虚拟仪器的研究及设计

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摘 要： 虚拟仪器的出现使人类的测试技术进入新的发展纪元。本项目基于虚拟仪器现行应用的概况、特点及其发展趋势，通过对虚拟示波器的设计和开发，进一步探究和应用虚拟仪器技术。虚拟示波器基于计算机平台，将虚拟仪器硬件和软件紧密结合，实现比传统示波器更强大的功能。本项目设计的虚拟仪器集成示波器、信号发生器、实验箱等电子实验仪器的功能，成本节约且便于调控，在电子、通信设备的信号检测方面有良好的应用效果。

关键词： 虚拟仪器；LabVIEW；信号检测；单片机

中图分类号：TP311.52 文献标识码：A 文章编号：1671－7597（2012）0210052－02

1 虚拟仪器概述

1.1 虚拟仪器的概念

虚拟仪器的出现是信号检测领域的一个新的突破，它从根本上颠覆了测试技术和检测设备的概念。它以计算机为核心作为整个仪器的运算核心，添加少量外部硬件，并设计定义虚拟的控制面板，测试功能由测试仪软件实现，直接在电脑显示器呈现结果，并能够实现自动保存的一整套仪器系统。

1.2 虚拟仪器的特点

虚拟仪器与传统仪器比较起来，具有非常多的优势和特点，集中在以下三个方面：

1）处理能力强。虚拟仪器的处理能力是基于计算的计算能力，而智能化程度主要取决于对虚拟仪器软件的设计与开发。用户完全可以根据实际应用需求，将先进的信号处理算法、人工智能技术应用于仪器设计与集成。

2）系统开发和功能更新的成本低。应用虚拟仪器思想，不改变任何硬件结构就可构造出多种不同功能的测试分析仪器。这样形成的测试仪器系统功能更灵活、系统费用更低。

3）操作方便易用。虚拟仪器面板可由用户定义，针对不同应用可以设计不同的操作显示界面。使用计算机的多媒体处理能力可以使仪器操作变得更加直观、简便、易于理解，测量结果可以直接进入数据库系统或通过网络发送。

2 虚拟仪器的工作原理及系统构成

虚拟仪器系统的构成有多种方式，主要取决于所采用的硬件和接口方式，其基本构成如图1。

2.1 硬件部分介绍

本项目系统以AVR单片机为核心，通过Atmega64内部自带的ADC，对模拟信号进行采集、存储和上传。Atmega64的A/D转换具有10位精度，最高分辨率时采样率可达15Kbit/s，对精度要求不高，信号随时间变化较慢的模拟量，可以取得很好的采集效果。

本系统的硬件采集卡中具有串口，我们可以通过LabVIEW中自带的VISA函数面板的VISA函数来实现串口与硬件的通信。该通信方式虽然速率较慢，但是简单、可靠、稳定，具有很好的可移植性，所以也是一种常用的数据传输方法。在本系统中采用串口通信，不但可以降低开发难度和开发时间，同时又能验证系统的可靠性。本系统硬件组成如图3。

2.2 软件平台LabVIEW介绍

LabVIEW程序被称为VI（Virtual Instrument），即虚拟仪器，这是因为它的很多界面控件与操作都模拟了现实世界中的仪器。LabVIEW还包含了大量的工具与函数用于数据采集、分析、显示与存储等。这些工具都是向导式的工具，用户只需要一步步按照提示就可以实现与仪器的连接和参数的设置。而程序员也不用去记忆这些大量的函数，因为这些函数都是以图标与名称的形式存在于一个个的函数面板上，当需要用到某个函数时把它从函数的面板上拖放到程序的框图中就可以了，这一切都是图形化带来的好处。

3 信号的发生与处理

3.1 信号的发生机制

使用分析库中的信号发生VI产生各种类型的信号。信号产生的应用主要有：

1）当无法获得实际信号时，信号发生功能可以产生模拟信号测试程序。

2）产生用于D/A转换的信号。通过LabVIEW的标准函数生成机制，与实际采样的信号进行运算或叠加，直接实现运算结果的显示和保存。

3.2 信号采样的标准频率设置

在模拟状态下，信号频率用Hz或者每秒周期数为单位。但是在数字系统中，通常采用数字频率，它的表达式如下：

数字频率＝模拟频率/采样频率，单位是周期数/采样点。

如果所使用的VI需要以标准频率作为输入，就必须把频率单位转换为标准单位：周期数/采样点。

3.3 数字信号处理

数字信号处理的关键有两个问题：

1）FFT变换的实现方法。信号的时域显示（采样点的幅值）可以通过离散傅立叶变换（DFT）的方法转换为频域显示。为了快速计算DFT，通常采用一种快速傅立叶变换（FFT）的方法。当信号的采样点数是2的幂时，就可以采用这种方法。

