虚拟仪器技术基础及其应用研究
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摘要
随着科学技术的进步，对测量技术的要求越来越高。电子测量技术在各个领域得到了越来越广泛的应用。传统的电子测量仪器由于其功能单一，体积庞大，已经很难满足实际测量工作中多样性、多功能的需要。随着集成电路和计算机技术的迅猛发展虚拟仪器技术应运而生。它与传统仪器相比，功能更强、处理速度更快、频带更宽、用途更广、操作更简单、体积更小、可扩充性更好。虚拟仪器可以充分利用计算机的运算、存储和显示功能。因而在降低仪器成本的同时，使仪器的灵活性和数据处理能力大大提高，可以更方便的组建测试系统，更好的满足多种测量要求。
本文以低频虚拟示波器和虚拟电感测微仪为主要研究对象，从采样定理入手，分析了Dos下和Windows下的不同模式，论述了基于虚拟仪器概念的信号采集系统在Windows2000操作系统中的实现方案。
本论文研究了虚拟仪器的基本设计方法，从数据采集卡、ISA总线、Windows 2000操作系统、Windows计时器、波形恢复算法等方面，讨论了数字信号的实时显示问题。结合PC6310数据采集卡，在Windows 2000环境下开发了信号实时采集和显示的程序。
本论文重点研究了信号波形的恢复与显示技术，利用基于自由端点条件的三次样条插值算法实现波形的插值，分析了移动平均法不同形式的加权函数和各种噪声干扰的形式，用基于标准正态分布的加权函数的移动平均法和比较法分别实现了各种噪声的降低和消除，并设计出了算法模块，具有良好的可移植性，可以重复使用在不同的系统中。
最后，利用DIB位图方式实现了波形的存储和打印，拓展了仪器的功能。整个系统具有良好的灵活性和通用性。
本系统为进一步研究和开发基于不同应用背景的虚拟仪器奠定了基础。运行结果证明，本论文所采用的理论和方法是正确可行的。
With the development of science and technology, the requirement on measurement technology is getting more and more important. The application of electronic measurement technology has extended to more fields than before. Due to limited functions and big size, traditional electronic measuring equipments are no longer suitable to common purposes. The rapid development of integrated circuit and computer technology gives birth to a new kind of instrument, Virtual Instrument( VI). Compared with traditional equipment, VI characterizes with more functions, higher processing speed, wider bandwidth, friendlier interface, small size and better expandability. It is based on PC platform, which make it convenient to use the software and hardware resources of PC and get the ability of data processing flexible. With VI, a measure system can be easily builded for different requirements.
This dissertation discusses the implementation of virtual oscillograph and virtual inductance micrometer. It analyses the sampling theorem and the different mode in Dos and Windows, accomplishing a signal acquisition system in Win32 operation system.
This dissertation studies the basic design method of VI, discusses the realtime display of digital signal with the points of data acquisition card, ISA line, Windows 2000 operation system, the calculagraph of Windows, etc. Combined with PC6310 data acquisition card, the programme with the functions of data realtime acquisition and display in Windows 2000 is developed.
This dissertation emphasizes on the technology of wave resuming and displaying. Using thrice spline arithmetic on wave resuming, and moving average on reducing noises. The arithmetic module has good independence and can be used in different system repeatedly.
Finally, the dissertation develops the storage and print function of VI by using DIB bitmap mode. The whole system has good flexibility and generalization.
The system settles a basis for further research and development in different background. Operation results testify the correctness and feasibility of the applied theory and method.
