虛擬儀器課程設計--虛擬函數發(fā)生器與虛擬頻譜分析儀

1、<p>　　課程設計（論文）任務書</p><p><b>　　摘要</b></p><p>　　本文設計的函數發(fā)生器和虛擬頻譜分析儀結合了虛擬儀器技術和labview圖形化編程技術，借助于計算機，利用虛擬儀器進行測量和分析，并將結果輸出到屏幕中，從而完成測量過程。本文模擬頻譜分析儀和函數發(fā)生器的工作原理，實現了對有用信號的測量。</p>&l

2、t;p>　　首先，本文介紹了背景及意義，再分析了函數發(fā)生器和頻譜分析儀，再將虛擬儀器技術和傳統(tǒng)儀器比較區(qū)別。</p><p>　　然后，介紹了虛擬儀器軟件的編程設計，對這個系統(tǒng)進行模塊化的設計。</p><p>　　最后，結合軟件的調試，通過對實際情況的模擬，從而驗證了虛擬函數發(fā)生器和頻譜分析儀的功能。</p><p>　　關鍵詞：虛擬儀器,labview,函

3、數發(fā)生器,頻譜分析儀</p><p><b>　　目錄</b></p><p>　　第 1 章 緒論1</p><p>　　1.1 背景及意義1</p><p>　　1.2 函數發(fā)生器2</p><p><b>　　1.3 濾波器3</b></p>&l

4、t;p>　　1.4 頻譜分析儀現狀及發(fā)展3</p><p>　　1.5 本文所做工作6</p><p>　　第 2 章 虛擬儀器技術7</p><p>　　2.1 虛擬儀器技術的三大組成部分8</p><p>　　2.1.1 高效的軟件8</p><p>　　2.1.2 模塊化的I/O硬件9</

5、p><p>　　2.1.3 用于集成的軟硬件平臺9</p><p>　　2.2 虛擬儀器技術具有四大優(yōu)勢9</p><p>　　2.2.1 性能高9</p><p>　　2.2.2 擴展性強10</p><p>　　2.2.3 節(jié)約時間10</p><p>　　2.2.4 無縫集成10&

6、lt;/p><p>　　2.3 虛擬儀器技術的發(fā)展趨勢10</p><p>　　2.3.1　外掛式虛擬儀器11</p><p>　　2.3.2 PXI型高精度集成虛擬儀器測試系統(tǒng)11</p><p>　　2.3.3 網絡化虛擬儀器11</p><p>　　第 3 章 Labview圖形化軟件12</p&g

7、t;<p>　　3.1 labview簡介12</p><p>　　3.2 labview優(yōu)點13</p><p>　　第 4 章 虛擬函數發(fā)生器與虛擬頻譜分析儀設計14</p><p>　　4.1 函數發(fā)生器模塊14</p><p>　　4.2 濾波模塊15</p><p>　　4.3 頻譜分

8、析模塊16</p><p>　　4.4 總體程序圖及實驗驗證17</p><p>　　第 5 章 結論與總結22</p><p><b>　　致謝23</b></p><p><b>　　參考文獻24</b></p><p><b>　　第 1 章 緒論&

9、lt;/b></p><p><b>　　1.1 背景及意義</b></p><p>　　隨著經濟的發(fā)展，在我國各行業(yè)中，大量使用電力機車，整流設備、變頻裝置等非線性用電設備，他們產生的諧波等對電網形成了影響，使電能質量下降，因此有必要進行檢測和分析。</p><p>　　目前國內使用的諧波檢測儀器往往是進口路產品，即使是國產的儀器也大多

10、不兼容，不能共享軟、硬件資源，不能進行二次開發(fā)，并且價格昂貴。如果自己組建系統(tǒng)，為了完成較復雜的測試任務，往往需要根據特定的測試任務購買專用的硬件產品。除此之外，一般每個儀器大都有自己的顯示器、內存、ftp等硬件，造成了硬件資源的浪費。</p><p>　　虛擬儀器的出現捅破了以往傳統(tǒng)儀器的特點，充分利用不斷發(fā)展和完善的計算機技術，以通用計算機和標準總線技術為平臺，利用計算機的硬件資源，并輔以軟件作為其開發(fā)平臺。

11、用戶利用面向測量儀器的控制和管理的圖形化軟件平臺（labview，labwindows/cvi、HP-VEE等），開發(fā)集測量、管理和控制于一身的應用軟件，實現測試要求。一臺普通的電腦、若干軟件包和基本的硬件電路就可以構成一套完整的測試系統(tǒng)，并具備數據處理的功能和友好的人機界面。這種儀器具有普通儀器的基本功能，又有一般儀器不具備的特殊功能，并且在儀器成本、儀器維護上節(jié)約人力物力。</p><p>　　我國將有的儀器

12、為虛擬儀器。國內將有大批企業(yè)使用虛擬儀器系統(tǒng)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(tǒng)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。</p><p>　　目前，我國正處于科學技術蓬勃發(fā)展的新時期，對儀器設備的需求將更加強勁。虛擬儀器賴以生存的計算機近幾年正以迅猛的勢頭席卷全國，這為虛擬儀器的發(fā)展莫定

