1 引言
虛擬儀器是基于計算機的儀器。計算機和儀器密切結合，構建虛擬儀器代替復雜笨重的模擬儀器是目前儀器發展的趨勢。與傳統儀器相比，虛擬儀器在智能化、處理能力、性價比、可操作性等方面都具有明顯優勢，能將分散的儀器設備集中管理，實現生產流程的自動化管理，提高生產效率，降低成本。
2 系統組成
本系統設計是一種新型的虛擬儀器測試系統，它是由數據采集系統和數據通訊子系統組成，其結構框圖如圖1所示。數據采集系統是以C8051F120單片機為核心，C8051F120單片機功能強大，可實現對目標信號精確采集、數字濾波和通過串口RS-232高速向上位機傳輸采集的數據通訊，上位機用LabVIEW完成數據的轉換處理、分析、顯示。數據采集系統和數據通訊系統通過RS-232串口進行高速數據通訊，插拔便捷。該虛擬儀器測試系統打破了LabVIEW等軟件平臺對虛擬儀器開發的束縛。
2.1下位機設計
2.1.1下位機硬件設計
數據采集系統是將現場采集到的模擬信號轉換成數字信號，并進行處理、傳輸、存儲等操作。該數據采集電路由嵌入式微處理器、模數轉換器、非易失性存儲器等器件組成。該數據采集系統運用最小功耗設計理論，可在電池供電下采集、記錄數據，并能長時間工作。
下位機硬件設計電路主要由高性能C8051F120單片機、A／D轉換接口電路、人機接口電路、串口通訊電路、電源電路、系統復位電路、A／D轉換電壓基準電路、外部時鐘電路、JTAG接口電路等組成。其硬件電路圖如圖2所示。
2.1.2下位機各模塊設計
(1) C8051F120單片機
C8051F120單片機是完全集成的混合信號片上系統SoC(System on Chip)級MCU器件，具有與MCS-51內核及指令集完全兼容的高速、流水線結構。機器周期由標準的12個系統時鐘周期降為1個系統時鐘周期，峰值可達25 MI／s。除了具有標準8051的數字外設部件之外，片內集成了數據采集和控制系統中常用模擬器件和其他數字外設及功能器件，兩個全雙工增強型串行通訊接口(UART)，真正12位、100 Ks／s逐次逼近型(SAR)8通道ADC，完全能夠滿足高速、高精度、多通道數據采集，數字濾波，數據傳輸的需求。此外，片內還集成基于JTAG協議的調試電路，通過JTAG接口可實現對C8051F120單片機閃存的讀寫操作，以及全速、非侵入式在系統調試。
(2) A／D轉換接口電路
C8051F120單片機的ADC0～ADC1子系統各通道輸入電壓應小于等于基準電壓，傳感器信號多為微弱電流信號，根據信號采集傳感器的特點，需在通道接口設計傳感器信號處理電路、電壓轉換電路和插拔式接口。
(3)人機接口電路
C8051F120單片機為100引腳TQFP封裝，具有標準8051的端口，還具有附加的4個8位I／O端口，這樣無需接口器件拓展I／O端口，采用在P0.2～P0.5 I／O端口連接發光二極管，采用共陰極方式設計D1～D44個工作狀態指示燈，在P1.0～P1.3 I／O端口使用按鍵開關設計KEY1～KEY4.4個數據采集系統控制按鍵，實現數據采集、數字濾波和數據傳輸功能。
(4)串口通訊電路
C8051F120單片機內部集成了2個全雙工增強型串行通訊接口(UART0和UART1)，支持通用異步協議(UART協議)和同步協議(SPI協議)。本系統采用UART協議，通過RS-232接口器件SP3223E完成單片機TTL電平到RS-232電平的轉換，實現C8051F120單片機與PC機的RS-232串口數據通信。
(5)電源電路
