【正文】 數(shù)值模塊 海軍工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 20 虛擬信號(hào)發(fā)生器的顯示模塊 虛擬信號(hào)發(fā)生器的終端是顯示模塊，在完成信號(hào)的仿真和輸出以后，需要有直觀的界面來(lái)顯示 信號(hào)的本體特征。一級(jí)界面是模塊圖標(biāo)，如圖 所示；二級(jí)圖標(biāo)是配置界面，如圖 所示。 虛擬信號(hào)發(fā)生器的系統(tǒng)構(gòu)成 虛擬信號(hào)發(fā)生器以虛擬儀器面板的形式在計(jì)算機(jī)屏幕上顯示， 虛擬信號(hào)發(fā)生器可產(chǎn)生正弦波、 方波和三角波等信號(hào) ， 根據(jù)需要 ， 可調(diào)節(jié)其中面板上的控鍵 ， 改變信號(hào)的頻率、幅度與相位 ， 所有信號(hào)發(fā)生的結(jié)果都可以通過(guò)軟件設(shè)計(jì)的虛擬面板顯示 。傳統(tǒng)的信號(hào)發(fā)生器，工藝復(fù)雜，價(jià)格昂貴，虛擬信號(hào)發(fā)生器很好的解決了 這方面的問(wèn)題，其性能穩(wěn)定，價(jià)格低廉，維護(hù)方便，集成度高。隨著虛擬儀器技術(shù)的不斷發(fā)展，圖形化的編程語(yǔ)言必將成為測(cè)試和控制領(lǐng)域內(nèi)最流行的發(fā) 展趨勢(shì)。 囊括了 DAQ, GPIB, PXI, VXI, RS232/485 在內(nèi)的各種儀器通信總線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn) 的所有功能函數(shù)，使得不懂總線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)的開(kāi)發(fā)者也能夠驅(qū)動(dòng)不同總線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)接口設(shè)備與儀器。 歸納起來(lái) LABVIEW 軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)具有以下優(yōu)點(diǎn) : 圖形化的編程方式，設(shè)計(jì)者無(wú)需寫(xiě)任何文本格式的代碼，是真正的工程師的語(yǔ)言。 sub VI 在調(diào)用它的程序中同樣是以一個(gè)圖標(biāo)的形式出現(xiàn)的。這海軍工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 14 些方框包括 了簡(jiǎn)單的算術(shù)功能，高級(jí)的采集和分析 VI 以及用來(lái)存儲(chǔ)和檢索數(shù)據(jù)的文件輸入輸出功能和網(wǎng)絡(luò)功能。在 VI 的前面板中，控制器 (controls)模擬了儀器的輸入裝置并把數(shù)據(jù)提供給 VI 的對(duì)話(huà)框 ； 而指示器 (indicators)則模擬了儀器的輸出裝置并顯示由對(duì)話(huà)框獲得或產(chǎn)生的數(shù)據(jù)。從而可以通過(guò)相互連接功能 對(duì)話(huà)框快速簡(jiǎn)潔地開(kāi)發(fā)應(yīng)用程序，甚至還可以有多個(gè)數(shù)據(jù)通道同步運(yùn)行。也就是說(shuō)，在這種數(shù)據(jù)流程序的概念 中，程序的執(zhí)行是數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的，它不受操作系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)等因素的影響。此外， LABVIEW 還提供了專(zhuān)門(mén)用于程序開(kāi)發(fā)的工具箱，使得用戶(hù)能夠設(shè)置斷點(diǎn)，動(dòng) 態(tài)執(zhí)行程序來(lái)觀察數(shù)據(jù)的傳輸過(guò)程，以及進(jìn)行方便的調(diào)試。它提供了用于 GPIB 設(shè)備控制、 VXI 總線(xiàn)控制、串行口設(shè)備控制、以及數(shù)據(jù)分析、顯示和存儲(chǔ)的應(yīng)用程序模塊 。在計(jì)算機(jī)顯示屏幕上利用功能庫(kù)和開(kāi)發(fā)工具庫(kù)產(chǎn)生一個(gè)前面板 (front panel )； 在后臺(tái)則利用圖形化編程語(yǔ)言編制用于控制前面板的程序。 