【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 語(yǔ)、圖標(biāo)和概念，因此，LabVIEW是一個(gè)面向最終用戶(hù)的工具，它可以增強(qiáng)用戶(hù)構(gòu)建自己的工程系統(tǒng)的能力，提供了實(shí)現(xiàn)儀器編程和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的便捷途徑，使用它進(jìn)行原理研究、設(shè)計(jì)、測(cè)試并實(shí)現(xiàn)儀器系統(tǒng)時(shí)，可以大大提高工作效率。LabVIEW是通過(guò)圖形符號(hào)來(lái)描述程序的行為，它消除了令人煩惱的語(yǔ)法規(guī)則，減輕了用戶(hù)編程的負(fù)擔(dān)，提高了效率，LabVIEW的特點(diǎn)如下。編程簡(jiǎn)單，不需要記憶編程語(yǔ)言，只要通過(guò)交互式圖形前面板進(jìn)行系統(tǒng)控制和結(jié)果顯示，再通過(guò)程序框圖進(jìn)行功能模塊的組合操作來(lái)指定各種功能，即可完成軟件編程。開(kāi)發(fā)周期短，只需通過(guò)交互式圖形前面板進(jìn)行系統(tǒng)控制和結(jié)果顯示，可省去硬件面板的制作。高效性，這主要是以軟件作保證。以功能強(qiáng)大的LabVIEW作為軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)，諸如數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析、文件處理、波形處理、數(shù)學(xué)運(yùn)算等，都能輕而易舉地解決。開(kāi)放性，可根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行更新拓展，發(fā)展迅速。自定義性，工程師們可以在非常廣泛的測(cè)量和控制應(yīng)用中自定義芯片級(jí)硬件功能。性?xún)r(jià)比高，能一機(jī)多用。，無(wú)須編寫(xiě)任何代碼，它不僅包含有豐富的數(shù)據(jù)采集、分析及存儲(chǔ)的庫(kù)函數(shù)，還提供了PCI，GPIB，PXI，VXI，RS232C，USB等通信總線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)的功能函數(shù)，可以驅(qū)動(dòng)不同總線(xiàn)接口的設(shè)備和儀器。，支持常用的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，可以方便地設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)網(wǎng)絡(luò)測(cè)控儀器，并有多種程序調(diào)試手段，如斷電設(shè)置、單步調(diào)試等。使用LabVIEW開(kāi)發(fā)平臺(tái)編制的程序稱(chēng)為虛擬儀器，簡(jiǎn)稱(chēng)VI。VI由以下3部分構(gòu)成。前面板：即用戶(hù)界面。程序框圖：包含用于定義VI功能的圖形化源代碼。圖標(biāo)和連線(xiàn)板：用以識(shí)別VI的接口，以便在創(chuàng)建VI時(shí)調(diào)用另一個(gè)VI。當(dāng)一個(gè)VI應(yīng)用在其它VI中，則稱(chēng)為子VI。子VI相當(dāng)于文本編程語(yǔ)言中的子程序。前面板是VI的用戶(hù)界面。創(chuàng)建VI時(shí)，通常應(yīng)先設(shè)計(jì)前面板，然后設(shè)計(jì)程序框圖在前面板上創(chuàng)建的輸入/輸出任務(wù)。前面板上有用戶(hù)輸入控制和輸出顯示兩類(lèi)對(duì)象，用于模擬真實(shí)儀表的前面板。