基于LabVIEW的虛擬儀器設(shè)計(jì)——線性微分方程曲線顯示器

1、課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第II頁(yè)基于LabVIEW的虛擬儀器設(shè)計(jì)線性微分方程曲線顯示器摘 要隨著計(jì)算機(jī)軟、硬件的發(fā)展，計(jì)算機(jī)與外設(shè)之間的數(shù)據(jù)通信越來(lái)越頻繁，也越來(lái)越便利，虛擬儀器應(yīng)運(yùn)而生。從本質(zhì)上來(lái)說(shuō)，虛擬儀器是儀器技術(shù)與計(jì)算機(jī)技術(shù)深層次結(jié)合的產(chǎn)物，它強(qiáng)調(diào)“軟件是儀器”的概念，使用戶能夠根據(jù)自己的需要定義儀器功能，更好的組建自己所需要的測(cè)試系統(tǒng)。它是按照信號(hào)的處理與采集，數(shù)據(jù)的分析，結(jié)果的輸出及顯示的結(jié)構(gòu)模式來(lái)建立通用信號(hào)處理硬件平臺(tái)。 本課題就是在這個(gè)通用信號(hào)處理硬件平臺(tái)，進(jìn)行了基于LABVIEW的虛擬儀器設(shè)計(jì)線性微分方程曲線顯示器的設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)基于LabWIEW軟件的虛擬儀器設(shè)計(jì)線性微分方程曲線顯示

2、器，能夠顯示實(shí)驗(yàn)室常用的正弦波、三角波、方波、鋸齒波信號(hào)及白噪聲和多頻波，任意公式波，并在以設(shè)計(jì)好的虛擬顯示器的基礎(chǔ)上對(duì)所產(chǎn)生的信號(hào)做線性微分分析及相應(yīng)的頻譜分析。關(guān)鍵字：LabWIEW軟件，虛擬儀器， 線性微分方程曲線顯示器 目 錄1 緒論11.1 課題描述11.2 設(shè)計(jì)任務(wù)與要求11.3 基本工作原理12 虛擬儀器技術(shù)22.1 虛擬儀器的概述22.2 虛擬儀器的發(fā)展趨勢(shì)42.3 虛擬儀器系統(tǒng)的組成42.4 虛擬儀器的軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)53 LabVIEW圖形化開(kāi)發(fā)環(huán)境63.1 LabVIEW簡(jiǎn)介63.2 LabVIEW的優(yōu)點(diǎn)73.3 LabVIEW中的編程方式83 建立模型93.1 系統(tǒng)程序框圖

3、設(shè)計(jì)93.2 系統(tǒng)程序運(yùn)行結(jié)果11總 結(jié)12致 謝13參考文獻(xiàn)14課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第14頁(yè)1 緒論1.1 課題描述虛擬儀器是一種基于計(jì)算機(jī)的自動(dòng)化測(cè)試儀器系統(tǒng)。虛擬儀器的突出優(yōu)點(diǎn)在于能夠與計(jì)算機(jī)技術(shù)結(jié)合，將計(jì)算機(jī)資源與儀器硬件，數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)與不同功能的軟件模塊結(jié)合，組成不同的儀器功能。用戶可根據(jù)測(cè)試的需要，自己設(shè)計(jì)所需要的儀器系統(tǒng)，即利用數(shù)據(jù)采集卡及計(jì)算機(jī)外圍硬件進(jìn)行信號(hào)的采集與檢測(cè)，然后用計(jì)算機(jī)所編的軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的處理、計(jì)算和分析以及對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行顯示。形編程方式，把復(fù)雜繁瑣、費(fèi)時(shí)的文本編程簡(jiǎn)化成“畫(huà)流程圖”的方法，與通用的文本編程語(yǔ)言相比，可以節(jié)省大約70一80的程序開(kāi)發(fā)時(shí)間。編程

