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基于labview的虚拟示波器的设计
随着计算机技术的发展，传统仪器开始转向计算机化。虚拟仪器是现代计算机技术、仪器技术以及其他新技术完美结合的产物，其强大的功能已完全超出了仪器概念本身。本文首先叙述了虚拟仪器的概念、发展、组成等，接着采用图形化编程软件Labview设计了虚拟示波器以及它的虚拟频谱分析功能，重点介绍了Labview中使用第三方板卡――研华PCL-812PG实现外部模拟信号采集的方法。最后总结了本文所做的主要工作并提出了进一步研究的设想：虚拟仪器在internet网中的远程测控。
关键词:& 虚拟仪器、PCL-812PG、Labview.
第一章& 绪论
随着计算机技术的发展，传统仪器开始向计算机化的方向发展。虚拟仪器是20世纪90年代提出的新概念，是现代计算机技术，仪器技术及其他新技术完美结合的产物。虚拟仪器技术的提出与发展，是21世纪自动测试与电子测量仪器技术发展的一个重要方向[1]。
1. 1& 虚拟仪器的概述
&&& 虚拟仪器是现代技术与计算机技术结合的产物。随着计算机技术特别是计算机的快速发展，CPU处理能力的增强，总线吞吐能力的提高以及显示器技术的进步，人们逐渐认识到，可以把仪器的信号分析和处理、结果的表达与输出功能转移给计算机来完成。这样，可以利用计算机的高速计算能力和宽大的显示屏更好地完成原来的功能。如果在计算机内插上一块数据采集卡，就可以把传统仪器的所有功能模块都集中在一台计算机中了，而软件就成了虚拟仪器的关键，任何一个使用者都可以通过修改虚拟仪器的软件来改变它的功能，这就是美国NI公司“软件就是仪器”一说的来历[1]。
&&& 所谓虚拟仪器，就是在通用的计算机平台上定义和设计仪器的功能，用户操作计算机的同时就是在使用一台专门的电子仪器。虚拟仪器以计算机为核心，充分利用计算机强大的图形界面和数据处理能力，提供对测量数据的分析和显示功能。虚拟仪器的最大特点是其灵活性，用户在使用过程中，可以根据需要添加或删除仪器功能，以满足各种需求和各种环境，并且突破了传统仪器在数据处理、表达、传送以及存储方面的限制。
虚拟仪器的组成与传统仪器一样，由数据采集与控制、数据分析与处理、结果显示三部分组成。对于传统仪器，三部分几乎均由硬件完成，对于虚拟仪器，后两部分主要由软件来实现。与传统仪器相比，虚拟仪器设计日趋模块化、标准化，设计的工作量和复杂性都大大减小。
1. 2& 软件开发工具的简介
应用软件开发环境是设计虚拟仪器所必需的软件工具。应用软件开发环境的选择，可以开发人员的喜好不同而不同，但最终都必须提供给用户一个界面友好、功能强大的应用程序。软件在虚拟仪器中处于重要的地位，它肩负着对数据进行分析处理的任务，如数字滤波，频谱变换等。通常在编制虚拟仪器软件时，有两种方法：一种是传统的编程方法，采用高级语言，如VC、C++，C++ Buider；另一种是采用流行的图形化编程方法，如采用NI公司的labview。这次的毕业设计我主要是采用labview编程方法，因为它是图形化的编程语言，界面形象直观，有很多按钮、控件可以直接用来表示实际的仪器。虚拟仪器系统的软件主要包括仪器驱动程序、应用程序和软面板程序。仪器驱动程序主要用来初始化虚拟仪器，设定特定的参数和工作方式，使虚拟仪器保持正常的工作状态。应用程序主要对采集来的数据信号进行分
析处理，用户可以根据编制应用程序来定义虚拟仪器的功能。软面板程序用来提供与虚拟仪器的接口，它可以在计算机屏幕上生成一个和传统仪器相似
的图形界面，用于显示测量和处理的结果；另一方面，用户也可以通过控制软面板上的开关和按钮，模拟传统仪器的操作，通过键盘和鼠标，实现对虚拟仪器系统的控制。
1. 3& 本文的主要工作
