基于虛擬儀器的信號發(fā)生器設(shè)計 課程設(shè)計

1、<p>　　基于LabVIEW的虛擬儀器信號發(fā)生器設(shè)計</p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　虛擬儀器是將儀器技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)、總線技術(shù)和軟件技術(shù)緊密的融合在一起，利用計算機(jī)強大的數(shù)字處理能力實現(xiàn)儀器的大部分功能，打破了傳統(tǒng)儀器的框架，形成的一種新的儀器模式。</p><p>　　本文首先概述了信號發(fā)生器及

2、虛擬儀器技術(shù)在國內(nèi)外的發(fā)展及趨勢，然后介紹了信號發(fā)生器的相關(guān)理論，給出了信號發(fā)生器的基本原理框圖，并探討了虛擬儀器的總線及其標(biāo)準(zhǔn)、框架結(jié)構(gòu)、LABVIEW開發(fā)平臺。在分析本系統(tǒng)功能需求的基礎(chǔ)上，介紹了數(shù)據(jù)采集卡、LABVIEW的編程模式等設(shè)計中所涉及到的技術(shù)。</p><p>　　本設(shè)計是虛擬儀器模擬真實儀器的嘗試。實踐證明虛擬儀器是一種優(yōu)秀的解決方案，能夠?qū)崿F(xiàn)各種硬件可以完成的任務(wù)。</p>&l

3、t;p>　　關(guān)鍵詞： 虛擬儀器，數(shù)據(jù)采集卡，信號發(fā)生器，LABVIEW </p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　1 緒論1</b></p><p><b>　　1.1引言1</b></p><p>　　1.2信號發(fā)生器的發(fā)展1&l

4、t;/p><p>　　1. 3 虛擬儀器的發(fā)展趨勢2</p><p>　　1.4 課題的主要任務(wù)3</p><p><b>　　2 虛擬儀器3</b></p><p>　　2.1 虛擬儀器的概述3</p><p>　　2.1.1 虛擬儀器的特點及優(yōu)勢4</p><p>

5、;　　2.1.2 虛擬儀器與傳統(tǒng)儀器的比較5</p><p>　　2.2 虛擬儀器的開發(fā)軟件8</p><p>　　2.2.1 虛擬儀器的開發(fā)語言8</p><p>　　2.2.2圖形化虛擬儀器開發(fā)平臺——LABVIEW9</p><p>　　2.2.3基于LABVIEW平臺的虛擬儀器程序設(shè)計9</p><p&g

6、t;　　2.3虛擬儀器的發(fā)展方向11</p><p>　　3虛擬信號發(fā)生器的設(shè)計12</p><p>　　3.1虛擬波形發(fā)生器前面板12</p><p>　　3.2信號源為正弦波14</p><p>　　3.3信號源為三角波16</p><p>　　3.4信號源為方波18</p><p&

7、gt;　　3.5信號源為鋸齒波20</p><p><b>　　總結(jié)22</b></p><p><b>　　致謝23</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)24</b></p><p><b>　　1 緒論</b></p>&

8、lt;p><b>　　1.1引言</b></p><p>　　信號發(fā)生器作為科學(xué)實驗必不可少的裝置，被廣泛地應(yīng)用到教學(xué)、科研等各個領(lǐng)域。高等學(xué)校特別是理工科的教學(xué)、科研需要大量的儀器設(shè)備，例如信號源、示波器等，常用儀器都必須配置多套，但是有些儀器設(shè)備價格昂貴，如果按照傳統(tǒng)模式新建或者改造實驗室投資巨大，造成許多學(xué)校儀器設(shè)備缺乏或過時陳舊，嚴(yán)重影響教學(xué)科研。如果運用虛擬儀器技術(shù)構(gòu)建系統(tǒng)，

9、代替常規(guī)儀器、儀表，不但可以滿足實驗教學(xué)的需要、節(jié)約大量的經(jīng)費、降低實驗室建設(shè)的成本，而且能夠提高教學(xué)科研的質(zhì)量與效率[1]。</p><p>　　1.2信號發(fā)生器的發(fā)展</p><p>　　信號發(fā)生器是一種悠久的測量儀器，早在20年代電子設(shè)備剛出現(xiàn)時它就產(chǎn)生了。隨著通信和雷達(dá)技術(shù)的發(fā)展，40年代出現(xiàn)了主要用于測試各種接收機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)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

10、測量儀器。同時還出現(xiàn)了可用來測量脈沖電路或用作脈沖調(diào)制器的脈沖信號發(fā)生器。由于早期的信號發(fā)生器機(jī)械結(jié)構(gòu)比較復(fù)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(xiàn)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(xiàn)了函數(shù)發(fā)生器，這個時期的信號發(fā)生器多采用模擬電子技術(shù)，由分立元件或模擬集成電路構(gòu)成，其電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且僅能產(chǎn)生正弦波、方波、鋸齒波和三角波等幾種

11、簡單波形，由于模擬電路的漂移較大，使其輸出的波形的幅度穩(wěn)定性差，而且模擬器件構(gòu)成的電路存在著尺寸大、價格貴、功耗大等缺點，并且要產(chǎn)生較為復(fù)雜的信號波形則電路結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜。自從70年代微處理器出現(xiàn)以后，利用微處理器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器和數(shù)模轉(zhuǎn)換器，硬件和軟件使信號發(fā)生器的功能擴(kuò)大，產(chǎn)生比較復(fù)雜的波形。這時期的信號發(fā)生器多以軟件為主，實質(zhì)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

