虛擬儀器課程設(shè)計--虛擬函數(shù)發(fā)生器與虛擬頻譜分析儀

1、<p>　　課程設(shè)計（論文）任務(wù)書</p><p><b>　　摘要</b></p><p>　　本文設(shè)計的函數(shù)發(fā)生器和虛擬頻譜分析儀結(jié)合了虛擬儀器技術(shù)和labview圖形化編程技術(shù)，借助于計算機，利用虛擬儀器進行測量和分析，并將結(jié)果輸出到屏幕中，從而完成測量過程。本文模擬頻譜分析儀和函數(shù)發(fā)生器的工作原理，實現(xiàn)了對有用信號的測量。</p>&l

2、t;p>　　首先，本文介紹了背景及意義，再分析了函數(shù)發(fā)生器和頻譜分析儀，再將虛擬儀器技術(shù)和傳統(tǒng)儀器比較區(qū)別。</p><p>　　然后，介紹了虛擬儀器軟件的編程設(shè)計，對這個系統(tǒng)進行模塊化的設(shè)計。</p><p>　　最后，結(jié)合軟件的調(diào)試，通過對實際情況的模擬，從而驗證了虛擬函數(shù)發(fā)生器和頻譜分析儀的功能。</p><p>　　關(guān)鍵詞：虛擬儀器,labview,函

3、數(shù)發(fā)生器,頻譜分析儀</p><p><b>　　目錄</b></p><p>　　第 1 章 緒論1</p><p>　　1.1 背景及意義1</p><p>　　1.2 函數(shù)發(fā)生器2</p><p><b>　　1.3 濾波器3</b></p>&l

4、t;p>　　1.4 頻譜分析儀現(xiàn)狀及發(fā)展3</p><p>　　1.5 本文所做工作6</p><p>　　第 2 章 虛擬儀器技術(shù)7</p><p>　　2.1 虛擬儀器技術(shù)的三大組成部分8</p><p>　　2.1.1 高效的軟件8</p><p>　　2.1.2 模塊化的I/O硬件9</

5、p><p>　　2.1.3 用于集成的軟硬件平臺9</p><p>　　2.2 虛擬儀器技術(shù)具有四大優(yōu)勢9</p><p>　　2.2.1 性能高9</p><p>　　2.2.2 擴展性強10</p><p>　　2.2.3 節(jié)約時間10</p><p>　　2.2.4 無縫集成10&

6、lt;/p><p>　　2.3 虛擬儀器技術(shù)的發(fā)展趨勢10</p><p>　　2.3.1　外掛式虛擬儀器11</p><p>　　2.3.2 PXI型高精度集成虛擬儀器測試系統(tǒng)11</p><p>　　2.3.3 網(wǎng)絡(luò)化虛擬儀器11</p><p>　　第 3 章 Labview圖形化軟件12</p&g

7、t;<p>　　3.1 labview簡介12</p><p>　　3.2 labview優(yōu)點13</p><p>　　第 4 章 虛擬函數(shù)發(fā)生器與虛擬頻譜分析儀設(shè)計14</p><p>　　4.1 函數(shù)發(fā)生器模塊14</p><p>　　4.2 濾波模塊15</p><p>　　4.3 頻譜分

8、析模塊16</p><p>　　4.4 總體程序圖及實驗驗證17</p><p>　　第 5 章 結(jié)論與總結(jié)22</p><p><b>　　致謝23</b></p><p><b>　　參考文獻24</b></p><p><b>　　第 1 章 緒論&

9、lt;/b></p><p><b>　　1.1 背景及意義</b></p><p>　　隨著經(jīng)濟的發(fā)展，在我國各行業(yè)中，大量使用電力機車，整流設(shè)備、變頻裝置等非線性用電設(shè)備，他們產(chǎn)生的諧波等對電網(wǎng)形成了影響，使電能質(zhì)量下降，因此有必要進行檢測和分析。</p><p>　　目前國內(nèi)使用的諧波檢測儀器往往是進口路產(chǎn)品，即使是國產(chǎn)的儀器也大多

10、不兼容，不能共享軟、硬件資源，不能進行二次開發(fā)，并且價格昂貴。如果自己組建系統(tǒng)，為了完成較復(fù)雜的測試任務(wù)，往往需要根據(jù)特定的測試任務(wù)購買專用的硬件產(chǎn)品。除此之外，一般每個儀器大都有自己的顯示器、內(nèi)存、ftp等硬件，造成了硬件資源的浪費。</p><p>　　虛擬儀器的出現(xiàn)捅破了以往傳統(tǒng)儀器的特點，充分利用不斷發(fā)展和完善的計算機技術(shù)，以通用計算機和標(biāo)準(zhǔn)總線技術(shù)為平臺，利用計算機的硬件資源，并輔以軟件作為其開發(fā)平臺。

11、用戶利用面向測量儀器的控制和管理的圖形化軟件平臺（labview，labwindows/cvi、HP-VEE等），開發(fā)集測量、管理和控制于一身的應(yīng)用軟件，實現(xiàn)測試要求。一臺普通的電腦、若干軟件包和基本的硬件電路就可以構(gòu)成一套完整的測試系統(tǒng)，并具備數(shù)據(jù)處理的功能和友好的人機界面。這種儀器具有普通儀器的基本功能，又有一般儀器不具備的特殊功能，并且在儀器成本、儀器維護上節(jié)約人力物力。</p><p>　　我國將有的儀器

12、為虛擬儀器。國內(nèi)將有大批企業(yè)使用虛擬儀器系統(tǒng)對生產(chǎn)設(shè)備的運行狀況進行實時檢測。隨著微型計算機的發(fā)展，虛擬儀器將會逐步取代傳統(tǒng)的測試儀器而成為測試儀器的主流。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。</p><p>　　目前，我國正處于科學(xué)技術(shù)蓬勃發(fā)展的新時期，對儀器設(shè)備的需求將更加強勁。虛擬儀器賴以生存的計算機近幾年正以迅猛的勢頭席卷全國，這為虛擬儀器的發(fā)展莫定

