畢業(yè)設(shè)計---基于labview的虛擬網(wǎng)絡(luò)實驗室的設(shè)計

1、<p><b>　　X X 學(xué) 院</b></p><p><b>　　畢 業(yè) 設(shè) 計</b></p><p>　　設(shè)計題目：基于LabVIEW的虛擬網(wǎng)絡(luò)實驗室的設(shè)計</p><p>　　系 別：_________________________</p><p>　　班

2、 級：_________________________</p><p>　　姓　 　名：______________</p><p>　　指 導(dǎo) 教 師：_________________________</p><p><b>　　年月日</b></p><p>　　基于LabVIEW的虛擬網(wǎng)絡(luò)實驗室

3、的設(shè)計</p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　隨著電子技術(shù)高速發(fā)展，普通實驗室的更新速度無法跟上技術(shù)的發(fā)展。此外普通實驗室涉及到儀器調(diào)試、管理、易損壞等問題。在實驗時間和一些損耗性強的實驗項目上對學(xué)生限制過死。同樣，遠程教育學(xué)員一般都要在規(guī)定的時間到指定的學(xué)校集中完成實驗項目.技能培養(yǎng)質(zhì)量無法保證。教育機構(gòu)必須考慮如何跟上實驗的時代性和先進

4、性，創(chuàng)設(shè)實驗內(nèi)容豐富、訓(xùn)練操作扎實、不受時空限制的開放性實驗環(huán)境。近年來，由于虛擬儀器、仿真技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展，構(gòu)建基于LabVIEW的虛擬網(wǎng)絡(luò)實驗室將會成為一種經(jīng)濟、高效的首選方案。本文的主要工作就是在LabVIEW環(huán)境下，研究基于虛擬儀器的網(wǎng)絡(luò)教學(xué)實驗系統(tǒng)的設(shè)計問題。</p><p>　　首先，本文對虛擬儀器進行概述，對比了與傳統(tǒng)儀器的區(qū)別，介紹了虛擬儀器的軟件開發(fā)平臺LabVIEW的應(yīng)用，以及在Lab

5、VIEW環(huán)境下進行幾種常用虛擬儀器——虛擬信號發(fā)生器、相關(guān)分析、濾波器、和虛擬頻譜分析儀等的軟件設(shè)計方法。</p><p>　　接著，本文著重介紹了如何把設(shè)計的幾種虛擬儀器構(gòu)成一個虛擬實驗室，并利用虛擬儀器技術(shù)創(chuàng)建一個網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗室，充分運用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)構(gòu)建一個網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗系統(tǒng)，并采用虛擬儀器的網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)實現(xiàn)該網(wǎng)絡(luò)虛擬系統(tǒng)的遠程實驗?zāi)繕恕?lt;/p><p>　　本課題研究可以節(jié)省許多基礎(chǔ)設(shè)施的

6、重復(fù)建設(shè)和儀器設(shè)備重復(fù)引進的資金投入，有利于從整體上改善辦學(xué)條件和提高教學(xué)水平。在很大程度上方便了學(xué)生，不僅能夠引導(dǎo)學(xué)生理解實驗的理論知識，而且能夠指導(dǎo)學(xué)生進行正確的實驗操作，從而獲得感性上和理性上的認識。虛擬實驗室不僅極大的彌補了遠程教育模式的局限和不足，而且還使得遠程教育的方式方法更趨完美。將虛擬實驗室與遠程教育結(jié)合在一起，基于網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和虛擬儀器技術(shù)的虛擬實驗室己成為新型的遠程教育模式。</p><p>　　

7、關(guān)鍵詞：虛擬儀器;LabVIEW;網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗室;Internet</p><p>　　DESIGN OF VIRTUAL NETWORK LABORATORY BASED ON VIRTUAL INSTRUMENTATION</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　As the fast developmen

8、t of electronic technology, the exchanging speed of common laboratory can not keep up with the pace of technology. In addition common laboratory has the problem of instrumentation test，management and easy damage. It also

9、 limits the students not only in the experimenting time but also on the experimenting projects of easy damage. Similarly, students of long distance teaching all will come to school. Equally, the long-range-education stud

10、ents generally all will come to the ap</p><p>　　First, the paper concludes the virtual instrument，contrasts with traditional instrument, introduces the application of the developing platform of LabVIEW in vi

11、rtual instrument, and the software design methods of several kinds of common virtual instrument under the LabVIEW environment, such as virtual signal generator，relative analysis ， filter and virtual spectrum analyst.<

12、/p><p>　　Following that, this article emphatically introduces how to assemble the four kinds of designed virtual instruments to construct a virtual laboratory, then how to make use of the virtual instrument tec

13、hnology to establish a web-based virtual lab homepage, fully utilize the network technology to construct a web-based virtual experimental system, and last uses the network communication technology of virtual instrument t

14、o achieve the long-distance experimental goal of the web-based virtual experime</p><p>　　This subject can avoid increasing some basis repeated instrument and save more funds and this subject is good to impro

15、ve the level of teaching as a whole. It is convenient for students to make the theory easy to understand in this case and guide them to do the experiment correctly. So the students can make the great progress in sensibil

16、ity and theoretic. The virtual laboratory can be not only making up the shortage of remote teaching pattern, but also make the remote education better. Combining </p><p>　　Key words: virtual instrumentation;

17、 LabVIEW; virtual network laboratory; Internet</p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　第一章 緒論1</b></p><p><b>　　1.1課題背景1</b></p><p>　　1

18、.2高校實驗教學(xué)現(xiàn)狀1</p><p><b>　　1.3虛擬儀器2</b></p><p>　　1.3.1虛擬儀器的定義2</p><p>　　1.3.2虛擬儀器的組成3</p><p>　　1.3.3虛擬儀器的特點4</p><p>　　1.3.4基于虛擬儀器的網(wǎng)絡(luò)實驗系統(tǒng)建立問題的

19、提出4</p><p>　　1.3.5基于虛擬儀器的網(wǎng)絡(luò)實驗系統(tǒng)的建立的可行性分析6</p><p>　　1.4 基于虛擬儀器的網(wǎng)絡(luò)實驗系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀6</p><p>　　第二章 虛擬儀器的開發(fā)環(huán)境8</p><p>　　2.1LabVIEW簡介8</p><p>　　2.1.1LabVIEW的含義8&l

20、t;/p><p>　　2.1.2LabVIEW的特點8</p><p>　　2.2LabVIEW8.2編程環(huán)境9</p><p>　　2.2.1LabVIEW8.2的基本開發(fā)平臺9</p><p>　　2.3本章小結(jié)12</p><p>　　第三章 虛擬網(wǎng)絡(luò)實驗室的軟件設(shè)計12</p><p&

21、gt;　　3.1 虛擬信號發(fā)生器12</p><p>　　3.1.1 儀器原理與功能13</p><p>　　3.1.2 前面板和程序框圖的設(shè)計13</p><p>　　3.2 虛擬相關(guān)分析儀15</p><p>　　3.2.1 儀器原理15</p><p>　　3.2.2虛擬相關(guān)分析實驗的實現(xiàn)16<

22、/p><p>　　3.3 虛擬濾波器19</p><p>　　3.3.1虛擬濾波器的概述19</p><p>　　3.3.2 虛擬濾波器的軟件實現(xiàn)19</p><p>　　3.4 虛擬積分器和微分器20</p><p>　　3.4.1 儀器功能20</p><p>　　3.4.2 前面板和

