課程設(shè)計(jì)報(bào)告----電壓信號(hào)采集、濾波與綜合分析

1、<p><b>　　虛擬儀器課程設(shè)計(jì)</b></p><p>　　電壓信號(hào)采集、濾波與綜合分析</p><p><b>　　姓名： </b></p><p><b>　　班級(jí)： </b></p><p>　　專業(yè)：測(cè)控技術(shù)與儀器</p><p>

2、;<b>　　指導(dǎo)教師： </b></p><p>　　電壓信號(hào)采集、濾波與綜合分析</p><p>　　1、虛擬儀器的概念與特點(diǎn)</p><p>　　隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展,計(jì)算機(jī)與傳統(tǒng)的儀器儀表結(jié)合成為一種趨勢(shì),其強(qiáng)大的功能是傳統(tǒng)儀器所無(wú)法比擬的.虛擬儀器是在通用計(jì)算機(jī)平臺(tái)上,用戶根據(jù)自己的需求來(lái)定義和設(shè)計(jì)測(cè)試功能的儀器系統(tǒng).也就是說(shuō)虛擬

3、儀器是由用戶利用一些基本硬件及軟件編程技術(shù)組成的各種各樣的儀器系統(tǒng).概括來(lái)說(shuō),它主要由以下特點(diǎn):</p><p>　　⑴軟件是虛擬儀器的核心</p><p>　　虛擬儀器的硬件確立后,它的功能,如抗混淆濾波、小波分析等，主要是通過(guò)軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)的，軟件在虛擬儀器中具有重要的地位。美國(guó)國(guó)家儀器公司（NI）就曾提出一個(gè)著名的口號(hào)：軟件就是儀器。</p><p>　?、铺摂M儀

4、器的性價(jià)比高</p><p>　　一方面，虛擬儀器能同時(shí)對(duì)多個(gè)參數(shù)進(jìn)行實(shí)施高效的測(cè)量，同時(shí)，由于信號(hào)的傳送和數(shù)據(jù)的處理幾乎都是靠數(shù)字信號(hào)或軟件，所以還大大降低了環(huán)境干擾和系統(tǒng)誤差的影響。此外，用戶也可以隨時(shí)根據(jù)需要調(diào)整虛擬儀器的功能，大大縮短了儀器在改變測(cè)量對(duì)象時(shí)的更新周期；另一方面，采用虛擬儀器還可以減少測(cè)試系統(tǒng)的硬件環(huán)節(jié)，從而降低系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)成本和維護(hù)成本，因此使用虛擬儀器比傳統(tǒng)儀器經(jīng)濟(jì)。</p>

5、<p>　　⑶虛擬儀器具有良好的人機(jī)界面</p><p>　　在虛擬儀器中，測(cè)量結(jié)果是通過(guò)由軟件在計(jì)算機(jī)屏幕上生成的、與傳統(tǒng)儀器面板相似的圖形界面由軟面板來(lái)實(shí)現(xiàn)的。</p><p>　?、忍摂M儀器具有與其它設(shè)備的互聯(lián)能力</p><p>　　如和VXI總線或現(xiàn)場(chǎng)總線等的接口能力，此外，還可以將虛擬儀器接入網(wǎng)絡(luò)，如IN-TRANET等，以實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)的監(jiān)

6、控和管理。作為新型儀器，它有許多傳統(tǒng)儀器無(wú)法比擬的地方。這使得虛擬儀器的應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛，據(jù)估計(jì)，到下個(gè)世紀(jì)初中葉，我國(guó)將有60%的儀器為虛擬儀器。</p><p>　　2、虛擬儀器的組成原理</p><p>　　虛擬儀器充分利用了當(dāng)代先進(jìn)的科技產(chǎn)品和技術(shù)，如計(jì)算機(jī)、模塊化的數(shù)據(jù)采集調(diào)理電路及總線技術(shù)等。從圖1可以看出它主要有硬件和軟件兩大部分組成。</p><p>