4、工作是由開(kāi)發(fā)平臺(tái)本身完成的，省去用戶大量的編程工作。圖形化軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)只需用鼠標(biāo)將屏幕上的各個(gè)功能圖標(biāo)按一定的順序連接起來(lái)，就能方便迅速地完成程序的編寫(xiě)。該類軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)同時(shí)支持與多種總線接口系統(tǒng)的通信連接，提供數(shù)據(jù)采集、儀器控制、數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)顯示等與虛擬儀器系統(tǒng)相關(guān)的多種功能。是面向測(cè)試領(lǐng)域的優(yōu)秀軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)，受到了從事虛擬儀器系統(tǒng)的軟件開(kāi)發(fā)的廣大工程技術(shù)人員的歡迎。因此，這次開(kāi)發(fā)，我們將采用LABVIEW開(kāi)發(fā)平臺(tái),來(lái)進(jìn)行這次的虛擬顯示器的開(kāi)發(fā)。1.2 設(shè)計(jì)任務(wù)與要求通過(guò)對(duì)本課題的設(shè)計(jì)，要求掌握For循環(huán)結(jié)構(gòu)、條件結(jié)構(gòu)、信號(hào)生成控件、索引、數(shù)組控件、XY波形圖、捆綁控件、矩陣、指數(shù)函數(shù)等的

5、使用。 本課題是設(shè)計(jì)一個(gè)求解4*4階線性微分方程組設(shè)計(jì)，要求該系統(tǒng)能通過(guò)界面控件有選擇性地改變數(shù)據(jù)數(shù)值，并觀察數(shù)據(jù)的變化對(duì)曲線的的影響。 要求正確無(wú)誤地完成全部軟件設(shè)計(jì)，能正常運(yùn)行，并寫(xiě)出合格的課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)，圓滿完成各項(xiàng)任務(wù)。 1.3 基本工作原理本設(shè)計(jì)采用的是數(shù)字處理式頻譜分析原理，方法為：經(jīng)過(guò)采樣，使連續(xù)時(shí)間信號(hào)變?yōu)殡x散時(shí)間信號(hào)，然后利用LabVIEW的強(qiáng)大的數(shù)字信號(hào)處理的功能，對(duì)采樣得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波、加窗、FFT 運(yùn)算處理，就可得到信號(hào)的幅度譜、相位譜以及功率譜。FFT的輸出都是雙邊的，它同時(shí)顯示了正負(fù)頻率的信息。通過(guò)只使用一半FFT輸出采樣點(diǎn)轉(zhuǎn)換成單邊FFT。FFT的采樣點(diǎn)之間的頻

6、率間隔是fs/N，這里fs是采樣頻率。FFT和能量頻譜可以用于測(cè)量靜止或者動(dòng)態(tài)信號(hào)的頻率信息。FFT提供了信號(hào)在整個(gè)采樣期間的平均頻率信息。因此，F(xiàn)FT主要用于固定信號(hào)的分析（即信號(hào)在采樣期間的頻率變化不大）或者只需要求取每個(gè)頻率分量的平均能量。在采樣過(guò)程中，為了滿足采樣定理，對(duì)不同的頻率信號(hào)，選用合適的采樣速率，從而防止頻率混疊。實(shí)際中，我們只能對(duì)有限長(zhǎng)的信號(hào)進(jìn)行分析與處理，而進(jìn)行傅立葉變換的數(shù)據(jù)理論上應(yīng)為無(wú)限長(zhǎng)的離散數(shù)據(jù)序列，所以必須對(duì)無(wú)限長(zhǎng)離散序列截?cái)?，只取采樣時(shí)間內(nèi)有限數(shù)據(jù)。這樣就導(dǎo)致頻譜泄漏的存在。所以利用用加窗的方法來(lái)減少頻譜泄漏。由于取樣信號(hào)中混疊有噪聲信號(hào)，為了消除干擾，在進(jìn)行

