【正文】 由于時(shí)間關(guān)系， LabVIEW 所具有的強(qiáng)大功能還有許多是作者未曾開(kāi)發(fā)和加以很好利用的， 如 Advance 和 Communication 等，這是一個(gè)遺憾。 本流程圖采用乘法器實(shí)現(xiàn)兩個(gè)正弦波信號(hào)的調(diào)制，采用前一節(jié)設(shè)計(jì)的巴特沃斯低通濾波器實(shí)現(xiàn)解調(diào)器，如圖 310 所示 基于 LabVIEW 的虛擬儀器教學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 310 調(diào)幅波解調(diào)器流程圖編輯窗口 基于 LabVIEW 的虛擬儀器教學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 4 結(jié)論 數(shù)字 信號(hào) 處理 技術(shù)和工程測(cè)試技術(shù)是本文理論知識(shí)的基礎(chǔ)，而虛擬儀器的基本思想和 LabVIEW 開(kāi)發(fā) 平臺(tái)則是程序開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)過(guò)程中有力的工具。 3． 3． 2 儀器功能 該儀器的功能是生成兩個(gè)幅值、相位和頻率可調(diào)的正弦波，這兩個(gè)正弦波一個(gè)是高頻信號(hào)作為載波信號(hào)，另一個(gè)是低頻信號(hào)作為調(diào)制信號(hào)。解調(diào)器中的乘法器有兩個(gè)輸入信號(hào)，一個(gè)是待解調(diào)的調(diào)幅波 u(t): 式中 E 為比例常數(shù)。 基于 LabVIEW 的虛擬儀器教學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 圖 315 虛擬巴特沃斯濾波器后面板流程圖 調(diào)試和運(yùn)行 對(duì)信號(hào)頻率、采樣頻率和采樣點(diǎn)數(shù)的設(shè)置原則，前面已經(jīng)介紹的很詳細(xì)了，這里不再贅述。 Butterworth 如圖 314 所 示 ， 其 到 達(dá) 路 徑 為 ： All function→ Analyze→ Signal Processing→ Filter。 虛擬巴特沃斯濾波器前面板設(shè)計(jì) 前面板由兩個(gè) Waveform Graph 控件、兩個(gè) Enum 控件和八個(gè) Numeric Controls 控件組成。典型信號(hào)頻率在 ～ 10KHz 范圍內(nèi)可調(diào)，最大幅值在 0V～5V 范圍內(nèi)可調(diào)，初始相位在 0～ 180 范圍內(nèi)可調(diào)。其幅頻特性為： |H(? )|= 211nc????????? 式中 c? 是低通截止頻率， n= 3??為濾波器的階次。在截止頻率處 3dB 衰減。 應(yīng)注意的問(wèn)題：控件參數(shù)設(shè)置應(yīng)考慮到采樣頻率 、數(shù)字頻率 一個(gè)周期采樣點(diǎn)數(shù) n 與總點(diǎn)數(shù) N=Samples 的關(guān)系： 故 的最大值應(yīng)是仿真信號(hào)頻率 最大值的 n 倍，且 N》 =n。 LabVIEW 雖然為我們提供完善的調(diào)試工具，但仍然存在著許多隱含在程序內(nèi)部的錯(cuò)誤無(wú)法發(fā)現(xiàn)。高內(nèi)聚、低偶合是模塊化編程遵循的一個(gè)基本原則，只有如此程序才可能有較好的可維護(hù)性。在程序集成時(shí)需要注意的問(wèn)題有： 數(shù)據(jù)流向問(wèn)題 在上文已經(jīng)提到過(guò)，由于 LabVIEW 是數(shù)據(jù)流驅(qū)動(dòng)式編程語(yǔ)言，因此在各個(gè)模塊集成時(shí)，更應(yīng)注意數(shù)據(jù)流向的問(wèn)題。