13、了基礎(chǔ)。虛擬儀器作為傳統(tǒng)儀器的替代品，市場容量巨大。</p><p><b>　　1.2 函數(shù)發(fā)生器</b></p><p>　　信號發(fā)生器是一種最悠久的測量儀器，早在20年代電子設(shè)備剛出現(xiàn)時它就產(chǎn)生了。隨著通信和雷達技術(shù)的發(fā)展，40年代出現(xiàn)了主要用于測試各種接收機的標(biāo)準(zhǔn)信號發(fā)生器，使信號發(fā)生器從定性分析的測試儀器發(fā)展成定量分析的測量儀器。同時還出現(xiàn)了可用來測量脈沖電

14、路或用作脈沖調(diào)制器的脈沖信號發(fā)生器。由于早期的信號發(fā)生器機械結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，功率比較大，電路比較簡單，因此發(fā)展速度比較慢。直到1964年才出現(xiàn)第一臺全晶體管的信號發(fā)生器。</p><p>　　自60年代以來信號發(fā)生器有了迅速的發(fā)展，出現(xiàn)了函數(shù)發(fā)生器，這個時期的信號發(fā)生器多采用模擬電子技術(shù)，由分立元件或模擬集成電路構(gòu)成，其電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且僅能產(chǎn)生正弦波、方波、鋸齒波和三角波等幾種簡單波形，由于模擬電路的漂移較大，使其

15、輸出的波形的幅度穩(wěn)定性差，而且模擬器件構(gòu)成的電路存在著尺寸大、價格貴、功耗大等缺點，并且要產(chǎn)生較為復(fù)雜的信號波形則電路結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜。自從70年代微處理器出現(xiàn)以后，利用微處理器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器和數(shù)模轉(zhuǎn)換器，硬件和軟件使信號發(fā)生器的功能擴大，產(chǎn)生比較復(fù)雜的波形。這時期的信號發(fā)生器多以軟件為主，實質(zhì)是采用微處理器對DAC的程序控制，就可以得到各種簡單的波形。軟件控制波形的一個最大缺點就是輸出波形的頻率低，這主要是由CPU的工作速度決定的，如果想提

16、高頻率可以改進軟件程序減少其執(zhí)行周期時間或提高CPU的時鐘周期，但這些辦法是有限度的，根本的辦法還是要改進硬件電路。</p><p>　　隨著現(xiàn)代電子、計算機和信號處理等技術(shù)的發(fā)展，極大促進了數(shù)字化技術(shù)在電子測量儀器中的應(yīng)用，使原有的模擬信號處理逐步被數(shù)字信號處理所代替，從而擴充了儀器信號的處理能力，提高了信號測量的準(zhǔn)確度、精度和變換速度，克服了模擬信號處理的諸多缺點，數(shù)字信號發(fā)生器隨之發(fā)展起來。</p&g

17、t;<p>　　信號發(fā)生器的應(yīng)用非常廣泛，種類繁多。首先，信號發(fā)生器可以分通用和專用兩大類，專用信號發(fā)生器主要為了某種特殊的測量目的而研制的，如電視信號發(fā)生器、脈沖編碼信號發(fā)生器等。這種發(fā)生器的特性是受測量對象的要求所制約的。其次，信號發(fā)生器按輸出波形又可分為正弦波信號發(fā)生器、脈沖波信號發(fā)生器、函數(shù)發(fā)生器和任意波發(fā)生器等。再次，按其產(chǎn)生頻率的方法又可分為諧振法和合成法兩種。一般傳統(tǒng)的信號發(fā)生器都采用諧振法，即用具有頻率選擇

18、性的回路來產(chǎn)生正弦振蕩，獲得所需頻率。但也可以通過頻率合成技術(shù)來獲得所需9-率。利用頻率合成技術(shù)制成的信號發(fā)生器，通常被稱為合成信號發(fā)生器。</p><p><b>　　1.3 濾波器</b></p><p>　　濾波器（filter）是指減少或消除諧波對電力系統(tǒng)影響的電氣部件。是一種用來消除干擾雜訊的器件，將輸入或輸出經(jīng)過過濾而得到純凈的直流電。對特定頻率的頻點或該

19、頻點以外的頻率進行有效濾除的電路，就是濾波器，其功能就是得到一個特定頻率或消除一個特定頻率。</p><p>　　濾波器，顧名思義，是對波進行過濾的器件。“波”是一個非常廣泛的物理概念，在電子技術(shù)領(lǐng)域，“波”被狹義地局限于特指描述各種物理量的取值隨時間起伏變化的過程。該過程通過各類傳感器的作用，被轉(zhuǎn)換為電壓或電流的時間函數(shù)，稱之為各種物理量的時間波形，或者稱之為信號。因為自變量時間‘是連續(xù)取值的，所以稱之為連續(xù)時

20、間信號，又習(xí)慣地稱之為模擬信號(Analog Signal)。隨著數(shù)字式電子計算機(一般簡稱計算機)技術(shù)的產(chǎn)生和飛速發(fā)展，為了便于計算機對信號進行處理，產(chǎn)生了在抽樣定理指導(dǎo)下將連續(xù)時間信號變換成離散時間信號的完整的理論和方法。也就是說，可以只用原模擬信號在一系列離散時間坐標(biāo)點上的樣本值表達原始信號而不丟失任何信息，波、波形、信號這些概念既然表達的是客觀世界中各種物理量的變化，自然就是現(xiàn)代社會賴以生存的各種信息的載體。信息需要傳播，靠的就