23、程序框圖的設(shè)計21</p><p>　　3.5 虛擬調(diào)幅波解調(diào)器22</p><p>　　3.5.1 儀器原理和儀器功能22</p><p>　　3.5.2 前面板和程序框圖的設(shè)計23</p><p>　　3.6 虛擬頻譜分析儀24</p><p>　　3.6.1 信號的頻域分析24</p>

24、<p>　　3.6.2 傅里葉變換24</p><p>　　3.7 本章小結(jié)26</p><p>　　第四章 虛擬儀器實驗系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)發(fā)布26</p><p><b>　　4.1 概述26</b></p><p>　　4.2 TCP通訊26</p><p>　　4.3 在Web上

25、發(fā)布程序28</p><p>　　4.3.1 服務(wù)器端的Web發(fā)布配置29</p><p>　　4.3.2 客戶端的遠程連接31</p><p><b>　　第五章 總結(jié)35</b></p><p><b>　　謝辭36</b></p><p><b>　

26、　參考文獻37</b></p><p><b>　　附錄39</b></p><p><b>　　外文資料41</b></p><p><b>　　第一章 緒論</b></p><p><b>　　1.1課題背景</b></p>

27、;<p>　　在這個計算機和網(wǎng)絡(luò)時代，利用計算機和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)對傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)進行改造，已是大勢所趨，而虛擬儀器系統(tǒng)正是計算機和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與傳統(tǒng)的儀器技術(shù)進行融合的產(chǎn)物，虛擬儀器（Virtual Instrument，簡稱VI）作為當前自動化儀表領(lǐng)域研究的熱點，正越來越受到人們的廣泛關(guān)注。高等院校，肩負著為國家培養(yǎng)創(chuàng)新型人才的重任，但是目前，在中國許多高校中使用的教學(xué)實驗儀器，大多數(shù)仍然是相當落后的傳統(tǒng)儀器。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展以及

28、相應(yīng)學(xué)科高等教育課程教學(xué)內(nèi)容的更新，傳統(tǒng)儀器日益暴露出一些缺陷和不足。為了改善實驗條件、改革實驗教學(xué)方法、降低實驗成本、更新實驗教學(xué)內(nèi)容、提高實驗教學(xué)課程的開設(shè)水平，把虛擬儀器引入實驗教學(xué)已成為一種必然趨勢。對十虛擬儀器應(yīng)用十高校實驗教學(xué)，目前仍處十起步階段，但其顯著的經(jīng)濟性和實用性已顯示出其巨大的優(yōu)勢和潛力。近年來，由十虛擬儀器和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展，通過網(wǎng)絡(luò)來構(gòu)建虛擬實驗室已成為可能，遠程教育的學(xué)習(xí)者通過網(wǎng)絡(luò)進行遠程實驗也為時不遠。隨

29、著虛擬儀器的產(chǎn)生和發(fā)展，將帶來新型實驗方式的產(chǎn)生，推動教育方式的重大轉(zhuǎn)變。</p><p>　　在科技迅猛發(fā)展的今天，以教育有限的投入無法滿足實驗設(shè)備價格昂貴、更新速度快的要求，這就要求從事實驗教學(xué)研究的工作者，開發(fā)能夠滿足現(xiàn)代實驗教學(xué)要求、物美價廉的實驗教學(xué)儀器，以提高實驗教學(xué)水平，培養(yǎng)高素質(zhì)的適應(yīng)時代要求的合格人才。本論文正是在這種背景下進行研究的，在此背景下作者想到開發(fā)一個網(wǎng)絡(luò)化的虛擬儀器實驗教學(xué)系統(tǒng)，以解

30、決陳舊的教學(xué)方式和實驗儀器與教學(xué)現(xiàn)代化、多元化之間的矛盾。</p><p>　　1.2高校實驗教學(xué)現(xiàn)狀</p><p>　　系統(tǒng)開發(fā)前我曾在網(wǎng)上對國內(nèi)一些高校的實驗教學(xué)內(nèi)容和實驗設(shè)備進行了考查和調(diào)研，調(diào)研中發(fā)現(xiàn)目前高校理工科實驗教學(xué)仍然沿用著傳統(tǒng)的實驗教學(xué)方法，主要表現(xiàn)在以下幾個方面：</p><p>　?。?）實驗內(nèi)容和實驗設(shè)備依附于理論課程進行劃分，各實驗室和實

31、驗內(nèi)容沒有形成一個有機的整體，缺乏系統(tǒng)的觀念。</p><p>　?。?）實驗設(shè)備重復(fù)建設(shè)，沉積較多。</p><p>　?。?）實驗設(shè)備層次不齊，大部分設(shè)備落后于課程建設(shè)的需要。</p><p>　?。?）實驗的內(nèi)容側(cè)重于理論的驗證和模仿訓(xùn)練，每個學(xué)生的實驗內(nèi)容千篇一律，將學(xué)生的思維限定在一個狹窄的范圍內(nèi)，缺乏對學(xué)生創(chuàng)新意識的培養(yǎng)和綜合能力的提高。</p&g

32、t;<p>　?。?）滯后的實驗設(shè)備和死板的實驗?zāi)Ｊ诫y以調(diào)動學(xué)生的主動性和創(chuàng)造性，實驗教學(xué)處于應(yīng)試教育。</p><p>　　目前大多數(shù)高校在測試和測量中所使用的傳統(tǒng)儀器主要由二部分構(gòu)成:即對被測信號的采集與控制、分析與處理、測量結(jié)果的表達與存儲。傳統(tǒng)電子儀器的這些功能模塊大多是以硬件或者固化的軟件的形式存在的，因此也具有以下幾個方面的弱點:</p><p>　　(1)成本高

33、，技術(shù)更新慢。傳統(tǒng)電子儀器價格比較昂貴，動輒幾十萬人民幣。研發(fā)周期長，技術(shù)更新慢，使用當中存在元器件老化等問題從而導(dǎo)致工作狀態(tài)不穩(wěn)定，日常維護費用較高，技術(shù)難度大，使用壽命短。</p><p>　　(2)數(shù)據(jù)顯示、分析和存儲功能不夠強大。傳統(tǒng)電子儀器的圖形顯示界面比較小，依靠人工讀取數(shù)據(jù)，誤差因觀察者的實驗方法而不同，并且從中獲得的信息量小。另外由于硬件設(shè)備的限制，往往無法實現(xiàn)更靈活、更特殊、更準確的數(shù)據(jù)分析功能

34、，也難以實現(xiàn)實驗數(shù)據(jù)編輯、存儲和打印等功能。</p><p>　　(3)靈活性和可擴展性差。傳統(tǒng)電子儀器具有固定的用戶界面、組成模塊和數(shù)據(jù)處理功能。獨立儀器只有一塊儀器面板，例如，示波器只有示波器面板，頻譜儀也只有頻譜儀的面板(但是，虛擬儀器的“面板”顯示在PC的屏幕上，儀器的操作是通過鼠標選中不同的按鍵和旋鈕來完成的。根據(jù)實際生產(chǎn)的需要，采用不同的軟硬件組合，用戶就能在屏幕上定義自己的儀器，生成各種不同的“儀器

35、面板”)。又如，用戶有時只需要用到儀器中的一小部分功能，而在用到其他功能時卻達不到所需指標，如信號的頻率受制于實際元器件的限制。用戶無法改動廠家固定好的儀器模塊，靈活性和可擴展性差。這些在很大程度上制約了實驗教學(xué)的發(fā)展和人才培養(yǎng)質(zhì)量的提高。</p><p><b>　　1.3虛擬儀器</b></p><p>　　測試儀器一般都可以分為三部分:數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析處理、測

