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徐晓东，吴乃优,韩慧莲，张  伦

1  引言
虚拟仪器（VI-Virtual Instrument）是指通过应用程序将通用计算机与功能化硬件结合起来，用户可通过友好的图形界面来操作这台计算机，就像在操作自己定义、设计的一台单个仪器，从而完成对被测试量的采集、分析、判断、显示、数据存储等功能。虚拟仪器是由用户定义、自由组合计算机平台、硬件、软件以及组成系统所需的附件。而这在由供应商定义、功能固定、独立的传统仪器上是做不到的。
2  虚拟仪器的构成
虚拟仪器由硬件和软件两部分组成。从构成要素讲，虚拟仪器系统是由计算机、应用软件和仪器硬件组成的。为计算机配置的电子测量仪器硬件模块是各种传感器、信号调理器、模拟数字/转换器(ADC)、数字/模拟转换器(DAC)、数据采集器(DAQ)等。计算机及其配置的测量仪器硬件模块组成了虚拟仪器测试硬件平台的基础。从构成方式讲，有以DAQ板和信号调理部分为硬件来组成的PC-DAQ测试系统，以GPIB、VXI、串行总线为基础的现场总线系统等。系统构成如图1所示。 

图1  虚拟仪器体系结构图

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各种计算机平台上，再加上应用软件而构成的。因而，虚拟仪器的发展已经与计算机技术的发展完全同步。与传统仪器相比，虚拟仪器在智能化程度、处理能力、性价比、可操作性等方面都具有明显的优势。仪器技术和计算机技术的深层次的结合创造了虚拟仪器的概念，将计算机资源（处理器、存储器、显示器等）和通用仪器硬件（A/D、D/A变换器、数字输入/输出、定时和信号处理器等）与用于数据分析、过程通讯及用户图形界面的软件有效地结合起来。由此提出了“软件就是仪器”的口号。虚拟仪器应用软件主要有三个目的：① 提供一个集成的开发环境；② 一个与仪器硬件的高级接口；③ 一个与虚拟仪器用户的接口。在虚拟仪器系统中，计算机可成为一部多功能的智能化的测试系统，除保持计算机原有的一切功能外，还可兼有数字存储示波器、FFT频谱分析仪、集成在线测试仪、智能信号发生器、逻辑分析仪及高精度频率计等功能，使计算机在时域、频域、数据域、IC测试及信号产生、信号分析方面的功能大大扩展，其测试功能已非传统仪器所能比。
本虚拟仪器系统主要用来实现数字存储式示波器和频谱分析仪等功能。系统的基本工作原理是对模拟信号进行数据采集后存入数据文件，根据使用者的不同要求由软件对数据进行相应分析、处理，最终在屏幕上显示处理结果。
3  通用测试系统工作原理
本套系统的数据采集系统结构如图2所示。传感器（或前端采集设备）把物理信号转换成电信号（电压或电流），例如热电偶（温度/电压）、微音器（压强/电压）等。信号调理装置能够对微弱信号进行放大、光电隔离、滤波等处理，以便更精确和更安全的测量，同时它还能够激发和线性化某些传感器及其信号。当输入信号被适当调理后，即可输给插入式数据采集卡进行数字化。同时它也能产生控制信号。数据采集卡的程序设计依靠驱动软件进行了简化，因而可以运用传统语言来设计（本系统运用VC++6.0直接控制数据采集卡采集数据）。计算机的性能决定了整个采集过程的速度。高速的处理器和协处理器或插入式辅助处理器，如DSP(Data Signal Process)芯片，对于实时采集系统是非常重要的。 

