毕业论文：基于NI ELVIS电子实验设计

1、安徽工程大学毕业论文基于NI ELVIS的电子实验设计摘要随着低成本高性能的计算机资源普及运用，数字化仪器平台逐渐取代传统电子仪器已成为一种趋势。我国理工科学校的教学、科研需要大量的测量分析仪器设备，特别是电子类实验教学，每种仪器都必须配置多套，而且有些仪器设备价格十分昂贵。因此购置仪器设备的巨大投入经费，一般学校难以承受，造成仪器设备缺乏和过时陈旧等现象，严重影响教学科研效果。另外，由于传统电子学实验室教学模式存在的弊端，造成实验室设备利用率低，实验信息管理混乱，实验教师工作繁杂，最终不仅仅浪费了学校大量的人力物力，而且学生还不能真正地掌握实验，培养过关的动手能力（学校实验室仪器配备不全，一

2、些必要的实验无法展开）。如果把虚拟仪器运用到实验教学和科研中，不但可以节约大量仪器设备的经费投入，而且能够提高实验教学和科研的质量与效率。尤其是NI ELVIS在数字电路实验教学中的应用，效果更为明显。关键词:电子技术实验教学 虚拟仪器 LabVIEW 优势Based on the NI ELVIS electronic experimental design AbstractWith popularization using low-cost high-performance computer resources, digital instrument platform is gradual

3、ly replacing traditional electronic instrument has become a trend. School teaching and scientific research in science and engineering in our country needs a lot of measurement analysis instruments, especially the electronic experimental teaching, each instrument must be configured more sets, and som

4、e equipment is very expensive. Therefore buy equipment investment funds, general school unbearable, causing the phenomenon such as lack of obsolete and outdated equipment, seriously affect the effect of teaching and research. In addition, due to the insufficiency of the traditional electronics labor

5、atory teaching mode, lab equipment utilization rate is low, the experiment information management chaos, the experiment teachers work multifarious, in the end not just wasted a lot of school resources, and students can't really control experiment, train pass ability (school laboratory instrument

6、 equipped with is not complete, some necessary experiments can not open). If the virtual instrument is applied to the experiment teaching and scientific research, not only can save a lot of instruments and equipment of funds investment, but also can improve the quality and efficiency of experiment t

7、eaching and scientific research. Especially the virtual instrument in the digital circuit experiment teaching, the application of effect is more obvious. Keywords: electronic technology experiment teaching advantages of virtual instrument LabVIEW目 录摘要- 3 -引言- 4 -1. 1传统电子学实验室教学模式的弊端- 4 -1. 1.1 实验室设备利

8、用率低- 4 -1. 1.2实验信息管理混乱- 4 -1. 1.3 实验教师工作繁杂- 5 -1. 2 虚拟仪器在电子实验教学中的应用- 5 -1. 2.1 虚拟仪器概述- 5 -1. 2.2 LabVIEW的编程简介- 5 -1. 2.3 虚拟仪器中的数字电子技术- 6 -第一章 数字电路教学实验的设计- 9 -1.1平台的构建- 9 -1.2半加器的设计- 10 -1.3全加器的设计- 11 -1.4比较器的设计- 12 -1.5双向同步计数器的设计- 12 -1.6与非门的设计- 14 -1.7 D触发器的设计- 14 -1.8 JK触发器的设计- 15 -1.9 译码器的设计- 16

9、-第二章 虚拟数字示波器的设计与实现- 18 -2.1虚拟示波器的介绍- 18 -2.2软件设计思想- 19 -2.3 前面板设计- 20 -24信号采集模块- 22 -2.5信号测量和分析控制模块- 23 -2.6虚拟示波器的具体软件设计- 23 -第三章 基于虚拟仪器的实验室设计方案- 27 -31虚拟仪器实验室的硬件平台- 27 -311 DAQ虚拟仪器系统- 28 -312 GPIB虚拟仪器系统- 31 -313 VXI虚拟仪器系统- 32 -314 PXI虚拟仪器系统- 33 -315 USB和IEEEl394虚拟仪器系统- 34 -316 RS一232虚拟仪器系统- 35 -32虚

10、拟仪器实验室的软件平台- 36 -321虚拟仪器软件体系结构(VISA)- 37 -322仪器驱动程序- 37 -323应用软件- 38 -第四章 论文总结- 40-参考文献- 43 - 33 -引 言实验室是教学、 科研的重要基地 ,实验室的建设也反映了学校的教学体系、 学科建设和管理体制的水平。电子学实验是理工科专业教学的一个重要内容 ,是培养学生电子技术应用和工程设计能力不可缺少的教学环节。由于其面向的是一个发展迅速的学科 ,所以实验室教学方法、 手段和水平也要不断改进和提高 ,以适应学科的发展。1. 1传统电子学实验室教学模式的弊端1. 1.1 实验室设备利用率低高校实验室教学设备数量

