【正文】 控制，軟件是虛擬儀器設(shè)計的核心。虛擬儀器中硬件的主要功能是獲取真實世界中的被測信號，而軟件的作用是控制現(xiàn)實數(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。把信號發(fā)生、數(shù)據(jù)采集和信號處理集成在一起，利用網(wǎng)絡對其進行控制和處理，并且在軟硬件的升級方面有很大的改善空間和靈活性，改變了人們對儀器的傳安徽建筑工業(yè)學院 畢業(yè)設(shè)計（論文） 6 統(tǒng)觀念，適應了現(xiàn)代測試系統(tǒng)的網(wǎng)絡化、智能化發(fā)展趨勢。 隨著計算機技術(shù)和個人電腦技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展，傳統(tǒng)儀器開始向計算機化的方向發(fā)展，人們開始考慮使用電腦來處理傳統(tǒng)儀器所測數(shù)據(jù)。它可以金星一些簡單的數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)的后處理由計算機軟件完成，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，標志著二十一世紀自動測試與電子測量儀器領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展的一個重要方向。 本文圍繞基于 LabWindows/CVI 的虛擬信號發(fā)生器的研究與設(shè)計，主要完成以下工作：1. 基于 LabWindows/CVI 的信號發(fā)生器的硬件平面設(shè)計。 3. 虛擬信號發(fā)生器的仿真調(diào)試運行結(jié)果。labwindows/cvi 軟件，它以 ANSI C 為核心，功能強大，使用靈活的 C 語言平臺與數(shù)據(jù)采集，分析和表達的測控專業(yè)的工具有機的結(jié)合起來。 LabWindows/CVI 概述 LabWindows/CVI 是面向儀器與測控過程的交互式 C/C++開發(fā)平臺，它是一個用 C 語言構(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 C 語言進行編輯、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)學院 畢業(yè)設(shè)計（論文） 8 LabWindows/CVI 的特點 LabWindows/CVI 作為一個優(yōu)秀的軟件開發(fā)平臺，和其他虛擬儀器開發(fā)工具相比，具有如下特點：(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)試及標準ANSIC 庫等集成在一個交互式開發(fā)平臺中，采用簡單直觀圖形用戶界面設(shè)計，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)計的效率和可靠性。同時，LabWindows/CVI 附加了各種軟件開發(fā)包，如數(shù)據(jù)庫軟件包、Inter 軟件包、小波分析軟件包等，大大增強了 LabWindows/CVI 的性能。 LabWindows/CVI 以面向虛擬儀器的交互式開發(fā)環(huán)境，滿足看用戶對軟件不斷變化的要求，在產(chǎn)品的設(shè)計中，可以快速的創(chuàng)建、配置并顯示測量。1. 開放式的框架結(jié)構(gòu)在 LabWindows/CVI 環(huán)境中，可以結(jié)合使用標準的 ANSIC 源文件、obj 文件和動態(tài)鏈接庫（DLL）。同時，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)學院 畢業(yè)設(shè)計（論文） 9 互式、簡單易用的開發(fā)方式與 ANSIC 代碼的強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和應用軟件兩大部分構(gòu)成。計算機一般為一臺 PC 或工作站，它是硬件平臺的核心。根據(jù)采用不同的總線及其相應的 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)學院 畢業(yè)設(shè)計（論文） 10 上述各種虛擬儀器系統(tǒng)都是通過應用軟件將儀器硬件與計算機相結(jié)合構(gòu)成的，其中，串口測試系統(tǒng)是構(gòu)成虛擬儀器的最簡單、最基本的方式。應用程序包含兩個方面：1. 實現(xiàn)虛擬儀器面板的流程圖軟件程序。I/O 接口儀器驅(qū)動程序完成特定的外部硬件設(shè)備的擴展、驅(qū)動和通信。輸入信號的測量將模擬信號轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號并輸入到計算機中。處理內(nèi)容包括數(shù)字信號處理、數(shù)字濾波、統(tǒng)計處理、數(shù)值計算與分析等。例如，虛擬儀器可以通過總線網(wǎng)絡進行數(shù)據(jù)傳輸、通過文件將測試數(shù)據(jù)存于硬盤內(nèi)存中、計算機屏幕顯示或圖形用戶接口。圖 23 用 LabWindows/CVI 設(shè)計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，每個控件都有自己的屬性，如按鈕的名稱，面板的標題、長度、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 文件是自動生成的，當設(shè)計完*.uir 文件后，會自動生成*.h 文件。安徽建筑工業(yè)學院 畢業(yè)設(shè)計（論文） 12 虛擬儀器技術(shù)及發(fā)展 虛擬儀器特點虛擬儀器是計算機技術(shù)介入儀器領(lǐng)域所形成的一個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)?；O(shè)計，便于用戶根據(jù)測試任務隨心所欲的組建儀器或系統(tǒng)，儀器擴充、聯(lián)網(wǎng)和升級十分方便。（4）界面友好，使用方便?？傮w而言，虛擬儀器是測量/測試領(lǐng)域的一個創(chuàng)新概念，改變了人們對儀器的傳統(tǒng)觀念，適應了現(xiàn)代測試系統(tǒng)的網(wǎng)絡化、智能化發(fā)展趨勢。