【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 械工程系要求三、四年級(jí)的學(xué)生在實(shí)驗(yàn)時(shí)應(yīng)用虛擬儀器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和實(shí)驗(yàn)控制。據(jù)“世界儀表及自動(dòng)化”雜志預(yù)測(cè)，21 世紀(jì)初葉，世界虛擬儀器的生產(chǎn)廠家將超過千家，其品種將達(dá)到數(shù)千種，市場(chǎng)占有率將達(dá)到 5096 左右。虛擬儀器將成為本世紀(jì)儀器發(fā)展的方向，而且有逐步取代傳統(tǒng)硬件化電子儀器的趨勢(shì)。 近年來，世界各國的虛擬儀器公司開發(fā)了不少虛擬儀器開發(fā)平臺(tái)軟件，以XXX 大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）8便使用者利用這些儀器公司提供的開發(fā)平臺(tái)軟件組建自己的虛擬儀器或測(cè)試系統(tǒng)，并編制測(cè)試軟件。LabVIEW 采用圖形化編程方案，是非常實(shí)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、在 Windows 環(huán)境下的標(biāo)準(zhǔn) ANSIC 開發(fā)環(huán)境。 作為儀器領(lǐng)域中最新興的技術(shù)，虛擬儀器的開發(fā)和研究在國內(nèi)尚屬起步階段。虛擬儀器的開發(fā)廠家，為擴(kuò)大虛擬儀器的功能，在測(cè)量結(jié)果的數(shù)據(jù)處理、表達(dá)模式及變換方面也做了許多工作，發(fā)布了各種軟件，建立了數(shù)據(jù)處理的高級(jí)分析庫和開發(fā)工具庫(例如測(cè)量結(jié)果的譜分析、快速傅立葉變換、各種數(shù)字濾波器、卷積處理和相關(guān)函數(shù)處理、微積分、峰值和闡值檢隊(duì)波形發(fā)生、噪聲發(fā)生、回歸分析、數(shù)值運(yùn)算、時(shí)域和頻域分析等)，使虛擬儀器發(fā)展成為可以組建極為復(fù)雜自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的儀器系統(tǒng)。 專家預(yù)測(cè):未來的幾年內(nèi)，國內(nèi)將有大批企業(yè)使用虛擬儀器系統(tǒng)對(duì)生產(chǎn)設(shè)備的運(yùn)行狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。隨著微型計(jì)算機(jī)的發(fā)展，虛擬儀器將會(huì)逐步取代傳統(tǒng)的測(cè)試儀器而成為測(cè)試儀器的主流。 虛擬儀器的展望虛擬儀器技術(shù)經(jīng)過十幾年發(fā)展，而今正沿著總線與驅(qū)動(dòng)程序標(biāo)準(zhǔn)化、硬/軟件模塊化、編程平臺(tái)圖形化和硬件模塊的即插即用方向前進(jìn)，以開放式模塊化儀器標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)的虛擬儀器標(biāo)準(zhǔn)正日趨完善，加上計(jì)算機(jī)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的迅猛發(fā)展，建立在虛擬儀器技術(shù)上的各種功能強(qiáng)大、性能優(yōu)良的先進(jìn)儀器將層出不窮，價(jià)格也會(huì)越來越低，使用虛擬儀器進(jìn)行研究、設(shè)計(jì)、測(cè)試將成為一種趨勢(shì)，同樣，虛擬儀器及技術(shù)也將成為學(xué)校未來教學(xué)科研的重要方法和手段，特別是在理工科學(xué)校其應(yīng)用前景非常廣闊。虛擬儀器可以取代測(cè)量技術(shù)傳統(tǒng)領(lǐng)域的各類儀器， “沒有測(cè)量就沒有鑒別，科學(xué)技術(shù)就不能前進(jìn)” 。虛擬儀器將會(huì)在科學(xué)技術(shù)的各個(gè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，對(duì)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和工業(yè)生產(chǎn)將產(chǎn)生不可估量的影響。