12、要是由CPU的工作速度決定的，如果想提高頻率可以改進(jìn)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(jìn)硬件電路。</p><p>　　隨著現(xiàn)代電子、計算機(jī)和信號處理等技術(shù)的發(fā)展，極大促進(jìn)了數(shù)字化技術(shù)在電子測量儀器中的應(yīng)用，使原有的模擬信號處理逐步被數(shù)字信號處理所代替，從而擴(kuò)充了儀器信號的處理能力，提高了信號測量的準(zhǔn)確度、精度和變換速度，克服了模擬信號處理的諸多缺點，數(shù)字信

13、號發(fā)生器隨之發(fā)展起來。其基本原理如圖1.1所示。</p><p>　　圖1.1 信號發(fā)生器基本原理框圖</p><p>　　信號發(fā)生器的應(yīng)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

14、信號發(fā)生器、函數(shù)發(fā)生器和任意波發(fā)生器等。再次，按其產(chǎn)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，即用具有頻率選擇性的回路來產(chǎn)生正弦振蕩，來獲得所需頻率。</p><p>　　1. 3 虛擬儀器的發(fā)展趨勢</p><p>　　現(xiàn)代儀器儀表技術(shù)是計算機(jī)技術(shù)和多種基礎(chǔ)學(xué)科緊密結(jié)合的產(chǎn)物。隨著微電子技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)、軟件技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展，新的測試?yán)碚?、測試方法

15、、測試領(lǐng)域以及新的儀器結(jié)構(gòu)不斷出現(xiàn)，在許多方面已經(jīng)沖破了傳統(tǒng)儀器的概念，電子測量儀器的功能和作用發(fā)生了質(zhì)的變化。在此背景下，1986年美國國家儀器公司(National Instruments，NI)提出了虛擬儀器(Virtual Instrument，VI)的概念。盡管迄今為止虛擬儀器還沒有一個統(tǒng)一的定義，但是一般認(rèn)為：虛擬儀器是在PC基礎(chǔ)上通過增加相關(guān)硬件和軟件構(gòu)建而成的、具有可視化界面的可重用測試儀器系統(tǒng)[2]。</p>

16、;<p>　　作為一種以計算機(jī)軟件為核心的新型儀器系統(tǒng)，虛擬儀器具有功能強、測試精度高、測試速度快、自動化程度高、人機(jī)界面優(yōu)異、靈活性強等優(yōu)點，通常被認(rèn)為是第三代自動測試系統(tǒng)的同義語[3]。使用虛擬儀器系統(tǒng)可以避免儀器編程過程中的大量重復(fù)性勞動，從而大大縮短復(fù)雜程序的開發(fā)時間，并且客戶可以用不同的模塊來構(gòu)造自己的虛擬儀器系統(tǒng)，選擇統(tǒng)一的測試策略。</p><p>　　由于虛擬儀器的功能和性能已被不斷

17、提高，如今在許多應(yīng)用中它已成為傳統(tǒng)儀器的主要替代方式。而虛擬儀器的各種優(yōu)點讓用戶可放心地舍棄舊的傳統(tǒng)測量設(shè)備，接受更新型、以計算機(jī)為基礎(chǔ)的虛擬儀器系統(tǒng)。由于計算機(jī)的性能價格比不斷改進(jìn)，使虛擬儀器的價格更為大眾化，用戶不必再受限于傳統(tǒng)儀器的使用限制和昂貴的價格，進(jìn)一步降低了使用成本，減少了系統(tǒng)的開發(fā)費用和系統(tǒng)的維護(hù)費用[4]。</p><p>　　此外，新型筆記本電腦又把虛擬儀器的便攜性和強大功能推向一個新的水平。

18、所有這些必將加快虛擬儀器的發(fā)展，使它的功能和應(yīng)用領(lǐng)域不斷增強和擴(kuò)大。在測量、檢測、電信、監(jiān)控、教育等方面的應(yīng)用已廣泛開展。</p><p>　　1.4 課題的主要任務(wù)</p><p>　　信號源的波形有正弦波、方波、三角波、鋸齒波、PWM(Pulse Width Modulation)波等不同種類。信號的頻率、幅值和占空比等波形參數(shù)可按需要進(jìn)行調(diào)節(jié)。本設(shè)計是設(shè)計一個簡易波形發(fā)生器，要求該系

19、統(tǒng)能通過開關(guān)或按鈕有選擇性地輸出正弦被、三角波、方波及鋸齒波四種波形，并且這四種波形的頻率、幅值均可通過顯示控件在一定范圍內(nèi)改變，同時觀察調(diào)頻頻率的變化對波形圖的影響。 </p><p><b>　　2 虛擬儀器</b></p><p>　　2.1 虛擬儀器的概述</p><p>　　虛擬儀器的概念是由美國國家儀器公司最先提出的[5]。所謂虛

20、擬儀器是基于計算機(jī)的軟硬件測試平臺，它可代替?zhèn)鹘y(tǒng)的測量儀器，如示波器、邏輯分析儀、信號發(fā)生器、頻譜分析儀等，可集成于自動控制、工業(yè)控制系統(tǒng)之中，可自由構(gòu)建成專有儀器系統(tǒng)。虛擬儀器是智能儀器之后的新一代測量儀器。</p><p>　　虛擬儀器的核心技術(shù)思想就是“軟件即是儀器”。該技術(shù)把儀器分為計算機(jī)、儀器硬件和應(yīng)用軟件三部分[6]。虛擬儀器以通用計算機(jī)和配備標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字接口的測量儀器為基礎(chǔ)，將儀器硬件連接到各種計算機(jī)平

