虚拟仪器设计报告完整版.docx
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虚拟仪器设计报告完整版
目录
第一章
1.1虚拟仪器的概念...............................................................................................
(2)
1.2虚拟仪器的结构及优...........................................................................................(3)
1.3虚拟仪器的现状及发展趋势.............................................................................(4)
1.4虚拟仪器的开发平台—LABVIEW...................................................................(5)
1.5本课题研究的意义...........................................................................................(5)
第二章虚拟仪器的系统构造............................................................................(6)
2.1认识声卡.............................................................................................................(6)
2.2虚拟示波器的系统构造.....................................................................................(6)
2.2.1虚拟示波器的原理......................................................................................(6)
2.2.2虚拟示波器功能设计..................................................................................(7)
2.3虚拟信号源的系统构造.....................................................................................(8)
2.3.1虚拟信号源的原理......................................................................................(8)
2.3.2虚拟信号源的功能设计..............................................................................(8)
第三章仪器的设计与实现................................................................................(8)
3.1虚拟示波器的软件设计实现.............................................................................(8)
3.1.1声音信号采集模块......................................................................................(9)
3.1.2参数测量模块..............................................................................................(9)
3.1.3数据存取模块..............................................................................................(9)
3.1.4波形显示模块..............................................................................................(10)
3.1.5虚拟示波器总体程序代码..........................................................................(10)
3.2虚拟信号源的软件设计实现.............................................................................(11)
3.2.1波形生成模块............................................................................................(11)
