0 引 言
虛擬儀器的概念最早是由美國國家儀器公司(Na-tional Instrument)提出來的，經(jīng)過十幾年的發(fā)展，目前正沿著總線與驅(qū)動(dòng)程序標(biāo)準(zhǔn)化、硬件、軟件模塊化、編程平臺(tái)圖像化和硬件模塊即插即用方向發(fā)展。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展，虛擬儀器將在數(shù)據(jù)采集、自動(dòng)測(cè)試和測(cè)量儀器領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，擬儀器技術(shù)十分符合國際上流行的“硬件軟件化”的發(fā)展趨勢(shì)，尤其是在高校科研和工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域中發(fā)展前景非常廣闊。
1 虛擬儀器概述
1．1 虛擬儀器簡(jiǎn)介
虛擬儀器核心技術(shù)思想是“軟件即是儀器”，在通用的集成硬件平臺(tái)上，結(jié)合高性能的模塊化硬件和高效靈活的軟件使本來需要硬件實(shí)現(xiàn)的技術(shù)軟件化。一般當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)化硬件平臺(tái)確定后，通過標(biāo)準(zhǔn)的儀器驅(qū)動(dòng)軟件可實(shí)現(xiàn)模塊化的硬件(如GPIB，VXI，DAQ板等)之間的通信、定時(shí)應(yīng)用等需求；而靈活高效的開發(fā)應(yīng)用軟件能創(chuàng)建完全自定義的用戶界面和系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)儀器中由硬件完成的儀器功能。虛擬儀器技術(shù)的優(yōu)勢(shì)在于儀器性能的改進(jìn)和功能擴(kuò)展只需用戶選擇適合其應(yīng)用要求的硬件模塊以及更新相關(guān)軟件程序設(shè)計(jì)，即可重新配置現(xiàn)有系統(tǒng)，增加程序可復(fù)用性，大大縮短整個(gè)系統(tǒng)開發(fā)換代周期，降低成本，方便實(shí)現(xiàn)多種功能。
1．2 虛擬儀器構(gòu)成
虛擬儀器一般由通用儀器硬件平臺(tái)和應(yīng)用軟件組成，如圖1所示。
虛擬儀器硬件平臺(tái)主要有兩部分，分別是用于集成的硬件平臺(tái)和模塊化I／O接口設(shè)備。虛擬儀器的軟件部分包括應(yīng)用軟件和I／O驅(qū)動(dòng)軟件兩部分，應(yīng)用軟件包含實(shí)現(xiàn)虛擬面板功能的前面板的軟件程序和定義測(cè)試功能的流程圖軟件程序，如LabVIEW等；I／O接口儀器驅(qū)動(dòng)程序用來完成特定外部硬件設(shè)備的擴(kuò)展、驅(qū)動(dòng)和通信，可以由虛擬儀器開發(fā)環(huán)境提供。只有同時(shí)擁有高效的軟件、模塊化I／O硬件和用于集成的軟硬件平臺(tái)這三大組成部分，才能充分發(fā)揮虛擬儀器技術(shù)性能高、擴(kuò)展性強(qiáng)、開發(fā)時(shí)間少以及出色的集成這四大優(yōu)勢(shì)。
1．3 圖形化編程語言LabVIEW
LabVIEW(Laboratory Virtual Instrument Engi-neetring Workbench)是一種用圖標(biāo)代替文本行創(chuàng)建應(yīng)用程序的圖形化編程語言，采用數(shù)據(jù)流編程方式，程序框圖中節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)流向決定了程序的執(zhí)行順序，用圖表表示函數(shù)，用連線表示數(shù)據(jù)流方向。LabVIEW程序稱為虛擬儀器(Virtual Instrument，VI)程序。一個(gè)最基本的VI由前面板(Panel)、框圖程序(Diagram Program)和圖標(biāo)／連接端口(Icon／Terminal)三部分組成。LabVIEW為虛擬儀器設(shè)計(jì)者提供了一個(gè)便捷、輕松的設(shè)計(jì)環(huán)境，不僅能輕松方便地完成與各種軟硬件的連接，還提供強(qiáng)大的后續(xù)數(shù)據(jù)處理能力，交互式的測(cè)量工具和更高層的系統(tǒng)管理軟件工具。LabVIEW能夠支持串行接口、GPIB，VXI，PXI等標(biāo)準(zhǔn)總線和多種數(shù)據(jù)采集板，以驅(qū)動(dòng)不同儀器公司的儀器，用戶可以高效、快速地編寫出相應(yīng)的應(yīng)用程序，自行設(shè)計(jì)儀器驅(qū)動(dòng)程序，完成諸如數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)顯示以及儀器控制和通信等多種功能。在較高性價(jià)比的條件下，降低系統(tǒng)開發(fā)和維護(hù)費(fèi)用，縮短技術(shù)更新周期。
2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
