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1、三江學院畢業(yè)設計(論文)摘 要 隨著微型計算機和軟件技術的發(fā)展,虛擬儀器在智能化程序、處理能力、性能價格化、可操作性等方面與傳統儀器相比都具有明顯的技術優(yōu)勢，將虛擬儀器引入用于信號產生與分析上不但可以提高測試效率，而且為降低生產儀器成本提供了有效的途徑和方法。 本文選用LabVIEW圖形化編程語言為開發(fā)軟件，在實際開發(fā)設計過程中，本文主要對模塊化設計方法進行了介紹，詳細描述了信號產生、數據分析處理、數據讀取和存儲、顯示模塊等軟件開發(fā)的全過程，分析、解決了設計及實現過程中出現的問題。本文設計的系統主要功能是利用該軟件進行波形的產生、時域參數的測量、頻譜的分析、波形存儲、波形回放等，此軟件用于教學
2、大大提高了學生的學習興趣，達到了提高教學質量的目的。此外，還可以用于基礎性科研。關鍵詞：虛擬儀器；LabVIEW；信號發(fā)生器；頻譜分析；時域分析- 23 -Abstract Along with the development of the microcomputer ,compare with traditional instruement ,the virtual instruement have the obvious technical advantage in knowledge ware ,processing capability ,the ratio between funct
3、ion and price ,and Maneuver ability .The introduction of the virtual instrument in a system of generation and analysis can not only increase the efficiency and quantity of testing ,but also provide the effective method to reduce the cost of producing the instrument .It has the peculiarity of low cos
4、t ,high performance and gradually perfect test means . In the paper ,using the LabVIEW(Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench) GUI as the developing platform .It uses the design method of module to describe the whole building Process of the typical signal generation module for example:s
5、ignal creating module，date handling module，data reading and writing module，result demonstrate module.The function of generating signal ,measuring the parameters in the domain,analyzing the signal in frequency domain ,recording data ,returning data ,returning data play back ,ect all have been realize
6、d .After used in teaching ,it is proved that the system has greatly enhanced the students interest in learning and achieves the goal of improving the teaching quality .In addition ,the system also can be used in the fundamental scientific research .Keywords:virtual instrumention ;signal generator ;s
7、pectrum analysis ;time domain analysis 目 錄摘 要IAbstractII第一章 緒論- 1 -1.1 虛擬儀器國內外研究現狀- 1 -1.2 高校實驗教學的現狀- 2 -1.3 研究意義- 2 -1.4本文主要工作- 3 -第二章 虛擬儀器與LabVIEW- 4 -2.1虛擬儀器簡介- 4 -2.1.1虛擬儀器概念- 4 -2.1.2虛擬儀器系統組成- 5 -2.2 虛擬儀器與傳統儀器的比較- 6 -2.3 虛擬儀器在實驗室中的應用- 7 -2.4 LabVIEW簡介- 7 -2.5 LabVIEW創(chuàng)建虛擬儀器過程- 8 -第三章 系統整體方案的設計-