13、了基礎。虛擬儀器作為傳統(tǒng)儀器的替代品，市場容量巨大。</p><p><b>　　1.2 函數發(fā)生器</b></p><p>　　信號發(fā)生器是一種最悠久的測量儀器，早在20年代電子設備剛出現時它就產生了。隨著通信和雷達技術的發(fā)展，40年代出現了主要用于測試各種接收機的標準信號發(fā)生器，使信號發(fā)生器從定性分析的測試儀器發(fā)展成定量分析的測量儀器。同時還出現了可用來測量脈沖電

14、路或用作脈沖調制器的脈沖信號發(fā)生器。由于早期的信號發(fā)生器機械結構比較復雜，功率比較大，電路比較簡單，因此發(fā)展速度比較慢。直到1964年才出現第一臺全晶體管的信號發(fā)生器。</p><p>　　自60年代以來信號發(fā)生器有了迅速的發(fā)展，出現了函數發(fā)生器，這個時期的信號發(fā)生器多采用模擬電子技術，由分立元件或模擬集成電路構成，其電路結構復雜，且僅能產生正弦波、方波、鋸齒波和三角波等幾種簡單波形，由于模擬電路的漂移較大，使其

15、輸出的波形的幅度穩(wěn)定性差，而且模擬器件構成的電路存在著尺寸大、價格貴、功耗大等缺點，并且要產生較為復雜的信號波形則電路結構非常復雜。自從70年代微處理器出現以后，利用微處理器、模數轉換器和數模轉換器，硬件和軟件使信號發(fā)生器的功能擴大，產生比較復雜的波形。這時期的信號發(fā)生器多以軟件為主，實質是采用微處理器對DAC的程序控制，就可以得到各種簡單的波形。軟件控制波形的一個最大缺點就是輸出波形的頻率低，這主要是由CPU的工作速度決定的，如果想提

16、高頻率可以改進軟件程序減少其執(zhí)行周期時間或提高CPU的時鐘周期，但這些辦法是有限度的，根本的辦法還是要改進硬件電路。</p><p>　　隨著現代電子、計算機和信號處理等技術的發(fā)展，極大促進了數字化技術在電子測量儀器中的應用，使原有的模擬信號處理逐步被數字信號處理所代替，從而擴充了儀器信號的處理能力，提高了信號測量的準確度、精度和變換速度，克服了模擬信號處理的諸多缺點，數字信號發(fā)生器隨之發(fā)展起來。</p&g

17、t;<p>　　信號發(fā)生器的應用非常廣泛，種類繁多。首先，信號發(fā)生器可以分通用和專用兩大類，專用信號發(fā)生器主要為了某種特殊的測量目的而研制的，如電視信號發(fā)生器、脈沖編碼信號發(fā)生器等。這種發(fā)生器的特性是受測量對象的要求所制約的。其次，信號發(fā)生器按輸出波形又可分為正弦波信號發(fā)生器、脈沖波信號發(fā)生器、函數發(fā)生器和任意波發(fā)生器等。再次，按其產生頻率的方法又可分為諧振法和合成法兩種。一般傳統(tǒng)的信號發(fā)生器都采用諧振法，即用具有頻率選擇

18、性的回路來產生正弦振蕩，獲得所需頻率。但也可以通過頻率合成技術來獲得所需9-率。利用頻率合成技術制成的信號發(fā)生器，通常被稱為合成信號發(fā)生器。</p><p><b>　　1.3 濾波器</b></p><p>　　濾波器（filter）是指減少或消除諧波對電力系統(tǒng)影響的電氣部件。是一種用來消除干擾雜訊的器件，將輸入或輸出經過過濾而得到純凈的直流電。對特定頻率的頻點或該

19、頻點以外的頻率進行有效濾除的電路，就是濾波器，其功能就是得到一個特定頻率或消除一個特定頻率。</p><p>　　濾波器，顧名思義，是對波進行過濾的器件?！安ā笔且粋€非常廣泛的物理概念，在電子技術領域，“波”被狹義地局限于特指描述各種物理量的取值隨時間起伏變化的過程。該過程通過各類傳感器的作用，被轉換為電壓或電流的時間函數，稱之為各種物理量的時間波形，或者稱之為信號。因為自變量時間‘是連續(xù)取值的，所以稱之為連續(xù)時

20、間信號，又習慣地稱之為模擬信號(Analog Signal)。隨著數字式電子計算機(一般簡稱計算機)技術的產生和飛速發(fā)展，為了便于計算機對信號進行處理，產生了在抽樣定理指導下將連續(xù)時間信號變換成離散時間信號的完整的理論和方法。也就是說，可以只用原模擬信號在一系列離散時間坐標點上的樣本值表達原始信號而不丟失任何信息，波、波形、信號這些概念既然表達的是客觀世界中各種物理量的變化，自然就是現代社會賴以生存的各種信息的載體。信息需要傳播，靠的就