11、有限 ,特别是一些贵重仪器 ,要做到学生与设备一对一配套是不现实的。在传统的实验室教学模式中 ,一般会将学生分为若干小组 ,以组为单位作实验 ,使部分同学难以全部参与和投入 ,没能充分了解和掌握实验全过程。1. 1.2实验信息管理混乱实验信息 ,特别是实验数据的存储、 分析和查询是电子实验的一个重要内容。在传统实验教学模式中 ,学生靠手工记录和分析数据。存在的问题是:第一 ,记录时人为误差较大;第二 ,不便于保存、 查询和整理。1. 1.3 实验教师工作繁杂实验报告的评阅 ,典型问题的解答与数据核对 ,包含大量的重复性工作 ,给指导教师带来很多重复性劳动 ,精力很难集中在实验台上。1. 2 虚

12、拟仪器在电子实验教学中的应用1. 2.1 NI ELVIS概述美国国家仪器公司的教学实验室虚拟仪器套件 (NI ELVIS)可用于动手设计及原型设计，平台集成了12款最常用仪器，包括示波器、数字万用表、函数发生器、波特分析仪等，紧凑的结构是实验室及课堂教学的理想选择。NI ELVIS可通过USB接口与PC连接，实现快速易用的测量采集及显示。作为基于NI LabVIEW图形化系统设计软件，NI ELVIS能够发挥虚拟仪器技术的灵活性及自定义功能。同时，NI ELVIS也是NI电子教育平台中的重要部分，结合NI Multisim采集及仿真环境实现NI ELVIS板载电路的测量及仿真。NI ELVI

13、S的设计以教学为目标，是一款全面的教学工具，用于电路设计、仪器控制、无线通信、嵌入式/MCU 理论等教学1. 2.2 Multisim的简介作为NI电子教学平台的主要组成部分，NI ELVIS为多类应用提供了所需的器件，从基础电路理论探索到研究项目的建模。Multisim是一款通过SPICE实现仿真、设计及验证电路的软件包，它与NI ELVIS的配合使用能够将理论与原型设计结合的更紧密。可以从网上下载常用的电路教学课本中的Multisim电路文件。这些文件让学生在仿真环境下学习课本上的理论，并观察到预期的理论结果。学生可在NI ELVIS硬件平台上进行电路的原型设计，并对比测量及仿真数据，从而

14、拓展仿真经验。学生可在Multisim中的NI ELVIS电路开发板上设计电路，而后进一步设计真实电路板，两者的布线是完全相同的。电路设计可在NI ELVIS平台上完成。学生可在软前面板中同时观察仿真结果及真实数据。此外，由于VI是开放的源代码，故还可通过LabVIEW自定义设计。 通过NI ELVIS、Multisim及LabVIEW，实现从理论到完整功能应用的步进式无缝连接。虚拟仪器LabVIEW具有典型的图形化语言风格，其程序的编制过程就是将不同的图标（VI）进行选择、组合并连线的过程。其不同图标（VI）相当于具有不同功能的“子程序”，图标间的连线指定了数据的流向，相当于代码语言的“赋值

15、”语句。在LabVIEW的函数选板中，既包含了大量专用的信号处理、信号运算等VI图标，也包含了各种数值运算、逻辑运算的基本VI图标。其中的逻辑运算VI，其图标就是标准的逻辑运算符号，其中相应的逻辑运算VI选板如图1。图1 布尔逻辑运算VI选板不难看出，利用这些图标编制的逻辑运算程序（LabVIEW后面板），也就是一个规范的数字逻辑电路的逻辑图。就信号的输入/输出来说，LabVIEW亦提供了丰富的输入控件和输出控件，如各种形式的开关、按钮、指示灯、波形显示器等等，这些“器件”可直接用简单的拖动方式拖放到相应位置即可使用。如图2数值输入控件图2 前面板中的控件更重要的是，虚拟仪器系统不同于虚拟现实

16、技术或仿真技术，后两者只不过是对现实系统的一种模拟而已，而虚拟仪器虽称为“虚拟”，但其实质是一种基于计算机软、硬件系统作为支撑，通过采用一定的数学模型和算法来完成处理过程的真实仪器系统，一句话，虚拟仪器系统并非“虚拟”仪器，而是“真实”仪器，它是要完成真实仪器系统功能的。也就是说，基于虚拟仪器系统进行的相应实验或教学过程，通过配置相关的A/D或DAQ接口，即成为能完成实际仪器功能的仪器，故基于虚拟仪器进行教学、实验，比基于虚拟现实技术或仿真技术的教学实验更具有实际意义！由于虚拟仪器LabVIEW中提供的布尔运算VI比较完备，再加上系统本身图形化的语言风格，完全可以做到将“程序逻辑图实验过程输入

17、输出”等过程的结合，使过程简单明晰，可以完成数字逻辑电路中几乎所有的实验及演示，如：半加器、全加器、比较器、计数器、与非门、D触发器、JK触发器、译码器等等，而且，具体的实验或演示过程，还可运用LabVIEW中程序执行过程的“高亮度单步执行”模式，充分地观察到信号的动态流程和逻辑电路的运算过程，甚至可以将某种逻辑运算过程单独开发为专门的用户VI，形成一独特功能的新型概念的“虚拟芯片”，供需要时直接调用。下面就以一些大学课程中简单的数字电子技术实验为例，来介绍讨论运用虚拟仪器LabVIEW实现数字电路实验的过程。第一章 数字电路教学实验的设计 在电子技术课程中，数字电路作为电类专业的基础核心课程