21、是波形信號的傳遞。信號在它的產(chǎn)生、轉(zhuǎn)換、傳輸?shù)拿恳粋€環(huán)節(jié)都可能由于環(huán)境和干擾的存在而畸變，有時，甚至是在相當(dāng)多的情況下，這種畸變還很嚴(yán)重，以致于信號及其所攜帶的信息被深深地埋在噪聲當(dāng)中了。</p><p>　　濾波，本質(zhì)上是從被噪聲畸變和污染了的信號中提取原始信號所攜帶的信息的過程。</p><p>　　1.4 頻譜分析儀現(xiàn)狀及發(fā)展</p><p><b>

22、;　　傳統(tǒng)頻譜分析儀</b></p><p>　　傳統(tǒng)的頻譜分析儀的前端電路是一定帶寬內(nèi)可調(diào)諧的接收機，輸入信號經(jīng)變頻器變頻后由低通濾器輸出，濾波輸出作為垂直分量，頻率作為水平分量，在示波器屏幕上繪出坐標(biāo)圖，就是輸入信號的頻譜圖。由于變頻器可頻譜分析儀</p><p>　　以達到很寬的頻率，例如30Hz-30GHz，與外部混頻器配合，可擴展到100GHz以上，頻譜分析儀是頻率覆

23、蓋最寬的測量儀器之一。無論測量連續(xù)信號或調(diào)制信號，頻譜分析儀都是很理想的測量工具。但是，傳統(tǒng)的頻譜分析儀也有明顯的缺點，它只能測量頻率的幅度，缺少相位信息，因此屬于標(biāo)量儀器而不是矢量儀器。</p><p><b>　　現(xiàn)代頻譜分析儀</b></p><p>　　基于快速傅里葉變換（FFT）的現(xiàn)代頻譜分析儀，通過傅里葉運算將被測信號分解成分立的頻率分量，達到與傳統(tǒng)頻譜分

24、析儀同樣的結(jié)果，。這種新型的頻譜分析儀采用數(shù)字方法直接由模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器（ADC）對輸入信號取樣，再經(jīng)FFT處理后獲得頻譜分布圖。在這種頻譜分析儀中，為獲得良好的儀器線性度和高分辨率，對信號進行數(shù)據(jù)采集時ADC的取樣率最少等于輸入信號最高頻率的兩倍，亦即頻率上限是100MHz的實時頻譜分析儀需要ADC有200MS/S的取樣率。目前半導(dǎo)體工藝水平可制成分辨率8位和取樣率4GS/S的ADC或者分辨率12位和取樣率800MS/S的ADC，亦即

25、，原理上儀器可達到2GHz的帶寬，為了擴展頻率上限，可在ADC前端增加下變頻器，本振采用數(shù)字調(diào)諧振蕩器。這種混合式的頻譜分析儀可擴展到幾GHz以下的頻段使用。FFT的性能用取樣點數(shù)和取樣率來表征，例如用100KS/S的取樣率對輸入信號取樣1024點，則最高輸入頻率是50KHz和分辨率是50Hz。如果取樣點數(shù)為2048點，則分辨率提高到25Hz。由此可知，最高輸人頻率取決于取樣率，分辨率取決于取樣點數(shù)。FFT運算時間與取樣，點數(shù)成對數(shù)關(guān)系

26、，頻譜分析儀</p><p>　　頻譜分析在生產(chǎn)實踐和科學(xué)研究中有著廣泛的應(yīng)用。例如，對各類旋轉(zhuǎn)機械、電機、機床等機器的主體或部件進行實際運行狀態(tài)下的譜分析，可以提供設(shè)計數(shù)據(jù)和檢驗設(shè)計結(jié)果，或者尋找震源和診斷故障，保證設(shè)備的安全運行等。在聲納系統(tǒng)中，為了尋找海洋水面船只或潛艇，需要對噪聲信號進行譜分析，以提供有用信息，判斷艦艇運動速度、方向、位置、大小等。因此對頻譜分析方法的研究一直是當(dāng)前信號處理技術(shù)中一個十分活

27、躍的課題。</p><p>　　1965年庫利一圖基在《計算數(shù)學(xué)》雜志上發(fā)表快速傅里葉變換(FFT)算法，F(xiàn)FT和頻譜分析很快發(fā)展成為機械設(shè)備故障診斷、振動分析、無線電通信、信息圖像處理和自動控制等多種學(xué)科重要的理論基礎(chǔ)。然而長期的應(yīng)用和近年來的理論分析表明，經(jīng)快速傅里葉變換得到的離散頻譜，在頻率、幅值和相位方面均可能產(chǎn)生較大誤差，單諧波加矩形窗時最大誤差從理論上分析可達36.4%仁鬧，即使加其他窗時，也不能完全

28、消除此影響。在加Hanning窗時，只進行幅值恢復(fù)時的最大幅值誤差仍高達15.3ry0，相位誤差高達士90度。因此，頻譜分析的結(jié)果在許多領(lǐng)域只能定性而不能精確的定量分析和解決問題，大大限制了該技術(shù)的工程應(yīng)用，特別是在機械振動和故障診斷中的應(yīng)用受到極大限制。</p><p>　　從70年代中期，有關(guān)學(xué)者開始致力于頻譜校正理論的研究以期解決離散頻譜誤差較大的問題。1975年約翰等從事電學(xué)領(lǐng)域研究工作的學(xué)者采用插值法對

29、加矩形窗的離散化頻譜進行校正，解決了電學(xué)中的離散高次諧波參數(shù)的精確測量問題;1983年托馬斯提出了加Hanning窗的內(nèi)差法，進一步提高了離散高次諧波參數(shù)的分析精度。1993年，丁康和謝明提出了三點卷積法幅值校正法￡鬧，提高了頻率間隔較大的信號的離散頻譜幅值精度，解決了工程實際中的一些問題。1994年，丁康、謝明等提出和發(fā)展了比例頻譜校正方法，使內(nèi)差法系統(tǒng)的發(fā)展成為一種通用的頻譜校正方法，解決了頻率間隔較大的離散化頻譜幅值、相位和頻率的

