基于labview虛擬信號發(fā)生器的設(shè)計畢業(yè)論文

1、<p>　　學(xué)號： </p><p><b>　　畢業(yè)設(shè)計（論文）</b></p><p><b>　?。?012屆）</b></p><p>　　題 目 虛擬信號發(fā)生器的設(shè)計 </p><p>　　學(xué)

2、 生 </p><p>　　學(xué) 院 信息科學(xué)與工程學(xué)院 專業(yè)班級 </p><p>　　校內(nèi)指導(dǎo)教師 專業(yè)技術(shù)職務(wù) </p><p>　　校外指導(dǎo)老師

3、 專業(yè)技術(shù)職務(wù) 無 </p><p><b>　　二○一二年五月</b></p><p>　　虛擬信號發(fā)生器的設(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

4、用計算機(jī)強(qiáng)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，形成一種新的儀器模式。</p><p>　　本設(shè)計采用USB6008數(shù)據(jù)采集卡，將虛擬儀器技術(shù)用于信號發(fā)生器的設(shè)計。該系統(tǒng)具有生成正弦波、方波、三角波、鋸齒波，序列信號及任意波形的功能。其序列信號發(fā)生器是在n位寄存器的基礎(chǔ)上，根據(jù)D觸發(fā)器原理，加上異或反饋電路構(gòu)成的。并且實現(xiàn)了存儲波形和遠(yuǎn)程通信控制的功能。本文首先介紹了信號發(fā)生器的相關(guān)理論，給

5、出了信號發(fā)生器的基本原理框圖，并了解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)計中所涉及到的硬件和技術(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><p>　　關(guān)鍵詞:虛擬儀器，數(shù)據(jù)采集卡，信號發(fā)生器

6、，LABVIEW </p><p>　　The design of signal generator based on virtual instrument</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　Virtual instrument is formed by the instrument technology

7、, computer technology, bus technology and software technology. Powerful digital processing’s ability of computer is used to achieve the main functions of instrument. Virtual instrument broke the framework of the traditio

8、nal instruments, and built a new device model. </p><p>　　This design uses USB6008 data acquisition card. The virtual instrument technology has been utilized in the design of signal generator. The system has

9、ability to produce sine wave, square wave, and triangle wave, saw tooth wave, sequence signals and arbitrary waveforms signals. The series generators is on the basis of the n - bit registers, and is under d trigger princ

10、iple, coupled with the exclusive or of feedback circuit . And the waveform storage and remote communication control function has b</p><p>　　The design is an attempt of virtual instrument to simulate the real

11、ity instrument. It shows the virtual instrument is an excellent solution to achieve the task which is achieved by traditional hardware in the past.</p><p>　　Key Words: Virtual Instruments， Data Acquisition C

12、ards， Signal Generators，</p><p><b>　　LABVIEW</b></p><p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　摘要I</b></p><p><b>　　目錄III</b></p>

13、;<p><b>　　1 緒論1</b></p><p><b>　　1.1 引言1</b></p><p>　　1.2 信號發(fā)生器概述1</p><p>　　1.2.1 信號發(fā)生器簡介1</p><p>　　1.2.2 信號發(fā)生器的發(fā)展1</p><p&

14、gt;　　1.3 信號發(fā)生器的分類2</p><p>　　1.3.1 正弦信號發(fā)生器2</p><p>　　1.3.2 函數(shù)發(fā)生器3</p><p>　　1.3.3 脈沖信號發(fā)生器4</p><p>　　1.3.4 隨機(jī)信號發(fā)生器4</p><p>　　1.4 課題的意義4</p><p

15、>　　2 虛擬儀器和Labview簡介5</p><p>　　2.1 虛擬儀器概述5</p><p>　　2.1.1 虛擬儀器產(chǎn)生背景5</p><p>　　2.1.2虛擬儀器概念6</p><p>　　2.1.3 虛擬儀器的分類6</p><p>　　2.1.4 虛擬儀器的發(fā)展方向7</p&g

16、t;<p>　　2.2 虛擬儀器系統(tǒng)的構(gòu)成8</p><p>　　2.3 虛擬儀器與傳統(tǒng)儀器的比較9</p><p>　　2.4 虛擬儀器的開發(fā)軟件10</p><p>　　3 系統(tǒng)設(shè)計硬件平臺13</p><p>　　3.1 PC 機(jī)13</p><p>　　3.2 數(shù)據(jù)采集卡的選擇13&l

17、t;/p><p>　　3.2.1 數(shù)據(jù)采集卡的主要性能指標(biāo)13</p><p>　　3.2.2 數(shù)據(jù)采集卡的組成13</p><p>　　3.2.3 USB600814</p><p>　　4 系統(tǒng)總體的設(shè)計和實現(xiàn)16</p><p>　　4.1 基本信號發(fā)生器16</p><p>　　4

18、.1.1傳統(tǒng)基本信號發(fā)生器16</p><p>　　4.1.2 虛擬號發(fā)生器16</p><p>　　4.2 檔位選擇18</p><p>　　4.3 信號存儲19</p><p>　　4.4 任意波形發(fā)生器20</p><p>　　4.5 序列信號21</p><p>　　4.5.

19、1 序列信號概念21</p><p>　　4.5.2 基于虛擬儀器的序列信號產(chǎn)生原理22</p><p>　　4.6 遠(yuǎn)程虛擬儀器24</p><p>　　4.6.1 用TCP/IP協(xié)議進(jìn)行遠(yuǎn)程通信25</p><p>　　4.6.2 TCP子模板介紹25</p><p>　　4.6.3 遠(yuǎn)程顯示模塊程序2

20、6</p><p>　　4.7 通道選擇27</p><p>　　4.7.1 基本波形虛擬通道設(shè)計27</p><p>　　4.7.2循環(huán)及清除程序28</p><p>　　4.7.3 選定通道后運行29</p><p>　　4.8 程序總框圖30</p><p>　　4.9 信號生成

21、過程需要注意的事項32</p><p><b>　　5 結(jié)論34</b></p><p>　　參 考 文 獻(xiàn)35</p><p><b>　　致 謝36</b></p><p><b>　　1 緒論</b></p><p><b>　　

22、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)</p><p>　　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</p><p>　　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</p><p>　　或者改