3.2.2声音输出模块............................................................................................(11)
3.2.3信号源总体程序代码..................................................................................(12)
3.3仪器用户面板及功能.........................................................................................(12)
第四章系统测试................................................................................................(13)
4.1仪器的主要功能及性能指标.............................................................................(13)
4.2数据采集和波形显示模块测试.........................................................................(13)
4.3参数测量模块测试.............................................................................................(14)
4.4波形生成模块测试.............................................................................................(14)
4.5系统测试结果...................................................................................................(15)
第五章结论与展望............................................................................................(15)
参考文献......................................................................................................................(16)
第一章
1.1虚拟仪器的概念
1.虚拟仪器的定义
传统仪器:
特定功能和仪器外观
虚拟仪器:
是一种以计算机和测试模块的硬件为基础、以计算机软件为核心所构成的,并且在计算机显示屏幕上虚拟的仪器面板,以及由计算机所完成的仪器功能,都可由用户软件来定义的计算机仪器。
2.虚拟仪器的特点
从虚拟仪器的组成结构上来看:
(1)虚拟仪器的硬件是通用的(包括通用计算机硬件平台和通用的测量功能硬件);
(2)良好的人机界面。
虚拟仪器的面板(或称软面板)是虚拟的(通过“控件”虚拟出面板);
(3)功能强。
虚拟仪器的功能是由用户软件定义的。
(4)虚拟仪器之“虚拟”含义:
虚拟仪器面板;
软件实现仪器功能。
如:
基于高速数据采集硬件,通过计算机软件编程可实现“虚拟示波器”、“虚拟频谱仪”、“虚拟交流数字电压表”、“虚拟频率计”、“虚拟相位计”等不同仪器。
(5)因此,软件是虚拟仪器的核心,NI提出“软件即仪器”(Thesoftwareistheinstrument)。
(6)
1.2虚拟仪器的结构及优点
1.虚拟仪器系统组成及各部分基本功能
(1)虚拟仪器的系统构成
硬件和软件两大部分构成。
硬件是基础,软件是核心。
(2)各部分基本功能
虚拟仪器的内部功能,可划分为信号采集与控制、数据分析与处理、结果表示与输出三大功能模块。
信号采集与控制主要由虚拟仪器的通用硬件平台,并配合仪器驱动程序共同完成,而数据分析与处理、结果表达与输出则主要由用户应用软件完成。
2.虚拟仪器通用硬件平台的构成形式
通常为带有某种标准总线接口的各种测试设备(分立式或模块式仪器),主要有PC总线的数据采集模块(PC-DAQ)、GPIB总线仪器、VXI总线仪器模块、PXI总线仪器模块、RS-232串口、USB接口仪器等类型,或多种类型的组合。
3.虚拟仪器的软件结构
虚拟仪器系统的软件结构包括I/O接口软件、仪器驱动程序和应用软件三部分。
与传统仪器相比,虚拟仪器技术特点:
(1)功能强、性价比高、开放性(可扩充性)好;
充分利用计算机丰富的软硬资源。
仪器功能可通过软件灵活设计(基于相同的硬件,通过软件设计可实现不同的虚拟仪器)。
仪器升级方便,性价比高(一机多用)。
基于计算机网络技术,可实现“网络化虚拟仪器”。
(2)操作方便;
通过图形用户界面(GUI)操作虚拟仪器面板。
(3)硬件模块化、系列化;
基于仪器总线技术,设计出模块化、系列化硬件。
1.3虚拟仪器的现状及发展趋势
1.虚拟仪器形成的背景
(1)电子测量仪器(ElectronicInstruments)及自动测试系统(AutomaticTestSystem,ATS)的发展
(2)虚拟仪器是技术发展的结果
计算机技术、软件技术、总线技术、网络技术、微电子技术的发展,及其在电子测量技术与仪器领域中的应用,使新测试理论、测试方法、测试技术不断出现,仪器与系统的结构不断推陈出新,电子测量仪器及自动测试系统的结构也发生了质的变化,功能与性能得到不断提高。
