【正文】 們應(yīng)該迫切解決的問題。此后，虛擬儀器產(chǎn)品每年成倍增加，到 1994 年底，虛擬儀器制造廠已達(dá) 95 家共生產(chǎn) 1000 多種虛擬儀器產(chǎn)品，基于 LabVIEW 的虛擬儀器教學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 銷售額達(dá) 億美元，占整個(gè)儀器銷售額 73 億的 4%。與傳統(tǒng)儀器相比，虛擬儀器具有如下優(yōu)點(diǎn)： 1) 虛擬儀器具有開放性、模塊化、可重復(fù)使用及互換性等特點(diǎn)。 2． 3 虛擬儀器的功能及特點(diǎn) 基于 LabVIEW 的虛擬儀器教學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 2． 3． 1 虛擬儀器的功能 虛擬儀器利用個(gè)人計(jì)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，完成儀器的控制，數(shù)據(jù)分析與顯示，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，大幅度降低儀器的價(jià)格，使用戶可以根據(jù)自己的需要定義儀器的功能。 ? 定義測試功能的流程圖軟件程序。取出待測信號在某一瞬時(shí)的值（即實(shí)現(xiàn)信號的時(shí)間離散化） ，并在 A/D 轉(zhuǎn)換過程中保持信號不變，如果被測信號變化很緩慢，也可以不用采樣 /保持器。在經(jīng)費(fèi)不 足或時(shí)間不充裕的情況下經(jīng)常被采用，下面就對這種虛擬儀器系統(tǒng)做簡單的介紹。 PCI 總線性能比 ISA 總線提高了 近十倍，使得微處理器能夠更快地訪問數(shù)據(jù)。下面的框圖反映了常見的虛擬儀器方案。正是由于 LabVIEW 的出現(xiàn)開創(chuàng)了儀器研究的新方法—— 虛擬儀器。虛擬儀器是計(jì)算機(jī)技術(shù)與電子儀器相結(jié)合而產(chǎn)生的一種新的儀器模式。據(jù)專家預(yù)測，到本世紀(jì)初我國將有 50%的儀器為虛擬儀器。而且，在、現(xiàn)在化生產(chǎn)要求電子儀器品種多、功能強(qiáng)、精度高、自動(dòng)化程度高，而且要求測試速度快、實(shí)時(shí)性好、具有良好的人機(jī)界面。 LabVIEW 采用圖形化語言編程，以方框圖的形式編制程序，運(yùn)用的設(shè)備圖表與科學(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。 Tectronix 公司目前生產(chǎn)約 80 多種型號的虛擬儀器，此外還有 NI 公司、 Keithely 公司， Iotech 公司等。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。當(dāng) 20世紀(jì) 50 年代出現(xiàn)電子管， 60 年代出現(xiàn)晶體 管時(shí)不我待，便產(chǎn)生了以電子管或晶體管為基礎(chǔ)的第二代測量儀器 分立元件測試儀器。利用當(dāng)今先進(jìn)的 Electronic Workbench、 PSPICE 等電子電路設(shè)計(jì)軟件以及一些自動(dòng)設(shè)計(jì)的軟件，完成電子電路的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、超大規(guī)模集成電路設(shè)計(jì)、現(xiàn)場可編程門陣列和可編程邏輯器件的實(shí)驗(yàn)以及印刷電路板的設(shè)計(jì)。本文的課題背景知識包括：數(shù)字信號處理技術(shù)、工程測試技術(shù)、虛擬儀器技術(shù)、 LabVIEW 軟件開發(fā)平臺等。在 20 世紀(jì) 80 年代末美國研制成功虛擬儀器，代表了儀器發(fā)展的一種方向。運(yùn)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)化儀器儀表，不但滿足電工、電子實(shí)驗(yàn)教學(xué)的需要，而且可將這批微機(jī) 時(shí)間較長的缺點(diǎn)得到改善，而且在經(jīng)濟(jì)性上也變得合理，從而用數(shù)學(xué)方法處理信號的范圍越來越大，這中趨勢仍在繼續(xù)基于 LabVIEW 的虛擬儀器教學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 發(fā)展。