21、臺上，直接利用計算機(jī)豐富的軟硬件資源，將計算機(jī)硬件和測量儀器等硬件資源與計算機(jī)軟件資源有機(jī)的結(jié)合起來。</p><p>　　2.1.1 虛擬儀器的特點及優(yōu)勢</p><p>　　虛擬儀器是基于計算機(jī)的功能化硬件模塊和計算機(jī)軟件構(gòu)成的電子測試儀器，而軟件是虛擬儀器的核心[7]，如圖2.1所示，其中軟件的基礎(chǔ)部分是設(shè)備驅(qū)動軟件，而這些標(biāo)準(zhǔn)的儀器驅(qū)動軟件使得系統(tǒng)的開發(fā)與儀器的硬件變化無關(guān)。這是虛

22、擬儀器最大的優(yōu)點之一，有了這一點，儀器的開發(fā)和換代時間將大大縮短。虛擬儀器中應(yīng)用程序?qū)⒖蛇x硬件和可重復(fù)用庫函數(shù)等軟件結(jié)合在一起，實現(xiàn)了儀器模塊間的通信、定時與觸發(fā)。由于VI的模塊化、開放性和靈活性，以及軟件是關(guān)鍵的特點，當(dāng)用戶的測試要求變化時可以方便地由用戶自己來增減硬、軟件模塊，或重新配置現(xiàn)有系統(tǒng)以滿足新的測試要求。這樣，當(dāng)用戶從一個項目轉(zhuǎn)向另一個項目時，就能簡單地構(gòu)造出新的VI系統(tǒng)而不丟失己有的硬件和軟件資源[8]。</p&g

23、t;<p>　　圖2.1 虛擬儀器開發(fā)框圖</p><p>　　虛擬儀器技術(shù)的優(yōu)勢在于可由用戶定義自己的專用儀器系統(tǒng)，且功能靈活，很容易構(gòu)建，所以應(yīng)用面極為廣泛。虛擬儀器技術(shù)十分符合國際上流行的“硬件軟件化”的發(fā)展趨勢，因而常被稱作“軟件儀器”。它功能強大，可實現(xiàn)示波器、邏輯分析儀、頻譜儀、信號發(fā)生器等多種普通儀器全部功能，配以專用探頭和軟件還可檢測特定系統(tǒng)的參數(shù)，如汽車發(fā)動機(jī)參數(shù)、汽油標(biāo)號、爐窯溫

24、度、血液脈搏波、心電參數(shù)等多種數(shù)據(jù)，它操作靈活，完全圖形化界面，風(fēng)格簡約，符合傳統(tǒng)設(shè)備的使用習(xí)慣，用戶經(jīng)簡單培訓(xùn)即可迅速掌握操作規(guī)程。</p><p>　　2.1.2 虛擬儀器與傳統(tǒng)儀器的比較</p><p>　　虛擬儀器具有傳統(tǒng)獨立儀器無法比擬的優(yōu)勢。在高速度、高帶寬和專業(yè)測試領(lǐng)域，獨立儀器具有無可替代的優(yōu)勢。在中低檔測試領(lǐng)域，虛擬儀器可取代一部分獨立儀器的工作，但完成復(fù)雜環(huán)境下的自動化

25、測試是虛擬儀器的強項，這是傳統(tǒng)的獨立儀器難以勝任的。</p><p>　　1）傳統(tǒng)儀器的面板只有一個，上面布置了種類繁多的顯示和操作元件。由此導(dǎo)致許多識讀和操作錯誤。虛擬儀器與之不同，它可以通過在幾個分面板上的操作來實現(xiàn)比較復(fù)雜的功能。這樣，在每個分面板上就可以實現(xiàn)功能操作的單純化和面板布置的簡潔化，從而提高操作的正確性和便捷性。同時，虛擬儀器的面板上的顯示元件和操作元件的種類與形式不受標(biāo)準(zhǔn)元件和加工工藝的限制，

26、由編程來實現(xiàn)，設(shè)計者可以根據(jù)用戶的要求和操作需要來設(shè)計儀器面板。</p><p>　　2）在通用硬件平臺確定后，軟件取代傳統(tǒng)儀器中由硬件完成的儀器功能。</p><p>　　3）儀器的功能是由用戶根據(jù)需要用軟件來定義，不是事先由廠家定義的。</p><p>　　4）儀器性能的改進(jìn)和功能擴(kuò)展只需更新相關(guān)軟件設(shè)計，不需購買新儀器。</p><p>

27、;　　5）虛擬儀器開放、靈活，與計算機(jī)同步發(fā)展，與網(wǎng)絡(luò)及其他周邊設(shè)備互聯(lián)。</p><p>　　6）由于其以PC為核心，使得許多數(shù)據(jù)處理的過程不必像過去那樣由測試儀器本身來完成，而是在軟件的支持下，利用PC機(jī)CPU的強大的數(shù)據(jù)處理功能來完成，使得基于虛擬儀器的測試系統(tǒng)的測試精度、速度大為提高，實現(xiàn)自動化、智能化、多任務(wù)測量。</p><p>　　7）可方便地存貯和交換測試數(shù)據(jù)，測試結(jié)果的表