23、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</p><p>　　研。如果運用虛擬儀器技術(shù)構(gòu)建系統(tǒng)，代替常規(guī)儀器、儀表，不但可以滿足實驗教學(xué)</p><p>　　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</p><p><b>　　效率。</b></p><p>

24、　　1.2 信號發(fā)生器概述</p><p>　　1.2.1 信號發(fā)生器簡介</p><p>　　信號發(fā)生器是生產(chǎn)實踐和科學(xué)研究中應(yīng)用十分廣泛的電子測量儀器。目前常用的模擬信號發(fā)生器，外型笨重，功能單一；數(shù)字信號發(fā)生器雖然有一定的功能擴(kuò)展，但價格昂貴，維護(hù)升級成本高，短時間內(nèi)難以普及應(yīng)用。近年來，出現(xiàn)了一種基于計算機(jī)和軟件的新型儀器——虛擬儀器。虛擬儀器以計算機(jī)為核心，功能由用戶定義和設(shè)計，

25、具有虛擬面板，其測試功能由測試軟件實現(xiàn)。虛擬儀器的關(guān)鍵是用軟件來實現(xiàn)硬件的功能，實現(xiàn)“軟件即儀器”。在高等院校理工科教學(xué)中，實驗教學(xué)是整個教學(xué)過程中的重要環(huán)節(jié)，特別是基礎(chǔ)課、專業(yè)基礎(chǔ)課的實驗教學(xué)在本科教學(xué)中尤為重要，他對學(xué)生的專業(yè)知識起著有效的支撐作用。但是，近年來隨著學(xué)生人數(shù)的增加、實驗教學(xué)改革不斷深入，原有實驗室的設(shè)備和規(guī)模難以滿足發(fā)展的需要。虛擬儀器的出現(xiàn)很好地解決了這些問題。虛擬儀器是以計算機(jī)為核心，功能由用戶定義和設(shè)計，具有虛

26、擬面板，其測試功能由測試軟件實現(xiàn)。虛擬儀器的關(guān)鍵是用軟件來實現(xiàn)硬件的功能，實現(xiàn)“軟件即儀器”。本文應(yīng)用虛擬儀器開發(fā)平臺LabVIEW開發(fā)了一種多功能虛擬信號發(fā)生器，擴(kuò)展了信號發(fā)生器的分析和計算能力，降低了儀器的價格，增強(qiáng)了儀器的通用性，實現(xiàn)了波形顯示、存儲、打印和</p><p>　　1.2.2 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

27、出現(xiàn)時它就產(chǎn)生了。</p><p>　　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)</p><p>　　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(xiàn)</p><p>　　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</p><p>　　機(jī)械結(jié)構(gòu)比較復(fù)

28、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</p><p>　　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</p><p>　　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，</p><p>　　且僅能產(chǎn)生正

29、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</p><p>　　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</p><p>　　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</p><p>　　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</p>

30、;<p>　　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</p><p>　　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</p><p>　　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</p><p>　　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

31、高CPU 的時鐘周期，但這些</p><p>　　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</p><p>　　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</p><p>　　儀器信號的處理能力，提高了信號測量的準(zhǔn)

32、確度、精度和變換速度，克服了模擬信號</p><p>　　處理的諸多缺點，數(shù)字信號發(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</p><p>　　大類，專用信號發(fā)生器主要為了某種特殊的測量目的

33、而研制的，如電視信號發(fā)生器、</p><p>　　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</p><p>　　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(shù)發(fā)生器和</p><p>　　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</p><p>　　統(tǒng)的信

34、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</p><p><b>　　所需頻率。</b></p><p>　　1.3 信號發(fā)生器的分類</p><p>　　1.3.1 正弦信號發(fā)生器</p><p>　　正弦信號主要用于測量電路和系統(tǒng)的頻率特性、非線性失真、增益及靈敏度等。 按頻率覆蓋

35、范圍分為低頻信號發(fā)生器、高頻信號發(fā)生器和微波信號發(fā)生器；按輸出電平可調(diào)節(jié)范圍和穩(wěn)定度分為簡易信號發(fā)生器（即信號源）、標(biāo)準(zhǔn)信號發(fā)生器（輸出功率能準(zhǔn)確地衰減到-100分貝毫瓦以下）和功率信號發(fā)生器（輸出功率達(dá)數(shù)十毫瓦以上）；按頻率改變的方式分為調(diào)諧式信號發(fā)生器、掃頻式信號發(fā)生器、程控式信號發(fā)生器和頻率合成式信號發(fā)生器等。</p><p>　　低頻信號發(fā)生器：包括音頻（200～20000赫）和視頻 （1赫～10兆赫）范

36、圍的正弦波發(fā)生器。主振級一般用RC式振蕩器，也可用差頻振蕩器。為便于測試系統(tǒng)的頻率特性，要求輸出幅頻特性平和波形失真小。</p><p>　　高頻信號發(fā)生器：頻率為 100千赫～30兆赫的高頻、30～300兆赫的甚高頻信號發(fā)生器。一般采用 LC調(diào)諧式振蕩器，頻率可由調(diào)諧電容器的度盤刻度讀出。主要用途是測量各種接收機(jī)的技術(shù)指標(biāo)。輸出信號可用內(nèi)部或外加的低頻正弦信號調(diào)幅或調(diào)頻，使輸出載頻電壓能夠衰減到1微伏以下。&l

37、t;/p><p>　　微波信號發(fā)生器：從分米波直到毫米波波段的信號發(fā)生器。信號通常由帶分布參數(shù)諧振腔的超高頻三極管和反射速調(diào)管產(chǎn)生，但有逐漸被微波晶體管、場效應(yīng)管和耿氏二極管等固體器件取代的趨勢。儀器一般靠機(jī)械調(diào)諧腔體來改變頻率，每臺可覆蓋一個倍頻程左右，由腔體耦合出的信號功率一般可達(dá)10毫瓦以上。簡易信號源只要求能加1000赫方波調(diào)幅，而標(biāo)準(zhǔn)信號發(fā)生器則能將輸出基準(zhǔn)電平調(diào)節(jié)到1毫瓦，再從后隨衰減器讀出信號電平的分貝