8、10 -3.1軟件設計方案- 10 -3.2 硬件的選擇- 11 -3.3 設計程序圖的基本方法- 11 -第四章 信號發(fā)生分析儀的具體實現- 13 -4.1 信號發(fā)生器模塊- 13 -4.2 波形顯示模塊- 13 -4.3 電壓和頻率測量模塊- 14 -4.4 頻域分析模塊- 14 -4.5 信號濾波模塊- 15 -4.6窗體函數模塊- 15 -4.7 波形存儲和回放模塊- 15 -4.8 程序的集成與調試與結果顯示模塊- 16 -4.8.1 程序的集成與調試- 16 -4.8.2 結果顯示模塊- 17 -第五章 結束語- 18 -致 謝- 19 -參考文獻- 20 -附 錄- 21 -附錄
9、1 信號產生分析儀的前面板- 21 -附錄2 信號產生分析儀的程序框圖- 22 -第一章 緒論 本文所設計的用于電子實驗教學的虛擬儀器是在虛擬儀器技術高速發(fā)展的背景下，利用美國M公司的虛擬儀器開發(fā)平臺LabVIEW軟件實現的。虛擬儀器技術是測試技術和計算機技術綜合集成的產物，虛擬儀器是用戶在通用計算機平臺上，根據需求定義和設計儀器的測試功能，使用者在操作這臺計算機時，就像是在操作一臺他自己設計的測試儀器一樣。虛擬儀器從二十世紀八十年代初產生一直到現在，技術發(fā)展逐步成熟，在工業(yè)自動化、儀器制造和實驗室方面應用較為廣泛。1.1 虛擬儀器國內外研究現狀 虛擬儀器利用個人計算機強大的圖形環(huán)境和在線幫助
10、功能，建立虛擬儀器面板，完成對儀器的控制，數據分析與顯示，使用戶可以根據自己的需要定義儀器的功能。虛擬儀器概念最早是美國國家儀器公司在1986年提出的，但其雛形可以追溯到1981年由美國西北儀器系統公司推出Apple II為基礎的數字存儲示波器，但是由于當時計算機軟件開發(fā)水平的限制，編寫個人儀器的驅動程序和人機交互接口是一項專門的技術工作，必須由專業(yè)廠商才能完成，這種狀況使得個人儀器的推廣和應用沒有形成工業(yè)標準。從20世紀80年代中期開始，微軟公司Windows操作系統的出現，使得計算機操作系統的圖形支持功能得到很大提高。1986年，美國國家儀器公司推出了圖形化的虛擬儀器編程環(huán)境LabVIEW
11、，標志著虛擬儀器設計軟件平臺基本成型。國際上從1988年陸續(xù)有虛擬儀器產品面市，當時有五家制造商推出30種產品。此后，虛擬儀器產品每年成倍增加，到1994年底,虛擬儀器制造廠已達95家共生產1000多種虛擬儀器產品，銷售額達2. 93億美元，占整個儀器銷售額73億的4%。美國是虛擬儀器的誕生地，也是全球最大的虛擬儀器制造國，生產虛擬儀器的主要廠家有HP公司目前生產100多種型號的虛擬儀器，Tektronix公司目前生產約80多種型號的擬儀器，此外還有N工公司、Keithely公司等。 LabVIEW作為虛擬儀器開發(fā)系統的杰出代表，在我國雖然引進的時間不長，但是現在己經被認識和推廣、應用，它促進
12、了中國測試領域的技術革命，在科研及教育領域都得到了迅速推廣。它在許多企業(yè)、科研單位被用一于產品測試和測控系統，另外，包括一些著名高校在內的許多學校不僅建立了基于虛擬儀器的實驗室，而且還開設了LabVIEW編程的課程。例如:清華大學汽車系利用虛擬儀器技術構建的汽車發(fā)動機檢測系統，它用于汽車發(fā)動機的出廠檢驗，主要檢測發(fā)動機的功率特性、負荷特性等;華中理工大學機械學院工程測試實驗室將其虛擬實驗室成果在網上公開展示，供遠程教育使用;四川聯合大學基于虛擬儀器的設計思路，研制了“航空電臺二線綜合測試儀”，將8臺儀器集成于一體，組成虛擬儀器系統;復旦大學、上海交通大學、廣州暨南大學等一批高校，也開發(fā)了一批新
13、的虛擬儀器系統用于教學和科研。 國內專家預測:未來的幾年內，我國將有50%的儀器為虛擬儀器。國內將有大批企業(yè)使用虛擬儀器系統對生產設備的運行狀況進行實時檢測。隨著微型計算機的發(fā)展，虛擬儀器將會逐步取代傳統的測試儀器而成為測試儀器的主流。虛擬儀器技術的提出與發(fā)展，標志著二十一世紀自動測試與電子測量儀器領域技術發(fā)展的一個重要方向。1.2 高校實驗教學的現狀 目前高等工科院校仍然沿用傳統的實驗教學方法，主要表現在以下幾個方面: (1)實驗內容和實驗設備依附于理論課程進行劃分，各實驗室和實驗內容沒有形成一個有機的整體，缺乏系統的觀念。 (2)實驗設備重復建設，沉積較多。 (3)實驗設備層次不齊，大部分