控制和顯示對(duì)象以各種各樣的圖形形式出現(xiàn)在前面板上，具體表現(xiàn)為旋鈕、按鈕、圖形、指示燈，以及其他的控制和顯示對(duì)象等，這使得用戶(hù)界面更加直觀易懂。在前面板的編輯界面上，正上方是窗口彈出式菜單，包括文件(File )，編輯(Edit )，操作(Operate )，工具(Tools )，工程(Project，窗口Windows)和幫助(Help )。在前面板編輯界面上還有兩個(gè)常用的操縱模板，它們是工具(Tools)模板和控制(Controls )模板，如圖21和圖22: 圖 21 工具模板 圖22 控制模板工具模板為編程者提供了各種用于創(chuàng)建、修改和調(diào)試VI程序工具。該圖從左到右，從上到下分別為:操作工具、選擇工具、標(biāo)簽工具、連線(xiàn)工具、對(duì)象彈出菜單工具、漫游工具、斷點(diǎn)工具、探針工具、顏色提取工具和顏色工具。控制面板可以給前面板添加輸入控制和輸出顯示。每一個(gè)圖標(biāo)代表一個(gè)子模板。只有當(dāng)打開(kāi)前面板窗口是才調(diào)用控制面板。該圖從左到右從上到下依次為:數(shù)值子模板、布爾值子模板、字符串子模板、列表和環(huán)子模板、數(shù)組和群子模板、圖形子模板、路徑和參考子模板、控件容器庫(kù)子模板、對(duì)話(huà)框子模板、修飾子模板還有用戶(hù)自定義的控制和顯示，調(diào)用存儲(chǔ)在文件中的控制和顯示接口。每個(gè)前面板都配有一個(gè)對(duì)應(yīng)的方塊圖程序，方塊圖程序也叫做框圖程序。程序框圖可以把它理解成傳統(tǒng)程序的源代碼，框圖中的部件可以看成程序節(jié)點(diǎn)，如循環(huán)控制，事件控制和算術(shù)功能等，這些部件都用連線(xiàn)連接，以定義方塊圖內(nèi)數(shù)據(jù)流動(dòng)的方向。當(dāng)進(jìn)行程序框圖編程時(shí)，完全無(wú)需考慮傳統(tǒng)程序設(shè)計(jì)中許多語(yǔ)法的細(xì)節(jié)，用戶(hù)只需從功能工具箱中選用不同的圖標(biāo)，然后再以線(xiàn)條相互連接，數(shù)據(jù)將按從左至右的順序由一個(gè)方塊傳遞至下一個(gè)方塊。LabVIEW程序?yàn)槟K化結(jié)構(gòu)，因此每一個(gè)LabVIEW程序都可以單獨(dú)執(zhí)行，或者被其他程序當(dāng)成于程序來(lái)調(diào)用。甚至可以為每個(gè)子程序設(shè)計(jì)不同的圖標(biāo)，如此便可以設(shè)計(jì)出一組可供修改，交換或與其他LabVIEW程序相鏈接的子程序庫(kù)，以符合用戶(hù)不同的需求。此外，LabVIEW還是唯一具有編輯器(Compiler)的圖形程序語(yǔ)言，它可以將程序結(jié)構(gòu)最優(yōu)化。另外，若使用Application Builder工具軟件。 圖23 功能模板在程序框圖編輯面板中點(diǎn)擊右鍵可以彈出功能模板(Functions)如圖23所示。功能模板是創(chuàng)建框圖程序的工具。該模板上的每一個(gè)頂層圖標(biāo)都表示一個(gè)子模板。若功能模板不出現(xiàn)，則可以用Windows菜單下的Show Functions Palette功能打開(kāi)它，也可以在框圖程序窗口的空白處點(diǎn)擊鼠標(biāo)右鍵以彈出功能模板。(注:只有打開(kāi)了框圖程序窗口，才能出現(xiàn)功能模板。)功能模板包含以下子模板:結(jié)構(gòu)子模板:包括程序控制結(jié)構(gòu)命令，例如循環(huán)控制等，以及全局變量。數(shù)值運(yùn)算子模板:包括各種常用的數(shù)值運(yùn)算符，如+、等。以及常見(jiàn)的數(shù)值運(yùn)算式，如比值運(yùn)算。還包括數(shù)制轉(zhuǎn)換、三角函數(shù)、對(duì)數(shù)、復(fù)數(shù)等運(yùn)算，以及各種數(shù)值常數(shù)。