基于LabVIEW的虚拟频率计设计概述doc74Word下载.docx

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关键词：

虚拟仪器，LabVIEW，过零计数法，线性插值法，数据采集卡

Abstract

VirtualInstrumentisbasedoncomputerrelatedhardwareandsoftwarebyincreasingthebuildingmadewithavisualinterfaceoftheinstrument,whichcombinesthetesttheory,theoryandtechnologyequipment,computerinterfacetechnology,high-speedbustechnologyandgraphicssoftwareprogrammingtechnology.Theuseofpowerfuldigitalcomputerprocessingpowertoachievetheinstrument'

smanyfeatures,thetraditionalinstrumentsoftheframeworkisbroken,theformationofanewinstrumentmodelisestablished.

TheVirtualInstrumenttechnologypresentconditionandandfuturedevelopmenttrendarefirstlyanalyzedinthispaper,theknowledgeofrelatedvirtualinstrumentandLabVIEWaredescribed.Thetheoreticalbasisofvirtualfrequencymeterareelaborated,theworkingprinciplesofzero-crossingcountingmethodandlinearinterpolationmethodareelaborated.Theflowdiagramofvirtualfrequencymeterisdesigned.TheprogrammingmethodofthedriversoftwarerelatedDAQmxaredescribed,thesimulationequipmentisestablished,thefluctuationsofwaveformareexcluded.analogwaveformisgeneratedbysimulationequipment,Theflowdiagramofvirtualfrequencymeterisverified.Thetheoreticaldatacollectionisdescribed，thedriverdiagramofUSB2832dataacquisitioncardisdesigned.Frequencymeasurementanderroranalysisarecompleted,Nyquisttheoremisverified.

KeyWords:

VirtualInstrument,LabVIEW,zero-crossingcountingmethod,linearinterpolation,dataacquisitioncard

第1章引言

1.1测控技术的发展现状

测控技术在现代科学技术、工业生产和国防科技等诸多领域中应用十分广泛，它的现代化已被认为是科学技术、国防现代化的重要条件和明显标志。

20世纪70年代以来，计算机、微电子等技术迅猛发展，在其推动下，测控仪器与技术不断进步，相继诞生了智能仪器、PC仪器、VXI仪器、虚拟仪器及互换性虚拟仪器等微机化仪器及其自动测控系统，计算机与现代化仪器设备间的界限日渐模糊，测控领域和范围不断拓宽[1]。

近年来，以计算机为中心、以网络为核心的网络化测控技术与网络化测控系统得到越来越多的应用，尤其是在航空航天等国防科技领域。

网络化的测控系统大体上由两部分组成：

测控终端与传输介质，随着个人计算机的高速发展，测控终端的位置越来越多的被个人计算机所占据，其中，软件系统是计算机系统的核心，甚至是整个测控系统的灵魂，应用于测控领域的软件系统称为监控软件。

传输介质组成的通信网络主要完成数据的通信与采集，这种数据采集系统是整个测控系统的主体，是完成测控任务的主力。

这种“监控软件－数据采集系统”构架的测控系统结构在很多领域都得到了广泛的应用，并形成了一套完整的理论[2]。

随着科学技术的发展，在我国国防、通信、航天、航空、气象、环境监测、制造等领域，要求测控和处理的信息量越来越大、速度越来越快。

同时测控对象的空间位置日益分散，测控任务日益复杂，测控系统日益庞大，因此，提出了测控现场化、远程化、网络化的要求。

传统的单机仪器己远远不能适应大数量、高质量的信息采集要求，产生了由计算机控制的测控系统，系统内单元通过各种总线互连，进行信息的传输[3]。

网络化的测控技术兴起于国外，是在计算机网络技术、通信技术高速发展，以及对大容量分布式测控的大量需求背景下发展起来。

主要可分为以下几个阶段。

第一阶段：

起始于20世纪70年代通用仪器总线（GPIB）的出现，GPIB实现了计算机与测控系统的首次结合，使得测量仪器从独立的手工操作单台仪器开始走向计算机控制的多台仪器的测控系统。

此阶段是网络化测控系统的雏形与起始阶段。

第二阶段：

起始于20世纪80年代VXI标准化仪器总线的出现，VXI系统可以将大型计算机昂贵的外设、VXI设备、通信线路等硬件资源以及大型数据库程序等软件资源纳入网络，使得这些宝贵的资源得以共享。

此阶段是网络化测控系统的初步发展阶段。

第三阶段：

随着技术的发展，现场总线技术的出现带动了现场总线控制系统（FCS）的迅速发展，使得可以在一个工厂范围内通过总线将成千上万个智能传感器/变送器等智能化的仪表组成一个网络化测控仪器系统，此阶段是网络化测控系统的快速发展阶段。