21、是波形信號的傳遞。信號在它的產生、轉換、傳輸的每一個環(huán)節(jié)都可能由于環(huán)境和干擾的存在而畸變，有時，甚至是在相當多的情況下，這種畸變還很嚴重，以致于信號及其所攜帶的信息被深深地埋在噪聲當中了。</p><p>　　濾波，本質上是從被噪聲畸變和污染了的信號中提取原始信號所攜帶的信息的過程。</p><p>　　1.4 頻譜分析儀現狀及發(fā)展</p><p><b>

22、;　　傳統(tǒng)頻譜分析儀</b></p><p>　　傳統(tǒng)的頻譜分析儀的前端電路是一定帶寬內可調諧的接收機，輸入信號經變頻器變頻后由低通濾器輸出，濾波輸出作為垂直分量，頻率作為水平分量，在示波器屏幕上繪出坐標圖，就是輸入信號的頻譜圖。由于變頻器可頻譜分析儀</p><p>　　以達到很寬的頻率，例如30Hz-30GHz，與外部混頻器配合，可擴展到100GHz以上，頻譜分析儀是頻率覆

23、蓋最寬的測量儀器之一。無論測量連續(xù)信號或調制信號，頻譜分析儀都是很理想的測量工具。但是，傳統(tǒng)的頻譜分析儀也有明顯的缺點，它只能測量頻率的幅度，缺少相位信息，因此屬于標量儀器而不是矢量儀器。</p><p><b>　　現代頻譜分析儀</b></p><p>　　基于快速傅里葉變換（FFT）的現代頻譜分析儀，通過傅里葉運算將被測信號分解成分立的頻率分量，達到與傳統(tǒng)頻譜分

24、析儀同樣的結果，。這種新型的頻譜分析儀采用數字方法直接由模擬/數字轉換器（ADC）對輸入信號取樣，再經FFT處理后獲得頻譜分布圖。在這種頻譜分析儀中，為獲得良好的儀器線性度和高分辨率，對信號進行數據采集時ADC的取樣率最少等于輸入信號最高頻率的兩倍，亦即頻率上限是100MHz的實時頻譜分析儀需要ADC有200MS/S的取樣率。目前半導體工藝水平可制成分辨率8位和取樣率4GS/S的ADC或者分辨率12位和取樣率800MS/S的ADC，亦即

25、，原理上儀器可達到2GHz的帶寬，為了擴展頻率上限，可在ADC前端增加下變頻器，本振采用數字調諧振蕩器。這種混合式的頻譜分析儀可擴展到幾GHz以下的頻段使用。FFT的性能用取樣點數和取樣率來表征，例如用100KS/S的取樣率對輸入信號取樣1024點，則最高輸入頻率是50KHz和分辨率是50Hz。如果取樣點數為2048點，則分辨率提高到25Hz。由此可知，最高輸人頻率取決于取樣率，分辨率取決于取樣點數。FFT運算時間與取樣，點數成對數關系

26、，頻譜分析儀</p><p>　　頻譜分析在生產實踐和科學研究中有著廣泛的應用。例如，對各類旋轉機械、電機、機床等機器的主體或部件進行實際運行狀態(tài)下的譜分析，可以提供設計數據和檢驗設計結果，或者尋找震源和診斷故障，保證設備的安全運行等。在聲納系統(tǒng)中，為了尋找海洋水面船只或潛艇，需要對噪聲信號進行譜分析，以提供有用信息，判斷艦艇運動速度、方向、位置、大小等。因此對頻譜分析方法的研究一直是當前信號處理技術中一個十分活

27、躍的課題。</p><p>　　1965年庫利一圖基在《計算數學》雜志上發(fā)表快速傅里葉變換(FFT)算法，FFT和頻譜分析很快發(fā)展成為機械設備故障診斷、振動分析、無線電通信、信息圖像處理和自動控制等多種學科重要的理論基礎。然而長期的應用和近年來的理論分析表明，經快速傅里葉變換得到的離散頻譜，在頻率、幅值和相位方面均可能產生較大誤差，單諧波加矩形窗時最大誤差從理論上分析可達36.4%仁鬧，即使加其他窗時，也不能完全

28、消除此影響。在加Hanning窗時，只進行幅值恢復時的最大幅值誤差仍高達15.3ry0，相位誤差高達士90度。因此，頻譜分析的結果在許多領域只能定性而不能精確的定量分析和解決問題，大大限制了該技術的工程應用，特別是在機械振動和故障診斷中的應用受到極大限制。</p><p>　　從70年代中期，有關學者開始致力于頻譜校正理論的研究以期解決離散頻譜誤差較大的問題。1975年約翰等從事電學領域研究工作的學者采用插值法對

29、加矩形窗的離散化頻譜進行校正，解決了電學中的離散高次諧波參數的精確測量問題;1983年托馬斯提出了加Hanning窗的內差法，進一步提高了離散高次諧波參數的分析精度。1993年，丁康和謝明提出了三點卷積法幅值校正法￡鬧，提高了頻率間隔較大的信號的離散頻譜幅值精度，解決了工程實際中的一些問題。1994年，丁康、謝明等提出和發(fā)展了比例頻譜校正方法，使內差法系統(tǒng)的發(fā)展成為一種通用的頻譜校正方法，解決了頻率間隔較大的離散化頻譜幅值、相位和頻率的

