【文章內容簡介】 多相似之處，如相似的數(shù)據(jù)類型、數(shù)據(jù)流控制結構、程序調試工具，以及模塊化的編程特點等 [2]。 但二者最大的區(qū)別在于：傳統(tǒng)編程語言用文本語言編程；而 LabVIEW 使用圖形語言（即各種圖標、圖形符號、連線等）編程，界面非常直觀形象，而且使用的都是測試工程師們熟悉的旋鈕、開關、波形圖等 ，因此是一種直覺式圖形程序語言。用 LabVIEW 編程無須太多編程經(jīng)驗，只要以很直覺的方法建立前面板人機界面和方框圖程序，便可以完成編程過程，使用戶免于傳統(tǒng)程序語言線性結構的困擾，這對于沒有豐富編程經(jīng)驗的工程師們來說無疑是個極好的選擇。同時，LabVIEW 的執(zhí)行順序是依方框圖間數(shù)據(jù)的傳遞來決定的，并不像傳統(tǒng)文字式編程語言必須逐行地執(zhí)行，因此用戶能設計出可同時執(zhí)行多個程序的流程圖。 采用 LabVIEW 編程，其主要特點就是將虛擬儀器分解為若干基本的功能模塊（相當于硬件設計的集成電路），模塊的引腳代表輸入 /輸出接口 。編程者可以通過交互式手段，采用圖形化框圖設計的方法，完成虛擬儀器的邏輯和測量分析功能設計。 LabVIEW 程序設計過程與人們設計儀器的思維過程十分相似，程序框圖就實現(xiàn)了程序代碼功能，避免了一般程序設計從框圖構思到程序表示的繁瑣。 LabVIEW 編程的另一個優(yōu)點是將軟件的界面設計與功能設計獨立開來，修改人機交互界面無須對整個程序進行調試，這對設計像儀器操作面板這樣復雜的人機界面而言是十分方便的。 LabVIEW 還為用戶提供了函數(shù)擴展功能，從而可以調用 C 等傳統(tǒng)編程語言寫的程序代碼、調用標準動態(tài)鏈接庫等。 對于構建虛 擬儀器， LabVIEW 有許多特點和優(yōu)勢，諸如：儀器控制與數(shù)據(jù)采集的圖形化編程；直觀明了的前面板用戶界面和流程圖式的編程風格；內置的編譯器可加快執(zhí)行速度；數(shù)據(jù)采集 DAQ 函數(shù)庫可讓用戶采集測量信號或發(fā)出控制信號，適合應用于快速且直接的控制； 650 多種儀器驅動程序，可驅動超過 50多家廠商制造的儀器；內容豐富的高級分析庫，可進行信號處理、統(tǒng)計、曲線擬合以及復雜的分析工作；利用 Activex， DDE 以及 TCP/IP 進行網(wǎng)絡連接和進程基于 LabVIEW 的虛擬儀器教學系統(tǒng)的設計 通信；適用于 Windows NT/9X/XP， MacOS， HP2UX， Sun 以及 Concurrent 實時計算機等等 [3]。 LabVIEW 現(xiàn)成的人機界面工具可幫助用戶很快地構成所需的圖形化人機界面，包括趨勢圖、按鈕、 LED 指示燈和圖表等，完全無須從頭開始去設計這些元件。并可更進一步以 LabVIEW 的 PC 工具箱或其它繪圖軟件來訂制人機界面元件，藉以呈現(xiàn)儀控符號和系統(tǒng)流程圖。 LabVIEW 的特色還在于擁有功能超強大且龐大的分析函數(shù)庫，足以與專業(yè)數(shù)學分析套裝軟件相匹敵。 2． 5 設計本 虛擬儀器 系統(tǒng)所采用 的方法 LabVIEW 的圖形化程序設計是基于現(xiàn)代軟件的面向對象技術和數(shù)據(jù)流技術而發(fā)展起來的。數(shù)據(jù)流 程序設計表示只有在所有輸入都有效時，一個對象才開始執(zhí)行，同樣，只有當對象的功能完成以后，對象輸出才有效。這樣的話，互相在對象間的數(shù)據(jù)流控制執(zhí)行順序，執(zhí)行順序不局限于來自文本式程序設計的線性順序，它可以不受其限制。用戶能夠通過連接模塊來快速開發(fā)自己的應用程序，甚至能夠使用多路數(shù)據(jù)通道，實現(xiàn)同步操作。 與傳統(tǒng)的文本式程序設計一樣， LabVIEW 也有控制流程圖功能執(zhí)行的部分，它們包括 Sequence Case Statement， For Loop， While Loop，它們被圖形化地描述成邊界結構，像在傳統(tǒng)的線形 化程序設計中可以插入代碼段一樣，可以把圖標放在 LabVIEW 圖形結構的界限內部。 