38、毫瓦值；還必須有內(nèi)部或外加矩形脈沖調(diào)幅，以便測試?yán)走_(dá)等接收機(jī)。</p><p>　　掃頻和程控信號發(fā)生器：掃頻信號發(fā)生器能夠產(chǎn)生幅度恒定、頻率在限定范圍內(nèi)作線性變化的信號。在高頻和甚高頻段用低頻掃描電壓或電流控制振蕩回路元件（如變?nèi)莨芑虼判揪€圈）來實現(xiàn)掃頻振蕩；在微波段早期采用電壓調(diào)諧掃頻，用改變返波管螺旋線電極的直流電壓來改變振蕩頻率，后來廣泛采用磁調(diào)諧掃頻，以YIG鐵氧體小球作微波固體振蕩器的調(diào)諧回路，用掃描

39、電流控制直流磁場改變小球的諧振頻率。掃頻信號發(fā)生器有自動掃頻、手控、程控和遠(yuǎn)控等工作方式。</p><p>　　頻率合成式信號發(fā)生器：這種發(fā)生器的信號不是由振蕩器直接產(chǎn)生，而是以高穩(wěn)定度石英振蕩器作為標(biāo)準(zhǔn)頻率源，利用頻率合成技術(shù)形成所需之任意頻率的信號，具有與標(biāo)準(zhǔn)頻率源相同的頻率準(zhǔn)確度和穩(wěn)定度。輸出信號頻率通?？砂词M(jìn)位數(shù)字選擇，最高能達(dá)11位數(shù)字的極高分辨力。頻率除用手動選擇外還可程控和遠(yuǎn)控，也可進(jìn)行步級式掃頻

40、，適用于自動測試系統(tǒng)。直接式頻率合成器由晶體振蕩、加法、乘法、濾波和放大等電路組成，變換頻率迅速但電路復(fù)雜，最高輸出頻率只能達(dá)1000兆赫左右。用得較多的間接式頻率合成器是利用標(biāo)準(zhǔn)頻率源通過鎖相環(huán)控制電調(diào)諧振蕩器（在環(huán)路中同時能實現(xiàn)倍頻、分頻和混頻），使之產(chǎn)生并輸出各種所需頻率的信號。這種合成器的最高頻率可達(dá)26.5吉赫。高穩(wěn)定度和高分辨力的頻率合成器，配上多種調(diào)制功能（調(diào)幅、調(diào)頻和調(diào)相），加上放大、穩(wěn)幅和衰減等電路，便構(gòu)成一種新型的高

41、性能、可程控的合成式信號發(fā)生器，還可作為鎖相式掃頻發(fā)生器。</p><p>　　1.3.2 函數(shù)發(fā)生器</p><p>　　函數(shù)發(fā)生器又稱波形發(fā)生器。它能產(chǎn)生某些特定的周期性時間函數(shù)波形（主要是正弦波、方波、三角波、鋸齒波和脈沖波等）信號。頻率范圍可從幾毫赫甚至幾微赫的超低頻直到幾十兆赫。除供通信、儀表和自動控制系統(tǒng)測試用外，還廣泛用于其他非電測量領(lǐng)域。</p><p&

42、gt;　　1.3.3 脈沖信號發(fā)生器</p><p>　　用于產(chǎn)生寬度、幅度和重復(fù)頻率可調(diào)的矩形脈沖的發(fā)生器，可用以測試線性系統(tǒng)的瞬態(tài)響應(yīng)，或用模擬信號來測試?yán)走_(dá)、多路通信和其他脈沖數(shù)字系統(tǒng)的性能。脈沖發(fā)生器主要由主控振蕩器、延時級、脈沖形成級、輸出級和衰減器等組成。主控振蕩器通常為多諧振蕩器之類的電路，除能自激振蕩外，主要按觸發(fā)方式工作。通常在外加觸發(fā)信號之后首先輸出一個前置觸發(fā)脈沖，以便提前觸發(fā)示波器等觀測儀

43、器，然后再經(jīng)過一段可調(diào)節(jié)的延遲時間才輸出主信號脈沖，其寬度可以調(diào)節(jié)。有的能輸出成對的主脈沖，有的能分兩路分別輸出不同延遲的主脈沖。</p><p>　　1.3.4 隨機(jī)信號發(fā)生器</p><p>　　隨機(jī)信號發(fā)生器分為噪聲信號發(fā)生器和偽隨機(jī)信號發(fā)生器兩類。 </p><p>　　噪聲信號發(fā)生器： 完全隨機(jī)性信號是在工作頻帶內(nèi)具有均勻頻譜的白噪聲。常用的白噪聲發(fā)生器主

44、要有：工作于1000兆赫以下同軸線系統(tǒng)的飽和二極管式白噪聲發(fā)生器；用于微波波導(dǎo)系統(tǒng)的氣體放電管式白噪聲發(fā)生器；利用晶體二極管反向電流中噪聲的固態(tài)噪聲源（可工作在18吉赫以下整個頻段內(nèi)）等。噪聲發(fā)生器輸出的強(qiáng)度必須已知，通常用其輸出噪聲功率超過電阻熱噪聲的分貝數(shù)（稱為超噪比）或用其噪聲溫度來表示。噪聲信號發(fā)生器主要用途是：①在待測系統(tǒng)中引入一個隨機(jī)信號，以模擬實際工作條件中的噪聲而測定系統(tǒng)的性能；②外加一個已知噪聲信號與系統(tǒng)內(nèi)部噪聲相比較

45、以測定噪聲系數(shù)；③用隨機(jī)信號代替正弦或脈沖信信號，以測試系統(tǒng)的動態(tài)特性。例如，用白噪聲作為輸入信號而測出網(wǎng)絡(luò)的輸出信號與輸入信號的互相關(guān)函數(shù)，便可得到這一網(wǎng)絡(luò)的沖激響應(yīng)函數(shù)。 </p><p>　　偽隨機(jī)信號發(fā)生器：用白噪聲信號進(jìn)行相關(guān)函數(shù)測量時，若平均測量時間不夠長，則會出現(xiàn)統(tǒng)計性誤差，這可用偽隨機(jī)信號來解決。當(dāng)二進(jìn)制編碼信號的脈沖寬度墹T足夠小，且一個碼周期所含墹T數(shù)N很大時，則在低于fb=1/墹T的頻帶內(nèi)信