布爾邏輯子模板:包括各種邏輯運(yùn)算符以及布爾常數(shù)。字符串運(yùn)算子模板:包含各種字符串操作函數(shù)、數(shù)值與字符串之間的轉(zhuǎn)換函數(shù)，以及字符(串)常數(shù)等。數(shù)組子模板:包括數(shù)組運(yùn)算函數(shù)、數(shù)組轉(zhuǎn)換函數(shù)，以及常數(shù)數(shù)組等。群子模板:包括群的處理函數(shù)，以及群常數(shù)等。比較子模板:包括各種比較運(yùn)算函數(shù)，如大于、小于、等于。時(shí)間和對(duì)話(huà)框子模板:包括對(duì)話(huà)框窗口、時(shí)間和出錯(cuò)處理函數(shù)等。文件輸入/輸出于模板:包括處理文件輸入/輸出的程序和函數(shù)。圖標(biāo)/連接端口可以把VI變成一個(gè)對(duì)象(SubVI，即VI子程序)，然后像子程序一樣在其他VI中調(diào)用。圖標(biāo)作為SubVI的直觀標(biāo)記，在被其他VI調(diào)用時(shí)，代表SubVI中的所有框圖程序。連接端口表示該SubVI與調(diào)用它的VI之間進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的輸入輸出口，就像傳統(tǒng)編程語(yǔ)言子程序的參數(shù)端口，與S11bVI中前面板上的控制和指示對(duì)應(yīng)。LabVIEW的強(qiáng)大功能歸因于它的層次化結(jié)構(gòu)，用戶(hù)可以把創(chuàng)建的VI程序當(dāng)作SubVI來(lái)調(diào)用以創(chuàng)建更加復(fù)雜的VI，并且這種調(diào)用的遞階次數(shù)是無(wú)限制的。本章簡(jiǎn)要地介紹了計(jì)算機(jī)語(yǔ)言的發(fā)展歷程，列舉了目前國(guó)際上虛擬儀器常用的圖形化開(kāi)發(fā)語(yǔ)言。并詳細(xì)介紹了LabVIEW的特點(diǎn)及主要組成部分，并列舉了各個(gè)模塊的組成和作用，在此基礎(chǔ)上總結(jié)出LabVIEW的優(yōu)勢(shì)，使讀者對(duì)虛擬儀器的開(kāi)發(fā)工具有一個(gè)初步的認(rèn)識(shí)。第三章 虛擬網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)室的軟件設(shè)計(jì)章節(jié)另器一頁(yè)本論文設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)由8個(gè)VI程序構(gòu)成，包括了七個(gè)虛擬儀器實(shí)驗(yàn)界面和一個(gè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的主程序界面，每一臺(tái)儀器作為SubVI集成在基于LabVIEW的虛擬儀器實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)下，構(gòu)成一個(gè)虛擬儀器實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)，系統(tǒng)界面如圖31所示。圖31 虛擬儀器實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)前面板本設(shè)計(jì)中的七個(gè)實(shí)驗(yàn)儀器分別包括虛擬函數(shù)信號(hào)發(fā)生器，對(duì)信號(hào)的相關(guān)分析，時(shí)域分析，頻域分析等，他們共同構(gòu)成一個(gè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。本章主要介紹個(gè)各虛擬儀器所實(shí)現(xiàn)的功能，前面板圖，程序框圖等。 