18、，其实验教学是十分重要的环节，实验包括半加器、全加器、数据选择器等内容。1.1平台的构建 最后以相同的步骤完成减法器、数据选择器、计数器、触发器、译码显示等模块的设计，再将实验仿真模块整合到一个平台中，使用时只需点击选择模块按钮，就能调用其实验模块。这样在实验教学中就可以非常方便地使用和查看各个模块的功能。这就构成一个数字电路仿真实验平台，如图1-1所示。图1-1 数字电路仿真实验平台1.2半加器的设计 半加器电路是指对两个输入数据位进行加法，输出一个结果位，不考虑低位数据的进位，产生进位输出的加法器电路。输入信号：A、B；输出信号：本位和S，向高位的进位C。逻辑表达式为： S= AB，C =

19、AB。根据其逻辑关系用LabVIEW编写程序框图，如图1-2所示。图1-2半加器程序框图前面板如下：其实现功能为：当单独按开关A或B时S亮，当开关A，B同时开时C亮，S暗。1.3全加器的设计 在相加的过程中，除最低位外，其余各位既要考虑本位的被加数Ai和Bi，还要考虑低位向本位的进位Ci-1，就是说低位的Ci-1也作为一个独立的变量参与运算。因此，所谓全加就是求取三个变量（本位Ai、加数Bi输入以及低位向本位进位Ci-1）的和S及本位向高位的进位Ci。因为全加器是基于半加器做成的，其中部分电路是半加器，所以可以利用LabVIEW中子VI的功能将半加器打包成一个子程序，作为VI模块调用。如图1-

20、3所示。图1-3全加器程序框图前面板如下：1.4比较器的设计在二维二进制比较器的设计中，比较它们是否相等，当A1A0和B1B0相等时，S灯亮，即两数相等，反之，不相等。程序如图1-4所示。图1-4比较器程序框图前面板如下：1.5双向同步计数器的设计在双向同步计数器的设计中，通过控制UP/DOWN键，当UP/DOWN键为1时，随着计数脉冲的不断输入而作递增计数；当UP/DOWN键为0时，随着计数脉冲的不断输入而作递减计数。即此计数器可作为加减用的同步双向计数器。因为双向同步计数器是基于JK触发器做成的，其中部分电路是JK触发器，所以可以利用LabVIEW中子VI的功能将JK触发器打包成一个子程序

21、，作为VI模块调用，其程序如图1-5所示。图1-5双向同步计数器的程序框图前面板如下：1.6与非门的设计在与非门的实验中，由于其比较简单，设计起来也比较简单，在这不过多的叙述了。程序框图如图1-6所示。图1-6与非门的程序框图前面板如下：1.7 D触发器的设计其功能为输入为1时，输出为1；输入为0时，输出亦为0，输出Q与输入D保持一致。其程序框图如图1-7所示。图1-7 D触发器的程序框图前面板如下：1.8 JK触发器的设计在JK触发器的设计中，JK表示两个信号的输入端，CLK是脉冲输入端，Q与 为两个互补输出端。 JK触发器的状态方程为Qn+1 JnQn，JK触发器常被用作缓冲存储器，移位寄

22、存器和计数器。其程序框图如图1-8所示。图1-8 译码器程序框图其前面板如下：1.9 译码器的设计此设计的是3线8线译码器74LS138，其中 A2 、A1 、A0 为地址输入端，为译码输出端，S1、为使能端。其功能为：当S11，0时，器件使能，地址码所指定的输出端有信号（为0）输出，其它所有输出端均无信号（全为1）输出。当S10， X时，或 S1X，1时，译码器被禁止，所有输出同时为1。其程序框图如图1-9所示。图1-9 译码器的程序框图前面板如下：第二章 虚拟数字示波器的设计与实现2.1虚拟示波器的介绍虚拟示波器是将模拟信号经过抽样量化，以二进制数字形式存储在计算机的存储器中，并以数字方式

23、输出。其频率分辨率取决于信号样本长度，只要存储的容量足够大，存储的信号样本足够多，频率分辨率就足够高。分析精度取决于量化误差和计算机的字长，只要保证量化误差在一定的范围内和有足够的计算机的字长，即可实现高精度测量，至于处理速度，完全取决于计算机的运行速度。由于计算机技术的高速发展，以个人计算机为核心的虚拟示波器实现实时处理是非常容易的。其主要特点是:(l)处理速度快处理速度对于一个具有信号分析功能的设备来说是非常重要的，它不仅直接影响工作效率，而且还影响到分析的质量。用本示波器的FFT功能处理1024点数据仅以毫秒为计时单位，这就能更正确地反映被分析信号的特征。(2)多功能传统仪器大多是单功能

