用询问方式依次查找是哪一个外设要求服务。这种方式对 要求中断的外设数量无限制。但要求中断的外设数量越多，微处理器响应时所需 的查询时间越长，亦即中断响应时间也越长。 ( 2 ) 多线中断响应：微处理器各有多个中断请求输入线。微处理器响应 中断后可以立即找到提出中断请求的外部设备，这是一种速度最快的中断响应结 构。 ( 3 ) 向量中断请求：当某外部设备申请中断时( 可通过或门如到微处 理器上) ，同时要提供一个中断向量作为对自己的识别码，微处理器在响应此中 断后，既由数据总线上读数找出响应中断源。这是一个最为灵活的中断连接方式， 笙二翌塑塑墨堡垫查丝垫塑墨叁主 但在硬件及软件上均较为复杂。 4 直接存储存取( d m a ) 方式 d m a 可以认为是一种特殊的中断技术，其目的是为了提高外设与存储器之 问或外设与外设之问的数据传送速率。上面的三种传送数据的方法，均要求数据 经过微处理器中的累加器或其他存储器，因此数据传送速率较慢。 采用d m a 法，可以使数据传送直接由d m a 控制，而使微处理器与存储器及i o 端口脱开；也即微处理器把总线让出来，由d m a 控制器接管。 d m a 工作方式流程如图2 3 所示： 图2 , 3d m al ：作流程图 ( 1 )向微处理器发出总线请求b u s r q 信号； ( 2 ) 收到微处理器发出的总线响应b u s a k 信号后。接管对总线的控制， 进入d m a 方式； ( 3 ) 发出地址信息，能对存储器寻址并能修改地址指针； ( 4 ) 发出读或写等控制信号； ( 5 ) 决定传送是否结束，判断d m a 传送是否结束； ( 6 ) 发出d m a 结束信号，使微处理器恢复正常工作状态。 在本项目的设计中，信号的采集工作是非常重要的组成部分，选取合适的 数据传送方式对于软件部分的数据处理、显示、存储以及再现功能的实现至关重 要。 2 1 3 采样频率的选取 数字信号x d 只是模拟信号x a 一个特定时刻取值的转换结果。我们用( x d ) 描述x a 的一序列离散采样值。采样定理( s a m p i n gt h e o r e m ) 已经指出，如果 信号本身的频带是有限的，而采样频率有大于等于两倍信号所包含的最高频率， 则在理论上是可以根据其离散采样值完全恢复出原始信号。这相当于在信号最高 频率时，每一个周期至少提取两个采样值。实际上，为保证信号质量，选用的采 样频率经常大于采样定理所指出的最小的采样频率，而选用信号的最高频率的3 倍到4 倍。工程上有时候取到1 0 倍。 如果采样频率不够高，将会产生“混叠”( a 1 i a s ) 现象。通常为免除输入 信号中杂散分量频率过高的影响，可以在采样处理前，先使用截止频率为采样频 笫一常数据采集技术及数据采集卡 率0 5 倍的低通滤波器。 21 4 采样方式的讨论 有两种基本的数字化采样方式可供选择。“实时采样”( r e a lt i m e s a m p l i n g ) 与“等效时间采样”( e q u i v a l e n tt i m es a m p l i n g ) 。显然“实时采样” 最为直观。当数字化一丌始，信号波形的第一个采样点就被采入并数字化。然后， 经过一个采样问隔，再采入第二个样本。这样一直将整个信号波形数字化后存入 波形存储器，如图2 4 所示。 实时采样的主要优点在于信号波形1 到就采入，因此适用于任何形式的信号 波形，重复的或不重复的。又由于所有采样点是按时间顺序，因而易于实现波形 显示功能。 “实时显示”的主要缺点，是速度分辨率较差。每个采样点的采入、量化、 存储，必须在小于采样间隔的时间内全部完成。若对信号的时间分辨率要求很高， 比如采样间隔要求为几百或几十n s ，那么每个采样点的数字化工作就来不及做 了。 在智能仪器中，“实时采样”除了通常使用的“定时采样”( 即等i 司隔采样) 外，还常常采用“变步长采样”，即“等点采样”。这种采样方法不论被测信号频 率为多少，一个信号周期内均匀采样的点数总共为n 个。由于采样信号周期随被 测信号周期变化，故通常称为“变步长采样”。 “变步长采样”既能满足仪器精度的要求，又能合理的使用仪器计算机内存 单元，还能使增强以其功能所要求的数据处理软件的设计大为简化。 