本文以低频虚拟示波器和虚拟电感测微仪为主要研究对象，从采样定理入手，分析了Dos下和Windows下的不同模式，论述了基于虚拟仪器概念的信号采集系统在Windows2000操作系统中的实现方案。
本论文研究了虚拟仪器的基本设计方法，从数据采集卡、ISA总线、Windows 2000操作系统、Windows计时器、波形恢复算法等方面，讨论了数字信号的实时显示问题。结合PC6310数据采集卡，在Windows 2000环境下开发了信号实时采集和显示的程序。
本论文重点研究了信号波形的恢复与显示技术，利用基于自由端点条件的三次样条插值算法实现波形的插值，分析了移动平均法不同形式的加权函数和各种噪声干扰的形式，用基于标准正态分布的加权函数的移动平均法和比较法分别实现了各种噪声的降低和消除，并设计出了算法模块，具有良好的可移植性，可以重复使用在不同的系统中。
最后，利用DIB位图方式实现了波形的存储和打印，拓展了仪器的功能。整个系统具有良好的灵活性和通用性。
本系统为进一步研究和开发基于不同应用背景的虚拟仪器奠定了基础。运行结果证明，本论文所采用的理论和方法是正确可行的。
With the development of science and technology, the requirement on measurement technology is getting more and more important. The application of electronic measurement technology has extended to more fields than before. Due to limited functions and big size, traditional electronic measuring equipments are no longer suitable to common purposes. The rapid development of integrated circuit and computer technology gives birth to a new kind of instrument, Virtual Instrument( VI). Compared with traditional equipment, VI characterizes with more functions, higher processing speed, wider bandwidth, friendlier interface, small size and better expandability. It is based on PC platform, which make it convenient to use the software and hardware resources of PC and get the ability of data processing flexible. With VI, a measure system can be easily builded for different requirements.
This dissertation discusses the implementation of virtual oscillograph and virtual inductance micrometer. It analyses the sampling theorem and the different mode in Dos and Windows, accomplishing a signal acquisition system in Win32 operation system.
This dissertation studies the basic design method of VI, discusses the realtime display of digital signal with the points of data acquisition card, ISA line, Windows 2000 operation system, the calculagraph of Windows, etc. Combined with PC6310 data acquisition card, the programme with the functions of data realtime acquisition and display in Windows 2000 is developed.
This dissertation emphasizes on the technology of wave resuming and displaying. Using thrice spline arithmetic on wave resuming, and moving average on reducing noises. The arithmetic module has good independence and can be used in different system repeatedly.
Finally, the dissertation develops the storage and print function of VI by using DIB bitmap mode. The whole system has good flexibility and generalization.
The system settles a basis for further research and development in different background. Operation results testify the correctness and feasibility of the applied theory and method.
引文
1．沈大鹏，高扬杰．虚拟仪器的设计与实现一则．仪表技术，2000(6)
2．鞠阳．一种新型程控正弦信号发生器．仪表技术，1998(3)
3．陈一尧，黄丽，方红斌．数字合成正弦波发生器．仪表技术，1998(5)
4．秦树人，汤宝平．面向21世纪的绿色仪器系统．中国机械工程，2000(3)
5．龙志强，赵海龙，罗辉．虚拟仪器测试技术研究．仪表技术，2000(3)
6．秦树人，张思复，汤宝平，何辉，王旭．集成测试技术与虚拟示仪器--面向21世纪的仪器系统．中国机械工程，1999(1)
7．刘亚．虚拟仪器的构建技术．计算机自动测量与控制，1999．7(3)
8．金登男．虚拟仪器的新型组建技术．仪表技术，2000(3)
9．张小牛，侯国平，赵伟．虚拟仪器技术回顾与展望．测控技术，2000(9)
10．应怀樵．虚拟仪器与计算机采集测试分析仪器的发展和展望．测控技术，2000(8)
11．周永强，姚振和．虚拟仪器数据采集系统的研制．长江科学院院报，1999(4)
12．周群，雷勇，刘连宇．虚拟仪器设计思想及应用．四川联合大学学报(工程科学版)，1998(3)
13．朱晓华，章玉鉴．用ActiveX控件构造虚拟仪器．计算机应用，1998(12)
14．文西芹，肖兴明，宁晓明．测试仪器的现状及发展趋势．连云港化工高等专科学校学报，2000(12)
15．谢云．一种虚拟示波器的设计．微计算机信息，1998(6)