46、號頻譜的幅度均勻，稱為偽隨機(jī)信號。只要所取的測量時間等于這種編碼信號周期的整數(shù)倍，便不會引入統(tǒng)計性誤差。二進(jìn)碼信號還能提供相關(guān)測量中所需的時間延遲。偽隨機(jī)編碼信號發(fā)生器由帶有反饋環(huán)路的n級移位寄存器組成，所產(chǎn)生的碼長為 N＝2-1 。</p><p><b>　　1.4 課題的意義</b></p><p>　　隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，在測量領(lǐng)域中需要不斷更新測量設(shè)備，以滿

47、足越來越高的測量要求。在我國，傳統(tǒng)儀器技術(shù)還比較落后，目前有大批陳舊的測試儀器等待更新。這些儀器的測量精度和可靠性均低于國外，并且自動化程度較低。高檔儀器基本上依靠國外進(jìn)口，每年都消耗國家大量外匯。然而，花大量資金購買的儀器，可能我們只需要其中的一部分功能，同時有些其他應(yīng)用的功能要求，該儀器卻滿足不了。這些情況無疑是大大浪費了投資。設(shè)想要是能將儀器稍微改動以實現(xiàn)更大的使用范圍該多好。但是這對于傳統(tǒng)儀器來說是非常困難的。虛擬儀器的出現(xiàn)，將

48、徹底改變這種局面。利用計算機(jī)豐富的軟硬件資源，用戶可以隨心所欲地根據(jù)自己的需求，設(shè)計自己的儀器系統(tǒng)，滿足多種多樣的應(yīng)用需求。數(shù)字信號發(fā)生器是在科學(xué)研究和工程設(shè)計中廣泛應(yīng)用的一種通用儀器。目前高精度、具有數(shù)據(jù)存儲能力的信號發(fā)生器，生產(chǎn)工藝復(fù)雜，價格昂貴。所以虛擬數(shù)字存儲信號發(fā)生器的設(shè)計有一定的經(jīng)濟(jì)價值;虛擬信號發(fā)生器能充分發(fā)揮虛擬儀器結(jié)構(gòu)簡單、功能豐富、價格低廉、能重復(fù)開發(fā)、可用戶自定義的優(yōu)勢。設(shè)計的虛擬數(shù)字存儲信號發(fā)生器，可同時顯示、記

49、錄和存儲多通道輸入的波形，并且可以對波形進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和處理，具</p><p>　　2 虛擬儀器和Labview簡介</p><p>　　2.1 虛擬儀器概述</p><p>　　2.1.1 虛擬儀器產(chǎn)生背景</p><p>　　當(dāng)今我們處于一個正在高度發(fā)展的信息社會，要求在有限的時空上實現(xiàn)大量信息的交換，必然帶來信息密度的急劇增大，要求電子

50、系統(tǒng)對于信息的處理速度越來越高，功能越來越強(qiáng)，這使得系統(tǒng)結(jié)構(gòu)日趨復(fù)雜。對體積、耗電和價格的要求使得系統(tǒng)及IC的集成度越來越高，同時激烈的市場競爭使得產(chǎn)品價格及研制生產(chǎn)周期縮短，傳統(tǒng)的測試儀器已經(jīng)越來越不能滿足時代的要求，主要表現(xiàn)在以下幾個方面：</p><p>　　1、要求測試儀器不僅能單獨測量某個電量，而且測試儀器之間必須具備控制通道和數(shù)據(jù)交換通道，以便完成對各個被測量同時進(jìn)行自動分析、信息綜合及準(zhǔn)確判斷，傳統(tǒng)

51、的測試儀器在這方面受到極大的限制。</p><p>　　2、微處理器和DSP技術(shù)的飛速發(fā)展及它們價格的不斷降低，改變了傳統(tǒng)的電子設(shè)計概念，原來許多由硬件完成的功能現(xiàn)在逐步由運行在微處理器和DSP芯片上的軟件來完成，這樣給產(chǎn)品帶來了巨大的好處：自動化、程序高、可靠性高、價格低、容易升級、系統(tǒng)具有寬適應(yīng)范圍的柔性結(jié)構(gòu)、可維護(hù)性好等等。硬件軟化的設(shè)計方法對當(dāng)今測試儀器的設(shè)計產(chǎn)生了深刻的影響。</p>&l

52、t;p>　　3、良好的人機(jī)界面的要求促進(jìn)了傳統(tǒng)測試儀器的改造。對于越來越復(fù)雜的被測系統(tǒng)，如果仍然使用傳統(tǒng)的測試儀器必然會需要眾多的儀器設(shè)備，面對各個生產(chǎn)廠家的不同設(shè)備，使用者需要學(xué)習(xí)不同設(shè)備的使用方法后方可使用。這樣的測試儀器不僅使用效率及利用效率都很低，而且硬件存在巨大的冗余。</p><p>　　4、微計算機(jī)的廣泛使用，給基于微計算機(jī)的測試儀器提供了巨大的市場，人們在使用計算機(jī)及測試儀器時越來越明顯的感

53、覺到測試儀器的許多功能不僅可以由已有的計算機(jī)來完成，而且需要增加某種測試功能時，只增加少量的模塊化功能硬件即可，同時基于微計算機(jī)的測試儀器具有更多的優(yōu)點。</p><p>　　可見，一方面電子技術(shù)及市場的發(fā)展從客觀上要求測試儀器向自動化及柔性化的方向發(fā)展，另一方面，電子技術(shù)及市場的發(fā)展也給虛擬儀器的產(chǎn)生提供了可能。在這種形式下，基于微計算機(jī)的虛擬儀器逐步變得現(xiàn)實，它的出現(xiàn)和廣泛使用為測試系統(tǒng)的設(shè)計提供一個極佳的模

54、式，并且使工程師們在測量和控制方面得到強(qiáng)大功能和靈活性。</p><p>　　2.1.2虛擬儀器概念</p><p>　　虛擬儀器(Virtual Instrument，簡稱VI)的概念是由美國國家儀器公司(NI)在20世紀(jì)80年代最早提出的。虛擬儀器就是在以通用計算機(jī)為核心的硬件平臺上，由用戶設(shè)計定義、具有虛擬前面板、測試功能由測試軟件實現(xiàn)的一種計算機(jī)儀器系統(tǒng)。其核心的思想是利用計算機(jī)的