30、精確求解問題，并對離散頻譜的校正方法和誤差分析驚醒了深入的分析和研究。1996年，余加兵等提出了采用復(fù)調(diào)制細花譜分析將已產(chǎn)生頻譜干擾的密集頻率成分分離開，消除干擾，再用比例法進行校正以解決密集頻率成分的離散頻譜的校正問題。1997年，丁康等分析了離散頻譜中的負(fù)頻率成分和多頻譜成分的干擾現(xiàn)象，提出了離散頻譜中用相位判據(jù)和傅值判據(jù)綜合判定和識別單頻率成分的方法，實現(xiàn)了單頻率成分和頻率間隔較大的多頻率成分的自動識別和自動校正</p>

31、;<p>　　從目前國內(nèi)外學(xué)者所進行的大量研究工作來看，主要是對單頻率信號(或頻率間隔較大的多頻率信號)離散頻譜的自動識別和校正，密集頻率的校正也只限于兩個臨近頻率成分的校正，未能深入到連續(xù)頻率成分頻譜的誤差和校正方法的研究。而實際工程中的許多信號是密集頻率成分或連續(xù)頻率成分的信號，比如在旋轉(zhuǎn)機械、故障診斷和非線性動力系統(tǒng)分析中，常常出現(xiàn)密集頻譜現(xiàn)象。在有限樣本長度下，由此類信號的FFT譜很難識別其頻率構(gòu)成，確定個頻率的參

32、數(shù)，而且由于旁瓣泄漏或主瓣干擾的影響，基于單頻率信號頻譜校正的比值法不再適合此類多頻率信號。對此類信號在進行離散頻譜分析時所產(chǎn)生誤差的分析方法與頻率間隔較大的信號誤差分析方法存在巨大差異，校正方法也不相同，校正難度很大。因此，當(dāng)前具有密集頻譜的頻譜校正問題是頻譜校正技術(shù)最難解決的問題之一，成為工程界和研究離散頻譜校正的學(xué)者們關(guān)注的焦點。</p><p>　　1.5 本文所做工作</p><p&

33、gt;　　結(jié)合虛擬儀器技術(shù)等，本文設(shè)計并實現(xiàn)了一個虛擬的函數(shù)發(fā)生器和頻譜分析儀，該虛擬函數(shù)發(fā)生器和頻譜分析儀的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1-1所示。</p><p>　　圖1-1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖</p><p><b>　　完成的工作有：</b></p><p>　　虛擬儀器程序的設(shè)計和編制，針對一般函數(shù)發(fā)生器能產(chǎn)生的波形及產(chǎn)生波形可能含有噪聲的情況，對波

34、形進行濾波，最后對濾除噪聲后的波形進行分析。</p><p>　　第 2 章 虛擬儀器技術(shù)</p><p>　　虛擬儀器技術(shù)就是利用高性能的模塊化硬件，結(jié)合高效靈活的軟件來完成各種測試、測量和自動化的應(yīng)用。自1986年問世以來，世界各國的工程師和科學(xué)家們都已將NI LabVIEW圖形化開發(fā)工具用于產(chǎn)品設(shè)計周期的各個環(huán)節(jié)，從而改善了產(chǎn)品質(zhì)量、縮短了產(chǎn)品投放市場的時間，并提高了產(chǎn)品開發(fā)和生產(chǎn)效

35、率。使用集成化的虛擬儀器環(huán)境與現(xiàn)實世界的信號相連，分析數(shù)據(jù)以獲取實用信息，共享信息成果，有助于在較大范圍內(nèi)提高生產(chǎn)效率。</p><p>　　虛擬儀器（vi）是計算機輔助測試（cat）的最新發(fā)展，它充分利用快速發(fā)展的計算機及通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)來提高測試計量儀器設(shè)備的功能、性能和應(yīng)用范圍，為用戶定義和構(gòu)造自己的測試儀器系統(tǒng)提供了全新的解決方案。虛擬儀器并不完全等同于計算機輔助測試，它是一種基于信號采集與分析理論、具有標(biāo)準(zhǔn)

36、化軟硬件及其接口和良好集成性與柔性的儀器系統(tǒng)，是一種新的測試儀器標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)規(guī)范。</p><p>　　傳統(tǒng)的電子儀器是自封閉的系統(tǒng)，它具有信號輸入、輸出的能力，并有固定的用戶界面，比如：輸入、輸出信號接插件、旋鈕、按鈕、顯示儀表、顯示面板等。一個儀器包括傳感器、信號處理器、A/D轉(zhuǎn)換器、微處理器、存儲器和內(nèi)部總線等專門化的電路。通過這些電路來轉(zhuǎn)換、測量、分析實際信號，并將結(jié)果以各種方式顯示。然而，有時為了構(gòu)成具有

37、一定功能的系統(tǒng)，配置了一套儀器，但對其中的某些儀器，只用到了其中一部分功能，而將它作其他功能使用時，卻不具備或達不到所需指標(biāo)。如另配置一套儀器，不斷效率不高，而且價格高。要是能將原有的儀器稍加改動，就可以擴大其使用范圍。但是傳統(tǒng)的儀器功能是由制造商決定的，用戶不能任意更改，用戶如按自己的要求定制儀器需要昂貴的價格。虛擬儀器概念的提出是儀器發(fā)展史上的一場革命，代表著儀器發(fā)展的最新方向和潮流。以下是傳統(tǒng)測試儀器和虛擬儀器的一個比較：<

38、/p><p>　　表2-1 傳統(tǒng)儀器與虛擬儀器比較</p><p>　　2.1 虛擬儀器技術(shù)的三大組成部分</p><p>　　2.1.1 高效的軟件</p><p>　　軟件是虛擬儀器技術(shù)中最重要的部份。使用正確的軟件工具并通過設(shè)計或調(diào)用特定的程序模塊，工程師們可以高效地創(chuàng)建自己的應(yīng)用以及友好的人機交互界面。NI公司提供的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)圖形化編程軟件