数字示波器是实验、教学、科研中常用的电子仪器，可以采集信号并进行分析，但传统仪器都具有设备更新慢、功能单一、价格贵等缺点。本文主要是实现虚拟示波器的功能：从外界采样模拟信号，转化为相应的数字信号，在计算机上实现波形的显示，并能够进行简单的波形处理，比如说，可以延时采样，可以显示波形的最大值、最小值、平均值，并能够根据需要放大波形的倍数，在采样的任何时期可以结束采样。另外，还利用快速傅立叶变换实现了简单的频谱分析功能的实现。功能结构框图如下：
数据采集数据处理
&&&&&&&&&&&&&
第二章& 虚拟示波器的具体实现
2. 1& 图形化的编程语言labview
&&& labview主要用于仪器控制、数据采集、数据分析等领域，它是一种基于图形编程语言（G语言）的开发环境，主要是以框图形式编写程序。它与C等传统编程语言有着诸多相似之处，如：相似的数据类型、数据流控制结构、程序调制工具，以及层次化、模块化的编程特点。但二者最大的区别在于：传统编程语言用文本语言编程；而labview使用图形语言（即：各种图标、图形符号、连线等），以框图的形式编写程序。用labview编程无须太多的编程经验，因为labview使用的都是测试工程师熟悉的术语和图标，如各种旋钮，开关，波形图等，界面直观形象。
&&& labview是一个功能强大的集成开发环境，它完整的集成了与GPIB、VXI、RS-232和内插式数据采集卡等硬件的通讯。Labview还具有内置程序库，提供了大量的连接机制，通过DLLs、共享库、OLE等途径实现与外部程序代码的连接。使用labview开发环境，用户可以创建32位的编译程序，从而为常规的数据采集、测试等任务提供了更快的执行速度。labview是真正的编译器，用户可以创建独立的可执行程序，能够脱离开发环境而单独运行[2]。
&&& 一个labview程序包含三个主要部分：前面板、框图程序、图标/连接端口。前面板是labview程序的交互式图形化用户界面，用于设置用户输入和显示程序输出，目的是仿真真实仪器的前面板。框图程序则是利用图形语言对前面板上的控制量和指示量进行控制。图标/连接端口用于把labview程序定义成一个子程序，以便在其他程序中加以调用，这使labview得以实现层次化，模块化编程。
2. 2& 虚拟示波器的界面实现
图2-1是虚拟示波器的主界面：上半部分是波形显示部分，用于显示采集的波形，下半部分是对波形的频谱分析。
&&图2-1 示波器主界面的实现
&&& 采集来的信号首先要在图2-1的波形实时显示部分进行显示，即图2-2。&&&&&&
图2-2 波形实时显示界面
如图2-2的软面板是实时波形显示窗口，可以显示实时采样波形。右上边可以直接得到采样数据的最大值、最小值、平均值。右下边包含了放大倍数、采样延迟时间两个旋钮。通过这两个旋钮，可以调整实时波形在屏幕上的显示效果。另外，面板上还有采样结束按钮，用于结束采样。波形实时显示面板下面是一个工具面板：用X和Y按钮可以改变X、Y轴的比例。如果想让绘制的图形自动适应变化的坐标比例，可以单击每个按钮左边的锁定
开关，使其自动锁定。第二列的两个是设置X、Y轴刻度值数字表示方式的快捷方式，单击后可以对精度等特性进行设置。第三列的第一个是波形缩放工具，当用赋值工具单击它时，可弹出波形缩放方式的选择项，如图2-3所示：
各功能如下：第一个按钮是矩形缩放。选择该项后，在显示区上，按住鼠标左键可以拉出一个方框，方框内的波形将被放大。横着第二个是水平缩放按钮：波形只在水平方向上被放大，垂直方向上保持不变。第三个是垂直缩放按钮：波形只在垂直方向上被放大，水平方向上保持不变。
第二行第一个是取消缩放：取消最近的一次缩放操作。接下来的两个是连续缩放按钮。选中该项后，在显示区内按住鼠标左键，波形将以鼠标指针停留位置为中心进行连续缩放。
图2-3 工具面板的演示
2-4 实时波形的框图程序