55、強(qiáng)大資源使本來需要硬件實現(xiàn)的技術(shù)軟件化，以便最大限度地降低系統(tǒng)成本，增強(qiáng)系統(tǒng)功能與靈活性。虛擬儀器代表著從傳統(tǒng)硬件為主的測試系統(tǒng)到以軟件為中心的測試系統(tǒng)的根本性轉(zhuǎn)變。虛擬儀器的出現(xiàn)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，對科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和工業(yè)生產(chǎn)的進(jìn)步將產(chǎn)生不可估量的影響。</p><p>　　虛擬儀器利用個人計算機(jī)強(qiáng)大的圖形環(huán)境和在線幫助功能，建立虛擬儀器面板，完成對儀器的控制，數(shù)據(jù)分析與顯示

56、，代替?zhèn)鹘y(tǒng)儀器，改變傳統(tǒng)儀器的使用方式，提高儀器的功能和使用效率，大幅度降低儀器價格，使用戶可以根據(jù)自己的需要定義儀器的功能。虛擬儀器可廣泛應(yīng)用于電子測量、電力工程、物礦勘探、醫(yī)療、振動分析、聲學(xué)分析、故障診斷及教學(xué)科研等諸多領(lǐng)域。</p><p>　　2.1.3 虛擬儀器的分類</p><p>　　虛擬儀器隨著計算機(jī)的發(fā)展和采用總線方式的不同，一般可分為五種類型。如圖2.1所示。<

57、/p><p>　　圖2.1 虛擬儀器的分類</p><p>　　1、PC總線——插卡型虛擬儀器</p><p>　　這種方式借助于插入計算機(jī)內(nèi)的數(shù)據(jù)采集卡與專用的軟件如LABVIEW相結(jié)合。美國NI公司的LABVIEW是圖形化編程工具，它可以通過各種控件自己組建各種儀器。LABVIEW/cvi是基于文本編程的程序員提供高效的編程工具，通過三種編程語言Visual C++

58、, Visual Basic, LABVIEW/cvi構(gòu)成測試系統(tǒng)，它充分利用計算機(jī)的總線、機(jī)箱、電源及軟件的便利。但是受PC機(jī)機(jī)箱和總線限制，且有電源功率不足，機(jī)箱內(nèi)部的噪聲電平較高，插槽數(shù)目也不多，插槽尺寸比較小，機(jī)箱內(nèi)無屏蔽等缺點。另外，ISA總線的虛擬儀器已經(jīng)淘汰，PCI總線的虛擬儀器價格比較昂貴。</p><p>　　2、并行口式虛擬儀器</p><p>　　最新發(fā)展的一系列可連

59、接到計算機(jī)并行口的測試裝置，它們把儀器硬件集成在一個采集盒內(nèi)。儀器軟件裝在計算機(jī)上，通?？梢酝瓿筛鞣N測量測試儀器的功能，可以組成數(shù)字存儲示波器、頻譜分析儀、邏緝分析儀、任意波形發(fā)生器、頻率計、數(shù)字萬用表、功率計、程控穩(wěn)壓電源、數(shù)據(jù)記錄儀、數(shù)據(jù)采集器。美國LINK公司的DSO-2XXX系列虛擬儀器,它們的最大好處是可以與筆記本計算機(jī)相連，方便野外作業(yè)，又可與臺式PC機(jī)相連，實現(xiàn)臺式和便攜式兩用，非常方便。由于其價格低廉、用途廣泛，特別適合

60、于研發(fā)部門和各種教學(xué)實驗室應(yīng)用。</p><p>　　3、GPIB總線方式的虛擬儀器</p><p>　　GPIB技術(shù)是IEEE488標(biāo)準(zhǔn)的虛擬儀器早期的發(fā)展階段。它的出現(xiàn)使電子測量獨立的單臺手工操作向大規(guī)模自動測試系統(tǒng)發(fā)展，典型的GPIB系統(tǒng)由一臺PC機(jī)、一塊GPIB接口卡和若干臺BPIB形式的儀器通過GPIB電纜連接而成。在標(biāo)準(zhǔn)情況下，一塊GPIB接口可帶多達(dá)14臺儀器，電纜長度可達(dá)4

61、0米。GPIB技術(shù)可用計算機(jī)實現(xiàn)對儀器的操作和控制，替代傳統(tǒng)的人工操作方式，可以很多方便地把多臺儀器組合起來，形成自動測量系統(tǒng)。GPIB測量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和命令簡單，主要應(yīng)用于臺式儀器，適合于精確度要求高的，但不要求對計算機(jī)高速傳輸狀況時應(yīng)用。</p><p>　　4、VXI總線方式虛擬儀器</p><p>　　VXI總線是一種高速計算機(jī)總線VME總線在VI領(lǐng)域的擴(kuò)展，它具有穩(wěn)定的電源，強(qiáng)有力

62、的冷卻能力和嚴(yán)格的RFI/EMI屏蔽。由于它的標(biāo)準(zhǔn)開放、結(jié)構(gòu)緊湊、數(shù)據(jù)吞吐能力強(qiáng)、定時和同步精確、模塊可重復(fù)利用、眾多儀器廠家支持的優(yōu)點，很快得到廣泛的應(yīng)用。經(jīng)過多年的發(fā)展，VXI系統(tǒng)的組建和使用越來越方便，尤其是組建大、中規(guī)模自動測量系統(tǒng)以及對速度、精度要求高的場合。有其他儀器無法比擬的優(yōu)勢。然而，組建VXI總線要求有機(jī)箱、零槽管理器及嵌入式控制器，造價比較高。</p><p>　　5、PXI總線方式虛擬儀器&

63、lt;/p><p>　　PXI總線方式是PCI總線內(nèi)核技術(shù)增加了成熟的技術(shù)規(guī)范和要求形成的，增加了多板同步觸發(fā)總線的技術(shù)規(guī)范和要求形成的，增加了多板發(fā)總線，以使用于相鄰模塊的高速通訊的局總線。PXI的高度可擴(kuò)展性。PXI具有8個擴(kuò)展槽，而臺式PCI系統(tǒng)只有3-4個擴(kuò)展槽，通過使用PCI—PCI橋接器，可擴(kuò)展到256個擴(kuò)展槽，臺式PC的性能價格比和PCI總線面向儀器領(lǐng)域的擴(kuò)展優(yōu)勢結(jié)合起來，將形成未來的虛擬儀器平臺。&l