39、———LabVIEW，把復(fù)雜、煩瑣、費時的語言編程簡化成用簡單或圖標(biāo)提示的方法選擇功能(圖形)，并用線條把各種圖形連接起來的簡單圖形編程方式，使得不熟悉編程的工程技術(shù)人員都可以按照測試要求和任務(wù)快速“畫”出自己的程序，不僅能輕松方便地完成與各種軟硬件的連接，更能提供強大的后續(xù)數(shù)據(jù)處理能力，設(shè)置數(shù)據(jù)處理、轉(zhuǎn)換、存儲的方式，并將結(jié)果按自己的要求顯示出來。此外，NI提供了更多交互式的測量工具和更高層的系統(tǒng)管理軟件工具，例如連接設(shè)計與測試的交互

40、式軟件Signal-Express，用于傳統(tǒng)C語言的LabWindows/CVI，針對微軟Visual Studio的Measurement Studio等等，均可滿足用戶對高性能應(yīng)用的需求。有了功能強大的軟件，測試工程師們就可以在儀器中創(chuàng)建智能性和決策功能，從而發(fā)揮虛擬儀器技術(shù)在測試應(yīng)用中的強大優(yōu)勢。</p><p>　　2.1.2 模塊化的I/O硬件</p><p>　　面對日益復(fù)雜的

41、測試測量應(yīng)用，虛擬儀器供應(yīng)商提供了全方位的軟硬件的解決方案。無論是使用PCI，PXI，PCMCIA，USB或者是1394總線，都有相應(yīng)的模塊化的硬件產(chǎn)品，產(chǎn)品種類從數(shù)據(jù)采集、信號調(diào)理、聲音和振動測量、視覺、運動、儀器控制、分布式I/O到CAN接口等工業(yè)通訊，應(yīng)有盡有。高性能的硬件產(chǎn)品結(jié)合靈活的開發(fā)軟件，可以為負(fù)責(zé)測試和設(shè)計工作的工程師們創(chuàng)建完全自定義的測量系統(tǒng)，滿足各種獨特的應(yīng)用要求。</p><p>　　2.1

42、.3 用于集成的軟硬件平臺</p><p>　　NI公司首先提出的專為測試任務(wù)設(shè)計的PXI硬件平臺，已經(jīng)成為當(dāng)今測試、測量和自動化應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)平臺，它的開放式構(gòu)架、靈活性和PC技術(shù)的成本優(yōu)勢為測量和自動化行業(yè)帶來了一場翻天覆地的改革PXI作為一種專為工業(yè)數(shù)據(jù)采集與自動化應(yīng)用度身定制的模塊化儀器平臺，內(nèi)建有高端的定時和觸發(fā)總線，再配以各類模塊化的I/O硬件和相應(yīng)的測試測量開發(fā)軟件，用戶就可以建立完全自定義的測試測量解

43、決方案。無論是面對簡單的數(shù)據(jù)采集應(yīng)用，還是高端的混合信號同步采集，借助PXI高性能的硬件平臺，都能應(yīng)付自如。</p><p>　　2.2 虛擬儀器技術(shù)具有四大優(yōu)勢</p><p><b>　　2.2.1 性能高</b></p><p>　　虛擬儀器技術(shù)是在PC技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，所以完全"繼承"了以現(xiàn)成即用的PC技術(shù)為主

44、導(dǎo)的最新商業(yè)技術(shù)的優(yōu)點，包括功能超卓的處理器和文件I/O，使您在數(shù)據(jù)高速導(dǎo)入磁盤的同時就能實時地進行復(fù)雜的分析。此外，不斷發(fā)展的因特網(wǎng)和越來越快的計算機網(wǎng)絡(luò)使得虛擬儀器技術(shù)展現(xiàn)其更強大的優(yōu)勢。</p><p>　　2.2.2 擴展性強</p><p>　　NI的軟硬件工具使得我們不再受限于當(dāng)前的技術(shù)中。這得益于NI軟件的靈活性，只需更新計算機或測量硬件，就能以最少的硬件投資和極少的、甚至無

45、需軟件上的升級即可改進整個系統(tǒng)。在利用最新科技的時候，我們可以把它們集成到現(xiàn)有的測量設(shè)備，最終以較少的成本加速產(chǎn)品上市的時間。</p><p>　　2.2.3 節(jié)約時間</p><p>　　在驅(qū)動和應(yīng)用兩個層面上，NI高效的軟件構(gòu)架能與計算機、儀器儀表和通訊方面的最新技術(shù)結(jié)合在一起。NI設(shè)計這一軟件構(gòu)架的初衷就是為了方便用戶的操作，同時還提供了靈活性和強大的功能，使我們輕松地配置、創(chuàng)建、發(fā)

46、布、維護和修改高性能、低成本的測量和控制解決方案。</p><p>　　2.2.4 無縫集成</p><p>　　虛擬儀器技術(shù)從本質(zhì)上說是一個集成的軟硬件概念。隨著產(chǎn)品在功能上不斷地趨于復(fù)雜，工程師們通常需要集成多個測量設(shè)備來滿足完整的測試需求，而連接和集成這些不同設(shè)備總是要耗費大量的時間。NI的虛擬儀器軟件平臺為所有的I/O設(shè)備提供了標(biāo)準(zhǔn)的接口，幫助我們輕松地將多個測量設(shè)備集成到單個系統(tǒng)

