【文章內容簡介】 算機技術，使儀器的測試和測量及自動化工業(yè)的系統(tǒng)測試和監(jiān)控變得異常方便和快捷[14]。 LabVIEW中的編程方式一個完整的LabVIEW開發(fā)環(huán)境包括基本模塊和擴展模塊兩部分，引擎部分是整個圖形化開發(fā)環(huán)境的核心，它包括編輯模塊、運行模塊和調試模塊。LabVIEW環(huán)境下開發(fā)的程序稱為虛擬儀器VI，因為它的外形與操作方式可以模擬實際的儀器。實際上，VI類似于傳統(tǒng)編程語言的函數或子程序。程序VI由一個前面板(即用戶界面)、程序流程圖(圖標代碼)和一個接口板組成。接口面板用于上層的VI調用該VI[15]。前面板(front panel)類似于儀器的面板，由控件和指示元件組成。控件集成了旋鈕、開關等用戶輸入控制對象，可以為程序輸入數據。指示元件類似儀器的輸出裝置可以顯示輸出值以及實現圖表和文字顯示。軟件前面板其實是自動化的拓展，它保持了傳統(tǒng)直觀的視覺和感覺效果，同時軟件前面板創(chuàng)建了一個真正的接口，無論用戶使用什么類型的硬件，軟件前面板只包含了對于一個應用場合很重要的參數，用戶很容易地從一個單一的前面板控制多臺儀器，并把整個系統(tǒng)作為一臺虛擬儀器看待[16]。流程圖使用圖標連線方式的圖形，VI用圖標代碼和連線來完成算術和邏輯運算。圖標代碼是對具體編程問題的圖形化解決方案。圖標代碼即VI的源代碼。工作指令由G語言編制的圖標式流程圖獲得，模塊的程序由連線把數據的輸入輸出端連接起來。由于流程圖與傳統(tǒng)程序設計語言的語法細節(jié)無關，構建和測試程序就可以少費時間，使用方框圖方法可以實現內部的自我復制。VI具有層次結構和模塊化的特點。它們可以作為頂層程序，也可以作為其它程序的子程序。VI代碼內含的VI叫子程序subVI。VI程序使用接口板來替代文本編程語言的函數參數表，每個輸入和輸出的參數都有自己的連接端口，其他的VIs可以由此向subVI傳遞數據。LabVIEW有一個圖形編輯器來產生最優(yōu)化編輯代碼，虛擬儀器執(zhí)行他們相當編譯C的速度。利用應用程序生成器，用戶能夠產生虛擬儀器，就像獨立的可執(zhí)行程序一樣[17]。總之，采用前面板、流程圖和圖標等，用戶就對整個系統(tǒng)實現圖形化描述，同時，用戶也可以隨時改變虛擬儀器來滿足自己的需要。 LabVIEW程序的設計模式設計模式所代表的技術都是經過實踐檢驗的、具有很強實用價值的程序設計方式[23]。它們一般都經過了開發(fā)者的不懈的改進和調整才形成，使用簡單并具有較高的可維護性、可讀性等特點。同時，隨著某種設計模式被廣泛使用，有助于其他的開發(fā)人員理解和改變原開發(fā)者的程序代碼。LabVIEW應用程序的設計也可以利用這些設計模式的優(yōu)勢[18]。LabVIEW中的設計模式主要有：狀態(tài)機模式、主從模式、生產／消費模式和消息隊列處理機模式。 本章小結本章首先對本文采用的編程軟件La合實例對LabVIEW中具體的編程方式、設計模式以及bVIEW的特征進行簡單介紹，這也是本文選用該軟件作為主要軟件開發(fā)環(huán)境的原因。然后結多線程技術、同步控制等在我們開發(fā)實際中運用到的技術做一一的研究和介紹。第4章 虛擬函數信號發(fā)生器的設計本章主要介紹了基于LabVIEW的虛擬函數信號發(fā)生器的設計思路及其流程和仿真圖。主要分為以下9個模塊：模塊基本函數波形產生模塊、多頻信號產生模塊、任意公式波形產生模塊、噪聲信號產生模塊、正弦波仿真信號發(fā)生器模塊、自相關函數演示模塊、虛擬正弦波頻譜分析儀模塊、虛擬積分器與微分器模塊以及虛擬函數信號發(fā)生器的總體設計[19]。各個模塊均給出了相應的流程圖和前面板波形圖。 基本函數波形產生模塊。這一模塊是應用波形產生子模板中的Basic Function (基本函數發(fā)生器)節(jié)點來產生正弦波、三角波、方波、鋸齒波等四種信號。在波形產生子模板中的所有模塊不僅輸出包含指定波形圖形的數字型數組,而且包含時間參數,這種數據類型在LabVIEW中稱作波形數據。波形數據以簇的形式給出,包括起始時間t0、采樣時間間隔dt和一個由采樣數據構成的數組。示波器顯示波形的周期數目=時間長度/信號周期?！』竞瘮挡ㄐ萎a生模塊框圖程序 基本函數波形產生模塊前面板 多頻信號產生模塊?！《囝l信號產生模塊框圖程序 多頻信號產生模塊前面板多頻信號是指一個離散頻率的正弦波集合,其模擬信號數學表達式為:x(t)=∑Aisin(hiω1t+θi)式中,Ai是第i個正弦波的幅值。