64、t;/p><p>　　2.1.4 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)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。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。

65、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。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)

66、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</p><p>　　2.2 虛擬儀器系統(tǒng)的構(gòu)成</p><p>　　虛擬儀器由硬件設(shè)備與接口、設(shè)備驅(qū)動軟件和虛擬儀器面板組成。其中，硬件設(shè)備與接口可以是

67、各種以PC為基礎(chǔ)的內(nèi)置功能插卡、通用接口總線接口卡、串行口、VXI總線儀器接口等設(shè)備，或者是其它各種可程控的外置測試設(shè)備，設(shè)備驅(qū)動軟件是直接控制各種硬件接口的驅(qū)動程序，虛擬儀器通過底層設(shè)備驅(qū)動軟件與真實的儀器系統(tǒng)進(jìn)行通訊，并以虛擬儀器面板的形式在計算機(jī)屏幕上顯示與真實儀器面板操作元素相對應(yīng)的各種控件。用戶用鼠標(biāo)操作虛擬儀器的面板就如同操作真實儀器一樣真實與方便。</p><p>　　1.虛擬儀器系統(tǒng)的硬件構(gòu)成&l

68、t;/p><p>　　虛擬儀器的硬件系統(tǒng)一般分為計算機(jī)硬件平臺和測控功能硬件。計算機(jī)硬件平臺可以是各種類型的計算機(jī)，如臺式計算機(jī)、便攜式計算機(jī)、工作站、嵌入式計算機(jī)等。它管理著虛擬儀器的軟件資源，是虛擬儀器的硬件基礎(chǔ)。因此，計算機(jī)技術(shù)在顯示、存儲能力、處理器性能、網(wǎng)絡(luò)、總線標(biāo)準(zhǔn)等方面的發(fā)展，導(dǎo)致了虛擬儀器系統(tǒng)的快速發(fā)展。</p><p>　　按照測控功能硬件的不同，VI可分為DAQ、GPIB、

69、VXI、PXI和串口總線五種標(biāo)準(zhǔn)體系結(jié)構(gòu)，它們主要完成被測輸入信號的采集、放大、模/數(shù)轉(zhuǎn)換。</p><p>　　2.虛擬儀器系統(tǒng)的軟件構(gòu)成</p><p>　　測試軟件是虛擬儀器的主心骨。NI公司在提出虛擬儀器概念并推出第一批實用成果時，就用軟件就是儀器來表達(dá)虛擬儀器的特征，強(qiáng)調(diào)軟件在虛擬儀器中的重要位置。NI公司從一開始就推出豐富而又簡潔的虛擬儀器開發(fā)軟件。使用者可以根據(jù)不同的測試任務(wù)

70、，在虛擬儀器開發(fā)軟件的提示下編制不同的測試軟件，來實現(xiàn)當(dāng)代科學(xué)技術(shù)復(fù)雜的測試任務(wù)。在虛擬儀器系統(tǒng)中用靈活強(qiáng)大的計算機(jī)軟件代替?zhèn)鹘y(tǒng)儀器的某些硬件，特別是系統(tǒng)中應(yīng)用計算機(jī)直接參與測試信號的產(chǎn)生和測量特性的分析，使儀器中的一些硬件甚至整個儀器從系統(tǒng)中消失，而由計算機(jī)的軟硬件資源來完成它們的功能。虛擬儀器測試系統(tǒng)的軟件主要分為以下四部分。</p><p>　　1、儀器面板控制軟件</p><p>

71、　　儀器面板控制軟件即測試管理層，是用戶與儀器之間交流信息的紐帶。利用計算機(jī)強(qiáng)大的圖形化編程環(huán)境，使用可視化的技術(shù)，從控制模塊上選擇你所需要的對象，放在虛擬儀器的前面板上。</p><p>　　2、數(shù)據(jù)分析處理軟件</p><p>　　利用計算機(jī)強(qiáng)大的計算能力和虛擬儀器開發(fā)軟件功能強(qiáng)大的函數(shù)庫可以極大提高虛擬儀器系統(tǒng)的數(shù)據(jù)分析處理能力，節(jié)省開發(fā)時間。</p><p>

72、;<b>　　3、儀器驅(qū)動軟件</b></p><p>　　虛擬儀器驅(qū)動程序是處理與特定儀器進(jìn)行控制通信的一種軟件。儀器驅(qū)動器與通信接口及使用開發(fā)環(huán)境相聯(lián)系，它提供一種高級的、抽象的儀器映像，它還能提供特定的使用開發(fā)環(huán)境信息。儀器驅(qū)動器是虛擬儀器的核心，是用戶完成對儀器硬件控制的紐帶和橋梁。虛擬儀器驅(qū)動程序的核心是驅(qū)動程序函數(shù)/VI集，函數(shù)/VI是指組成驅(qū)動的模塊化子程序。驅(qū)動程序一般分為兩

73、層，底層是儀器的基本操作，如初始化儀器配置儀器輸入?yún)?shù)、收發(fā)數(shù)據(jù)、查看儀器狀態(tài)等。高層是應(yīng)用函數(shù)/VI層，它根據(jù)具體測量要求調(diào)用底層的函數(shù)/VI。</p><p>　　4、通用I/O接口軟件 </p><p>　　在虛擬儀器系統(tǒng)中，I/O接口軟件作為虛擬儀器系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)中承上啟下的一層，其模塊化與標(biāo)準(zhǔn)化越來越重要。VXI總線即插即用聯(lián)盟，為其制定了標(biāo)準(zhǔn)，提出了自底向上的I/O接口軟件模型即

74、VISA。作為通用I/O標(biāo)準(zhǔn)，VISA具有與儀器硬件接口無關(guān)性的特點， 即這種軟件結(jié)構(gòu)是面向器件功能而不是面向接口總線的。應(yīng)用工程師為帶GPIB接口儀器所寫的軟件，也可以于VXI系統(tǒng)或具有RS232接口的設(shè)備上，這樣不但大大縮短了應(yīng)用程序的開發(fā)周期，而且徹底改變了測試軟件開發(fā)的方式和手段。</p><p>　　2.3 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