該系統(tǒng)使用NI公司PXI-1042Q機(jī)箱和NI PXI-5122高速數(shù)字化儀模塊組建數(shù)據(jù)采集硬件平臺(tái)。PXI(PCI Extensions for Instrumentation)，它的主要優(yōu)勢(shì)在于利用了已經(jīng)驗(yàn)證的，符合工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)，在高速的Compact PCI總線基礎(chǔ)之上，加入類似VXI所具有的定時(shí)、觸發(fā)和同步功能。PXI作為一種專為工業(yè)數(shù)據(jù)采集與自動(dòng)化應(yīng)用高性能模塊化硬件平臺(tái)，具有開放式架構(gòu)，內(nèi)有高端的定時(shí)和觸發(fā)總線，結(jié)合模塊化的I／O硬件和相應(yīng)的測(cè)試測(cè)量開發(fā)軟件，便可以較好地完成數(shù)據(jù)采集任務(wù)。
2．1 系統(tǒng)硬件部分
PXI-5122高速數(shù)字化儀是硬件部分的核心，可直接插入PXI-1042Q機(jī)箱插槽中，屬于內(nèi)置式驅(qū)動(dòng)。通過LabVIEW嵌入的驅(qū)動(dòng)函數(shù)可配置其觸發(fā)方式，如即時(shí)觸發(fā)、軟件觸發(fā)、數(shù)字觸發(fā)等，還可配置采樣速率，采樣記錄長度等。PXI-5122提供雙輸入通道，每個(gè)通道最高100 MS／s實(shí)時(shí)采樣率，分辨率14 b，采用交叉采樣方式的采樣率可提高到200 MS／s，帶有去噪和100 MHz抗混疊濾波器，具有動(dòng)態(tài)范圍大、板上采樣存儲(chǔ)器容量大等特點(diǎn)。這里配置為單通道即時(shí)觸發(fā)模式，以便實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的連續(xù)采樣。根據(jù)采樣定理，設(shè)置的最小采樣速率至少是被采樣信號(hào)頻率的兩倍。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)示意圖如圖2所示。
2．2 系統(tǒng)軟件部分
系統(tǒng)軟件部分主要由標(biāo)準(zhǔn)I／O模塊驅(qū)動(dòng)，采用隊(duì)列同步控制和數(shù)據(jù)顯示三大部分組成。系統(tǒng)程序流程圖如圖3所示。
首先通過NI，Scope示波器驅(qū)動(dòng)來完成PXI-5122的配置和初始化，將此部分放置到由單個(gè)while循環(huán)控制的獨(dú)立線程中便可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)數(shù)據(jù)采集。被采集的數(shù)據(jù)被放人隊(duì)列中，隊(duì)列允許多個(gè)任務(wù)同時(shí)訪問，其他獨(dú)立線程的模塊可同時(shí)并行地從中讀取數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)完成各自的功能，如數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)顯示等。
2．2．1 I／O驅(qū)動(dòng)模塊
NI Scope示波器驅(qū)動(dòng)是NI公司提供的八類可互換的虛擬儀器IVI(Interchangeable Virtual Instru-ment)規(guī)范驅(qū)動(dòng)之一，由于IVI規(guī)范驅(qū)動(dòng)是基于虛擬儀器軟件架構(gòu)VISA(Virtual Instrunment Software Archi-tecture)，可以實(shí)現(xiàn)程序與硬件接口的不相關(guān)。此外，NI Scope提供了規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)API函數(shù)和DAQ驅(qū)動(dòng)程序庫，它將儀器的功能完整封裝，讓用戶更快更容易地開發(fā)系統(tǒng)。成功安裝NI Scope示波器驅(qū)動(dòng)后，在Lab-VIEW程序框圖中，打開“函數(shù)”菜單下，打開“測(cè)量I／O”可以看到“NI Scope”工具包，選擇初始化、水平方向設(shè)置、豎直方向設(shè)置、通道設(shè)置、觸發(fā)方式設(shè)置等函數(shù)，自定義NI PXI－5122驅(qū)動(dòng)程序。該系統(tǒng)設(shè)置偏移量為零，即時(shí)觸發(fā)采樣模式，采樣記錄數(shù)值默認(rèn)為1，采樣頻率和采樣記錄長度由輸入控件控制，采樣的通道名稱默認(rèn)為“channel 0”，實(shí)現(xiàn)連續(xù)采樣。NI PXI－5122驅(qū)動(dòng)程序具體如圖4所示。
2．2．2 同步技術(shù)
系統(tǒng)各模塊分別由單個(gè)循環(huán)控制，并且各循環(huán)之間相互獨(dú)立，每一個(gè)循環(huán)都有一個(gè)獨(dú)立的線程獨(dú)自運(yùn)行，構(gòu)成了一個(gè)包含多個(gè)并行任務(wù)虛擬儀器系統(tǒng)。各個(gè)循環(huán)之間也有數(shù)據(jù)交流，相互關(guān)聯(lián)，為了實(shí)現(xiàn)在同一個(gè)程序中處理好各循環(huán)或并行任務(wù)之間的同步或通信，則需要使用同步控制技術(shù)。系統(tǒng)選用隊(duì)列(Queue)技術(shù)來控制這些循環(huán)可以避免對(duì)設(shè)備的訪問沖突。