28、達(dá)方式更加豐富多樣。</p><p>　　8）虛擬儀器在高性價比的條件下，降低了系統(tǒng)開發(fā)和維護(hù)費用，縮短技術(shù)更新周期。</p><p>　　近年來，隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，己經(jīng)形成了網(wǎng)絡(luò)虛擬儀器。這是一種新型的基于Web技術(shù)的虛擬儀器，使得虛擬儀器測試系統(tǒng)成為Internet的一部分，實現(xiàn)現(xiàn)場監(jiān)控和管理。</p><p>　　2.1.3 虛擬儀器系統(tǒng)的組成</p&

29、gt;<p>　　虛擬儀器是基于計算機(jī)的儀器。計算機(jī)和儀器的密切結(jié)合是目前儀器發(fā)展的一個重要方向。這種結(jié)合基本有兩種方式，一種是將計算機(jī)裝入儀器，其典型的例子就是智能化儀器。隨著計算機(jī)功能的日益強大以及其體積的日趨縮小，這類儀器功能也越來越強大，目前已經(jīng)出現(xiàn)含嵌入式系統(tǒng)的儀器。另一種方式是將儀器裝入計算機(jī)，以通用的計算機(jī)硬件及操作系統(tǒng)為依托，實現(xiàn)各種儀器功能，虛擬儀器主要是指這種方式[9]。虛擬儀器的組成與傳統(tǒng)儀器一樣，主

30、要由數(shù)據(jù)采集與控制、數(shù)據(jù)分析和處理、結(jié)果顯示三部分組成。如圖2.2所示。</p><p>　　圖2.2 虛擬儀器的內(nèi)部功能的劃分</p><p>　　對于傳統(tǒng)儀器，這三個部分幾乎均由硬件完成。對于虛擬儀器，前一部分由硬件構(gòu)成，后兩部分主要由軟件實現(xiàn)。與傳統(tǒng)儀器相比，虛擬儀器設(shè)計日趨模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化，使設(shè)計工作量大大減小。</p><p>　　通常虛擬儀器測試系統(tǒng)硬件組

31、成部分是由傳感器部件、信號調(diào)理及信號采集部件、通用計算機(jī)、打印機(jī)等構(gòu)成。系統(tǒng)軟件部分通常用專用的虛擬儀器開發(fā)語言編寫而成，并可通過Internet實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展。</p><p>　　2.1.4虛擬儀器I/O接口設(shè)備</p><p>　　I/O接口設(shè)備主要用來完成被測輸入信號的采集、放大、模數(shù)轉(zhuǎn)換。可根據(jù)實際情況采用不同的I/O接口硬件設(shè)備，如數(shù)據(jù)采集卡/板(DAQ)、GPIB總線儀器、VX

32、I總線儀器、串口儀器、USB等。虛擬儀器的構(gòu)成主要有五種類型，如圖2.3所示。</p><p>　　圖2.3 虛擬儀器構(gòu)成方式</p><p>　　1）DAQ(Data Acquisition)數(shù)據(jù)采集卡是指基于計算機(jī)標(biāo)準(zhǔn)總線(如ISA、PCI、USB等)的內(nèi)置功能插卡。其中USB是最新技術(shù)的數(shù)據(jù)采集卡，具有精度高，可攜性好等優(yōu)點，它更加充分地利用計算機(jī)的資源，大大增加了測試系統(tǒng)的靈活性和

33、擴(kuò)展性；利用DAQ卡可方便快速地構(gòu)建虛擬儀器系統(tǒng)。在性能上，隨著A/D轉(zhuǎn)換技術(shù)，濾波技術(shù)和信號調(diào)理技術(shù)的發(fā)展，DAQ卡的采樣速率已達(dá)1GB/s，精度高達(dá)24位，通道數(shù)高達(dá)64個，并具有數(shù)字I/O，模擬I/O和計數(shù)器/定時器等通道。各儀器廠家生產(chǎn)了大量的DAQ卡功能模塊供用戶選擇，如示波器、串行數(shù)據(jù)分析儀、動態(tài)信號分析儀、任意波形發(fā)生器等。在計算機(jī)上掛接多個DAQ功能模塊，配合相應(yīng)的軟件，就可以構(gòu)成一臺具有多功能的測試儀器。這種基于計算機(jī)

34、的儀器，既具有高檔儀器的測量品質(zhì)，又能滿足測量需求的多樣性。對我國大多數(shù)用戶來說，它具有很高的性價比，是一種特別適合我國國情的虛擬儀器方案。</p><p>　　2）GPIB(General Purpose Interface Bus)通用接口總線，是計算機(jī)和儀器的標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議。GPIB的硬件規(guī)格和軟件協(xié)議以納入國際工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)IEEE-488.1和IEEE-488.2，它是最早的儀器總線，目前多數(shù)儀器都配備了遵循I

35、EEE-488的GPIB接口。典型的GPIB測試系統(tǒng)包括一臺計算機(jī)，一塊基于GPIB總線的接口卡和多臺GPBI儀器軟件及相應(yīng)的傳感模塊硬件。每臺GPIB儀器有單獨的地址，由計算機(jī)控制操作。系統(tǒng)中的儀器可以增加、減少或更換，只需對計算機(jī)的控制軟件作相應(yīng)的改動。基于GPIB總線結(jié)構(gòu)的接口卡數(shù)據(jù)傳輸速率一般低于500kb/s，不適合對系統(tǒng)速度要求較高的應(yīng)用。</p><p>　　3）VXI(VME bus eXtens

