信号采集系统中的数据传输、显示与处理
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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，
已经很难满足实际工作的需要。集成电路和计算机技术的迅猛发展使电子测量
仪器逐渐向数字化、智能化方向发展，与传统仪器相比表现为：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。
微型计算机的普及程度和性能不断提高，使得基于PC平台的虚拟仪器系统应运
而生。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，可以很好地满足学校
科研和教学改革的需要。
本文论述了基于虚拟仪器概念的信号采集系统的实现方案。使用自主开发
的数据采集卡，最终实现了基于PC平台的，具有频率计和频谱分析仪功能的
数字存储示波器系统。由于使用了LabVIEW进行系统的软件开发，使得本系
统具有很好的通用性和灵活性。本文主要讨论在信号采集过程中的数据传输、
显示和处理的方法以及实现过程中的关键技术。
数据传输是虚拟仪器系统中首先要解决的问题，本文使用基于动态链接库
的LabVIEW驱动程序，实现了在LabVIWE中对仪器硬件的控制和对采样数据
的传输。采样方式决定数字存储示波器的有效带宽，本文采用实时采样和等效
采样相结合的方法，对高频周期性信号采用NT±△T等效采样法，有效地扩展
了示波器的带宽。本文提出一种确定波形显示起始点的算法——最小均方误差
法，解决了波形刷新时的同步问题。本文介绍了在软件面板中实现频谱仪的方
法。最后，讨论了系统中可能出现的干扰和噪声并采取了相应的解决方法。
With the advancement of science and technology, the development of
measurement technique is getting more and more important. The application of
electronic measurement technique has extended to more fields than ever. Due to
limited functions and big size, traditional electronic measurement equipment is no
longer suited for common purposes. Thanks to the rapid development of integrated
circuit and computer technology, measurement instruments are becoming digitized
and intelligentized. Compared with traditional equipment, the new instruments have
more functions, higher processing speed, wider bandwidth, friendlier interface,
smaller size and better expandability. The prevalence and rocketing development of
personal computers give birth to a new kind of instrument, Virtual Instrument (VI). VI
is based on PC platform, and can make use of the software and hardware resources of
a PC. Compared with its ability of data processing and flexibility, VI has a low price,
which means it is a good choice for research and teaching reform in universities.
This dissertation discusses the implementation of a signal acquisition system,
based on the concept of VI. With a self-developed data acquisition card connected to
PC, a digital storage oscillograph (DSO) with the function of cymometer and
spectrum analyzer is developed. The usage of LabVIEW, the specialized VI software
platform, gives the system more flexibility and wider application. This dissertation
focuses on key techniques in data transmission, display and processing.
The main elements of this dissertation are as follows: developing LabVIEW
instrument driver using Windows dynamic link library (DLL), combining real time
and equivalent time (NT ?A T) sampling methods in signal acquisition, adoption of
minimum mean square error (MMSE) method to synchronize signal displaying,
realization of spectrum analyzer in LabVIEW and solutions to the noises possible to
appear in the system.