14、設備落后于課程建設的需要。 (4)實驗的內容側重于理論的驗證和模仿訓練，每個學生的實驗內容千篇一律，將學生的思維限定在一個狹窄的范圍內，缺乏對學生創(chuàng)新意識的培養(yǎng)和綜合能力的提高。 (5)滯后的實驗設備和死板的實驗模式難以調動學生的主動性和創(chuàng)造性，實驗教學處于應試教育。 這些在很大程度上制約了實驗教學的發(fā)展和人才培養(yǎng)質量的提高。究其原因，不能不說在科技迅猛發(fā)展的今天，以教育有限的投入無法滿足實驗設備價格昂貴、更新速度快的要求，是其最根的原因。這就要求從事實驗教學研究的工作者，開發(fā)能夠滿足現代實驗教學要求、物美價廉的實驗教學儀器，以提高實驗教學水平，培養(yǎng)高素質的適應時代要求的合格人才。本文正是在這
15、種背景下進行的。1.3 研究意義 目前, 由于實驗不僅能夠讓學生在鞏固理論知識的基礎上聯系實際, 而且能夠培養(yǎng)學生解決實際問題的能力與創(chuàng)新思想, 對于培養(yǎng)高素質的專業(yè)人才和科技人才起到很重要的作用, 所以在高校尤其是在電子類課程的學習中越來越受到重視。而信號產生與分析是電子信息工程、通訊等電子類專業(yè)實驗的重要組成部分, 其用到的傳統的儀器, 如信號發(fā)生器、示波器、頻譜分析儀等, 但是傳統儀器體積笨重、價格昂貴等缺點, 而且一些信號處理的新理論、新方法無法進行實踐。本文設計的基于LabVIEW信號的發(fā)生與分析系統軟件, 將虛擬儀器應用到學生實驗中去, 不僅具有傳統意義上的儀器功能, 包括數據采集
16、、數據分析和數據顯示, 都可以在計算機上來實現, 此外還能夠通過軟件學生自己動手創(chuàng)建自己儀器, 這樣可以更好地培養(yǎng)學生的動手能力和創(chuàng)新思想。1.4本文主要工作 本文主要闡述如何在LabVIEW環(huán)境下設計信號產生與分析系統。 第一章主要介紹了虛擬儀器開發(fā)的背景和發(fā)展狀況，說明了本課題的背景、意義以及本文的主要工作。 第二章詳細敘述了虛擬儀器的概念、組成與應用，同時介紹了開發(fā)軟件LabVIEW的起源、特點、程序的設計流程。 第三章主要確定了系統方案的實現。 第四章主要確定了系統的具體實現方法，包括系統中的各個模塊設計過程。 第五章結論主要回顧了論文的主要工作以及有待解決的問題。第二章 虛擬儀器與L
17、abVIEW2.1虛擬儀器簡介2.1.1虛擬儀器概念 隨著電子技術的發(fā)展，電子測量儀器經歷了由模擬儀器、分立組件式儀器、集成式儀器、數字化儀器、帶GPIB接口的智能化儀器到全部可編程虛擬儀器的發(fā)展歷程。近些年來，計算機科學和微電子技術，以及網絡技術的迅速發(fā)展和普及，有力地推動了多年來發(fā)展相對緩慢的儀器技術的革新和進步。與此同時，儀器的遠程控制、實驗信息的遠程獲取和傳輸也越來越重要，于是一種新型的，基于計算機技術所形成的儀器種類-一虛擬儀器(Virtual Instrument. VI)技術出現。它不僅被廣泛地應用在科學研究領域，而且使得新型遠程教育模式的實現成為可能。 虛擬儀器技術將計算機應用
18、于測試儀器之中.利用良好的虛擬儀器軟件平臺.充分發(fā)揮計算機強大的數據處理功能和豐富的圖形顯示功能.在屏幕上虛擬出與傳統儀器相似的顯示面板.用戶通過鍵盤和鼠標操縱面板上的虛擬開關、旋鈕、按鍵等.控制儀器的運行、了解儀器的狀態(tài)、讀取打印測試結果。虛擬儀器以特定的軟件支持取代相應的電子線路.充分利用計算機硬件資源.完成傳統儀器硬件的部分以至于全部功能。虛擬儀器技術是傳統儀器功能和外形的模塊化和軟件化。 虛擬儀器主要包含兩方面的含義:虛擬儀器的面板是虛擬的;虛擬儀器測量功能是通過對圖形化軟件流程圖的編程來實現的。它的主要特點有: (1)用戶可以根據自己的需要定義和制造各種儀器。虛擬儀器通過提供給用戶組
19、建自己儀器的可重用源代碼庫，可以修改儀器功能和面板，設計儀器功能，實現與外設、網絡及其它連接。 (2)虛擬儀器盡可能采用通用的硬件，各種儀器的差異主要是軟件，突出了“軟件就是儀器”的新概念。 (3)虛擬儀器充分利用了計算機強大的數據處理、傳輸和發(fā)布功能，可以創(chuàng)造出功能強的的儀器，使得組建系統變得更加靈活、簡單，便于構成復雜的測試系統。 (4)虛擬儀器硬件和軟件都制定了開放的工業(yè)標準，用戶可以將儀器的設計、使用和管理統一到虛擬儀器標準，使得功能更易于擴展，生產、維護和開發(fā)費用降低。2.1.2虛擬儀器系統組成 虛擬儀器由通用儀器硬件平臺和應用軟件兩大部分構成: (1)虛擬儀器的硬件平臺 計算機 它
20、一般為一臺PC機或者工作站，是硬件平臺的核心。 I/O接口設備 I/O接口設備主要完成被測輸入信號的采集、放大、模/數轉換。不同的總線有其相應的I/O接口硬設備，如利用PC機總線的數據采集卡/板(簡稱為數采卡/板，DAQ),GPIB總線儀器、VX工總線儀器模塊、串口總線儀器等。虛擬儀器的構成方式主要有5種類型，如圖2.1所示:圖2.1 虛擬儀器構成方式 PC-DAQ系統是以數據采集板、信號調理電路及計算機為儀器硬件平臺組成的插卡式虛擬儀器系統，這種系統采用PCI或計算機本身的工SA總線，將數據采集卡/板(DAQ)插入計算機的空槽中即可。 GPIB系統是以GPIB標準總線儀器與計算機為儀器硬件平