36、ion for Instrumentation )是VME總線在儀器領(lǐng)域的擴(kuò)展，上個世紀(jì)1993年VXI總線1.4版本被批準(zhǔn)為IEEE-1155標(biāo)準(zhǔn)，成為開放式工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。儀器專用總線在吸收IEEE-488的成功經(jīng)驗基礎(chǔ)上，增加了10MHz時鐘線、模擬和數(shù)字混合總線、星形總線等高速總線，定時關(guān)系嚴(yán)格，兼有計算機(jī)總線和儀器總線的優(yōu)點。</p><p>　　4）PXI(PCI eXtension For Instrum

37、entation)是Compact PCI總線在儀器領(lǐng)域的擴(kuò)展，是NI公司于1997年發(fā)布的一種新的開放性、模塊化儀器總線規(guī)范。其核心是Compact PCI結(jié)構(gòu)和Microsoft Windows軟件。PXI是在PCI內(nèi)核技術(shù)上增加了成熟的技術(shù)規(guī)范和要求形成的。PXI增加了用于多個板卡同步的觸發(fā)總線和10MHz參考時鐘，用于精確定時的星形觸發(fā)總線，以及用于相鄰模塊間高速通信的局部總線等，來滿足實驗和用戶的要求。</p>

38、<p>　　5）串口系統(tǒng)是以Serial標(biāo)準(zhǔn)總線儀器與計算機(jī)為儀器平臺組成的虛擬測試系統(tǒng)[10]。RS-232總線是早期采用的通用串行總線，將帶有RS-232標(biāo)準(zhǔn)總線接口的儀器作為I/O接口設(shè)備，通過RS-232串口總線與計算機(jī)組成虛擬儀器系統(tǒng)目前仍然是虛擬儀器構(gòu)成方式之一，主要適用于速度較低的測試系統(tǒng)。</p><p>　　2.1.5虛擬儀器的軟件結(jié)構(gòu)</p><p>　　虛擬

39、儀器技術(shù)的核心是軟件，其軟件基本結(jié)構(gòu)如圖2.4所示。用戶可以采用各種編程軟件來開發(fā)自己所需要的應(yīng)用軟件。以美國NI公司的軟件產(chǎn)品LABVIEW和LabWindows/CVI為代表的虛擬儀器專用開發(fā)平臺是當(dāng)前流行的集成化開發(fā)工具。這些軟件開發(fā)平臺提供了強大的儀器軟面板設(shè)計工具和各種數(shù)據(jù)處理工具，再加上虛擬儀器硬件廠商提供的各種硬件的驅(qū)動程序模塊，簡化了虛擬儀器的設(shè)計工作。隨著軟件技術(shù)的迅速發(fā)展，軟件開發(fā)的模塊化、復(fù)用化以及各種硬件儀器驅(qū)動

40、軟件的模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化，虛擬儀器軟件開發(fā)將變得更加快速、方便。</p><p>　　圖2.4 虛擬儀器軟件結(jié)構(gòu)</p><p>　　2.2 虛擬儀器的開發(fā)軟件</p><p>　　2.2.1 虛擬儀器的開發(fā)語言</p><p>　　虛擬儀器系統(tǒng)的開發(fā)語言有：標(biāo)準(zhǔn)C、Visual C++、Visual Basic等通用程序開發(fā)語言。但直接由這些語

41、言開發(fā)虛擬儀器系統(tǒng)，是有相當(dāng)難度的，除了要花大量時間進(jìn)行測試系統(tǒng)面板設(shè)計外，還要編制大量的設(shè)備驅(qū)動程序和底層控制程序。這些工作對于那些不熟悉這方面知識的工程設(shè)計人員來說，需要花費大量時間和精力，這樣直接影響了系統(tǒng)開發(fā)的周期和性能。除了通用程序開發(fā)語言以外，還有一些專用的虛擬儀器開發(fā)語言和軟件，其中有影響的開發(fā)軟件有：NI公司的LABVIEW和LabWindows/CVI。LABVIEW采用圖形化編程方案，是非常實用的開發(fā)軟件。LabWi

42、ndows/CVI是為熟悉C語言的開發(fā)人員準(zhǔn)備的，是在Windows環(huán)境下的標(biāo)準(zhǔn)ANSIC開發(fā)環(huán)境。除此以外還有HP公司的HP-VEE ，HP-TIG開發(fā)平臺，美國Tektronix公司的Ez-Test，Tek-TNS平臺軟件，這些都是國際上公認(rèn)的優(yōu)秀的虛擬儀器開發(fā)軟件平臺[11]。</p><p>　　2.2.2圖形化虛擬儀器開發(fā)平臺——LABVIEW</p><p>　　LABVIEW

43、(Laboratory Virtual Instrument Engineering)是一種圖形化的編程語言，它廣泛地被工業(yè)界、學(xué)術(shù)界和研究實驗室所接受，視為一個標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)采集和儀器控制軟件。LABVIEW集成了與滿足GPIB、VXI、RS-232和RS-485協(xié)議的硬件及數(shù)據(jù)采集卡通訊的全部功能。它還內(nèi)置了便于應(yīng)用TCP/PI、ActiveX等軟件標(biāo)準(zhǔn)的庫函數(shù)，是一個功能強大且靈活的軟件。利用它可以方便地建立自己的虛擬儀器，圖形化的界

44、面使得編程及使用過程都更加形象化。</p><p>　　傳統(tǒng)的文本式編程是一種順序的設(shè)計思路，設(shè)計者必須寫出執(zhí)行的語句。而LABVIEW是基于數(shù)據(jù)流的工作方式，同時也是基于圖形化的編程，這使得設(shè)計者不必掌握大量的編程語言和程序設(shè)計技巧便可設(shè)計出虛擬儀器系統(tǒng)[11]。</p><p>　　目前，在以PC機(jī)為基礎(chǔ)的測試和工控軟件中，LABVIEW的市場普及率僅次于C++/C語言。LABVIEW