ω1是基波角頻率。 hi是第i個正弦波的角頻倍數。θi是第i個正弦波的初相角。多頻信號在現代測量技術中應用很多。該模塊后面板框圖程序如圖3所示。通過調用Multitone (多頻發(fā)生器)節(jié)點來實現若干不同頻率的正弦波集合,在本設計中,可以實現四種不同頻率的正弦波的合成。amplitude(幅度)端口設定值若大于0,則各頻率成分的振幅將被縮放,若設定值小于0,則不進行縮放。波峰因數輸出端為合成波的幅值與有效值之比。在進行參數設置時,采樣頻率至少要大于最高信號頻率的2倍,這是為了滿足采樣定理的要求。通過調用Function Waveform Waveform Measurements子模板中的FFT Power Spectrum. VI(FFT功率譜)節(jié)點來計算信號的功率譜密度,實現對于多頻信號的頻域分析。這個程序作為主程序Case結構的一個分支[20]。 任意公式波形產生模塊　任意函數波形產生模塊框圖程序這個程序作為主程序Case結構的一個分支。為了能夠產生一些非周期信號或其它測試領域的特殊信號在本設計中應用波形產生子。模版中的Formula Waveform (公式波形)VI節(jié)點來產生任意波形。該節(jié)點可使用指定時間函數的公式字符串生成一個函數波形。在formula端子輸入公式,用于生成輸出多頻波形信號的表達式,表達式中包含的參數有: f (輸入頻率)、a (輸入幅度)、n (采樣數)、t (時間)和fs (采樣頻率)。其有效函數由LabVIEW中設定。 任意函數波形產生模塊前面板。該模塊的Case結構有2個分支，一個Case結構分支產生常用的高斯白噪聲波形，另外一個Case結構產生常用的均勻白噪聲波形。該模塊可以根據需要在2種噪聲波形信號之間進行選擇（在前面板的信號類型下拉列表中選擇即可），通過調節(jié)噪聲的參數,可以得到不同的高斯白噪聲和均勻白噪聲波形?！≡肼曅盘柈a生模塊框圖程序 高斯白噪聲信號產生模塊前面板　均勻白噪聲信號產生模塊前面板 正弦波仿真信號發(fā)生器模塊該正弦波仿真信號發(fā)生器，可產生正弦信號。指標如下：頻率范圍： ～10kHz初始相位: 0176?！?80176。幅度值： ～采樣點數： N=8～5121）前面板設計前面板的設計步驟如下：(1)新建一個VI，在前面板上放置一個Waveform Graph波形顯示器，將縱軸與橫軸的刻度標簽分別設置為“U(v)”和“t(s)”。(2)依次在前面板上放置5個輸入控制件“信號頻率(Hz)”、“采樣頻率(Hz)”、“采樣點數”、“幅度(v)”和“相位(度)”。(3)放置一個“停止”按鈕開關用來結束程序的運行。2)流程圖設計流程圖的設計步驟如下:(1)在流程圖上放置一個While循環(huán)結構，將條件端口結束條件改為Stop If Ture,與“停止”控制按鈕端子相連。(2)按照路徑在“Analyze” ﹨“Signal Processing” ﹨“Signal Generation”子選項板中選擇“Sine ”函數放置于While循環(huán)結構中，“Sine ”節(jié)點的輸入端口分別與前面板的輸入控制件端子相連，此處“f”輸入端口輸入的是數字頻率(數字頻率=信號頻率/采樣頻率)。(3)采用“Bundle”函數來規(guī)格化波形圖的顯示，它可以將橫軸的起點、橫軸分度值以及輸出信號值組成一個簇，在這里將軸的水平間距設定為采樣周期(采樣周期=1/fs)。 虛擬正弦波仿真信號的生成與顯示流程圖 虛擬正弦波仿真信號的生成與顯示前面板該自相關函數演示儀可觀察：正弦波仿真信號的自相關函數。正弦波仿真信號的頻率范圍介于0～10kHz,～。輸出正弦波的幅值的平方（A178。）。1）前面板設計前面板的設計步驟如下：在正弦波仿真信號發(fā)生器基礎上增加以下控件。(1)輸出顯示型數字控件：顯示計算結果A178。(2)開關型控件：用于運行或關閉正弦波自相關函數儀。(3)在進行控件參數設置時，應注意顯示器可顯示的數據總點數是2N1個。2)流程圖設計設計思路:(1)對于包含N個元素的時間輸入序列x[0]、x[1]、x[2]、～、x[k]、～、x[N1]來說，幅值的平方A178。=2*Rxx(0)(2)按照路徑在“Analyze” ﹨“Signal Processing” ﹨“Signal Generation”子選項板中選擇“Sine ”函數放置于While循環(huán)結構中，產生一個正弦波信號。(3)按照路徑在“Analyze” ﹨“Signal Processing” ﹨“Time Domain”子選項板中選擇“Auto ”函數，用于計算輸出正弦信號的自相關函數值，這里需要將“Auto ”函數直接輸出的相關函數值除以采樣點數才能得到正確的結果。