21、臺組成的虛擬儀器測試系統。 VXI系統是以VXI標準總線儀器模塊與計算機為儀器硬件平臺組成的虛擬儀器測試系統。 PXl系統是以PXI標準總線儀器模塊與計算機為儀器硬件平臺組成的虛擬儀器測試系統。 串口系統是以Serial標準總線儀器與計算機為儀器硬件平臺組成的虛擬儀器測試系統。 (2)虛擬儀器的軟件 文本式編程語言:如Visual C+, Visual Basic, LabWINDOWS/CVI等； 圖形化編程語言:如LabVIEW, HPVEE等； 實現虛擬面板功能的軟件程序； 定義測試功能的流程圖軟件程序。2.2 虛擬儀器與傳統儀器的比較虛擬儀器與傳統儀器比較，具有許多優(yōu)點，如圖表2.1所
22、示:表2.1 虛擬儀器與傳統儀器比較 通過比較發(fā)現，虛擬儀器在智能化程序、處理能力、性能價格比、可操作性等方面都具有明顯的技術優(yōu)勢，具體表現為： (1)智能化程度高，處理能力強。虛擬儀器的處理能力和智能化程度主要取決于儀器軟件水平。用戶完全可以根據實際應用需求，將先進的信號處理算法、人工智能技術和專家系統應用于儀器設計與集成，從而將智能儀器水平提高到一個新的層次。 (2)復用性強，系統費用低。應用虛擬儀器思想，用相同的基本硬件可構造多種不同功能的測試分析儀器，如同一個高速數字采樣器，可設計出數字示波器、邏輯分析儀、計數器等四種儀器。這樣形成的測試儀器系統功能更靈活、系統費用更低。通過與計算機網
23、絡連接，還可實現虛擬儀器的分布式共享，更好地發(fā)揮儀器的使用價值。 (3)可操作性強。虛擬儀器面板可由用戶定義，針對不同應用可以設計不同的操作顯示接口。使用計算機的多媒體處理能力可以使儀器操作變得更加直觀、簡便、易于理解，測量結果可以直接進入數據庫系統或通過網絡發(fā)送。測量完后還可打印，顯示所需的報表曲線，這些都使得儀器的可操作性大大提高。2.3 虛擬儀器在實驗室中的應用 電子儀器與測試實驗室是高等工科院校必備的教學實驗條件。為了提供一定的實驗規(guī)模，保證每個學生得到實際動手能力的訓練，傳統的教學實驗室一般需購置大量的基礎測量儀器，如示波器、萬用表、信號源等，投資大、技術更新快、維護困難；另外，像數
24、字示波器、頻譜分析儀和邏輯分析儀等中高檔儀器存在價格昂貴等方面的困難，實驗室只能有少數儀器，不能滿足實際教學需求。虛擬儀器解決了實驗室在這方面的難題。利用虛擬儀器技術，可以設計出與實際儀器在原理、功能和操作等方面完全一樣的全軟件虛擬儀器。利用這些虛擬儀器，學生在計算機上可以學習、掌握儀器原理、功能與操作，并通過儀器與儀器，儀器與電路的相互配合，完成實際測試過程，達到與用實際儀器教學相同的效果。虛擬儀器的應用從根本上改變了傳統教學方法，降低實驗室建設與管理成本，實現遠程實驗教學具有重要參考價值。通過這種實驗方式，可以培養(yǎng)學生的求知興趣和創(chuàng)新能力。2.4 LabVIEW簡介 LabVIEW是實驗室
25、虛擬儀器集成環(huán)境(Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench)的簡稱，是美國國家儀器公司(NATIONAL INSTRUMENTS,簡稱NI)的創(chuàng)新軟件產品。 數據采集、儀器控制、過程監(jiān)控和自動測試是實驗室研究和工業(yè)自動化領域廣泛存在的實際任務。在20世紀80年代個人計算機出現之前，幾乎所有擁有程控儀器的實驗室都采用貴重的儀器控制器測試系統，這些功能單一、價格昂貴的儀器控制器通過一個集成通信口來控制IEEE-488總線儀器(GPIB程控儀器)。后來隨著PC的出現，工程師和科學家們找到了一種通過性能價格比高的通用PC控制臺式儀器的方法，
26、由此NI公司也應運而生。 I,abVIEW的概念雛形來源于NI公司的特魯查德和柯德斯凱20世紀70年代末期在ARL (Applied Research Laboratory，應用研究實驗室)完成的一個大型測試系統。該系統主要用于測試美國海軍的聲吶探測器。通過幾年的時間，柯德斯凱把從該測試系統得到的啟示發(fā)展到測試系統軟件由多層虛擬儀器(Virtual Instruments，簡稱VI)構成的新概念。一個VI可以由更低層的多個VI組成，就像真實儀器由印制電路板組成，而印制電路板又由集成電路(IC)組成一樣。底層VI代表了最基本的軟件功能一計算與輸入/輸出操作。虛擬儀器模型的另一個主要特征是每一個V