采样信号 厦始信号 原始信号 图2 4 实时采样技术图2 5 等效时间采样技术 “定时采样”的特例为“扫描转换技术”，又成为闪光转换。扫描转换以快 速采样的办法收集信号波形，然后用一段时间成批的处理所有样本的转换。显然， 这不是一种连续进行的数字化技术。 “等效时间采样”技术可以实现很高的数字化转换频率。然而，这种技术要 求信号波形是可以重复产生的。由于波形可以重复取得，故采样可以用较慢速度 进行，如图2 5 所示。采样的样本可以是时序的( 步进、步退、差额) ，也可以 是随机的。这样就可以把许多采样的样本合成一个采样密度较高的波形。一般也 常将“等效时间采样”称为“变换采样”。 如图2 6 所示，为采样方式的分类。当被测信号有效持续时间很短时，产生 高重复频率的采样脉冲很困难，因而采用“定时采样”方式也有困难。但如果被 笙三皇塑塑墨整垫查丝塑塑墨叁 测信号是周期或重复信号，则可以考虑采用“变换采样”。1 定耐采样( 等问鞴采样) 实时采 葶 、莓点采样( 奎步长采样) |廖! 鼗 采样b f 序变按采样 a d v a n c e d ”3 。 动态链接库是应用程序在运行时链接函数库的一种实现机制。函数库存储 在它自己的文件中，并不被编译到应用程序的可执行文件中去。d l l 在应用程序 运行时才被链接，而不是在应用程序创建时被链接。而且，一个d l l 可以含有对 其它d l l 的链接。 由于可以从网上下载到p c 一6 3 1 3 板卡的动态链接库，因此，不需要自己再 创建动态链接库，只需直接调用即可。具体操作步骤如下： ( 1 ) o l 建一个新v i ( v i 是l a b v i e w 程序的简称) ，在其流程图( b l o c kd i a g r a m ) 上放置一个c a l ll i b r a r yf u n c t i o n 节点，然后双击图标来对其进行配置，弹出 的调用库函数配置框如图3 1 所示； ( 2 ) 如上图所示，在l i b r a r yn a m eo fp a t h 一栏中填入p c 6 0 0 0 d l l 所在 的目录及其名称，然后，在f u n c t i o nn a m e 一栏中填入要调用的函数名称，可通 过点击旁边的下拉菜单来选择，另外，在c a l l i n gc o n v e n t i o n s 一栏中选择 s t d c a l l 调用方式： ( 3 ) 按p c 一6 3 1 3 板卡提供的说明书来设置各个函数的返回类型及其各个参 数的数据类型： ( 4 ) 点击o k 按钮，退出函数调用配置框。 笫兰章虚拟仪器系统的具体实现 图3 1调用库函数配置框的示意图 在有些情况下，需要自己编写动态链接库。下面讨论如何应用v i s u a l c 十+ 6 0 开发d l l 。 ( 1 ) 创建一个新的动态链接库( d l l ) 项目 型并为项目命名，加入自己编写的c 语言源文件； ( 2 ) 选择p r o j e c t a d dt op r o j e c t f i l e s l a b v i e w 创建d l l 所必须的； ( p r o j e c t ) ，取w i n 3 2d l l 类 加入l a b v i e w 1 i b ，这是为 ( 3 ) 选择p r o 、j e c t s e t t i n g s ，改变s e t t i n g sf o r ：至a l lc o n f i g a r a t i o n s ， 选c c + + 标签，设置类别为p r e p r o c e s s o r ，在a d d t i t i o n a li n c l u d ed i r e c t i o n s ： 域中加入e x t c o d e h 文件所在路径； ( 4 ) 选择p r o j e c t s e t t i n g s ，改变s e t t i n g sf o r ：至a 1 1c o n f i g u r a t i o n s ： 选c c + + 标签，设置类别为c o d eg e n e r a t i o n ，在s t r u c tm e m b e ra l i g n m e n t ： 域中选1b y t e 。