7、FFT 變換之前，要先進(jìn)行濾波處理。本設(shè)計(jì)采用了巴特沃斯（Butterworth）、切比雪夫（Chebyshev）、橢圓（Ellipse）、貝塞爾（Bessel）等濾波器。以下說(shuō)明時(shí)域分析與頻域分析的功能1）信號(hào)的時(shí)域分析主要是測(cè)量測(cè)試信號(hào)經(jīng)濾波處理后的特征值，這些特征值以一個(gè)數(shù)值的方式來(lái)表示信號(hào)的某些時(shí)域特征，是對(duì)測(cè)試信號(hào)最簡(jiǎn)單直觀的時(shí)域描述。將測(cè)試信號(hào)采集到計(jì)算機(jī)后，在測(cè)試VI中進(jìn)行信號(hào)特征值處理，并在測(cè)試VI前面板上直觀地表示出信號(hào)的特征值，可以給測(cè)試VI的使用者提供一個(gè)了解測(cè)試信號(hào)變化的快速途徑。信號(hào)的特征值分為幅值特征值、時(shí)間特征值和相位特征值。2）信號(hào)的頻域分析就是根據(jù)信號(hào)的頻域描

8、述來(lái)估計(jì)和分析信號(hào)的組成和特征量。測(cè)量時(shí)采集到的是時(shí)域波形，但是由于時(shí)域分析工具較少，往往把問(wèn)題轉(zhuǎn)換到頻域來(lái)處理。頻域分析包括頻譜分析、功率譜分析、相干函數(shù)分析以及頻率響應(yīng)函數(shù)分析。通過(guò)信號(hào)的頻域分析，可以確定信號(hào)中含有的頻率組成成分和頻率分布范圍；還可以確定信號(hào)中的各頻率成分的幅值和能量；同時(shí)還能分析各信號(hào)之間的相互關(guān)系1。2 虛擬儀器技術(shù)2.1 虛擬儀器的概述虛擬儀器的概念是由美國(guó)國(guó)家儀器公司最先提出的。所謂虛擬儀器是基于計(jì)算機(jī)的軟硬件測(cè)試平臺(tái)，它可代替?zhèn)鹘y(tǒng)的測(cè)量?jī)x器，如示波器、邏輯分析儀、信號(hào)發(fā)生器、頻譜分析儀等，可集成于自動(dòng)控制、工業(yè)控制系統(tǒng)之中，可自由構(gòu)建成專有儀器系統(tǒng)。虛擬儀器是智

9、能儀器之后的新一代測(cè)量?jī)x器。虛擬儀器的核心技術(shù)思想就是“軟件即是儀器”。該技術(shù)把儀器分為計(jì)算機(jī)、儀器硬件和應(yīng)用軟件三部分。虛擬儀器以通用計(jì)算機(jī)和配備標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字接口的測(cè)量?jī)x器為基礎(chǔ)，將儀器硬件連接到各種計(jì)算機(jī)平臺(tái)上，直接利用計(jì)算機(jī)豐富的軟硬件資源，將計(jì)算機(jī)硬件和測(cè)量?jī)x器等硬件資源與計(jì)算機(jī)軟件資源有機(jī)的結(jié)合起來(lái)。虛擬儀器是基于計(jì)算機(jī)的功能化硬件模塊和計(jì)算機(jī)軟件構(gòu)成的電子測(cè)試儀器，而軟件是虛擬儀器的核心，如圖1所示，其中軟件的基礎(chǔ)部分是設(shè)備驅(qū)動(dòng)軟件，而這些標(biāo)準(zhǔn)的儀器驅(qū)動(dòng)軟件使得系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)與儀器的硬件變化無(wú)關(guān)。這是虛擬儀器最大的優(yōu)點(diǎn)之一，有了這一點(diǎn)，儀器的開(kāi)發(fā)和換代時(shí)間將大大縮短。虛擬儀器中應(yīng)用程序?qū)⒖?/p>

