【文章內(nèi)容簡介】 語、圖標(biāo)和概念，因此，LabVIEW是一個面向最終用戶的工具，它可以增強(qiáng)用戶構(gòu)建自己的工程系統(tǒng)的能力，提供了實現(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、測試并實現(xiàn)儀器系統(tǒng)時，可以大大提高工作效率。LabVIEW是通過圖形符號來描述程序的行為，它消除了令人煩惱的語法規(guī)則，減輕了用戶編程的負(fù)擔(dān)，提高了效率，LabVIEW的特點如下。編程簡單，不需要記憶編程語言，只要通過交互式圖形前面板進(jìn)行系統(tǒng)控制和結(jié)果顯示，再通過程序框圖進(jìn)行功能模塊的組合操作來指定各種功能，即可完成軟件編程。開發(fā)周期短，只需通過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作為軟件開發(fā)平臺，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)運算等，都能輕而易舉地解決。開放性，可根據(jù)實際情況進(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量和控制應(yīng)用中自定義芯片級硬件功能。性價比高，能一機(jī)多用。，無須編寫任何代碼，它不僅包含有豐富的數(shù)據(jù)采集、分析及存儲的庫函數(shù)，還提供了PCI，GPIB，PXI，VXI，RS232C，USB等通信總線標(biāo)準(zhǔn)的功能函數(shù)，可以驅(qū)動不同總線接口的設(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、開發(fā)網(wǎng)絡(luò)測控儀器，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開發(fā)平臺編制的程序稱為虛擬儀器，簡稱VI。VI由以下3部分構(gòu)成。前面板：即用戶界面。程序框圖：包含用于定義VI功能的圖形化源代碼。圖標(biāo)和連線板：用以識別VI的接口，以便在創(chuàng)建VI時調(diào)用另一個VI。當(dāng)一個VI應(yīng)用在其它VI中，則稱為子VI。子VI相當(dāng)于文本編程語言中的子程序。前面板是VI的用戶界面。創(chuàng)建VI時，通常應(yīng)先設(shè)計前面板，然后設(shè)計程序框圖在前面板上創(chuàng)建的輸入/輸出任務(wù)。前面板上有用戶輸入控制和輸出顯示兩類對象，用于模擬真實儀表的前面板?？刂坪惋@示對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象等，這使得用戶界面更加直觀易懂。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、連線工具、對象彈出菜單工具、漫游工具、斷點工具、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。每一個圖標(biāo)代表一個子模板。只有當(dāng)打開前面板窗口是才調(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、控件容器庫子模板、對話框子模板、修飾子模板還有用戶自定義的控制和顯示，調(diào)用存儲在文件中的控制和顯示接口。每個前面板都配有一個對應(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，如循環(huán)控制，事件控制和算術(shù)功能等，這些部件都用連線連接，以定義方塊圖內(nèi)數(shù)據(jù)流動的方向。當(dāng)進(jìn)行程序框圖編程時，完全無需考慮傳統(tǒng)程序設(shè)計中許多語法的細(xì)節(jié)，用戶只需從功能工具箱中選用不同的圖標(biāo)，然后再以線條相互連接，數(shù)據(jù)將按從左至右的順序由一個方塊傳遞至下一個方塊。LabVIEW程序為模塊化結(jié)構(gòu)，因此每一個LabVIEW程序都可以單獨執(zhí)行，或者被其他程序當(dāng)成于程序來調(diào)用。甚至可以為每個子程序設(shè)計不同的圖標(biāo)，如此便可以設(shè)計出一組可供修改，交換或與其他LabVIEW程序相鏈接的子程序庫，以符合用戶不同的需求。此外，LabVIEW還是唯一具有編輯器(Compiler)的圖形程序語言，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。該模板上的每一個頂層圖標(biāo)都表示一個子模板。若功能模板不出現(xiàn)，則可以用Windows菜單下的Show Functions Palette功能打開它，也可以在框圖程序窗口的空白處點擊鼠標(biāo)右鍵以彈出功能模板。(注:只有打開了框圖程序窗口，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)值運算子模板:包括各種常用的數(shù)值運算符，如+、等。以及常見的數(shù)值運算式，如比值運算。還包括數(shù)制轉(zhuǎn)換、三角函數(shù)、對數(shù)、復(fù)數(shù)等運算，以及各種數(shù)值常數(shù)。布爾邏輯子模板:包括各種邏輯運算符以及布爾常數(shù)。