领域得到越来越广泛的应用，传统的电子测量仪器由于其功能单一，体积庞大，
已经很难满足实际工作的需要。集成电路和计算机技术的迅猛发展使电子测量
仪器逐渐向数字化、智能化方向发展，与传统仪器相比表现为：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。
微型计算机的普及程度和性能不断提高，使得基于PC平台的虚拟仪器系统应运
而生。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，可以很好地满足学校
科研和教学改革的需要。
本文论述了基于虚拟仪器概念的信号采集系统的实现方案。使用自主开发
的数据采集卡，最终实现了基于PC平台的，具有频率计和频谱分析仪功能的
数字存储示波器系统。由于使用了LabVIEW进行系统的软件开发，使得本系
统具有很好的通用性和灵活性。本文主要讨论在信号采集过程中的数据传输、
显示和处理的方法以及实现过程中的关键技术。
数据传输是虚拟仪器系统中首先要解决的问题，本文使用基于动态链接库
的LabVIEW驱动程序，实现了在LabVIWE中对仪器硬件的控制和对采样数据
的传输。采样方式决定数字存储示波器的有效带宽，本文采用实时采样和等效
采样相结合的方法，对高频周期性信号采用NT±△T等效采样法，有效地扩展
了示波器的带宽。本文提出一种确定波形显示起始点的算法——最小均方误差
法，解决了波形刷新时的同步问题。本文介绍了在软件面板中实现频谱仪的方
法。最后，讨论了系统中可能出现的干扰和噪声并采取了相应的解决方法。
With the advancement of science and technology, the development of
measurement technique is getting more and more important. The application of
electronic measurement technique has extended to more fields than ever. Due to
limited functions and big size, traditional electronic measurement equipment is no
longer suited for common purposes. Thanks to the rapid development of integrated
circuit and computer technology, measurement instruments are becoming digitized
and intelligentized. Compared with traditional equipment, the new instruments have
more functions, higher processing speed, wider bandwidth, friendlier interface,
smaller size and better expandability. The prevalence and rocketing development of
personal computers give birth to a new kind of instrument, Virtual Instrument (VI). VI
is based on PC platform, and can make use of the software and hardware resources of
a PC. Compared with its ability of data processing and flexibility, VI has a low price,
which means it is a good choice for research and teaching reform in universities.
This dissertation discusses the implementation of a signal acquisition system,
based on the concept of VI. With a self-developed data acquisition card connected to
PC, a digital storage oscillograph (DSO) with the function of cymometer and
spectrum analyzer is developed. The usage of LabVIEW, the specialized VI software
platform, gives the system more flexibility and wider application. This dissertation
focuses on key techniques in data transmission, display and processing.
The main elements of this dissertation are as follows: developing LabVIEW
instrument driver using Windows dynamic link library (DLL), combining real time
and equivalent time (NT ?A T) sampling methods in signal acquisition, adoption of
minimum mean square error (MMSE) method to synchronize signal displaying,
realization of spectrum analyzer in LabVIEW and solutions to the noises possible to
appear in the system.
引文
[1] 董宝文、雷勇、刘奇、陈国强，基于虚拟仪器技术的智能仪器的开发与应 用，《实用测试技术》，2000年5月。
[2] Noel Adorno，LabVIEW Instrument Driver Standards， National Instruments Application Note，1998。
[3] LabVIEW Data Storage，National Instruments Application Note，2000。
[4] K．Fahy，E．Perez，Fast Fourier Transforms and Power Spectra in LabVIEW， National Instruments Application Note，1993。