LabVIEW 有一個圖形編輯器來產(chǎn)生最優(yōu)化的編輯代碼，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(chǎn)生虛擬儀器，就像獨立的執(zhí)行程序一樣。下面按步驟說明進行圖形化的程序設計。 1. 建立方案：選用 LabVIEW 軟件，可以構建虛擬儀器而不是編寫程序。有了交互式控制的軟件系統(tǒng)，用戶可以很方便地建立其前面板窗口。為了實現(xiàn)具體的功能，用戶利用向導把流程圖結合在一起。 2. 建立前面板：從控制模板上選擇你需要的對象，放在虛 擬儀器的前面板上?？刂颇０迳系膶ο蟀〝?shù)字顯示、表頭、壓力計、熱敏計外殼、表、圖片等。當你的虛擬儀器完成以后，就能在虛擬儀器工作十利用前面板去控制整個系統(tǒng)，如移動滑動片、在圖象中變向、從鍵盤輸入等。 3. 構建圖形化的流程圖：對虛擬儀器進行程序設計，你不必擔心很多傳統(tǒng)設計所需的語法細節(jié)，而可自己構建流程圖。從功能模板上選擇對象（用圖標表基于 LabVIEW 的虛擬儀器教學系統(tǒng)的設計 示），并用線將它們連接起來以便數(shù)據(jù)進行傳遞。功能模塊上的對象包括簡單的數(shù)學運算、高級數(shù)據(jù)采集和分析方法、以及網(wǎng)絡和文件輸入輸出操作。 4. 數(shù)據(jù)流程序設計： LabVIEW 用一 種精巧的數(shù)據(jù)流程序設計模式把用戶從文本式語言的線形化方式構建程序的方法中解放出來。因為在 LabVIEW 軟件中程序的執(zhí)行順序由各方塊中的數(shù)據(jù)流決定。你也可以建立同步操作的流程圖。LabVIEW 軟件是一個多任務系統(tǒng) —— 具有多線程功能并運行多個虛擬儀器。 5. 模塊化和層次： LabVIEW 虛擬儀器實行模塊化設計，因而任何虛擬儀器既能獨立運行，又能被用作其他虛擬儀器的一部分。甚至可以創(chuàng)建自己的虛擬儀器圖標，因而可以設計由虛擬儀器構成的多層系統(tǒng)，并可以改變它，同其他虛擬儀器交換和連接以滿足不斷變化的應用需要。 6. 圖形編輯器：在許多場合，程序運行速度都很關鍵。 LabVIEW 軟件是唯一的帶有編輯器的圖形化編程環(huán)境，可以產(chǎn)生最優(yōu)化的代碼，其運行速度與編譯 C 的速度相當。利用內置的繪圖器，甚至能夠對時間很關鍵的代碼部分進行分析和優(yōu)化。因而，不會因為圖形化編程降低了效率。圖形化程序設計編程簡單、直觀、開發(fā)效率高。 3 基于 labVIEW的虛擬儀器 3． 1 虛擬儀器頻譜分析儀 3． 1． 1 虛擬儀器頻譜分析儀的實驗原理 信號的頻譜描述是以頻譜 f（ ? =2? f） 為橫坐標變量來描述信號幅值、相位的變化規(guī)律。 3． 1． 1． 1 周期信號與離散頻譜 在有限的區(qū)間上滿足狄里赫利條件的周期函數(shù) x(t)可以展開成傅立葉級數(shù)。傅立葉級數(shù)有兩種表達式 1. 傅立葉級數(shù)的三角函數(shù)展開式： x(t)=???0n bnsinn? t+???0n ancosn? t = 20a +???1n(bn sinn? t+an cosn? t) 基于 LabVIEW 的虛擬儀器教學系統(tǒng)的設計 =20a+???1n Ansin(n? t+?n) 式中： a0=T2 dttXT?? )(是直流分量； an= dttntXT?? ?cos)( 是余弦分量的幅值； bn=T2 dttntXT?? ?sin)(是正弦分量的幅值； An= bann 22?是各頻率分量的幅值； ?n=arctanbann 是各頻率分量的相位； ?= T?2 是角頻率 [8]； 以角頻率 n? 為橫軸，幅值 An或相角 ?n為橫軸作圖，則 分別得到幅頻譜圖和相頻譜圖，它們是單邊譜， n? 由 0→∞ 。 2. 傅立葉級數(shù)的復指數(shù)函數(shù)展開式： x(t)=?????m cmetjm? (m=0， ? 1， ? 