【正文】 控制，軟件是虛擬儀器設(shè)計(jì)的核心。虛擬儀器中硬件的主要功能是獲取真實(shí)世界中的被測(cè)信號(hào)，而軟件的作用是控制現(xiàn)實(shí)數(shù)據(jù)采集、分析、處理、顯示等功能，并將其集成為儀器操作與運(yùn)行的命令環(huán)境。按照總線的接口方式分為：數(shù)據(jù)采集插卡式（DAQ）虛擬儀器、RS232/RS422 虛擬儀器、并行接口虛擬儀器、USB 虛擬儀器、GPIB 虛擬儀器、VXI 虛擬儀器、PXI 虛擬儀器和最新的 IEEE1394 接口虛擬儀器。把信號(hào)發(fā)生、數(shù)據(jù)采集和信號(hào)處理集成在一起，利用網(wǎng)絡(luò)對(duì)其進(jìn)行控制和處理，并且在軟硬件的升級(jí)方面有很大的改善空間和靈活性，改變了人們對(duì)儀器的傳安徽建筑工業(yè)學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 6 統(tǒng)觀念，適應(yīng)了現(xiàn)代測(cè)試系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化、智能化發(fā)展趨勢(shì)。 隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和個(gè)人電腦技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展，傳統(tǒng)儀器開始向計(jì)算機(jī)化的方向發(fā)展，人們開始考慮使用電腦來(lái)處理傳統(tǒng)儀器所測(cè)數(shù)據(jù)。它可以金星一些簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)的后處理由計(jì)算機(jī)軟件完成，這就是虛擬儀器技術(shù)的雛形。虛擬儀器技術(shù)的提出與發(fā)展，標(biāo)志著二十一世紀(jì)自動(dòng)測(cè)試與電子測(cè)量?jī)x器領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要方向。 本文圍繞基于 LabWindows/CVI 的虛擬信號(hào)發(fā)生器的研究與設(shè)計(jì)，主要完成以下工作：1. 基于 LabWindows/CVI 的信號(hào)發(fā)生器的硬件平面設(shè)計(jì)。 3. 虛擬信號(hào)發(fā)生器的仿真調(diào)試運(yùn)行結(jié)果。labwindows/cvi 軟件，它以 ANSI C 為核心，功能強(qiáng)大，使用靈活的 C 語(yǔ)言平臺(tái)與數(shù)據(jù)采集，分析和表達(dá)的測(cè)控專業(yè)的工具有機(jī)的結(jié)合起來(lái)。 LabWindows/CVI 概述 LabWindows/CVI 是面向儀器與測(cè)控過(guò)程的交互式 C/C++開發(fā)平臺(tái)，它是一個(gè)用 C 語(yǔ)言構(gòu)建儀器系統(tǒng)的交互式軟件開發(fā)環(huán)境，可以模塊化方式對(duì) C 語(yǔ)言進(jìn)行編輯、編譯、連接和調(diào)試。6. 多種靈活的程序調(diào)試手段。安徽建筑工業(yè)學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 8 LabWindows/CVI 的特點(diǎn) LabWindows/CVI 作為一個(gè)優(yōu)秀的軟件開發(fā)平臺(tái)，和其他虛擬儀器開發(fā)工具相比，具有如下特點(diǎn)：(1)交互式的程序開發(fā) LabWindows/CVI 將源代碼編程、32 位 ANSIC 編譯、連接、調(diào)試及標(biāo)準(zhǔn)ANSIC 庫(kù)等集成在一個(gè)交互式開發(fā)平臺(tái)中，采用簡(jiǎn)單直觀圖形用戶界面設(shè)計(jì)，利用函數(shù)面板輸入函數(shù)參數(shù)的參數(shù)，采用事件驅(qū)動(dòng)方式和回調(diào)函數(shù)方式的編程技術(shù)，有效的提高了工程設(shè)計(jì)的效率和可靠性。同時(shí)，LabWindows/CVI 附加了各種軟件開發(fā)包，如數(shù)據(jù)庫(kù)軟件包、Inter 軟件包、小波分析軟件包等，大大增強(qiáng)了 LabWindows/CVI 的性能。 LabWindows/CVI 以面向虛擬儀器的交互式開發(fā)環(huán)境，滿足看用戶對(duì)軟件不斷變化的要求，在產(chǎn)品的設(shè)計(jì)中，可以快速的創(chuàng)建、配置并顯示測(cè)量。1. 開放式的框架結(jié)構(gòu)在 LabWindows/CVI 環(huán)境中，可以結(jié)合使用標(biāo)準(zhǔn)的 ANSIC 源文件、obj 文件和動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)（DLL）。