1、本科生畢業論文1基于基于 labview 的虛擬示波器設計的虛擬示波器設計第一章：緒論第一章：緒論.311 虛擬儀器概述.3111 虛擬儀器的產生.3112 虛擬儀器的概念.3113 虛擬儀器的構成.41.1.4 虛擬儀器的優點.612 虛擬儀器的現狀.7121 國外現狀.7122 國內現狀.8123 發展趨勢.91.3 課題背景和課題目的.101.4 本文的研究內容.10第二章第二章 方案及關鍵技術方案及關鍵技術.1221 虛擬儀器創建過程.122.2 數據采集基礎知識.132.2.1 采樣定理.132.2.2 模擬信號與數字信號.162.2.3 a/d轉換技術.162.2.4 d/a轉化技

2、術.212.3 pci6221 數據采集卡慨述.252.4 安裝與測試.272.4.1 硬件的安裝.282.4.2 測試.292.5 信號連接.302.5.1 管腳圖.30基于 labview 的虛擬示波器設計22.5.2輸入連接.312.5.3 模擬信號輸出連接及外圍電路.332.6 設計軟件比較.332.7 總體設計.35第三章第三章 軟件模塊的設計軟件模塊的設計.363.1 程序的流程圖.3632 程序的結構圖.3633 labview 簡介.37331 g語言簡介.38332 labview 程序組成.3834 數據采集.393.4.1 daqmx介紹.393.4.2 程序整體設計.4

3、03.4.3 程序框圖.403.5 濾波及分析.423.5.1 濾波分析.423.5.2 數據分析.433.6 多線程技術.443.6.1 windows的多線程機制.443.6.2 labview與多線程.453.6.3 多線程技術在本設計中的應用.453.6.4并行處理.4637 小結.47第四章第四章 程序設計顯示程序設計顯示.4841 前面板設計.4842 程序的總框圖.4843 程序屬性設置及調試結果.4944 小結.51第五章第五章 總結與展望總結與展望.52謝謝 辭辭.53本科生畢業論文3參考文獻參考文獻.54致致 謝謝.56基于 labview 的虛擬示波器設計4第一章：緒論第

4、一章：緒論11 虛擬儀器概述1 11 11 1 虛擬儀器的產生虛擬儀器的產生虛擬儀器技術是現在計算機系統和儀器系統相結合的產物，是當今計算機輔助測試領域的一項重要技術。它推動著傳統儀器朝著數字化，智能化，模塊化，網絡化的方向發展。電子測量儀器發展至今，大體上可以分為四代：模擬儀器、數字化儀器、智能一起和虛擬儀器。第一代模擬儀器，這類儀器在某些實驗室里還能看到，它是以電磁感應基本定律為基礎的指針式儀器，如指針式萬用表、晶體管電壓表、指針式電流表等。第二代數字化儀器，這類儀器現在相當普遍，這類儀器將模擬信號的測量值轉化為數字信號，并以數字方式輸出最終結果，適用于快速響應和較高準確度的測量，如數字萬

5、用表、數字頻率計等。第三代智能儀器，這類儀器內置微處理器，可以進行自動測試和數據處理功能，可能代替部分腦力老公，習慣上稱為智能儀器。它的功能模塊全部都是以硬件或固定軟件的形式存在，無論是開發還是應用，都缺乏靈活性。第四代虛擬儀器，它是現在計算機軟件技術、通信技術和測試技術高速發展孕育出的一項革命性技術，其導致了傳統儀器的結構、概念和設計觀點都發生了巨大的變革，它的出現使得人類的測試技術進入了一個新的發展紀元。虛擬儀器（virtual instruments.簡稱 vi）的概念，是美國國家儀器公司（national instruments corp.簡稱 ni）于 1986 年提出的。ni 公司

6、同時也提出了“軟件即儀器”的口號，徹底打破了傳統儀器只能由廠家定義，用戶無法改變的局面，從而引起了儀器和自動化工業的一場革命。隨著現在硬件和軟件技術的飛速發展，儀器的智能化和虛擬化成為各級實驗室以及研究機構發展的方向。虛擬儀器，它既具有傳統儀器的功能，又有別于其他傳統儀器。它能夠充分利用和發揮現有計算機的先進技術，使儀器的測試和測量及自動化工業的系統測試和監控變得異常方便和快捷。1 11 12 2 虛擬儀器的概念虛擬儀器的概念虛擬儀器是指通過應用程序將計算機、軟件的功能模塊和儀器硬件結合起來，用戶可以通過友好的圖形界面（通常叫做虛擬前面板，簡稱前面板）來操作這臺計算機就像在操作自己定義、自己設

7、計的一臺個人儀器一樣，從而完成對被測信號的采集、分析、判斷、顯示、數字存儲等。虛擬儀器以透明的方式，通過軟件對數據的分析處本科生畢業論文5理、表達以及圖形化用戶接口，把計算機資源（如微處理器、顯示器等）和儀器硬件（如 a/d、d/a、數字 i/o、定時器、信號調理等）的測試能力和控制能力結合起來。虛擬一起突破了傳統儀器以硬件為主體的模式，實際上使用者是在操作具有測試軟件的電子計算機進行測量，猶如操作一臺虛設的電子儀器。虛擬儀器技術的實質是充分利用最新的計算機技術來實現和擴展傳統儀器的功能。軟件是虛擬儀器的關鍵，當基本硬件確定以后，就可以通過不同的軟件實現不同的功能。用戶可以根據自己的需要，設計

8、自己的儀器系統，滿足多種多樣的應用要求。利用計算機豐富的軟、硬件資源，可以大大突破傳統儀器的數據的分析、處理、表達、傳遞、存儲等方面的限制，達到傳統儀器無法比擬的效果。它不僅可以用于電子測量、測試、分析、計量等領域，而且還可以用于進行設備的監控以及工業過程自動化。虛擬儀器還可以廣泛用于電力工程、物礦勘探、醫療、振動分析、聲學分析、故障診斷及教學科研等多個方面。1 11 13 3 虛擬儀器的構成虛擬儀器的構成虛擬儀器從構成要素上講，由計算機、應用軟件和儀器硬件等構成；從構成分式上講則由以 daq 板和信號調理為儀器硬件而組成的 pc-daq 測試系統，或已gpib，vxi，serial 和 fi

