論文數(shù)據(jù)采集方法有哪些虛擬儀器數(shù)據(jù)采集應用論文

Word-8-論文數(shù)據(jù)采集方法有哪些虛擬儀器數(shù)據(jù)采集應用論文虛擬儀器是以一種全新的理念來設計和進展的儀器，他是90年月進展起來的一項新技術，主要用于自動測試、過程掌握、儀器設計和數(shù)據(jù)分析等領域，其基本思想是在儀器設計或測試系統(tǒng)中盡可能用軟件代替硬件，即“軟件就是儀器”，他是在通用計算機平臺上，依據(jù)用戶需求來定義和設計儀器的測試功能，其實質(zhì)是充分利用計算機的最新技術來實現(xiàn)和擴展傳統(tǒng)儀器的功能。

1虛擬儀器的特點和構成

1.1虛擬儀器的特點

與傳統(tǒng)儀器相比，虛擬儀器具有高效、開放、易用敏捷、功能強大、性價比高、可操作性好等明顯優(yōu)點，詳細表現(xiàn)為：

智能化程度高，處理力量強虛擬儀器的處理力量和智能化程度主要取決于儀器軟件水平。用戶完全可以依據(jù)實際應用需求，將先進的信號處理算法、人工智能技術和專家系統(tǒng)應用于儀器設計與集成，從而將智能儀器水平提高到一個新的層次。

復用性強，系統(tǒng)費用低應用虛擬儀器思想，用相同的基本硬件可構造多種不同功能的測試分析儀器，猶如一個高速數(shù)字采樣器，可設計出數(shù)字示波器、規(guī)律分析儀、計數(shù)器等多種儀器。這樣形成的測試儀器系統(tǒng)功能更敏捷、更高效、更開放、系統(tǒng)費用更低。通過與計算機網(wǎng)絡連接，還可實現(xiàn)虛擬儀器的分布式共享，更好地發(fā)揮儀器的使用價值。

可操作性強，易用敏捷虛擬儀器面板可由用戶定義，針對不同應用可以設計不同的操作顯示界面。使用計算機的多媒體處理力量可以使儀器操作變得更加直觀、簡便、易于理解，測量結果可以直接進入數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)或通過網(wǎng)絡發(fā)送。測量完后還可打印、顯示所需的報表或曲線，這些都使得儀器的可操作性大大提高而且易用、敏捷。

1.2虛擬儀器的構成

虛擬儀器的構建主要從硬件電路的設計、軟件開發(fā)與設計2個方面考慮。

硬件電路的設計主要依據(jù)用戶所面對的任務打算，其中接口設計可選用的接口總線標準包括GPIB總線、I總線等。推舉選用I總線。由于他具有通用性強、可擴充性好、傳輸速率高、抗干擾力量強以及良好的開放性能等優(yōu)點，因此自1987被首次推出后快速得到各大儀器生產(chǎn)廠家的認可，目前I模塊化儀器被認為是虛擬儀器的最抱負平臺，是儀器硬件的發(fā)展方向。由于I虛擬儀器的硬件平臺的基本組成是一些通用模塊和專用接口。因此硬件電路的設計一般可以選擇用現(xiàn)有的各種不同的功能模塊來搭建。通用模塊包括：信號調(diào)理和高速數(shù)據(jù)采集；

信號輸出與掌握；

數(shù)據(jù)實時處理。這3部分概括了數(shù)字化儀器的基本組成。將具有一種或多種功能的通用模塊組建起來，就能構成任何一種虛擬儀器。

例如使用高速數(shù)據(jù)采集模塊和高速實時數(shù)據(jù)處理模塊就能構成1臺示波器、1臺數(shù)字化儀或1臺頻譜分析儀；

使用信號輸出與掌握模塊和實時數(shù)據(jù)處理模塊就能構成1臺函數(shù)發(fā)生器、1臺信號源或1臺掌握器。專用接口是針對特定用途儀器需要的設計，也包括一些現(xiàn)場總線接口和各類傳感器接口。系統(tǒng)的主要硬件包括掌握器、主機箱和儀器模塊。常用的掌握方案有GPIB總線掌握方式的硬件方案、MXI總線掌握方式的硬件方案、嵌入式計算機掌握方式的硬件方案3種。I儀器模塊又稱為器件（devices）。I有4種器件：寄存器基器件、消息基器件、存儲器器件和擴展器件。存儲器器件不過是專用寄存器基器件，用來保存和傳輸大量數(shù)據(jù)。擴展器目前是備用件，為今后新型器件供應進展通道。將I儀器制作成寄存器基器件，還是消息基器件是首先要做出的決策。寄存器基器件的通信狀況極像VME總線器件，是在低層用二進制信息編制程序。他的明顯優(yōu)點在于速度寄存器基器件完全是在直接硬件掌握這一層次上進行通信的。這種高速通信可以使測試系統(tǒng)吞吐量大大提高。因此，寄存器基器件適用于虛擬儀器中信號/輸出部分的模塊（如開關、多路復用器、數(shù)/模轉(zhuǎn)換輸出卡、模/