同時(shí)，可以在不同的工作小組之間共享函數(shù)模塊和虛擬儀器程序。這一開發(fā)方式結(jié)合了交安徽建筑工業(yè)學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 9 互式、簡(jiǎn)單易用的開發(fā)方式與 ANSIC 代碼的強(qiáng)大編寫功能和靈活性。 基于 LabWindows/CVI 的虛擬儀器構(gòu)成基于 LabWindows/CVI 虛擬儀器通常由通用儀器硬件平臺(tái)和應(yīng)用軟件兩大部分構(gòu)成。計(jì)算機(jī)一般為一臺(tái) PC 或工作站，它是硬件平臺(tái)的核心。根據(jù)采用不同的總線及其相應(yīng)的 I/O 接口硬件設(shè)備，如 PC 總線的數(shù)據(jù)采集卡/板(DAQ)、GPIB 總線儀器模塊、VXI 總線儀器模塊和串口總線儀器等，虛擬儀器的構(gòu)成只要分為 5中類型，如圖 11 所示圖 21 虛擬儀器結(jié)構(gòu)框圖安徽建筑工業(yè)學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 10 上述各種虛擬儀器系統(tǒng)都是通過(guò)應(yīng)用軟件將儀器硬件與計(jì)算機(jī)相結(jié)合構(gòu)成的，其中，串口測(cè)試系統(tǒng)是構(gòu)成虛擬儀器的最簡(jiǎn)單、最基本的方式。應(yīng)用程序包含兩個(gè)方面：1. 實(shí)現(xiàn)虛擬儀器面板的流程圖軟件程序。I/O 接口儀器驅(qū)動(dòng)程序完成特定的外部硬件設(shè)備的擴(kuò)展、驅(qū)動(dòng)和通信。輸入信號(hào)的測(cè)量將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)并輸入到計(jì)算機(jī)中。處理內(nèi)容包括數(shù)字信號(hào)處理、數(shù)字濾波、統(tǒng)計(jì)處理、數(shù)值計(jì)算與分析等。例如，虛擬儀器可以通過(guò)總線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸、通過(guò)文件將測(cè)試數(shù)據(jù)存于硬盤內(nèi)存中、計(jì)算機(jī)屏幕顯示或圖形用戶接口。圖 23 用 LabWindows/CVI 設(shè)計(jì)的虛擬儀器軟件組成1．*.prj 文件：工程文件，由*.uir 文件、*.c 文件和*.h 文件組成。文件由上部分組成，即頭文件（*.h）、主程序文件（Main）和回調(diào)函數(shù)（CallBack），其結(jié)構(gòu)和 C 語(yǔ)言的結(jié)構(gòu)一致。該文件中包含儀器面板中的各類控件，如按鈕、開關(guān)等，每個(gè)控件都有自己的屬性，如按鈕的名稱，面板的標(biāo)題、長(zhǎng)度、位置等。4．*.h 文件：頭文件，與 C 中的*.h 文件結(jié)構(gòu)完全一致在 LabWindows/CV中，*.h 文件是自動(dòng)生成的，當(dāng)設(shè)計(jì)完*.uir 文件后，會(huì)自動(dòng)生成*.h 文件。安徽建筑工業(yè)學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 12 虛擬儀器技術(shù)及發(fā)展 虛擬儀器特點(diǎn)虛擬儀器是計(jì)算機(jī)技術(shù)介入儀器領(lǐng)域所形成的一個(gè)新型的富有生命力的儀器種類。（2）開放性好具有開放性的規(guī)模化設(shè)計(jì)，便于用戶根據(jù)測(cè)試任務(wù)隨心所欲的組建儀器或系統(tǒng)，儀器擴(kuò)充、聯(lián)網(wǎng)和升級(jí)十分方便。（4）界面友好，使用方便?？傮w而言，虛擬儀器是測(cè)量/測(cè)試領(lǐng)域的一個(gè)創(chuàng)新概念，改變了人們對(duì)儀器的傳統(tǒng)觀念，適應(yīng)了現(xiàn)代測(cè)試系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化、智能化發(fā)展趨勢(shì)。另一方面，采用虛擬儀器技術(shù)，根據(jù)實(shí)際工藝和控制要求，將分布在企業(yè)不同位置的各個(gè)測(cè)量?jī)x器和控制裝置連接為一個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，通過(guò)計(jì)算機(jī)實(shí)施控制和管理，可降低成本，提高工業(yè)自動(dòng)化改造的經(jīng)濟(jì)效益。目前，像數(shù)字示波器、頻譜分析儀和邏輯分析儀等要主要依賴進(jìn)口。這是采用高新技術(shù)改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的一個(gè)大有作為的領(lǐng)域。這種變化給實(shí)驗(yàn)教學(xué)帶 來(lái)了新的教學(xué)理念。 