2）窗函数的设置。计算机只能处理有限长度的信号，原信号x(t)要以设定的T（采样时间或采样长度）截断，即有限化。

3.4 数字滤波

模拟滤波器设计是电子设计中最重要的部分之一。尽管很多参考书都提供了简单可靠的模拟滤波器示例，但是滤波器的设计通常还是需要专家来完成，因为这项工作需要较高深的数学知识和对系统与滤波器之间的关系有深入的了解。

现代的数字采样和信号处理技术已经可以取代模拟滤波器，尤其在一些需要灵活性和编程能力的领域中，例如音频、通讯、地球物理和医疗监控技术。与模拟滤波器相比，数字滤波器具有可以用软件编程、稳定性高、不会因温度、湿度的影响产生误差、很高的性能价格比等优点。

4 虚拟仪器的设计

软件使PC与数据采集硬件形成了一个完整的数据采集、分析和显示系统。没有软件，数据采集硬件是毫无用处的。LabVIEW就是一个极佳的开发上层应用程序的开发平台。

LabVIEW软件设计一般分为创建前面板、创建程序框图、创建图标、运行和调试四步。本节通过设计虚拟示波器来进一步了解LabVIEW编程思想，这里我们采用LabVIEW8.20作为平台具体介绍该示波器各模块的设计思想研究。

4.1 前面板设计

虚拟仪器前面板是软件部分的核心，它直接面向用户，是虚拟示波器控制软件的最上层。它不仅提供与用户交互的界面，而且能通过面板上的各种按钮、开关等控件来控制示波器的的工作。这部分必须做到界面美观、友好方便、操作简洁，能通过面板上的菜单或按钮实现功能及操作的相互转换，以及控制数据的采集、分析、存储等功能的实现。

4.2 信号采集模块设计

要让LabVIEW从硬件接口中读取数据，我们实用串口通信方式设计了采集卡到PC端的接口。由于我们自行设计的硬件采集卡中具有串口，我们可以通过VISA函数面板的VISA函数来实现串口与硬件的通信。该通信方式虽然速率较慢，但是简单、可靠、稳定，具有很好的可移植性、实时性且成本低、占用的通信线路少，所以也是一种常用的数据传输方法。

4.3 设置参数测量模块

参数测量模块完成包括对电压测量，周期和频率等的参数测量功能，具体见图3。

5 结果验证

根据上面介绍的内容，设计一款多功能的虚拟仪器，前面板如图4。

功能包含：

1）双通道信号输入，通过串口或USB输入采样信号。

2）幅值、频率的调节。

3）数据的保存及回放。

4）对于信号进行滤波处理。

5）与内部产生的模拟信号进行比较。

6）对于信号的关键参量进行即时计算，即时显示。

本设计不仅仅具有示波器基本功能，具有了界面美观，操作方便等特点，而且具有传统示波器中比较高端的频谱分析和数字滤波等功能，更可以根据需要随时灵活修改程序，增加功能以满足更个性化的要求。

6 项目总结与展望

本系统预留了一套设计改进方案：

1）USB能够提供5V的电压，替代采集卡的电源，从而不需要任何外接电源。但对电路的能耗提出了更高要求。

2）单片机可以改用5美元价格的ADI dsp高速芯片，充分利用dsp芯片ADC的能力，达到主频在500M左右，三路ADC采样，从而实现10M的高频信号的采集工作。

虚拟仪器大幅降低了系统研究和制作成本，增强了系统功能和灵活性，便于普及和推广。虚拟仪器是仪器计算机化的产物，是集成化仪器的基础，是仪器行业的一场革命，它的研制与开发具有深远的意义。

参考文献：

[1]www.省略.

[2]www.省略.

[3]陈树学、刘萱，LabVIEW宝典，北京：电子工业出版社，2011.

[4]郭天石，控制系统的虚拟仪器仿真，北京：机械工业出版社，2012.