2-4的框图中，左面是一个while循环框，图框中随机采样信号与面板上的放大倍数旋钮对应的图标相乘（板卡的驱动先不考虑），然后输入到实时波形屏幕中，接着信号流向图框外，并变成数组型数据。框图下方，设置采样延迟时间，由面板上的旋钮控制。另外还有采样结束的控制按钮。
&&& 右边循环框外是对数组信号进行处理。通过labview 6i本身提供的子程序，可以得到数据的最大值、最小值和平均值。
&&& 该虚拟示波器是单通道虚拟示波器，要想设计多通道的示波器，只需在这个基础上，在面板上加上几个屏幕显示控件，框图程序类似上图即可。当需要把信号进行其他的处理时，我们可以选择labview自带的信号处理部件，也可以把编好的C程序或是matlab程序加入到系统中，扩充系统的功能。
2. 3& 快速傅立叶变换(FFT)和labview分析库中的FFT VI
&&& 从DAQ板上获得的采样信号是时域信号，这种信号给出了采样时刻信号的幅度，但是很多情况下，更想了解的是频率成分，而不是幅度值。频域表示法就表示了单个频率成分，这种表示法可以给出更多关于信号和系统的信息。
&&& 从时域的采样数据变为频域的算法，称为离散傅立叶变化（DFT）。DFT将采样信号的时域跟频域联系起来。DFT广泛应用于谱分析、应用力学、光学、医学图像、数据分析、仪器及远程通信等方面[2]。
假设从DAQ板上获得N个采样信号，对这N个样本进行DAT变换，结果仍将为N个样本，但它却是频域表示法。时域的N个样本与频域的N个样本之间的关系如下：
假设信号采样率为fs，采样间隔为t，有t=1/fs，采样信号表示为Xi，&&&&&&&& 0＜i＜N-1（即有N个样本），对这N个样本进行傅立叶变换，公式如下：
Xk=X1*e（-j2*3./N）+X2*e（-j2*3./N）+……+Xi*e[-j2*3.1415926*（N-1）/N]
&& &注意时域跟频域中均有N个样本。同时域中的时间间隔对应的频率间隔f为：f=fs/N=1/Nt，f也称为频率分辨率，增多采样次数N或减小采样频率fs均能减小f（提高频率分辨率）。
&&& 对N个采样数据进行DFT是个非常耗时的过程，大约需要n的平方次复数运算；但如果N是2的幂，假设N=2m,对N进行DFT就只需要m*N/2次操作，大大提高了速度，这种算法叫做快速傅立叶变换（FFT），它其实就是当采样N是2的幂时，进行DFT的一种快速算法。FFT的优点在于速度快，且节省内存，这是因为当VI操作FFT时，无需额外的存储缓冲区，但它要求输入序列N必须是2的幂。而DFT速度比FFT慢得多，这是由于它需要额外的缓冲区来存储中间的结果，但是DFT对任一个序列都适用。FFT中为了使采样次数N等于2的幂，可以在输入序列末尾加0。例如：若N=10，可以在输入序列末尾加6个0，使得采样次数的总数为16（2的4次方）。
分析库中有两种VI用来计算信号的FFT，即Real FFT VI和Complex FFT VI。两者的区别在于，Real FFT对实信号进行FFT，Complex FFT对复信号进行FFT，值得注意的是，两者的输出均为复数。由于大多数信号都是实数值，因此可以用 Real FFT VI，当然也可以用Complex FFT VI，只是将虚数部分置为0。由于远程通信中的信号一般都为复数信号（实部、虚部均不为0），此时应该使用Comlex FFT VI,对复电位进行调制将产生复信号。
2. 4& 虚拟频谱分析功能软面板和方框图的实现
图2－5中，按界面上的运行按钮，在显示界面上分别会显示时域波形和经过FFT以后的频域波形。
2-5& 虚拟频谱分析功能软面板的实现
2-6 虚拟频谱分析功能框图的实现
Arbitrary Wave ―― 用于产生一个随机的波形，
Real& FFT ―― 对输入的采样数据进行FFT，