45、具有一系列無與倫比的優(yōu)點：首先，LABVIEW作為圖形化語言編程，采用流程圖式的編程，運用的設(shè)備圖標(biāo)與科學(xué)家、工程師們習(xí)慣的大部分圖標(biāo)基本一致，這使得編程過程和思維過程非常相似；同時，LABVIEW提供了豐富的VI庫和儀器面板素材庫，近600種設(shè)備的驅(qū)動程序，如GPIB設(shè)備控制、VXI總線控制、串行口設(shè)備控制、以及數(shù)據(jù)分析、顯示和存儲；并且LABVIEW還提供了專門用于程序開發(fā)的工具箱，使得用戶能夠設(shè)置斷點，調(diào)試過程中可以使用數(shù)據(jù)探針和

46、動態(tài)執(zhí)行程序來觀察數(shù)據(jù)的傳輸過程，更加便于程序的調(diào)試。因此，LABVIEW受到越來越多工程師和科學(xué)家的青睞。</p><p>　　利用LABVIEW ，可產(chǎn)生獨立運行的可執(zhí)行文件，它是一個真正的32編譯器。像許多通用的軟件一樣，LABVIEW提供了Windows、UNIX、Linux、Macintosh OS等多種版本[12]。</p><p>　　2.2.3基于LABVIEW平臺的虛擬儀

47、器程序設(shè)計</p><p>　　所有的LABVIEW應(yīng)用程序，即虛擬儀器(VI)，它包括前面板(Front Panel)、流程圖(Block Diagram)以及圖標(biāo)/連結(jié)器(Icon/Connector)三部分[13]。</p><p>　　1）前面板：前面板是圖形用戶界面，也就是VI的虛擬儀器面板，這一界面上有用戶輸入和顯示輸出兩類對象，具體表現(xiàn)有開關(guān)、旋鈕、圖形以及其他控制和顯示對象

48、。但并非畫出兩個控件后程序就可以運行，在前面板后還有一個與之對應(yīng)的流程圖。</p><p>　　2）流程圖：流程圖提供VI的圖形化源程序。在流程圖中對VI編程，以控制和操縱定義在前面板上的輸入和輸出功能。流程圖中包括前面板上的控件連線端子，還有一些前面板上沒有，但編程必須有的東西，例如函數(shù)、結(jié)構(gòu)和連線等。</p><p>　　如果將VI與傳統(tǒng)儀器相比較，那么前面板上的控件對應(yīng)的就是傳統(tǒng)儀器

49、上的按鈕、顯示屏等控件，而流程圖上的連線端子相當(dāng)于傳統(tǒng)儀器箱內(nèi)的硬件電路。在許多情況下，使用VI可以仿真?zhèn)鹘y(tǒng)儀器，不僅在屏幕上出現(xiàn)一個惟妙惟肖的標(biāo)準(zhǔn)儀器面板，而且其功能也與傳統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)儀器相差無幾[14]。這種設(shè)計思想的優(yōu)點體現(xiàn)在兩方面：</p><p>　?。?）類似流程圖的設(shè)計思想，很容易被工程人員接受和掌握，特別是那些沒有很多程序設(shè)計經(jīng)驗的工程人員。</p><p>　?。?）設(shè)計的思路

50、和運行過程清晰而且直觀。如通過使用數(shù)據(jù)探針、高亮執(zhí)行調(diào)試等多種方法，程序以較慢的速度運行，使沒有執(zhí)行的代碼顯示灰色，執(zhí)行后的代碼會高亮顯示，同時在線顯示數(shù)據(jù)流線上的數(shù)據(jù)值，完全跟蹤數(shù)據(jù)流的運行。這為程序的調(diào)試和參數(shù)的設(shè)定帶來很大的方便。</p><p>　　3）圖標(biāo)/連接設(shè)計：這部分的設(shè)計突出體現(xiàn)了虛擬儀器模塊化程序設(shè)計的思想。在設(shè)計大型自動檢測系統(tǒng)時一步完成一個復(fù)雜系統(tǒng)的設(shè)計是相當(dāng)有難度的。而在LABVIEW中

51、提供的圖標(biāo)/連接工具正是為實現(xiàn)模塊化設(shè)計而準(zhǔn)備的。設(shè)計者可把一個復(fù)雜自動檢測系統(tǒng)分為多個子系統(tǒng)，每一個都可完成一定的功能。這樣設(shè)計的優(yōu)點體現(xiàn)在以下幾個方面：</p><p>　　（1）把一個復(fù)雜自動檢測系統(tǒng)分為多個子系統(tǒng)，程序設(shè)計思路清晰，給設(shè)計者調(diào)試程序帶來了諸多的方便。同時也對于將來系統(tǒng)的維護(hù)提供了便利。</p><p>　?。?）一個復(fù)雜自動檢測系統(tǒng)分為多個子系統(tǒng)，每一個子系統(tǒng)都是一

52、個完整的功能模塊，這樣把測試功能細(xì)節(jié)化，便于實現(xiàn)軟件復(fù)用，大大節(jié)省軟件研發(fā)周期，提高系統(tǒng)設(shè)計的可靠性。</p><p>　?。?） 便于實現(xiàn)“測試集成”和虛擬儀器庫的思想。同時為實現(xiàn)虛擬儀器設(shè)計的靈活性提供了前提。</p><p>　　2.3虛擬儀器的發(fā)展方向</p><p>　　虛擬儀器作為新興的儀器儀表，其優(yōu)勢在于用戶可自行定義儀器的功能和結(jié)構(gòu)等，且構(gòu)建容易、轉(zhuǎn)