16．杨小英，李瑾，郑明方．虚拟仪器在自控原理实验课中的应用．实验室研究与探索，1998(4)
17．赵伟，吕鸿莉，祝中山，唐统一．微机化仪器及其自动测试系统．电测与仪表，1996(3)
18．陈迈涛，王友钊．利用虚拟仪器技术设计的网络化旋转机械状态监测系统．电子技术应用，2001(3)
19．李玉柏．基于VXI总线的虚拟仪器平台．测控技术，1997(3)
20．王晓霞．虚拟仪器仪表的一种新的发展模式．计算机自动测量与控制，1997(4)
21．周泓．虚拟仪器系统I／0接口软件—VISA．国外电子测量技术，1998(5)
22．乐广德，郭东辉，刘瑞堂．虚拟仪器结构及其可视化编程的技术进展．计算机自动测量与控制，2001(9)
23．秦树人．工程信号中的小波采样与小波分析．重庆大学学报，1996(5)
24．杜斌．虚拟示波器中信号时频参数的测量．测控技术，2001(1)
25．马恩云，孟汉城．DSP在VXI总线消息基器件中的应用．测控技术，2001(1)
26．李扬，郑莹娜，朱铮涛，司徒忠．高性能虚拟示波器的研究．工业仪表与自动化装置，1999(2)
27．李琼，付平，张忠亭．虚拟仪器软件结构VISA的研究．测控技术，1999(5)
28．廖双龙，马勇昌，王有钊．用LabView 5.0在Win95／Win98下为自制的数据采集卡开发驱动程序．测控技术，1999(5)
29. L. Angrisani,P. Daponte, M.D' Apuzzo. A virtual digital signal-processing instrument for measuring superimposed power line disturbances.Measurement,24(1998)
30. Marc De Wulf,Jan Melkebeek.On the advantages and drawbacks of using digital acquisition systems for the determination of magnetic properties of electrical steel sheet and strip.Journal of magnetism and magnetic materials,196-197(1999) 940-942
31.F.V. Topalis, I.F. Gonos, G.A. Vokas.Arbitrary waveform generator for harmonic distortion tests on compact fluorescent lamps.Measurement,30(2001) 257-267
32.Salvatore Nuccio,Ciro Spataro.Assessment of virtual instruments measurement uncertainty.Computer Standards & Interfaces,23(2001) 39-46
33.Z. Weissman, R.Z. Yahel. Communication courseware for college students.Computer Physics Communications 121-122(1999) 578-582
34.Giancarlo Fortino,Libero Nigro.Development of virtual data acquisition systems based on multimedia internetworking.Computer Standards & Interfaces 21(1999) 429-440
35.A. Kaelin-Lang,L.G. Cohen. Enhancing the quality of studies using transcranial magnetic and electrical stimulation with a new computer-controlled system. Journal of Neuroscience Methods 102(2000) 81-89
36.Stanislaw L.Randzio.Towards a global virtual instrument control and a virtual link between experiment and modeling.Thermochimica Acta 355(2000)107-133
37.Andrew A. Bettiol,J.A. van Kan,T.C. Sum, F.Watt.A LabVIEW-based scanning and control system for proton beam micromachining. Nuclear Instrument and Methods in Physics Research B 181(2001) 49-53
38.A.P.Rodrigues, C.M.B Correia, C.A.F. Varandas,F.Schneider. Multiple DSP system for real time parallel processing and feedback control on fusion experiments.Fusion Engineering and Design 43(1999)401-405
39.J.W. Gardner, M. Vidic, P. Ingleby, A.C. Pike, J.E. Brignell, P.Seivier, P.N. Bartlett,A.J. Duke,J.M. Elliott. Response of a poly (pyrrole) resistive micro-bridge to ethanol vapour. Sensors and Actuators B 48(1998)289-295
40.John C. Waller,Natalie Foster.Training via the web:a virtual instrument.Computer & Education 35(2000) 161-167
41.F. Toran, D. Ramirez, A.E. Navarro, S. Casans, J. pelegri, J.M. Espi.Design of a virtual instrument fot water quality monitoring across the internet. Sensors and Actuators B 76(2001)281-285
42．PC-6310模入接口卡技术说明书，中泰计算机技术研究所
43．Visual C++6.0技术内幕(第五版)．北京希望图书出版社，1999(4)
44．梅屯．常用电子仪表的使用与维修．人民邮电出版社，1995(9)
45．梅杓春，王勇．现代电信仪表原理与应用．人民邮电出版社，1998(7)
46．李建平，唐远炎．小波分析方法的应用．重庆大学出版社，1999(10)
47．李建平．小波分析与信号处理-理论、应用及软件实现．重庆出版社，1997(12)
48．邓贤照，徐英凯．快速付立叶级数浅谈．北京水利电力出版社，1994(4)
49．Instruction Manual for Precision Roundness Measuring lnstrument EC-100.Kosaka Laboratory Ltd.
