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0、引言
所謂虛擬儀器就是以計算機(jī)作為儀器統(tǒng)一的硬件平臺，充分利用計算機(jī)的運(yùn)算、存儲、回放、調(diào)用、顯示及文件管理等智能化功能，同時把傳統(tǒng)儀器的專業(yè)化功能和面板控件軟件化，使之與計算機(jī)結(jié)合構(gòu)成一臺從外觀到功能都完全與傳統(tǒng)硬件儀器相同，同時又充分享用了計算機(jī)智能資源的全新儀器系統(tǒng)。與傳統(tǒng)儀器相比，它的最大特點就是把由儀器生產(chǎn)廠家定義儀器功能的方式轉(zhuǎn)變?yōu)橛捎脩糇约憾x儀器功能，滿足多種多樣的應(yīng)用需求。由于虛擬儀器的測試功能、面板控件都實現(xiàn)了軟件化，任何使用者都可通過修改虛擬儀器的軟件來改變它的功能和規(guī)模，這充分體現(xiàn)了“軟件就是儀器”的設(shè)計思想。虛擬儀器最有代表性的圖形化編程軟件是美國NI公司推出的Labview（laboratory virtual instrument engineering workbench即實驗室虛擬儀器工作平臺）。Labview使用了“所見即所得”的可視化技術(shù)建立人機(jī)界面，提供了許多儀器面板中的控制對象，如表頭、旋鈕、開關(guān)及坐標(biāo)平面圖等。用戶可以通過使用編輯器將控制對象改變?yōu)檫m合自己工作領(lǐng)域的控制對象。Labview提供了多種強(qiáng)有力的工具箱和函數(shù)庫，并集成了很多儀器硬件庫。Labview支持多種操作系統(tǒng)平臺，在任何一個平臺上開發(fā)的Labview應(yīng)用程序可直接移植到其它平臺上。
1、虛擬儀器的硬件結(jié)構(gòu)
傳感器：它的作用是將被測信號轉(zhuǎn)換為與之有對應(yīng)關(guān)系電信號。如測速發(fā)電機(jī)、流量傳感器等信號調(diào)理：它的作用包括信號放大或衰減、濾波、隔離、保護(hù)等。NI公司的儀器信號調(diào)理板卡SCXI是LabVIEW軟件直接支持的一個信號調(diào)理板卡，LabVIEW環(huán)境中調(diào)用非常方便。數(shù)據(jù)采集卡：它是外界信號進(jìn)入計算機(jī)的通道，在這個通道中要實現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換、放大或縮小、光電隔離等。選擇數(shù)據(jù)采集卡時，需要注意以下一些問題：數(shù)據(jù)分辨率、精度、最高采樣速度、通道數(shù)、總線接口類型。美國NI公司的數(shù)據(jù)采集卡很好，但價格貴，這里選用聲卡價格便宜，功能也夠用。計算機(jī)（LabVIEW）：它的作用是數(shù)據(jù)采集，分析，顯示和記錄。
2、虛擬儀器的軟件設(shè)計
軟件設(shè)計由兩部分組成：前面板和流程圖。在前面板，輸入用輸入控件（Control）來實現(xiàn)，程序運(yùn)行的結(jié)果由輸出控件（Indicator）來完成。流程圖是完成程序功能的圖形化源代碼，通過它對信號數(shù)據(jù)的輸入和輸出進(jìn)行指定，完成對信號采集及分析處理功能的控制。
2.1 測試系統(tǒng)中數(shù)據(jù)的采集
1）將數(shù)據(jù)采集卡安裝到計算機(jī)相應(yīng)的總線插槽中，安裝相應(yīng)的驅(qū)動程序。在驅(qū)動程序安裝的同時，專用管理軟件MAE會自動安裝在計算機(jī)中，并在桌面上顯示其圖標(biāo)，利用它可以對數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行檢測、性能測試和屬性配置。
2）利用LabVIEW進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。LabVIEW中數(shù)據(jù)采集控件主要位于NI Measurements子摸板，其到達(dá)途徑為函數(shù)模塊→All function→NIMeasurements，在此模塊的Data Acquisition子模塊中包含模擬輸入、模擬輸出、數(shù)字輸入輸出和計數(shù)器四種輸入輸出方式。在此使用模擬輸入方式，可以通過選擇Data Acquisition子模塊的Analog Input子模板中的初級、中級、應(yīng)用級、高級四個層次數(shù)據(jù)采集控件來實現(xiàn)。一般情況使用初級或中級就可以完成數(shù)據(jù)的采集。例如我們使用中級數(shù)據(jù)采集完成一個數(shù)據(jù)采集的流程為AI Single→AI Start→AI Reat→AIClear。
2.2 測試系統(tǒng)中的信號分析
1）測試信號的時域分析處理。
打開LabVIEW分析處理子模塊，可以看到它分為三個層次，分別是Express控件、波形控件和基本功能控件。可以對信號進(jìn)行分析處理，包括對信號幅值、周期頻率、相位的求取，還可以對信號進(jìn)行運(yùn)算、濾波、求卷積等。
2）信號的頻域分析與處理
在LabVIEW中，可以控件對測試信號進(jìn)行頻譜分析、功率譜分析、頻率響應(yīng)函數(shù)分析及相干函數(shù)分析等。
3、應(yīng)用舉例
在機(jī)械系統(tǒng)中經(jīng)常需要對振動信號進(jìn)行采集，分析。下面是用LabVIEW與聲卡結(jié)合采集振動信號的控制程序。這里數(shù)據(jù)采集卡用聲卡代替，因為它的價格便宜，技術(shù)已經(jīng)成熟。采集軟件除存盤和顯示采集的波形外，還要顯示功率譜密度波形。
下圖為采集到的振動實時的時域波形和對其做頻域分析時得到的功率譜密度波形，得知其振動頻率為74.1HZ。
4、結(jié)論
通過以上分析可以看出，使用虛擬儀器構(gòu)成測試系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和分析非常簡單和方便，它將越來越多被工程師和科學(xué)家喜愛，它的使用也越來越廣。