數(shù)轉(zhuǎn)換輸入卡、信號調(diào)理等）。消息基器件與寄存器基器件不同，他在高層次上用ASCII字符進行通信，與這種器件非常相像是獨自HPIB儀器。消息基器件用一組意義明確的“字串行協(xié)議”相互進行通信，這種異步協(xié)議定義了在器件之間傳送命令和數(shù)據(jù)所需的掛鉤要求。消息基器件必需有CPU（或DSP）進行管理與掌握。因此，消息基器件適用于虛擬儀器中數(shù)字信號處理部分的模塊。

軟件的開發(fā)與設計包括3部分：I總線接口軟件、儀器驅(qū)動軟件和應用軟件（軟面板）。軟件結構如圖1所示。

I總線接口軟件由零槽掌握器供應，包括資源管理器、資源編輯程序、交互式掌握程序和編程函數(shù)庫等。該軟件在編程語言和I總線之間建立連接，供應對I背板總線的掌握和支持，是實現(xiàn)I系統(tǒng)集成的基礎。

儀器驅(qū)動程序是完成對某一特定儀器的掌握與通信的軟件程序，也即模塊的驅(qū)動軟件，他的設計必需符合VPP的2個規(guī)范，即VPP3.1《儀器驅(qū)動程序結構和模型》和VPP3.2《儀器驅(qū)動程序設計規(guī)范》。

“軟面板”設計就是設計具有可變性、多層性、自助性、人性化的面板，這個面板應不僅同傳統(tǒng)儀器面板一樣具有顯示器、LED、指針式表頭、旋鈕、滑動條、開關按鈕、報警裝置等功能部件，而且應還具有多個連貫操作面板、在線關心功能等。

2虛擬儀器在數(shù)據(jù)采集中的應用

利用虛擬儀器制作數(shù)據(jù)采集器可以根據(jù)硬件設計、軟件設計兩個步驟來完成。

2.1硬件設計

硬件設計要完成以下內(nèi)容：

1)模/數(shù)轉(zhuǎn)換及數(shù)據(jù)存儲

設置具有通用性的數(shù)據(jù)自動采集系統(tǒng)，一般應滿意能對多路信號盡可能同步地進行采集，為了使所采集到的數(shù)據(jù)不但能夠在數(shù)據(jù)采集器上進行存儲，而且還能準時地在采集過程中將數(shù)據(jù)傳送到上位機，選用存儲量比較適中的先進先出存儲器，這樣既能滿意少量數(shù)據(jù)存儲的需要，又能在需要實時傳送數(shù)據(jù)時，在A/D轉(zhuǎn)換的同時進行數(shù)據(jù)傳送，不丟失任何數(shù)據(jù)。)I總線接口

I總線數(shù)據(jù)采集器通?？梢岳脙煞NI總線通用接口消息基接口和寄存器基接口。消息基接口的作用是通過總線傳送命令，從而掌握儀器硬件的操作。通用寄存器基接口是由寄存器簡潔的讀寫來掌握儀器硬件的操作。利用消息基接口進行設計，詳細消息基接口的框圖見圖2。

3)采樣通道掌握

為了滿意幾種典型系統(tǒng)通道掌握的要求，使通道的數(shù)量足夠多，通道的選取比較敏捷，可以利用寄存器電路、可預置計數(shù)器電路以及一些其他規(guī)律電路的協(xié)作，將采樣通道設計成最多64路、最少2路可以任意選擇，而且可以從任意一路開頭采樣，也可以到任意一路結束采樣，只要截止通道號大于起始通道號就可以了。整個掌握在虛擬儀器軟面板上進行操作，通過消息基接口將命令寫在這部分的掌握寄存器中，從而設置計數(shù)器的初值以及采樣的通道總數(shù)。