50．翟思华．EC-10D圆度仪微机化及误差评定技术的研究．大连理工大学硕士学位论文，1999(3)
51．佐藤辛男．信号处理入门．北京：科学出版社，2000
52．邓建中，葛仁杰，程正兴．计算方法．西安：西安交通大学出版社，1988
53．丁玉美，高西全．数字信号处理．西安：西安电子科技大学出版社，2001
54．高福祥，张君．接口技术．沈阳：东北大学出版社，1999
55．李衍达，常迥．信号重构理论及其应用．北京：清华大学出版社，1991
56．张国锋．C++语言及其程序设计教程．北京：电子工业出版社，1994
57．[澳]B.D.O．安德森，J．B．摩尔．最佳滤波．国防工业出版社，1983
58．沈福民．自适应信号处理．西安：西安电子科技大学出版社，2001
59．刘悦，廉庆荣．计算方法．大连：大连理工大学应用数学系，1999
60．李于剑．Visum C++实践与提高——图形图像编程篇．北京：中国铁道出版社，2001
61．席庆，张春林．Visum C++6.0实用编程技术．北京：中国水利水电出版社，1999
62．何斌，马天予，王运坚等．Visual C++数字图像处理．北京：人民邮电出版社，2001
63．蒋氏锦．科学计算和C程序集．合肥：中国科学技术大学出版社，1998
64．郑君里，应启绗，杨为理．信号与系统．北京：高等教育出版社，2000
65．王正洪，周振环．微机接口与应用．北京：中国石化出版社，2000
66．潘洪福，蒋正义．电子测量技术与仪表．重庆：科学技术文献出版社重庆分社，1991
67．孙仲康．快速傅里叶变换及其应用．北京：人民邮电出版社，1982
68．李世雄．小波变换及其应用．北京：高等教育出版社，1997
69．华南盾，朱杰，张林欣．电子测量原理与模拟电路实验．上海交通大学出版社，1993
70．张彦仲，沈乃汉．快速傅里叶变换及沃尔什变换．北京：航空工业出版社，1989
71．李崇德．现代数字存储示波器原理与应用．北京：电子工业出版社，1989
72．赵中义．示波器原理、维修与检定．北京：电子工业出版社，1990
73．林玉江．电子测量与微机测试技术．哈尔滨：黑龙江科学技术出版社，1986
74．林君，程德福．微型计算机卡式仪器原理、设计与应用．北京：国防工业出版社，1996
75．邵时，沈建华，王荣良．微机接口与通信实践教程．上海：华东师范大学出版社，1997
2．鞠阳．一种新型程控正弦信号发生器．仪表技术，1998(3)
3．陈一尧，黄丽，方红斌．数字合成正弦波发生器．仪表技术，1998(5)
4．秦树人，汤宝平．面向21世纪的绿色仪器系统．中国机械工程，2000(3)
5．龙志强，赵海龙，罗辉．虚拟仪器测试技术研究．仪表技术，2000(3)
6．秦树人，张思复，汤宝平，何辉，王旭．集成测试技术与虚拟示仪器--面向21世纪的仪器系统．中国机械工程，1999(1)
7．刘亚．虚拟仪器的构建技术．计算机自动测量与控制，1999．7(3)
8．金登男．虚拟仪器的新型组建技术．仪表技术，2000(3)
9．张小牛，侯国平，赵伟．虚拟仪器技术回顾与展望．测控技术，2000(9)
10．应怀樵．虚拟仪器与计算机采集测试分析仪器的发展和展望．测控技术，2000(8)
11．周永强，姚振和．虚拟仪器数据采集系统的研制．长江科学院院报，1999(4)
12．周群，雷勇，刘连宇．虚拟仪器设计思想及应用．四川联合大学学报(工程科学版)，1998(3)
13．朱晓华，章玉鉴．用ActiveX控件构造虚拟仪器．计算机应用，1998(12)
14．文西芹，肖兴明，宁晓明．测试仪器的现状及发展趋势．连云港化工高等专科学校学报，2000(12)
15．谢云．一种虚拟示波器的设计．微计算机信息，1998(6)
16．杨小英，李瑾，郑明方．虚拟仪器在自控原理实验课中的应用．实验室研究与探索，1998(4)
17．赵伟，吕鸿莉，祝中山，唐统一．微机化仪器及其自动测试系统．电测与仪表，1996(3)
18．陈迈涛，王友钊．利用虚拟仪器技术设计的网络化旋转机械状态监测系统．电子技术应用，2001(3)
19．李玉柏．基于VXI总线的虚拟仪器平台．测控技术，1997(3)
20．王晓霞．虚拟仪器仪表的一种新的发展模式．计算机自动测量与控制，1997(4)
21．周泓．虚拟仪器系统I／0接口软件—VISA．国外电子测量技术，1998(5)
22．乐广德，郭东辉，刘瑞堂．虚拟仪器结构及其可视化编程的技术进展．计算机自动测量与控制，2001(9)
23．秦树人．工程信号中的小波采样与小波分析．重庆大学学报，1996(5)
24．杜斌．虚拟示波器中信号时频参数的测量．测控技术，2001(1)