27、I都有一個用戶接口組件(VI前面板)。同時，在分析比較了幾種框圖編程方法的優(yōu)劣后，柯德斯凱決定采用數據流程圖作為編程工具?？碌滤箘P領導的開發(fā)小組于1986年5月推出LabVIEW Beta測試版，又經過幾個月的反饋修改，于1986年10月正式發(fā)布了LabVIEW1. 0版。1988年的LabVIEW2. 0采用了面向對象編程技術。1992年8月LabVIEW 2. 5實現了從Macintosh平臺到Windows平臺的移植，從LabVIEW 3.0版本開始，LabVIEW作為一個完整優(yōu)異的圖形化軟件開發(fā)環(huán)境得到了工業(yè)界和學術界的認可，并開始迅速占領市場，贏得了廣大用戶的青睞。 它的基本特點是：
28、 (1)具有良好的用戶接口其用戶接口類似于傳統儀器的面板，包括按鈕、旋鈕、圖形顯示組件、控制組件等。通過鼠標和鍵盤向程序輸入數據，操作結果由軟件在計算機屏幕上生成。 (2)編程方式簡單、直觀采用圖形語言(G語言)、圖標和聯機代替文本形式編寫程序，是對具體編程問題的圖形化解決方案。 (3)具有層次結構和模塊化的特點每一個VI可以作為頂層程序，也可以作為其它程序的子程序。 (4)提供程序調試功能程序調試工具包括在源代碼中可以設置斷點，可以單步執(zhí)行，也可以連續(xù)執(zhí)行。2.5 LabVIEW創(chuàng)建虛擬儀器過程 創(chuàng)建虛擬儀器的過程分為四步: (1)創(chuàng)建前面板。前面板是圖形化用戶界面，用于設置輸入數值和觀察輸
29、出量。它模仿了實際儀器的面板。前面板包含了旋鈕、按鈕、圖形和其他控制與顯示對象。通過鼠標和鍵盤輸入數據、控制按鈕，也可在計算機顯示器上直接觀看結果。若想要在數字控制中輸入或修改數值，只需要用操作工具(見工具模板)點擊控制部件和增減按鈕，或者用操作工具或標簽工具雙擊數值欄進行輸入數值修改。 (2)創(chuàng)建框圖程序。在前面板窗口的主菜單Windows中選擇Show Diagram將前面板窗口切換到框圖程序窗口，此時會看到與前面板對象對應的端口。根據需要在功能模板中找到所需的節(jié)點，并將節(jié)點圖標放置到框圖程序窗口。用數據連線將這些端口和節(jié)點的圖標連接起來，形成一個完整的框圖程序。 (3)創(chuàng)建圖標。一個虛擬
30、儀器的圖標/連接端口就像一個圖形(表示某一虛擬儀器)的參數列表。這樣，其它的虛擬儀器才能將數據傳輸給一個子儀器。圖標和連接允許將此儀器作為最高級的程序，也可以作為其它程序或子程序的子程序。 (4)運行和調試程序。運行和調試程序是任何一門編程語言編程的最重要的一步。在LabVIEW中，用戶可以通過兩種方式來運行程序:運行和連續(xù)運行。如果一個VI程序存在語法錯誤，則在面板工具條上的運行按鈕將會變成一個折斷的箭頭，表示程序不能被執(zhí)行。這時這個按鈕被稱作錯誤列表。點擊它，則LabVIEW彈出錯誤清單窗口，點擊其中任何一個所列出的錯誤，選用Find功能，則出錯的對象或端口就會變成高亮。調試程序時可以利用
31、單步執(zhí)行、設置斷點、設置探針來顯示數據流動方向。第三章 系統整體方案的設計 一個完整的LabVIEW程序主要包括前面板、框圖程序、圖標和連接器窗格3部分。前面板是交互式圖形化用戶界面, 用于設置輸入數值和觀察輸出量框圖是定義VI功能的圖形化源代碼, 利用圖形語言對前面板的控制量和指示量進行控制圖標和連接器窗格是用于把程序定義成一個子程序, 以便在其他程序中加以調用。本系統包括信號發(fā)生器模塊、時域分析模塊、頻譜分析模塊。圖3.1是信號產生與分析系統框圖。圖3.1 信號產生與分析系統框圖3.1軟件設計方案 本課題中所開發(fā)的虛擬示波器是采用基于計算機的虛擬技術，用以模擬通用示波器的面板操作和處理功能
32、，也就是使用個人計算機及其接口電路來采集現場或實驗室信一號，并通過圖形用戶界面(GUI)來模仿示波器的操作面板，完成信號采集、調理、分析處理和顯示輸出等功能。 本課題開發(fā)的虛擬示波器，是在數據采集硬件的支持下，配備一定功能的軟件，完成波形的存儲、分析、顯示等功能。一般測試儀器由信號采集、信號處理和結果顯示三大部分組成，這三部分均由硬件構成。虛擬示波器也是由這三大部分組成，但是除了信號采集部分是由硬件實現之外，其它兩部分都是由軟件實現。 虛擬示波器總體上包括數據采集、波形顯示、參數測量、頻譜分析、波形存儲和回放以及打印模塊等六大模塊組成，其結構框圖如圖3.2所示： 圖3.2 虛擬示波器結構框圖3
33、.2 硬件的選擇計算機與數據采集卡組成了虛擬示波器的硬件平臺的基礎。數據采集卡是虛擬示波器的重要組成部件，其性能指標直接影響著虛擬示波器的采樣速率、精度等主要指標的因素。CPU的速度及計算機的內存影響著示波器處理數據的速度；計算機的硬盤決定它的存儲數據的容量。3.3 設計程序圖的基本方法從函數庫選取所需的函數圖標，并按照數據在程序中傳送的順序把它們和控件圖標的位置統一編排好，再用連線工具將圖標都連接起來。本系統采用的是LabV1Ew 編程。LabVIEW 以其集成的開發(fā)平臺、交互式編程方法、簡單直觀的用戶圖形設計、功能強大的函數庫等特點，使用戶能夠很容易地生成各種應用程序。 本程序采用whil