本系統采用220 V～50 Hz，5.5 VA／5 V～300 mA變壓器供電，電路通過電感外部供電轉化為5 V穩定電壓輸出，再通過硅整流二極管1N4001和電平轉換器AS1117把5 V電壓轉換為3.3 V穩定電壓(DV與AV)輸出，作為硬件系統工作電源。
(6)系統復位電路
在C8051F120單片機RST引腳設計復位電路，利用電容的充放電控制單片機的復位RST引腳為低電平，并保持2個機器周期以上，C8051F120單片機即可復位。
(7)其他電路
A／D轉換電壓基準電路和C8051F120單片機A／D轉換器采用片內基準電壓。該電路是由1.2 V、15 ppm／℃(典型值)的帶隙電壓基準發生器和帶有2倍增益的輸出緩沖放大器組成。內部基準電壓通過VREF引腳連接至應用系統的外部器件，在VREF引腳與AGND之間接人0.1μF和4.7μF的旁路電容。
(8)外部時鐘電路
采用C8051F120單片機外部時鐘，晶體振蕩器頻率為18.432 MHz，外部時鐘由外部諧振器、并行方式的晶體、電容、電阻連接到C8051F120單片機的XTAL1／XTAL2引腳。JTAG接口電路將單片機C8051F120片內JTAG邊界掃描和調試電路連接至C8051F120單片機開發調試程序下載軟硬件工具。
(9)溫度采集電路
采用Dallas公司的遵循一線通信協議溫度采集器件DS18B20。DS18B20集成度高，只有3個引腳，低功耗，采樣溫度精度可達0.5℃，廣泛應用于各種動態參數的監測電路。
2.1.3下位機軟件設計
下位機軟件設計流程圖軟件流程如圖3所示。
2.2上位機設計
上電后，單片機采集電流、電壓、溫度等數據，通過串口傳送至上位機進行模擬量信號顯示。
上位機虛擬儀器LabVIEW的編程環境分為前面板(panel)和流程圖(block diagram)。前面板分別為程序控制(輸入)和結果顯示(輸出)部分，形成如同傳統儀器前面板一樣的VI前面板。在程序運行期間，用戶通過前面板控制、觀測，如同使用一臺儀器。程序實現的代碼部分使用G語言在流程圖中編寫。G語言編程過程主要是將代表功能模塊(運算符或VI)的一個個圖標放置在流程圖中，用戶按希望的數據傳遞次序和方向將這些模塊的輸入／輸出連接出來。上位機軟件流程圖如圖4所示。
上位機設計包括以下關鍵模塊：
(1)串口連接通路
儀器本身支持與計算機的通信，儀器和計算機之間存在適當的連接通路，計算機在硬件上支持該連接通路，采用標準DB9串口電纜進行連接，直接利用計算機的串口。
(2)波形操作模塊
波形函數位于Functions→All Functions→Waveform子模板。數據采集中，要從每個通道中各采集一個波形，這時數據采集函數輸出的數據類型就是一個波形數組。獲得波形數組后，使用數組函數從數組中提取波形元素，然后顯示波形數據。
(3)采樣定理的應用
根據采樣定理，采樣頻率fs必須至少是測量信號所包含的最高頻率fm的2倍，這樣采樣數據才能包含原始信號的所有頻率分量的全部信息。如果信號中包含的頻率高于fs／2的成分，則信號將在0 Hz和fs／2之間發生畸變。當采樣頻率過低時，由于所采樣的數據還原的信號頻率與原始信號不同，將發生混疊。
3 結束語
使用本動態參數監測系統對某公司研制的新型模擬信號監測系統信號進行測試，同時也為測定該系統的性能參數提供的可供參考的檢測手段，要求進一步更新完善設計。現場的試驗與應用表明，該系統具有精度高、測試可靠，操作簡單方便、結果表達直觀等特點。
該系統擺脫了虛擬儀器開發對LabVIEW等軟件平臺的依賴和PCI總線等數據采集板卡的束縛，具有一定的創新性和很高的實用性。