10、選硬件和可重復(fù)用庫(kù)函數(shù)等軟件結(jié)合在一起，實(shí)現(xiàn)了儀器模塊間的通信、定時(shí)與觸發(fā)。由于VI的模塊化、開(kāi)放性和靈活性，以及軟件是關(guān)鍵的特點(diǎn)，當(dāng)用戶的測(cè)試要求變化時(shí)可以方便地由用戶自己來(lái)增減硬、軟件模塊，或重新配置現(xiàn)有系統(tǒng)以滿足新的測(cè)試要求。這樣，當(dāng)用戶從一個(gè)項(xiàng)目轉(zhuǎn)向另一個(gè)項(xiàng)目時(shí)，就能簡(jiǎn)單地構(gòu)造出新的VI系統(tǒng)而不丟失己有的硬件和軟件資源。圖1 硬件模塊虛擬儀器技術(shù)的優(yōu)勢(shì)在于可由用戶定義自己的專用儀器系統(tǒng)，且功能靈活，很容易構(gòu)建，所以應(yīng)用面極為廣泛。虛擬儀器技術(shù)十分符合國(guó)際上流行的“硬件軟件化”的發(fā)展趨勢(shì)，因而常被稱作“軟件儀器”。它功能強(qiáng)大，可實(shí)現(xiàn)示波器、邏輯分析儀、頻譜儀、信號(hào)發(fā)生器等多種普通儀器全部

11、功能，配以專用探頭和軟件還可檢測(cè)特定系統(tǒng)的參數(shù)，如汽車發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)、汽油標(biāo)號(hào)、爐窯溫度、血液脈搏波、心電參數(shù)等多種數(shù)據(jù)，它操作靈活，完全圖形化界面，風(fēng)格簡(jiǎn)約，符合傳統(tǒng)設(shè)備的使用習(xí)慣，用戶經(jīng)簡(jiǎn)單培訓(xùn)即可迅速掌握操作規(guī)程2。2.2 虛擬儀器的發(fā)展趨勢(shì)現(xiàn)代儀器儀表技術(shù)是計(jì)算機(jī)技術(shù)和多種基礎(chǔ)學(xué)科緊密結(jié)合的產(chǎn)物。隨著微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、軟件技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展，新的測(cè)試?yán)碚摗y(cè)試方法、測(cè)試領(lǐng)域以及新的儀器結(jié)構(gòu)不斷出現(xiàn)，在許多方面已經(jīng)沖破了傳統(tǒng)儀器的概念，電子測(cè)量?jī)x器的功能和作用發(fā)生了質(zhì)的變化。在此背景下，1986年美國(guó)國(guó)家儀器公司(National Instruments，NI)提出了虛擬儀器(V

12、irtual Instrument，VI)的概念。盡管迄今為止虛擬儀器還沒(méi)有一個(gè)統(tǒng)一的定義，但是一般認(rèn)為：虛擬儀器是在PC基礎(chǔ)上通過(guò)增加相關(guān)硬件和軟件構(gòu)建而成的、具有可視化界面的可重用測(cè)試儀器系統(tǒng)2。作為一種以計(jì)算機(jī)軟件為核心的新型儀器系統(tǒng)，虛擬儀器具有功能強(qiáng)、測(cè)試精度高、測(cè)試速度快、自動(dòng)化程度高、人機(jī)界面優(yōu)異、靈活性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，通常被認(rèn)為是第三代自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的同義語(yǔ)3。使用虛擬儀器系統(tǒng)可以避免儀器編程過(guò)程中的大量重復(fù)性勞動(dòng)，從而大大縮短復(fù)雜程序的開(kāi)發(fā)時(shí)間，并且客戶可以用不同的模塊來(lái)構(gòu)造自己的虛擬儀器系統(tǒng)，選擇統(tǒng)一的測(cè)試策略。由于虛擬儀器的功能和性能已被不斷提高，如今在許多應(yīng)用中它已成為傳統(tǒng)儀器