34、e loop循環(huán)結構和Case選擇結構非常簡單方便地實現了波形的轉換，以及周期波和非周期波的混合。并且程序中巧妙地采用兩種case選擇結構的組合，實現了在同一個波形顯示器的面板上可顯示相關分析和窗函數等不同的分析結果。使程序看起來比較簡潔，卻功能強大。同時巧妙地應用Sub ，所謂的SubVI即相當于文本編程語言的子程序，而且LabVIEW 中的subVI可以用LabVIEW所特有的連接器把它連成一個小小的圖標，在主程序中調用，不但使用起來極其方便，而且使程序看起來簡潔美觀，這是其它編程語言無法比擬的。本系統在濾波、窗函數分析中采用了這一技巧。 本系統具有多個功能各異的SubVI：信號選擇Sub
35、VI 采用虛擬波形發(fā)生subVI。數據虛擬波形發(fā)生subVI可以模擬產生正弦信號、方波信號、三角波信號、白噪聲信號，以及正弦信號、方波信號、三角波信號被白噪聲干擾的信號，而且各種波形的頻率、振幅、相位可以進行任意的調控，這是傳統儀器很難做到的，即使可以做到也是價格昂貴，而本系統只需調節(jié)面板上的幾個按鈕就可以實現。數據分析subV1支持單通道和多通道的信號分析。在對信號進行各種分析之前，本系統提供軟件濾波方法，以消除混在被測信號中的噪聲信號。由于信號的時間歷程是無限的，而用計算機處理數據時，只能截取信號的一部分進行分析，本軟件在信號的截取過程中設置5種窗函數以供選擇，這5種窗函數為Hanning
36、 window、Hamming window、Triangle window、General cosine window、blackman window在各種分析算法的支持下，通過軟件編程，對信號進行時域、頻域的各種分析，完成信號分析儀基本功能。第四章 信號發(fā)生分析儀的具體實現4.1 信號發(fā)生器模塊 該模塊可以產生能夠用公式進行描述的信號與常規(guī)的幾種通用類型的波形如正弦波、方波等, 同時還可以在波形上疊加各種噪聲如統一白噪聲、高斯白噪聲、周期隨意噪聲等常見的幾種類型的噪聲。信號的參數可以由自己設置, 并且可以實現通道的選擇, 前面板的控件包括控制波形及噪聲的頻率控件、初始相位控件、幅值控件、總
37、采樣點與采樣頻率控件、通道選擇控件、公式編輯控件、波形顯示控件。4.2 波形顯示模塊 波形顯示通過切換信道選擇按鈕，任意顯示某一信道或兩個信道輸入信號的波形。通道設置為信號1和信號2，實現信號1或信號2的單信道顯示以及信號1和信號2的雙信道顯示。其程序框圖如圖4.1所示：圖4.1 信號發(fā)生器波形顯示模塊4.3 電壓和頻率測量模塊 (1)電壓測量模塊 該模塊可以測量直流和交流兩種電壓信號，對于交流信號主要完成對電壓波形的有效值、最大值、最小值、峰一峰值和平均值、均方值等參數的測量，并且能夠顯示測量值。 (2)頻率測量模塊 頻率和周期是周期性信號的基本參數，本文中設計的虛擬示波器不僅可以測量頻率與
38、周期，而且還可以測量波形的上升時間、下降時間、正脈寬、負脈寬、占空比等參數。4.4 頻域分析模塊 頻譜分析模塊采用快速傅立葉FFT算法，完成頻域信號分析，可以獲得對應的頻譜圖。Labview提供了與信號分析有關的大量函數可以直接使用，在本文中采用FFT Power Spectrum作為主要數據處理子VI進行功率譜分析。 本文中可以實現的頻譜分析控制包括：(1)窗口選擇：提供多種頻譜分析窗口。(2)單位選擇：有多種單位如Vrms, Upk, Urms等供選擇。(3)坐標模式選擇：Log/Linear兩種坐標顯示模式可以選擇。 根據用戶選擇的不同，該子模塊可以在幅值(Magnitude)和相應(P
39、hase)之間進行轉換；可以在不同的縱坐標單位之間進行轉換；還能夠根據用戶選用的分析功能的不同自動顯示適當的橫坐標。其頻譜分析模塊如圖4.2所示：圖4.2 頻域分析模塊程序框圖4.5 信號濾波模塊 濾波器類型有None 、Butterworth 、Chebyshev 3 種,這些都可以在前面板上進行選擇,最低截止頻率可以根據需要在功率譜圖中用鼠標拖動紅豎線來進行修改。4.6窗體函數模塊 本軟件在信號的截取過程中設置5種窗函數以供選擇，這5種窗函數為Hanning window、Hamming window、Triangle、window、General cosine window、blackm