實(shí)質(zhì)上顯示模塊還包含基于 LabVIEW 的虛擬儀器教學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 許多附屬的顯示項(xiàng)，如：坐標(biāo)單位顯示，最大值及其相應(yīng)位置顯示，時(shí)限顯示，數(shù)據(jù)存取文件索引顯示等許多內(nèi)容。 圖 34 為讀取存儲(chǔ)文件的基本框圖，其基本流程為： 打開(kāi)或創(chuàng)建一 個(gè)指定路徑（ file path） 的文件； 將 S readsheet 格式文件轉(zhuǎn)換為二維單精度數(shù)字?jǐn)?shù)組（讀）或?qū)⒍S單精度數(shù)字?jǐn)?shù)組轉(zhuǎn)換為 Spreadsheet 文件格式（寫）； 關(guān)閉文件。 LabVIEW可以讀寫文本文件（ txt） 、數(shù)據(jù)表文件（ spreadsheets） 和二進(jìn)制文件（ dat） 。 33 數(shù)據(jù)處理模塊程序流程 3． 1． 2． 3 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊 為了解決前文提到的“柵欄效應(yīng)”和“泄露”問(wèn)題我們將 LabVIEW在 Windows. Vi 子模塊與窗函數(shù)中提供的海寧窗、漢明窗、三角窗、 Blackman、 Exact Blackman、基于 LabVIEW 的虛擬儀器教學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì) flat Top 等子 VI 放在一個(gè) Case 結(jié)構(gòu)中形成了“窗函數(shù)選擇”。數(shù)學(xué)頻率 f 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 這里特別提請(qǐng)讀者注意，不要混淆歸一化頻率和采樣頻率的概 念。我們只需將需要的各個(gè)子 VI 放入一個(gè) case 結(jié)構(gòu)即可構(gòu)成典型信號(hào)生成模塊， case 結(jié)構(gòu)類似于 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。由于 LabVIEW 是基于模塊化程序設(shè)計(jì)思想，因此在開(kāi)發(fā)過(guò)程中也是基本上遵循著這一基本思想，在總體方案確定后，根據(jù)所需的不同功能分別組建各種功能模塊，最后再集成和調(diào)試。 虛擬信號(hào)頻譜分析儀 的功能主要是用來(lái)對(duì)生成的仿真信號(hào)進(jìn)行 FFT 變換，獲得該時(shí)域信號(hào)的頻譜圖。如基 2 時(shí)間奇偶分解算法等。因此，其頻譜的特點(diǎn)是具有離散性、諧波性、周 期性。 2. 離散傅立葉變換 當(dāng)采樣點(diǎn) i=0、 2?? N，共有 N 個(gè)，即無(wú)限長(zhǎng)信號(hào)截?cái)嗪笞優(yōu)橹芷谛盘?hào)，頻譜由連續(xù)譜變?yōu)殡x散譜，即 ? =K 2NT? (K=0、 ?? N1)，于是有離散傅立葉變換 (DFT)的定義式如下： X(K)= 10Ni???x(iT) 2jk ine ?? = 10Ni???x(i) kiNw (35) x(t)=1N X(K) 2jk ine? =1N 10NK???X(K) kiNw? (36) 式中 Nw = 2jk ine ?? 是復(fù)數(shù)因子。即采樣頻率s?，必須滿足關(guān)系： s?≥ 2m? 式中m?為信號(hào)的最高頻率分量。采 樣信號(hào)的頻譜在幅值上比信號(hào) x(t)的頻譜X(? )放大了 1/T 倍，并呈現(xiàn)周期行，周期為s?。各頻率上譜線幅值趨于無(wú)窮小，故用頻譜密度表示，它在數(shù)值上相當(dāng)于將分量放大 T=2? /d? 倍，同時(shí)保持各頻率分量幅值相對(duì)分布規(guī)律不變。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。