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(guò)應用程序將通用計算機與功能化硬件結合起來(lái)，用戶(hù)可通過(guò)友好的圖形界面來(lái)操作這臺計算機，就像在操作自己定義、設計的一臺單個(gè)儀器，從而完成對被測試量的采集、分析、判斷、顯示、數據存儲等功能。虛擬儀器是由用戶(hù)定義、自由組合計算機平臺、硬件、軟件以及組成系統所需的附件。而這在由供應商定義、功能固定、獨立的傳統儀器上是做不到的。
2  虛擬儀器的構成
虛擬儀器由硬件和軟件兩部分組成。從構成要素講，虛擬儀器系統是由計算機、應用軟件和儀器硬件組成的。為計算機配置的電子測量?jì)x器硬件模塊是各種傳感器、信號調理器、模擬數字/轉換器(ADC)、數字/模擬轉換器(DAC)、數據采集器(DAQ)等。計算機及其配置的測量?jì)x器硬件模塊組成了虛擬儀器測試硬件平臺的基礎。從構成方式講，有以DAQ板和信號調理部分為硬件來(lái)組成的PC-DAQ測試系統，以GPIB、VXI、串行總線(xiàn)為基礎的現場(chǎng)總線(xiàn)系統等。系統構成如圖1所示。 

圖1  虛擬儀器體系結構圖

無(wú)論哪種虛擬儀器系統，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，再加上應用軟件而構成的。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。與傳統儀器相比，虛擬儀器在智能化程度、處理能力、性?xún)r(jià)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、數字輸入/輸出、定時(shí)和信號處理器等）與用于數據分析、過(guò)程通訊及用戶(hù)圖形界面的軟件有效地結合起來(lái)。由此提出了“軟件就是儀器”的口號。虛擬儀器應用軟件主要有三個(gè)目的：① 提供一個(gè)集成的開(kāi)發(fā)環(huán)境；② 一個(gè)與儀器硬件的高級接口；③ 一個(gè)與虛擬儀器用戶(hù)的接口。在虛擬儀器系統中，計算機可成為一部多功能的智能化的測試系統，除保持計算機原有的一切功能外，還可兼有數字存儲示波器、FFT頻譜分析儀、集成在線(xiàn)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(shí)域、頻域、數據域、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儀器所能比。
本虛擬儀器系統主要用來(lái)實(shí)現數字存儲式示波器和頻譜分析儀等功能。系統的基本工作原理是對模擬信號進(jìn)行數據采集后存入數據文件，根據使用者的不同要求由軟件對數據進(jìn)行相應分析、處理，最終在屏幕上顯示處理結果。
3  通用測試系統工作原理
本套系統的數據采集系統結構如圖2所示。傳感器（或前端采集設備）把物理信號轉換成電信號（電壓或電流），例如熱電偶（溫度/電壓）、微音器（壓強/電壓）等。信號調理裝置能夠對微弱信號進(jìn)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(shí)它還能夠激發(fā)和線(xiàn)性化某些傳感器及其信號。當輸入信號被適當調理后，即可輸給插入式數據采集卡進(jìn)行數字化。同時(shí)它也能產(chǎn)生控制信號。數據采集卡的程序設計依靠驅動(dòng)軟件進(jìn)行了簡(jiǎn)化，因而可以運用傳統語(yǔ)言來(lái)設計（本系統運用VC++6.0直接控制數據采集卡采集數據）。計算機的性能決定了整個(gè)采集過(guò)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(shí)時(shí)采集系統是非常重要的。 