24、的仪器，一台仪器只能完成一种固定功能，如滤波器、频谱分析仪、信号发生器等。但是本仪器却是一种多功能的综合设备，例如，可以对信号进行频谱分析、相位分析等。集许多功能于一身。是一种理想的示波和分析系统。(3)频率分辨率高模拟信号处理的一个很大的缺点是频率的分辨率不高，这主要原因是模拟滤波器的通带不可能做的很窄，它受到技术的限制。但虚拟示波器采用数字运算，频率分辨率取决于被分析信号的长度，即信号的持续时间，使信号的持续时间是T，则频率分辨率为f=1/T。只要T足够长，分辨率就足够高。例如，若抽样频率为IkHz，样本数取1024点(相当于T=ls)，则频率分辨率为IHz。(4)分析精度高，稳定可靠在虚

25、拟示波器中，影响系统精度的因素主要有两个:A/D转换器精度和数字运算所取的字长。本文中A/D转换器选用12位，转换误差小于ILSB，运算中字长的选择和减小计算误差的措施可以保证所要求的计算精度。本仪器是一个数字处理系统，具有数字计算机的基本结构，从而具备了重复性好、稳定可靠等优点。(5)虚拟示波器不仅具有一般仪器所具有的操作面板，还具有计算机常用的输入输出设备，还可随时在计算机磁盘中对采集到的数据进行读写操作，给用户提供了极大的方便。2.2软件设计思想创建虚拟仪器的过程共分三步：(1)设计虚拟仪器的前面板。虚拟仪器的交 互式用户接口被称为前而板，它是模仿实际仪器的面板。前面板包含旋钮、按钮，

26、图形和其他控制与显示对象，通过鼠标和键盘为控制对象输入数据，在计算机屏 幕上观看结果。(2)编写虚拟仪器流程图。流程图是一个编程问题的图形化解决 方案(也是虚拟仪器的源代码)。虚拟仪器从流程图中接受命令。(3)确定虚 拟仪器的图标和连接(表示某一虚拟子仪器)的参数列表，图标和连接允许将此仪 器作为最高级的程序，也可以作为其他程序或子程序中的程序(子仪器)。 采用模块化的软件设计思想编写，每个功能的实现由一个模块完成，系统软件总体包括数据采集、参数测量、频谱分析、滤波及数据存储和回放等模块，最终实现数据采集、处理、记录、显示等功能口l。系统组成如图2-1：数据分析与处理软面板计算机数据采集卡被测

27、信号波形显示图2-1系统组成框图2.3 前面板设计LabVIEW前面板用于设置输入数值和观察输出量，用于模拟真实示波器的前面板。由于虚拟面板直接面向用户，是虚拟示波器控制软件的核心。设计前面板时，主要考虑界面美观，操作简洁，用户可以通过前面板中的开关和旋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。前面板上设有各个功能模块按钮，当按下相应按钮时，即可调用该子程序。根据传统示波器的面板控键的功能，利用LabVIEW中的控制模板，分别在设计面板上放入模拟实际控键的显示器、通道选择控键、垂直增益控键、触发源、触发电平、时基控制等。例如：打开LabVIEW前面板编辑窗口，点击鼠标右键，显

28、示控制模板，选择GraphWaveform Graph，作为示波器的显示器，它可以显示一个或多个波形。在显示器模板上点击鼠标右键，对其进行属性设置，如根据示波器的频率与幅度值的变化，利用工具模板中的文字工具，对显示器横(时间)、纵(幅度)坐标的刻度重新设置。用Graph控键设计的示波器是完全同步的，波形稳定。点击Show Control PaletteClassic ControlsBooleanHorizontal Slide Switch选择开关，设置触发斜坡控键(极性)，开关可对正、负斜坡进行选择。点击Show Control PaletteNumericDial作为选择开关，设置扫描速

29、率和垂直灵敏度等各种控键，它们使用的是同一种旋钮式控键。根据控键所起作用和使用需要，对各控件进行性质设置。如垂直灵敏度控键，设置三个刻度点(05Wdiv，1 Vdiv，2W div)，当置于不同档时，可改变波形的垂直方向的灵敏度。“扫描速率”控键的设置与“垂直灵敏度”相似，单位是“msdiv”，当选择不同档位时，显示器的横坐标刻度间隔分别以2msdiv，4msdiv和8msdiv变化，以达到改变波形的水平方向的扫描速度。按BooleanVertical Switch路径，设置“通道选择”控键。设置三个选择档，分别是“A”、“B”和“A&B”，用来实现单通道和双通道显示的功能。软面板程序

30、用来提供用户与虚拟示波器的接口。当按下“采集”按钮，然后运行程序就可以开始采集信号。用户可以进行单通道和双通道的任意切换：各种功能模块的实现在面板上都对应着相应的按钮，按下该按钮就可以调出该模块子程序。在子程序中按下返回键就回到主程序面板。设计的前面板如图22所示。图2-2虚拟示波器前面板2.4 信号采集模块数据采集模块是虚拟示波器软件的核心，主要完成数据的采集。包括触发控制、通道控制和时基控制等。触发控制主要包括触发方式控制，触发斜坡控制和触发电平控制。通道控制主要控制单通道或者是双通道测量。时基控制主要控制采集卡的扫描率及采样数。采集中主要用到的函数有CreatDevice、InitDev