计算机(PC机)处于核心地位,计算机软件技术和仪器与测试系统更紧密结合成了一个有机整体。
在上述的背景下,提出了全新概念的仪器——虚拟仪器。
1986年,美国国家仪器公司(NI,NationalInstrument)提出了虚拟仪器(VirtualInstrumentation)的概念。
1990年代,虚拟仪器得到业界广泛认可和应用,相继推出了基于GPIB总线(GeneralPurposeInterfaceBus)、PC-DAQ(DataAcquisition)和VXI总线(VMEbuseXtensionforInstrumentation,1987年)、PXI总线(PCIeXtensionforInstrumentation,1997年)等多种虚拟仪器系统。
虚拟仪器软件采用面向对象和可视化编程技术。
底层驱动和上层应用软件融为一体。
虚拟仪器软件的标准化:
VPP(VXI即插即用,VXIplug&play,1993年)和VISA(VirtualInstrumentSoftwareArchitecture,虚拟仪器软件体系结构)。
IVI(InterchangeableVirtualInstruments,可互换式虚拟仪器,1997年)。
(3)虚拟仪器技术的发展与展望
虚拟仪器技术是计算机技术与测试技术相结合的产物。
多门学科多种技术的融合,如测试技术、计算机技术、软件技术、数字信号处理、总线与接口、网络与通信、传感技术、光电技术、微机械技术等。
(1)新的总线技术的应用(如HS488,1394b等)。
(2)速度不断提高。
(3)智能化、模块化、集成化是硬件发展的主流。
(4)软件技术。
第一是软件标准化问题;第二是如何利用各种软件开发环境及工具,编制出符合标准的应用软件。
(5)网络化仪器系统。
(6)应用范围更加广泛。
1.4虚拟仪器的开发平台—LABVIEW8.5
LabVIEW软件简介
LabVIEW软件是使用最早最广的虚拟仪器软件开发平台,它继承了传统的编程语言中的结构化和模块化特点,采用32位编译型图形化编程语言.能完成一般的数学运算和输入输出功能,具有专门用于数据采集与仪器控制的库函数和开发工具,尤其还带有专业的工具包.LabVIEW软件包给用户提供设计虚拟仪器的工作环境,包括前面板和流程图,同时还提供丰富的直观的调试工具,集开发、调试与运行于一体.这为不熟悉文本式语言编程的设计者在测控领域建立计算机仪器系统提供了一个极为便捷、轻松的图形化设计环境.在国际测控领域LabVIEW普及率已超过了39%。
(1)LabVIEW中相关声卡操作函数简介:
SIConfig节点用于设置声卡的参数和数字声音格式,如缓存区大小、采样速率、采样通道数(单通道或双通道)、样本位数(8bits或16bits)。
本文虚拟示波器用双通道采集数据,缓存区大小为32768bytes,样本位数为16bits。
SIStart节点驱动声卡开始采集数据
SIRead节点从缓冲区读取数据。
根据不同的数字声音格式,读取相应数据格式的数组。
SIStop节点停止采集数据
SIClear节点释放声卡占用的计算机资源
从LabVIEW8.0起,LabVIEW中增加了许多EXPRESS的函数,省去了过去我们采用循环结构采集数据的烦恼,其中也有有关声卡采集数据的函数,如图:
直接双击它,就可以在里面配置各种采集数据时的相关参数了。
1.5本课题研究的意义
虚拟仪器设计已经成为测试与仪器技术发展的一个重要方向。
随着高速A/D芯片和电路的进一步集成化,可以设想在不远的将来,一台安装有虚拟仪器软件的标准微机成为一个多功能的测量仪器站,从根本上改变目前专用仪器的研制和生产方式,具有广阔的应用前景和巨大的潜在经济效益。
第二章虚拟仪器的系统构
2.1认识声卡
【1】声卡的作用
声卡的主要功能包括录制与播放,编辑与合成处理MIDI接口3个部分
【2】声卡的主要技术参数
(1)彩样的位数
采样位数可以理解为声卡处理声音的解析度。
这个数值越大,解析度就越高,录制和回放的声音就越真实。
声卡的位是指声卡在采集和播放声音文件时所使用的数字声音信号的二进制位数,它客观地反映了数字声音信号对输入声音信号的描述的准确程度。
(2)采样频率
目前,声卡的最高采样率是44.1KHz,少数达48KHz。
对于民用声卡,一般将采样频率设为4档,分别是44.1KHz,22.05KHz,11.025KHz和8KHz。
22.05KHz只能达到FM广播的音乐品质;44.1KHz是理论上的CD音质界限,48KHz则更好一些。
对20KHz范围内的音频信号,最高的采样频率才48KHz,虽然理论上没问题,但似乎余量不大。
使用声卡比较大的局限性在于,它不允许用户在最高采样频率之下随意设定采样频率,而只能分4档设定。
这样虽然可使制造成本降低,但却不便于使用。
用户基本上不可能控制整周期采样,只能通过信号处理的方法来弥补非整周期采样带来的问题。
(3)缓冲区
与一般的数据采集卡不同,声卡面临的D/A和A/D任务通常都是连续状态的。
为了节省CPU资源,计算机的CPU并不是在每次声卡D/A或A/D结束后都要响应一次中断,而是采用了缓冲区的工作方式。
在这用工作方式下,声卡的D/A,A/D都对某一缓冲区进行操作。
以输入声音的A/D变换为例,每次转换完毕后,声卡控制芯片都将数据存放在缓冲区中,待缓冲区满时,发出中断给CPU,CPU响应中断后一次性将缓冲区内的数据全部读走。
计算机总线的数据传输速率非常高,读取缓冲区数据所用的时间极短,不会影响A/D变换的连续性。
缓冲区的工作方式大大降低了CPU响应中断的频率,节省了系统的资源。