30、精確求解問題，并對離散頻譜的校正方法和誤差分析驚醒了深入的分析和研究。1996年，余加兵等提出了采用復調制細花譜分析將已產生頻譜干擾的密集頻率成分分離開，消除干擾，再用比例法進行校正以解決密集頻率成分的離散頻譜的校正問題。1997年，丁康等分析了離散頻譜中的負頻率成分和多頻譜成分的干擾現象，提出了離散頻譜中用相位判據和傅值判據綜合判定和識別單頻率成分的方法，實現了單頻率成分和頻率間隔較大的多頻率成分的自動識別和自動校正</p>

31、;<p>　　從目前國內外學者所進行的大量研究工作來看，主要是對單頻率信號(或頻率間隔較大的多頻率信號)離散頻譜的自動識別和校正，密集頻率的校正也只限于兩個臨近頻率成分的校正，未能深入到連續(xù)頻率成分頻譜的誤差和校正方法的研究。而實際工程中的許多信號是密集頻率成分或連續(xù)頻率成分的信號，比如在旋轉機械、故障診斷和非線性動力系統(tǒng)分析中，常常出現密集頻譜現象。在有限樣本長度下，由此類信號的FFT譜很難識別其頻率構成，確定個頻率的參

32、數，而且由于旁瓣泄漏或主瓣干擾的影響，基于單頻率信號頻譜校正的比值法不再適合此類多頻率信號。對此類信號在進行離散頻譜分析時所產生誤差的分析方法與頻率間隔較大的信號誤差分析方法存在巨大差異，校正方法也不相同，校正難度很大。因此，當前具有密集頻譜的頻譜校正問題是頻譜校正技術最難解決的問題之一，成為工程界和研究離散頻譜校正的學者們關注的焦點。</p><p>　　1.5 本文所做工作</p><p&

33、gt;　　結合虛擬儀器技術等，本文設計并實現了一個虛擬的函數發(fā)生器和頻譜分析儀，該虛擬函數發(fā)生器和頻譜分析儀的系統(tǒng)結構框圖如圖1-1所示。</p><p>　　圖1-1 系統(tǒng)結構框圖</p><p><b>　　完成的工作有：</b></p><p>　　虛擬儀器程序的設計和編制，針對一般函數發(fā)生器能產生的波形及產生波形可能含有噪聲的情況，對波

34、形進行濾波，最后對濾除噪聲后的波形進行分析。</p><p>　　第 2 章 虛擬儀器技術</p><p>　　虛擬儀器技術就是利用高性能的模塊化硬件，結合高效靈活的軟件來完成各種測試、測量和自動化的應用。自1986年問世以來，世界各國的工程師和科學家們都已將NI LabVIEW圖形化開發(fā)工具用于產品設計周期的各個環(huán)節(jié)，從而改善了產品質量、縮短了產品投放市場的時間，并提高了產品開發(fā)和生產效

35、率。使用集成化的虛擬儀器環(huán)境與現實世界的信號相連，分析數據以獲取實用信息，共享信息成果，有助于在較大范圍內提高生產效率。</p><p>　　虛擬儀器（vi）是計算機輔助測試（cat）的最新發(fā)展，它充分利用快速發(fā)展的計算機及通信網絡技術來提高測試計量儀器設備的功能、性能和應用范圍，為用戶定義和構造自己的測試儀器系統(tǒng)提供了全新的解決方案。虛擬儀器并不完全等同于計算機輔助測試，它是一種基于信號采集與分析理論、具有標準

36、化軟硬件及其接口和良好集成性與柔性的儀器系統(tǒng)，是一種新的測試儀器標準和技術規(guī)范。</p><p>　　傳統(tǒng)的電子儀器是自封閉的系統(tǒng)，它具有信號輸入、輸出的能力，并有固定的用戶界面，比如：輸入、輸出信號接插件、旋鈕、按鈕、顯示儀表、顯示面板等。一個儀器包括傳感器、信號處理器、A/D轉換器、微處理器、存儲器和內部總線等專門化的電路。通過這些電路來轉換、測量、分析實際信號，并將結果以各種方式顯示。然而，有時為了構成具有

37、一定功能的系統(tǒng)，配置了一套儀器，但對其中的某些儀器，只用到了其中一部分功能，而將它作其他功能使用時，卻不具備或達不到所需指標。如另配置一套儀器，不斷效率不高，而且價格高。要是能將原有的儀器稍加改動，就可以擴大其使用范圍。但是傳統(tǒng)的儀器功能是由制造商決定的，用戶不能任意更改，用戶如按自己的要求定制儀器需要昂貴的價格。虛擬儀器概念的提出是儀器發(fā)展史上的一場革命，代表著儀器發(fā)展的最新方向和潮流。以下是傳統(tǒng)測試儀器和虛擬儀器的一個比較：<