字符串運算子模板: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:包括各種比較運算函數(shù)，如大于、小于、等于。時間和對話框子模板:包括對話框窗口、時間和出錯處理函數(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變成一個對象(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，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)編程語言子程序的參數(shù)端口，與S11bVI中前面板上的控制和指示對應(yīng)。LabVIEW的強(qiáng)大功能歸因于它的層次化結(jié)構(gòu)，用戶可以把創(chuàng)建的VI程序當(dāng)作SubVI來調(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)是無限制的。本章簡要地介紹了計算機(jī)語言的發(fā)展歷程，列舉了目前國際上虛擬儀器常用的圖形化開發(fā)語言。并詳細(xì)介紹了LabVIEW的特點及主要組成部分，并列舉了各個模塊的組成和作用，在此基礎(chǔ)上總結(jié)出LabVIEW的優(yōu)勢，使讀者對虛擬儀器的開發(fā)工具有一個初步的認(rèn)識。第三章 虛擬網(wǎng)絡(luò)實驗室的軟件設(shè)計章節(jié)另器一頁本論文設(shè)計的實驗平臺由8個VI程序構(gòu)成，包括了七個虛擬儀器實驗界面和一個實驗系統(tǒng)的主程序界面，每一臺儀器作為SubVI集成在基于LabVIEW的虛擬儀器實驗教學(xué)系統(tǒng)下，構(gòu)成一個虛擬儀器實驗教學(xué)系統(tǒng)，系統(tǒng)界面如圖31所示。圖31 虛擬儀器實驗系統(tǒng)前面板本設(shè)計中的七個實驗儀器分別包括虛擬函數(shù)信號發(fā)生器，對信號的相關(guān)分析，時域分析，頻域分析等，他們共同構(gòu)成一個實驗系統(tǒng)。本章主要介紹個各虛擬儀器所實現(xiàn)的功能，前面板圖，程序框圖等。 虛擬信號發(fā)生器當(dāng)現(xiàn)實生活中的信號無法使用時，用戶可以使用LabVIEW生產(chǎn)信號用于測試和其他目的。當(dāng)需要準(zhǔn)確控制信號的特性(比如幅度、頻率和周期信號的相位等)時，用戶可以方便地使用虛擬信號發(fā)生器生成信號而不必從現(xiàn)實世界中采集信號。 儀器原理與功能虛擬信號發(fā)生器可以提供各種波形的周期信號函數(shù)，函數(shù)值為離散序列值。該離散值通過數(shù)模轉(zhuǎn)換后，可以模擬電壓的形式輸出，輸出波形呈現(xiàn)臺階狀。使用本虛擬信號發(fā)生器完全可以替代目前實驗室廣泛使用的傳統(tǒng)信號發(fā)生器。 前面板和程序框圖的設(shè)計本虛擬信號發(fā)生器前面板如圖32所示。“波形圖”窗：用來顯示信號波形。“波形選擇”鍵：用來選擇待輸出的機(jī)內(nèi)周期信號的波形。點擊上下選擇鍵可以選擇產(chǎn)生正弦波，三角波，方波，鋸齒波等信號波形。所需信號的參數(shù)可通過“信號頻率”、“采樣頻率”、“信號幅值”、“相位”、“采樣點數(shù)”等輸入控制窗設(shè)定。其中，頻率輸入要滿足采樣定理，欲使信號能夠無失真地恢復(fù)原始信號的條件是：采樣頻率要大于或等于信號的最高頻率分量?！隘B加噪聲”鍵：用來選擇是否疊加噪聲?！巴Ｖ埂辨I：使程序退出While循環(huán)，停止運行。圖32 信號發(fā)生器前面板虛擬信號發(fā)生器的框圖程序如圖33所示。典型信號的產(chǎn)生采用了目前普遍使用的典型信號生成模塊。采用四個Case結(jié)構(gòu)用來分別生成正弦波、方波、三角波、鋸齒波等四種不同的波形，并用來選擇是否疊加白噪聲，case結(jié)構(gòu)類似于C語言中的Switch結(jié)構(gòu)，是一個多分支選擇結(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)在前面板上點擊波形選擇按鍵選擇不同的波形并運行程序時，程序會根據(jù)選擇自動調(diào)出相應(yīng)的Case結(jié)構(gòu)通過波形圖顯示波形。通過兩個這樣的結(jié)構(gòu)來使兩種信號進(jìn)行疊加，并可以決定是否疊加噪聲。再利用一個While循環(huán)，用“停止”按鈕來控制，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，程序停止運行。圖33給出了case結(jié)構(gòu)下三角波程序流程圖。圖33信號發(fā)生器程序框圖程序說明：“歸一化頻率”問題:LabVIEW中的所有仿真信號都是用函數(shù)生成的離散時間序列，其輸入?yún)?shù)頻率勻為數(shù)字頻率，本設(shè)計中所使用的幾個VI（ Sine Wave, Square Wave, Sawtooth Wave, Triangle Wave）在調(diào)用時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題。