47、，減少了任務(wù)的復(fù)雜性。</p><p>　　虛擬儀器技術(shù)構(gòu)建的應(yīng)變測試儀的諸多優(yōu)點表明，虛擬儀器系統(tǒng)具有重要的現(xiàn)實意義和推廣價值，是傳統(tǒng)應(yīng)變測量儀器的理想替代產(chǎn)品。隨著計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的迅速發(fā)展，將為虛擬儀器提供更強大的功能，即可以實現(xiàn)遠距離的網(wǎng)絡(luò)化虛擬儀器實時測試。只要在應(yīng)變測量系統(tǒng)中添加網(wǎng)絡(luò)功能模塊，借助于寬帶網(wǎng)絡(luò)技術(shù)可以很容易的實現(xiàn)遠距離實時測試，這是基于虛擬儀器技術(shù)構(gòu)建的應(yīng)變測試系統(tǒng)今后的發(fā)展方向。相信將來

48、的應(yīng)變測量系統(tǒng)一定是虛擬儀器技術(shù)與計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)相結(jié)合的系統(tǒng)，其測試功能會更強大，精度會更高，應(yīng)用會更廣。</p><p>　　2.3 虛擬儀器技術(shù)的發(fā)展趨勢</p><p>　　隨著計算機技術(shù)、儀器技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的不斷完善，虛擬儀器技術(shù)將向以下三個方向發(fā)展。</p><p>　　2.3.1　外掛式虛擬儀器</p><p>　　由于基于P

49、CI總線的虛擬儀器在插入DAQ時都需要打開機箱等，比較麻煩，再加上測試信號直接進入計算機，各種現(xiàn)場的被測信號與計算機之間存在電磁干擾問題。外掛式虛擬儀器是將測量到的物理信號通過預(yù)處理，轉(zhuǎn)換為所需的數(shù)字信號后，再由一根串口線或者USB線傳給計算機處理，這樣既減少了板卡的裝拆過程，也節(jié)約了計算機的系統(tǒng)資源，只需運行相配套的軟件就可得到想要的結(jié)果。所以外掛式虛擬儀器系統(tǒng)將成為今后廉價型虛擬儀器測試系統(tǒng)的主流。</p><p

50、>　　2.3.2 PXI型高精度集成虛擬儀器測試系統(tǒng)</p><p>　　對于測試系統(tǒng)，現(xiàn)在比較先進I/O總線技術(shù)主要是VXI總線和PXI總線。VXI主要用于滿足高端自動化測試應(yīng)用的需要，但是它基于過時的VME總線，而現(xiàn)代計算機不支持這種總線結(jié)構(gòu)，所以它不能利用PC技術(shù)的優(yōu)勢，從而也不能將主流軟件的支持、低成本、高性能等好處帶給最終用戶。而PXI平臺基于PCI，所以它固有PCI的一些優(yōu)點:較低的成本，不斷

51、提高的性能，以及為最終用戶提供主流軟件模型。PXI系統(tǒng)高度的可擴展性和良好的兼容性，以及比VXI系統(tǒng)更高的性價比，將使它成為未來大型高精度集成測試系統(tǒng)的主流虛擬儀器平臺。</p><p>　　2.3.3 網(wǎng)絡(luò)化虛擬儀器</p><p>　　隨著Internet技術(shù)的發(fā)展，一些公司已開發(fā)出通過Web瀏覽器觀測嵌入式智能儀器的產(chǎn)品，使人們可以通過Internet操作儀器設(shè)備。根據(jù)虛擬儀器的特性

52、，我們能夠方便地將虛擬儀器組成計算機網(wǎng)絡(luò)。利用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)將分散在不同地理位置不同功能的測試設(shè)備聯(lián)系在一起，使昂貴的硬件設(shè)備、軟件在網(wǎng)絡(luò)上得以共享，不僅讓人們能夠輕而易舉地得到自己需要的測試數(shù)據(jù)，還能帶來巨大的效益?？梢韵胂螅诓贿h的將來，醫(yī)生完全有可能通過互聯(lián)網(wǎng)操作儀器給遠處的病人診斷疾病。</p><p>　　第 3 章 Labview圖形化軟件</p><p>　　3.1 labview

53、簡介</p><p>　　LabVIEW(Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench)是實驗室虛擬儀器集成開發(fā)平臺的簡稱，它是目前國際上應(yīng)用最廣泛的虛擬儀器開發(fā)環(huán)境之一，它是主要用于開發(fā)數(shù)據(jù)檢測、數(shù)據(jù)測量采集系統(tǒng)、工業(yè)自動控制系統(tǒng)合數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)等領(lǐng)域的專用軟件開發(fā)平臺。</p><p>　　LabVIEW的最大特色是采用編譯型圖形

54、化編程語言――G語言(GraphProgramming)，它與C，Pascal，Basic等傳統(tǒng)語言有著相似之處，如：相似的數(shù)據(jù)類型、數(shù)據(jù)流控制結(jié)構(gòu)、程序調(diào)試工具，以及模塊化的編程特點。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，程序的執(zhí)行依賴于文本所描述的指令;而LabVIEW使用圖形語言(即，各種圖標(biāo)、圖形符號、連線等)以框圖的形式編寫程序。用LabVIEW編程無需具備太多編程經(jīng)驗，因為LabVIEW使用的都是測試工程師們熟悉

55、的術(shù)語和圖標(biāo)，如各種按鈕、開關(guān)、波形圖等，界面非常直觀形象，因此，LabVIEW對于沒有豐富編程經(jīng)驗的測試工程師們來說無疑是個極好的選擇。</p><p>　　LabVIEW語言具有豐富的擴展函數(shù)庫，集成了大量的生成圖形界面的模板，如各種表頭、旋鈕、開關(guān)、LED指示燈、圖表等，界面直觀、形象，相對于傳統(tǒng)的編程方式而言，它簡單易學(xué)而且執(zhí)行效率高。與傳統(tǒng)的編程方式相比，使用LabVIEW設(shè)計的虛擬儀器，可以提高效率4

