【正文】 控制，軟件是虛擬儀器設計的核心。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。 隨著計算機技術和個人電腦技術的出現(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的雛形。虛擬儀器技術的提出與發(fā)展，標志著二十一世紀自動測試與電子測量儀器領域技術發(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)生器的硬件平面設計。 3. 虛擬信號發(fā)生器的仿真調試運行結果。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、連接和調試。6. 多種靈活的程序調試手段。安徽建筑工業(yè)學院 畢業(yè)設計（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)，采用事件驅動方式和回調函數(shù)方式的編程技術，有效的提高了工程設計的效率和可靠性。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. 開放式的框架結構在 LabWindows/CVI 環(huán)境中，可以結合使用標準的 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)方式結合了交安徽建筑工業(yè)學院 畢業(yè)設計（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，虛擬儀器的構成只要分為 5中類型，如圖 11 所示圖 21 虛擬儀器結構框圖安徽建筑工業(yè)學院 畢業(yè)設計（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合構成的，其中，串口測試系統(tǒng)是構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 接口儀器驅動程序完成特定的外部硬件設備的擴展、驅動和通信。輸入信號的測量將模擬信號轉變?yōu)閿?shù)字信號并輸入到計算機中。處理內容包括數(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)存于硬盤內存中、計算機屏幕顯示或圖形用戶接口。圖 23 用 LabWindows/CVI 設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）和回調函數(shù)（CallBack），其結構和 C 語言的結構一致。該文件中包含儀器面板中的各類控件，如按鈕、開關等，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 文件結構完全一致在 LabWindows/CV中，*.h 文件是自動生成的，當設計完*.uir 文件后，會自動生成*.h 文件。安徽建筑工業(yè)學院 畢業(yè)設計（論文） 12 虛擬儀器技術及發(fā)展 虛擬儀器特點虛擬儀器是計算機技術介入儀器領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)模化設計，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，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。這是采用高新技術改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的一個大有作為的領域。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，他們的基本結構是電磁機械式的，借助指針來顯示最終結果。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、通信技術和測量技術相結合的產(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、儀器技術和網(wǎng)絡通信技術的不斷完善，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，調試方式也不夠靈活，頻率和占空比不能獨立調節(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域。能產(chǎn)生寬度、幅度和重復頻率可調的矩形脈沖的發(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)控制與檢測技術的日益革新。因此，單片機技術開發(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構形式，在某些應用領域中，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。電子設計自動化得到了快速發(fā)展，大大減輕了設計壓力，縮短了設計開發(fā)時間，是電子開發(fā)人員必須掌握的技術。它是 32 位的面向計算機測控領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。 儀器硬件面板設計 啟動 Labwindows/CVI 在設計面板之前先在 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屬性設置如下： 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