53、換靈活，它已廣泛應(yīng)用于電子測量、聲學(xué)分析、故障診斷、航天航空、機(jī)械工程、建筑工程、鐵路交通、生物醫(yī)療、教學(xué)及科研等諸多方面。</p><p>　　隨著計算機(jī)軟硬件技術(shù)、通信技術(shù)及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，給虛擬儀器的發(fā)展提供了廣闊的天地，國內(nèi)外儀器界正看中這個大市場。測控儀器將會向高效、高速、高精度和高可靠性以及自動化、智能化和網(wǎng)絡(luò)化的方向發(fā)展。開放式數(shù)據(jù)采集標(biāo)準(zhǔn)將使虛擬儀器走上標(biāo)準(zhǔn)化、通用化、系列化和模塊化的道路[15]

54、。</p><p>　　虛擬儀器作為教學(xué)的新手段，已慢慢地走進(jìn)了電子技術(shù)的課堂和實驗室，正逐漸改變著電子技術(shù)教學(xué)的傳統(tǒng)模式，這也是現(xiàn)代教育技術(shù)發(fā)展的必然。在電工電子實驗室的建設(shè)中，實驗室常規(guī)設(shè)備有的已經(jīng)老化，有的技術(shù)上有些落后，在當(dāng)前學(xué)校經(jīng)費較少的情況下，如果配置常規(guī)儀器、儀表，學(xué)校財力難以支付，也不符合目前學(xué)校的實際。而且，隨著測試儀器的數(shù)字化、計算機(jī)化的發(fā)展趨勢，傳統(tǒng)測試儀器漸漸有被取代的趨勢。如果運用虛擬儀

55、器技術(shù)，以微機(jī)為基礎(chǔ)，構(gòu)建集成化測試平臺，代替常規(guī)儀器、儀表，不但滿足電工電子實驗教學(xué)的需要，而且將這批微機(jī)可作為其他有關(guān)計算機(jī)課程教學(xué)用機(jī)，大大提高了設(shè)備利用率，降低了實驗室建設(shè)的成本。當(dāng)前應(yīng)該解決的是如何使虛擬儀器和現(xiàn)有儀器配合，挖掘現(xiàn)有儀器的潛力，達(dá)到逐步淘汰和取代傳統(tǒng)儀器的目的。</p><p>　　總之，虛擬儀器有很廣闊的發(fā)展空間，并最終要取代大量的傳統(tǒng)儀器成為儀器領(lǐng)域的主流產(chǎn)品，成為測量、分析、控制、

56、自動化儀表的核心。</p><p>　　3虛擬信號發(fā)生器的設(shè)計與實現(xiàn)</p><p>　　本章主要介紹了基于LabVIEW的虛擬函數(shù)信號發(fā)生器的設(shè)計思路及其流程和仿真圖。分為20個case，調(diào)頻頻率根據(jù)調(diào)頻頻信號的形狀，其頻率在（偏移量-幅值）和（偏移量+幅值）之間變化。各個case均給出了相應(yīng)的流程圖和前面板波形圖。</p><p>　　3.1虛擬波形發(fā)生器前面板

57、</p><p>　　圖3.1為波形發(fā)生器前面板，其中第一部分為信號源調(diào)節(jié)，該部分通過對信號源的選擇來改變輸出波形的形狀、幅值、相位、占空比等參數(shù)，程序項目如圖3.3；第二部分為調(diào)頻信號選擇部分，該部分有五個選擇子項分別為無、正弦波、鋸齒波、方波、三角波可供選擇，可通過該部分的參數(shù)調(diào)節(jié)來控制輸出波形的頻率變化，程序項目如圖3.4；前面板右部分為輸出波形顯示面板。</p><p>　　圖3.

58、1波形發(fā)生器前面板</p><p>　　圖3.2波形發(fā)生器程序主框圖</p><p>　　圖3.3波形發(fā)生器信號源部分程序框圖</p><p>　　圖3.4波形發(fā)生器調(diào)頻case程序框圖</p><p>　　3.2信號源為正弦波</p><p>　　不加調(diào)頻信號時，輸出波形為信號源發(fā)生原波形，如圖3.5所示：</

59、p><p>　　圖3.5波形發(fā)生器前面板</p><p>　　信號源為正弦波，調(diào)頻信號為正弦波</p><p>　　圖3.6前面板輸出波形</p><p>　　信號源為正弦波，調(diào)頻信號為三角波</p><p>　　圖3.7前面板輸出波形</p><p>　　信號源為正弦波，調(diào)頻信號為方波</p

60、><p>　　圖3.8前面板輸出波形</p><p>　　信號源為正弦波，調(diào)頻信號為鋸齒波</p><p>　　圖3.9前面板輸出波形</p><p>　　3.3信號源為三角波</p><p>　　不加調(diào)頻信號時，輸出波形為信號源發(fā)生原波形，如圖3.10所示：</p><p>　　圖3.10波形發(fā)生

61、器前面板</p><p>　　信號源為三角波，調(diào)頻信號為正弦波</p><p>　　圖3.11前面板輸出波形</p><p>　　信號源為三角波，調(diào)頻信號為三角波</p><p>　　圖3.12前面板輸出波形</p><p>　　信號源為三角波，調(diào)頻信號為方波</p><p>　　圖3.13前面