40、an window在各種分析算法的支持下，通過軟件編程，對信號進行時域、頻域的各種分析，完成信號分析儀基本功能。4.7 波形存儲和回放模塊 波形存儲功能主要適用于因特殊原因不能實時處理數據，或者是數據對以后的研究具有重要的參考價值的場合，我們在實際實驗中，需要先把數據保存下來，日后再將原保存的數據文件讀取出來，此時讀出的數據就和實時采集的數據一樣，也能進行自動參數測量，頻譜分析等。在本文用LabVIEW實現的虛擬示波器中，當用軟件完成數據采集、處理等工作后，可以將采集到的數據以及處理后的數據回放出來，以便繼續(xù)研究。這樣的功能就依靠波形存儲回放顯示模塊來實現。我們之所以將它稱作為“模塊”，主要是
41、因為它在整個程序中舉足輕重，如果沒有它，開發(fā)出來的程序不能稱為“虛擬儀器”，只是一個“信號處理內存”。 在這個模塊中，基本模塊是讀、寫盤模塊，寫盤模塊主要實現將波形資料寫入到文件中；讀盤模塊則是讀取文件中的數據。設定文件名輸入口作為信號波動數據文件名輸入口這文件名輸入口由寫盤功能和讀盤功能共享。在此虛擬示波器中，波動文件存儲一個二維數組(N*2 )。 write：是向硬盤或軟盤存儲數據。將Mechanical Action設定為Latch When Released，當按下“write”鍵，放開后，鍵自動復位，同時向后發(fā)出一個驅動信號，執(zhí)行寫盤功能，在下一次循環(huán)中，寫盤功能又處于等待狀態(tài)。 r
42、ead：是從硬盤或軟盤上讀取存儲數據。在同一循環(huán)中，讀盤功能處于工作狀態(tài)。讀盤后，對讀入的數據自動進行波形顯示和參數測量，也可以進行頻譜分析。 “read”鍵按下之后，都會自動執(zhí)行測量功能，并顯示測量結果；顯示雙信道測量結果； 數據波形存儲與回放的程序框圖分別如圖4.3 (a)、(b)所示： (a) (b)圖4.3 數據波形存儲與回放的程序框圖4.8 程序的集成與調試與結果顯示模塊4.8.1 程序的集成與調試 在組建好各個功能模塊的基礎上，就可以集成到一起，形成功能完善的虛擬示波器。在程序集成時需要注意的問題有： (1)數據流向問題 由于LabVIEW是數據流驅動式編程語言，因此在將各個功能模
43、塊集成時，更應注意數據流向的問題。必要時，應使用Sequence結構控制數據流向，使它按照設計者的意愿傳遞數據。 (2)數據“可見度”問題 數據的“可見度”問題與其它模塊化編程語言類似，LabVIEW同樣存在著數據(或變量)“可見度”的問題。即參數為“內部可用”的，以加強程序的可維護性。在使用循環(huán)結構時，更應注意變量的“可見度”問題，即在何種情況下循環(huán)內部的變量才可以被外部引用。有時，為了交換參數的方便，使用“Local Variable，這樣使用的結果雖然簡化了程序的開發(fā)，卻給程序的維護和可讀性帶來了負面的影響。在程序調試中根據出現的問題，找到以下幾種解決方法： 找出語法錯誤 如果一個VI程
44、序存在語法錯誤，則在面板工具條上的運行按鈕將會變成一個折斷的箭頭，表示程序不能被執(zhí)行。這時這個按鈕被稱作錯誤列表。點擊它，則LabVIEW彈出錯誤清單窗口，點擊其中任何一個所列出的錯誤，選用Find功能，則出錯的對象或端口就會變成高亮。 設置執(zhí)行程序高亮 在LabVIEW的工具條上有一個畫著燈泡的按鈕，這個按鈕叫做“高亮執(zhí)行”按鈕。點擊這個按鈕使該按鈕圖標變成高亮形式，再點擊運行按鈕，VI程序就以較慢的速度運行，沒有被執(zhí)行的代碼灰色顯示，執(zhí)行后的代碼高亮顯示，并顯示數據流在線的數據值。這樣，你就可以在根據數據的流動狀態(tài)跟蹤程序的執(zhí)行。 斷點與單步執(zhí)行 為了查找程序中的邏輯錯誤，希望框圖程序一個
45、節(jié)點一個節(jié)點地執(zhí)行。使用斷點工具可以在程序的某一地點中止程序執(zhí)行，用探針或者單步方式查看數據。使用斷點工具時，點擊設置或者清除斷點的地方。斷點的顯示對于節(jié)點或者圖框表示為紅框，對于聯機表示為紅點。當VI程序運行到斷點被設置處，程序被暫停在將要執(zhí)行的節(jié)點，以閃爍表示。按下單步執(zhí)行按鈕，閃爍的節(jié)點被執(zhí)行，下一個將要執(zhí)行的節(jié)點變?yōu)殚W爍，指示它將被執(zhí)行。也可以點擊暫停按鈕，這樣程序將連續(xù)執(zhí)行直到下一個斷點。 探針 可以用探針工具來查看當框圖程序流經某一根連接線時的數據值。從Tools工具模板選擇探針工具，再用鼠標左鍵點擊探針的連接線。這時顯示器上會出現一個探針顯示窗口。該窗口總是被顯示在前面板窗口或框
46、圖窗口的上面。在框圖中使用選擇工具或聯機工具，在聯機上點擊鼠標右鍵，在聯機的彈出式菜單中選擇“探針”命令，同樣可以為該聯機加上一個探針。 LabVIEW雖然為我們提供了功能完善的調試工具，但仍然存在著許多隱含在程序內部的錯誤無法發(fā)現。這就要求設計者在開發(fā)程序的過程中一定要仔細地把好每一關，在模塊內部將錯誤清除，才能減輕最終程序調試的難度。4.8.2 結果顯示模塊結果顯示模塊的主要功能是將測試、采集或者數據處理后的數據送到示波器上顯示，供使用者分析和研究。實質上顯示模塊還包括許多附屬的顯示項，如:坐標單位顯示、最大值及其相應位置顯示等許多內容。實際上它并不是完整意義上的模塊，它是分散于各個模塊之