13、的主要替代方式。而虛擬儀器的各種優(yōu)點(diǎn)讓用戶可放心地舍棄舊的傳統(tǒng)測(cè)量設(shè)備，接受更新型、以計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ)的虛擬儀器系統(tǒng)。由于計(jì)算機(jī)的性能價(jià)格比不斷改進(jìn)，使虛擬儀器的價(jià)格更為大眾化，用戶不必再受限于傳統(tǒng)儀器的使用限制和昂貴的價(jià)格，進(jìn)一步降低了使用成本，減少了系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)費(fèi)用和系統(tǒng)的維護(hù)費(fèi)用4。此外，新型筆記本電腦又把虛擬儀器的便攜性和強(qiáng)大功能推向一個(gè)新的水平。所有這些必將加快虛擬儀器的發(fā)展，使它的功能和應(yīng)用領(lǐng)域不斷增強(qiáng)和擴(kuò)大。在測(cè)量、檢測(cè)、電信、監(jiān)控、教育等方面的應(yīng)用已廣泛開(kāi)展。2.3 虛擬儀器系統(tǒng)的組成虛擬儀器是基于計(jì)算機(jī)的儀器。計(jì)算機(jī)和儀器的密切結(jié)合是目前儀器發(fā)展的一個(gè)重要方向。這種結(jié)合基本有兩種方

14、式，一種是將計(jì)算機(jī)裝入儀器，其典型的例子就是智能化儀器。隨著計(jì)算機(jī)功能的日益強(qiáng)大以及其體積的日趨縮小，這類儀器功能也越來(lái)越強(qiáng)大，目前已經(jīng)出現(xiàn)含嵌入式系統(tǒng)的儀器。另一種方式是將儀器裝入計(jì)算機(jī)，以通用的計(jì)算機(jī)硬件及操作系統(tǒng)為依托，實(shí)現(xiàn)各種儀器功能，虛擬儀器主要是指這種方式。虛擬儀器的組成與傳統(tǒng)儀器一樣，主要由數(shù)據(jù)采集與控制、數(shù)據(jù)分析和處理、結(jié)果顯示三部分組成。電源電路圖如圖2所示：圖2 電源電路圖2.4 虛擬儀器的軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)應(yīng)用軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)是設(shè)計(jì)虛擬儀器所必須的軟件工具。在確定的硬件基礎(chǔ)條件下，構(gòu)造和使用虛擬儀器的關(guān)鍵就是應(yīng)用不同的軟件實(shí)現(xiàn)不同的功能。虛擬儀器的應(yīng)用軟件主要包括：集成的開(kāi)發(fā)環(huán)境、

15、與儀器硬件的高級(jí)接口和虛擬儀器的用戶界面。應(yīng)用軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)的選擇，可因開(kāi)發(fā)人員的喜好不同而不同，但最終都必須提供給用戶一個(gè)界面友好，功能強(qiáng)大的應(yīng)用程序。目前較流行的虛擬儀器軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)大致可以分為兩類：一類是圖形化的編程語(yǔ)言，代表性的有惠普的HPVEE,NI公司的LabVIEW等；另一類是文本式的編程語(yǔ)言，如C,Labwindows/CVI,VC等。文本式編程語(yǔ)言和圖形化編程語(yǔ)言相比，語(yǔ)言靈活性較好，用戶可以靈活的添加功能；而圖形化編程語(yǔ)言具有編程簡(jiǎn)單、直觀、開(kāi)發(fā)效率高的特點(diǎn)。近年來(lái)，基于PC機(jī)和工作站基礎(chǔ)上的圖形接口標(biāo)準(zhǔn)和計(jì)算機(jī)計(jì)算能力的提高，促進(jìn)了圖形開(kāi)發(fā)軟件包和圖形開(kāi)發(fā)環(huán)境的迅速普及，圖