36、試結(jié)果顯示和記錄。傳統(tǒng)的儀器設(shè)備通常是以某一特定的測量對象為目標，把以上三個過程組合在一起，實現(xiàn)性能、范圍相對固定，功能、對象相對單一的測試目標。而虛擬儀器則是通過各種與測量技術(shù)相關(guān)的軟件和硬件，與計算機相結(jié)合，用以替代傳統(tǒng)概念的儀器設(shè)備，或者利用軟件和硬件與傳統(tǒng)儀器設(shè)備相連接，通過通信方式采集、分析、顯示數(shù)據(jù)，監(jiān)視和控制測試過程、生產(chǎn)過程等，操作人員在計算機的屏幕上利用鼠標等指點設(shè)備操作虛擬的儀器，就像操作真實的儀器一樣。這種硬件功能

37、的軟件化，是虛擬儀器的一大特征。</p><p>　　1.3.1虛擬儀器的定義</p><p>　　所謂虛擬儀器，是指在以通用計算機為核心的硬件平臺上，由用戶設(shè)計定義，具有虛擬面板，其儀器的大部分測試功能由測試軟件實現(xiàn)的一種計算機儀器系統(tǒng)。儀器的面板由顯示在計算機上的軟面板來代替，信號的獲取和信號的分析、處理、存儲及打印等功能完全由軟件來實現(xiàn)。其實質(zhì)是利用計算機顯示器的顯示功能來模擬傳統(tǒng)儀

38、器的控制面板，以多種形式表達輸出檢測結(jié)果;利用計算機的軟件功能實現(xiàn)信號數(shù)據(jù)的運算、分析和處理;利用I/O接口通信設(shè)備完成信號的采集與傳輸，最終完成各種測試功能。</p><p>　　1.3.2虛擬儀器的組成</p><p>　　虛擬儀器是計算機化的儀器，由計算機、模塊化功能硬件和應(yīng)用軟件二大部分組成，虛擬儀器根據(jù)其模塊化功能硬件的不同，而有多種構(gòu)成方式。虛擬儀器系統(tǒng)構(gòu)成的基本框圖見圖1。&

39、lt;/p><p>　　圖1-1 虛擬儀器系統(tǒng)構(gòu)成的基本框圖</p><p>　　1、PC-DAQ測試系統(tǒng):是以數(shù)據(jù)采集卡、信號調(diào)理電路及計算機為儀器硬件平臺組成的測試系統(tǒng)。</p><p>　　2、GPIB系統(tǒng):是以GPIB標準總線儀器與計算機為硬件平臺組成的測試系統(tǒng)。</p><p>　　3、VXI系統(tǒng):是以VXI標準總線儀器與計算機為硬件平

40、臺組成的測試系統(tǒng)。</p><p>　　4、串口系統(tǒng):是以RS-232標準串行總線儀器與計算機為硬件平臺組成的測試系統(tǒng)。</p><p>　　5、現(xiàn)場總線系統(tǒng):是以FieldBus標準總線儀器與計算機為硬件平臺組成的測試系統(tǒng)。</p><p>　　6、PXI系統(tǒng):是以PXI標準總線儀器與計算機為硬件平臺組成的測試系統(tǒng)。</p><p>　　目

41、前，為不同的應(yīng)用目的和環(huán)境，已設(shè)計了多種性能和用途的數(shù)據(jù)采集板卡，從低速采集板卡到高速同步采集板卡，直至圖像采集卡都有成熟的產(chǎn)品，因此，在使用時完全可以根據(jù)需要直接購買現(xiàn)成的產(chǎn)品。</p><p>　　1.3.3虛擬儀器的特點</p><p>　　虛擬儀器的最大特點是它的靈活性，它可以很方便地通過選擇不同的硬件配置和改變軟件來實現(xiàn)各種測控功能，使得硬件資源具備了再用性。由于采用了通用的硬件

42、和計算機，使得系統(tǒng)的成本下降，開發(fā)周期縮短，維護的成本降低。虛擬儀器與傳統(tǒng)儀器的比較表如表1所示。與傳統(tǒng)儀器相比，虛擬儀器具有以下幾個特點:</p><p>　　(1)開放性 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)實際情況設(shè)計出自己的測試方案，以完成不同的測試任務(wù)。</p><p>　　(2)模塊化 各種測量數(shù)據(jù)可以由不同的處理模塊進行處理，也就相當十把各種測試能力集于一體

43、，從而提高測試速度和測試效率。</p><p>　　(3)可重復(fù)性 傳統(tǒng)儀器有使用壽、使用次數(shù)的限制。而用軟件創(chuàng)建的虛擬儀器，可重復(fù)使用完全不受時間、地點、使用次數(shù)的制約，這是傳統(tǒng)儀器所不能比擬的。</p><p>　　(4)自定義性 虛擬儀器使得用戶能夠根據(jù)自己的需要定義儀器功能，而不像傳統(tǒng)儀器那樣，受到儀器廠商的限制。通過對其軟件模塊的擴充，相當于購買一臺新儀器。</p>

44、;<p>　　(5)低價位 現(xiàn)代計算機性能/價格比的不斷提高，使得越來越多的用戶認可并接受虛擬儀器系統(tǒng)。應(yīng)用虛擬儀器系統(tǒng)技術(shù)，用戶可以用較少的資金、時間、系統(tǒng)開發(fā)和維護費用，開發(fā)出功能更強、質(zhì)量更可靠的產(chǎn)品和系統(tǒng)。</p><p>　　表1-1 虛擬儀器與傳統(tǒng)儀器的比較</p><p>　　1.3.4基于虛擬儀器的網(wǎng)絡(luò)實驗系統(tǒng)建立問題的提出</p><p

45、>　　21世紀是世界各國之間的科技、經(jīng)濟和綜合國力競爭更加激烈的世紀。各國之間的競爭，歸根結(jié)底是人才的競爭、教育的競爭。在新的歷史條件下，要求高等學(xué)校培養(yǎng)的人才，具有創(chuàng)新精神和很強的工作適應(yīng)能力。這其中，最重要的一個環(huán)節(jié)就是學(xué)生實踐能力的培養(yǎng)?！皩嵺`教學(xué)對于提高學(xué)生綜合素質(zhì)，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神與實踐能力具有特殊作用”。</p><p>　　而測試技術(shù)教學(xué)實驗一直以來都是大學(xué)工科實踐教學(xué)中的重要內(nèi)容之一。為保

46、證完成必要的教學(xué)實驗內(nèi)容，并且跟上當今測試工程的發(fā)展趨勢，傳統(tǒng)的測試技術(shù)教學(xué)實驗室一般需購置先進而且昂貴的基礎(chǔ)測量儀器，如示波器、萬用表、信號源等。隨著測試技術(shù)的發(fā)展，儀器更新?lián)Q代的步伐越來越快，功能越來越復(fù)雜。投資大、技術(shù)更新快、維護困難，而且面臨著增加實驗教學(xué)課時的壓力，使得相關(guān)教學(xué)實驗室更新與改造已成為測試技術(shù)教學(xué)實驗領(lǐng)域改革的重要課題。</p><p>　　虛擬儀器技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展，為解決上述問題提供一個