47、間的，很難分析它的組成結構，在本文中之所以提及主要是它起著舉足輕重的作用。附錄1與附錄2分別是信號產生分析儀的前面板與程序框圖第五章 結束語 數字信號處理技術和教學儀器技術的發(fā)展是本文理論知識的基礎，而虛擬儀器的基本思想和LabVIEW開發(fā)平臺則是程序開發(fā)設計過程中有力的工具。通過基礎性的理論知識，從而很好地運用開發(fā)工具，并解決了在開發(fā)過程中所遇到的問題，開發(fā)出具有實用價值的虛擬儀器綜合實驗:通過功能強大的開發(fā)平臺，將理論知識轉化為有效的、實用的教學工具。 通過對課題的研究與開發(fā)，可以得出以下結論: (1)本文中開發(fā)的虛擬實驗儀器對數據進行分析處理、并生動直觀地顯示出運行數據、同時可進行波形回
48、放、存儲結果。將這些虛擬儀器應用到實驗教學中去，以取代常規(guī)儀器，實際教學中可根據實驗要求，自行設計各種軟面板，定義儀器的功能并可以各種形式表達輸出檢測結果，進行實時仿真分析。 (2)本文中采用面向對象的圖形化編程語言LabVIEW，大大提高了軟件的開發(fā)速度和效率，縮短了軟件開發(fā)周期，使用面向對象技術使程序的復用性達到最佳。 (3)運用虛擬儀器技術設計虛擬儀器系統實驗，能充分發(fā)揮計算機性能，打破了以往由教學儀器限定實驗的模式，使用者能夠根據自己的需要更改和重新定義儀器的功能。 (4)本系統雖然是在LabVIEW平臺上開發(fā)的教學虛擬實驗儀器，但由于采用模塊化設計思想和面向對象的設計方法，使該系統具
49、有良好的移植性;在此基礎上，進一步構建基于虛擬儀器系統的網絡虛擬實驗室。所以可以很容易地將該系統移植到網絡虛擬實驗室系統中。 由于利用LabVIEW軟件開發(fā)與研究虛擬儀器所涉及的內容比較廣泛，目前，本課題所完成的工作還不是十分完整。本人認為，以下問題還有待進這一步研究和發(fā)展。 (1)本課題將信號的分析與處理、現代儀器儀表、虛擬儀器與LabVIEW的開發(fā)功能做了有機的結合。但是由于時間的關系，LabVIEW所具有的強大功能還有許多是本人未曾開發(fā)和加以很好利用的，如Call Library Function和Code Interface Node等，這需要通過不斷的實踐和儀器開發(fā)來熟悉。(2)虛擬
50、儀器系統具有良好的移植性，進一步構建基于虛擬儀器系統的網絡虛擬實驗室，將基于虛擬儀器系統實際應用于遠程實驗教學是今后的發(fā)展方向。致 謝 本文的研究工作是在康廣荃老師的精心指導下完成的，從論文選題、方案制定、工作實施到論文撰寫無不滲透著導師的心血和汗水，凝結著導師對學生無微不至的關懷。康廣荃老師對于我在理論上、技術上的難點給予耐心細致的解答，提出了很多寶貴的建議，并多次審閱論文。她認真嚴謹的治學態(tài)度、淵博的知識、勤奮求實的工作作風和不懈的學術追求是我學習的榜樣。 特別感謝我的父母和親人，父母給予了我生命，他們用最簡樸的生活為我創(chuàng)造了最好的條件。父母不僅在經濟上極大的支持我，還在精神上一直鼓勵著我
51、，正是他們多年來無微不至的關懷和支持，才使我順利完成學業(yè)。 同時，借此機會我向所有幫助、關心、支持過我的老師、同學表示最衷心的感謝! 最后，我要感謝百忙之中抽出時間審閱此文的專家們！參考文獻1.劉君華，郭會軍，趙向陽，賈蕙芹.基于LabVIEW的虛擬儀器設計M.北京:電子工業(yè)出版社，20032.程學慶，房曉溪，韓薪萃，張健.LabVIEW圖形化編程與實例應用M.北京:中國鐵道出版社，20053.楊樂平，李海濤.虛擬儀器技術概論M.北京:電子工業(yè)出版社，20034.管致中，信號與線性系統M.北京:高等教育出版社.20045.侯國屏,王砷,葉齊鑫. LabVIEW7.1編程與虛擬儀器設計M.北京:
52、清華大學出版社，20056.鄧眾,王磊.LabVIEW7.1測試技術與儀器應用M.北京:機械工業(yè)出版社，20047.劉君華.基于LabVIEW的虛擬儀器設計G.北京:電子工業(yè)出版社，20038.袁淵，古軍虛擬儀器基礎教程M成都：電子科技大學出版社，20029.National Instruments Corporation. Virtual instrumentation ineducation，199710.National Instruments Co，LabVIEW Programmer Reference ManualZ,1998 附 錄附錄1 信號產生分析儀的前面板附錄2 信號產生分析儀的程序框圖
畢業(yè)設計（論文）-LabVIEW及信號發(fā)生器的頻譜分析及時域分析.doc