38、/p><p>　　表2-1 傳統(tǒng)儀器與虛擬儀器比較</p><p>　　2.1 虛擬儀器技術的三大組成部分</p><p>　　2.1.1 高效的軟件</p><p>　　軟件是虛擬儀器技術中最重要的部份。使用正確的軟件工具并通過設計或調用特定的程序模塊，工程師們可以高效地創(chuàng)建自己的應用以及友好的人機交互界面。NI公司提供的行業(yè)標準圖形化編程軟件

39、———LabVIEW，把復雜、煩瑣、費時的語言編程簡化成用簡單或圖標提示的方法選擇功能(圖形)，并用線條把各種圖形連接起來的簡單圖形編程方式，使得不熟悉編程的工程技術人員都可以按照測試要求和任務快速“畫”出自己的程序，不僅能輕松方便地完成與各種軟硬件的連接，更能提供強大的后續(xù)數據處理能力，設置數據處理、轉換、存儲的方式，并將結果按自己的要求顯示出來。此外，NI提供了更多交互式的測量工具和更高層的系統(tǒng)管理軟件工具，例如連接設計與測試的交互

40、式軟件Signal-Express，用于傳統(tǒng)C語言的LabWindows/CVI，針對微軟Visual Studio的Measurement Studio等等，均可滿足用戶對高性能應用的需求。有了功能強大的軟件，測試工程師們就可以在儀器中創(chuàng)建智能性和決策功能，從而發(fā)揮虛擬儀器技術在測試應用中的強大優(yōu)勢。</p><p>　　2.1.2 模塊化的I/O硬件</p><p>　　面對日益復雜的

41、測試測量應用，虛擬儀器供應商提供了全方位的軟硬件的解決方案。無論是使用PCI，PXI，PCMCIA，USB或者是1394總線，都有相應的模塊化的硬件產品，產品種類從數據采集、信號調理、聲音和振動測量、視覺、運動、儀器控制、分布式I/O到CAN接口等工業(yè)通訊，應有盡有。高性能的硬件產品結合靈活的開發(fā)軟件，可以為負責測試和設計工作的工程師們創(chuàng)建完全自定義的測量系統(tǒng)，滿足各種獨特的應用要求。</p><p>　　2.1

42、.3 用于集成的軟硬件平臺</p><p>　　NI公司首先提出的專為測試任務設計的PXI硬件平臺，已經成為當今測試、測量和自動化應用的標準平臺，它的開放式構架、靈活性和PC技術的成本優(yōu)勢為測量和自動化行業(yè)帶來了一場翻天覆地的改革PXI作為一種專為工業(yè)數據采集與自動化應用度身定制的模塊化儀器平臺，內建有高端的定時和觸發(fā)總線，再配以各類模塊化的I/O硬件和相應的測試測量開發(fā)軟件，用戶就可以建立完全自定義的測試測量解

43、決方案。無論是面對簡單的數據采集應用，還是高端的混合信號同步采集，借助PXI高性能的硬件平臺，都能應付自如。</p><p>　　2.2 虛擬儀器技術具有四大優(yōu)勢</p><p><b>　　2.2.1 性能高</b></p><p>　　虛擬儀器技術是在PC技術的基礎上發(fā)展起來的，所以完全"繼承"了以現成即用的PC技術為主

44、導的最新商業(yè)技術的優(yōu)點，包括功能超卓的處理器和文件I/O，使您在數據高速導入磁盤的同時就能實時地進行復雜的分析。此外，不斷發(fā)展的因特網和越來越快的計算機網絡使得虛擬儀器技術展現其更強大的優(yōu)勢。</p><p>　　2.2.2 擴展性強</p><p>　　NI的軟硬件工具使得我們不再受限于當前的技術中。這得益于NI軟件的靈活性，只需更新計算機或測量硬件，就能以最少的硬件投資和極少的、甚至無

45、需軟件上的升級即可改進整個系統(tǒng)。在利用最新科技的時候，我們可以把它們集成到現有的測量設備，最終以較少的成本加速產品上市的時間。</p><p>　　2.2.3 節(jié)約時間</p><p>　　在驅動和應用兩個層面上，NI高效的軟件構架能與計算機、儀器儀表和通訊方面的最新技術結合在一起。NI設計這一軟件構架的初衷就是為了方便用戶的操作，同時還提供了靈活性和強大的功能，使我們輕松地配置、創(chuàng)建、發(fā)

46、布、維護和修改高性能、低成本的測量和控制解決方案。</p><p>　　2.2.4 無縫集成</p><p>　　虛擬儀器技術從本質上說是一個集成的軟硬件概念。隨著產品在功能上不斷地趨于復雜，工程師們通常需要集成多個測量設備來滿足完整的測試需求，而連接和集成這些不同設備總是要耗費大量的時間。NI的虛擬儀器軟件平臺為所有的I/O設備提供了標準的接口，幫助我們輕松地將多個測量設備集成到單個系統(tǒng)