在u s er u n t i m e1 i b r a r y ：域中选m u l t i t h r e a dd l l 。 正常情况下，完成上述步骤就可编译生成d l l 文件。”嘶1 。 3 2 2 数据采集卡的设置 l a b v i e w6 i 预装驱动程序库中不包含p c 一6 3 1 3 驱动程序，我们在框图程序 中利用a d v a n c e d 寸c a l ll i b r a r yf u n c t i o n 设置p c 一6 3 1 3 。如下图： 在图3 2 中，左边的是驱动程序的设置，2 5 6 是i o 基地址o i o o h 的十进制 表示，采样通道控制框对应面板上采样通道选择框，数字2 表示模式选择，表示 输入信号范围在5 + 5 v 之间。右边是采得的数据，并对之进行数值调整。 2 第三章虚拟仪 ! 系统的具体实现 图3 2 p c 6 i3 的设簧 3 2 3 虚拟示波器 ( 1 ) 系统组成框图 本虚拟仪器采用中泰公司生产的p c 一6 3 1 3 多功能模入模出接e l 卡作为数据 采集卡，从被铡信号那里采集信号。系统组成框图如3 3 ： 图3 3 系统组成框斟 ( 2 ) 面板设计 软面板程序用来提供用户与虚拟示波器的接口，它产生一个友好的图形界 面，用于显示测量和处理的结果，另一方面，用户也可以通过控制软面板上的开 关和按钮，模拟传统仪器的操作，通过键盘和鼠标，实现对虚拟示波器的控制2 7 1 。 本文设计的虚拟示波器软面板如图3 4 ： 第三章虚拟仪器系统的具体实现 虚拟示波器 图3 4虚拟不波器软面板 这个软面板上包含了实时波形显示窗口，可以显示实时采样波形。右上边 的暗框里面可以直接得到采样数据的最大值、最小值、平均值、被测信号的频率。 右边中间部分是信号处理部分，它包括巴特沃斯带通滤波和求自相关函数选项， 用户可以根据不同的数据处理要求进行选择，还有一个存储窗口，可以把每次所 显示的信号在计算机中保存起来，当没给出保存路径时，系统会给出对话框让用 户选择保存路径，为以后的数据分析作基础。右下边包含了放大倍数、采样延迟 时间两个旋钮。通过这两个旋钮，可以调整实时波形在屏幕上的显示效果。另外 面板上还有通道选择框和采样结束按钮，用于选择通道和结束采样。 ( 3 ) 框图程序 完整的虚拟示波器框图程序如图3 5 ： 第二章虚拟仪群系统的具体实现 图3 5虚拟示波器框图程序 上图中，左边是一个w f l i l e 循环框，图框中信号被采集和调整后与面板上 的放大倍数旋钮对应的图标相乘，然后输入到实时波形屏幕中，接着信号流向图 框外，并变成数组型数据。框图下方，设置采样延迟时间，由面板上旋钮控制。 另外还有控制采样结束的控制按钮。 右边循环框外是对数组信号进行处理。右上边，在得到采样信号频率时， 首先要对数组信号进行重组，得到信号波形。y 指的是采样到的数据，d t 指的是 每两个数据之间的时间间隔，并由此新波形得到被测信号频率。通过l a b v i e w6 i 本身提供的子程序，可以得到数据的最大值、最小值和平均值。右下边的框图程 序对应面板上的信号处理部分，首先数据通过巴特沃思带通滤波器，截止最高频 率现在设为1 0 0 0 h z ，截止最低频率为l o o h z ，当需要改变时可在框图上直接进行 修改。然后数据进入自相关函数，进行运算。这里我们采用了两个选择，使用户 可以针对不同情况选择是否进行带通滤波和求自相关。最后可以把得到的数据进 行存储。 通过设计的虚拟示波器，可以得到信号波形的实时显示，而且加入了模拟 示波器所没有的存储功能，为以后的数据分析做好了准备，该虚拟示波器还具有 一定的数字信号处理功能。 该虚拟示波器是单通道虚拟示波器，要想设计多通道的虚拟示波器，只需 在这个基础上，在面板上加上几个屏幕显示控件，框图程序类似图3 5 即可”。 当需要对信号进行其他的信号处理时，我们可以选择l a b v i e w 自带的信号处理部 件，也可以把编好的c 程序或m a t l a b 程序加入到系统中，扩充系统的功能。 ( 4 ) 主要性能指标 频率范围：1 0 h z - 5 0 k h z 电压：一5 v +