第四阶段：

在对现代化要求极高的领域，传统的测控系统已经逐渐无法满足用户的要求。

许多部门或大型企业迫切要求构建基于Internet或大型局域网的网络化测控系统，即通常所说的分布式测控网络，此阶段是网络化测控系统发展的成熟阶段[4]。

1.2虚拟仪器的概述

1.2.1虚拟仪器的概念 

虚拟仪器的概念是由美国国家仪器公司（National 

Instruments）最先提出的[5]。

所谓虚拟仪器是基于计算机的软硬件测试平台，它可代替传统的测量仪器，如示波器、逻辑分析仪、信号发生器、频谱分析仪等；

可集成于自动控制、工业控制系统之中；

可自由构建成专有仪器系统。

虚拟仪器是智能仪器之后的新一代测量仪器。

虚拟仪器的核心技术思想就是“软件即是仪器” 

。

该技术把仪器分为计算机、仪器硬件和应用软件三部分。

虚拟仪器以通用计算机和配备标准数字接口的测量仪器（包括GPIB、RS-232等传统仪器以及新型的VXI模块化仪器）为基础，将仪器硬件连接到各种计算机平台上，直接利用计算机丰富的软硬件资源，将计算机硬件（处理器、存储器、显示器）和测量仪器（频率计、示波器、信号源）等硬件资源与计算机软件资源（包括数据的处理、控制、分析和表达、过程通讯以及图形用户界面）有机的结合起来[6]。

1.2.2 

虚拟仪器的特点及优势 

虚拟仪器是基于计算机的功能化硬件模块和计算机软件构成的电子测试仪器，而软件是虚拟仪器的核心。

如图2-1所示，其中软件的基础部分是设备驱动软件，而这些标准的仪器驱动软件使得系统的开发与仪器的硬件变化无关。

这是虚拟仪器最大的优点之一，有了这一点，仪器的开发和换代时间将大大缩短[7]。

虚拟仪器中应用程序将可选硬件（如GPIB，VXI，RS-232，DAQ板）和可重复用库函数等软件结合在一起，实现了仪器模块间的通信、定时与触发。

源代码库函数为用户构造自己的虚拟仪器（VI）系统提供了基本的软件模块。

由于VI的模块化、开放性和灵活性，以及软件是关键的特点，当用户的测试要求变化时可以方便地由用户自己来增减硬、软件模块，或重新配置现有系统以满足新的测试要求[8]。

图2-1虚拟仪器的开发框图

虚拟仪器技术的优势在于可由用户定义自己的专用仪器系统，且功能灵活，很容易构建，所以应用面极为广泛。

虚拟仪器技术十分符合国际上流行的“硬件软件化”的发展趋势，因而常被称作“软件仪器” 

它功能强大，可实现示波器、逻辑分析仪、频谱仪、信号发生器等多种普通仪器全部功能，配以专用探头和软件还可检测特定系统的参数，如汽车发动机参数、汽油标号、炉窑温度、血液脉搏波、心电参数等多种数据；

它操作灵活，完全图形化界面，风格简约，符合传统设备的使用习惯，用户不经培训即可迅速掌握操作规程。

1.2.3虚拟仪器技术的发展趋势

虚拟仪器是微电子、通信、计算机等现代科学技术高速发展的产物。

自从1785年库仑发明静电扭秤，1834年哈里斯提出静电电表结构以来，电测仪表和电子仪器随相关技术的进步、仪器仪表元器件质量的提高和测量理论方法的改进得到飞速发展。

伴随微电子技术、计算机技术、网络技术的迅速发展及在电工电子测量技术领域的应用，测量仪器也不断进步和发展，出现了智能仪器[9]。

智能仪器是将微机置于仪器内部，使仪器具有控制、存储、运算、逻辑判断及自动操作等智能特点，并在测量准确度、灵敏度、可靠性、自动化程度、运用能力及解决测量技术问题的深度和广度等方面都有明显的进步。

这种内置微处理器的仪器，既能进行自动测试又能完成数据处理，可取代部分的脑力劳动。

随着电子技术、微计算机技术的发展，智能仪器的智能水平不断提高。

基于虚拟仪器技术的数据采集系统的提出在一定程度上解决了传统数据采集所面临的问题，虚拟仪器数据采集系统成为当今数据采集系统发展的重要方向。

本文正是在虚拟仪器技术的基础上对多通道数据采集系统进行了设计，实现多路信号的采集，并对实验数据进行实时显示、记录、分析处理。

虚拟仪器的出现是仪器发展史上的一场革命，代表着仪器发展的最新趋势和新方向，并且是信息技术的重要领域扩充，对科学技术的发展和工业生产将产生不可估量的影响[10]。

1.2.4虚拟仪器技术在教学实验中的应用前景

在电工及机械电子类课程中，实验是一种重要的教学手段。

学生通过实验可以加深对所学知识的理解，增强学习的兴趣,提高动手能力，锻炼在实践中发现问题、分析问题、解决问题的能力。

但是,近年来高校的大幅度扩招,学生人数急剧增加,实验室的设备和规模已远远不能满足教学的需要，实验室常规设备多已老化，有的技术落后有待更换，同时常规实验设备