數(shù)字頻率等于一個周期內(nèi)采樣點數(shù)的倒數(shù)，它是仿真信號頻率與采樣頻率之比，即，即歸一化頻率=仿真信號頻率/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，只要一個周期內(nèi)選的點數(shù)足夠的多，就可以使誤差降到最低，對結(jié)果的影響最小。但利用軟件產(chǎn)生波形的一個最大的優(yōu)點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)分析實驗是高等學(xué)校理科實驗的重要組成部分，傳統(tǒng)的相關(guān)函數(shù)分析實驗是通過相關(guān)測量儀進(jìn)行實體測量并得出實驗結(jié)果的，實體相關(guān)測量儀價格較高，且在功能上缺乏拓展性。通過運用LabVIEW開發(fā)設(shè)計出一種虛擬相關(guān)分析儀，其功能和實際實驗儀器基本相同，而且這種虛擬的相關(guān)測量平臺借助十網(wǎng)絡(luò)可以實現(xiàn)遠(yuǎn)程實驗，是對實驗教學(xué)的一種有效的補(bǔ)充。 儀器原理相關(guān)是指兩個變量之間的線性關(guān)系。相關(guān)分析是分析兩個信號或一個信號在一定時移前后之間關(guān)系的重要工具。在世紀(jì)工程領(lǐng)域，相關(guān)測速、相關(guān)濾波和利用相關(guān)原理探測管道破裂點、識別信號類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)建了一臺簡單易用的數(shù)字式相關(guān)分析儀。兩模擬信號和作數(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——沿時間軸的總采樣數(shù)； i——沿時間軸的采樣序數(shù)； r——間斷時移值。作為有限長采樣的相關(guān)函數(shù)估計為：用這一公式做離散相關(guān)的步驟是：取，將所有對應(yīng)采樣點的和相乘；將所有乘機(jī)相加；以總采樣點數(shù)做平均，得到相關(guān)函數(shù)的一個值；取，將所有對應(yīng)采樣點的和相乘，然后相加、平均，得到。依次取，按以上步驟重復(fù)計算得到相關(guān)函數(shù)的各個值。在和兩離散序列長度相等時，計算可以用全部計算長度數(shù)據(jù)來計算，而下一步計算時因作一步時移，使可提供計算的序列長度由變?yōu)?。且隨時移增大，可提供計算的序列長度越來越短，所以互相關(guān)函數(shù)的估值應(yīng)為:與此類似，自相關(guān)函數(shù)的估值為：LabVIEW在信號處理的信號運算函數(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)分析實驗的實現(xiàn)為方便起見，以虛擬信號發(fā)生器產(chǎn)生的仿真正弦波為例來闡述相關(guān)分析儀的實現(xiàn)。LabVIEW中，相關(guān)分析的功能由時域分析模板提供。利用這兩個函數(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)實驗程序前面板如圖34所示。將前面板中時域信號圖形顯示件的時間軸設(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)實驗前面板通過輸入控件來調(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)實驗的程序框圖如圖35所示，圖35 互相關(guān)函數(shù)實驗前面板通過“信號生成”里的“正弦波”來產(chǎn)生兩個通道的正弦波，讓它們在同一個波形顯示控件里顯示，這時要用到一個函數(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。運行程序，兩個通道選擇不同的信號頻率，在實驗前面板上觀察相關(guān)函數(shù)波形，驗證不同頻不相關(guān)。將兩個正弦信號頻率都設(shè)為100Hz，觀察相關(guān)函數(shù)波形，驗證同頻相關(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非常有效地手段。2．自相關(guān)函數(shù)信號中含有周期成分，其自相關(guān)函數(shù)在很大時都不衰減，并具有明顯的周期成分。不含周期成分的隨機(jī)信號，當(dāng)稍大時自相關(guān)函數(shù)將趨近于零。所以，通過自相關(guān)函數(shù)可檢測隨機(jī)信號中是否混有周期成分。設(shè)信號由一個正弦波和均勻白噪聲疊加而成，信號和噪聲的幅值及信號頻率可自行設(shè)定，設(shè)計自相關(guān)函數(shù)實驗程序的程序前面板和流程圖如圖36, 37所示，前面板中時域信號圖形顯示件的時間軸設(shè)置為0100,幅值軸設(shè)置為Auto scale。自相關(guān)函數(shù)圖形顯示件的時移軸設(shè)置為100100,幅值軸設(shè)置為Auto scale。運行程序，即可根據(jù)運行結(jié)果中的自相關(guān)函數(shù)圖形判斷合成信號中是否有周期成分。運行結(jié)果見圖，很明顯，自相關(guān)函數(shù)在很大時都不衰減，具有明顯的周期性。所以，可以確定信號中含有周期成分。圖36 自相關(guān)函數(shù)實驗前面板圖37 自相關(guān)函數(shù)實驗程序框圖本實驗比較簡單，