[5] Scot Salmon，Using NI-VXI Software for VMEbus Systems，National Instruments Application Note，1998。
[6] 陈溯、王思华，VISA标准仪器驱动程序的编程，《计算机工程》，1998年11 月。
[7] 金昊、柯冬香，PC自动化测试技术及软件结构的研究，《国外电子测量技 术》，1998年第3期。
[8] 李俭川、张文娜，PC机打印口与便携式数据采集系统接口设计，《国外电 子元器件》，2000年第8期。
[9] 路林吉、饶家明，数据采集计数概论，《电子技术》，2000年第2期。
[10] 沈兰荪，《智能化仪器与信号处理技术》，科学出版社，1990。
[11] 陈敏、杨乐平，基于C语言的虚拟仪器系统开发，《测控技术》，1999年 9月。
[12] 蒋焕文、孙续，《电子测量》，中国计量出版社，1988年。
[13] 梅杓春、王勇，《现代电信仪表原理与应用》，人民邮电出版社，1998年。
[14] PC基仪器应运而生，《电子产品世界》，2000年10月。
[15] 马嘉，虚拟仪器及其应用，《现代仪器》，1999年第5期。
[16] Measurement and Automation，National Instruments，2000。
[17] LabVIEW：Code Interface Reference Manual，National Instruments， 1998。
[18] LabVIEW：User Manual，National Instruments，1998。
[19] LabVIEW．Function and Ⅵ Reference Manual，National Instruments， 1998。
[20] NI-VISA Programmer Reference Manual，National Instruments，1998。
[21] 《数学手册》，人民教育出版社，1979年。
[22] 张元、汪庆宝、方穗明，《数字信号处理》，北京工业大学出版社，1995 年。
[23] 张苗苗、谢剑英、方敏，多通道故障信号的采集处理及实现，《电子技术 应用》，2000年12月。
[24] 付桂翠、高泽溪，用PC机并口实现的多路数据采集系统，《无线电工程》， 1999年第1期。
[25] 马义德、时娟、魏伟，计算机总线结构的现状，《电子技术》，1996年第 10期。
[26] 孙景琪，《通信、广播电路与系统》，北京工业大学出版社，1994年。
[27] 梁志国、朱济杰，数据采集系统中动态噪声的评价方法，《现代计量测 试》，1999年第3期。
[28] 钱金山，计算机总线的发展趋势，《电讯技术》，1996年4月。
[29] W．H．普雷斯、B．P．弗拉内里，《数值方法大全》，兰州大学出版社，1991 年。
[30] 沈兰荪，《数据采集技术》，中国科学技术大学出版社，1990年。
[31] 沈兰荪，《高速数据采集系统的原理与应用》，人民邮电出版社，1995年。
[2] Noel Adorno，LabVIEW Instrument Driver Standards， National Instruments Application Note，1998。
[3] LabVIEW Data Storage，National Instruments Application Note，2000。
[4] K．Fahy，E．Perez，Fast Fourier Transforms and Power Spectra in LabVIEW， National Instruments Application Note，1993。
[5] Scot Salmon，Using NI-VXI Software for VMEbus Systems，National Instruments Application Note，1998。
[6] 陈溯、王思华，VISA标准仪器驱动程序的编程，《计算机工程》，1998年11 月。
[7] 金昊、柯冬香，PC自动化测试技术及软件结构的研究，《国外电子测量技 术》，1998年第3期。
[8] 李俭川、张文娜，PC机打印口与便携式数据采集系统接口设计，《国外电 子元器件》，2000年第8期。
[9] 路林吉、饶家明，数据采集计数概论，《电子技术》，2000年第2期。
[10] 沈兰荪，《智能化仪器与信号处理技术》，科学出版社，1990。
[11] 陈敏、杨乐平，基于C语言的虚拟仪器系统开发，《测控技术》，1999年 9月。
[12] 蒋焕文、孙续，《电子测量》，中国计量出版社，1988年。
[13] 梅杓春、王勇，《现代电信仪表原理与应用》，人民邮电出版社，1998年。
[14] PC基仪器应运而生，《电子产品世界》，2000年10月。
[15] 马嘉，虚拟仪器及其应用，《现代仪器》，1999年第5期。
[16] Measurement and Automation，National Instruments，2000。
[17] LabVIEW：Code Interface Reference Manual，National Instruments， 1998。
[18] LabVIEW：User Manual，National Instruments，1998。
[19] LabVIEW．Function and Ⅵ Reference Manual，National Instruments， 1998。
[20] NI-VISA Programmer Reference Manual，National Instruments，1998。
[21] 《数学手册》，人民教育出版社，1979年。
[22] 张元、汪庆宝、方穗明，《数字信号处理》，北京工业大学出版社，1995 年。
[23] 张苗苗、谢剑英、方敏，多通道故障信号的采集处理及实现，《电子技术 应用》，2000年12月。
[24] 付桂翠、高泽溪，用PC机并口实现的多路数据采集系统，《无线电工程》， 1999年第1期。
[25] 马义德、时娟、魏伟，计算机总线结构的现状，《电子技术》，1996年第 10期。
[26] 孙景琪，《通信、广播电路与系统》，北京工业大学出版社，1994年。
[27] 梁志国、朱济杰，数据采集系统中动态噪声的评价方法，《现代计量测 试》，1999年第3期。
[28] 钱金山，计算机总线的发展趋势，《电讯技术》，1996年4月。
[29] W．H．普雷斯、B．P．弗拉内里，《数值方法大全》，兰州大学出版社，1991 年。
[30] 沈兰荪，《数据采集技术》，中国科学技术大学出版社，1990年。
[31] 沈兰荪，《高速数据采集系统的原理与应用》，人民邮电出版社，1995年。