31、iceProAD、ReadDeviceProAD_NotEmpty、ReleaseDeviceProAD和 ReleaseDevice。CreatDevice负责创建PCI设备对象，并返回其设备对象句柄。InitDeviceProAD负责初始化设备对象中的AD部件，为设备操作就绪有关工作，如预置AD采集通道，采样频率等。ReadDeviceProAD_NotEmpty读取设备上的AD数据，ReleaseDeviceProAD释放设备上的AD部件，ReleaseDevice释放设备对象所占用的系统资源及设备对象自身。2.5信号测量和分析控制模块这个模块主要由三个基本的功能模块组成:电压测量模块、

32、频率和相位测量模块、频谱分析模块组成。电压测量模块主要完成对电压幅值、电压有效值、电压的频率及周期等参数的测量，并将结果显示出来。频率和相位测量模块主要是利用李沙育图形来测量被测信号的频率以及相位角。频谱分析模块主要是采用FFT变换，实现频域信号的分析，包括幅值频谱、相位频谱以及功率谱分析。这三个功能模块分别由三个子VI来实现的。2.6虚拟示波器的具体软件设计本文开发的虚拟示波器是采用模块化设计，借助于LabV工EW提供的可视化集成开发环境，我们可以很方便的设计出用户所需要的虚拟仪器。本虚拟仪器的程序框图如图2-3所示。图2-3虚拟示波器程序框图该示波器是由一个主程序和几个子程序组成的。每一个

33、子程序实际上都是能实现一定功能、完成一定任务的虚拟仪器(通常称为“子VI”)，主程序通过对子程序的调用，来实现信号的采集、分析、处理等功能，使虚拟示波器具有层次化和模块化的结构。下面对各主要子虚拟仪器(子Vl)做个简介。(1)“通道选择”子程序该子程序主要是实现对通道的选择，有三种选择方式:A通道、B通道、A&B，选择不同的通道可以实现对输入信号的选取。(2) 数据存盘子程序该子程序可以实现对采集到的数据进行存取，以备以后对数据进行分析和处理。(3)数据读取子程序该子程序主要是实现对被保存数据的读取和波形的回放，能直观地观察到被采集到的数据波形。 (4)频谱分析子程序该子程序主要是通过

34、短时傅立叶变换(FFT)实现信号的谱分析，这里主要包括幅值谱、相位谱和功率谱分析。当然可以在这个基础上根据你的实际需要进行改进，实现频率响应函数分析和相干函数分析。 (5)测量子程序该子程序主要是实现对电信号的相关参数进行测量，被测的参数包括交流有效值、支流分量、峰一峰值、最大值、最小值、振动幅值等等。从而得到被测信号的相关待测参数。（6)频率和相位测量子程序该子程序的两个主要功能是:通过李沙育图形来确定被测信号的频率和相位角。本小节讨论了虚拟示波器的实现技术，并对信号的采样技术和波形的显示技术做了仔细的研究。虚拟示波器的软件设计采用模块化的设计思想，实现了数字存储示波器的各种功能，并且在原有

35、功能的基础上增加了对信号的分析处理功能。基于LabvIEW强大的功能，软件实现较为方便，有效地节省了开发的时间。第三章 基于虚拟仪器的实验室设计方案任何一台仪器从功能上来说无非由以下三大功能模块组成：信号的采集与控制、信号的分析与处理、结果的表达与输出。虚拟仪器就是将这三大模块的功能尽可能用计算机来实现。大多数虚拟仪器是由计算机来完成信号的分析和处理、结果的表达与输出这两个功能块的部分或全部功能。也就是说，虚拟仪器是由计算机硬件资源、模块化仪器硬件和用于数据分析、过程通讯及图形用户界面(GUI)的控制软件组成，在软件控制下，由模块化仪器硬件进行测量信号的数据的采集，数据采集完毕后，传给计算机，

36、软件再进行数据的分析处理，通过图形用户界面等方式将结果显示给用户。虚拟仪器系统构成，参见图3-1。图31虚拟仪器系统构成3.1虚拟仪器实验室的硬件平台我们知道虚拟仪器的硬件主要是由计算机和IO接口设备两部分组成的。按照构成虚拟仪器的接口总线的不同，分为数据采集插卡式(DAQ)虚拟仪器、RS232RS485虚拟仪器、并行接口虚拟仪器、USB虚拟仪器、GPIB虚拟仪器、VXI虚拟仪器、PXI虚拟仪器以及最新的IEEEl394接口虚拟仪器。以下对这些类型的虚拟仪器总线进行分析比较，根据自身的条件确定适合实验室需要的建设方案。3.1.1 DAQ虚拟仪器系统DAQ(Data AcquiSition)，即

37、数据采集仪器，是一种比较典型的虚拟仪器，它的出现和发展与计算机密切相关。DAQ仪器以微型计算机为平台，将计算机硬件积计算机软件结合起来，实现特定的仪器测量和分析功能，它具有性价比高、设计手段灵活、通用性强等优点，应用前景非常广阔。DAQ仪器设计都是基于某一种总线迸行的，因此总线的标准和规范将对所设计的仪器系统的性能，包括结构上的先进性、可靠性、兼容性及扩充和升级等方面起到关键作用。下面主要研究基于PCI总线的DAQ虚拟仪器系统。一个由PCDAQPCI插卡式虚拟仪器组成的多通道多参量测量系统如图32所示。该测量系统由两大部分构成：传感器及其调理电路部分和DAQ虚拟仪器硬件平台。图3-2多通道多参