Complex To Polar ―― 将FFT的复数输出分为实、虚两部分（幅值和相位），相位部分以弧度为单位，但屏幕上只显示FFT的幅值。
第三章& 数据采集技术及数据采集卡
3. 1& 数据采集技术
&&& 数据采集技术是信息科学的一个重要分支，它研究信息数据的采集、存储、处理以及控制等作业。在智能仪器、信号处理以及工业自动控制等领域，都存在着数据的测量与控制问题。将外部世界存在的温度、压力、物流、位移以及角度等物理量用非电量电测技术转换成电信号模拟量，然后转换为数字信号，再收集到计算机并进一步予以处理、传输、显示与记录这一过程，即为“数据采集”。
&&& 数据采集技术已在雷达、通信、水声、遥感、地质勘探、震动工程、工业自动化控制等领域有着广泛的应用。随着微电子技术与计算机技术的发展，数据采集技术的应用领域也会更为广阔[7]。
3. 2& 数据采集卡驱动程序的调用
labview驱动程序库中提供的驱动程序均是面向本公司生产的板卡，而我所采用的数据采集板卡PCL-812PG不是NI公司生产的，因此在labview环境下不能直接对其进行驱动，这就涉及到在labview环境下对通用板卡的调用问题。
&&& NI公司生产的板卡价位较高，对于国内大多数用户来说难以接受。如果能在labview中实现对通用板卡的驱动，在满足同等条件下无疑会大大降低系统的成本，同时也大大提高了labview的通用性。通用板卡一般都带有动态链接库，因此研究在labview环境下调用DLL具有普遍的实际意义。
&&& Labview本身提供的很多复杂函数，如数据采集、硬件驱动程序、数据的分析和处理等，其最终的实现方法均归结于DLL的调用机制。掌握好了在labview中调用Win32动态链接库的方法，就可以根据自己的要求用VC++，Delphi等软件平台编制好DLL文件，然后在labview中调用它们。这样就可以充分利用labview控件强大、编程简单、库函数丰富等特点。因此，我们必须掌握在labview环境下创建与应用动态链接库的方法。
&&& Labview提供了这样一个调用动态链接库的接口――Call Library Function，具体路径为Function〉〉Advanced。
&&& 动态链接库是应用程序在运行时链接函数库的一种实现机制。函数库存储在它自己的文件中，并不被编译到应用程序的可执行文件中去。DLL在应用程序时才被链接，而且，一个DLL可以含有对其他DLL的链接。
3. 3& PCL-812PG板卡的性能指标
PCL-812PG具有综合所有数据采集的功能，比如A/D、D/A、DIO和定时器/计数器集成在一块板卡上。
a)&&&&&&& 16路单端12位模拟量输入
b)&&&&&&& 2路12位模拟量输出
c)&&&&&&& 16路数字量输出，16路数字量输入
d)&&&&&& 采样速率可编程，最快达30kHz
e)&&&&&&& 带DMA或中断的A/D
f)&&&&&&&& 可编程计数器，定时器
g)&&&&&&& 可编程A/D范围（增益）
h)&&&&&&& 包含C/C++、Pascal和Basic驱动程序以及校准、演示和程序实例
i)&&&&&&&&& 丰富的应用软件支持
3. 4& PCL-812PG板卡的驱动
& &&PCL-812PG的主要函数:
-812PG-Initial: PCL-812PG是根据卡号和相应的基地址来进行初始化的,它的调用格式为:int_812pg_ Initial(int card_ number, int base_address).
-812PG-DI:这个函数主要是用于读取数字输入端口的数据, PCL-812PG可以有16位的数字输入,第0到第7位是低八位,第8到第15是高8位。它的调用格式为：int_812pg_DI(int port_number, unsigned char *data).