XXX 大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）9 虛擬信號(hào)發(fā)生器的介紹 信號(hào)發(fā)生器的基本原理本函數(shù)信號(hào)發(fā)生器的前面板主要由以下幾個(gè)部分構(gòu)成：儀器控制按鈕，輸出頻率控制窗口(包括頻率顯示單位)，頻率倍成控制，波形選擇，頻率微調(diào)按鈕，直流偏置，方波占空比調(diào)節(jié)，輸出波形幅度控制按鈕。頻率微調(diào)范圍：O．1—1 Hz；直流偏置：一10—10V；方波占空比：0—100％；輸出波形幅度：0—10V。此外還增加了許多修飾性的元件如面板上的壓控輸入、記數(shù)輸入、同步輸出、電壓輸出等。使用這些修飾性的元件的目的是為了增加儀器的美觀性，并盡量與真實(shí)儀器的使用界面相一致。 虛擬信號(hào)發(fā)生器的工作原理 通過軟件虛擬信號(hào)發(fā)生器的功能，信號(hào)由特定的虛擬儀器發(fā)出，再通過波形顯示器表現(xiàn)在大家面前。虛擬儀器以計(jì)算機(jī)為核心，功能由用戶定義和設(shè)計(jì)，具有虛擬面板，其測(cè)試功能由測(cè)試軟件實(shí)現(xiàn)。虛擬儀器的關(guān)鍵是用軟件來實(shí)現(xiàn)硬件的功能，實(shí)現(xiàn)“軟件即儀器”。本文應(yīng)用虛擬儀器開發(fā)平臺(tái) LabVIEW 開發(fā)了一種多功能虛擬信號(hào)發(fā)生器，擴(kuò)展了信號(hào)發(fā)生器的分析和計(jì)算能力，降低了儀器的價(jià)格，增強(qiáng)了儀器的通用性，實(shí)現(xiàn)了波形顯示、存儲(chǔ)、以及多個(gè)測(cè)量參數(shù)自動(dòng)顯示、相位差自動(dòng)計(jì)算等功能。XXX 大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）10第 3 章 虛擬儀器的軟件開發(fā)平臺(tái) LabVIEW LabVIEW 簡(jiǎn)介虛擬信號(hào)發(fā)生器軟件設(shè)計(jì)采用的 NI 公司的虛擬儀器開發(fā)工具LabVIEW。LabVIEW 是根據(jù) G 編程語言,為數(shù)據(jù)采集與控制、數(shù)據(jù)分析與顯示而設(shè)計(jì)的一種圖形編程開發(fā)環(huán)境。它用圖標(biāo)代碼代替編程語言創(chuàng)建應(yīng)用程序，用數(shù)據(jù)流編程方法描述程序的執(zhí)行，用圖標(biāo)和連線代替文本的形式編寫程序，為虛擬儀器設(shè)計(jì)者提供了便捷輕松的設(shè)計(jì)環(huán)境，設(shè)計(jì)者利用它可以像搭積木一樣，輕松組建一個(gè)測(cè)試系統(tǒng)以及構(gòu)造自己的儀器面板，而無需進(jìn)行任何煩瑣的程序代碼編寫。使用 LabVIEW 開發(fā)平臺(tái)編制的虛擬儀器程序 VI 包括三個(gè)部分：程序前面板、框圖程序和圖標(biāo)/連接器。程序前面板用于設(shè)置輸入數(shù)值和觀察輸出量，生成模仿傳統(tǒng)儀器的控制面板。每一個(gè)程序前面板都對(duì)應(yīng)著一段框圖程序?？驁D程序用 LabVIEW 圖形編程語言編寫，類似傳統(tǒng)程序的源代碼。圖標(biāo)/連接器是子程序 SubVI 被其它 VI 調(diào)用的接口。LabVIEW 采用的是自上向下的模塊化編程方法，所生成的各個(gè)子程序有利于主程序的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。這種設(shè)計(jì)方法可大大減小虛擬儀器開發(fā)的難度，利于儀器開發(fā)人員之間的分工協(xié)作。虛擬儀器由通用儀器硬件平臺(tái)和應(yīng)用軟件兩大部分構(gòu)成。硬件平臺(tái)完成被測(cè)信號(hào)調(diào)理與信號(hào)采集，即獲取被測(cè)信號(hào)。硬件部分主要包括傳感器、信號(hào)調(diào)理電路及數(shù)據(jù)采集卡。而傳感器和信號(hào)調(diào)理電路針對(duì)不同的測(cè)試對(duì)象有不同的選擇和設(shè)計(jì)。目前較常用的虛擬儀器系統(tǒng)是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（PCDAQ 系統(tǒng)）、GPIB 儀器測(cè)試系統(tǒng)、VXI 儀器測(cè)試系統(tǒng)。 