9、eld bus 等標準總線儀器為硬件組成的 gpib 系統、vxi 系統、串口系統和現場總線系統等多種形式。虛擬儀器的構成如圖 1.1 所示。顯示器信號分析及處理器入機接口各類接口a/d 轉換器數據發生器信號調理器信號調理器輸入信號d/a 轉換器信號調理器信號輸出圖 1-1 虛擬儀器的結構目前，虛擬儀器的構成方式有以下幾種：基于 labview 的虛擬示波器設計6（1） pc-daq 插卡式的 vi這種方式用數據采集卡配以計算機平臺和虛擬儀器軟件，便可構成各種數據采集和虛擬儀器系統。它充分利用了計算機的總線、機箱、電源以及軟件的便利，其關鍵在于 a/d 轉換技術。這種方式受 pc 機機箱、總線

10、限制，存在電源功率不足，機箱內噪聲電平較高、無屏障，插槽數目不多、尺寸較小等缺點。隨著基于 pc 的工業控制計算機技術的發展，pc-daq 方式存在的缺點已經和正在被克服。因個人計算機數目非常龐大，插卡式儀器價格便宜，因此其用途廣泛，特別適用于工業測控現場、各種實驗室和教學部門使用。（2） 并行口式的 vi最新發展的可連接到計算機并行口的測試裝置，其硬件集成在一個采集盒里或探頭上，軟件裝在計算機上，可以完成各種 vi 功能。它的最大好處是可以與筆記本計算機相連，方便野外作業，又可與臺式 pc 相連，實現臺式和便攜式兩用，非常方便。（3） gpib 總線方式的 vigpib（general pu

11、rpose interface bus）技術是 ieee488 標準的 vi 早期的發展階段。它的出現使電子測量由獨立的單臺的手工操作向大規模自動測試系統發展。典型的 gpib 系統由一臺 pc 機，一塊 gpib 接口卡和若干臺 gpib 儀器通過 gpib 電纜連接而成。在標準情況下，一塊 gpib 接口卡可帶多達 14 臺的儀器，電纜長度可達 20m。gpib 技術可以用計算機實現對儀器的操作和控制，代替傳統的人工操作方式，很方便的把多臺機器組合起來，形成大的自動測試系統。gpib 測試系統的結構和命令簡單，造價較低，主要市場在臺式儀器市場。適用于精確度要求高，但對計算機速率要求和總線控

12、制實時性要求不高的場合應用。（4） vxi 總線方式的 vi vxi 總線是 vmebus extension for instrumentation 的縮寫，是高速計算機總線 vme 在 vi 領域的擴展，有穩定的電源，強有力的冷卻能力和嚴格的 rfi/emi 屏蔽。由于它的標準開放，且具有結構緊湊、數據吞吐能力強、定時和同步精確、模塊可重復利用、眾多儀器廠家支持的優點，得到廣泛的應用。經過多年的發展，vxi 系統的組建和使用越來越方便，有其他儀器無法比擬的優勢，適用于組建大、中規模自動測量系統以及對速度、精度要求高的場合，但 vxi 系統要求有專用的機箱、零槽管理器及嵌入式控制器，造價比較

13、高。（5） pxi 總線形式的 vi本科生畢業論文7pxi 總線是 pci extension for instrumentation 的縮寫，是 pci 在 vi 領域的擴展。這種新型模塊化儀器系統是在 pci 總線內核技術上增加了成熟的技術規范和要求形成的，具有多板同步觸發、精確定時的星形觸發、相鄰模塊間高速通訊的局部總線以及高度的可擴展性等優點，適用于大型高精度集成系統。（6） 網絡接口方式的 vi盡管 internet 技術最初并沒有考慮如何將嵌入式智能儀器設備連接在一起，不過 ni 等公司已經開發了通過 web 瀏覽器觀測這些嵌入式儀器設備的產品，使人們可以通過 internet 操

14、作儀器設備。根據虛擬儀器的特性，我們能夠方便的將虛擬儀器組成計算機網絡。利用計算機網絡將分散在不同地理位置不同功能的設備聯系在一起，使昂貴的硬件設備、軟件在網絡上得以共享，減少了設備重復投資?，F在，有關 mcn（measurement and control networks ）方面的標準正在積極進行，并取得一定的進展。由此可見，網絡化虛擬儀器將具有廣泛的應用前景。（7） usb 接口方式的 viuniversal serial bus（usb）因為其在 pc 機上的廣泛使用、即插即用的易用性和 usb2.0 高達 480mbits/s 的傳輸速率，逐漸的成為儀器控制的主流總線技術。現在計算機

15、上的 usb 接口越來越多，也使得工程師可以很方便的將基于 usb 的測量儀器連接到整個系統中。但是 usb 在儀器控制方面上亦有一些缺點。比如說 usb 的排線沒有工業標準的規格，在惡劣的環境下，可能造成數據的丟失，此外，usb 對排線的距離也有一定的限制。無論哪種 vi 系統，都是將儀器硬件搭載到筆記本電腦，臺式微機和工作站等各種計算機平臺加上應用軟件而構成的。1.1.41.1.4 虛擬儀器的優點虛擬儀器的優點一臺性能優良的虛擬儀器不僅可以實現傳統儀器的大部分功能，而且在許多方面有傳統儀器無法比擬的優點，如使用靈活方便、功能豐富、價格低廉、可一機多用、可重復開發等。與傳統儀器相比虛擬儀器主