虛擬信號(hào)發(fā)生器當(dāng)現(xiàn)實(shí)生活中的信號(hào)無(wú)法使用時(shí)，用戶(hù)可以使用LabVIEW生產(chǎn)信號(hào)用于測(cè)試和其他目的。當(dāng)需要準(zhǔn)確控制信號(hào)的特性(比如幅度、頻率和周期信號(hào)的相位等)時(shí)，用戶(hù)可以方便地使用虛擬信號(hào)發(fā)生器生成信號(hào)而不必從現(xiàn)實(shí)世界中采集信號(hào)。 儀器原理與功能虛擬信號(hào)發(fā)生器可以提供各種波形的周期信號(hào)函數(shù)，函數(shù)值為離散序列值。該離散值通過(guò)數(shù)模轉(zhuǎn)換后，可以模擬電壓的形式輸出，輸出波形呈現(xiàn)臺(tái)階狀。使用本虛擬信號(hào)發(fā)生器完全可以替代目前實(shí)驗(yàn)室廣泛使用的傳統(tǒng)信號(hào)發(fā)生器。 前面板和程序框圖的設(shè)計(jì)本虛擬信號(hào)發(fā)生器前面板如圖32所示?！安ㄐ螆D”窗：用來(lái)顯示信號(hào)波形?！安ㄐ芜x擇”鍵：用來(lái)選擇待輸出的機(jī)內(nèi)周期信號(hào)的波形。點(diǎn)擊上下選擇鍵可以選擇產(chǎn)生正弦波，三角波，方波，鋸齒波等信號(hào)波形。所需信號(hào)的參數(shù)可通過(guò)“信號(hào)頻率”、“采樣頻率”、“信號(hào)幅值”、“相位”、“采樣點(diǎn)數(shù)”等輸入控制窗設(shè)定。其中，頻率輸入要滿(mǎn)足采樣定理，欲使信號(hào)能夠無(wú)失真地恢復(fù)原始信號(hào)的條件是：采樣頻率要大于或等于信號(hào)的最高頻率分量?！隘B加噪聲”鍵：用來(lái)選擇是否疊加噪聲?！巴Ｖ埂辨I：使程序退出While循環(huán)，停止運(yùn)行。圖32 信號(hào)發(fā)生器前面板虛擬信號(hào)發(fā)生器的框圖程序如圖33所示。典型信號(hào)的產(chǎn)生采用了目前普遍使用的典型信號(hào)生成模塊。采用四個(gè)Case結(jié)構(gòu)用來(lái)分別生成正弦波、方波、三角波、鋸齒波等四種不同的波形，并用來(lái)選擇是否疊加白噪聲，case結(jié)構(gòu)類(lèi)似于C語(yǔ)言中的Switch結(jié)構(gòu)，是一個(gè)多分支選擇結(jié)構(gòu)，它根據(jù)輸入值決定程序進(jìn)入不同的分支流。當(dāng)在前面板上點(diǎn)擊波形選擇按鍵選擇不同的波形并運(yùn)行程序時(shí)，程序會(huì)根據(jù)選擇自動(dòng)調(diào)出相應(yīng)的Case結(jié)構(gòu)通過(guò)波形圖顯示波形。通過(guò)兩個(gè)這樣的結(jié)構(gòu)來(lái)使兩種信號(hào)進(jìn)行疊加，并可以決定是否疊加噪聲。再利用一個(gè)While循環(huán)，用“停止”按鈕來(lái)控制，使程序反復(fù)執(zhí)行，就可以連續(xù)輸出所需波形，直到按下“停止”鍵，程序停止運(yùn)行。圖33給出了case結(jié)構(gòu)下三角波程序流程圖。圖33信號(hào)發(fā)生器程序框圖程序說(shuō)明：“歸一化頻率”問(wèn)題:LabVIEW中的所有仿真信號(hào)都是用函數(shù)生成的離散時(shí)間序列，其輸入?yún)?shù)頻率勻?yàn)閿?shù)字頻率，本設(shè)計(jì)中所使用的幾個(gè)VI（ Sine Wave, Square Wave, Sawtooth Wave, Triangle Wave）在調(diào)用時(shí)都必須使用歸一化單位指定的頻率，因此就不可避免地遇到了歸一化頻率的問(wèn)題。數(shù)字頻率等于一個(gè)周期內(nèi)采樣點(diǎn)數(shù)的倒數(shù)，它是仿真信號(hào)頻率與采樣頻率之比，即，即歸一化頻率=仿真信號(hào)頻率/采樣頻率。模擬頻率通常以Hz(或每秒周期數(shù))為單位進(jìn)行測(cè)量，而采樣頻率的單位為每秒采樣數(shù)，則歸一化頻率單位為周期數(shù)/采樣。