【文章內容簡介】 拖拉用戶界面編程器；用于快速樣機開發(fā)的代碼產生工具和內部編譯器；用于 GPIB,VXI、串行、 DAQ, TCP 和用戶控制界面的集成庫；可用于 Win2021/XP、 Sun Solaris 。 基于虛擬儀器構建的自動測試系統的優(yōu)點 根據以上對于虛擬儀器主要功能特點的介紹，不難看出基于虛擬儀器構建的自動測試系統具備以下突出優(yōu)點 [20]： (1)采用虛擬儀器，計算機與硬件測試設備之間的數據傳輸非常方便、直接、快速。在傳統的測試儀器設備中，測試人員以手工的方式現場記錄測試數據，在測試數 據量比較大的情況下，這種數據記錄方式不能很好的按時完成記錄任務，測試過程也就變的復雜、緩慢，而且很容易引起測試誤差。對于有些常用的測試儀器，對于被測對象只能進行定性分析，如果需要精確的物理數據，就需要有額外的輔助措施。在應用虛擬儀器技術的測試設備中，充分利用計算機的存儲能力，讓測試數據經由計算機總線，傳輸至計算機內存或硬盤，數據傳輸率可以滿足測試的實時性要求，也加快了測試過程，這樣就很好解決了數據的傳輸、保存問題[7]。 (2)在某些情況下，需要根據工程的實際需要實時、直接地對測試數據進行各種分 析與處理，如進行 PID 控制、模糊邏輯控制、 FFT、 DFT 運算、數字信號處理，數學分析和數據庫聯接、統計分析參數調整、單位轉換等工作，這在傳統儀器中很難做到。在虛擬儀器中，開發(fā)人員可以使用現有的分析軟件包或通過自行編制相應軟件來滿足這一功能要求。 (3)為了使測試過程直觀、明了，有時需要多種方式顯示測試數據、控制過程和分析結果，虛擬儀器中，就可以利用計算機的圖形用戶界面實現這一目標。 本章小結 綜上所述，虛擬儀器技術有著許多傳統儀器所難以實現的優(yōu)勢，由虛擬儀器構建的自動測試系統在實際應用中將會有著巨大 的前景。本文將實現的遠程信號 基于 LABVIEW 的虛擬函數信號發(fā)生器的設計與研究 第 10 頁 共 34 頁 源自動校準系統，是在現有硬件平臺的基礎上實現校準的自動化，系統原有儀器都是具有 GPIB 接口的智能儀器，因而從成本和效率綜合考慮使用 GPIB 的儀器控制方案組建 GPIB 并行總線系統是一種切合實際的硬件構成方案。而限于時間和工作量的關系，選用一門使用簡單方便，效率高的虛擬儀器實現軟件，是一個比較明智的選擇。而完全的圖形化編程環(huán)境 LabVIEW 自然是最理想的選擇。對于 LabVIEW 的特點和相關的編程技術，將在下一章中做詳細的介紹 [8]。 基于 LABVIEW 的虛擬函數信號發(fā)生器的設計與研究 第 11 頁 共 34 頁 第 3 章 LabVIEW圖形化開發(fā)環(huán)境 LabVIEW 簡介 LabVIEW(Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench)是實驗室虛擬儀器集成開發(fā)平臺的簡稱，它是目前國際上應用最廣泛的虛擬儀器開發(fā)環(huán)境之一，它是主要用于開發(fā)數據檢測、數據測量采集系統、工業(yè)自動控制系統合數據分析系統等領域的專用軟件開發(fā)平臺 [9]。 LabVIEW 的 最大 特色 是采 用編 譯型 圖形 化編 程語 言 ――G 語言(GraphProgramming)，它與 C,Pascal,Basic 等傳統語言有著相似之處，如：相似的數據類型、數 據流控制結構、程序調試工具，以及模塊化的編程特點。但二者最大的區(qū)別在于：傳統編程語言用文本語言編程，程序的執(zhí)行依賴于文本所描述的指令 。而 LabVIEW 使用圖形語言 (即，各種圖標、圖形符號、連線等 )以框圖的形式編寫程序。用 LabVIEW 編程無需具備太多編程經驗，因為 LabVIEW 使用的都是測試工程師們熟悉的術語和圖標，如各種按鈕、開關、波形圖等，界面非常直觀形象，因此， LabVIEW 對于沒有豐富編程經驗的測試工程師們來說無疑是個極好的選擇。 LabVIEW 語言具有豐富的擴展函數庫，集成了大量的生成圖形界面的模板，如各種表頭、旋鈕、開關、 LED 指示燈、圖表等，界面直觀、形象，相對于傳統的編程方式而言，它簡單易學而且執(zhí)行效率高。與傳統的編程方式相比，使用 LabVIEW 設計的虛擬儀器，可以提高效率 410 倍 [10]。 LabVIEW 的圖形環(huán)境內置豐富的函數庫，提供了多種網絡的接口，支持先進的流動數據傳輸等先進技術，使系統的開發(fā)更加方便，其中基于 TCP/IP 協議的網絡實時數據交換編程技術 ―― 數據套接字 (DataSocket)技術便是一特色。這種技術是一種開放的技術，與人們已習慣采用的 TCP/IP 編程接口、 DDE 等網絡環(huán) 境下的數據共享技術比較，使用起來更方便，開發(fā)效率更高，而且不需要大量的編程工作量。