47、，減少了任務的復雜性。</p><p>　　虛擬儀器技術構建的應變測試儀的諸多優(yōu)點表明，虛擬儀器系統(tǒng)具有重要的現實意義和推廣價值，是傳統(tǒng)應變測量儀器的理想替代產品。隨著計算機網絡技術的迅速發(fā)展，將為虛擬儀器提供更強大的功能，即可以實現遠距離的網絡化虛擬儀器實時測試。只要在應變測量系統(tǒng)中添加網絡功能模塊，借助于寬帶網絡技術可以很容易的實現遠距離實時測試，這是基于虛擬儀器技術構建的應變測試系統(tǒng)今后的發(fā)展方向。相信將來

48、的應變測量系統(tǒng)一定是虛擬儀器技術與計算機網絡技術相結合的系統(tǒng)，其測試功能會更強大，精度會更高，應用會更廣。</p><p>　　2.3 虛擬儀器技術的發(fā)展趨勢</p><p>　　隨著計算機技術、儀器技術和網絡通信技術的不斷完善，虛擬儀器技術將向以下三個方向發(fā)展。</p><p>　　2.3.1　外掛式虛擬儀器</p><p>　　由于基于P

49、CI總線的虛擬儀器在插入DAQ時都需要打開機箱等，比較麻煩，再加上測試信號直接進入計算機，各種現場的被測信號與計算機之間存在電磁干擾問題。外掛式虛擬儀器是將測量到的物理信號通過預處理，轉換為所需的數字信號后，再由一根串口線或者USB線傳給計算機處理，這樣既減少了板卡的裝拆過程，也節(jié)約了計算機的系統(tǒng)資源，只需運行相配套的軟件就可得到想要的結果。所以外掛式虛擬儀器系統(tǒng)將成為今后廉價型虛擬儀器測試系統(tǒng)的主流。</p><p

50、>　　2.3.2 PXI型高精度集成虛擬儀器測試系統(tǒng)</p><p>　　對于測試系統(tǒng)，現在比較先進I/O總線技術主要是VXI總線和PXI總線。VXI主要用于滿足高端自動化測試應用的需要，但是它基于過時的VME總線，而現代計算機不支持這種總線結構，所以它不能利用PC技術的優(yōu)勢，從而也不能將主流軟件的支持、低成本、高性能等好處帶給最終用戶。而PXI平臺基于PCI，所以它固有PCI的一些優(yōu)點:較低的成本，不斷

51、提高的性能，以及為最終用戶提供主流軟件模型。PXI系統(tǒng)高度的可擴展性和良好的兼容性，以及比VXI系統(tǒng)更高的性價比，將使它成為未來大型高精度集成測試系統(tǒng)的主流虛擬儀器平臺。</p><p>　　2.3.3 網絡化虛擬儀器</p><p>　　隨著Internet技術的發(fā)展，一些公司已開發(fā)出通過Web瀏覽器觀測嵌入式智能儀器的產品，使人們可以通過Internet操作儀器設備。根據虛擬儀器的特性

52、，我們能夠方便地將虛擬儀器組成計算機網絡。利用網絡技術將分散在不同地理位置不同功能的測試設備聯系在一起，使昂貴的硬件設備、軟件在網絡上得以共享，不僅讓人們能夠輕而易舉地得到自己需要的測試數據，還能帶來巨大的效益?？梢韵胂?，在不遠的將來，醫(yī)生完全有可能通過互聯網操作儀器給遠處的病人診斷疾病。</p><p>　　第 3 章 Labview圖形化軟件</p><p>　　3.1 labview

53、簡介</p><p>　　LabVIEW(Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench)是實驗室虛擬儀器集成開發(fā)平臺的簡稱，它是目前國際上應用最廣泛的虛擬儀器開發(fā)環(huán)境之一，它是主要用于開發(fā)數據檢測、數據測量采集系統(tǒng)、工業(yè)自動控制系統(tǒng)合數據分析系統(tǒng)等領域的專用軟件開發(fā)平臺。</p><p>　　LabVIEW的最大特色是采用編譯型圖形

54、化編程語言――G語言(GraphProgramming)，它與C，Pascal，Basic等傳統(tǒng)語言有著相似之處，如：相似的數據類型、數據流控制結構、程序調試工具，以及模塊化的編程特點。但二者最大的區(qū)別在于：傳統(tǒng)編程語言用文本語言編程，程序的執(zhí)行依賴于文本所描述的指令;而LabVIEW使用圖形語言(即，各種圖標、圖形符號、連線等)以框圖的形式編寫程序。用LabVIEW編程無需具備太多編程經驗，因為LabVIEW使用的都是測試工程師們熟悉

55、的術語和圖標，如各種按鈕、開關、波形圖等，界面非常直觀形象，因此，LabVIEW對于沒有豐富編程經驗的測試工程師們來說無疑是個極好的選擇。</p><p>　　LabVIEW語言具有豐富的擴展函數庫，集成了大量的生成圖形界面的模板，如各種表頭、旋鈕、開關、LED指示燈、圖表等，界面直觀、形象，相對于傳統(tǒng)的編程方式而言，它簡單易學而且執(zhí)行效率高。與傳統(tǒng)的編程方式相比，使用LabVIEW設計的虛擬儀器，可以提高效率4