25．马恩云，孟汉城．DSP在VXI总线消息基器件中的应用．测控技术，2001(1)
26．李扬，郑莹娜，朱铮涛，司徒忠．高性能虚拟示波器的研究．工业仪表与自动化装置，1999(2)
27．李琼，付平，张忠亭．虚拟仪器软件结构VISA的研究．测控技术，1999(5)
28．廖双龙，马勇昌，王有钊．用LabView 5.0在Win95／Win98下为自制的数据采集卡开发驱动程序．测控技术，1999(5)
29. L. Angrisani,P. Daponte, M.D' Apuzzo. A virtual digital signal-processing instrument for measuring superimposed power line disturbances.Measurement,24(1998)
30. Marc De Wulf,Jan Melkebeek.On the advantages and drawbacks of using digital acquisition systems for the determination of magnetic properties of electrical steel sheet and strip.Journal of magnetism and magnetic materials,196-197(1999) 940-942
31.F.V. Topalis, I.F. Gonos, G.A. Vokas.Arbitrary waveform generator for harmonic distortion tests on compact fluorescent lamps.Measurement,30(2001) 257-267
32.Salvatore Nuccio,Ciro Spataro.Assessment of virtual instruments measurement uncertainty.Computer Standards & Interfaces,23(2001) 39-46
33.Z. Weissman, R.Z. Yahel. Communication courseware for college students.Computer Physics Communications 121-122(1999) 578-582
34.Giancarlo Fortino,Libero Nigro.Development of virtual data acquisition systems based on multimedia internetworking.Computer Standards & Interfaces 21(1999) 429-440
35.A. Kaelin-Lang,L.G. Cohen. Enhancing the quality of studies using transcranial magnetic and electrical stimulation with a new computer-controlled system. Journal of Neuroscience Methods 102(2000) 81-89
36.Stanislaw L.Randzio.Towards a global virtual instrument control and a virtual link between experiment and modeling.Thermochimica Acta 355(2000)107-133
37.Andrew A. Bettiol,J.A. van Kan,T.C. Sum, F.Watt.A LabVIEW-based scanning and control system for proton beam micromachining. Nuclear Instrument and Methods in Physics Research B 181(2001) 49-53
38.A.P.Rodrigues, C.M.B Correia, C.A.F. Varandas,F.Schneider. Multiple DSP system for real time parallel processing and feedback control on fusion experiments.Fusion Engineering and Design 43(1999)401-405