56、-10倍。</p><p>　　LabVIEW的圖形環(huán)境內(nèi)置豐富的函數(shù)庫，提供了多種網(wǎng)絡(luò)的接口，支持先進的流動數(shù)據(jù)傳輸?shù)认冗M技術(shù)，使系統(tǒng)的開發(fā)更加方便，其中基于TCP/IP協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)實時數(shù)據(jù)交換編程技術(shù)――數(shù)據(jù)套接字(DataSocket)技術(shù)便是一特色。這種技術(shù)是一種開放的技術(shù)，與人們已習(xí)慣采用的TCP/IP編程接口、DDE等網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的數(shù)據(jù)共享技術(shù)比較，使用起來更方便，開發(fā)效率更高，而且不需要大量的編程工作量

57、。數(shù)據(jù)套接提供統(tǒng)一的API編程接口，從數(shù)據(jù)共享的角度，它是對WinSock的高級封裝，允許用戶與各種服務(wù)器進行交互并在應(yīng)用之間交換信息，比如LabVIEW以及一些不同的數(shù)據(jù)源或目標(biāo)，源和目標(biāo)包括其他的應(yīng)用、文件、OPC (OLE For Process Control)服務(wù)器、Web服務(wù)器以及FTP服務(wù)器。使用DataSocket類和統(tǒng)一資源定位器(Uniform Resource Locator，簡稱URL)，就可建立數(shù)據(jù)套接的源與目

58、標(biāo)的連接，用戶可以像使用LabVIEW中的其他數(shù)據(jù)類型一樣用DataSocket讀寫數(shù)據(jù)，實現(xiàn)測量數(shù)據(jù)的實時共享</p><p>　　LabVIEW是一種程序開發(fā)環(huán)境，由美國國家儀器（NI）公司研制開發(fā)的，類似于C和BASIC開發(fā)環(huán)境，但是LabVIEW與其他計算機語言的顯著區(qū)別是：其他計算機語言都是采用基于文本的語言產(chǎn)生代碼，而LabVIEW使用的是圖形化編輯語言G編寫程序，產(chǎn)生的程序是框圖的形式。</p

59、><p>　　3.2 labview優(yōu)點</p><p>　　LabVIEW從被推出到現(xiàn)在，20年的實踐證明LabVIEW確實是一個使用方便卻又功能非常強大的開發(fā)平臺，LabVIEW具有以下優(yōu)點：</p><p>　?。?）實現(xiàn)了儀器控制與數(shù)據(jù)采集的完全圖形化編程，設(shè)計者無需編寫任何文本形式的代碼。</p><p>　　（2）提供了大量的面向測控

60、領(lǐng)域的庫函數(shù)，如面向數(shù)據(jù)采集的DAQ庫函數(shù)、內(nèi)置GPIB、VXI、串口等數(shù)據(jù)采集驅(qū)動程序；面向分析的高級分析庫；面向顯示的大量儀器面板。</p><p>　?。?）提供了大量與外部代碼或應(yīng)用軟件進行連接的機制。</p><p>　?。?）具有強大的網(wǎng)絡(luò)連接功能，支持常用的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，便于用戶開發(fā)各種網(wǎng)絡(luò)測控、遠程虛擬儀器系統(tǒng)。</p><p>　　（5）LabVIEW

61、應(yīng)用程序具有可移植性，適用于多種操作系統(tǒng)</p><p>　?。?）可生成可執(zhí)行文件，脫離LabVIEW開發(fā)環(huán)境運行。</p><p>　　第 4 章 虛擬函數(shù)發(fā)生器與虛擬頻譜分析儀設(shè)計</p><p>　　根據(jù)實驗要求設(shè)計虛擬函數(shù)發(fā)生器和虛擬頻譜分析儀，根據(jù)模塊化設(shè)計原則，將這一個系統(tǒng)分為函數(shù)產(chǎn)生模塊、濾波模塊、頻譜分析模塊3個部分。下圖是進行總設(shè)計模塊的框圖。&

62、lt;/p><p>　　圖 4-1 總體設(shè)計框圖</p><p>　　4.1 函數(shù)發(fā)生器模塊</p><p>　　對一個基本的函數(shù)發(fā)生器進行選擇函數(shù)，對其使用一個條件函數(shù)，對其進行選擇函數(shù)，能進行正弦波、三角波、鋸齒波、方波四種信號進行調(diào)節(jié)，并且用布爾對其進行顯示，當(dāng)選擇函數(shù)時，相應(yīng)的函數(shù)燈就會亮起。其工作原理是，選擇要產(chǎn)生的函數(shù)，輸入信號，條件函數(shù)會執(zhí)行，執(zhí)行相應(yīng)的程

63、序，并且對應(yīng)的函數(shù)燈亮起。</p><p>　　圖4-1-1 鋸齒波信號發(fā)生器</p><p>　　在這個信號發(fā)生器中，使用了枚舉（信號類型），對信號類型進行選擇，就可以選擇不同的函數(shù)波形，同時，被選擇的波形的指示燈亮。</p><p>　　圖4-1-2 噪聲模塊</p><p>　　同時考慮到在實際過程中，可能有噪聲產(chǎn)生，因此增加了一個噪聲

64、產(chǎn)生模塊，以模擬實際中的情形。</p><p>　　用均勻的白噪聲進行模擬，用幅值進行是否有噪聲產(chǎn)生和噪聲大小的確定。</p><p><b>　　4.2 濾波模塊</b></p><p>　　濾波是將信號中特定波段頻率濾除的操作，是抑制和防止干擾的一項重要措施。是根據(jù)觀察某一隨機過程的結(jié)果，對另一與之有關(guān)的隨機過程進行估計的概率理論與方法。本

65、文中用的是巴特沃斯濾波器進行濾波。根據(jù)輸出波形的波形進行調(diào)節(jié)，如果波形較好，能很好的進行頻譜分析，就不采用濾波器；若波形輸出不是很好，就需使用濾波器，調(diào)節(jié)濾波器的高頻截止頻率等參數(shù)，從而調(diào)節(jié)出較好的波形以進行頻譜分析。</p><p>　　圖 4-2-1 帶阻濾波模塊</p><p>　　這次試驗采用2個條件結(jié)構(gòu)，一個條件結(jié)構(gòu)是決定是否使用濾波器，當(dāng)為真時，可以對濾波器的參數(shù)進行設(shè)置；另一