LABVIEW 所運(yùn)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(guò)程和思維過(guò)程非常相似。并且， LABVIEW海軍工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 12 是唯一具有編譯器的圖形化程序環(huán)境，所生成的的優(yōu)化代碼的執(zhí)行速率可以和 C語(yǔ)言媲美。LABVIEW 是基于數(shù)據(jù)流的編譯型圖形編程環(huán)境，可以在不同操作系統(tǒng)下保持兼容，為數(shù)據(jù)的采集、分析、顯示提供集成的開(kāi)發(fā)工具，而且還可以通過(guò) DDE 和TCP/TP 實(shí)現(xiàn)共享，節(jié)約了 80%的程序開(kāi)發(fā)時(shí)間，而速度幾乎不受影響。 虛擬儀器開(kāi)發(fā)環(huán) 境 進(jìn)行虛擬儀器的開(kāi)發(fā)，通?？梢圆捎脙煞N編程方法進(jìn)行軟件編程。 方便快 捷的通信 包括對(duì) ADC 插卡及標(biāo)準(zhǔn)接口總線(xiàn)（ RS23 GPIB 等）的通訊編程，調(diào)用各類(lèi)可程控儀器驅(qū)動(dòng)程序的編程。另一方面，又應(yīng)讓微機(jī)盡可能多的去取代原由傳 統(tǒng)儀器硬件去完成的工作，以最優(yōu)的方式去控制硬件。虛擬實(shí)驗(yàn)室將成為今后各大院校教學(xué)實(shí)驗(yàn)室的主流。 虛擬儀器的發(fā)展方向 虛擬儀器是基于計(jì)算機(jī)的測(cè)試儀器，因此計(jì)算機(jī)及相關(guān)技術(shù)發(fā)展必然會(huì)促進(jìn)虛擬儀器的發(fā)展。然而，組建 VXI 總線(xiàn)要求有機(jī)箱、零槽管理器及嵌入式控制器，造價(jià)比較高。 VXI 總線(xiàn)方式虛擬儀器 VXI 總線(xiàn)是一種高速計(jì)算機(jī)總線(xiàn) VME 總線(xiàn)在 VI 領(lǐng)域的擴(kuò)展，它具有穩(wěn)定的電源，強(qiáng)有力的冷卻能力和嚴(yán)格的 RFI/EMI 屏蔽。它的出現(xiàn)使電子測(cè)量獨(dú)立的單臺(tái)手工操作向大規(guī)模自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)發(fā)展，典型的 GPIB 系統(tǒng)由一臺(tái) PC機(jī)、一塊 GPIB 接口卡和若干臺(tái) BPIB 形式的儀器通過(guò) GPIB 電纜連接而成。儀器軟件裝在計(jì)算機(jī)上，通常可以完成各種測(cè)量測(cè)試儀器的功能，可以組成數(shù)字存儲(chǔ)示波器、頻譜分析儀、邏緝分析儀、任意波形發(fā)生7 器、頻率計(jì)、數(shù)字萬(wàn)用表、功率計(jì)、程控穩(wěn)壓電源、數(shù)據(jù)記錄儀、數(shù)據(jù)采集器。 LABVIEW/cvi 是基于文本編程的程序員提供高效的編程工具，通過(guò)三種編程語(yǔ)言 Visual C++, Visual Basic, LABVIEW/cvi 構(gòu)成測(cè)試系統(tǒng)，它充分利用計(jì)算機(jī)的總線(xiàn)、機(jī)箱、電源及 軟件的便利。虛擬儀器完全是由用戶(hù)自定義的，通過(guò)不同的軟件就可 以實(shí)現(xiàn)使用不同功能的儀器。 傳統(tǒng)的電子測(cè)量?jī)x器如示波器、電壓表、頻率計(jì)、信號(hào)源等，是由專(zhuān)業(yè)廠家生產(chǎn)的具有特定功能和儀器外觀的測(cè)試設(shè)備，其共同特點(diǎn)就是儀器由廠商制 造，具有固定不變的操作面板，采用固化了的系統(tǒng)軟件，采用固定不變的硬件電子線(xiàn)路和專(zhuān)用的接口器件，而且功能固定，其海軍工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 6 系統(tǒng)封閉，擴(kuò)展性能差，用戶(hù)只能用單臺(tái)儀器完成單一的或固定的測(cè)試工作。設(shè)計(jì)這一軟件構(gòu)架的初衷就是為了方便用戶(hù)的操作，同時(shí)還提供了靈活性和強(qiáng)大的功能， 使您輕松地配置、創(chuàng)建、發(fā)布、維護(hù)和修改高性能、低成本的測(cè)量和控制解決方案。 