-812PG-AD-Acquire:这个函数将会设置板卡的A/D模式为模式一，即为软件驱动和软件的采样。一个软件的驱动产生A/D的转换，然后采样A/D的转换数据。它的调用格式为：int_812pg_ad_acquire (int *ad_data)。
由于PCL-812PG板卡附带的光盘中自带有动态链接库，因此，不需要自己再创建动态链接库，只需直接调用即可。具体操作步骤如下：
创建一个新VI，在其流程图中放置一个Call Library Function节点，然后双击图标来进行配置，弹出的调用库函数配置框图如图3-1所示：
（1）&&& 在Library Name or Path一栏中填入812pg.dll所在的目录及其名称,另外, 然后在Library Name一栏中填入要调用的函数名称，并且，在Calling Convention一栏中选择stdcall调用方式。
（2）&&& 按PCL-812PG板卡提供的说明书来设置各个参数的返回类型及其各个参数的数据类型。
（3）&&& 点击OK按钮，退出函数调用配置框。
图3-1& 动态链接库的具体调用
3. 5& 数据采集卡的设置
labview预装驱动程序中不包含PCL-812PG的驱动程序，我们可以在框图程序中利用Adanced/Call Library Function设置PCL-812PG，来代替之前的随机数据的产生。如下图3-2，是驱动程序的设置：
图3-2 板卡驱动程序的设计框图
&&& 544是I/O基地址0220H的十进制表示，采样通道控制框对应面板上的采样通道选择框，模式选择可以通过PCL-812PG板卡上的跳线器JP9来实现：A/D转换器的范围可以是-5v、+5v或是-10v、+10v，它可以通过JP9来进行选择。
&&& JP9&&&& ＯＯＯ
上图表示A/D最大输入范围是-5v~+5v
&&& JP9&&&& ＯＯＯ
上图表示A/D最大输入范围是-10v~+10v
&&& 我们选-5v~+5v,然后上面的框图中经过数值调整,以保证示波器上的显示也在-5v~+5v之间，可以此来代替之前框图中的随机数的产生。
&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&
第四章 实验结果分析
4. 1 实验设备：
A/D转换板卡、计算机、信号发生器和虚拟示波器
4. 2 实验内容：
用信号发生器来产生正弦波,利用PCL-812PG实现信号的采集并用虚拟示波器来实现时域显示,并进行FFT变换得到频域显示波形。
4. 3 实验步骤：
（1）用信号发生器产生正弦波，利用A/D转化板卡PCL-812PG实现信号的采集，并能够在设计的虚拟示波器上显示。图4-1即为显示波形：在4-1图中放大倍数悬钮可以通过鼠标进行选择，此时，放大倍数是2，所以波形显示是实际波形的2倍，而且最大值、最小值、平均值都会有相应的数字显示。由于鼠标选择不是很精确，所以最大值和最小值显示都不是确数2，而是有一定的误差，4-1显示为+2.06和-2.06，又因为波形不是整数个波形，所以平均值是0.01。
图4-1 放大倍数显示波形
（2）如上所述，放大倍数可以任意进行选择，若是4，那么波形对相同的采集信号也会有相应的变化，如图4-2。
4-2 放大倍数显示波形
&&& （3）以上是波形的时域显示，更多情况下我们需要的是波形的频域显示。利用快速傅立叶变换，可得到频域显示波形，若选择波形的频率为0.04，则时域、频域显示波形如下图4-3:
第五章& 结束语
在这篇论文中我主要是通过labview这种图形化的编程语言实现了虚拟示波器的界面设计，包括波形的简单处理，例如波形的放大等功能以及基于FFT的频谱分析功能，并且能够采用第三方板卡PCL-812PG来实现从外部采样模拟信号，转换为数字信号，在示波器上显示。由于时间比较仓促，我的毕业设计还存在很多不足之处，还有一些比较复杂的功能没有实现。随着网络技术和基于计算机的虚拟仪器技术的发展，远程测控技术也在迅速发展，我认为还可以把虚拟示波器应用在远程测控技术上。
尤其是labview等专业测控软件的推出，用户可以组建一个性能优越的现场测控技术。但是，现场测控系统必须有人干预，在许多条件恶劣、有毒、危险以及过于偏僻的环境中无法很好的解决测控问题。在这方面急需一种更好的方法来实施测量和控制。随着网络技术的兴起与发展，使用特定的协议，操作者可以在远端通过网络来监控现场的情况，接受测量数据和进行实时控制。考虑是不是可以利用局域网技术，结合labview实现的虚拟示波器，开发性能优越而体系开放的远程测控系统。
参考文献：
[1]杨乐平,李海涛.《labview程序设计与应用》.电子工业出版社&
[2]李刚,林玲.《labview――易学易用的计算机图形化编程语言》.北京航天航空大学出版社
[3]田广,唐力伟.基于labview的新型虚拟频谱分析仪.现代电子技术.):17~19
[4]陈敏,汤晓安.labview虚拟仪器数据接口设计与实现.中国测试技术.):52~54
[5]蔡共宣.基于labview的通用数据采集卡的驱动.组合机床与自动化加工技术.~41
[6]杨乐平,吕英军.虚拟数字示波器的设计与应用.电子技术应用.):28~30
[7]何瑛,宋利.基于labview的数据采集卡(DAQ)驱动程序设计.电测与仪表.):35~37
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基于单片机的虚拟示波器设计
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基于的虚拟示波器设计(毕业论文15000字)
虚拟仪器技术是现代仪器技术与计算机技术相结合的产物，是电子测量和计算机测试与控制的前沿技术，在应用中体现出简易、灵活、便携、易于与PC机通信的特点。