一般声卡使用的缓冲区长度的默认指是8KB。
这是由于对处理器来说,在保护模式下,内存以8KB为单位被分成很多页,对内存的任何访问都是按页进行的,CPU保证了在读写8KB长度的内存缓冲区时,速度足够快,并且一般不会被其他外来事件打断。
设置8192字节或其整倍数大小的缓冲区,可以较好地保证声卡与CPU的协调工作。
2.2虚拟示波器的系统构造
2.2.1虚拟示波器的原理
衰减器:
因为声卡输入的电压不能超过1V,故需要外加接口电路(衰减器)将信号将比例缩小,故采用比例运算电路,在同相和反相两种比例运算电路中,同相比例运算电路只能将电压信号放大,而反相比例运算电路可将电压信号缩小,但反相比例运算电路的输入阻抗较小,不符合示波器的基本原则,而同相比例运算电路又正好具有高输入阻抗,故采用两种比例运算电路混合的电路,电路图如下:
由公式可得出,输入信号都缩小为原来的1/10进入了声卡的采集,并且信号反相,通过程序中的相应模块,可将信号还原,在labview中显示出来。
输入信道:
pc机的麦克风接口
A/D变换:
由电脑的声卡完成
数据处理:
由labview中的各种功能模块实现,例如参数测量,波形显示等。
2.2.2虚拟示波器功能设计
主要功能:
有传统示波器的基本功能,包括参数测量,波形显示,扫描速率,垂直灵敏度以及数据存取等。
参数测量:
通过labview中的信号测量模块,测出并显示信号的周期,频率,极大极小值,有效值,占空比(方波)等。
波形显示:
由示波模块将采集的信号数据还原显示为原始波形。
扫描速率:
对不同频率的信号设置不同的扫描速率方便观察信号波形,判断有无失真等。
垂直灵敏度:
使波形在Y轴上下收缩,便于观察波形。
数据存取:
应用相关模块将测量数据写入计算机或者读取信号数据。
2.3虚拟信号源的系统构造
2.3.1虚拟信号源的原理
波形产生:
labview中提供了各种波形发生模块,通过条件结构选择信号类型,并设置信号参数。
声音输出配置:
调用模块设置声音输出格式。
写入声音输出:
调用labview中的声音输出模块,将信号传到声卡中进行D/A变换。
输出信道:
通过耳机接口将信号输出。
2.3.2虚拟信号源的功能设计
本仪器功能主要包括四类函数信号---正弦波、方波、三角波、锯齿波的输出,频率的倍乘与微调相结合,以及实现输出波形的电压幅度的控制等功能。
具体指标如如表1所示:
输出波形
四种波形:
方波、正弦三角波、锯齿波任意选择
输出频率范围
0.1~1KHz
方波占空比
0~100%
输出波形幅度
0~2V
表1虚拟函数信号发生器性能指标
第三章仪器的设计与实现
3.1虚拟示波器的软件设计实现
3.1.1声音信号采集模块
配置声音输入
配置一个声音输入设备,采集数据,将数据发送到缓存。
使用“读取声音输入”VI读取数据。
读取声音输入
从声音输入设备读取数据。
可设置每通道采样数,任务ID。
3.1.2参数测量模块
统计模块和信号的时间与瞬态特性测量
统计模块测量信号的平均值,极大极小值和有效值,信号的时间与瞬态特性测量测量信号的周期频率以及方波的占空比。
3.1.3数据存取模块
写入测量文件模块和读取测量文件模块分别实现保存数据和读取数据。
3.1.4波形显示模块
将测量数据送入示波模块进行显示,可对显示的波形属性进行设置,并通过扫描速率和垂直灵敏度改变波形外观。
3.1.5虚拟示波器总体程序代码
图a示波器G代码
3.2虚拟信号源的软件设计实现
3.2.1波形生成模块
四种波形生成模块:
方波,锯齿波,正弦波,三角波
各个模块可以进行频率,幅值,占空比(方波)的设置。
3.2.2声音输出模块
声音配置输出:
设置声音输出格式—采样模式,采样数,任务ID等
写入声音输出:
将数据送至声卡进行播放输出,可以设置任务ID以及延时。
使信号从耳机接口输出。
3.2.3信号源总体程序代码
3.3仪器用户面板及功能
仪器用户面板功能图:
左下为信号源模块部分,其余的为示波器模块部分。
示波器:
左上为波形显示屏,显示屏下面的是声音读取配置设置和数据的存取控制。
左下为波形显示控制的两个部件:
扫描速率和垂直灵敏度。
右上为测量的信号参数结果,右侧有开关和指示灯。
信号源:
左侧为频率调节控制旋钮,下方具有微调按钮。
右侧为声音采样格式设置。
下方为幅值控制,波形选择以及方波占空比。
第四章系统测试
4.1仪器的主要功能及性能指标
功能描述:
仪器主要功能为示波与信号源。
示波部分:
功能
指标
参数测量
频率:
0~20KHZ
幅值0~2V误差《10%
波形显示
无明显失真
数据存取
能准确存入计算机和
从计算机读取数据
信号源部分:
功能
指标
输出波形
四种波形:
方波、正弦三角波、锯齿波任意选择
输出频率范围
0.1~1KHz
方波占空比
0~100%
输出波形幅度
0~2V
4.2数据采集和波形显示模块测试
测试信号
采集功能
波形显示
正弦波:
0.1~2V
10~1000HZ
正常采集
无失真
方波:
0.1~2V10~500HZ
占空比:
0~100%
正常采集
无明显失真
三角波:
0.1V~2V5~1000HZ
正常采集
无明显失真
锯齿波:
0.1V~2V
10~1000HZ
正常采集
无明显失真
当输入各种测试信号时,声卡信号采集模块正常采集,观察波形:
通过改变扫描速率和垂直灵敏度,使观察的波形稳定直观,波形显示正常,无明显失真,与测试信号波形相符。
4.3参数测量模块测试
测试信号幅值
频率占空比
有效值
(v)
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