由于微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、軟件技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的高速發(fā)展及其在電子測量技術(shù)和儀器上的應(yīng)用，新的測試?yán)碚摗⑿碌臏y試方法、新的測試領(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)突破傳統(tǒng)儀器的概念。國際上從 1988年陸續(xù)有虛擬儀器產(chǎn)品面市，當(dāng)時(shí)有五家制造商推出 30 種產(chǎn)品 。它是一個(gè)工程軟件包。同時(shí)， LabVIEW 可調(diào)用 Windows 動(dòng)態(tài)連接庫和用戶自定義的動(dòng)態(tài)連接庫中的函數(shù)，以解決LabVIEW 對某些非 NI 公司支持的硬件在使用過程中的驅(qū)動(dòng)問題。 目前，我國正處于科學(xué)技術(shù)蓬勃發(fā)展的新時(shí)期，對儀器設(shè)備的需求將更加強(qiáng)勁。本文基于 LabVIEW 的虛擬儀器教學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 就 LabVIEW 在開發(fā)虛擬儀器過程中的應(yīng)用做初步的探討，愿其中成功的經(jīng)驗(yàn)、失敗的教訓(xùn)對于應(yīng)用此軟件的讀者來說有所幫助。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，同時(shí)對改善高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)儀器設(shè)備，提高教學(xué)質(zhì)量也是一個(gè)福音。粗略地說這種結(jié)合有兩種方式，一種是將計(jì)算機(jī)裝入儀器，其典型的例子就是所謂智能化的儀器。虛擬儀器使用的個(gè)人計(jì)算機(jī)中，微處理器和總線成為最重要的因素。 (2) I/O 接口設(shè)備：主要完成被測信號的采集、放大、模 /數(shù)轉(zhuǎn)換。將各路信號輪流切換的放大器的輸入端，實(shí)現(xiàn)多參數(shù)多路信號的分時(shí)采集。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，目前通常將采樣 /保持器同 A/D 轉(zhuǎn)換器集成在一塊芯片上。 大部分虛擬儀器開發(fā)環(huán)境均提供一定程度的 I/O 設(shè)備支持。 高等學(xué)校特別是理工科學(xué)校，教學(xué)、科研需要大量的測量分析儀器設(shè)備，特別是實(shí)驗(yàn)教學(xué)，每種儀器都必須配置多套，而且有的儀器設(shè)備價(jià)格昂貴，因此儀器設(shè)備所需投資巨大，一般學(xué)校很難滿足，造成許多學(xué)校儀器設(shè)備缺乏和過時(shí)陳舊等現(xiàn)象，嚴(yán)重影響教學(xué)科研。用戶可以自行定義虛擬儀器的 功能，通過對軟件模塊的擴(kuò)充，相當(dāng)于購買一臺新儀器。虛擬儀器作為傳統(tǒng)儀器的替代品，市場容量巨大。 2. 流程 圖 流程圖也稱為后面板，提供 VI 的圖形化源程序。 1. 工具模板（ Tools Palette） 該模板提供了各種用于創(chuàng)建、修改和調(diào)試 VI 程序的工具，如圖 13 所示。 基于 LabVIEW 的虛擬儀器教學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 圖 24 LabVIEW 的控制模板 3. 功能模板（ Functions Palette） 圖 25 LabVIEW 的功能模板 功能模板是創(chuàng)建流程圖程序的工具，如圖 15 所示。 采用 LabVIEW 編程，其主要特點(diǎn)就是將虛擬儀器分解為若干基本的功能模塊（相當(dāng)于硬件設(shè)計(jì)的集成電路），模塊的引腳代表輸入 /輸出接口 。 LabVIEW 的特色還在于擁有功能超強(qiáng)大且龐大的分析函數(shù)庫，足以與專業(yè)數(shù)學(xué)分析套裝軟件相匹敵。下面按步驟說明進(jìn)行圖形化的程序設(shè)計(jì)。從功能模板上選擇對象（用圖標(biāo)表基于 LabVIEW 的虛擬儀器教學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 示），并用線將它們連接起來以便數(shù)據(jù)進(jìn)行傳遞。 