16、要有以下幾個優點：（1）融合了計算機強大的硬件資源，突破了傳統儀器在數據處理、顯示、存儲等方面的限制，大大增強了傳統儀器的功能。而且高性能處理器、高分辨率顯示器、大容量硬盤等已成為虛擬儀器的標準配置。（2）利用計算機豐富的軟件資源，一方面，實現了部分儀器硬件的軟件話，節省了物質資源，增加了系統的靈活性；一方面，通過軟件技術和相應的數值算法、實時、直接的對測量數據進行各種分析和處理；另一方面，通過圖形用戶界面（graph user 基于 labview 的虛擬示波器設計8interface）技術，真正做到界面友好，人機交互。（3）基于計算機總線和模塊化儀器總線，使儀器的硬件實現了模塊化、系列化，

17、大大縮小了系統的尺寸，可方便的構建模塊化儀器（instrument on a card） 。（4）基于計算機數據庫及報表技術和接口技術，使 vi 系統具有方便、靈活的互聯能力，廣泛支持諸如 can，field bus，profibus 等各種工業總線標準。因此，利用 vi技術可方便的構建自動測試系統（ats，automatic test system） ，實現測量、控制過程的網絡化。（5）基于計算機的開放式標準體系結構。虛擬儀器的硬、軟件都具有開放性、模塊化、可重復使用及互換性等特點。因此，用戶可以根據自己的需要選擇不同廠家的產品，使儀器系統的開發更為靈活、效率更高，縮短了系統組建和維修的時間

18、。下表是虛擬儀器與傳統儀器的比較。表 1-1 虛擬儀器與傳統儀器的比較虛擬儀器傳統儀器開放、靈活，可與計算機技術保持同步發展封閉性、儀器間相互配合較差關鍵是軟件，系統性能升級方便，通過網絡下載升級程序即可。關鍵是硬件，升級成本較高，且升級必須上門服務。價格低廉，儀器間資源可重復利用率高價格昂貴，儀器間一般無法相互利用用戶可定義儀器功能只有廠家能定義儀器功能可以與網絡及周邊設備方便互連與其他設備儀器的連接十分有限軟件使得開發和維護費用降至最低開發和維護開銷高技術更新周期短（1-2 年）技術更新周期長（5-10 年）數據可編輯、存儲、打印數據無法編輯12 虛擬儀器的現狀1 12 21 1 國外現狀

19、國外現狀虛擬儀器技術目前在國外發展很快，以美國國家儀器公司（ni 公司）為代表的一批廠商已經在市場上推出了基于虛擬儀器技術而設計的商品化儀器產品。在美國虛擬儀器系統及其圖形編程語言，已作為各大學理工科學生的一門必修課程。美國的斯福坦大學的機械工程系要求三、四年級的學生在實驗時應用虛擬儀器進行數據采集和實驗控制。近年來，世界各國的虛擬儀器公司開發了不少虛擬儀器開發平臺軟件，以便使用本科生畢業論文9者利用這些公司提供的開發平臺軟件組建自己的虛擬儀器或測試系統，并編制測試軟件。最早和最具有影響力的開發軟件，是 ni 公司的 labview 軟件和 lab windows/cvi開發軟件。labvie

20、w 采用圖形化編程方案，是非常實用的開發軟件。lab windows/cvi是為熟悉 c 語言的開發人員準備的、在 windows 環境下的標準 ansi c 開發環境，除了上述優秀的開發軟件之外，美國 hp 公司的 hp-vee 和 hptig 平臺軟件，美國tektronix 公司的 ez-test 和 tek-tns 軟件，以及美國的 hem data 公司的 snap-master 平臺軟件，也是國際上公認的優秀虛擬儀器開發平臺軟件。當今虛擬儀器的系統開發采用的總線包括傳統的 rs232 串行總線、gpib 通用接口總線、vxi 總線，以及已經被 pc 機廣泛采用的 usb 串行總線和

21、 ieee1394 總線（即fire wire，也叫做火線） 。世界各國的公司，特別是美國 ni 公司，為使虛擬儀器能夠適應上述各種總線的配置，開發了大量的軟件以及適應要求的硬件（插件） ，可以靈活的組建不同復雜程度的虛擬儀器自動檢測系統。虛擬儀器開發商不僅注意使虛擬儀器能夠適應各種通用計算機總線系統，使之為虛擬儀器服務，而且也注意建立各種儀器專用的總線系統。美國 ni 公司在 1997 年 9月 1 日推出模塊化儀器的主流平臺 pxi，這是與 compact pci 完全兼容的系統。這種虛擬儀器模塊化主流平臺 pxi/compact pci 的傳輸速度已經達到 100mb/s。是目前已經發布

22、的最高傳輸速度。虛擬儀器的開發廠家，為擴大虛擬儀器的功能，在測量結果的數據處理、表達模塊及其變換方面也做了很多工作，發布了各種軟件，建立了數據處理的高級分析庫和開發工具庫（例如測量結果的譜分析、快速傅立葉變換、各種數據濾波器、卷積處理和相關函數處理、微積分、峰值和閾值檢測、波形發生噪聲發生、回歸分析、數值運算、時域和頻域分析等） ，使虛擬儀器發展成為可以組建極為復雜自動檢測系統的儀器系統。1 12 22 2 國內現狀國內現狀在國內已有部分院校的實驗室引入了虛擬儀器系統，上海復旦大學、上海交通大學、廣州暨南大學、華中理工大學、四川聯合大學等。近一、兩年來這些學校在原有的基礎上，又開發了一批新的虛

23、擬儀器系統用于教學和科研。其中，華中理工大學機械學院工程測試實驗室將其開發成果在網上公開展示。四川聯合大學的教師基于虛擬儀器的設計思想，研制了“航空電臺二線綜合測試儀”將 8 臺儀器集成于一體，組成虛擬儀器系統，使用方便、靈活。清華大學利用虛擬儀器技術構建的汽車發動機檢測系統，用于汽車發動機的出廠檢驗。主要檢測發動機的功率特性、負荷特性等。一臺基于 labview 的虛擬示波器設計10發動機檢測完后，就可打印出完整的檢測報告。此外，國內已有幾家企業在研制 pc虛擬儀器，哈工大儀器王電子有限責任公司就是其中之一，它的產品已達到一定的批量。其主要產品有數字存儲智能火車車輪測試系統系列、任意波形發生