75、法比擬的優(yōu)勢。在高速度、高帶寬和專業(yè)測試領(lǐng)域，</p><p>　　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</p><p>　　的工作，但完成復(fù)雜環(huán)境下的自動化測試是虛擬儀器的強(qiáng)項，這是傳統(tǒng)的獨立儀器難</p><p><b>　　以勝任的。</b></p><p>　　1）傳統(tǒng)儀器的

76、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)</p><p>　　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</p><p>　　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</p><p>　　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</p>

77、<p>　　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，由編程來實現(xiàn)，設(shè)計者可以</p><p>　　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

78、>　　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>　　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</p><p>　　本身來完成，而是在軟件的支持下，利用PC 機(jī)CPU 的強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理功能來完成，&l

79、t;/p><p>　　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</p><p><b>　　任務(wù)測量。</b></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&l

80、t;/p><p><b>　　周期。</b></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</p><p>　　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>　　2.4 虛擬儀器的開發(fā)軟件</p>

81、<p>　　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

82、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 LabWindows/CVI 。LABVIEW 采用圖形化編程方案，是非常實用的開發(fā)軟件。LabWindows/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，Te

83、k-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。</p><p>　　2．圖形化虛擬儀器開發(fā)平臺——LABVIEW</p><p>　　LABVIEW(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

84、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(qiáng)大且靈活的軟件。利用它可以方便地建立自己的虛擬儀器，圖形化的界面使得編程及使用過程都更加形象化。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

85、巧便可設(shè)計出虛擬儀器系統(tǒng)。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 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，L</p><p>　　3．基于LABVIEW 平臺的虛擬儀器程序設(shè)計</p>

86、<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</p><p>　　程圖(Block Diagram)以及圖標(biāo)/連結(jié)器(Icon/Connector)三部分。</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

87、和顯示對象。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。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)儀器上的按鈕、顯示屏等控件，而流程

88、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。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</p><p>　　很多程序設(shè)計經(jīng)驗的工程人員。</p><p>　　（2）

89、設(shè)計的思路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)</p><p>　　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</p><p>　　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</p><p>　　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)/

90、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。</p><p>　　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</p><p>　　LABVIEW 中提供的圖標(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</p><p>　　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</p&g

91、t;<p>　　體現(xiàn)在以下幾個方面：</p><p>　?。?）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</p><p>　　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)都是一個完整的功</p><p>　　能模

92、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</p><p><b>　　系統(tǒng)設(shè)計的可靠性。</b></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</p><p><b>　　靈活性提供了前提。</b></p><p>　　3

93、 系統(tǒng)設(shè)計硬件平臺</p><p><b>　　3.1 PC 機(jī)</b></p><p>　　虛擬儀器就是用通用計算機(jī)強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力代替以往需要硬件電路才能完</p><p>　　成的功能，所以現(xiàn)在隨著個人電腦的快速發(fā)展，個人電腦在許多科技領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用</p><p>　　使其為測量儀器的執(zhí)行搭建了一個理想的硬件和

94、軟件平臺，通過增加一個簡單的數(shù)據(jù)</p><p>　　采集系統(tǒng)，個人計算機(jī)可以仿真任何儀器。不同的儀器只要對該軟件重新編程就可</p><p>　　以在同一硬件中實現(xiàn)。</p><p>　　3.2 數(shù)據(jù)采集卡的選擇</p><p>　　數(shù)據(jù)采集板卡的性能與眾多因素相關(guān)，要根據(jù)具體情況來具體分析。所以在選</p><p>

95、;　　擇數(shù)據(jù)采集卡構(gòu)成系統(tǒng)時，首先必須對數(shù)據(jù)采集卡的性能指標(biāo)有所了解。</p><p>　　3.2.1 數(shù)據(jù)采集卡的主要性能指標(biāo)</p><p><b>　　1）采樣頻率</b></p><p>　　采樣頻率的高低，決定了在一定時間內(nèi)獲取原始信號信息的多少，為了能夠較好</p><p>　　的再現(xiàn)原始信號，不產(chǎn)生波形失真

96、，采樣率必須要足夠高才行。根據(jù)奈奎斯特理論采</p><p>　　樣頻率至少是原信號的兩倍，但實際中，一般都需要5～10 倍。</p><p><b>　　2）采樣方法</b></p><p>　　采集卡通常都有好幾個數(shù)據(jù)通道，如果所有的數(shù)據(jù)通道都輪流使用同一個放大器</p><p>　　和A/D 轉(zhuǎn)換器，要比每個通道單

97、獨使用各自的經(jīng)濟(jì)的多，但這僅適用于對時間不是</p><p>　　很重要的場合。如果采樣系統(tǒng)對時間要求嚴(yán)格，則必須同時采集，這就需要每個通道</p><p>　　都有自己的放大和A/D 轉(zhuǎn)換器。但是處于成本的考慮，現(xiàn)在普遍流行的是各個數(shù)據(jù)</p><p>　　通道公用一套放大器和A/D 轉(zhuǎn)換器。</p><p><b>　　3）分辨

98、率</b></p><p>　　ADC 的位數(shù)越多，分辨率就越高，可區(qū)分的電壓就越小。</p><p><b>　　4）電壓動態(tài)范圍</b></p><p>　　電壓范圍指ADC 能掃描到的最高和最低電壓。一般最好能夠使進(jìn)入采集卡的電</p><p>　　壓范圍剛好與其符合，以便利用其可靠的分辨率范圍。<

99、;/p><p><b>　　5）I/O 通道數(shù)</b></p><p>　　該參數(shù)表明了數(shù)據(jù)采集卡所能夠采集的最多的信號路數(shù)。</p><p>　　3.2.2 數(shù)據(jù)采集卡的組成</p><p>　　1）多路開關(guān)。將各路信號輪流切換至放大器的輸入端，實現(xiàn)多參數(shù)多路信號的</p><p><b>

100、;　　分時采集。</b></p><p>　　2）放大器。將切換進(jìn)入采集卡的信號放大至需要的量程內(nèi)。通常的放大器都是</p><p>　　增益可調(diào)的，使用者可根據(jù)需要來選擇不同的增益倍數(shù)。</p><p>　　3）采樣保持器。把采集到的信號瞬間值保持在A/D 的過程中不變化。</p><p>　　4）A/D 轉(zhuǎn)換器。將模擬的輸入信