虛擬儀器的發(fā)展 電子測(cè)量?jī)x器發(fā)展至今，答題可以分成四代：模擬儀器、數(shù)字化儀器、智能化儀器和虛擬儀器。如指針式萬(wàn)用表、指針式電壓表、指針式電流表等，他們的基本結(jié)構(gòu)是電磁機(jī)械式的，借助指針來(lái)顯示最終結(jié)果。數(shù)字式儀器目前相當(dāng)普及，如數(shù)字式電壓表、數(shù)字式頻率計(jì)等。第三代：智能儀器。它的功能全部都是以硬件（或固化的硬件）的形式存在，無(wú)論是開發(fā)還是應(yīng)用，都缺乏靈活性。虛擬儀器是現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)和測(cè)量技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，是傳統(tǒng)儀器觀念的一次巨大變革，是儀器行業(yè)發(fā)展的一個(gè)重要方向。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、儀器技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的不斷完善，虛擬儀器將向三個(gè)方面發(fā)展：（1） 外掛式虛擬儀器安徽建筑工業(yè)學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 14 （2） PXI 型高精度集成虛擬儀器測(cè)試系統(tǒng)（3） 網(wǎng)絡(luò)化虛擬儀器第三章 虛擬信號(hào)發(fā)生器的理論研究 虛擬信號(hào)發(fā)生器的基本原理 信號(hào)發(fā)生器又稱信號(hào)源或震蕩器，在生產(chǎn)實(shí)踐和科技領(lǐng)域中有廣泛的應(yīng)用。能夠產(chǎn)生多種波形，如三角波、矩形波（含方波）、正弦波的電路被稱為函數(shù)信號(hào)發(fā)生器。例如在通信、廣播、電視系統(tǒng)中，都需要射頻（高頻）發(fā)射，這里的射頻波就是載波，把音頻（低頻）、視頻信號(hào)或脈沖信號(hào)運(yùn)載出去，就需要能夠產(chǎn)生高頻的振蕩器。函數(shù)信號(hào)發(fā)生器的實(shí)現(xiàn)方法通常有以下幾種：：通常是單函數(shù)發(fā)生器且頻率不高，其工作不穩(wěn)定，不易調(diào)試。早期的函數(shù)信號(hào)發(fā)生器 IC，如 L803XR2207/2209 等，他們的功能較少，精度不搞，頻率上限只有 300KHz,無(wú)法產(chǎn)生更高的頻率信號(hào)，調(diào)試方式也不夠靈活，頻率和占空比不能獨(dú)立調(diào)節(jié)，二者相互影響。MAX038 頻率高、精度好，因此它被稱為高頻精密函數(shù)信號(hào)發(fā)生器 IC。 DDS 芯片的函數(shù)發(fā)生器：能產(chǎn)生任意波形并達(dá)到很高的頻率。 生產(chǎn)所需參數(shù)的電測(cè)試信號(hào)儀器。主要用于測(cè)量電路和系統(tǒng)的頻率特性、非線性失真、增益及敏度等。②函數(shù)（波形）信號(hào)發(fā)生器。除供通信、儀表和自動(dòng)控制系統(tǒng)測(cè)試用外，還廣泛用于其他非電測(cè)量領(lǐng)域。能產(chǎn)生寬度、幅度和重復(fù)頻率可調(diào)的矩形脈沖的發(fā)生器，可用以測(cè)試線性心痛的瞬態(tài)響應(yīng)，或用作模擬信號(hào)來(lái)測(cè)試?yán)走_(dá)、多路通信和其他脈沖數(shù)字系統(tǒng)的性能。通常又分為噪聲信號(hào)發(fā)生器和偽隨機(jī)信號(hào)發(fā)生器兩類。當(dāng)用噪聲信號(hào)進(jìn)行相關(guān)函數(shù)測(cè)量時(shí)，若測(cè)量時(shí)間不夠長(zhǎng)，會(huì)出現(xiàn)統(tǒng)計(jì)性誤差，可用偽隨機(jī)信號(hào)來(lái)解決。典型值 10ppm 用 OptIE5 時(shí)為 1ppm 幅度：＞ 輸入阻抗：50Ω 輸出阻抗：50Ω 頻帶 頻帶 頻率范圍 N 1 250KHz≤ 1 2 ≤500MHz 3 500MHz≤1GHz 1 4 1≤2GHz 2 5 2≤4GHz 4 頻譜純度 單邊帶相位噪聲（典型值，在 20KHz 頻偏處） 在 500MHz 處：＜120dBc/Hz 在 1000MHz 處：＜116 dBc/Hz 在 2022MHz 處：＜110 dBc/Hz 在 3000 MHz 處：＜104 dBc/Hz 在 4000 MHz 處：＜104 dBc/Hz安徽建筑工業(yè)學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 17 脈沖周期：16181。s30s 分辨率：4181。如工業(yè)過(guò)程控制，生物醫(yī)藥，地震模擬機(jī)械振動(dòng)等領(lǐng)域常常用到低頻信號(hào)源。一旦工作需求功能有增加，則電路復(fù)雜程度會(huì)大大增加。