7、;<b>　　圖1</b></p><p><b>　　⑴虛擬儀器的硬件</b></p><p>　　硬件是虛擬儀器工作的基礎(chǔ)，它的主要功能是完成對(duì)被測(cè)信號(hào)的采集、傳輸和顯示測(cè)量的結(jié)果。</p><p>　　虛擬儀器的硬件主要是由計(jì)算機(jī)和信號(hào)采集調(diào)理部件組成的，其中計(jì)算機(jī)包括微處理器、存儲(chǔ)器和顯示器等，它主要用來(lái)提供實(shí)時(shí)高

8、效的數(shù)據(jù)處理性能。而信號(hào)采集調(diào)理部件可以是GPIB儀器模塊、VXI儀器模塊、PXI儀器模塊或數(shù)據(jù)采集卡，它主要用來(lái)傳輸和采集信號(hào)。目前用的比較多的是數(shù)據(jù)采集卡和VXI儀器模塊，尤其是數(shù)據(jù)采集卡特別為廣大科技人員所鐘愛(ài)。另外，虛擬儀器還有一個(gè)優(yōu)秀的硬件平臺(tái)VXI總線系統(tǒng)，它是一種在世界范圍內(nèi)開(kāi)放的、適于多供貨商的32位高速模塊化儀器總線。</p><p><b>　?、铺摂M儀器的軟件</b>&

9、lt;/p><p>　　軟件在虛擬儀器中地位非常重要，它肩負(fù)著對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理的重壓，如數(shù)字濾波、小波分析或頻譜變換等。在很大程度上，虛擬儀器系統(tǒng)能否成功的運(yùn)行，就取決于虛擬儀器的軟件。虛擬儀器可以分為幾個(gè)層次，其中包括儀器驅(qū)動(dòng)程序、應(yīng)用程序和軟面板程序。</p><p>　　儀器驅(qū)動(dòng)程序主要用來(lái)初始化虛擬儀器，設(shè)置特定的參數(shù)和工作方式，使虛擬儀器保持正常的工作狀態(tài)。</p>

10、<p>　　應(yīng)用程序主要用來(lái)對(duì)輸入計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，用戶就是通過(guò)編制應(yīng)用程序來(lái)定義虛擬儀器的功能。</p><p>　　軟面板程序用來(lái)提供虛擬儀器與用戶的接口，他可以在計(jì)算機(jī)屏幕上生成一個(gè)與傳統(tǒng)儀器面板相似的圖形界面，用于顯示測(cè)量的結(jié)果等。同時(shí)，用戶還可以通過(guò)軟面板上的開(kāi)關(guān)和按鈕，模擬傳統(tǒng)儀器的各種操作，通過(guò)鍵盤或鼠標(biāo)實(shí)現(xiàn)對(duì)虛擬儀器的操作。</p><p>　　通常在編

11、制虛擬儀器的軟件時(shí)可以采用兩種編程方法：一種是傳統(tǒng)的編程方法，采用高級(jí)語(yǔ)言，如VC++、VB等編寫(xiě)虛擬儀器的軟件；另一種是采用現(xiàn)在流行的圖形化編程方法，如用NI公司的LabVIEW或HP公司的VEE等編程。采用圖形化編程的優(yōu)勢(shì)是軟件開(kāi)發(fā)周期短、編程容易，特別適合不具有專業(yè)編程水平的工程技術(shù)人員使用。</p><p>　　3、虛擬儀器的軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)LabVIEW</p><p>　　LabV