101、號轉(zhuǎn)化為數(shù)字量輸出，完成信號幅值的量化。</p><p>　　3.2.3 USB6008</p><p>　　所有能夠在計算機(jī)控制下完成數(shù)據(jù)采集和控制任務(wù)的板卡產(chǎn)品都稱為DAQ產(chǎn)品，可分為內(nèi)插式板卡和外掛式板卡。內(nèi)插式ＤＡＱ板卡包括基于ISA，PCI，PXI/Compact PCI，PCMCIA 等總線的板卡，特點是速度快，但插拔不方便；外掛式DAQ板卡包括USB，IEEE1394，RS-

102、232/RS-485和并口板卡，特點是使用方便，但速度相對較慢。圖3.1為USB-6008數(shù)據(jù)采集卡。</p><p>　　圖3.1 USB-6008</p><p>　　一般情況下，DAQ硬件設(shè)備功能包括模擬量輸入、模擬量輸出、數(shù)字I/O(Digital I/O)和定時/計數(shù)（Time/Counter）。NI USB-6008數(shù)據(jù)采集卡的原理框圖如圖3.2所示。</p>&

103、lt;p>　　圖3.2 NI USB-6008數(shù)據(jù)采集卡的原理框圖</p><p>　　4 系統(tǒng)總體的設(shè)計和實現(xiàn)</p><p>　　4.1 基本信號發(fā)生器</p><p>　　4.1.1傳統(tǒng)基本信號發(fā)生器</p><p>　　信號發(fā)生器一般是指能自動產(chǎn)生正弦波、三角波、方波及鋸齒波、階梯波等電壓波形的電路或儀器。根據(jù)用途不同，有產(chǎn)生三

104、種或多種波形的信號發(fā)生器，使用的器件可以是分立器件 (如低頻信號函數(shù)發(fā)生器S101全部采用晶體管)，也可以采用集成電路(如單片信號發(fā)生器模塊)。其原理如圖4.1所示。</p><p>　　圖4.1 傳統(tǒng)基本信號發(fā)生器原理框圖</p><p>　　4.1.2 虛擬號發(fā)生器</p><p>　　1.如圖4.2為基本函數(shù)發(fā)生器模塊。</p><p&g

105、t;　　圖4.2 基本函數(shù)發(fā)生器模塊</p><p>　　偏移量指定信號的直流偏移量，默認(rèn)值為0.0；重置信號值為TRUE，相位將被重置為相位控件的值，時間標(biāo)識將被重置為0；信號類型是要生成的波形的類型；頻率是波形頻率，以Hz為單位，默認(rèn)值為10；幅值是波形的幅值，幅值也是峰值電壓，默認(rèn)值為1.0；相位是波形的初始相位，以度為單位，默認(rèn)值為0，如重置信號的值為FALSE，VI將忽略相位；錯誤輸入表明VI或函數(shù)運行

106、前發(fā)生的錯誤，默認(rèn)值為無錯誤，如錯誤發(fā)生在VI或函數(shù)運行之前，VI或函數(shù)將把錯誤輸入值傳遞至錯誤輸出，如在VI或函數(shù)運行前沒有發(fā)生錯誤，VI或函數(shù)將正常運行，如在VI或函數(shù)運行時發(fā)生錯誤，VI或函數(shù)將正常運行并在錯誤輸出中設(shè)置自身的錯誤狀態(tài)，錯誤輸入和錯誤輸出用于檢查錯誤并通過將一個節(jié)點的錯誤輸出和另一個節(jié)點的錯誤輸入連線指定執(zhí)行順序；狀態(tài)的值為TRUE時表示在VI或函數(shù)運行前已發(fā)生錯誤，值為FALSE時表示警告或無錯誤，默認(rèn)值為FAL

107、SE；代碼是錯誤或警告代碼；源表示錯誤或警告的源，大多數(shù)情況下表示出現(xiàn)錯誤或警告的VI或函數(shù)名，默認(rèn)值為空字符串；采樣信息包含采樣信息；僅當(dāng)信號類型是方波時，VI使用該參數(shù)；信號輸出是生成的波形；相位輸</p><p>　　到此為止，信號發(fā)生器的程序已經(jīng)能夠產(chǎn)生信號，并且可以在波形顯示器中顯示出來了。由于該程序只能執(zhí)行一次，所以在程序的外圍添加一個while循環(huán)。While循環(huán)能夠?qū)Τ绦虻膱?zhí)行次數(shù)進(jìn)行計數(shù)，并能對

108、程序進(jìn)行控制，可以隨時控制程序的停止運行狀態(tài)。如圖4.3所示。</p><p>　　圖4.3 基本信號發(fā)生器程序圖</p><p>　　2．多種信號發(fā)生器的總流程如下圖4.4所示，使用時先運行程序，然后設(shè)置數(shù)據(jù)采集卡以及通過波形選擇開關(guān)選擇波形，并設(shè)定其幅度、頻率、相位、占空比(方波)，波形信號就可在顯示屏上顯示并通過數(shù)據(jù)采集卡輸出波形。程序運行過程中，可通過面板上的控件隨時改變波形的參數(shù)

109、（幅度、頻率、相位、占空比），關(guān)閉電源，程序停止運行。</p><p>　　圖4.4 基本信號發(fā)生器流程圖</p><p><b>　　4.2 檔位選擇</b></p><p>　　條件結(jié)構(gòu)：包括一個或多個子程序框圖，或分支，結(jié)構(gòu)執(zhí)行時，僅有一個子程序框圖或分支在執(zhí)行。連接至選擇器接線端的值可以是布爾、字符串、整數(shù)，或枚舉類型，用于確定要執(zhí)行的

110、分支。右鍵單擊結(jié)構(gòu)邊框，可添加或刪除分支?？墒褂脴?biāo)簽工具來輸入條件選擇器標(biāo)簽的值，并配置每個分支處理的值。</p><p>　　如圖4.5A，檔位選擇利用條件結(jié)構(gòu)，使基本信號發(fā)生器的頻率范圍擴(kuò)大到1MHz。如圖4.5B所示為檔位選擇器流程框圖。</p><p>　　圖4.5A 檔位選擇程序圖 圖4.5B 檔位選擇器流程框圖</p><