24、器及頻率計系列、多通道大容量波形記錄系列。國內專家預測：未來幾年內，我國將有 50%的儀器為虛擬儀器。國內將有大批企業使用虛擬儀器系統對生產設備的運行狀況進行實時監測。隨著微型計算機的發展，虛擬儀器將會逐步取代傳統的測試儀器而成為測試儀器的主流。虛擬儀器技術的提出和發展，標志著二十一世紀自動測試與電子測試儀器領域技術發展的一個重要方向。1 12 23 3 發展趨勢發展趨勢虛擬儀器正在繼續迅速發展。它可以取代測量技術在傳統領域的各類儀器。虛擬儀器在組成和改變儀器的功能和技術性能方面具有靈活性和經濟性，因而特別適應于當代科學技術迅速發展和科學研究不斷深化所提出的更高跟新的測量課題和測量需要?！皼]有

25、測量就沒有鑒別，科學技術就不能前進。 ”虛擬儀器將會在科學技術的各個領域得到廣泛的應用。圖形化編程平臺的進一步發展和完善是虛擬儀器發展的一個重要方向。如何使用戶進行少量的學習甚至不需要學習就可使用功能強大的虛擬儀器，如何使用構成簡單的虛擬儀器系統并完成復雜的測試內容，如何幫助用戶對測試結果進行分析和判斷等內容，是虛擬儀器技術努力的方向。我國還基本處于傳統儀器與計算機化儀器互相分離的狀態，世界各大相關的產品商家都在向中國這個巨大的市場進軍。結合我國的實際情況，我們必須走引進與自行開發相結合的道路。一方面，大力引進國外虛擬儀器方面的生產技術；另一方面，發展基于計算機的插卡式硬件模塊為主的測控技術，

26、發展圖形化平臺的軟件產品，充分利用我們現有的計算機及測控技術硬件，縮短與國際先進水平的差距。vxi 總線將成為未來虛擬儀器的理想硬件平臺，這是由 vxi 總線的性能決定的；另一方面，基于 pci-daq 的虛擬儀器系統由于性價比高、靈活性好而受到大多數用戶的青睞，將得到高速的發展。隨著計算機硬件、軟件技術的迅速發展，虛擬儀器將向高性能、多功能、集成化、網絡化方向發展。1.31.3 課題背景和課題目的課題背景和課題目的在當代信息發展迅速的情況下,各類通信方式為人們提供著強大的支柱。虛擬儀本科生畢業論文11器技術是計算機和傳統的儀器技術融合的產物，是現代測試技術與系統的發展趨勢。虛擬儀器與傳統儀器

27、相比，在智能化程序、處理能力、性能價格比、可操作性及功能擴展等方面都具有明顯的技術優勢。它的設計與開發是利用高效靈活的軟件來完成的，用戶可根據實際需要自己構建儀器的功能、操作和顯示界面。圖形化編程語言labview 是當今國內外設計虛擬儀器最為流行的軟件，整個儀控系統都完全可以使用它來開發與執行。目前，虛擬儀器技術在測量方面的應用已日趨成熟，它已成為測試及測量領域的工業標準，故此，本文主要探討虛擬儀器技術在遠程控制領域中的開發與應用。長期以來，我國鐵路處于低裝備率、高利用率、高強度運動狀態，特別是隨著火車運行速度的一再提高，更加重了火車車輪的負擔?；疖嚨能囕啝顟B是否完好關系到火車的安全運行，為

28、了保障行車安全，提高運輸能力，鐵道部門必須經常對火車車輪狀態進行檢測。就目前現狀來看，國內外所做的努力都是把精力放在車輪的生產或修復環節的缺陷檢測方面，在線檢測相對較少。基于這種情形，本文引入虛擬儀器技術的思想和設計方法，在 labvlew 虛擬儀器開發環境下，運用 labview 的逐點分析庫，研發了火車車輪狀態實時檢測系統。本自動化檢測系統有如下特點：精確快速地檢測微弱損壞信號；在火車正常運行情況下直接獲取數據；實時的采集分析數據從而提高檢測速度并簡化編程。1.4 本文的研究內容本文的研究內容虛擬儀器系統由通用儀器硬件平臺（簡稱硬件平臺）和應用軟件兩大部分構成。硬件平臺主要完成對被測信號的

29、進行調理和采集。儀器硬件可以是插入式數據采集卡及必要的外圍電路（含信號調理電路、a/d 轉換器、數字 i/o、定時器、d/a 轉換器等），或者是帶標準總線接口的儀器，如 gpib、vxi、pxi、std、pci 總線儀器和網絡化儀器等。目前市場上的 a/d 采集卡和數據采集卡以及帶標準總線接口的儀器等，其價格均不菲，以畢業設計的目的來說，性價比以及實用程度顯的不高。本課題以 labview 軟件進行了信號的仿真生成、濾波和各類處理。虛擬儀器的發展已經具有快 30 年的歷史，基于 labview 虛擬儀器的智能火車車輪測試系統設計作為虛擬儀器中的一種典型儀器，是儀器儀表、工業監控等領域不可缺少的

30、一部分。本論文開發了一臺基于 labview 虛擬儀器的智能火車車輪測試系統設基于 labview 的虛擬示波器設計12計。本論文具體內容安排如下：第一章，緒論：介紹虛擬儀器的概念、構成及其優勢，發展的現狀，和本文的研究內容。第二章，基于 labview 虛擬儀器的智能火車車輪測試系統設計的原理：首先講述通用智能火車車輪測試系統的原理，進而講述了基于 labview 虛擬儀器的智能火車車輪測試系統設計的原理。第三章，基于 labview 虛擬儀器的智能火車車輪測試系統軟件的設計：本章講解了軟、硬件的選取方案，詳細講述了軟件選擇 labview。軟件模塊設計是本章重點，詳細講述了各個功能模塊具體