39.J.W. Gardner, M. Vidic, P. Ingleby, A.C. Pike, J.E. Brignell, P.Seivier, P.N. Bartlett,A.J. Duke,J.M. Elliott. Response of a poly (pyrrole) resistive micro-bridge to ethanol vapour. Sensors and Actuators B 48(1998)289-295
40.John C. Waller,Natalie Foster.Training via the web:a virtual instrument.Computer & Education 35(2000) 161-167
41.F. Toran, D. Ramirez, A.E. Navarro, S. Casans, J. pelegri, J.M. Espi.Design of a virtual instrument fot water quality monitoring across the internet. Sensors and Actuators B 76(2001)281-285
42．PC-6310模入接口卡技术说明书，中泰计算机技术研究所
43．Visual C++6.0技术内幕(第五版)．北京希望图书出版社，1999(4)
44．梅屯．常用电子仪表的使用与维修．人民邮电出版社，1995(9)
45．梅杓春，王勇．现代电信仪表原理与应用．人民邮电出版社，1998(7)
46．李建平，唐远炎．小波分析方法的应用．重庆大学出版社，1999(10)
47．李建平．小波分析与信号处理-理论、应用及软件实现．重庆出版社，1997(12)
48．邓贤照，徐英凯．快速付立叶级数浅谈．北京水利电力出版社，1994(4)
49．Instruction Manual for Precision Roundness Measuring lnstrument EC-100.Kosaka Laboratory Ltd.
50．翟思华．EC-10D圆度仪微机化及误差评定技术的研究．大连理工大学硕士学位论文，1999(3)
51．佐藤辛男．信号处理入门．北京：科学出版社，2000
52．邓建中，葛仁杰，程正兴．计算方法．西安：西安交通大学出版社，1988
53．丁玉美，高西全．数字信号处理．西安：西安电子科技大学出版社，2001
54．高福祥，张君．接口技术．沈阳：东北大学出版社，1999
55．李衍达，常迥．信号重构理论及其应用．北京：清华大学出版社，1991
56．张国锋．C++语言及其程序设计教程．北京：电子工业出版社，1994
57．[澳]B.D.O．安德森，J．B．摩尔．最佳滤波．国防工业出版社，1983
58．沈福民．自适应信号处理．西安：西安电子科技大学出版社，2001
59．刘悦，廉庆荣．计算方法．大连：大连理工大学应用数学系，1999
60．李于剑．Visum C++实践与提高——图形图像编程篇．北京：中国铁道出版社，2001
61．席庆，张春林．Visum C++6.0实用编程技术．北京：中国水利水电出版社，1999
62．何斌，马天予，王运坚等．Visual C++数字图像处理．北京：人民邮电出版社，2001
63．蒋氏锦．科学计算和C程序集．合肥：中国科学技术大学出版社，1998
64．郑君里，应启绗，杨为理．信号与系统．北京：高等教育出版社，2000
65．王正洪，周振环．微机接口与应用．北京：中国石化出版社，2000
66．潘洪福，蒋正义．电子测量技术与仪表．重庆：科学技术文献出版社重庆分社，1991
67．孙仲康．快速傅里叶变换及其应用．北京：人民邮电出版社，1982
68．李世雄．小波变换及其应用．北京：高等教育出版社，1997
69．华南盾，朱杰，张林欣．电子测量原理与模拟电路实验．上海交通大学出版社，1993
70．张彦仲，沈乃汉．快速傅里叶变换及沃尔什变换．北京：航空工业出版社，1989
71．李崇德．现代数字存储示波器原理与应用．北京：电子工业出版社，1989
72．赵中义．示波器原理、维修与检定．北京：电子工业出版社，1990
73．林玉江．电子测量与微机测试技术．哈尔滨：黑龙江科学技术出版社，1986
74．林君，程德福．微型计算机卡式仪器原理、设计与应用．北京：国防工业出版社，1996
75．邵时，沈建华，王荣良．微机接口与通信实践教程．上海：华东师范大学出版社，1997
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