隊(duì)列結(jié)構(gòu)是一種先進(jìn)先出的結(jié)構(gòu)。隊(duì)列可以保證有序的數(shù)據(jù)傳遞，避免競(jìng)爭(zhēng)或沖突。一般當(dāng)多個(gè)用戶需要使用同一個(gè)資源時(shí)，就可以通過隊(duì)列來對(duì)多個(gè)用戶進(jìn)行排隊(duì)處理；同時(shí)。也允許多個(gè)用戶訪問一個(gè)隊(duì)列，這樣就可以加快隊(duì)列的處理速度。同樣，在程序框圖中打開“函數(shù)”，選擇“編程”中的“同步”，可看待“隊(duì)列”函數(shù)包。通過“獲取隊(duì)列引用”先建立一個(gè)隊(duì)列，可設(shè)置隊(duì)列名稱，元素類型，隊(duì)列大小等屬性。圖5中顯示數(shù)據(jù)采集循環(huán)，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)循環(huán)，數(shù)據(jù)顯示循環(huán)共同使用一個(gè)隊(duì)列，即數(shù)據(jù)循環(huán)中使用“元素人隊(duì)列”函數(shù)將采集數(shù)據(jù)不斷地存放到隊(duì)列中，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)顯示循環(huán)使用“元素出隊(duì)列”函數(shù)從隊(duì)列中不斷地讀取數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集和存儲(chǔ)的功能。若某個(gè)模塊的任務(wù)運(yùn)行過快或過慢，隊(duì)列可以起到緩存作用，進(jìn)行約束或補(bǔ)償，不會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失或重復(fù)讀取。
2．2．3 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)
高速數(shù)據(jù)流文件TDM Streaming文件以流文件形式存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，讀寫速度比較快，適合用來存儲(chǔ)海量數(shù)據(jù)，常于實(shí)時(shí)系統(tǒng)。TDMS文件除了可以存儲(chǔ)信號(hào)數(shù)據(jù)外，還可以為每個(gè)信號(hào)添加附加信息：文件、組、通道等。通過TDMS文件操作函數(shù)可對(duì)被采集的信號(hào)進(jìn)行快速的讀，寫，屬性設(shè)置及提取，管理簡(jiǎn)單；在寫操作后可以調(diào)用TDMS File Viewer Ⅵ函數(shù)，打開TDMS文件瀏覽器，查看數(shù)據(jù)和屬性值。TDMS的寫操作如圖5所示。
3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)前面板如圖6所示，根據(jù)所設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，分別進(jìn)行了數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)輸入，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及波形顯示等實(shí)驗(yàn)。數(shù)據(jù)保存在以．tdms為后綴名的波形文件中。圖6所示為對(duì)頻率10 kHz，幅度為0．5 V的模擬正弦波信號(hào)使用單通道采樣，輸入的采樣頻率為1 MHz，實(shí)際采樣頻率為1 MHz。經(jīng)過實(shí)際驗(yàn)證，對(duì)三角波，方波等合理采樣，結(jié)果比較滿意。
4 結(jié) 語
該數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實(shí)際是用于對(duì)中波段范圍內(nèi)調(diào)幅信號(hào)的實(shí)時(shí)采集，方便對(duì)采集后的數(shù)據(jù)直接進(jìn)行各種數(shù)學(xué)分析。一方面可將結(jié)果直觀的顯示在前面板上，另一方面也可同時(shí)將數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，以供日后分析使用。此外，由于LabVIEW是一個(gè)功能強(qiáng)大的虛擬儀器編譯環(huán)境，簡(jiǎn)化編程過程，尤其是使用IVI驅(qū)動(dòng)程序，極大地簡(jiǎn)化代碼，用戶不需要關(guān)心儀器底層是如何通信，只需要關(guān)注任務(wù)本身。給予系統(tǒng)更多的靈活性。以后只需要根據(jù)實(shí)際功能要求，修改相應(yīng)的軟件編程即可進(jìn)行系統(tǒng)拓展。整個(gè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在實(shí)際使用中方便活，不受具體線路的限制。
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