虚拟仪器与信号处理

VirtualInstrumentationsAndSignalProcessing虚拟仪器与信号处理主要内容一、虚拟仪器的基本概念1。虚拟仪器的概念2。计算机数据采集系统3。虚拟仪器的体系结构二、信号处理的基本理论1。信号与信号处理2。信号处理基础3。现代信号处理方法主要内容三、虚拟仪器的软件平台1。Labview2。Lanwindows/CVI四、练习与课程报告1。设计练习2。完成报告参考书：虚拟仪器原理及应用林君，谢宣松等编著科学出版社虚拟仪器的设计与实现张易知，肖啸等编著西电出版社http//一、仪器的演化发展仪器是服务于人的一类装置经常地，我们需要借助外界装置帮助自身的行为人的行为过程：感知分析表达控制决策输出仪器是一类能帮助我们感知、控制客观对象的装置仪器的概念仪器是指能完成对信号的采集与控制、分析与处理、结果显示或输出三大功能的一类设备仪器的概念数据采集对象控制信号处理分析结果表达输出仪器的形式组成机械式仪器电子式仪器机械电子式仪器结构单台仪器叠架式仪器虚拟仪器现代意义上的仪器第一代仪器：模拟仪器第二代仪器：数字化仪器第三代仪器：智能仪器第四代仪器：虚拟仪器现代仪器的发展传统仪器（数字仪器）第一代仪器：模拟仪器最早的电子仪器。基本特征是采用模拟电子技术实现，采用指针显示结果。如指针式万用表、晶体管电压表等第二代仪器：数字化仪器数字化仪器目前相当普及。这类仪器将模拟信号的测量转化为数字信号的测量，并以数字方式输出最终结果。如数字电压表、数字频率计等仪器的发展第三代仪器：智能仪器智能仪器内置微处理器，能进行自动测量，具有一定的数据处理能力，可取代部分脑力劳动如很多的分析控制仪器第四代仪器：虚拟仪器虚拟仪器是现代计算机技术和测量技术相结合的产物，是传统仪器观念的一次巨大变革，是将来仪器发展的一个重要方向。仪器的发展仪器技术革命第一代到第二代数字电子技术的发展。。。数字化仪器第二代到第三代微处理器的大量应用。。。智能化仪器缺点：功能独立，结构简单，手动操作，厂家定义第三代到第四代计算机硬软件技术的进步。。。虚拟仪器特点：利用了计算机强大的软硬件资源通过软件完成仪器的功能用户自己在屏幕上生成仪器面板虚拟仪器－－传统仪器（形式与内容）仪器技术革命二、虚拟仪器的定义a.英国国家物理实验室（NPL）定义（）虚拟仪器是在通用计算机（如PC机、Mac或工作站）中加上软件和/或硬件，并使用计算机屏幕提供仪器虚拟界面的可重用测量仪器。b.NI公司的定义（）虚拟仪器就是在通用计算机上加上一组软件和／或硬件，使用者在操作这台计算机时，就象是在操作一台他自己设计的专用电子仪器。虚拟仪器是一种软件定义的系统，基于用户需求的软件定义了一般测量硬件的功能。c.VXIplug&play规范定义（）实现传统分立仪器功能的一组软件模块，也包括与其相关或必须的硬件资源。虚拟仪器的定义虚拟仪器是在计算机上显示传统仪器面板，它将硬件电路完成的信号调理和处理功能由计算机程序完成。硬件是基础软件即仪器与传统仪器一样，虚拟仪器同样划分为数据采集、数据分析处理、显示结果三大功能模块。插入式DAQ卡VXI仪器GPIB仪器RS232信号处理统计数字滤波分析网络传输文件I/O硬复制图形用户接口虚拟仪器功能模块划分仪器的构成比较数据采集信号处理结果表达与仪器控制硬件（电子线路）硬件（电子线路）硬件（显示器与旋钮）硬件（电子线路）计算机软件（算法）计算机硬件＋软件（显示器与虚拟旋钮）传统分析仪器虚拟分析仪器计算机系统资源仪器=A/D+CPU+软件TheSoftwareIsInstrumentsPROCESSORBUSConditioningTimingA/DD/ADI/OTI/ODISPLAYANDCONTROL488PORT礟MathMEMORY礟ROMPROCESSORBUSConditioningTimingA/DD/ADI/OTI/ODISPLAYANDCONTROL488PORT礟MathMEMORY礟ROMControlPanelFlowPressureAlarmConditionsSTOPTemperature仪器定义和功能的转变传统仪器厂商定义功能虚拟仪器用户定义功能多种测试仪器的功能以软件的形式集成于同一台计算机虚拟仪器的优点传统分析仪器虚拟分析仪器仪器定义厂家用户功能设定功能特定，与其它设备连接受到限制。