6. 圖形編輯器：在許多場合，程序運(yùn)行速度都很關(guān)鍵。 2. 傅立葉級數(shù)的復(fù)指數(shù)函數(shù)展開式： x(t)=?????m cmetjm? (m=0， ? 1， ? 2) (31) 式中 cm為傅立葉系數(shù)。由于這種收斂性，實(shí)際測量中可以在一定誤差允許范圍內(nèi)忽略次數(shù)過高的諧波分量 [8]。于是就有 ()X? = () jtXte ??? ???? dt x(t)= 12? ()jtX e ???????d? 將 ? =2? f 帶入以上兩式，得 x(t)= 2() j ftXfe ??????df X(f)= 2() j ftX t dte ??? ???? X(? )=2? X(f) 作 | X(? )? |或 |X(f)f|圖，就稱為非周期信號的幅值譜密度。這一過程相當(dāng)于在連續(xù)時(shí)間信號上“抽取”許多離散時(shí)刻 iT(i=0、 2?? )上的信號瞬時(shí)值。實(shí)際上，只能對有限長的信號進(jìn)行分析與處理，所以必須對無限長離散序列 ? ?? ?s iTx截?cái)?，只取有限長時(shí)間pt=NT 中的 N 個(gè)有限數(shù)據(jù) ??? ?s ix (i=0,1,2,?? )。在許多軟件的工具箱中，已有各種實(shí)用函數(shù)或功能模板可供使用。 根據(jù)該虛擬儀器功能的需要，程序至少應(yīng)包含以下幾個(gè)模塊： 典型信號生成模塊 基于 LabVIEW 的虛擬儀器教學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 數(shù)據(jù)處理模塊 數(shù)據(jù)讀取存儲模塊 結(jié)果顯示模塊 各個(gè)模塊之間的數(shù)據(jù)流關(guān)系 如圖 31 所示： 31 各個(gè)模塊之間的數(shù)據(jù)流關(guān)系 下面將分別闡述每個(gè)模塊編程的基本思想 和出現(xiàn)的問題及解決方法。 3． 1． 2． 2 數(shù)據(jù)處理模塊 信號頻譜分析儀所要做的主要數(shù)據(jù)處理工作就是對待分析信號進(jìn)行傅立葉變換，以獲得它的頻率 圖。 LabVIEW 的 function 模板下的 file I/O 子模板中放置了 Spreadsheet 文件I/O，當(dāng)?shù)酱疟P上讀取數(shù)據(jù)或?qū)憯?shù)據(jù)到磁盤時(shí)它將數(shù)字?jǐn)?shù)組轉(zhuǎn)換成 Spreadsheet 字符串格式或反向轉(zhuǎn)換。在此之所以將其稱為“模塊”，是由于它在整個(gè)程序中起舉 足輕重的作用，如果沒有它，開發(fā)出來的程序不能稱為“虛擬儀器”，只能算做是一個(gè)“信號處理存儲器”。尤其為增加儀器功能而添加功能函數(shù)或子 Vis 時(shí)，因慎重考慮模塊的內(nèi)聚與耦合問題。 基于 LabVIEW 的虛擬儀器教學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 35 虛擬信號頻譜分析儀前面板設(shè)計(jì)窗口 虛擬巴特沃斯濾波器的設(shè)計(jì) 實(shí)驗(yàn)原理和功能 實(shí)驗(yàn)原理 巴特沃斯濾波器 擁有最平滑的頻率響應(yīng)，在截止頻率以外，頻率響應(yīng)單調(diào)下降。在 (? /c?)1(通帶范圍 )時(shí)， n 增加則 ? ?2/ nc? ? 減小，曲線越平坦；在 (? /c?)1(阻帶范圍 )時(shí)， n 增大，則 ? ?2/ nc? ? 增大， |H(? )|越趨于零值，衰減越快。 完整的前面板如圖 313 所示。濾波器的階次是越高，其幅頻特性曲線過渡帶衰減越快。通過波形分析，使學(xué)生掌握調(diào) 制解調(diào)器的基本原理。 基于 LabVIEW 的虛擬儀器教學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 致 謝 經(jīng)過了三個(gè)多月的畢 參考文獻(xiàn) [1] 張建，虛擬儀器實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)的研究 .河北建筑工程學(xué)院學(xué)報(bào)， 2021 年三月，第 20 卷第 1 期 . 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