另一方面，采用虛擬儀器技術(shù)，根據(jù)實際工藝和控制要求，將分布在企業(yè)不同位置的各個測量儀器和控制裝置連接為一個網(wǎng)絡系統(tǒng)，通過計算機實施控制和管理，可降低成本，提高工業(yè)自動化改造的經(jīng)濟效益。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口。這是采用高新技術(shù)改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的一個大有作為的領(lǐng)域。這種變化給實驗教學帶 來了新的教學理念。 虛擬儀器的發(fā)展 電子測量儀器發(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)是電磁機械式的，借助指針來顯示最終結(jié)果。數(shù)字式儀器目前相當普及，如數(shù)字式電壓表、數(shù)字式頻率計等。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，無論是開發(fā)還是應用，都缺乏靈活性。虛擬儀器是現(xiàn)代計算機技術(shù)、通信技術(shù)和測量技術(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)展的一個重要方向。隨著計算機技術(shù)、儀器技術(shù)和網(wǎng)絡通信技術(shù)的不斷完善，虛擬儀器將向三個方面發(fā)展：（1） 外掛式虛擬儀器安徽建筑工業(yè)學院 畢業(yè)設(shè)計（論文） 14 （2） PXI 型高精度集成虛擬儀器測試系統(tǒng)（3） 網(wǎng)絡化虛擬儀器第三章 虛擬信號發(fā)生器的理論研究 虛擬信號發(fā)生器的基本原理 信號發(fā)生器又稱信號源或震蕩器，在生產(chǎn)實踐和科技領(lǐng)域中有廣泛的應用。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）、視頻信號或脈沖信號運載出去，就需要能夠產(chǎn)生高頻的振蕩器。函數(shù)信號發(fā)生器的實現(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,無法產(chǎn)生更高的頻率信號，調(diào)試方式也不夠靈活，頻率和占空比不能獨立調(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)生任意波形并達到很高的頻率。 生產(chǎn)所需參數(shù)的電測試信號儀器。主要用于測量電路和系統(tǒng)的頻率特性、非線性失真、增益及敏度等。②函數(shù)（波形）信號發(fā)生器。除供通信、儀表和自動控制系統(tǒng)測試用外，還廣泛用于其他非電測量領(lǐng)域。能產(chǎn)生寬度、幅度和重復頻率可調(diào)的矩形脈沖的發(fā)生器，可用以測試線性心痛的瞬態(tài)響應，或用作模擬信號來測試雷達、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發(fā)生器和偽隨機信號發(fā)生器兩類。當用噪聲信號進行相關(guān)函數(shù)測量時，若測量時間不夠長，會出現(xiàn)統(tǒng)計性誤差，可用偽隨機信號來解決。典型值 10ppm 用 OptIE5 時為 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)學院 畢業(yè)設(shè)計（論文） 17 脈沖周期：16181。s30s 分辨率：4181。如工業(yè)過程控制，生物醫(yī)藥，地震模擬機械振動等領(lǐng)域常常用到低頻信號源。一旦工作需求功能有增加，則電路復雜程度會大大增加?，F(xiàn)在帶電子領(lǐng)域中，單片機的應用正在不斷的走向深入，這必將導致傳統(tǒng)控制與檢測技術(shù)的日益革新。因此，單片機技術(shù)開發(fā)和應用水平已逐步成為一個國家工業(yè)發(fā)展水平的標志之一。由于單片機的這種特殊的結(jié)構(gòu)形式，在某些應用領(lǐng)域中，它承擔了大型計算機和通用微型計算機無法完成的一些工作。安徽建筑工業(yè)學院 畢業(yè)設(shè)計（論文） 18 單片機的應用使得信號發(fā)生器的性能價格比提高很多，控制功能強，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，一粒紐扣電池就可長期使用。各種復雜電路不斷出現(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)計時使用常規(guī)的人工方法，要耗費大量的人力財力。電子設(shè)計自動化得到了快速發(fā)展，大大減輕了設(shè)計壓力，縮短了設(shè)計開發(fā)時間，是電子開發(fā)人員必須掌握的技術(shù)。它是 32 位的面向計算機測控領(lǐng)域的虛擬儀器軟件開發(fā)平臺，可以在多種操作系統(tǒng)下運行。通過信號發(fā)生器的計算機仿真設(shè)計研究，初步掌握軟件應用及編程和信號發(fā)生器原理。通過軟件編程實現(xiàn)信號波形生成及頻譜分析。 產(chǎn)生程序代碼。 封裝代碼。連續(xù)信號與系統(tǒng)的傅里葉分析不便于直接用計算機進行計算，使其應用受到限制，而本設(shè)計用到的快速傅里葉變換（簡稱 FFT）是一種時域和頻域都是離散化的變換，適合數(shù)值運算，成為分析離散和系統(tǒng)的有力工具。安徽建筑工業(yè)學院 畢業(yè)設(shè)計（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，由于有限長序列在其頻域也可以離散化有限長序列（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。這樣運算就復雜了，計算所需的時間也會多一些。因此每一級運算都需要 4 次復數(shù)乘和 8 次復數(shù)加。故使用FFT 能大大減少運算量，減小了運算 時間，能實時完成信號處理。 儀器硬件面板設(shè)計 啟動 Labwindows/CVI 在設(shè)計面板之前先在 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“虛擬信號發(fā)生器”。 安徽建筑工業(yè)學院 畢業(yè)設(shè)計（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，其對應的 Value 分別為 0、5。 控件 8：Command Button 控件，用于讀取文件，Constant Name 為READ，Callbac