47、新的思路。利用虛擬儀器技術(shù)，可以設(shè)計出與實際儀器在原理、功能和操作方面完全一樣的全軟件虛擬儀器。利用這些虛擬儀器，學(xué)生在計算機上就可以學(xué)習(xí)和掌握儀器原理、功能與操作，并通過儀器與儀器，儀器與電路的相互配合，完成實際測試過程，達到與實際儀器教學(xué)的相同目的。此外，我們還可采用虛擬儀器技術(shù)設(shè)計虛擬儀器實驗室，根據(jù)實際的實驗任務(wù)和實驗要求，將分布在學(xué)校不同實驗室的各種測量儀表和實驗設(shè)備連接為一個網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，通過計算機實施集中控制和管理，從根本上改

48、變傳統(tǒng)實驗教學(xué)方法，降低實驗室建設(shè)與管理成本，徹底改變采用傳統(tǒng)單元儀表分散工作時成本高、維護困難、資源配置重復(fù)等缺點。通過這樣的實驗方式，可以培養(yǎng)學(xué)生的求知興趣和創(chuàng)新能力。另外，利用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)將虛擬實驗室網(wǎng)絡(luò)化，不但可以大大提高虛擬實驗室的資源利用率，而且可以進行網(wǎng)上遠程教學(xué)實驗。</p><p>　　此外，實驗課程的遠程教學(xué)一直是一個很大的難題，它不像理論課的遠程教學(xué)，可以通過下載教學(xué)課件、教學(xué)資料、在線點播、收

49、看電視教學(xué)節(jié)目等形式進行。目前，解決這一問題的途徑主要有兩種。第一種是目前國內(nèi)普遍采取的方法，就是讓參與遠程教學(xué)的學(xué)生在一個集中的時間到學(xué)校參與實驗課教學(xué)。由于時間緊、課程過于集中等原因，這種方法存在的弊端是顯而易見的;第二種方法是讓學(xué)生郵購專為教育制造的廉價實驗儀器，學(xué)生自己在家中做實驗，目前國外一些遠程教育機構(gòu)采用的就是這種方法。雖然采用這種方法能夠讓學(xué)生自由操作儀器，培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的能力和創(chuàng)新能力，但是由于缺少教師的有效指導(dǎo)，很

50、難保證達到如期的教學(xué)目的。另外，人手一套實驗教學(xué)儀器將耗費大量的資金，對于發(fā)展與推廣遠程教育不是行之有效的方法。利用虛擬儀器，學(xué)生可以在個人電腦上安裝虛擬儀器軟件，即可以實現(xiàn)本地甚至是基于網(wǎng)絡(luò)的遠程操作和實驗儀器控制，以及實時真實的數(shù)據(jù)傳輸，如同實地操作實驗儀器一樣方便靈活，同時由于教師或設(shè)計者事先定義了虛擬儀器的功能和實驗步驟，可以有效地幫助學(xué)生完成預(yù)定的教學(xué)目標。從這個意義上說，虛擬儀器技術(shù)在實驗教學(xué)上的應(yīng)用是實驗課程遠程教育發(fā)展的

51、突破點</p><p>　　1.3.5基于虛擬儀器的網(wǎng)絡(luò)實驗系統(tǒng)的建立的可行性分析 </p><p>　　1、從資金的角度講，由于虛擬儀器技術(shù)的新特性，決定了建立虛擬儀器技術(shù)實驗室只需要較少的資金，并且虛擬儀器的更新?lián)Q代、維護所需的資金與傳統(tǒng)的儀器實驗室相比都是很少的。</p><p>　　2、從技術(shù)的角度講，虛擬儀器技術(shù)已經(jīng)基本發(fā)展成熟，在測試領(lǐng)域已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)

52、用，并且也是未來的測試技術(shù)的發(fā)展方向。而網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的迅猛發(fā)展更為虛擬儀器教學(xué)試驗系統(tǒng)的實現(xiàn)提供有力的技術(shù)保證。</p><p>　　3、從硬件的角度講，計算機是虛擬儀器的硬件基礎(chǔ)，一般的實驗室都擁有相當數(shù)量的計算機，只需要購買一些相關(guān)的虛擬儀器硬件，就可以構(gòu)建虛擬儀器系統(tǒng)。而購買這些硬件的花銷遠遠低于購買傳統(tǒng)的儀器設(shè)備。</p><p>　　綜上所述，利用虛擬儀器技術(shù)建立網(wǎng)絡(luò)化的教學(xué)實驗系統(tǒng)

53、是完全可行且很有意義的。</p><p>　　1.4 基于虛擬儀器的網(wǎng)絡(luò)實驗系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀</p><p>　　目前，網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗室在發(fā)達國家已十分普及。一些發(fā)達國家的高等院校已將虛擬儀器作為常規(guī)的實驗儀器在學(xué)生實驗中應(yīng)用。在最早提出虛擬實驗室概念并具有雄厚的科研實力和強大財力的美國，虛擬儀器系統(tǒng)及其圖形化編程語言，已作為各大學(xué)理工科學(xué)生的一門必修課程，從一開始就十分重視虛擬實驗室的研究與

54、開發(fā)，并在該領(lǐng)域處于領(lǐng)先地位。為了繼續(xù)保持其在科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)的領(lǐng)先地位，他們尤其重視信息技術(shù)方面的研究，并將虛擬實驗室的建設(shè)列入其科研發(fā)展的戰(zhàn)略規(guī)劃之中。美國斯坦福大學(xué)的機械工程系要求三四年級的學(xué)生在實驗時應(yīng)用虛擬儀器進行數(shù)據(jù)采集和實驗控制。</p><p>　　國內(nèi)已有部分院校實驗室引入了虛擬儀器系統(tǒng)，2003年7月，美國國家儀器有限公司宣布:在已有20所高等院校建立了虛擬儀器實驗室的基礎(chǔ)上，中國又有14所重點

55、院校，包括北京大學(xué)，復(fù)旦大學(xué)和浙江大學(xué)將采納虛擬儀器作為理工科學(xué)生的實驗課程。利用世界銀行的高等教育開發(fā)項目基金，中國教育部從NI公司購買了LabVIEW圖形化開發(fā)軟件和NI數(shù)據(jù)采集(DAQ)硬件，在這14所大學(xué)建立了230個工作站。實驗室引入虛擬儀器系統(tǒng)的部分國內(nèi)院校名單如下:清華大學(xué)電機工程及應(yīng)用電子技術(shù)系，復(fù)旦大學(xué)電子工程系，上海交通大學(xué)儀器工程系，吉林大學(xué)通信學(xué)院測控技術(shù)與儀器系，武漢華中科技大學(xué)電子科學(xué)與技術(shù)系，西安交通大學(xué)電

56、氣工程學(xué)院，西安工業(yè)大學(xué)，南京工程學(xué)院自動化系，江南大學(xué)機械系，杭州電子工業(yè)學(xué)院測控技術(shù)與儀器系，淮陰工學(xué)院動力系等。</p><p>　　其中，華中理工大學(xué)機械學(xué)院工程測試實驗室將其開發(fā)成果在網(wǎng)上公開展示。四川聯(lián)合大學(xué)的教師基于虛擬儀器的設(shè)計思想，研制了“航空電臺二線綜合測試儀”將8臺儀器集成于一體，組成虛擬儀器系統(tǒng)，使用方便、靈活。清華大學(xué)汽車系利用虛擬儀器技術(shù)構(gòu)建的汽車發(fā)動機檢測系統(tǒng)，用于汽車發(fā)動機的出廠檢