本文主要介绍了MSP430单片机、虚拟示波器的基本结构和工作原理。系统设计主要包括加法电路，A/D模数转换模块，串口通信模块，上位机显示模块等部分。系统采用超低功耗的MSP430单片机为控制芯片，该单片机对输入波形实现模数转换，并且使用RS232与PC机进行串口通信。在PC机端系统以NI公司开发的LabVIEW 8.5为软件开发平台对波形进行分析和再现，可以实现对多种波形的显示，输出的波形稳定不失真，表明系统工作性能较可靠，具有广泛的应用前景。
关键词：虚拟示波器；单片机；模数转换；LabVlEW
Virtual instrument technology is the combination of the modern instrument technology and computer technology, is at the forefront of electronic measurement and computer testing and control technology, reflected in the application of simple, flexible, portable, easy to communicate with PC.&
This paper mainly introduces MSP430 single chip, the basic structure and working principle of the virtual oscilloscope. System design mainly includes the addition circuit, A/D analog-to-digital conversion module, serial communication module, PC display module, etc. System takes ultra-low power MSP430 single chip microcomputer as control chip.The microcontroller implements analog-to-digital conversion for input waveform modulus, and use the RS232 serial port to communicate with PC. In PC end,system uses LabVIEW 8.5 software which is developed by NI company as development platform for waveform analysis and reappearance, and can be implemented to display a variety of waveform.The output waveform is stable without distortion, showing that system performance is reliable with wide application prospect.
MCU; analog-to- LabVlEW
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第一章 绪论 1
1.1 虚拟仪器简介 1
1.2 虚拟仪器的特点及优势 1
1.3 虚拟仪器的发展及应用 3
第二章 芯片介绍 5
2.1 &MSP430F149芯片 5
2.1.1 MSP430F149的概述 5
2.1.2 MSP430F149特点 5
2.1.3 MSP430F149的引脚 6
2.2 MSP430F149的模数转换器ADC12 9
2.3 RS232串行通信接口 11
2.3.1串行通信 11
2.3.2 RS一232C标准 11
2.3.3 RS-232常用接口 12
2.4 TL082CN芯片 13
2.5 MAX3232CSE芯片 14
第三章 系统的硬件设计 16
3.1 虚拟示波器的构成及工作原理 16
3.2 硬件功能模块设计 16
3.2.1 加法电路 17
3.2.2 MSP430F149晶振电路设计 18
3.2.3 MSP430F149复位电路设计 18
3.2.4 MSP430F149的A/D转换模块电路设计 19
3.2.5 MSP430F149单片机的串行口电路 20
第四章 系统的软件设计 22
4.1 LABVIEW软件简介 22
4.1.1 LabVIEW特点与应用 22
4.1.2 LabVIEW编程 23
4.2 软件系统总体结构 26
4.3 下位机软件设计 27
4.4 上位机软件设计 28
4.4.1 虚拟示波器前面板设计 28
4.4.2 虚拟示波器后面板设计 28
4.5 系统调试 30
4.5.1 系统实物图 30
4.5.2 系统调试结果 30
参考文献 35
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苏ICP备号 |基于LabVIEW 6i的虚拟示波器设计--《河南科学》2003年01期
基于LabVIEW 6i的虚拟示波器设计
【摘要】：简要介绍了虚拟仪器的组成。基于LabVIEW 6i和中泰公司生产的PC-6313多功能接口卡,设计了一个虚拟示波器,该系统可以实现基本示波器的测量功能和数字存储功能。
【作者单位】：
【关键词】：
【基金】：
【分类号】：TM935.3【正文快照】：
随着测控技术和计算机技术的不断发展,20世纪80年代提出的虚拟仪器(Virtual Instrument)技术也迅速发展起来,并日益改变着现有的测量技术。虚拟仪器的核心思想是利用计算机的强大资源使本来需要硬件实现的技术软件化,以便最大限度的降低系统成本,增强系统功能和灵活性。所谓
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