66、個條件結(jié)構(gòu)是進行濾波方式的選擇，使用了一個枚舉（濾波方式），對其可以選擇使用高通、低通、帶通、帶阻濾波器。</p><p>　　4.3 頻譜分析模塊</p><p>　　當(dāng)對信號進行濾波之后，得到與原波形相近的波形后，對其進行頻譜分析，使用labview中的一些軟件模塊，對其周期，峰峰值等參數(shù)進行分析。</p><p>　　圖 4-3-1 頻譜分析模塊</p&

67、gt;<p>　　4.4 總體程序圖及實驗驗證</p><p>　　根據(jù)要求，總體的程序圖如下：</p><p>　　圖4-4-1 總體設(shè)計程序框圖</p><p>　　圖 4-4-2 總體設(shè)計前面板圖</p><p>　　實驗開始前，將電源開關(guān)按下，選擇波形為正弦波，輸入信號的頻率為6.16148HZ，相位為6.81455，輸

68、入幅值為409.438，沒有添加噪聲，從而得到的前面板圖為：</p><p>　　圖 4-4-3 未添加噪聲前面板輸出圖</p><p>　　未添加噪聲的時候，測量的幅值周期平均值、峰峰值、正峰、反峰等測量值都沒有發(fā)生變化。</p><p>　　當(dāng)輸入的信號添加幅值為200的均勻白噪聲后，得到的前面板圖如下：</p><p>　　圖 4-4-

69、4 添加噪聲的前面板輸出圖</p><p>　　從這2個圖分析可以知道，添加噪聲之后，其波形圖的圖形上有“小毛刺”，同時頻譜分析中，其峰峰值等都會隨時間不同而產(chǎn)生變化，它們的值都不會是個固定值，這樣形成的測量誤差就有點大，影響數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。因而添加了濾波器，來決定是否進行濾波。</p><p>　　圖 4-4-5 采用濾波器后的采樣</p><p>　　因有噪聲的影

70、響，所以采用了一個濾波器進行濾波，從而得到一個較完好的信號，從而得到比較準(zhǔn)確的測量數(shù)據(jù)。</p><p>　　第 5 章 結(jié)論與總結(jié)</p><p>　　本文采用了目前比較流行的美國國家儀器公司的LabVIEW作為該系統(tǒng)的軟件開發(fā)平臺，對虛擬儀器和LabVIEW軟件進行了介紹，并詳細地介紹一種基于LabVIEW環(huán)境下自行開發(fā)的虛擬函數(shù)信號發(fā)生器。虛擬儀器設(shè)計及實現(xiàn)的核心是軟件的開發(fā)。該儀器

71、不但界面友好，而且功能強大、操作簡便。經(jīng)過仿真實驗表明，它能夠產(chǎn)生實驗室常用的正弦波、三角波、方波、鋸齒波信號，并模擬產(chǎn)生噪聲，采用巴特沃斯濾波器對其進行濾波，從而得到與原信號相近的信號進行頻譜分析。</p><p>　　本文結(jié)合現(xiàn)有條件，圍繞虛擬函數(shù)發(fā)生器和虛擬頻譜分析儀的設(shè)計和實現(xiàn)進行了實驗研究，得到以下一些結(jié)論：</p><p>　　利用虛擬儀器技術(shù)實現(xiàn)了虛擬函數(shù)發(fā)生器和虛擬頻譜分析

72、儀。</p><p>　　本文設(shè)計的虛擬儀器采用轉(zhuǎn)盤旋鈕來模擬實際的儀器，而采用的原件相對簡單，為實現(xiàn)具體的函數(shù)發(fā)生器和頻譜分析儀創(chuàng)造了條件。</p><p>　　當(dāng)然，本次試驗也有一些不足，本文設(shè)計的頻譜分析儀相對簡單，沒有實現(xiàn)較高級的功能，只是實現(xiàn)了相對簡單的一些基本測量功能。</p><p>　　同時在這次課程設(shè)計中，不僅加深了對labview軟件的認(rèn)識，還加

73、深了對系統(tǒng)模塊化分析處理的思想。</p><p><b>　　致謝</b></p><p>　　首先要感謝我的老師xx，xx老師在對我學(xué)習(xí)虛擬儀器和labview軟件方面進行了悉心指導(dǎo)，傾注了大量的心血。xx老師淵博的專業(yè)知識，嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度，孜孜不倦的研究態(tài)度，令我欽佩，在李老師的指導(dǎo)下，我不僅學(xué)到了豐富的專業(yè)知識，還學(xué)到了待人接物和嚴(yán)謹(jǐn)求學(xué)的態(tài)度，使我終生受益&l

74、t;/p><p>　　當(dāng)然，一個人的力量是有限的，同時也要感謝我的同學(xué)，感謝他們對我labview軟件上的幫助，使我能順利完成課程設(shè)計。</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　[1] 黃松嶺. 虛擬儀器設(shè)計基礎(chǔ)教程[M]. 北京: 清華大學(xué)出版社, 2008</p><p>　　[2] 劉君華.

75、基于LabVIEW的虛擬儀器設(shè)計[M]. 北京: 電子工業(yè)出版社, 2003</p><p>　　[3] 張小虹. 數(shù)字信號處理[M]. 北京: 機械工業(yè)出版社, 2005</p><p>　　[4] 李云志. 虛擬技術(shù)及其發(fā)展趨勢. 電子科學(xué)技術(shù)評論, 2005</p><p>　　[5] 荊銳. 虛擬儀器技術(shù). 計算機應(yīng)用與軟件,2007</p>