與模擬信號(hào)相比，利用軟件的方法產(chǎn)生的波形數(shù)字序列雖然存在著一定的誤差，只要一個(gè)周期內(nèi)選的點(diǎn)數(shù)足夠的多，就可以使誤差降到最低，對(duì)結(jié)果的影響最小。但利用軟件產(chǎn)生波形的一個(gè)最大的優(yōu)點(diǎn)是使儀器的成本大大降低，而且使儀器小型化、智能化。 虛擬相關(guān)分析儀相關(guān)分析實(shí)驗(yàn)是高等學(xué)校理科實(shí)驗(yàn)的重要組成部分，傳統(tǒng)的相關(guān)函數(shù)分析實(shí)驗(yàn)是通過(guò)相關(guān)測(cè)量?jī)x進(jìn)行實(shí)體測(cè)量并得出實(shí)驗(yàn)結(jié)果的，實(shí)體相關(guān)測(cè)量?jī)x價(jià)格較高，且在功能上缺乏拓展性。通過(guò)運(yùn)用LabVIEW開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)出一種虛擬相關(guān)分析儀，其功能和實(shí)際實(shí)驗(yàn)儀器基本相同，而且這種虛擬的相關(guān)測(cè)量平臺(tái)借助十網(wǎng)絡(luò)可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)，是對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的一種有效的補(bǔ)充。 儀器原理相關(guān)是指兩個(gè)變量之間的線(xiàn)性關(guān)系。相關(guān)分析是分析兩個(gè)信號(hào)或一個(gè)信號(hào)在一定時(shí)移前后之間關(guān)系的重要工具。在世紀(jì)工程領(lǐng)域，相關(guān)測(cè)速、相關(guān)濾波和利用相關(guān)原理探測(cè)管道破裂點(diǎn)、識(shí)別信號(hào)類(lèi)別成分等得到廣泛應(yīng)用。相關(guān)函數(shù)可以用相關(guān)分析儀測(cè)量。相關(guān)分析儀有模擬式和數(shù)字式兩種。本文中使用LabVIEW提供的函數(shù)構(gòu)建了一臺(tái)簡(jiǎn)單易用的數(shù)字式相關(guān)分析儀。兩模擬信號(hào)和作數(shù)字化處理以后，它們的相關(guān)函數(shù)表達(dá)形式應(yīng)為:式中，N——沿時(shí)間軸的總采樣數(shù)； i——沿時(shí)間軸的采樣序數(shù)； r——間斷時(shí)移值。作為有限長(zhǎng)采樣的相關(guān)函數(shù)估計(jì)為：用這一公式做離散相關(guān)的步驟是：取，將所有對(duì)應(yīng)采樣點(diǎn)的和相乘；將所有乘機(jī)相加；以總采樣點(diǎn)數(shù)做平均，得到相關(guān)函數(shù)的一個(gè)值；取，將所有對(duì)應(yīng)采樣點(diǎn)的和相乘，然后相加、平均，得到。依次取，按以上步驟重復(fù)計(jì)算得到相關(guān)函數(shù)的各個(gè)值。在和兩離散序列長(zhǎng)度相等時(shí)，計(jì)算可以用全部計(jì)算長(zhǎng)度數(shù)據(jù)來(lái)計(jì)算，而下一步計(jì)算時(shí)因作一步時(shí)移，使可提供計(jì)算的序列長(zhǎng)度由變?yōu)?。且隨時(shí)移增大，可提供計(jì)算的序列長(zhǎng)度越來(lái)越短，所以互相關(guān)函數(shù)的估值應(yīng)為:與此類(lèi)似，自相關(guān)函數(shù)的估值為：LabVIEW在信號(hào)處理的信號(hào)運(yùn)算函數(shù)子模版中提供了求互相關(guān)函數(shù)的Cross Correlation，它所用的算法為：求自相關(guān)函數(shù)的Auto Correlation所用的算法為：相關(guān)分析實(shí)驗(yàn)的實(shí)現(xiàn)為方便起見(jiàn)，以虛擬信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的仿真正弦波為例來(lái)闡述相關(guān)分析儀的實(shí)現(xiàn)。