LabVIEW 的主要窗口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XXX 大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）11入和顯示輸出兩類對(duì)象，具體表現(xiàn)有開關(guān)、旋鈕、圖形以及其他控制（control）和顯示對(duì)象（indicator ） 。圖 3－2 所示是一個(gè)隨機(jī)信號(hào)發(fā)生和顯示的簡(jiǎn)單 VI 是它的前面板，上面有一個(gè)顯示對(duì)象，以曲線的方式顯示了所產(chǎn)生的一系列隨機(jī)數(shù)。還有一個(gè)控制對(duì)象——開關(guān)，可以啟動(dòng)和停止工作。顯然，并非簡(jiǎn)單地畫兩個(gè)控件就可以運(yùn)行，在前面板后還有一個(gè)與之配套的流程圖。流程圖流程圖提供 VI 的圖形化源程序。在流程圖中對(duì) 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的連線端子，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。圖3－3 是與圖 2 對(duì)應(yīng)的流程圖。我們可以看到流程圖中包括了前面板上的開關(guān)和隨機(jī)數(shù)顯示器的連線端子，還有一個(gè)隨機(jī)數(shù)發(fā)生器的函數(shù)及程序的循環(huán)結(jié)構(gòu)。隨機(jī)數(shù)發(fā)生器通過連線將產(chǎn)生的隨機(jī)信號(hào)送到顯示控件，為了使它持續(xù)工作下去，設(shè)置了一個(gè) While Loop 循環(huán)，由開關(guān)控制這一循環(huán)的結(jié)束?？刂茖?duì)象(輸入 )顯示對(duì)象(輸出 )圖 3－2　隨機(jī)信號(hào)發(fā)生器的前面板XXX 大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）12如果將 VI 與標(biāo)準(zhǔn)儀器相比較，那么前面板上的東西就是儀器面板上的東西，而流程圖上的東西相當(dāng)于儀器箱內(nèi)的東西。在許多情況下，使用 VI 可以仿真標(biāo)準(zhǔn)儀器，不僅在屏幕上出現(xiàn)一個(gè)惟妙惟肖的標(biāo)準(zhǔn)儀器面板，而且其功能也與標(biāo)準(zhǔn)儀器相差無幾。圖標(biāo)/連接器VI 具有層次化和結(jié)構(gòu)化的特征。一個(gè) VI 可以作為子程序，這里稱為子VI（ subVI） ，被其他 VI 調(diào)用。圖標(biāo)與連接器在這里相當(dāng)于圖形化的參數(shù)，詳細(xì)情況稍后介紹。數(shù)據(jù)采集模塊是虛擬信號(hào)發(fā)生器的軟件的核心，主要完成數(shù)據(jù)采集的控制，包括觸發(fā)控制、通道控制、時(shí)基控制等。其中，觸發(fā)控制包括觸發(fā)模式、觸發(fā)斜坡和觸發(fā)電平控制，通道控制主要控制哪一通道進(jìn)行測(cè)量和頻譜分析，時(shí)基控制主要控制采集卡掃描率、每一通道掃描次數(shù)(取樣數(shù))，多功能虛擬信號(hào)發(fā)生器采用的數(shù)據(jù)采集卡 PCI－6024E，它支持 DMA 方式和雙緩沖區(qū)模式，保證了實(shí)時(shí)信號(hào)不間斷采集與存儲(chǔ)。這種數(shù)據(jù)采集卡支持單極性和雙極性模擬信號(hào)輸入，采樣速率可達(dá) 200kb/s，信號(hào)輸入范圍分別為－5～＋5V 和10V～10V。提供 16 路單端／8 路差動(dòng)模擬輸入通道、2 路獨(dú)立的 DA 輸出通道、8 位 24 線的TTL 型數(shù)字 I／O、2 個(gè) 24 位 20MHz 的定時(shí)計(jì)數(shù)器，4 個(gè)模擬輸入范圍等多種功函數(shù)：隨機(jī)數(shù)發(fā)生器結(jié)構(gòu)：循環(huán)與前面板控件對(duì)應(yīng)的連線端子與前面板控件對(duì)應(yīng)的連線端子圖 3－3　隨機(jī)信號(hào)發(fā)生器的流程圖XXX 大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）13能。