56、-10倍。</p><p>　　LabVIEW的圖形環(huán)境內置豐富的函數庫，提供了多種網絡的接口，支持先進的流動數據傳輸等先進技術，使系統(tǒng)的開發(fā)更加方便，其中基于TCP/IP協議的網絡實時數據交換編程技術――數據套接字(DataSocket)技術便是一特色。這種技術是一種開放的技術，與人們已習慣采用的TCP/IP編程接口、DDE等網絡環(huán)境下的數據共享技術比較，使用起來更方便，開發(fā)效率更高，而且不需要大量的編程工作量

57、。數據套接提供統(tǒng)一的API編程接口，從數據共享的角度，它是對WinSock的高級封裝，允許用戶與各種服務器進行交互并在應用之間交換信息，比如LabVIEW以及一些不同的數據源或目標，源和目標包括其他的應用、文件、OPC (OLE For Process Control)服務器、Web服務器以及FTP服務器。使用DataSocket類和統(tǒng)一資源定位器(Uniform Resource Locator，簡稱URL)，就可建立數據套接的源與目

58、標的連接，用戶可以像使用LabVIEW中的其他數據類型一樣用DataSocket讀寫數據，實現測量數據的實時共享</p><p>　　LabVIEW是一種程序開發(fā)環(huán)境，由美國國家儀器（NI）公司研制開發(fā)的，類似于C和BASIC開發(fā)環(huán)境，但是LabVIEW與其他計算機語言的顯著區(qū)別是：其他計算機語言都是采用基于文本的語言產生代碼，而LabVIEW使用的是圖形化編輯語言G編寫程序，產生的程序是框圖的形式。</p

59、><p>　　3.2 labview優(yōu)點</p><p>　　LabVIEW從被推出到現在，20年的實踐證明LabVIEW確實是一個使用方便卻又功能非常強大的開發(fā)平臺，LabVIEW具有以下優(yōu)點：</p><p>　?。?）實現了儀器控制與數據采集的完全圖形化編程，設計者無需編寫任何文本形式的代碼。</p><p>　?。?）提供了大量的面向測控

60、領域的庫函數，如面向數據采集的DAQ庫函數、內置GPIB、VXI、串口等數據采集驅動程序；面向分析的高級分析庫；面向顯示的大量儀器面板。</p><p>　?。?）提供了大量與外部代碼或應用軟件進行連接的機制。</p><p>　　（4）具有強大的網絡連接功能，支持常用的網絡協議，便于用戶開發(fā)各種網絡測控、遠程虛擬儀器系統(tǒng)。</p><p>　?。?）LabVIEW

61、應用程序具有可移植性，適用于多種操作系統(tǒng)</p><p>　?。?）可生成可執(zhí)行文件，脫離LabVIEW開發(fā)環(huán)境運行。</p><p>　　第 4 章 虛擬函數發(fā)生器與虛擬頻譜分析儀設計</p><p>　　根據實驗要求設計虛擬函數發(fā)生器和虛擬頻譜分析儀，根據模塊化設計原則，將這一個系統(tǒng)分為函數產生模塊、濾波模塊、頻譜分析模塊3個部分。下圖是進行總設計模塊的框圖。&

62、lt;/p><p>　　圖 4-1 總體設計框圖</p><p>　　4.1 函數發(fā)生器模塊</p><p>　　對一個基本的函數發(fā)生器進行選擇函數，對其使用一個條件函數，對其進行選擇函數，能進行正弦波、三角波、鋸齒波、方波四種信號進行調節(jié)，并且用布爾對其進行顯示，當選擇函數時，相應的函數燈就會亮起。其工作原理是，選擇要產生的函數，輸入信號，條件函數會執(zhí)行，執(zhí)行相應的程

63、序，并且對應的函數燈亮起。</p><p>　　圖4-1-1 鋸齒波信號發(fā)生器</p><p>　　在這個信號發(fā)生器中，使用了枚舉（信號類型），對信號類型進行選擇，就可以選擇不同的函數波形，同時，被選擇的波形的指示燈亮。</p><p>　　圖4-1-2 噪聲模塊</p><p>　　同時考慮到在實際過程中，可能有噪聲產生，因此增加了一個噪聲

64、產生模塊，以模擬實際中的情形。</p><p>　　用均勻的白噪聲進行模擬，用幅值進行是否有噪聲產生和噪聲大小的確定。</p><p><b>　　4.2 濾波模塊</b></p><p>　　濾波是將信號中特定波段頻率濾除的操作，是抑制和防止干擾的一項重要措施。是根據觀察某一隨機過程的結果，對另一與之有關的隨機過程進行估計的概率理論與方法。本

65、文中用的是巴特沃斯濾波器進行濾波。根據輸出波形的波形進行調節(jié)，如果波形較好，能很好的進行頻譜分析，就不采用濾波器；若波形輸出不是很好，就需使用濾波器，調節(jié)濾波器的高頻截止頻率等參數，從而調節(jié)出較好的波形以進行頻譜分析。</p><p>　　圖 4-2-1 帶阻濾波模塊</p><p>　　這次試驗采用2個條件結構，一個條件結構是決定是否使用濾波器，當為真時，可以對濾波器的參數進行設置；另一