面向应用的系统结构，可方便地与网络设备、外设和其它设备连接。关键环节硬件软件开放性封闭式系统，功能固定，不能改变。基于计算机技术的开放式系统，灵活的软件功能模块。性能价格比低高，可重复使用。技术更新速度慢（周期5~10年）快（周期1~2年）开发维护开发维护费用高软件结构，节省费用虚拟仪器的发展虚拟仪器的概念最早由美国国家仪器公司（NationalInstruments）在1986年提出虚拟仪器的雏形可以追溯到1981年由美国西北仪器系统公司推出的AppleII为数字存储示波器，当时被称为个人仪器（PersonalInstrument）。1986年，NI公司推出了图形化的虚拟仪器编程环境LabVIEW，标志着虚拟仪器软件设计平台基本成型，虚拟仪器从概念构思变为工程师可实现的具体对象。虚拟仪器的发展有两条主线:(适合于较大型集成系统)(应用于普及型系统)PC插卡式并行口式串口USB方式80年代1995年1999年GPIBVXIPXI1978年1987年1997年三、虚拟仪器的结构虚拟仪器典型的体系结构测控对象现场总线设备VXI仪器串行口仪器PLCGPIB接口仪器GPIB接口卡信号调理数据采集卡DAQ图象采集卡DSP工业自动化软件.BridgeVIEW.Lockout.Conmponentwork测量与分析软件.LabVIEW(VEE).LabWindows/CVI.ComponentWorksHiQ.VirtualBenchIVI传统编程语言.VisualC++.VisualBasic.C++Builder.Delphi等等PC机/工作站仪器=总线模块＋算法虚拟仪器的分类根据虚拟仪器所采用的总线形式不同，虚拟仪器可以分为下面几种类型：PC-DAQ测试系统：以数据采集卡(DAQ卡)、计算机和虚拟仪器软件构成的测试系统。GPIB系统：以GPIB标准总线仪器、计算机和虚拟仪器软件构成的测试系统。VXI系统：以VXI标准总线仪器、计算机和虚拟仪器软件构成的测试系统。串口系统：以RS232标准串行总线仪器、计算机和虚拟仪器软件构成的测试系统。现场总线系统：以现场总线仪器、计算机和虚拟仪器软件构成的测试系统。其中PC-DAQ测试系统是最常用的构成计算机虚拟仪器系统的的形式。ComputerYourSignalDAQDeviceTerminalBlockCable(1)PC-DAQ数据采集卡通常，人们利用计算机扩展槽和外部接口，将信号测量硬件设计为计算机插卡或外部设备，直接插接在计算机上，再配上相应的应用软件，组成计算机虚拟仪器测试系统。这是目前应用得最为广泛的一种计算机虚拟仪器组成形式。按计算机总线的类型和接口形式，这类卡可分为ISA卡，EISA卡，VESA卡，PCI卡，PCMCIA卡，并口卡、串口卡和USB口卡等。按板卡的功能则可以分为A/D卡、D/A卡、数字I/O卡、信号调理卡、图象采集卡、运动控制卡等。(2)GPIB总线仪器GPIB(GeneralPurposeInterfaceBus)是测量仪器与计算机通讯的一个标准。GPIB总线测试仪器通过GPIB接口和GPIB电缆与计算机相联，形成计算机测试仪器。与DAQ卡不同，GPIB仪器是独立的设备，能单独使用。GPIB设备可以串接在一起使用，但系统中GPIB电缆的总长度不应超过20m，过长的传输距离会使信噪比下降，对数据的传输质量有影响。