38、量PC-DAQPCI插卡式虚拟仪器1传感器及其调理电路在该系统中，计算机要想取得现场的各种参数，就必须先用传感器将各种物理量转换成电信号，只有那些数值大小合适的电压信号才可以直接进入虚拟仪器平台，大多数被测信号要经传感器及其调理电路变送后才能进入虚拟仪器系统。传感器完成信号的获取，它将被测参量转换成相应可用于输出的电信号。传感器输出的电信号大多数不能直接输送到显示、记录或分析仪器中去。其主要原因是：大多数传感器输出的电信号很微弱，需要进一步放大，有的还要进行阻抗变换；有些传感器输出的是电参量，要转换为电能量：输出信号中混杂有干扰噪声，需要去掉噪声，提高信噪比；若测试工作仅对部分频段的信号感兴趣

39、，则有必要从输出信号中分离出所需的频率成分；当采用数字式仪器、仪表和计算机时，模拟输出信号还要转换为数字信号等等。因此，传感器的输出信号要经过适当的调理，使之与后续测试环节相适应。故调理电路的基本作用有三个：放大：将微弱电压信号放大。转换：将非电压输出信号转换为电压信号。滤波：滤除高频干扰，限制信号的最高频率fmax避免产生混淆和混叠。如果信号调理电路输出的是规范化的标准信号，即420mA电流信号(经标准电阻转换为15v2IOV标准电压信号)，则称这种信号调理电路为变送器。2DAO虚拟仪器硬件平台DAQ虚拟仪器的硬件平台由Pc计算机与数据采集卡(DAQ卡)组成。数据采集卡(DAQ卡)由以下几个

40、部分组成：多路开关。将各路信号轮流切换到放大器的输入端，实现多参数多路信号的分时采集。放大器。将前一级多路开关切换进入待采集的信号进行放大(或衰减)至采样环节的量程范围内。通常实际系统中放大器做成增益可调的放大器，设计者可根据输入信号不同的幅值选择不同的增益倍数。采样保持器。取出待测信号在某一瞬时的值(即实现信号的时间离散化)，并在AD转换过程中保持信号不变。AD转换器。将输入的模拟量转化为数字量输出，并完成信号幅值的量化。随着电子技术的发展，目前通常将采样保持器与AD转换器集成在一块芯片上。以上四个部分都处在计算机的前向通道，是组成数据采集卡的主要环节，与其它有关电路如定时计数器、总线接口电

41、路等制作在一块印刷电路板上，即构成数据采集卡(DAQ卡)，完成对信号数据的采集、放大和模数转换任务。很多数据采集卡印刷电路板上，还装有数模转换器(DA)，DA处在Pc计算机的后向通道，即输出通道，用于将计算机输出的数字量转换为模拟量，从而实现控制功能。3在LabVIEW中DAQ设备的配置通常情况下，在LabVIEW中安装和配置DAQ设备的步骤如下：DAQ硬件板卡的安装；使用LabVIEW自带的Io配置工具选择确定地址、中断等基本参数使用DAQ Channel Wizard配置I0通道；进行LabVlEW DAQ编程。3.1.2 GPIB虚拟仪器系统目前，工程中的仪器设备种类繁多、功能各异，一个

42、系统经常需要连接多台不同类型的仪器协同工作，这就需要一种能够将一系列仪器设备和计算机联成整体的接口系统。GPIB(General Purpose Interface Bus)正是这样的接口，从此，电子测量由独立的、传统的单个仪器向大规模自动测试系统的方向发展。GPIB接口是一种8位数字并行通讯接口，其数据传输速度为iMbytes。GPIB设备分为听者(Listeners)、说者(Talkers)和控制器(controllers)。说者负责发出消息(数据或命令)，听者负责接收消息(数据或命令)，控制器(通常是一台计算机)负责管理总线上的消息，并指定通讯连接和发送GPIB命令到指定的设备。有些GP

43、IB设备在不同的时候可以扮演不同角色，有时充当说者，有时充当听者，有时又作为控制器。GPIB接口的优点在于通过一个接口可以将多个GPIB设备连接在一起，同时完成多种不同物理量的测量。GPIB的基地址共有31个，为了获得较高的数据传输速度，连接设备一般不超过14个，对于普通的测量这已经足够了。开发基于GPlB总线的虚拟仪器一般需要如下硬件：计算机、带有GPIB接口的测试仪器、GPIB接口卡和GPIB连接电缆。测试仪器的类型及数量取决于实际的测试要求，仪器本身还要有与之配套的传感器。GPIB接口卡主要用于将仪器与计算机相连，各GPIB接口之间用GPIB连接电缆连接。采用GPIB系统组建虚拟仪器系统