擴(kuò)展性強(qiáng)： 這些軟硬件工具使得工程師和科學(xué)家們不再圈囿于當(dāng)前的技術(shù)中。虛擬儀器實(shí)際上是一個(gè)按照儀器需求組織的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，虛擬儀器的研究中涉及的基礎(chǔ)理論主要有計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集和數(shù)字信號(hào)處理。這就是虛擬儀器技術(shù)帶 來(lái) 的無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)。高性能的硬件產(chǎn)品結(jié)合靈活的開(kāi)發(fā)軟件，可以為負(fù)責(zé)測(cè)試和設(shè)計(jì) 工海軍工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 4 作的工程師們創(chuàng)建完全自定義的測(cè)量系統(tǒng)，滿(mǎn)足各種獨(dú)特的應(yīng)用要求。此外，還提供了更多交互式的測(cè)量工具和更高層的系統(tǒng)管理軟件工具，例如連接設(shè)計(jì)與測(cè)試的交互式軟件 Signal Express、用于傳統(tǒng) C 語(yǔ)言的 LabWindows/CVI、針對(duì)微軟Visual Studio 的 Measurement Studio 等等，均可滿(mǎn)足客戶(hù)對(duì)高性能應(yīng)用的需求。虛擬儀器通過(guò)底層設(shè)備驅(qū)動(dòng)軟件與真實(shí)的儀器系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，最后以虛擬儀器面板的形式在計(jì)算機(jī)屏幕上顯示出來(lái)，其顯示的控件與真實(shí)儀器面板操作元素對(duì)應(yīng)，所以用戶(hù)鼠標(biāo)或鍵盤(pán)操作虛擬儀器就和操作真實(shí)的儀器設(shè)備一樣真實(shí)。為完成這些任務(wù)，一臺(tái)儀器就必須由三大功能塊組成：3 信號(hào)的采集、數(shù)據(jù)的處理、結(jié)果的輸出。 最初，虛擬儀器 的概念是為了適應(yīng) PC 卡式儀器提出的， PC 卡式儀器由于自身不帶儀器面板，有的甚至不帶微處理器，必須借助 PC 作為數(shù)據(jù)分析與顯示的工具。另一種方式是將儀器裝入計(jì)算機(jī)。 海軍工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 2 虛擬儀器的定義 虛擬儀器（ Virtual Instrument, VI） 是基于計(jì)算機(jī)的儀器， 是指以通用計(jì)算機(jī)作為核心的硬件平臺(tái)，配以相應(yīng)的測(cè)試功能的硬件作為信號(hào)的輸入和輸出接口，利用儀器軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)在計(jì)算機(jī)的屏幕 上虛擬出儀器的面板和相應(yīng)的功能，然后通過(guò)鼠標(biāo)或鍵盤(pán)操作的儀器。只有同時(shí)擁有高效的軟件、模塊化 I/O 硬件和用于集成的軟硬件平臺(tái)這三大組成部分，才能充分發(fā)揮虛擬儀器技術(shù)性能高、擴(kuò)展性強(qiáng)、開(kāi)發(fā)時(shí)間少，以及出色的集成這四大優(yōu)勢(shì)。它是世界上第一 個(gè)采用圖形化編程技術(shù)的面向儀器的 編譯型程序開(kāi)發(fā)系統(tǒng)，它的目 標(biāo)就是簡(jiǎn)化程序的開(kāi)發(fā)工作，提高編程效率。在設(shè)計(jì)信號(hào)發(fā)生器的過(guò)程中經(jīng)過(guò)深入的思考，結(jié)合 LABVIEW 的具體功能作了一定創(chuàng)新。一個(gè)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室 必須 擁有 函數(shù)信號(hào)發(fā)生器 ，而基于虛擬儀器技術(shù)的實(shí)驗(yàn)室 就能輕松的設(shè)計(jì)出簡(jiǎn)單的、符合要求的函數(shù)信號(hào)發(fā)生器，對(duì)實(shí)驗(yàn)室節(jié)約經(jīng)費(fèi)有著重要的意義 。 