66、個條件結構是進行濾波方式的選擇，使用了一個枚舉（濾波方式），對其可以選擇使用高通、低通、帶通、帶阻濾波器。</p><p>　　4.3 頻譜分析模塊</p><p>　　當對信號進行濾波之后，得到與原波形相近的波形后，對其進行頻譜分析，使用labview中的一些軟件模塊，對其周期，峰峰值等參數進行分析。</p><p>　　圖 4-3-1 頻譜分析模塊</p&

67、gt;<p>　　4.4 總體程序圖及實驗驗證</p><p>　　根據要求，總體的程序圖如下：</p><p>　　圖4-4-1 總體設計程序框圖</p><p>　　圖 4-4-2 總體設計前面板圖</p><p>　　實驗開始前，將電源開關按下，選擇波形為正弦波，輸入信號的頻率為6.16148HZ，相位為6.81455，輸

68、入幅值為409.438，沒有添加噪聲，從而得到的前面板圖為：</p><p>　　圖 4-4-3 未添加噪聲前面板輸出圖</p><p>　　未添加噪聲的時候，測量的幅值周期平均值、峰峰值、正峰、反峰等測量值都沒有發(fā)生變化。</p><p>　　當輸入的信號添加幅值為200的均勻白噪聲后，得到的前面板圖如下：</p><p>　　圖 4-4-

69、4 添加噪聲的前面板輸出圖</p><p>　　從這2個圖分析可以知道，添加噪聲之后，其波形圖的圖形上有“小毛刺”，同時頻譜分析中，其峰峰值等都會隨時間不同而產生變化，它們的值都不會是個固定值，這樣形成的測量誤差就有點大，影響數據的準確性。因而添加了濾波器，來決定是否進行濾波。</p><p>　　圖 4-4-5 采用濾波器后的采樣</p><p>　　因有噪聲的影

70、響，所以采用了一個濾波器進行濾波，從而得到一個較完好的信號，從而得到比較準確的測量數據。</p><p>　　第 5 章 結論與總結</p><p>　　本文采用了目前比較流行的美國國家儀器公司的LabVIEW作為該系統(tǒng)的軟件開發(fā)平臺，對虛擬儀器和LabVIEW軟件進行了介紹，并詳細地介紹一種基于LabVIEW環(huán)境下自行開發(fā)的虛擬函數信號發(fā)生器。虛擬儀器設計及實現的核心是軟件的開發(fā)。該儀器

71、不但界面友好，而且功能強大、操作簡便。經過仿真實驗表明，它能夠產生實驗室常用的正弦波、三角波、方波、鋸齒波信號，并模擬產生噪聲，采用巴特沃斯濾波器對其進行濾波，從而得到與原信號相近的信號進行頻譜分析。</p><p>　　本文結合現有條件，圍繞虛擬函數發(fā)生器和虛擬頻譜分析儀的設計和實現進行了實驗研究，得到以下一些結論：</p><p>　　利用虛擬儀器技術實現了虛擬函數發(fā)生器和虛擬頻譜分析

72、儀。</p><p>　　本文設計的虛擬儀器采用轉盤旋鈕來模擬實際的儀器，而采用的原件相對簡單，為實現具體的函數發(fā)生器和頻譜分析儀創(chuàng)造了條件。</p><p>　　當然，本次試驗也有一些不足，本文設計的頻譜分析儀相對簡單，沒有實現較高級的功能，只是實現了相對簡單的一些基本測量功能。</p><p>　　同時在這次課程設計中，不僅加深了對labview軟件的認識，還加

73、深了對系統(tǒng)模塊化分析處理的思想。</p><p><b>　　致謝</b></p><p>　　首先要感謝我的老師xx，xx老師在對我學習虛擬儀器和labview軟件方面進行了悉心指導，傾注了大量的心血。xx老師淵博的專業(yè)知識，嚴謹的治學態(tài)度，孜孜不倦的研究態(tài)度，令我欽佩，在李老師的指導下，我不僅學到了豐富的專業(yè)知識，還學到了待人接物和嚴謹求學的態(tài)度，使我終生受益&l

74、t;/p><p>　　當然，一個人的力量是有限的，同時也要感謝我的同學，感謝他們對我labview軟件上的幫助，使我能順利完成課程設計。</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　[1] 黃松嶺. 虛擬儀器設計基礎教程[M]. 北京: 清華大學出版社, 2008</p><p>　　[2] 劉君華.

75、基于LabVIEW的虛擬儀器設計[M]. 北京: 電子工業(yè)出版社, 2003</p><p>　　[3] 張小虹. 數字信號處理[M]. 北京: 機械工業(yè)出版社, 2005</p><p>　　[4] 李云志. 虛擬技術及其發(fā)展趨勢. 電子科學技術評論, 2005</p><p>　　[5] 荊銳. 虛擬儀器技術. 計算機應用與軟件,2007</p>