(3)VXI总线模块VXI总线模块是另一种新型的基于板卡式相对独立的模块化仪器。从物理结构看，一个VXI总线系统由一个能为嵌入模块提供安装环境与背板连接的主机箱和插接的VXI板卡组成。与GPIB仪器一样，它需要通过VXI总线的硬件接口才能与计算机相连。(4)RS232串行接口仪器很多仪器带有RS232串行接口，通过连接电缆将仪器与计算机相连就可以构成计算机虚拟仪器测试系统，实现用计算机对仪器进行控制。(5)现场总线模块现场总线仪器，是一种用于恶劣环境条件下的、抗干扰能力很强的总线仪器模块。与上述的其它硬件功能模块相类似，在计算机中安装了现场总线接口卡后，通过现场总线专用连接电缆，就可以构成计算机虚拟仪器测试系统，实现用计算机对现场总线仪器进行控制。VXI产品示例PCI总线DAQ卡PXI产品一些常见的虚拟仪器产品基于USB总线的数据采集卡四、虚拟仪器的软件虚拟仪器软件结构PXIVXIGPIBDAQIMAQMotion硬件板卡软件程序解决方案软件驱动模块虚拟仪器典型单元模块虚拟仪器的核心是软件，其软件模块主要由硬件板卡驱动模块，信号分析模块和仪器表头显示模块三类软件模块组成。硬件板卡驱动模块通常由硬件板卡制造商提供，直接在其提供的DLL或ActiveX基础上开发就可以了。目前PC-DAQ数据采集卡、GPIB总线仪器卡、RS232串行接口仪器卡、FieldBus现场总线模块卡等许多仪器板卡的驱动程序接口都已标准化，为减小因硬件设备驱动程序不兼容而带来的问题，国际上成立了可互换虚拟仪器驱动程序设计协会(InterchangeableVirtualInstrument),并制订了相应软件接口标准。信号分析模块的功能主要是完成各种数学运算，在工程测试中常用的信号分析模块包括：(1)信号的时域波形分析和参数计算(2)信号的相关分析(3)信号的概率密度分析(4)信号的频谱分析(5)传递函数分析(6)信号滤波分析(7)三维谱阵分析目前，LabVIEW、MATLAB等软件包中都提供了这些信号处理模块，另外在网上也能找到Basic语言和C语言的源代码，编程实现也不困难。仪器表头显示模块主要包括波形图、选钮、仪表头、推钮、温度计、棒图等仪表显示常用的软件仪表盘显示模块，如下图所示。LabVIEW、HPVEE等虚拟仪器开发平台提供了大量的这类软件模块供选择，设计虚拟仪器程序时直接选用就可以了。但这些开发平台很昂贵，一般只在专业场合使用。实际上表头等一些常用的虚拟仪器控件实现并不难，用VisualBasic、VisualC++语言编程时完全可以在标准Windows控件的基础上修改其Draw属性，自己编制虚拟仪器控件，并在程序中使用。LabViewAgilentVEEDASYLabDirectViewProcessControl常见的虚拟仪器软件平台其它的虚拟仪器开发平台LabWindows/CVIVisualBasicVisualC++其它基于图形的程序－LabViewLabview是为那些对诸如C、C++、VisualBasic、Delhi等编程语言不熟悉的测试领域的工作者开发的，它采用可视化的编程方式，设计者只需将虚拟仪器所需的显示窗口、按钮、数学运算方法等控件从Labview工具箱内用鼠标拖到面板上，布置好布局，然后在Diagram窗口将这些控件、工具按设计的虚拟仪器所需要的逻辑关系，用连线工具连接起来即可。FrontPanelControls=InputsIndicators=OutputsBlockDiagramAccompanying“program”forfrontpanelComponents“wired”together基于图形的程序－LabView基于图形的程序－LabViewLabVIEW和LabWindows/CVI详细教程可以到或的学习方法：看自带的大量例子：Help-FindExample一般大多数情况，找个例子