31、的實現過程。 第四章，程序設計顯示：本章給出了基于 labview 虛擬儀器的智能火車車輪測試系統設計系統性能的具體指標，進行了系統調試，驗證了基于 labview 虛擬儀器的智能火車車輪測試系統設計的實用性和優越性。第五章，總結與展望：對設計的基于 labview 虛擬儀器的智能火車車輪測試系統設計進行了總結，并對將來的發展趨勢給出了展望。本科生畢業論文13第二章第二章 方案及關鍵技術方案及關鍵技術基于 labview 虛擬儀器的智能火車車輪測試系統設計由好幾部分組成。本章將詳細討論對基于 labview 虛擬儀器的智能火車車輪測試系統設計時幾種方案的比較。21 虛擬儀器創建過程創建虛擬儀器

32、的過程大體分為以下五步：（1）需求分析。需求分析是借用軟件工程中的概念，其含義包括創建開發原型（明確實質要解決的問題） 、分析程序的可行性（包括成本、性能、風險和技術障礙）等。在創建開發原型的過程中，開發人員要與程序的最終使用人員進行充分的交流。在此基礎上，程序開發人員對所要解決的問題有了大致的了解，甚至可以畫出一個系統的框圖，之后還要進行程序的可行性分析，考慮選用器件的性價比、開發風險等。（2）軟、硬件的選擇。程序開發人員不必擔心操作系統的問題，目前的 labview是一個支持多個系統平臺的軟件，windows、power macintosh、sun sparca 工作站、hp 工作站、li

33、nux 上都可以運行。針對一些特殊的任務，labview 還提供一些附加的工具包，非常方便。選擇適當的工具包將會達到事半功倍的效果。在 labview 的設備驅動程序庫中已經包含了上千個免費的驅動程序（這些驅動程序支持 ni 公司的硬件產品） ，還包括了世界上各大儀器廠商的大部分儀器的 labview 驅動程序。如果沒有現成的驅動程序，用戶也可以自己編寫。（3）設計用戶界面。 用戶界面也稱 gui，即 graphical user interface。前面板必須簡潔、易懂、設計時應該滿足復雜工作要求。前面板上使用的顏色方案，要兼顧一致和鮮明。一致性包括：一個 vi 程序的 gui 之間要保持一

34、致；vi 的 gui 要與平時大家用的應用程序色調一致。鮮明就是說：需要強調的部分一定要用顏色加以突出，體現測控系統程序的特點，減少用戶操作過程中犯錯誤機會。（4）程序設計。拿到一個設計任務后，首先要分解任務，把待設計任務分割成幾個大的模塊，然后把大的模塊再分解為一系列的功能，甚至可以分解到要用那些函數的程度；然后是尋求例程，參考例程可以避免重復前人做過的工作；接下來就是根據項目的特點選擇程序設計方法，自上而下或者自下而上。（5）程序測試。測試過程是項目開發的重要組成部分。測試應該從底層的 vi 開始，然后再測試較大的模塊，最后進行整體測試。測試中還要特別關注全局變量對程基于 labview

35、的虛擬示波器設計14序的影響。此外，局部變量和屬性節點也要引起注意。對于高級程序員來說，還要考慮程序的性能如何，能否滿足速度與響應的要求以及內存的使用情況。2.22.2 數據采集基礎知識數據采集基礎知識在計算機廣泛應用的今天，數據采集的重要性是十分顯著的。它是計算機與外部物理世界連接的橋梁。各種類型信號采集的難易程度差別很大。實際采集時，噪聲也可能帶來一些麻煩。數據采集時，有一些基本原理要注意，還有更多的實際的問題要解決。所有的控制都是建立在數據采集的基礎上的，沒有數據采集就沒有控制。數據的采集是一切控制的基礎。所以在此做數據采集基礎的講解。2.2.1 采樣定理采樣定理采樣：把在時間上是連續的

36、輸入模擬信號 ui 轉換成在時間上是斷續的信號，輸出脈沖波的包絡仍反映輸入信號幅度的大小。取樣定理，采樣信號的頻率 fs 和輸入模擬信號的最高頻率 fimax 之間必須滿足下述條件: fs2fimax 因為每次把取樣電壓轉換為相應的數字量都需要一定的時間，所以在每次取樣以后，必須把取樣電壓保持一段時間。在用數字量表示取樣電壓時，也必須把它化成這個最小數量單位的整倍數，這個轉化過程就叫做量化。所規定的最小數量單位叫做量化單位，用 s 表示。 量化。把輸出數字量為 1 時對應的輸入模擬電壓稱為量化單元，記做。當輸出數字量為 d 時，對應的輸入模擬電壓應為 d ，即量化單元的整數倍。因此，對于任意輸

37、入模擬電壓, 首先 應把它量化為 的整數倍。這就是量化。本科生畢業論文15編碼是把量化的數值用二進制代碼表示。把編碼后的二進制代碼輸出就得到a/d 轉換的輸出信號，對同一正弦波，若 s 越小，誤差將越小，編碼時所需二進制代碼的位數就越多，對器件要求也越高。量化和編碼是在同一個電路中完成的。下圖說明了兩種量化方法： 圖圖 2.5 兩種量化兩種量化量化誤差 量化誤差/2 當輸入電壓不為的整數倍時，必然產生誤差，稱為量化誤差。輸入為雙極性時：輸出一般采用二進制補碼表示。可用圖 2.6 表示：符號位符號位二二進進制制補補碼碼基于 labview 的虛擬示波器設計16 圖圖 2.6 二進制補碼表示法二進

38、制補碼表示法ad 采樣時必須滿足采樣定理。香農采樣定理給出了低通型帶限信號的最低采樣頻率，即采樣頻率 fs 必須大于被測信號最高頻率的兩倍，采樣后的信號才不會出現混頻現象。帶通信號采樣定理要求采樣頻率 fs 滿足不等式：2fhnfs2fl（n1） （其中 fh 為帶通信號的頻率上限，fl 為帶通信號的頻率下限。 ）多個帶通信號的欠采樣方法及其應用解決了多個射頻信號直接帶通采樣問題和寬帶數字下變頻的高效實現問題。對于含有無窮高次諧波的信號，在一定條件下，可以用有限采樣頻率進行采樣，而信號不會出現失真。采樣定理的出發點是從采樣數據中能夠完全恢復原始信號。在大多數情況下，人們感興趣的是從采樣信號中恢