12、IEW是一個(gè)搞笑的圖形化程序設(shè)計(jì)環(huán)境，它結(jié)合了簡(jiǎn)單易用的圖形式開(kāi)發(fā)環(huán)境與靈活強(qiáng)大的C編程語(yǔ)言。提供了一個(gè)直覺(jué)式的環(huán)境，與測(cè)量緊密結(jié)合。在這個(gè)平臺(tái)上，各種領(lǐng)域的專業(yè)工程師和科學(xué)家們通過(guò)定義和連接代表各種功能模塊的圖標(biāo)來(lái)方便迅速地建立高水平的應(yīng)用程序。</p><p>　　針對(duì)測(cè)試測(cè)量和過(guò)程控制領(lǐng)域，提供了大量的儀器面板中的控制對(duì)象，如表頭、旋鈕、圖標(biāo)等。通過(guò)控制編輯器可將現(xiàn)有的控制對(duì)象修改成適合自己工作領(lǐng)域的控制對(duì)

13、象。使用圖標(biāo)表示功能模塊，使用圖標(biāo)間的連線表示在各功能模塊間傳遞的數(shù)據(jù)，這樣使得編程過(guò)程與思維過(guò)程非常近似。</p><p>　　提供程序調(diào)試功能?？梢栽谠创a中設(shè)置斷點(diǎn)，單步執(zhí)行源代碼，在源代碼的數(shù)據(jù)流連線上設(shè)置探針，在程序運(yùn)行工程中觀察數(shù)據(jù)流的變化。繼承傳統(tǒng)的編程語(yǔ)言中的結(jié)構(gòu)化和模塊化編程的優(yōu)點(diǎn)，采用編譯方式運(yùn)行32位應(yīng)用程序，提高了運(yùn)行程序的速度。支持多種系統(tǒng)平臺(tái)。在任何一個(gè)平臺(tái)上開(kāi)發(fā)的LabVIEW應(yīng)用程

14、序可直接一直到其他平臺(tái)上。</p><p>　　提供了大量的函數(shù)庫(kù)供調(diào)用。</p><p>　　具有實(shí)時(shí)性，支持?jǐn)?shù)據(jù)采集板和GPIB、串口設(shè)備、VXI儀器、PCI、工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線以及用戶特制的板卡，免費(fèi)提供世界各大廠商的600多種GPIB、串口設(shè)備、VXI儀器、CAMMAC設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序。它提供DLL庫(kù)接口和CIN代碼調(diào)用來(lái)使用戶有能力在LabVIEW平臺(tái)上使用其他軟件平臺(tái)編譯的模塊。<

15、;/p><p>　　4、LabVIEW特點(diǎn)</p><p>　　LabVIEW是一種用圖標(biāo)代替文本行創(chuàng)建應(yīng)用程序的圖形化編程語(yǔ)言。與其他基于文本的程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言相比，LabVIEW具有如下特點(diǎn)。</p><p>　?。╨）直觀、易學(xué)易用。</p><p>　　與Visual C＋＋、Visual Basic等計(jì)算機(jī)編程語(yǔ)言相比，圖形化編程工具Lab

16、VIEW有一個(gè)重要的不同點(diǎn)：不采用基于文本的語(yǔ)言產(chǎn)生代碼行，而使用圖形化編程語(yǔ)言G編寫(xiě)程序；產(chǎn)生的程序是框圖的形式，用框圖代替了傳統(tǒng)的程序代碼。因而可在很短的時(shí)間內(nèi)被掌握并應(yīng)用到實(shí)踐中去，特別適合硬件工程師、實(shí)驗(yàn)室扶術(shù)人員、生產(chǎn)線工藝技術(shù)人員的學(xué)習(xí)和使用?！。?）通用編程系統(tǒng)。  　　LabVIEW的功能并沒(méi)有因圖形化編程而受到限制，依然具有通用編程系統(tǒng)的特點(diǎn)。LabVIEW有一個(gè)可完成任何編程任務(wù)的龐大的函數(shù)庫(kù)。該函數(shù)庫(kù)