該數(shù)據(jù)采集卡支持的操作系統(tǒng)有 Windows2022/NT/XP/Me/9x、Linux 等。使用的軟件有 LabVIEW、LabWindows/CVI 等。這些功能使得用戶不僅可以用該卡設(shè)計(jì)信號(hào)發(fā)生器，還可以使用該卡設(shè)計(jì)數(shù)字萬用表、波形發(fā)生器、邏輯分析儀等，做到一卡多用，為系統(tǒng)的后續(xù)擴(kuò)充保留余地。 LabVIEW 中信號(hào)處理與分析數(shù)字信號(hào)在我們周圍無所不在。因?yàn)閿?shù)字信號(hào)具有高保真、低噪聲和便于信號(hào)處理的優(yōu)點(diǎn)，所以得到了廣泛的應(yīng)用，例如電話公司使用數(shù)字信號(hào)傳輸語音，廣播、電視和高保真音響系統(tǒng)也都在逐漸數(shù)字化。太空中的衛(wèi)星將測(cè)得數(shù)據(jù)以數(shù)字信號(hào)的形式發(fā)送到地面接收站。對(duì)遙遠(yuǎn)星球和外部空間拍攝的照片也是采用數(shù)字方法處理，去除干擾，獲得有用的信息。經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)、人口普查結(jié)果、股票市場(chǎng)價(jià)格都可以采用數(shù)字信號(hào)的形式獲得。因?yàn)閿?shù)字信號(hào)處理具有這么多優(yōu)點(diǎn)，在用計(jì)算機(jī)對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行處理之前也常把它們先轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。本章將介紹數(shù)字信號(hào)處理的基本知識(shí)，并介紹由上百個(gè)數(shù)字信號(hào)處理和分析的 VI構(gòu)成的 LabVIEW 分析軟件庫。 目前，對(duì)于實(shí)時(shí)分析系統(tǒng)，高速浮點(diǎn)運(yùn)算和數(shù)字信號(hào)處理已經(jīng)變得越來越重要。這些系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用到生物醫(yī)學(xué)數(shù)據(jù)處理、語音識(shí)別、數(shù)字音頻和圖像處理等各種領(lǐng)域。數(shù)據(jù)分析的重要性在于，無法從剛剛采集的數(shù)據(jù)立刻得到有用的信息，如下圖所示。必須消除噪音干擾、糾正設(shè)備故障而破壞的數(shù)據(jù)，或者補(bǔ)償環(huán)境影響，如溫度和濕度等。XXX 大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）14 表 3－1通過分析和處理數(shù)字信號(hào)，可以從噪聲中分離出有用的信息，并用比原始數(shù)據(jù)更全面的表格顯示這些信息。下圖顯示的是經(jīng)過處理的數(shù)據(jù)曲線。表 3－2用于測(cè)量的虛擬儀器(VI)用于測(cè)量的虛擬儀器(VI) 執(zhí)行的典型的測(cè)量任務(wù)有：? 計(jì)算信號(hào)中存在的總的諧波失真。? 決定系統(tǒng)的脈沖響應(yīng)或傳遞函數(shù)。? 估計(jì)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)參數(shù)，例如上升時(shí)間、超調(diào)量等等。? 計(jì)算信號(hào)的幅頻特性和相頻特性。? 估計(jì)信號(hào)中含有的交流成分和直流成分。在過去，這些計(jì)算工作需要通過特定的實(shí)驗(yàn)工作臺(tái)來進(jìn)行，而用于測(cè)量的虛擬儀器可以使這些測(cè)量工作通過 LabVIEW 程序語言在臺(tái)式機(jī)上進(jìn)行。這些用于測(cè)量的虛擬儀器是建立在數(shù)據(jù)采集和數(shù)字信號(hào)處理的基礎(chǔ)之上，有如下的特性：XXX 大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）15? 輸入的時(shí)域信號(hào)被假定為實(shí)數(shù)值。? 輸出數(shù)據(jù)中包含大小、相位，并且用合適的單位進(jìn)行了刻度，可用來直接進(jìn)行圖形的繪制。? 計(jì)算出來的頻譜是單邊的（single_sided） ，范圍從直流分量到Nyqu