39、復有用的信號。對于正弦信號干擾下的帶通信號，如何無混疊地進行測量是一個有待解決的問題。 幾乎所有的測量、控制或通訊信號都會不同程度地受到其它信號的干擾，特別是電網產生的工頻干擾。這種帶有干擾的有效信號（低通或帶通） ，它除了含有有效的帶限信號頻譜外，在干擾信號頻率點 f0 處有一單一頻率的譜線，即含有工頻周期干擾信號的頻譜。很顯然已有的采樣定理還沒有很好地回答這個問題。如果依據香農定理對信號進行采樣沒有問題，但是代價也許比較大，如必須使用高速 ad 轉換器等。為了滿足采樣定理，一般情況下，人們總是采取隔離、屏蔽等措施，并在采樣前加上一級模擬低通或帶阻濾波器以削弱工頻干擾的影響。盡管如此，采樣得

40、到的信號有時候仍然含有一定的工頻干擾成分。本科生畢業論文172.2.2 模擬信號與數字信號模擬信號與數字信號 模擬信號：在幅值、時間上均可連續發生變化的信號稱為模擬信號。普通模擬信號指的是電子模擬信號可連續發生變化的電壓或電流。在理想條件下模擬信號可以精確的表示它所代表的物理量，也就是說它喲無限高的分辨率。實際上每個信號總要疊加上噪音，這就使模擬信號的精度受到限制。數字信號：數字信號無論在時間上還是幅值上都不能連續發生變化，即都經過了“量化” 。可見數字信號只能表示有限種可能狀態，它的分辨率是有限的，由數字位數決定。2.2.3 a/d 轉換技術轉換技術1、a/d 轉換的基本原理在 a/d 轉換

41、器中，由于輸入模擬信號在時間上是連續的，而輸出數字信號是離散的，所以轉換只能在一系列選定的瞬間對輸入模擬信號采樣，然后再把這些采樣值轉換成輸出數字量。a/d 轉換的基本步驟：采樣（取樣） ；保持；量化；編碼。如圖 2.7 所示。基于 labview 的虛擬示波器設計18 圖圖 2.7 采采 樣樣取樣定理：為保證從取樣信號恢復被取樣信號，必須滿足sff2(max)i（在實際的取樣保持電路中有一個取樣控制信號，它的頻率就是取樣信號頻率。 ）顯然要滿足 ：(max)(max)(max)2isiisfffff取樣保持電路l為高電平時，場效應管 t 導通,進行取樣ifiorrl為低電平時，t 截止。取樣

42、電容 ch 上的電荷無泄放回路，將保持。模擬信號要經過采樣、量化過程才能轉化為數字信號。對 a/d 轉換器來說，出采樣、量化外還要進行編碼。正因為這樣，有時又把 a/d 轉換器叫做編碼器。一個理想的 a/d 轉換器的輸入、輸出關系可用下式表示： d( a1+a2+a3+an)vr=dvr式中的 d 是轉換器的數字輸出，vr 為基準電壓。式中使用了近似符號是因為a/d 轉換過程中不可避免的存在量化誤差。a/d 轉換器的應用范圍廣，發展迅速。轉換器的種類繁多，分類方法也不統一。如可按轉換速度分類，也可按轉換精度、轉換位數、轉換原理等進行分類。目前較普遍的是按比較原理進行分類。按這樣分類法 a/d

43、轉換可分為三大類：直接比較型，間接比較型和復合型。本科生畢業論文19直接比較型 a/d 轉換的具體形式多種多樣，下面介紹幾種形式。（一）逐次比較反饋編碼型 a/d 轉換這種模型類似一架自動“電壓天平” ，其“砝碼”是一組不都量值的參考電壓。轉換相當于“稱量”電壓的試碼過程。試碼是從最高（權）砝碼開始到最低（權）砝碼依次逐一進行，最低砝碼試畢轉換結束。試碼過程中，每次加碼是保持還是撤掉，要由加碼后天平的失衡狀況來決定。最后保留的砝碼總和即為轉換結果。圖 2.8 所示為逐次比較反饋編碼型 a/d 轉換的原理框圖，其主要由比較環節、控制環節、比較基準及累積三大部分構成。各環節構成了一個負反饋閉環系統

44、。 圖圖 2.8 逐次比較反饋編碼型逐次比較反饋編碼型 a/d 轉換轉換比較環節：鑒別各步試碼狀態，決定新加碼的“取”或“舍” 。但 vx0 時，若v=vx-vf0 則加碼保持，編碼器計為 1；若v=vx-vf0 則加碼撤掉，編碼器計為 0。比較基準：提供各級砝碼，進行試碼累計（加碼累計） ?？刂骗h節：協調個單元動作完成轉換。逐次比較型 a/d 轉換的特點：基于 labview 的虛擬示波器設計20（1）轉換速度高。轉換過程試碼是按權躍變進行的，每一個十進位只要四個節拍即可完成試碼。（2）轉換精度高。轉換精度主要是由 a/d 轉換器的精度決定。通常 d/a 轉換器容易獲得高精度，從而這種形式的

45、 a/d 轉換的精度較高。初看起來只要增加d/a 轉換器的位數，就可以提高逐次比較型的精度，事實上由于這種形式的轉換抗干擾能力低以及電路結構等方面的原因，目前一般只達到五位讀數，實際精不夠高。（3）轉換的控制方式及線路復雜，使用元件較多。逐次比較反饋編碼型 a/d 轉換盡管存在著不可忽視的缺點，但是由于它具有一定的優越的性能還是獲得廣泛的應用。（二）線性電壓比較型 a/d 轉換線性電壓比較型 a/d 轉換中，用作比較 的參考電壓 vr 是一個線性增長（或下降）的斜變電壓（鋸齒波電壓） ，因此這種轉換又叫做斜坡型，單斜（單積分）型 a/d 轉換它雖然也是通過兩個電壓直接比較對輸入電壓進行測量轉換