57、驗，主要檢測發(fā)動機的功率特性、負荷特性等，一臺發(fā)動機檢測完后，就可打印出完整的檢測報告。此外，一些高校和企業(yè)也利用虛擬儀器技術(shù)進行項目開發(fā)，吉林大學(xué)進行的“精密儀器軟件平臺研究與開發(fā)”，武漢理工大學(xué)信息工程學(xué)院的學(xué)生開發(fā)了“基于USB和LabVIEW技術(shù)的遠程發(fā)動機測試診斷系統(tǒng)”等。國內(nèi)已有幾家企業(yè)在研制PC虛擬儀器，哈工大儀器王電子有限責(zé)任公司就是其中之一，它的產(chǎn)品已達到一定的批量。其主要產(chǎn)品有數(shù)字存儲示波器系列、任意波形發(fā)生器及頻率

58、計系列、多通道大容量波形記錄儀系列。國內(nèi)專家預(yù)測:未來的幾年內(nèi)，我國將有50%的儀器為虛擬儀器。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監(jiān)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。</p><p>　　第二章 虛擬儀器的開發(fā)環(huán)境</p><p>　　構(gòu)造一個虛擬儀器，基本硬件確定以后，就可以通過不同的軟件實現(xiàn)不同的功能。軟件是虛擬

59、儀器的關(guān)鍵。目前流行的虛擬儀器軟件開發(fā)工具有兩類：文本式編程語言有C,C++,VB,VC,LabWindows/CVI等；圖形化編程語言有LabVIEW，Agilent VEE等。其中LabVIEW最流行，是目前應(yīng)用最廣、發(fā)展最快、功能最強的圖形化軟件。</p><p>　　現(xiàn)在，國際上成功的商用圖形化開發(fā)平臺主要有兩個:NI公司的LabVIEW與惠普公司的HP VEE。此外，還有一些在數(shù)據(jù)流圖形編程方面不很成熟

60、的開發(fā)平臺面世。國內(nèi)浙江大學(xué)的VPP和重慶大學(xué)的組控智能虛擬儀器平臺也做出了一些嘗試并有初級版本出現(xiàn)。</p><p>　　2.1 LabVIEW簡介</p><p>　　2.1.1LabVIEW的含義</p><p>　　LabVIEW（Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench，實驗室虛擬儀器集成環(huán)境）

61、是一種圖形化的編程語言（又稱G語言），它是由美國NI公司推出的虛擬儀器開發(fā)平臺，也是目前應(yīng)用最廣、發(fā)展最快、功能最強的圖形化軟件集成開發(fā)環(huán)境。</p><p>　　LabVIEW作為一種強大的虛擬儀器開發(fā)平臺，廣泛地被工業(yè)界、學(xué)術(shù)界、和研究實驗室所接受，被視為一個標準的數(shù)據(jù)采集和儀器控制軟件。LabVIEW集成了GPIB，VXI，RS-232C，USB的硬件和數(shù)據(jù)采集卡通信的全部功能，并且它還內(nèi)置了便于應(yīng)用TCP

62、/IP，ActiveX等軟件標準的庫函數(shù)。因此，LabVIEW是一個功能強大且靈活的軟件，利用它可以方便地組建自己的虛擬儀器。</p><p>　　使用LabVIEW開發(fā)平臺編制的程序稱為虛擬儀器，它包括前面板、程序框圖及圖標/連線板三部分。LabVIEW簡化了虛擬儀器的開發(fā)過程，縮短了儀器開發(fā)和調(diào)試周期，它讓用戶從煩瑣的計算機代碼編寫中解脫出來，把大部分精力投入儀器設(shè)計和分析當中，而不再拘泥于程序的細節(jié)。<

63、;/p><p>　　2.1.2LabVIEW的特點</p><p>　　LabVIEW是一種圖形化的編程語言，使用這種語言編程時，基本上不用寫程序代碼，取而代之的是程序框圖。LabVIEW盡可能地利用了技術(shù)人員，科學(xué)家，工程師所熟悉的術(shù)語、圖標和概念，因此，LabVIEW是一個面向最終用戶的工具，它可以增強用戶構(gòu)建自己的工程系統(tǒng)的能力，提供了實現(xiàn)儀器編程和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的便捷途徑，使用它進行原理

64、研究、設(shè)計、測試并實現(xiàn)儀器系統(tǒng)時，可以大大提高工作效率。</p><p>　　LabVIEW是通過圖形符號來描述程序的行為，它消除了令人煩惱的語法規(guī)則，減輕了用戶編程的負擔(dān)，提高了效率，LabVIEW的特點如下。</p><p>　　編程簡單，不需要記憶編程語言，只要通過交互式圖形前面板進行系統(tǒng)控制和結(jié)果顯示，再通過程序框圖進行功能模塊的組合操作來指定各種功能，即可完成軟件編程。</

65、p><p>　　開發(fā)周期短，只需通過交互式圖形前面板進行系統(tǒng)控制和結(jié)果顯示，可省去硬件面板的制作。</p><p>　　高效性，這主要是以軟件作保證。以功能強大的LabVIEW作為軟件開發(fā)平臺，諸如數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析、文件處理、波形處理、數(shù)學(xué)運算等，都能輕而易舉地解決。</p><p>　　開放性，可根據(jù)實際情況進行更新拓展，發(fā)展迅速。</p><p

66、>　　自定義性，工程師們可以在非常廣泛的測量和控制應(yīng)用中自定義芯片級硬件功能。</p><p>　　性價比高，能一機多用。</p><p>　　2.2LabVIEW8.2編程環(huán)境</p><p>　　LabVIEW8.2程序開發(fā)環(huán)境采用圖形化的編程方式，無須編寫任何代碼，它不僅包含有豐富的數(shù)據(jù)采集、分析及存儲的庫函數(shù)，還提供了PCI，GPIB，PXI，VXI，

67、RS-232C，USB等通信總線標準的功能函數(shù)，可以驅(qū)動不同總線接口的設(shè)備和儀器。LabVIEW8.2具有強大的網(wǎng)絡(luò)功能，支持常用的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，可以方便地設(shè)計、開發(fā)網(wǎng)絡(luò)測控儀器，并有多種程序調(diào)試手段，如斷電設(shè)置、單步調(diào)試等。</p><p>　　2.2.1LabVIEW8.2的基本開發(fā)平臺</p><p>　　使用LabVIEW開發(fā)平臺編制的程序稱為虛擬儀器，簡稱VI。VI由以下3部分構(gòu)成。

68、</p><p>　　前面板：即用戶界面。</p><p>　　程序框圖：包含用于定義VI功能的圖形化源代碼。</p><p>　　圖標和連線板：用以識別VI的接口，以便在創(chuàng)建VI時調(diào)用另一個VI。當一個VI應(yīng)用在其它VI中，則稱為子VI。子VI相當于文本編程語言中的子程序。</p><p><b>　　1.前面板</b>

69、;</p><p>　　前面板是VI的用戶界面。創(chuàng)建VI時，通常應(yīng)先設(shè)計前面板，然后設(shè)計程序框圖在前面板上創(chuàng)建的輸入/輸出任務(wù)。</p><p>　　前面板上有用戶輸入控制和輸出顯示兩類對象，用于模擬真實儀表的前面板?？刂坪惋@示對象以各種各樣的圖形形式出現(xiàn)在前面板上，具體表現(xiàn)為旋鈕、按鈕、圖形、指示燈，以及其他的控制和顯示對象等，這使得用戶界面更加直觀易懂。</p><

70、p>　　在前面板的編輯界面上，正上方是窗口彈出式菜單，包括文件(File )，編輯(Edit )，操作(Operate )，工具(Tools )，工程(Project，窗口Windows)和幫助(Help )。在前面板編輯界面上還有兩個常用的操縱模板，它們是工具(Tools)模板和控制(Controls )模板，如圖2-1和圖2-2:</p><p>　　圖 2-1 工具模板