4)定時采樣掌握

由于不同的自動測試系統(tǒng)對采樣時間間隔的要求不同，以及同一系統(tǒng)在不同的試驗中需要的采樣時間間隔也不盡相同，故可以采納程控的方式將采樣時間間隔設置在2μs~13.0ms之間任意選擇，可以增加或削減的最小單位是2μs。全部這些選擇設置可以在虛擬儀器軟面板上進行。

5)采樣點數(shù)掌握

依據(jù)不同測試系統(tǒng)的需求，將采樣點數(shù)設計成可在一個比較大的范圍中任意選擇，該選擇同樣是在軟面板上進行。

6)采樣方式掌握

總結各種自動測試系統(tǒng)的采樣方式不外乎軟件觸發(fā)采樣和硬件觸發(fā)采樣。在硬件觸發(fā)采樣中又包括同步整周期采樣和非同步整周期采樣，這2種采樣又可以是定時進行的或等轉(zhuǎn)速差進行的。全部這些采樣方式，對于數(shù)據(jù)采集器來說都可以在軟面板上進行選擇。

2.2軟件設計

軟件是虛擬儀器的關鍵，為使VI系統(tǒng)結構清楚簡潔，一般可采納組件化設計思想，將各部分彼此獨自的軟件單元分別制成

標準的組件，然后根據(jù)系統(tǒng)的總體要求組成完整的應用系統(tǒng)，一個標準的組件化的虛擬儀器軟件系統(tǒng)，如圖3所示。

應用軟件為用戶供應了建立虛擬儀器和擴展其功能的必要工具，以及利用PC機、工作站的強大功能。同時VPP聯(lián)盟提出了建立虛擬儀器標準結構庫（VISA）的建議，為虛擬儀器的研制與開發(fā)供應了標準。這也進一步使由通用的I數(shù)據(jù)采集模塊、CPU/DSP模塊來構成虛擬儀器成為可能。

基于虛擬儀器的數(shù)據(jù)采集器的軟件包括系統(tǒng)管理軟件、應用程序、儀器驅(qū)動軟件和I/O接口軟件。以往這4部分需要用戶自己組織或開發(fā)，往往很困難，但現(xiàn)在NI公司供應了全部這四部分軟件，使應用開發(fā)比以往簡單得多。

下面簡潔介紹以NI公司的LabWindows/CVI為開發(fā)環(huán)境，來進行I虛擬儀器的驅(qū)動程序開發(fā)的方法。

第一步：生成儀器模塊的用戶接口資源文件（?UIR）。用戶接口資源、文件是儀器模塊開發(fā)者利用LabWindows/CVI的用戶界面編輯器為儀器模塊設計的一個圖形用戶界面（GUI）。

一個LabWindows/CVI的GUI由面板、命令按鈕、圖標、下拉菜單、曲線、旋鈕、指示表以及很多其他掌握項和說明項構成。

其次步：LabWindows/CVI大事驅(qū)動編程。應用程序開發(fā)環(huán)境LabWindows/CVI中設計一個用戶接口，實際上是在用戶計算機屏幕上定義一個面板，他由各種掌握項（如命令按鈕、菜單、曲線等）構成。用戶選中這些掌握項就可以產(chǎn)生一系列用戶接口大事（events）。例如，當用戶單擊一個命令按鈕，這個按鈕產(chǎn)生一個用戶接口大事，并傳遞給開發(fā)者編寫的C語言驅(qū)動程序。這是運用了Windows編程的大事驅(qū)動機制。LabWindows/CVI中使用不同類型的掌握項，在界面編輯器中將顯示不同類型的信息，并產(chǎn)生不同操作的接口大事。在LabWindows/CVI的開發(fā)平臺中，對大事驅(qū)動進行C程序編程時可采納2種基本的方法：回調(diào)函數(shù)法和大事循環(huán)處理法。

回調(diào)函數(shù)法是開發(fā)者為每一個用戶界面的掌握項寫一個獨自的用戶界面的掌握函數(shù)，當選中某個掌握項，就調(diào)用相應的函數(shù)進行大事處理。在循環(huán)處理法中，只處理GUI掌握項所產(chǎn)生的COMMIT大事。通過GetUserEvent函數(shù)過濾，將全部的COMMIT大事區(qū)分開，識別出是由哪個掌握項所產(chǎn)生的大事，并執(zhí)行相應的