任務(wù)要求 ： 研究虛擬儀器技術(shù)在測(cè)量以及教學(xué)中的使用方法 學(xué)習(xí) LABVIEW 的使用方法 在 LABVIEW 環(huán)境下設(shè)計(jì)出正弦、方波、鋸齒波、三角波的信號(hào)源 目的 ： 傳統(tǒng)的信號(hào)發(fā)生器種類(lèi)繁多， 函數(shù)信號(hào)發(fā)生器是使用最為頻繁的一種信號(hào)發(fā)生器 。 本論文首先簡(jiǎn)介了虛擬函數(shù)信號(hào)發(fā)生器的開(kāi)發(fā)平臺(tái)，及虛擬信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì)思路，并且給出了基于 LABVIEW 的虛擬信號(hào)發(fā)生器的前面板和程序設(shè)計(jì)流程圖，講述了功能模塊的設(shè)計(jì)步驟，提供了虛擬發(fā)生器的面板。最有代表性的是其推出的 LABVIEW (Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench)實(shí)驗(yàn)室虛擬儀器工程平臺(tái)。這也正是 NI 近 30年來(lái)始終引領(lǐng)測(cè)試測(cè)量行業(yè)發(fā)展趨勢(shì)的原因所在。由于虛擬儀器的測(cè)試功能、面板控件都實(shí)現(xiàn)了軟件化，任何使用者都 可通過(guò)修改虛擬儀器的軟件來(lái)改變它的功能和規(guī)模，這充分體現(xiàn)了“軟件即 是儀器 ” 的設(shè)計(jì)思想。隨著計(jì)算機(jī)功能的日益強(qiáng)大以及其體積的日趨縮小，這類(lèi)儀器功能也越來(lái)越強(qiáng)大，目前已經(jīng)出現(xiàn)含嵌入式系統(tǒng)的儀器。因此，美國(guó)國(guó)家儀器公司提出了“軟件即使儀器”的概念。 虛擬儀器 技術(shù) 的組成 數(shù)據(jù)采集、儀器控制、過(guò)程監(jiān)控和自動(dòng)測(cè)試是實(shí)驗(yàn)室研究和自動(dòng)測(cè)試領(lǐng)域廣泛存在的實(shí)際任務(wù)。完整的虛擬儀器由硬件設(shè)備與接口、設(shè)備驅(qū)動(dòng)軟件和虛擬儀器面板組成。提供的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)圖形化編程軟件 — LABVIEW，不僅能輕松方便地完成與各種軟硬件的連接，更能提供強(qiáng)大的后續(xù)數(shù)據(jù)處理能力，設(shè)置數(shù)據(jù)處理、轉(zhuǎn)換、存儲(chǔ)的方式，并將結(jié)果顯示給用戶(hù)。無(wú)論您是使用 PCI, PXI, PCMCIA, USB 或者是 1394 總線(xiàn)，都能提供相應(yīng)的模塊化的硬件產(chǎn)品，產(chǎn)品種類(lèi)從數(shù)據(jù)采集、信號(hào)條理、聲音和振動(dòng)測(cè)量、視覺(jué)、運(yùn)動(dòng)、儀器控制、分布式 I/O 到 CAN 接口等工業(yè)通訊，應(yīng)有盡有。無(wú)論是面對(duì)簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)采集應(yīng)用，還是高端的混合信號(hào)同步采集，借助 PXI 高性能的硬件平臺(tái)，都能應(yīng)付自如。虛擬儀器可充分發(fā)揮計(jì)算機(jī)的能力，有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理功能，可以創(chuàng)造出功能更強(qiáng)的儀器，用戶(hù)可以根據(jù)自己的需要定義和制造各種儀器。此外，不斷發(fā)展的因特網(wǎng)和越來(lái)越快 的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)使得虛擬儀器技術(shù)展現(xiàn)其更強(qiáng)大的優(yōu)勢(shì)。 開(kāi)發(fā)時(shí)間少： 在驅(qū)動(dòng)和應(yīng)用兩個(gè)層面上， NI 高效的軟件構(gòu)架能與計(jì)算機(jī)、儀器儀表和通訊方面的最新技術(shù)結(jié)合在一起。虛擬儀器軟件平臺(tái)為所有的 I/O 設(shè)備提供了標(biāo)準(zhǔn)的接口，幫助用戶(hù)輕松地將多個(gè)測(cè)量設(shè)備集成到單個(gè)系統(tǒng)，減少了任務(wù)的復(fù)雜性。人們可以通過(guò)鼠標(biāo)或者鍵盤(pán)操作虛擬儀器面板上的各種旋鈕、開(kāi)關(guān)和按鍵選用儀