數據套接提供統一的 API 編程接口，從數據共享的角度，它是對 WinSock 的高級封裝，允許用戶與各種服務器進行交互并在應用之間交換信 基于 LABVIEW 的虛擬函數信號發(fā)生器的設計與研究 第 12 頁 共 34 頁 息，比如 LabVIEW 以及一些不同的數據源或目標，源和目標包括其他的應用、文件、 OPC (OLE For Process Control)服務器、 Web 服務器以及 FTP 服務器。使用 DataSocket 類和統一資源定位器 (Uniform Resource Locator，簡稱 URL)，就可建立數據套接 的源與目標的連接，用戶可以像使用 LabVIEW 中的其他數據類型一樣用 DataSocket 讀寫數據，實現測量數據的實時共享 [11]。 LabVIEW 的優(yōu)點 LabVIEW 從被推出到現在， 20 年的實踐證明 LabVIEW 確實是一個使用方便卻又功能非常強大的開發(fā)平臺， LabVIEW 具有以下優(yōu)點： (1)使用 “所見即所得 ”的可視化技術建立人機界面，提供了大量儀器面板中的控制對象簡單的方案即使沒有多少編程經驗，仍可以很方便的使用 LabVIEW。 (2)先進的 ActiveX 技術融合了簡單的拖放編程方法，儀器控制和 數據采集變得非常簡單，使用戶非常容易地開發(fā)自己的系統，并將其立即投入使用。 (3)LabVIEW 完整地集成了與 GPIB,VXI,RS232,RS485 和內插式數據采集卡等硬件的通訊，而且， LabVIEW 使得它們的驅動程序具有模塊化，可以重復使用，最大限度地減少軟件開發(fā)的工作量。 (3)LabVIEW 擁有豐富的分析模塊，可以滿足用戶從統計過程控制到數字信號處理 (DSP)等方面的要求 [12]。 (4)LabVIEW 也擁有大量 NI 公司或第三方公司提供的、非常實用的支持軟件，如， Application Builder(用于產生可執(zhí)行文件 )、 SQLToolkit(用于將 LabVIEW程序與本地或遠程數據庫相連 )等，這些特性為 LabVIEW 環(huán)境下應用程序的開發(fā)提供了方便 (5)LabVIEW 提供了先進的網絡技術，如， TCP/IP 函數庫、數據套接字技術，可以很容易地實現測控網絡的體系結構，并且提高了系統的開放性、穩(wěn)定性、可靠性。 (6)使用 LabVIEW 開發(fā)環(huán)境，用戶可以創(chuàng)建 32 位的編譯速度，從而為常規(guī)的數據采集、測試等任務提供了更快的執(zhí)行速度。 (7)LabVIEW 有真正的編譯器，用戶可以創(chuàng)建獨立的可執(zhí)行程序，能夠脫 離 開發(fā)環(huán)境而單獨運行。 另外，相對來說， LabVIEW 的功能可擴展性較好，應用起來比較靈活，操 基于 LABVIEW 的虛擬函數信號發(fā)生器的設計與研究 第 13 頁 共 34 頁 作起來比較容易。所以基于以上各原因， LabVIEW 更容易為人們作為虛擬儀器開發(fā)平臺所接受 [13]。 LabVIEW 能夠充分利用和發(fā)揮現有計算機技術，使儀器的測試和測量及自動化工業(yè)的系統測試和監(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?？丶闪诵o、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，用戶就對整個系統實現圖形化描述， 基于 LABVIEW 的虛擬函數信號發(fā)生器的設計與研究 第 14 頁 共 34 頁 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。 基于 LABVIEW 的虛擬函數信號發(fā)生器的設計與研究 第 15 頁 共 34 頁 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 該模塊后面板框圖程序如圖 所示。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。 圖 基本函數波形產生模塊框圖程序 基于 LABVIEW 的虛擬函數信號發(fā)生器的設計與研究 第 16 頁 共 34 頁 圖 基本函數波形產生模塊前面板 多頻信號產生模塊 多頻信號產生模塊框圖程序和前面板分別如圖 和圖 所示。 圖 多頻信號產生模塊框圖程序 基于 LABVIEW 的虛擬函數信號發(fā)生器的設計與研究 第 17 頁 共 34 頁 圖 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