LabVIEW中，相關(guān)分析的功能由時(shí)域分析模板提供。利用這兩個(gè)函數(shù)構(gòu)建相關(guān)分析的虛擬儀器。 1．互相關(guān)函數(shù)先介紹相關(guān)函數(shù)及用途。包括公式構(gòu)建互相關(guān)函數(shù)實(shí)驗(yàn)程序前面板如圖34所示。將前面板中時(shí)域信號(hào)圖形顯示件的時(shí)間軸設(shè)置為0100,幅值軸設(shè)置為Auto scale?；ハ嚓P(guān)函數(shù)圖形顯示件的時(shí)移軸設(shè)置為100100 ,幅值軸設(shè)置為Auto scale。圖34 互相關(guān)函數(shù)實(shí)驗(yàn)前面板通過(guò)輸入控件來(lái)調(diào)節(jié)兩通道的頻率和相位，從而產(chǎn)生出不同的正弦波形，得到不同的相關(guān)函數(shù)的波形?；ハ嚓P(guān)函數(shù)實(shí)驗(yàn)的程序框圖如圖35所示，圖35 互相關(guān)函數(shù)實(shí)驗(yàn)前面板通過(guò)“信號(hào)生成”里的“正弦波”來(lái)產(chǎn)生兩個(gè)通道的正弦波，讓它們?cè)谕粋€(gè)波形顯示控件里顯示，這時(shí)要用到一個(gè)函數(shù)是“創(chuàng)建數(shù)組”。然后將兩路波形連接到互相關(guān)函數(shù)的輸入端，輸出連接到顯示控件。運(yùn)行程序，兩個(gè)通道選擇不同的信號(hào)頻率，在實(shí)驗(yàn)前面板上觀察相關(guān)函數(shù)波形，驗(yàn)證不同頻不相關(guān)。將兩個(gè)正弦信號(hào)頻率都設(shè)為100Hz，觀察相關(guān)函數(shù)波形，驗(yàn)證同頻相關(guān)，相關(guān)函數(shù)?；ハ嚓P(guān)函數(shù)在工程中有重要的作用，它是在噪聲背景下提取有用信息的一個(gè)非常有效地手段。2．自相關(guān)函數(shù)信號(hào)中含有周期成分，其自相關(guān)函數(shù)在很大時(shí)都不衰減，并具有明顯的周期成分。不含周期成分的隨機(jī)信號(hào)，當(dāng)稍大時(shí)自相關(guān)函數(shù)將趨近于零。所以，通過(guò)自相關(guān)函數(shù)可檢測(cè)隨機(jī)信號(hào)中是否混有周期成分。設(shè)信號(hào)由一個(gè)正弦波和均勻白噪聲疊加而成，信號(hào)和噪聲的幅值及信號(hào)頻率可自行設(shè)定，設(shè)計(jì)自相關(guān)函數(shù)實(shí)驗(yàn)程序的程序前面板和流程圖如圖36, 37所示，前面板中時(shí)域信號(hào)圖形顯示件的時(shí)間軸設(shè)置為0100,幅值軸設(shè)置為Auto scale。自相關(guān)函數(shù)圖形顯示件的時(shí)移軸設(shè)置為100100,幅值軸設(shè)置為Auto scale。運(yùn)行程序，即可根據(jù)運(yùn)行結(jié)果中的自相關(guān)函數(shù)圖形判斷合成信號(hào)中是否有周期成分。運(yùn)行結(jié)果見(jiàn)圖，很明顯，自相關(guān)函數(shù)在很大時(shí)都不衰減，具有明顯的周期性。所以，可以確定信號(hào)中含有周期成分。圖36 自相關(guān)函數(shù)實(shí)驗(yàn)前面板圖37 自相關(guān)函數(shù)實(shí)驗(yàn)程序框圖本實(shí)驗(yàn)比較簡(jiǎn)單，