當(dāng)周期趨近無(wú)窮大時(shí)，則基波譜線及譜線間隔 ? = T?2 趨近無(wú)窮小，從而離散的頻譜就變成了連續(xù)的，所以非周期信號(hào)的頻譜是連續(xù)的。 ? 收斂性。 3. 周期信號(hào)頻譜的特點(diǎn) [8] ? 離散性。 3． 1． 1． 1 周期信號(hào)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(kāi)成傅立葉級(jí)數(shù)。利用內(nèi)置的繪圖器，甚至能夠?qū)r(shí)間很關(guān)鍵的代碼部分進(jìn)行分析和優(yōu)化。 5. 模塊化和層次： LabVIEW 虛擬儀器實(shí)行模塊化設(shè)計(jì)，因而任何虛擬儀器既能獨(dú)立運(yùn)行，又能被用作其他虛擬儀器的一部分。 4. 數(shù)據(jù)流程序設(shè)計(jì)： LabVIEW 用一 種精巧的數(shù)據(jù)流程序設(shè)計(jì)模式把用戶從文本式語(yǔ)言的線形化方式構(gòu)建程序的方法中解放出來(lái)。當(dāng)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(gè)系統(tǒng)，如移動(dòng)滑動(dòng)片、在圖象中變向、從鍵盤輸入等。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。 LabVIEW 有一個(gè)圖形編輯器來(lái)產(chǎn)生最優(yōu)化的編輯代碼，虛擬儀器執(zhí)行他們相當(dāng)編譯 C 的速度。數(shù)據(jù)流 程序設(shè)計(jì)表示只有在所有輸入都有效時(shí)，一個(gè)對(duì)象才開(kāi)始執(zhí)行，同樣，只有當(dāng)對(duì)象的功能完成以后，對(duì)象輸出才有效。 LabVIEW 現(xiàn)成的人機(jī)界面工具可幫助用戶很快地構(gòu)成所需的圖形化人機(jī)界面，包括趨勢(shì)圖、按鈕、 LED 指示燈和圖表等，完全無(wú)須從頭開(kāi)始去設(shè)計(jì)這些元件。 LabVIEW 程序設(shè)計(jì)過(guò)程與人們?cè)O(shè)計(jì)儀器的思維過(guò)程十分相似，程序框圖就實(shí)現(xiàn)了程序代碼功能，避免了一般程序設(shè)計(jì)從框圖構(gòu)思到程序表示的繁瑣。用 LabVIEW 編程無(wú)須太多編程經(jīng)驗(yàn)，只要以很直覺(jué)的方法建立前面板人機(jī)界面和方框圖程序，便可以完成編程過(guò)程，使用戶免于傳統(tǒng)程序語(yǔ)言線性結(jié)構(gòu)的困擾，這對(duì)于沒(méi)有豐富編程經(jīng)驗(yàn)的工程師們來(lái)說(shuō)無(wú)疑是個(gè)極好的選擇。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，也可以在流程圖程序窗口的空白處點(diǎn)擊鼠標(biāo)右鍵以彈出功能模板，功能模板如圖 15 所示。如果控制模板不顯示，可以用 Windows 菜單的 Show Controls Palette 功能打開(kāi)它，也可以在前面板的空白處，點(diǎn)擊鼠標(biāo)右鍵，以彈出控制模板。當(dāng)從模板內(nèi)選擇了任一種工具后，鼠標(biāo)箭頭就會(huì)變成該工具相應(yīng)的形狀。 2． 4． 2 LabVIEW 的操作模板 在 LabVIEW的用戶界面上，應(yīng)特別注意它提供的操作模板，包括工具（ Tools）基于 LabVIEW 的虛擬儀器教學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 模板、控制（ Controls）模板和函數(shù)（ Functions）模板。流程圖中包括前面板上的控件和連線端子，還有一些前面板上沒(méi)有，但編程必須有的東西，例如函數(shù)、結(jié)構(gòu)和連線等。 