图2  基于PC-DAQ的数据采集系统结构图

3.1  硬件部分
系统硬件部分主要由数据采集系统组成。本系统是一个基于PCI总线的数据采集与处理系统。在软件界面中设置好增益倍数、采样频率、采样深度等参数后，可以输入两路模拟信号，信号经过增益控制电路后，送入低通滤波电路，对高频噪声进行抑制，再经过采样保持电路和相互独立的同步的A/D转换电路，输出8bit/Sample的数据且自动存入FIFO RAM中，直到采样结束，FIFO RAM发出结束信号，通知计算机停止A/D转换并进行读数据操作。
(1)  前端预处理电路 前端预处理电路包括增益控制电路、低通滤波电路。低通滤波电路起抑制高频噪声及对信号预处理功能。因为时域采样引起频谱的周期延拓，当输入信号频谱中有高于1/2倍采样频率的成分，将引起信号频谱的混迭，所以要先滤去信号中高于1/2倍采样频率的成分。这样虽然会产生一定的波形失真，但有助于后续的信号分析和处理。
(2)  同步采样转换系统 要精确取得信号的幅度值和相位值，就必须采用两个相互独立的通道进行采样，而不能采用普通的多通道ADC芯片，因为这种芯片内部一般只有一组AD转换核心，而用分时采样的办法使其具有多通道的功能，每个通道之间必然存在相位差。本系统中每个通道用一片ADC芯片，两个芯片的启动端由同一采样信号控制，采用软件启动，采样频率可调。
(3)  数据存储模块 若采用软件查询的方式进行每个样点的采集，速度上可能达不到要求，所以采用硬件控制采样过程，软件提供采样启动及结束信号。
(4)  时钟发生模块 本部分包括20MHz的振荡电路及可编程分频器，以产生一定范围的采样频率。由于最低采样频率要求为几Ｋ，分频器的分频数Ｎ最大要达到约几万，这里使用一个16位的分频器，可由四个4位计数器级联而成。这样最低采样频率可达20M/2¹⁶=0.3KHz，而且能得到２～65536之间可预置的任意分频采样时钟。
(5)  计算机接口模块 为通用计算机开发的插卡在工业控制领域主要采用STD总线以及VME总线，应用于数据处理及一般用途的设计主要采用 ISA 或PCI总线。在PC机方面，从低档机到高档机一般都配有ISA总线，而PCI总线一般应用于486以上的机型。相比之下PCI总线的优势主要体现在传输速率上，可以达到33Mbps，所以本测试系统接口采用了PCI总线。
3.2  软件部分
软件的功能除了设计仪器面板外，最主要的就是进行数据分析和处理，并在面板上显示处理结果。系统软件部分主要由数据采集模块、数据分析模块和数据显示模块三部分构成。
  数据采集模块 负责驱动仪器采集模拟信号并进行模数转化，并实时监控数据的采集过程。
  数据分析模块 对数据采集模块采集来的数据进行专业处理，如计算波峰和面积、分析入流和出流时间等，并能将结果输出。可提供的功能还有频谱分析功能（幅频谱、相频谱、功率谱等）及各种滤波功能。在测量结果的数据处理、表达模式及其变换方面也做了许多函数库，建立了数据处理的高级分析库和开发工具库，因此本系统可以组建极为复杂的自动测试系统。此外，如果输入模拟信号是一随机信号的话，可以用软件实现各种相关性分析功能，比如计算信号的自相关、互相关、自协方差、互协方差等函数。只要适当增加软件的功能，系统还可以成为瞬态信号捕捉仪、波形仿真器等一系列信号分析仪器。对采样数据进行数字滤波处理，采用的滤波方法有程序判断法中的限速滤波和限幅滤波、中值滤波、算术平均滤波、滑动滤波等。
  数据显示模块 完成数据分析后的显示，显示面板可提供用户直观的曲线图表等。
由于测试仪器完成的数据处理功能繁杂，要求运算速度要快，所以本软件系统采用可视化编程语言VC++并配合Matlab软件仿真，同时也利用VC++自己开发了一些动态链接库（.dll）和ActiveX控件，增强了软件系统的可重复使用性。同时也易于组建、修改及管理。
4  结语
本文运用计算机软硬件技术来组建虚拟仪器，开发了基于PCI总线的虚拟仪器硬件板卡，并运用VC++语言开发了相关ActiveX控件及数据分析功能动态链接库，最后利用这些自己设计的软硬件实现了任意信号发生器、虚拟示波器、频谱分析仪等功能，从而证实了这种开发方法的优越性及其实现途径的可行性。

参考文献：
[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. 虚拟仪器技术及其发展[J]. 国外电子测量技术, 1997,(2)