46、，但是與逐次比較反饋編碼技術不同，不是在比較測量過程中直接進行量化和編碼，而是通過中間量時間間隔間接進行的。從轉換的角度看這是一種間接轉換，或者更確切地說是直接比較間接轉換。它具有直接比較型轉換的共同特點瞬時值轉換。線性電壓比較型 a/d 轉換器的原理圖，如圖 2.9 所示。本科生畢業論文21 圖圖 2.9 線性電壓比較型線性電壓比較型 a/d 轉換器的轉換器的原理圖原理圖比較器對輸入電壓和參考電壓 vr 進行比較，并通過門控電路控制計數器門。線性電壓發生器輸出線性斜變的參考電壓 vr vr=kt（三）階梯波電壓比較型 a/d 轉換這種方式與線性電壓比較型的轉換原理相同，差別僅在于用等增量的階

47、梯波電壓代替線性增長的斜坡電壓作為比較基準。這種技術又叫做數字斜坡技術。轉換原理圖如圖 2.10 所示： 圖圖 2.10 階梯波電壓比較型階梯波電壓比較型a/d 轉換轉換2、a/d 轉換器的主要技術指標 （1）分辨率 基于 labview 的虛擬示波器設計22分辨率說明 a/d 轉換器對輸入信號的分辨能力。 一般以輸出二進制（或十進制）數的位數表示。因為，在最大輸入電壓一定時，輸出位數愈多，量化單位愈小，分辨率愈高。轉換誤差它表示 a/d 轉換器實際輸出的數字量和理論上的輸出數字量之間的差別。常用最低有效位的倍數表示。例如，相對誤差lsb/2，就表明實際輸出的數字量和理論上應得到的輸出數字量之

48、間的誤差小于最低位的半個字。（2）轉換速度轉換速度可用轉換時間表示,指從轉換控制信號到來開始，到輸出端得到穩定的數字信號所經過的時間。并行比較 a/d 轉換器轉換速度最高；逐次比較型 a/d 轉換器次之；間接 a/d轉換器的速度最慢。2.2.4 d/a 轉化技術轉化技術d/a 轉換是將輸入的數碼轉換成相應的模擬量輸出，起到解碼作用，故又稱為譯碼或解碼器。1 1、 d/ad/a 轉換器。轉換器。（一） 、權電阻網絡 d/a 轉換器1.原理，如圖 2.11 所示。本科生畢業論文23圖圖 2.11 權電阻網絡權電阻網絡 d/a 轉換器轉換器由四部分組成：權電阻網絡；求和放大器；模擬開關；參考電源；任

49、務：求出輸出模擬電壓與輸入數字量 d3d2d1d0 間的關系。irfo)(0123iiiirf)2222(230211203ddddrvrref )2222(2001122334ddddvref)2222(200112211ddddvnnnnnrefo dvnref22.特點：1.電阻數量少，結構簡單；2.電阻種類多，差別大，不易集成。（二） 、倒 t 型電阻網絡 d/a 轉換器，如圖 2.12 所示。基于 labview 的虛擬示波器設計24圖圖 2.12 倒倒 t 型電阻網絡型電阻網絡 d/a 轉換器轉換器1. 電阻網絡特點：模擬開關 si 不論接何位置，都相當于接地。任意節點向左看的等效

50、電阻皆為r。2.電路特點：電阻種類少，便于集成；開關切換時，各點電位不變。因此，速度快。（三） 、權電流型 d/a 轉換器如圖 2.13 所示，在權電阻網絡 d/a 轉換器和倒 t 型電阻網絡 d/a 轉換器中，若模擬開關不是理想開關，其導通電阻和導通壓降將影響轉換精度。權電流型d/a 轉換器可解決這一問題。本科生畢業論文25 圖圖 2.13 權電流型權電流型 d/a 轉換器轉換器fori)(02122232432ddddriiiif)2222(2001122334ddddirf電阻 rei 的種類多。因此，經常用倒 t 型電阻網絡的分流作用來實現。2 2、 d/ad/a 轉換器的轉換精度與轉

51、換速度轉換器的轉換精度與轉換速度1）轉換精度通常用分辨率和轉換誤差來描述。分辨率：輸出模擬電壓應能區分 02n-1 共 2n 個輸入數字量。表示方法：（1)用輸入二進制數的位數表示；如 8 位。(2)用輸出模擬電壓的最小值與最大值的比值表示。nrefv2：) 12(2nnrefv=121n2）轉換誤差：由于電路各部分都有誤差，還要給出誤差來表示實際能達到的轉換精度。轉換誤差有時也稱為線性誤差。它表示實際的 d/a 轉換特性和理想轉換特性之間的最大偏差。轉換誤差的表示形式：（1）最低有效位的倍數。如：1lsb?；?labview 的虛擬示波器設計26（2）輸出電壓滿刻度 fsr(full sc

52、ale range)的百分數。如：0.1fsr。3）轉換誤差分析d/a 轉換器的四個組成部分，均可引起轉換誤差。但具有不同的特點。(1)參考電源引起的誤差稱為比例系數誤差。odvnref2(2)運放零點漂移引起的誤差稱為漂移誤差或平移誤差。(3)模擬開關的導通內阻和導通壓降以及電阻網絡中電阻的偏差引起的誤差稱為非線性誤差。非線性誤差有時導致轉換特性局部非單調性，從而引起系統不穩定。4）轉換速度用完成一次轉換所需的時間建立時間 tset來衡量。建立時間：從輸入信號變化開始到輸出電壓進入與穩態值相差 1/2lsb 范圍以內的時間。輸入信號由全 0 變為全 1 所需時間最長。不包含運放的 dac 建