(4)由于自相關函數圖標所求得的數據實際是將原先求得的2N1個數值向右平移了N1個單位后所得到的數據，所以需要用Index Array函數(位于Array數組子模塊中)來索引出第N1個自相關函數值，并將結果乘以2得到幅值的平方。： 自相關函數演示儀流程圖 自相關函數演示儀前面板從前面板的自相關函數波形圖可以看出，求得的自相關函數是呈衰減的余弦函數，其原因是在有限截取長度之外的數據被視為零，即當i0或iN1時，x[i]=0。自相關函數位于時間軸的正半周，自相關函數輸出的第N1個數據就對應t=0的自相關函數。1功能描述可觀察正弦波經過FFT后的幅值譜。1)前面板設計前面板的設計步驟如下:(1)新建一個VI，在前面板上放置兩個Waveform Graph波形顯示器，用于分別顯示正弦波在FFT前和FFT后的波形。在流程圖中使用Real 。(2)依次在前面板上放置5個輸入控制件:“信號頻率(Hz)”、“采樣頻率(Hz)” 、“采樣點數”、“幅度（v）”和“相位(度)”。(3)放置一個“停止”按鈕開關用來結束程序的運行。(4)為方便譜線的讀取，用鼠標右擊Graph，彈出屬性設置子模板，選擇“Show”下的“Corsor Display”項，輸入基波即“分度值”和各次諧波頻率，即分度值的整倍數，則顯示對應譜線的幅值，如果是其它的值將給不出顯示。2)流程圖設計流程圖的設計步驟如下:(1)按照路徑在“Analyze” ﹨“Signal Processing” ﹨“Signal Generation”子選項板中選擇“Sine ”函數放置于循環(huán)結構中，產生一個正弦波信號。(2)按照路徑在“Analyze” ﹨“Signal Processing” ﹨“Frequency Domain”子選項板中選擇“Real ”函數，用于計算輸出正弦信號的頻譜值。(3)按照路徑在“Numeric” ﹨“Complex”子選項板中選擇“Complex To Polar”函數，用于輸出幅度幅值。(4)采用“Bundle”函數來規(guī)格化兩個波形圖的顯示，將“正弦波波形圖”的X軸的水平間距設定為采樣周期，將“頻譜圖”的X軸的水平間距設定為頻譜分辨率(頻譜分辨率=采樣頻率/采樣點數)。 虛擬正弦波頻譜分析儀流程圖 虛擬正弦波頻譜分析儀前面板其功能如下：可以觀察正弦波、方波或三角波在積分前后的波形。可以觀察正弦波、方波或三角波在微分前后的波形。1)前面板設計前面板的設計步驟如下:(1)新建一個VI，在前面板上放置一個Waveform Graph波形顯示器，用于顯示三種類型波在積分或微分后的波形。(2)依次在前面板上放置5個輸入控制件:“信號頻率(Hz)”、“采樣頻率(Hz)”、“采樣點數”、“幅值(v)”和“占空比”(%)。(3)放置一個“停止”按鈕開關用來結束程序的運行。2)流程圖設計流程圖的設計步驟如下:按照路徑在“Analyze” ﹨“Signal Processing” ﹨“Signal Generation”子選項板中分別選擇“Sine ”、“ Square ”和“Triangle ”函數放入第一個Case結構的三個分支內，函數節(jié)點的輸入端口分別與前面板的輸入控制件端子相連。(2)按照路徑在“Analyze” ﹨“Signal Processing” ﹨“Time Domain”子選項板中分別選擇“Integral x(t).vi”和“Derivative x(t).vi”函數放入第二個Case結構的兩個分支內。、。 虛擬積分器與微分器模塊流程圖 虛擬正弦波微分器前面板 虛擬正弦波積分器前面板 虛擬函數信號發(fā)生器的設計 虛擬函數信號發(fā)生器的總體設計流程圖，是在綜合了前面所設計的各個模塊的基礎之上進行的。在第一個Case結構當中放置了正弦波、方波、三角波、鋸齒波、白噪聲以及多頻波，任意公式輸入波形模塊作為該Case結構的各個分支，來實現波形的產生。第二個Case結構則是應用了積分微分器模塊的結構。將兩個Case結構置于While循環(huán)中，便組成了虛擬函數信號發(fā)生器的總體設計流程圖。本虛擬函數信號發(fā)生器的設計,基于LabVIEW這個軟件開發(fā)平臺。虛擬函數發(fā)生器的設計參考了常見信號發(fā)生器的功能,在功能上有所擴展。儀器主要功能如下:（1）可產生實驗室常用的正弦波、方波、三角波、鋸齒波、白噪聲以及多頻波；（2）任意波形的發(fā)生,任意波可實現公式輸入；（3）信號頻率、幅度、相位、偏移量、方波占空比可調可控；（4）