圖2  基于PC-DAQ的數據采集系統結構圖

3.1  硬件部分
系統硬件部分主要由數據采集系統組成。本系統是一個(gè)基于PCI總線(xiàn)的數據采集與處理系統。在軟件界面中設置好增益倍數、采樣頻率、采樣深度等參數后，可以輸入兩路模擬信號，信號經(jīng)過(guò)增益控制電路后，送入低通濾波電路，對高頻噪聲進(jìn)行抑制，再經(jīng)過(guò)采樣保持電路和相互獨立的同步的A/D轉換電路，輸出8bit/Sample的數據且自動(dòng)存入FIFO RAM中，直到采樣結束，FIFO RAM發(fā)出結束信號，通知計算機停止A/D轉換并進(jìn)行讀數據操作。
(1)  前端預處理電路 前端預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處理功能。因為時(shí)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(huì )產(chǎn)生一定的波形失真，但有助于后續的信號分析和處理。
(2)  同步采樣轉換系統 要精確取得信號的幅度值和相位值，就必須采用兩個(gè)相互獨立的通道進(jìn)行采樣，而不能采用普通的多通道ADC芯片，因為這種芯片內部一般只有一組AD轉換核心，而用分時(shí)采樣的辦法使其具有多通道的功能，每個(gè)通道之間必然存在相位差。本系統中每個(gè)通道用一片ADC芯片，兩個(gè)芯片的啟動(dòng)端由同一采樣信號控制，采用軟件啟動(dòng)，采樣頻率可調。
(3)  數據存儲模塊 若采用軟件查詢(xún)的方式進(jìn)行每個(gè)樣點(diǎn)的采集，速度上可能達不到要求，所以采用硬件控制采樣過(guò)程，軟件提供采樣啟動(dòng)及結束信號。
(4)  時(shí)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Ｎ最大要達到約幾萬(wàn)，這里使用一個(gè)16位的分頻器，可由四個(gè)4位計數器級聯(lián)而成。這樣最低采樣頻率可達20M/2¹⁶=0.3KHz，而且能得到２～65536之間可預置的任意分頻采樣時(shí)鐘。
(5)  計算機接口模塊 為通用計算機開(kāi)發(fā)的插卡在工業(yè)控制領(lǐng)域主要采用STD總線(xiàn)以及VME總線(xiàn)，應用于數據處理及一般用途的設計主要采用 ISA 或PCI總線(xiàn)。在PC機方面，從低檔機到高檔機一般都配有ISA總線(xiàn)，而PCI總線(xiàn)一般應用于486以上的機型。相比之下PCI總線(xiàn)的優(yōu)勢主要體現在傳輸速率上，可以達到33Mbps，所以本測試系統接口采用了PCI總線(xiàn)。
3.2  軟件部分
軟件的功能除了設計儀器面板外，最主要的就是進(jìn)行數據分析和處理，并在面板上顯示處理結果。系統軟件部分主要由數據采集模塊、數據分析模塊和數據顯示模塊三部分構成。
  數據采集模塊 負責驅動(dòng)儀器采集模擬信號并進(jìn)行模數轉化，并實(shí)時(shí)監控數據的采集過(guò)程。
  數據分析模塊 對數據采集模塊采集來(lái)的數據進(jìn)行專(zhuān)業(yè)處理，如計算波峰和面積、分析入流和出流時(shí)間等，并能將結果輸出?？商峁┑墓δ苓€有頻譜分析功能（幅頻譜、相頻譜、功率譜等）及各種濾波功能。在測量結果的數據處理、表達模式及其變換方面也做了許多函數庫，建立了數據處理的高級分析庫和開(kāi)發(fā)工具庫，因此本系統可以組建極為復雜的自動(dòng)測試系統。此外，如果輸入模擬信號是一隨機信號的話(huà)，可以用軟件實(shí)現各種相關(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。只要適當增加軟件的功能，系統還可以成為瞬態(tài)信號捕捉儀、波形仿真器等一系列信號分析儀器。對采樣數據進(jìn)行數字濾波處理，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(dòng)濾波等。
  數據顯示模塊 完成數據分析后的顯示，顯示面板可提供用戶(hù)直觀(guān)的曲線(xiàn)圖表等。
由于測試儀器完成的數據處理功能繁雜，要求運算速度要快，所以本軟件系統采用可視化編程語(yǔ)言VC++并配合Matlab軟件仿真，同時(shí)也利用VC++自己開(kāi)發(fā)了一些動(dòng)態(tài)鏈接庫（.dll）和ActiveX控件，增強了軟件系統的可重復使用性。同時(shí)也易于組建、修改及管理。
4  結語(yǔ)
本文運用計算機軟硬件技術(shù)來(lái)組建虛擬儀器，開(kāi)發(fā)了基于PCI總線(xiàn)的虛擬儀器硬件板卡，并運用VC++語(yǔ)言開(kāi)發(fā)了相關(guān)ActiveX控件及數據分析功能動(dòng)態(tài)鏈接庫，最后利用這些自己設計的軟硬件實(shí)現了任意信號發(fā)生器、虛擬示波器、頻譜分析儀等功能，從而證實(shí)了這種開(kāi)發(fā)方法的優(yōu)越性及其實(shí)現途徑的可行性。

參考文獻：
[1]  Ning Jim Q. A component-based software development model[C]. 1996 IEEE, Annual International Computer Software & Applications Conference, 1996,389～394.
[2]  Pasquarette John. Building virtual instruments with OLE controls[J]. Evaluation Engineering, 1996,(2):22～25.
[3]  LabVIEW User Manual.National Instruments Corporation，1996.
[4]  林正盛. 虛擬儀器技術(shù)及其發(fā)展[J]. 國外電子測量技術(shù), 1997,(2)