2． 4 LabVIEW 開(kāi)發(fā)平臺(tái)介紹 2． 4． 1 LabVIEW 應(yīng)用程序的構(gòu)成 所有的 LabVIEW 應(yīng)用程序，即虛擬儀器（ NI），它包括前面板（ front panel）、流程圖（ block diagram）以及圖標(biāo) /連接器（ icon/connector）三部分。據(jù)專家預(yù)測(cè)，到本世紀(jì)初我國(guó)將有 50%的儀器為虛擬儀器。 目前，我國(guó)正處于科學(xué)技術(shù)和教育事業(yè)蓬勃發(fā)展的新時(shí)期，對(duì)儀器設(shè)備的需求將更加強(qiáng)勁。 2． 3． 3 虛擬儀器的發(fā)展前景 虛擬儀器依靠其自身的優(yōu)勢(shì)使它在儀器市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)力不斷增強(qiáng)。 在一定通用硬件模塊和軟件環(huán)境的支持下，用戶可以根據(jù)實(shí)際情況夠設(shè)自己的測(cè)試方案，以完成不同的測(cè)試任務(wù)。使用虛擬儀器不但可以節(jié)約大量?jī)x器設(shè)備的經(jīng)費(fèi)投入，而且能夠提高教學(xué)科研的質(zhì)量與效率。虛擬儀器廣泛應(yīng)用于信號(hào)處理、電子測(cè)量、電力工程、物礦探測(cè)、醫(yī)療、振動(dòng)分析、聲學(xué)分析、故障診斷及教學(xué)科研等諸多領(lǐng)域。以 LabVIEW 為例，他能夠支持串行接口、 GPIB 及VXI 等標(biāo)準(zhǔn) 總線和多種數(shù)據(jù)采集板， LabVIEW 還可以驅(qū)動(dòng)許多儀器公司的儀器，如 HewlettPackard， Philips， Tektronix， Bamp。 2) I/O 接口儀器驅(qū)動(dòng)程序。 PCDAQ/PCI 插卡式虛擬儀器系統(tǒng)充分利用了 PC 計(jì)算機(jī)的機(jī)箱、 總線、電源及軟件資源，但是因而也受到 PC 計(jì)算機(jī)機(jī)箱環(huán)境和計(jì)算機(jī)總線的限制，存在諸多的不足，如電源功率不足、散熱條件差等。 4. A/D 轉(zhuǎn)換器。將前一級(jí)多路開(kāi)關(guān)切換進(jìn)入待采集信號(hào)放大（或衰減）至采樣環(huán)節(jié)的量程范圍內(nèi)。 它的硬件平臺(tái)主要有 PC 計(jì)算機(jī)和數(shù)據(jù)采集卡（ DAQ 卡）組成。 LabVIEW 提供了各種圖形化驅(qū)動(dòng)程序，使用者不必熟悉 PCI 計(jì)算機(jī)總線、 GPIB 總線、 VXI 總線、串口總線，利用 LabVIEW 提供的圖形化驅(qū)動(dòng)程序就可以驅(qū)動(dòng)上述各種總線的 I/O 接口設(shè)備，實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)信號(hào)的輸入、數(shù)據(jù)采集、放大與模 /數(shù)轉(zhuǎn)換，進(jìn)而供計(jì)算機(jī)進(jìn)一步分析處理。使用 ISA總線時(shí)，插在電腦中的數(shù)據(jù)采集板的采集速度最高為 2MBps；使用 PCI 總線時(shí)， 信 號(hào) 調(diào) 理 數(shù) 據(jù) 采 集 卡 數(shù) 據(jù) 處 理 虛 擬 儀 器 面 板 被 測(cè) 對(duì) 象 圖 21 常見(jiàn)虛擬儀器應(yīng)用方案 基于 LabVIEW 的虛擬儀器教學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 最高采集速度可提高到 132MBps。80年代末制造的虛擬儀器頻率分析儀完成一個(gè) 1024點(diǎn)的快速傅立葉變換需要 1秒鐘的時(shí)間；今天的系統(tǒng)可以在 1 毫秒內(nèi)完成同樣的運(yùn)算，速度提高了一千倍。