44、具有明显的优越性：采用位并行，字节串行，双向异步的数据传输方式，并使用了三线连锁挂钩技术；具有广泛的灵活性和通用性；成本低，使用方便。3.1.3 VXI虚拟仪器系统VXlbus是WEgus在仪器领域的扩展(VMEbus eXtensions for fnstrumentation)，是计算机操纵的模块化自动仪器系统。VXI系统为虚拟仪器概念的实现提供了理想的环境。VXlbus标准和VPP规范的建立，使高密度、高效率、高速度、高度开放性、高可靠性和高度规范化的模块化仪器走上了标准化的道路，为自动测试技术的发展提供了新的技术支持，从而得到了积极的响应、迅速发展和推广应用。VXI总线系统或者其子系统

45、由一个VXIbus主机箱、若干VXIbus器件、一个VXIbus资源管理器和主控制器组成。VXI总线控制方式分为嵌入式和外接式两类。嵌入式VXI控制方式就是把计算机做成VXIbus模块，直接安装到VXI主机箱中，并通常占据0槽位置。采用嵌入式控制器的VXl系统具有最小可能的体积。嵌入式控制器能够直接访问VXIbus背板信号，并直接读写VXIbus器件的寄存器，而不会像外接控制器那样进行总线转换而引入软件开销，因此具有最高的数据传输性能。外接式控制方式可以通过GPIB总线或者IEEE一1394总线及相应的接口电路实现对VXI系统控制。外接式VXI控制方式是一种灵活而且性能价格比很高的控制方案，得

46、到了十分广泛的应用。3.1.4 PXI虚拟仪器系统PXI(PCI eXtensions for Instrumentation)定义为用于测试、测量和控制应用，基于PC的一种小型模块化仪器平台。PXI基于PCI，并利用CompactPCI规范，所以它具有PCI的一些优点：较低的成本，不断提高的性能，以及为最终用户提供的主流软件模型。PXl结构最初是在1997年由NI公司提出，旨在帮助用户开发一种低成本测试系统同时还要坚固耐用，并在多个工业领域都能满足生产和现场测试要求。如今，PXI已经成为测试、测量和自动化应用的标准平台，它的开放式构架、灵活性和PC技术的成本优势为测量和自动化行业带来了一场翻

47、天覆地的改革。PXI的规格区分为硬件与软件两个部分。其中硬件部分是基于CompactPCI的规格，建构于CompactPCI的机构规格与PCI的电气规格之上，加上仪器上所需要的电气信号延伸，即是所谓PXI的规格。所以，PXI的数据传输速率的峰值在33MHz、32 bit的总线上，可达132MBs；在66 IVHz、64 bit的总线上更可高达528MBs，远远高于GPIB与VXI接口的传输速率。为更适于工业应用，PXI总线方式为PCI总线内核技术增加了成熟的技术规范和要求，增加了多板同步触发总线的技术规范，以便应用于相邻模块的高速通讯总线。PXI还具有高度的可扩展性：PXI具有8个扩展槽，通过

48、使用PCIPCI桥接器，可扩展到256个扩展槽，而台式PCI系统只有34个扩展槽，台式PC的性能价格比和PCI总线面向仪器领域的扩展优势结合起来，便形成了出色的虚拟仪器平台。3.1.5 USB和IEEEl394虚拟仪器系统USB通用串行总线(Universal serial bus)和IEEEl394总线(30nq Fireware总线)是被PC机广泛采用的两种总线，它们已被集成到计算机主板上。USB总线能以雏菊链方式连接127个装置，需要一对信号线及电源线。USB 20标准的数据传输率能达到480Mbps。该总线具有轻巧简便、价格便宜、连接方便快捷的特点，现在已被广泛用于宽带数字摄像机、扫描

49、仪、打印机及存储设备。IEEEl394总线是由苹果公司于1989年设计的高性能串口总线，目前传输速率为100；200、400Mbps，将来可达32Gbps。这种总线需要两对信号线和一对电源线，可以用任意方式连接63个装置，它是专为需要大数据量串行传送的数码相机、硬盘等设计的。USB及rEEE一1394总线均具有“即插即用”的能力和自动识别功能，都拥有400M左右的带宽，两者都支持同步和异步传输，与并行总线相比，更适合于连接多外设的需要。这两类总线技术是当前虚拟仪器技术研究的热点。3.1.6 RS一232虚拟仪器系统RS一232接口是目前最常用的一种串行通讯接口。它是在1970年由美国电子工业协

50、会(EtA)联合贝尔系统、调制解调器厂家及计算机终端生产厂家共同制定的用于串行通讯的标准。它的全名是“数据终端设备(DTE)和数据通讯设备(DCE)之间串行二进制数据交换接口技术标准”。图3-3 RS一232虚拟仪器系统串行接口(RS一232)是PC机的标准配置，它用于数据的串行传输。其特点是开发和应用简单，在通信距离较近，数据传输率要求不高的情况下，可直接采用。采用RS一232串行总线结构建的虚拟仪器硬件平台有以下几方面的优点：lRS一232总线与GPIB总线、VXI总线、PXI总线相比，它的接口简单、使用方便，应用于速度较低的测量系统中，其优势十分明显。2目前，有许多测量仪器都带有RS一2

