0 引 言
隨著虛擬儀器技術(shù)的發(fā)展,，采用“虛擬儀器”來取代傳統(tǒng)儀器的新的測控方法正在取代傳統(tǒng)的測控系統(tǒng)，即利用數(shù)據(jù)采集卡,、信號調(diào)理卡或其他計(jì)算機(jī)外圍硬件進(jìn)行信號的采集與檢測,，然后由計(jì)算機(jī)來實(shí)現(xiàn)對信號的處理、計(jì)算和分析以及測試結(jié)果的顯示,。
LabWindows／CⅥ是基于標(biāo)準(zhǔn)C語言的集成軟件開發(fā)環(huán)境,，其開發(fā)虛擬儀器的步驟主要是先確定程序的基本框架，創(chuàng)建用戶界面,，然后完成程序代碼的編寫,，最后創(chuàng)建工程文件，將程序文件,、頭文件,、用戶界面文件加入工程中，編譯調(diào)試生成可執(zhí)行文件,。
1 數(shù)據(jù)采集卡的設(shè)計(jì)
傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集卡包括多路開關(guān),、放大器、采樣／保持器,、A／D轉(zhuǎn)換器,、D／A轉(zhuǎn)換器等器件組成。PCI(peripheral component interconnect)總線即外部部件互連總線,，是一種高性能32／64位地址數(shù)據(jù)復(fù)用高速外圍設(shè)備接口局部總線,。隨著微處理機(jī)的性能不斷提高，人們對微機(jī)系統(tǒng)的I／O帶寬不斷提出新的要求,，原有的標(biāo)準(zhǔn)總線,，如ISA、EISA和Mc已經(jīng)逐漸不能勝任現(xiàn)代數(shù)據(jù)采集技術(shù)的要求,。PCI局部總線的引入,，打破了數(shù)據(jù)傳輸?shù)钠款i，以其優(yōu)異的性能和適應(yīng)性,，成為微機(jī)總線的主流,，基于PCI總線的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的發(fā)展方向?；赑CI總線的數(shù)據(jù)采集卡的整體結(jié)構(gòu)可以設(shè)計(jì)如圖1所示：
完成數(shù)據(jù)采集卡的硬件設(shè)計(jì)后,，需要進(jìn)行板卡的驅(qū)動(dòng)程序編寫。其中的WDM(Window Driver Model)是Microsof訟司力推的驅(qū)動(dòng)模型,，其提供了更多特性,，包括即插即用,、電源管理、WMI等,，且WDM還是一個(gè)跨平臺的驅(qū)動(dòng)程序模型，可以在不修改代碼的情況下重新編譯就可以在不同平臺上運(yùn)行了,。
2 虛擬示波器軟件設(shè)計(jì)
虛擬示波器測試系統(tǒng)是通過外圍硬件電路獲得離散數(shù)據(jù)并對該信號進(jìn)行時(shí)域的顯示和分析,。從而獲得近似真實(shí)儀器的測試結(jié)果。本設(shè)計(jì)利用數(shù)據(jù)采集卡獲得模擬信號,，其軟件結(jié)構(gòu)如圖2所示：
1)信號采集模塊
由于本設(shè)計(jì)采用非NI數(shù)據(jù)采集卡,，不能直接運(yùn)用LabWindows／CVI的函數(shù)庫來實(shí)現(xiàn)。但是板卡設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)程序一般是以動(dòng)態(tài)鏈接庫的形式提供的,，所以對于LabWindows／CVI而言,，可以直接利用驅(qū)動(dòng)程序中的動(dòng)態(tài)鏈接庫來實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)文件的采樣。我們把采集到的數(shù)據(jù)存儲在一個(gè)一維數(shù)組中以便進(jìn)行分析運(yùn)算,。
2)波形顯示模塊
設(shè)計(jì)采用LabWindows／CVI提供的Graph來顯示波形,，對于采集到的數(shù)據(jù)，存放在一個(gè)大小可調(diào)節(jié)的動(dòng)態(tài)數(shù)組中,，對該數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)域分析并畫圖顯示,。波形顯示模塊還包括AB通道波形的疊加，相減等基本運(yùn)算,。其實(shí)現(xiàn)方法就是利用C語言對數(shù)據(jù)元素的簡單加減,。
3)時(shí)域分析模塊