62、板輸出波形</p><p>　　信號源為三角波，調(diào)頻信號為鋸齒波</p><p>　　圖3.14前面板輸出波形</p><p><b>　　3.4信號源為方波</b></p><p>　　不加調(diào)頻信號時，輸出波形為信號源發(fā)生原波形，如圖3.15所示：</p><p>　　圖3.15波形發(fā)生器前面板

63、</p><p>　　信號源為方波，調(diào)頻信號為正弦波</p><p>　　圖3.16前面板輸出波形</p><p>　　信號源為方波，調(diào)頻信號為三角波</p><p>　　圖3.17前面板輸出波形</p><p>　　信號源為方波，調(diào)頻信號為方波</p><p>　　圖3.18前面板輸出波形&l

64、t;/p><p>　　信號源為方波，調(diào)頻信號為鋸齒波</p><p>　　圖3.19前面板輸出波形</p><p>　　3.5信號源為鋸齒波</p><p>　　不加調(diào)頻信號時，輸出波形為信號源發(fā)生原波形，如圖3.20所示：</p><p>　　圖3.20波形發(fā)生器前面板</p><p>　　信號源

65、為鋸齒波，調(diào)頻信號為正弦波</p><p>　　圖3.21前面板輸出波形</p><p>　　信號源為鋸齒波，調(diào)頻信號為三角波</p><p>　　圖3.22前面板輸出波形</p><p>　　信號源為鋸齒波，調(diào)頻信號為方波</p><p>　　圖3.23前面板輸出波形</p><p>　　信號

66、源為鋸齒波，調(diào)頻信號為鋸齒波</p><p>　　圖3.24前面板輸出波形</p><p><b>　　總結(jié)</b></p><p>　　本設(shè)計在研究虛擬儀器技術(shù)的基礎(chǔ)上，使用虛擬儀器技術(shù)實現(xiàn)了信號發(fā)生器。前面板應(yīng)提供良好的人機(jī)交互界面，可以實現(xiàn)實驗室里幾種常見的信號波形。</p><p>　　與現(xiàn)有的信號發(fā)生器相比，該

67、信號發(fā)生器的輸出波形類型沒有很大的改變，而且波形的頻率由于硬件板卡本身對于采樣頻率的限制，并沒有在原來的基礎(chǔ)上提高有所提高。在輸出基本波形時如果需要增波形的頻率，則需要減小波形的采樣頻率，否則會由于溢出問題而不能運行，但是減小采樣頻率容易讓波形產(chǎn)生失真。</p><p>　　如果在這個設(shè)計上進(jìn)一步研究信號發(fā)生器，在波形的類型上應(yīng)該有更多的變化，更迅速的響應(yīng)時間，更準(zhǔn)確的調(diào)節(jié)過程。對于信號波形的參數(shù)，如頻率、幅值、

68、相位、占空比等的設(shè)定有更好更精確的方式，而且在波形失真和噪聲方面有更好的解決方法。在面板美化方面也可以做得更好更漂亮。</p><p>　　通過本設(shè)計，深刻地認(rèn)識到了虛擬儀器技術(shù)是當(dāng)代儀器發(fā)展的重要發(fā)展方向。虛擬儀器也以嶄新的模式和強大的功能深入人心，伴隨計算機(jī)技術(shù)和信息技術(shù)的發(fā)展虛擬儀器必將拓展到各個領(lǐng)域，引起儀器的深層次變革。</p><p><b>　　致謝</b&g

69、t;</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　[1] 劉曉等．LabVIEW2009程序設(shè)計[M]．北京：電子工業(yè)出版社，2010.11.</p><p>　　[2] 劉其和等．LabVIEW虛擬儀器程序設(shè)計與應(yīng)用[M]．北京：化學(xué)工業(yè)出版社2011.04

70、 </p><p>　　[3] 張桐. 精通LabVIEW程序設(shè)計[M]．北京：清華大學(xué)出版社，2008.12</p><p>　　[4] 趙曉安. LabVIEW2009中文版虛擬儀器從入門到精通[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010.6．</p><p>　　[5] Robert H，Bishop．LABVIEW實

71、用教程[M]．喬瑞萍，林欣，譯．電子工業(yè)出版社，2001．</p><p>　　[6]楊樂平，李海濤． LABVIEW程序設(shè)計與應(yīng)用[M]．電子工業(yè)出版社，2001.7. </p><p>　　[7]連海洲，趙英?。贚ABVIEW技術(shù)的虛擬儀器系統(tǒng)[J]．儀器與測控，2001.8.</p><p>　　[8] LABVIEWTM User Manual Nati

72、onal Instruments Corporation[M]．1998，1．</p><p>　　[9]余成波，胡新宇．傳感器與自動檢測技術(shù)[M]．高等教育出版社，2004：58-65．</p><p>　　[10]曹玲芝．現(xiàn)代測試技術(shù)及虛擬儀器[M]．北京航空航天大學(xué)出版社，2004：18-20．</p><p>　　[11]雷振山．LABVIEW 7 Expr

73、ess實用技術(shù)教程[M]．中國鐵道出版社，2004：254-265．</p><p>　　[12]侯國屏，王坤，葉齊鑫． LABVIEW 7.1 編程與虛擬儀器設(shè)計[M]．清華大學(xué)出版社，2005：407-415．</p><p>　　[13]于潔，鐘佩思．信號發(fā)生器在虛擬儀器界面中的設(shè)計與實現(xiàn)[J]．山東理工大學(xué)學(xué)報，2005，19（2）：106-110．</p><