51、32总线接口，与这些仪器相组合，构成特定的虚拟仪器，能够有效的提高原有仪器的自动化程度及测量的精度和效率。3与目前使用最多的PCDAQ型结构相比，RS一232虚拟仪器系统虽然速度有所降低，但价格低廉使用更加灵活。3.2虚拟仪器实验室的软件平台虚拟仪器的软件框架从低层到顶层，包括三部分；VISA库、仪器驱动程序、应用软件。图34虚拟仪器的软件结构3.2.1虚拟仪器软件体系结构(VISA)1VISA的由来在以往的虚拟仪器开发过程中，I0接口设备驱动控制软件的开发没有制定共同的规范，仪器厂商按照各自的标准开发IO接口设各驱动控制软件出售给用户。由于没有统一的规范约束，只能专用而没有通用性，因此不同类

52、型的或不同厂家的W接口设备必须专门米设计它的驱动程序。由于这种不可互换性，因而造成用户在集成、使用和维护虚拟仪器系统时重复投入了大量的资金。为了推动虚拟仪器软件标准化的进程，VXIPlug&Play联盟于1996年完成了对VISA规范的开发工作，并将各个函数的原型以标准的形式发布。2VISA简介VISA(Virtual InstrumentatiOrsoftware Architecture)，即虚拟仪器软件体系结构，实质就是标准的IO函数库及其相关规范的总称。一般称这个IO函数库为VISA库。它驻留于计算机系统之中执行仪器总线的特殊功能，是计算机与仪器之间的软件层连接，以实现对仪器的

53、程控。它对于仪器驱动程序开发者来说是一个可调用的操作函数集，通过它可以直接访问计算机的硬件设备。3.2.2仪器驱动程序仪器驱动程序是完成对某一特定仪器控制与通信的软件程序集。它是应用程序实现仪器控制的桥梁。每个仪器模块都有自己的仪器驱动程序，仪器厂商以源码的形式提供给用户。仪器驱动程序的实质是为用户提供了用于仪器操作的较抽象的操作函数集。对于应用程序来说，它对仪器的操作是通过仪器驱动程序来实现的。仪器驱动程序对于仪器的操作与管理，又是通过输入输出(IO)软件所提供的统一基础与格式的函数库(VISA库)的调用来实现的。对于应用程序设计人员来说，一旦有了仪器驱动程序，在不是十分了解仪器内部操作过程

54、的情况下，也可以进行虚拟仪器系统的设计工作。在过去，用户只能见到仪器驱动程序的引出函数原型，仪器供应厂家将源程序“神秘”地隐藏起来。用户一旦发现供应厂家提供的仪器驱动程序不能完全符合使用要求时，也无法对其做出修改，仪器的功能由供应厂家而不是由用户本身来规定的。而VPP规范明确规定仪器生产厂家在提供仪器模块的同时，必须提供仪器驱动程序的源程序文件与动态链接库(DLL)文件，并且由于仪器驱动程序的编写是在VISA的基础上，因此仪器驱动程序之间有很大的互参考性，仪器驱动程序的源程序也容易理解。这样，用户就可以修改仪器驱动程序，可以对仪器功能进行扩展，将仪器使用的主动权真正交给了用户。3.2.3应用软

55、件应用软件是建立在仪器驱动程序之上，直接面对操作用户，通过提供直观友好的测控操作界面、丰富的数据分析与处理功能，来完成自动测试任务。应用软件还包括通用数字处理软件。通用数字处理软件包括用于数字信号处理的各种功能函数，例如关于频域分析的功率谱估计、FFT、FHT、逆FFT、逆FHT和细化分析等：时域分析的相关分析、卷积运算、反卷运算、均方根估计、差分积分运算和排序等；以及数字滤波等等。这些功能函数为用户进一步扩展虚拟仪器的功能提供了基础。第四章 论文总结数字信号处理技术和教学仪器技术的发展是本文理论知识的基础，而虚拟仪器的基本思想和LabVIEw开发平台则是程序开发设计过程中有力的工具。通过基础

56、性的理论知识，从而很好地运用开发工具，并解决了在开发过程中所遇到的问题，开发出有实用价值的虚拟仪器综合实验:通过功能强大的开发平台，将理论知识转化为有效的、实用的教学工具。通过对课题的研究与开发，可以得出以下结论:(1)本文中开发的虚拟实验仪器对采集的数据进行实时的分析处理、并生动直观地显示出运行数据、同时可进行波形回放、存储和打印数据结果。将这些虚拟仪器应用到实验教学中去，以取代常规仪器，实际教学中可根据实验要求，自行设计各种软面板，定义仪器的功能并可以各种形式表达输出检测结果，进行实时仿真分析。(2)本文是在LabVIEW平台上开发的教学用虚拟实验仪器:虚拟示波器，主要建立了软件开发的主要功能模块，通过调用外部数据采集卡AC1810，达到了虚拟示波器信号采集、处理，以及对信号的测量和显示的主要功能。(3)本文中的虚拟示波器的主要技术特点包括:利用计算机的存储与外设连接的能力，测量结果与波形可以直接输出打印;与传统仪器相比，增加了频域分析功能在相同的硬件条件下，可以通过修改或增加软件模块，形成新的仪器功能;硬件具有开放性，可以通过升级硬件来提高性能。(4)本文中采用面向