71、圖2-2 控制模板</p><p>　　工具模板為編程者提供了各種用于創(chuàng)建、修改和調(diào)試VI程序工具。該圖從左到右，從上到下分別為:操作工具、選擇工具、標簽工具、連線工具、對象彈出菜單工具、漫游工具、斷點工具、探針工具、顏色提取工具和顏色工具。</p><p>　　控制面板可以給前面板添加輸入控制和輸出顯示。每一個圖標代表一個子模板。只有當打開前面板窗口是才調(diào)用控制面板。該圖從左到右從上到下

72、依次為:數(shù)值子模板、布爾值子模板、字符串子模板、列表和環(huán)子模板、數(shù)組和群子模板、圖形子模板、路徑和參考子模板、控件容器庫子模板、對話框子模板、修飾子模板還有用戶自定義的控制和顯示，調(diào)用存儲在文件中的控制和顯示接口。</p><p><b>　　2.程序框圖</b></p><p>　　每個前面板都配有一個對應(yīng)的方塊圖程序，方塊圖程序也叫做框圖程序。程序框圖可以把它理解

73、成傳統(tǒng)程序的源代碼，框圖中的部件可以看成程序節(jié)點，如循環(huán)控制，事件控制和算術(shù)功能等，這些部件都用連線連接，以定義方塊圖內(nèi)數(shù)據(jù)流動的方向。當進行程序框圖編程時，完全無需考慮傳統(tǒng)程序設(shè)計中許多語法的細節(jié)，用戶只需從功能工具箱中選用不同的圖標，然后再以線條相互連接，數(shù)據(jù)將按從左至右的順序由一個方塊傳遞至下一個方塊。LabVIEW程序為模塊化結(jié)構(gòu)，因此每一個LabVIEW程序都可以單獨執(zhí)行，或者被其他程序當成于程序來調(diào)用。甚至可以為每個子程序設(shè)

74、計不同的圖標，如此便可以設(shè)計出一組可供修改，交換或與其他LabVIEW程序相鏈接的子程序庫，以符合用戶不同的需求。此外，LabVIEW還是唯一具有編輯器(Compiler)的圖形程序語言，它可以將程序結(jié)構(gòu)最優(yōu)化。另外，若使用Application Builder工具軟件，更可將LabVIEW開發(fā)出來的程序轉(zhuǎn)換為Windows環(huán)境下的.EXE獨立可執(zhí)行文件。</p><p><b>　　圖2-3 功能模板

75、</b></p><p>　　在程序框圖編輯面板中點擊右鍵可以彈出功能模板(Functions)如圖2-3所示。功能模板是創(chuàng)建框圖程序的工具。該模板上的每一個頂層圖標都表示一個子模板。若功能模板不出現(xiàn)，則可以用Windows菜單下的Show Functions Palette功能打開它，也可以在框圖程序窗口的空白處點擊鼠標右鍵以彈出功能模板。(注:只有打開了框圖程序窗口，才能出現(xiàn)功能模板。)功能模板包

76、含以下子模板:</p><p>　　結(jié)構(gòu)子模板:包括程序控制結(jié)構(gòu)命令，例如循環(huán)控制等，以及全局變量。</p><p>　　數(shù)值運算子模板:包括各種常用的數(shù)值運算符，如+、-等;以及常見的數(shù)值運算式，如比值運算;還包括數(shù)制轉(zhuǎn)換、三角函數(shù)、對數(shù)、復(fù)數(shù)等運算，以及各種數(shù)值常數(shù)。</p><p>　　布爾邏輯子模板:包括各種邏輯運算符以及布爾常數(shù)。</p>&

77、lt;p>　　字符串運算子模板:包含各種字符串操作函數(shù)、數(shù)值與字符串之間的轉(zhuǎn)換函數(shù)，以及字符(串)常數(shù)等。</p><p>　　數(shù)組子模板:包括數(shù)組運算函數(shù)、數(shù)組轉(zhuǎn)換函數(shù)，以及常數(shù)數(shù)組等。</p><p>　　群子模板:包括群的處理函數(shù)，以及群常數(shù)等。</p><p>　　比較子模板:包括各種比較運算函數(shù)，如大于、小于、等于。</p><p

78、>　　時間和對話框子模板:包括對話框窗口、時間和出錯處理函數(shù)等。</p><p>　　文件輸入/輸出于模板:包括處理文件輸入/輸出的程序和函數(shù)。</p><p><b>　　3.圖標/連線接板</b></p><p>　　圖標/連接端口可以把VI變成一個對象(SubVI，即VI子程序)，然后像子程序一樣在其他VI中調(diào)用。圖標作為SubVI

79、的直觀標記，在被其他VI調(diào)用時，代表SubVI中的所有框圖程序。連接端口表示該SubVI與調(diào)用它的VI之間進行數(shù)據(jù)交換的輸入輸出口，就像傳統(tǒng)編程語言子程序的參數(shù)端口，與S11bVI中前面板上的控制和指示對應(yīng)。</p><p>　　LabVIEW的強大功能歸因于它的層次化結(jié)構(gòu)，用戶可以把創(chuàng)建的VI程序當作SubVI來調(diào)用以創(chuàng)建更加復(fù)雜的VI，并且這種調(diào)用的遞階次數(shù)是無限制的。</p><p>

80、;<b>　　2.3本章小結(jié)</b></p><p>　　本章簡要地介紹了計算機語言的發(fā)展歷程，列舉了目前國際上虛擬儀器常用的圖形化開發(fā)語言。并詳細介紹了LabVIEW的特點及主要組成部分，并列舉了各個模塊的組成和作用，在此基礎(chǔ)上總結(jié)出LabVIEW的優(yōu)勢，使讀者對虛擬儀器的開發(fā)工具有一個初步的認識。</p><p>　　第三章 虛擬網(wǎng)絡(luò)實驗室的軟件設(shè)計</p&

81、gt;<p>　　本論文設(shè)計的實驗平臺由8個VI程序構(gòu)成，包括了七個虛擬儀器實驗界面和一個實驗系統(tǒng)的主程序界面，每一臺儀器作為SubVI集成在基于LabVIEW的虛擬儀器實驗教學(xué)系統(tǒng)下，構(gòu)成一個虛擬儀器實驗教學(xué)系統(tǒng)，系統(tǒng)界面如圖3-1所示。</p><p>　　圖3-1 虛擬儀器實驗系統(tǒng)前面板</p><p>　　本設(shè)計中的七個實驗儀器分別包括虛擬函數(shù)信號發(fā)生器，對信號的相關(guān)

82、分析，時域分析，頻域分析等，他們共同構(gòu)成一個實驗系統(tǒng)。本章主要介紹個各虛擬儀器所實現(xiàn)的功能，前面板圖，程序框圖等。</p><p>　　3.1 虛擬信號發(fā)生器</p><p>　　當現(xiàn)實生活中的信號無法使用時，用戶可以使用LabVIEW生產(chǎn)信號用于測試和其他目的。當需要準確控制信號的特性(比如幅度、頻率和周期信號的相位等)時，用戶可以方便地使用虛擬信號發(fā)生器生成信號而不必從現(xiàn)實世界中采集信