時(shí)域分析包括A、B通道的自相關(guān),，AB通道信號互相關(guān)分析,，AB通道的卷積，AB通道的李沙育圖,。相關(guān)運(yùn)算設(shè)計(jì)利用LabWindows／CVI函數(shù)庫中的Convolve()函數(shù)來完成,。卷積是通過Correlate()函數(shù)來完成。圖2左側(cè)是AB通道的信號,，其中脈沖信號可表示為：
正弦信號可以表示為：x(n)=sin(k),，0≤k≤1024，k∈Z圖3右側(cè)表示x(n)卷積u(k)的結(jié)果,。其中橫坐標(biāo)表示采樣點(diǎn)數(shù)共1024個(gè)點(diǎn),，縱坐標(biāo)表示幅值。幅值增益1V／d,，
4)信號調(diào)節(jié)模塊
信號調(diào)節(jié)模塊主要設(shè)計(jì)完成信號的垂直增益,，垂直位移，水平增益的調(diào)節(jié),。設(shè)計(jì)的具體實(shí)現(xiàn)也是通過C語言對數(shù)組的操作實(shí)現(xiàn),。圖4表示信號調(diào)節(jié)模塊程序流程圖,。
5)存儲模塊
真實(shí)示波器由于存儲硬件的限制，只能存儲2～4個(gè)數(shù)據(jù),，而在在虛擬的數(shù)字存儲示波器中,，利用硬盤等存儲介質(zhì)，可以任意存取無限多個(gè)數(shù)據(jù),，而且存儲更加安全,。具體實(shí)現(xiàn)方法是：存儲對被測信號取樣，然后轉(zhuǎn)換成數(shù)組,，再將數(shù)組保存到文件中,，讀取時(shí)恰好相反，其工作流程如圖5所示,。
3 測試結(jié)果及仿真分析
按照LabWindows／CVI的設(shè)計(jì)流程,，我們完成虛擬示波器的設(shè)計(jì)，并對正弦信號進(jìn)行采樣分析,，結(jié)果如圖6所示：
虛擬儀器的主要問題就是儀器的仿真,，而仿真包括兩個(gè)方面的內(nèi)容，一個(gè)是儀器功能的仿真,，另一個(gè)就是儀器外觀及面板的仿真,。本設(shè)計(jì)著重于儀器功能的仿真。
1)數(shù)據(jù)處理功能及波形存儲功能的仿真
通過虛擬儀器軟件功能設(shè)計(jì),，我們完成信號的顯示,、相關(guān)運(yùn)算、卷積運(yùn)算,、文件的存儲與讀取,，基本實(shí)現(xiàn)了示波器的功能。達(dá)到仿真的目標(biāo),。
2)頻帶寬度仿真
一般來說,，用計(jì)算機(jī)直接生成的虛擬示波器的帶寬實(shí)際上就是計(jì)算機(jī)的帶寬，其所能測量的頻率的上限取決于計(jì)算機(jī)的性能,。而實(shí)際上示波器受到種種因素的限制,，其帶寬遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于計(jì)算機(jī)的帶寬。限制示波器帶寬的因素主要有：
①示波器上限工作頻率的限制,。
②Y通道放大器帶寬的限制,。
③時(shí)基電路掃描速度的限制。
為了達(dá)到仿真的效果,，為虛擬示波器設(shè)計(jì)了一個(gè)100MHz,，-3dB的低通數(shù)字濾波器。使用契必雪夫等IIR濾波器雖然能夠較好的保持被測信號的幅頻特性,，但其相頻特性很不理想,。因此,，采用矩形窗設(shè)計(jì)了一個(gè)FIR濾波器，保證了經(jīng)過濾波器的信號能夠線性的逼近被測信號的相位,。矩形窗的頻譜特性如下式(見圖7)所示,。
如圖7所示：H(ejω)
4 結(jié)束語
虛擬儀器的出現(xiàn)對于測試測量行業(yè)是一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)，它意味著我們可以根據(jù)自己的需要隨時(shí)隨地的通過對虛擬儀器軟件模塊的更改而改變儀器的性能,。但是,，想要完成一個(gè)高性能的虛擬測試系統(tǒng)的開發(fā)仍然很困難。不同的接口總線之間的不可交換性,，使得我們必須得為每一種接口總線開發(fā)不同的硬件驅(qū)動(dòng)程序，從而降低了虛擬儀器的通用性,。高性能虛擬儀器接口電路的復(fù)雜與數(shù)據(jù)高速測量需求之間的矛盾也是制約其廣泛應(yīng)用的原因,。然而，虛擬儀器技術(shù)作為新興的儀器儀表技術(shù),，它的發(fā)展也不過短短的數(shù)十年,，相信隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)，虛擬儀器技術(shù)的不斷發(fā)展與完善,，其必將取代傳統(tǒng)儀器而成為儀器儀表行業(yè)的主力軍,。