2) (31) 式中 cm為傅立葉系數(shù)。 cm=am+bm=|cm|emj? (32) 又 cm=am+jbm=|cm|emj? 根據(jù)歐拉公式 etjm? = cosm? tj sinm? t，代入式 (32)可得 am =T1 dttmtXT?? ?cos)( =21 an bm =T1 dttmtXT?? ?sin)( =21 bn |cm |= 21 ba nn 22? =21 An ?m =arctanbamm =2? ?n m=0，常值分量 c0 = 20a =T1 dttXT?? )( 基于 LabVIEW 的虛擬儀器教學系統(tǒng)的設計 以 |cm|m? 和 ?mm? 作圖分別為幅頻譜圖和相頻譜圖，它們都是雙邊譜， m?從 ∞ → +∞ 。 3. 周期信號頻譜的特點 [8] ? 離散性。只在 n? 離散值上取值或只在 m? 離散點上取值。 ? 諧波性。每條譜線只出現(xiàn)在基波頻率的整數(shù)倍的頻率上，基波頻率是主分量頻率的公約數(shù)，相鄰譜線間隔為 ? 。 ? 收斂性。常見的周期信號幅值總的趨勢是隨諧波次數(shù)的增高而減小。由于這種收斂性，實際測量中可以在一定誤差允許范圍內忽略次數(shù)過高的諧波分量 [8]。 3． 1． 1． 2 非周期信號與連續(xù)頻譜 1. 頻譜 密度函數(shù) X(w) 對于 非周期信號，可以看作周期 T 為無窮大的周期信號。當周期趨近無窮大時，則基波譜線及譜線間隔 ? = T?2 趨近無窮小，從而離散的頻譜就變成了連續(xù)的，所以非周期信號的頻譜是連續(xù)的。 傅立葉級數(shù)的復指數(shù)函數(shù)展開式為： x(t)=?????m cmjmte?? (33) 傅 立葉系數(shù) cm =T1 ()T jm tX t dte? ??? (34) 當周期 T→∞ ，譜線間隔 ? =2? /T 趨近無窮小，離散量 m? ( m=0， ? 1，? 2,?? )變?yōu)檫B續(xù)量，傅立葉系數(shù) cm 的模 |cm |趨于無窮小，故作不出 |cm |m? 的幅頻圖，但各條譜線比例保持不變。將它放大 T 倍，則 (34)變?yōu)椋? limT?? cm =limT?? kiNw 因為有 ? → d? ，所以有 limd??? cm 2d?? = ? ? jm tx t dte?? ????? 由于時間 T 是積分變量，故上式積分后，僅是 ? 的函數(shù)，并記作 X( ? )或? ?()Fxt ，即 基于 LabVIEW 的虛擬儀器教學系統(tǒng)的設計 X(? )= ? ?()Fxt = () jm tXte?? ?????dt= 0limd?? cm 1df X(? )或 X(f)表示單位頻段的頻率分量，是復數(shù)，稱為 x(t)的頻率密度函數(shù)。 2. 非周期信號的傅立葉積分表示 作為周期 T 為無窮大的非周期信號，當周期 T→∞時，頻譜譜線間隔? → d? ， T→ 2d?? ，離散變量 m? → ? 變?yōu)檫B續(xù)變量，求和運算就變成求積分運算。于是 (33)就變?yōu)椋? x(t)= 1lim jm tmT m TT Ce? ??? ????= limd??? 2d?? ()jtX e ??????? = 1 ()2 Xd??? ????? 這就是傅立葉積分。記為 x(t)= ? ?1 ()xF ?? 。于是就有 ()X? = () jtXte ??? ???? dt x(t)= 12? ()jtX e ???????d? 將 ? =2? f 帶入以上兩式，得 x(t)= 2() j ftXfe ??????df X(f)= 2() j ftX t dte ??? ???? X(? )=2? X(f) 作 | X(? )? |或 |X(f)f|圖，就稱為非周期信號的幅值譜密度。 非周期信號用傅立葉級數(shù)來表示，其頻譜為連續(xù)的，它由無限多個頻率無限接近的頻率成分組成。各頻率上譜線幅值趨于無窮小，故用頻譜密度表示，它在數(shù)值上相當于將分量放大 T=2? /d? 倍，同時保持各頻率分量幅值相對分布規(guī)律不變。 3． 1． 1．