83、號。</p><p>　　3.1.1 儀器原理與功能</p><p>　　虛擬信號發(fā)生器可以提供各種波形的周期信號函數(shù)，函數(shù)值為離散序列值。該離散值通過數(shù)模轉(zhuǎn)換后，可以模擬電壓的形式輸出，輸出波形呈現(xiàn)臺階狀。使用本虛擬信號發(fā)生器完全可以替代目前實驗室廣泛使用的傳統(tǒng)信號發(fā)生器。</p><p>　　3.1.2 前面板和程序框圖的設(shè)計</p><p&

84、gt;　　本虛擬信號發(fā)生器前面板如圖3-2所示。</p><p>　　“波形圖”窗：用來顯示信號波形。</p><p>　　“波形選擇”鍵：用來選擇待輸出的機內(nèi)周期信號的波形。點擊上下選擇鍵可以選擇產(chǎn)生正弦波，三角波，方波，鋸齒波等信號波形。</p><p>　　所需信號的參數(shù)可通過“信號頻率”、“采樣頻率”、“信號幅值”、“相位”、“采樣點數(shù)”等輸入控制窗設(shè)定。其

85、中，頻率輸入要滿足采樣定理，欲使信號能夠無失真地恢復(fù)原始信號的條件是：采樣頻率要大于或等于信號的最高頻率分量。</p><p>　　“疊加噪聲”鍵：用來選擇是否疊加噪聲。</p><p>　　“停止”鍵：使程序退出While循環(huán)，停止運行。</p><p>　　圖3-2 信號發(fā)生器前面板</p><p>　　虛擬信號發(fā)生器的框圖程序如圖3-3

86、所示。典型信號的產(chǎn)生采用了目前普遍使用的典型信號生成模塊。采用四個Case結(jié)構(gòu)用來分別生成正弦波、方波、三角波、鋸齒波等四種不同的波形，并用來選擇是否疊加白噪聲，case結(jié)構(gòu)類似于C語言中的Switch結(jié)構(gòu)，是一個多分支選擇結(jié)構(gòu)，它根據(jù)輸入值決定程序進入不同的分支流。當在前面板上點擊波形選擇按鍵選擇不同的波形并運行程序時，程序會根據(jù)選擇自動調(diào)出相應(yīng)的Case結(jié)構(gòu)通過波形圖顯示波形。通過兩個這樣的結(jié)構(gòu)來使兩種信號進行疊加，并可以決定是否疊

87、加噪聲。再利用一個While循環(huán)，用“停止”按鈕來控制，使程序反復(fù)執(zhí)行，就可以連續(xù)輸出所需波形，直到按下“停止”鍵，程序停止運行。圖3-3給出了case結(jié)構(gòu)下三角波程序流程圖。</p><p>　　圖3-3信號發(fā)生器程序框圖</p><p><b>　　程序說明：</b></p><p>　　“歸一化頻率”問題:LabVIEW中的所有仿真信號都

88、是用函數(shù)生成的離散時間序列，其輸入?yún)?shù)頻率勻為數(shù)字頻率，本設(shè)計中所使用的幾個VI（ Sine Wave, Square Wave, Sawtooth Wave, Triangle Wave）在調(diào)用時都必須使用歸一化單位指定的頻率，因此就不可避免地遇到了歸一化頻率的問題。</p><p>　　數(shù)字頻率等于一個周期內(nèi)采樣點數(shù)的倒數(shù)，它是仿真信號頻率與采樣頻率之比，即，即歸一化頻率=仿真信號頻率/采樣頻率。模擬頻率通常

89、以Hz(或每秒周期數(shù))為單位進行測量，而采樣頻率的單位為每秒采樣數(shù)，則歸一化頻率單位為周期數(shù)/采樣。</p><p>　　與模擬信號相比，利用軟件的方法產(chǎn)生的波形數(shù)字序列雖然存在著一定的誤差，只要一個周期內(nèi)選的點數(shù)足夠的多，就可以使誤差降到最低，對結(jié)果的影響最小。但利用軟件產(chǎn)生波形的一個最大的優(yōu)點是使儀器的成本大大降低，而且使儀器小型化、智能化。</p><p>　　3.2 虛擬相關(guān)分析儀

90、</p><p>　　相關(guān)分析實驗是高等學(xué)校理科實驗的重要組成部分，傳統(tǒng)的相關(guān)函數(shù)分析實驗是通過相關(guān)測量儀進行實體測量并得出實驗結(jié)果的，實體相關(guān)測量儀價格較高，且在功能上缺乏拓展性。通過運用LabVIEW開發(fā)設(shè)計出一種虛擬相關(guān)分析儀，其功能和實際實驗儀器基本相同，而且這種虛擬的相關(guān)測量平臺借助十網(wǎng)絡(luò)可以實現(xiàn)遠程實驗，是對實驗教學(xué)的一種有效的補充。</p><p>　　3.2.1 儀器原理&

91、lt;/p><p>　　相關(guān)是指兩個變量之間的線性關(guān)系。相關(guān)分析是分析兩個信號或一個信號在一定時移前后之間關(guān)系的重要工具。在世紀工程領(lǐng)域，相關(guān)測速、相關(guān)濾波和利用相關(guān)原理探測管道破裂點、識別信號類別成分等得到廣泛應(yīng)用。</p><p>　　相關(guān)函數(shù)可以用相關(guān)分析儀測量。相關(guān)分析儀有模擬式和數(shù)字式兩種。本文中使用LabVIEW提供的函數(shù)構(gòu)建了一臺簡單易用的數(shù)字式相關(guān)分析儀。</p>

92、<p>　　兩模擬信號和作數(shù)字化處理以后，它們的相關(guān)函數(shù)表達形式應(yīng)為:</p><p>　　式中，N——沿時間軸的總采樣數(shù)；</p><p>　　i——沿時間軸的采樣序數(shù)；</p><p><b>　　r——間斷時移值。</b></p><p>　　作為有限長采樣的相關(guān)函數(shù)估計為：</p>&l

93、t;p>　　用這一公式做離散相關(guān)的步驟是：</p><p>　　1、取，將所有對應(yīng)采樣點的和相乘；</p><p>　　2、將所有乘機相加；</p><p>　　3、以總采樣點數(shù)做平均，得到相關(guān)函數(shù)的一個值；</p><p>　　4、取，將所有對應(yīng)采樣點的和相乘，然后相加、平均，得到。依次取，按以上步驟重復(fù)計算得到相關(guān)函數(shù)的各個值。&l

94、t;/p><p>　　在和兩離散序列長度相等時，計算可以用全部計算長度數(shù)據(jù)來計算，而下一步計算時因作一步時移，使可提供計算的序列長度由變?yōu)?。且隨時移增大，可提供計算的序列長度越來越短，所以互相關(guān)函數(shù)的估值應(yīng)為:</p><p>　　與此類似，自相關(guān)函數(shù)的估值為：</p><p>　　LabVIEW在信號處理的信號運算函數(shù)子模版中提供了求互相關(guān)函數(shù)的Cross Corre

95、lation，它所用的算法為：</p><p>　　求自相關(guān)函數(shù)的Auto Correlation所用的算法為：</p><p>　　3.2.2虛擬相關(guān)分析實驗的實現(xiàn)</p><p>　　為方便起見，以虛擬信號發(fā)生器產(chǎn)生的仿真正弦波為例來闡述相關(guān)分析儀的實現(xiàn)。LabVIEW中，相關(guān)分析的功能由時域分析模板提供。時域分析模版是位于函數(shù)信號處理信號運算下的AutoCor