53、立時間可達 0.1 。外接運放時，轉換時間還應加上運放的上升（下降）時間。rstrsvtt(max)0(max)其中：(max)trt為轉換時間，st為建立時間，sr 為運放輸出轉換速率。本科生畢業論文272.3 pci6221 數據采集卡慨述數據采集卡慨述ni pci-6221 是 ni 公司的 m 系列多功能數據采集卡，采用的是一個 a/d 轉換器，雖然是多路采集，實際上是分時工作的，所有在多路同時工作時采樣率會成倍降低。該板卡的主要性能如下： 16 路模擬信號輸入通道，采樣率為 250ks/s，輸入范圍為-10v+10v； 2 路模擬量輸出通道，分辨率為 16 位； 24 路數字 i/o

54、，數字觸發； 2 個 32 位定時計數器； ni-daqmx 測試軟件和硬件配置支持； ni-mcal 校準支持； nist 校準證書和多于 70 多種的信號調理模塊選擇。它有如下方便的性能：（1）即插即用功能pci6221 完全符合 pci 規格 rev2.1 標準，支持即插即用。在安裝插卡時，用戶不需要設置任何跳線和 dip 撥碼開關。實際上，所有與總線相關的配置，比如基地址、中斷，均由即插即用功能完成。（2）單端或差分混合的模擬量輸入pci6221 有一個自動通道/增益掃描電路。該電路能代替軟件控制采樣期間多路開關的切換。卡上的 sram 存儲了每個通道不同的增益值及配置。這種設計能讓您

55、對不同通道使用不同增益，并自由組合單端和差分輸入來完成多通道的高速采樣?；?labview 的虛擬示波器設計28（3） 卡上 fifo(先入先出)存儲器pci6221 卡上有一個 fifo 緩沖器,它能存儲 4k 的 a/d 采樣值。當 fifo 半滿時，pci6221 會產生一個中斷。該特性提供了連續高速的數據輸入及 windows 下更可靠的性能。（4）卡上可編程計數器pci6221 提供了可編程的計數器，用于為 a/d 變換提供可觸發脈沖。計數器芯片為 82c54 或與其兼容的芯片，它包含了三個 16 位的 10mhz 時鐘的計數器。其中有一個計數器作為事件計數器，用于對輸入通道的事件

56、進行計數。另外兩個級聯在一起，用作脈沖觸發的 32 位定時器。（5） 用于降低噪聲的特殊屏蔽電纜pcl-10168 屏蔽電纜是專門為 pci6221 所設計的，它用來降低模 2pci6221 快速安裝使用手冊擬信號的輸入噪聲。該電纜采用雙絞線，并且模擬信號線和數字信號線是分開屏蔽的。這樣能使信號間的交叉干擾降到最小，并使 emi/emc 問題得到了最終的解決。2.4 安裝與測試安裝與測試軟件的安裝： 第一步：將啟動光盤插入光驅； 第二步：安裝執行程序將會自動啟動安裝 。本科生畢業論文29注意：如果您的計算機沒有啟用自動安裝，可在 h：盤文件中點擊 setup.exe文件啟動安裝程。第三步: 點

57、擊 continue,出現圖 3.2 界面: 圖圖 3.2 驅動安裝驅動安裝第四步:選擇點擊您所安裝的板卡型號,然后按照提示就可一步一步完成驅動程序的安裝。 2.4.1 硬件的安裝硬件的安裝第一步：關掉計算機，將您的板卡插入到計算機后面空閑的 pci 插槽中 （ 注意：在您手持板卡之前觸摸一下計算機的金屬機箱殼以免手上的靜電損壞板卡。 ） 第二步：檢查板卡是否安裝正確，可以通過右擊“我的電腦”，點擊“屬性”，彈出 “系統屬性”框；選中“硬件”頁面，點擊“設備管理器”；將彈出畫面，如圖3.3 所示：從圖中可以看到板卡已經成功安裝。 基于 labview 的虛擬示波器設計30 圖圖 3.3 硬件檢

58、測圖硬件檢測圖第三步：從開始菜單/程序/advantech device driver v2.1/ advantech device manager,打開 advantech device manager。 計算機上已經安裝好某個產品的驅動程序后，它前面將沒有紅色叉號, 說明驅動程序已經安裝成功。pci 總線的板卡插好后計算機操作系統會自動識別，device manager 在 installed devices 欄中 my computer 下也會自動顯示出所插入的器件，這一點和 isa 總線的板卡不同，如上圖所示。 點擊“setup”彈出下圖，可設置模擬輸入通道是單端輸入或是差分輸入以及兩

59、個模擬輸出通道 d/a 轉換的參考電壓。設置完成后點擊“ok”即可。 到此，pci6221 數據采集卡的軟件和硬件已經安裝完畢,可進行板卡測試。2.4.2 測試測試（1）模擬輸出功能測試 在測試界面中點擊模擬輸出標簽，彈出圖 3.4 所示界面。本科生畢業論文31圖圖 3.4 模擬輸出功能測試模擬輸出功能測試個模擬輸出通道可以通過軟件設置選擇輸出正弦波、三角波、方波，您也可以設置輸出波頻率以及輸出電壓幅值。例如，要使通道 0 輸出 4.5v 電壓，在“manual output”中設置輸出值為 4.5v，點擊“out”按紐，即可在管腳 ao0_out 與ao_gnd 之間輸出 4.5v 電壓，這

60、個值可用萬用表測得。 （2）數字量輸入功能測試 在測試界面中點擊數字量輸入標簽，彈出圖 3.5 所示界面。圖圖 3.5 數字量輸入功能測試數字量輸入功能測試用戶可以方便地通過數字量輸入通道指示燈的顏色，得到相應數字量輸入通道輸入的是低電平還是高電平（紅色為高，綠色為低） 。例如，將通道 0 對應管腳基于 labview 的虛擬示波器設計32di0 與數字地 dgnd 短接，則通道 0 對應的狀態指示燈(bit0)變綠，在 di0 與數字地之間接入+5v 電壓，則指示燈變紅。 （注：其它功能的測試就不再做介紹）2.5 信號連接信號連接 2.5.1 管腳圖管腳圖pci6221 的管腳圖如圖 3.6