現(xiàn)在帶電子領(lǐng)域中，單片機(jī)的應(yīng)用正在不斷的走向深入，這必將導(dǎo)致傳統(tǒng)控制與檢測(cè)技術(shù)的日益革新。因此，單片機(jī)技術(shù)開發(fā)和應(yīng)用水平已逐步成為一個(gè)國(guó)家工業(yè)發(fā)展水平的標(biāo)志之一。由于單片機(jī)的這種特殊的結(jié)構(gòu)形式，在某些應(yīng)用領(lǐng)域中，它承擔(dān)了大型計(jì)算機(jī)和通用微型計(jì)算機(jī)無(wú)法完成的一些工作。安徽建筑工業(yè)學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 18 單片機(jī)的應(yīng)用使得信號(hào)發(fā)生器的性能價(jià)格比提高很多，控制功能強(qiáng)，集成度高、體積小、可靠性高，并且可以在很低的電壓下工作，功耗降至 μA 級(jí)，一粒紐扣電池就可長(zhǎng)期使用。各種復(fù)雜電路不斷出現(xiàn)，體積不斷縮小，產(chǎn)品更新速度不斷加快。電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)使用常規(guī)的人工方法，要耗費(fèi)大量的人力財(cái)力。電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化得到了快速發(fā)展，大大減輕了設(shè)計(jì)壓力，縮短了設(shè)計(jì)開發(fā)時(shí)間，是電子開發(fā)人員必須掌握的技術(shù)。它是 32 位的面向計(jì)算機(jī)測(cè)控領(lǐng)域的虛擬儀器軟件開發(fā)平臺(tái)，可以在多種操作系統(tǒng)下運(yùn)行。通過(guò)信號(hào)發(fā)生器的計(jì)算機(jī)仿真設(shè)計(jì)研究，初步掌握軟件應(yīng)用及編程和信號(hào)發(fā)生器原理。通過(guò)軟件編程實(shí)現(xiàn)信號(hào)波形生成及頻譜分析。 產(chǎn)生程序代碼。 封裝代碼。連續(xù)信號(hào)與系統(tǒng)的傅里葉分析不便于直接用計(jì)算機(jī)進(jìn)行計(jì)算，使其應(yīng)用受到限制，而本設(shè)計(jì)用到的快速傅里葉變換（簡(jiǎn)稱 FFT）是一種時(shí)域和頻域都是離散化的變換，適合數(shù)值運(yùn)算，成為分析離散和系統(tǒng)的有力工具。安徽建筑工業(yè)學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 20 快速傅里葉變換是離散傅里葉變換 DFT 的一種快速算法，由于有限長(zhǎng)序列在其頻域也可以離散化有限長(zhǎng)序列（DFT），因此離散傅里葉變換（DFT）在數(shù)字信息處理中是非常有用的。這樣運(yùn)算就復(fù)雜了，計(jì)算所需的時(shí)間也會(huì)多一些。因此每一級(jí)運(yùn)算都需要 4 次復(fù)數(shù)乘和 8 次復(fù)數(shù)加。故使用FFT 能大大減少運(yùn)算量，減小了運(yùn)算 時(shí)間，能實(shí)時(shí)完成信號(hào)處理。 儀器硬件面板設(shè)計(jì) 啟動(dòng) Labwindows/CVI 在設(shè)計(jì)面板之前先在 File 菜單中新建 Include(*.h)、Source(*.c)再新建 User Interface(*.uir)面板。創(chuàng)建控件及修改空間屬性。其整體硬件面板如下圖所示： 圖 42 用戶的圖形界面各種控件的相關(guān)屬性設(shè)置如下： 面板:Constant Name 為 PANEL，Panel Title 為“虛擬信號(hào)發(fā)生器”。 安徽建筑工業(yè)學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 22 控件 2： Graph 控件，用于顯示頻譜，Constant Name 為 GRAPH2，Label為“頻譜顯示” Buttom XAxis”中 Axis Name 是“w“ Minimum 為0，Maximum 為 1000。 控件 4：Numeric Dial 控件，用于設(shè)置頻率，Constant Name 為FREQ，Label 為“頻率”, Default Value 為 0, Range Values 中 Minimum 為0，Maximum 為 1000。 控件 6：Ring Slide 控件，用于設(shè)置窗函數(shù)，Constant Name 為WINDOW，Label 為“window”, Lable/Value pairs 中 Lable 分別為none、Triangle、Hanning、Hamming、Blackman、Kaiser，其對(duì)應(yīng)的 Value 分別為 0、5。 控件 8：Command Button 控件，用于讀取文件，Constant Name 為READ，Callbac