96、relation.vi和CrossCorrelation.vi。利用這兩個函數(shù)構(gòu)建相關(guān)分析的虛擬儀器。 </p><p><b>　　1．互相關(guān)函數(shù)</b></p><p>　　構(gòu)建互相關(guān)函數(shù)實驗程序前面板如圖3-4所示。將前面板中時域信號圖形顯示件的時間軸設(shè)置為0-100,幅值軸設(shè)置為Auto scale;互相關(guān)函數(shù)圖形顯示件的時移軸設(shè)置為-100-100 ,幅值軸

97、設(shè)置為Auto scale。</p><p>　　圖3-4 互相關(guān)函數(shù)實驗前面板</p><p>　　通過輸入控件來調(diào)節(jié)兩通道的頻率和相位，從而產(chǎn)生出不同的正弦波形，得到不同的相關(guān)函數(shù)的波形。互相關(guān)函數(shù)實驗的程序框圖如圖3-5所示，</p><p>　　圖3-5 互相關(guān)函數(shù)實驗前面板</p><p>　　通過“信號生成”里的“正弦波”來產(chǎn)生兩

98、個通道的正弦波，讓它們在同一個波形顯示控件里顯示，這時要用到一個函數(shù)是“創(chuàng)建數(shù)組”。然后將兩路波形連接到互相關(guān)函數(shù)的輸入端，輸出連接到顯示控件。</p><p>　　運行程序，兩個通道選擇不同的信號頻率，在實驗前面板上觀察相關(guān)函數(shù)波形，驗證不同頻不相關(guān)。將兩個正弦信號頻率都設(shè)為100Hz，觀察相關(guān)函數(shù)波形，驗證同頻相關(guān)，相關(guān)函數(shù)。</p><p>　　互相關(guān)函數(shù)在工程中有重要的作用，它是在

99、噪聲背景下提取有用信息的一個非常有效地手段。</p><p><b>　　2．自相關(guān)函數(shù)</b></p><p>　　信號中含有周期成分，其自相關(guān)函數(shù)在很大時都不衰減，并具有明顯的周期成分;不含周期成分的隨機信號，當稍大時自相關(guān)函數(shù)將趨近于零。所以，通過自相關(guān)函數(shù)可檢測隨機信號中是否混有周期成分。</p><p>　　設(shè)信號由一個正弦波和均勻白

100、噪聲疊加而成，信號和噪聲的幅值及信號頻率可自行設(shè)定，設(shè)計自相關(guān)函數(shù)實驗程序的程序前面板和流程圖如圖3-6, 3-7所示，前面板中時域信號圖形顯示件的時間軸設(shè)置為0-100,幅值軸設(shè)置為Auto scale;自相關(guān)函數(shù)圖形顯示件的時移軸設(shè)置為100-100,幅值軸設(shè)置為Auto scale。運行程序，即可根據(jù)運行結(jié)果中的自相關(guān)函數(shù)圖形判斷合成信號中是否有周期成分。運行結(jié)果見圖，很明顯，自相關(guān)函數(shù)在很大時都不衰減，具有明顯的周期性。所以，可

101、以確定信號中含有周期成分。</p><p>　　圖3-6 自相關(guān)函數(shù)實驗前面板</p><p>　　圖3-7 自相關(guān)函數(shù)實驗程序框圖</p><p>　　本實驗比較簡單，同樣是以正弦波為例來進行自相關(guān)分析，并且可以對其疊加噪聲后再進行相關(guān)分析。</p><p><b>　　3.3 虛擬濾波器</b></p>

102、<p>　　3.3.1虛擬濾波器的概述</p><p>　　濾波是信號處理的一項重要內(nèi)容。廣義的濾波是由被測信號中選取我們感興趣的那一部分信號。一個實際的應(yīng)用系統(tǒng)中，獲取的信號源往往含有很多頻率成分，為了對某些頻率成分的信號做進一步的分析和處理，需將其中需要的頻率成分提取出來，而將不需要的頻率成分衰減掉。實現(xiàn)這一功能的環(huán)節(jié)叫選頻濾波器，通常習(xí)慣簡稱為濾波器。濾波器按選頻的作用一般分為四類，即低通、高通

103、、帶通和帶阻濾波器。按處理的信號性質(zhì)來分有模擬濾波器和數(shù)字濾波器兩大類。</p><p>　　3.3.2 虛擬濾波器的軟件實現(xiàn)</p><p>　　LabVIEW中提供了多種常用的濾波器，有巴特沃斯濾波器、切比雪夫濾波器、貝塞爾濾波器。各個濾波器有各自的特點，用途也不盡相同，先介紹各個濾波器的特點，以便于用戶可以根據(jù)不同的要求選擇不同的濾波器。</p><p>　　

104、1、巴特沃斯(Butterworth )濾波器:它擁有最平坦的頻率響應(yīng)，在截斷頻率以外，頻率響應(yīng)單調(diào)下降。在通帶中是理想的單位響應(yīng)，在阻帶中響應(yīng)為零，在截斷頻率處有3dB衰減。巴特沃斯濾波器的優(yōu)點是具有平滑的單調(diào)遞減的頻率響應(yīng)。過渡帶的陡峭程度正比于濾波器的階數(shù)，高階巴特沃斯濾波器的頻率響應(yīng)類似于理想低通濾波器。</p><p>　　2、切比雪夫(Chebyshev)濾波器:巴特沃斯濾波器的一個缺點是通帶與阻帶之

105、間過渡緩慢。切比雪夫濾波器的優(yōu)點是過渡迅速，并且能夠通過計算與理想濾波器的差異將通帶峰值誤差降到最小。切比雪夫濾波器頻率響應(yīng)的特點是:在通帶中是等幅的紋波，阻帶中單調(diào)衰減，過度迅速。</p><p>　　3、貝塞爾(Bessel)濾波器:貝塞爾濾波器擁有最平穩(wěn)的幅度和相位響應(yīng)。在通帶中貝塞爾濾波器的相位響應(yīng)近似于線性。它可以減少IIR濾波器固有的非線性相位畸變;但貝塞爾濾波器必須通過提高階數(shù)以減少誤差，因此它的應(yīng)

106、用不是很廣</p><p><b>　　泛。</b></p><p>　　儀器可實現(xiàn)生成正弦波、三角波、方波、鋸齒波等典型信號，并通過濾波器進行三種濾波。典型信號頻率、幅值、初始相位可自行調(diào)節(jié)，濾波器類型(高通、低通、帶通、帶阻)，濾波階次，低截止頻率，高截止頻率可根據(jù)實驗內(nèi)容自行設(shè)置。典型信號及濾波后信號送顯示器顯示波形，此儀器可作為濾波器綜合實驗。</p&g

107、t;<p>　　儀器前面板如上圖3-8所示，兩個顯示窗分別顯示濾波前和濾波后信號的波形，枚舉控件可選擇正弦、三角波、方波、鋸齒波等實驗信號，信號源參數(shù)選擇窗可設(shè)定信號源參數(shù)，濾波器參數(shù)設(shè)置有低截止頻率、高截止頻率、濾波器類型、階次。</p><p>　　圖3-8 虛擬濾波器的前面板</p><p>　　本儀器的流程圖采用了LabVIEW結(jié)構(gòu)子模板中的“case”結(jié)構(gòu)，一是用來

108、選擇信號類型，如正弦波、三角波、方波、鋸齒波等作為實驗仿真信號，二是用來選擇濾波器，如巴特沃斯濾波器、切比雪夫濾波器、貝塞爾濾波器等對仿真信號進行濾波，其程序框圖如圖3-9所示：</p><p>　　圖3-9 虛擬濾波器程序框圖</p><p>　　3.4 虛擬積分器和微分器</p><p>　　3.4.1 儀器功能</p><p>　　由軟