17、包括數(shù)據(jù)采集、GPIB、串口控制、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)顯示及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等。  　　LabVIEW也有傳統(tǒng)的程序調(diào)試工具，如設(shè)置斷點(diǎn)、以動(dòng)畫(huà)方式顯示數(shù)據(jù)及其通過(guò)程序的結(jié)果、單步執(zhí)行等，便于程序的調(diào)試。LabVIEW的動(dòng)態(tài)連續(xù)跟蹤方式，可以連續(xù)、動(dòng)態(tài)地觀察程序中的數(shù)據(jù)及其變化情況，比其他語(yǔ)言的開(kāi)發(fā)環(huán)境更方便、更有效?！　。?）模塊化。  　　LabVIEW還有一個(gè)特點(diǎn)是模塊化，體現(xiàn)在兩個(gè)方面。首先，LabVIEW中使用的基

18、本節(jié)點(diǎn)和函數(shù)等就是一個(gè)個(gè)小的模塊，可以直接使用；另外，由La</p><p><b>　　5、設(shè)計(jì)簡(jiǎn)介</b></p><p>　　本設(shè)計(jì)以共有三大部分組成：數(shù)據(jù)采集與濾波、時(shí)域分析和頻域分析。</p><p><b>　?、艛?shù)據(jù)采集與濾波</b></p><p>　　該部分由DAQ助手產(chǎn)生仿真的電

19、壓信號(hào)，模擬了數(shù)據(jù)采集卡6320某一通道的輸出情況。其設(shè)置情況如圖</p><p><b>　　圖2</b></p><p>　　DAQ助手6320數(shù)據(jù)采集卡產(chǎn)生一個(gè)仿真的正弦信號(hào)，但是該信號(hào)有一定的噪聲，因此采用了濾波器進(jìn)行濾波，盡量消除噪聲。</p><p><b>　　前面板設(shè)計(jì)如圖3</b></p>

20、<p><b>　　圖3</b></p><p><b>　　后面板設(shè)計(jì)如圖4</b></p><p><b>　　圖4</b></p><p><b>　?、茣r(shí)域分析</b></p><p>　　在該模塊對(duì)濾波信號(hào)進(jìn)行了時(shí)域的各項(xiàng)分析，包括卷積

21、、自相關(guān)和互相關(guān)。</p><p>　　卷積前面板設(shè)計(jì)如圖5</p><p><b>　　圖5</b></p><p>　　卷積后面板設(shè)計(jì)如圖6</p><p><b>　　圖6</b></p><p>　　自相關(guān)前面板設(shè)計(jì)如圖7</p><p>&l

22、t;b>　　圖7</b></p><p>　　自相關(guān)后面板設(shè)計(jì)如圖8</p><p><b>　　圖8</b></p><p>　　互相關(guān)前面板設(shè)計(jì)如圖9</p><p><b>　　圖9</b></p><p>　　互相關(guān)后面板設(shè)計(jì)如圖10</p&g

23、t;<p><b>　　圖10</b></p><p><b>　?、穷l域分析</b></p><p>　　該模塊對(duì)濾波信號(hào)進(jìn)行頻域的各項(xiàng)分析，包括頻譜、幅度譜和相位譜、實(shí)部和虛部譜以及功率譜。</p><p>　　頻譜前面板設(shè)計(jì)如圖11</p><p><b>　　圖11&

24、lt;/b></p><p>　　頻譜后面板設(shè)計(jì)如圖12</p><p><b>　　圖12</b></p><p>　　幅度譜和相位譜前面板設(shè)計(jì)如圖13</p><p><b>　　圖13</b></p><p>　　幅度譜和相位譜后面板設(shè)計(jì)如圖14</p>

25、;<p><b>　　圖14</b></p><p>　　實(shí)部和虛部譜前面板設(shè)計(jì)如圖15</p><p><b>　　圖15</b></p><p><b>　　圖14</b></p><p>　　實(shí)部和虛部譜后面板設(shè)計(jì)如圖16</p><p&

26、gt;<b>　　圖16</b></p><p>　　功率譜前面板設(shè)計(jì)如圖17</p><p><b>　　圖17</b></p><p>　　功率譜后面板設(shè)計(jì)如圖18</p><p><b>　　圖18</b></p><p><b>　　6