16、形開(kāi)發(fā)方式為每一個(gè)虛擬儀器提供了可重用的代碼模塊，并允許用戶從其它代碼模塊中分級(jí)調(diào)用。這些重用部分是一些封裝良好的、原子性的程序代碼；理想情況下，重用部分應(yīng)與硬件IC一樣，可以不經(jīng)過(guò)任何修改而被直接“插接”到其它程序中去。典型的重用部分包括函數(shù)庫(kù)、過(guò)程程序包、宏、類、庫(kù)等，它們通過(guò)各自的接口被組裝在一起，每一部分完成特定的功能6。在虛擬儀器圖形軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)研究方面，近年來(lái)國(guó)際上許多公司都做了大量的工作，其中NI公司的LabVIEW和惠普公司的VEE虛擬儀器軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)最具代表性。下面簡(jiǎn)單的介紹一些常用的虛擬儀器軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)各自的特點(diǎn)：(1)Microsoft Visual C+，Borland

17、 C+Builder,Borland Delphi易學(xué)、使用簡(jiǎn)單，面向?qū)ο罂梢暬幊誊浖凰膱D形控件工具能生成復(fù)雜的多窗口用戶界面不必編寫(xiě)復(fù)雜的代碼；可創(chuàng)建自己ActiveX控件或組件，以及多線程和安全的ActiveX控件。(2)Data Translation,HP VEE with DT VP,DTxEZTM用于Windows操作系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集和產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的可視化編程語(yǔ)言；靈活，便于應(yīng)用編程，以及和用戶程序接口；ActiveX控件系列，VB和VC+下，可以設(shè)計(jì)和配置Data Translation數(shù)據(jù)采集板；可以和其他ActiveX控件組合創(chuàng)建應(yīng)用程序。(3)Hewlett-Packed

18、HP VEE不必編寫(xiě)代碼就可以進(jìn)行數(shù)據(jù)采集與分析；提供數(shù)據(jù)、處理控制、提供測(cè)量過(guò)程和測(cè)試報(bào)告。(4)National Instruments,LabVIEW,LabWindows/CVI具有用于數(shù)據(jù)采集、儀器、網(wǎng)絡(luò)和分析的完全集成化的庫(kù)的圖形化環(huán)境；可編譯性能強(qiáng)；自動(dòng)化的測(cè)試對(duì)接軟件；SQL數(shù)據(jù)庫(kù)連接性SPC分析工具。用于儀器控制和數(shù)據(jù)采集分析的交互式編譯軟件包；用于GUI的拖拉用戶界面編程器；用于快速樣機(jī)開(kāi)發(fā)的代碼產(chǎn)生工具和內(nèi)部編譯器；用于GPIB,VXI、串行、DAQ, TCP和用戶控制界面的集成庫(kù)；可用于Win2000/XP、Sun Solaris I.x/2.x和HP-ux。3 Lab

19、VIEW圖形化開(kāi)發(fā)環(huán)境3.1 LabVIEW簡(jiǎn)介L(zhǎng)abVIEW(Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench)是實(shí)驗(yàn)室虛擬儀器集成開(kāi)發(fā)平臺(tái)的簡(jiǎn)稱，它是目前國(guó)際上應(yīng)用最廣泛的虛擬儀器開(kāi)發(fā)環(huán)境之一，它是主要用于開(kāi)發(fā)數(shù)據(jù)檢測(cè)、數(shù)據(jù)測(cè)量采集系統(tǒng)、工業(yè)自動(dòng)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(kāi)發(fā)平臺(tái)。LabVIEW的最大特色是采用編譯型圖形化編程語(yǔ)言G語(yǔ)(GraphProgramming)，它與C,Pascal,Basic等傳統(tǒng)語(yǔ)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(diǎn)。但二者最大的區(qū)別在于：傳統(tǒng)編

20、程語(yǔ)言用文本語(yǔ)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(yǔ)言(即，各種圖標(biāo)、圖形符號(hào)、連線等)以框圖的形式編寫(xiě)程序。用LabVIEW編程無(wú)需具備太多編程經(jīng)驗(yàn)，因?yàn)長(zhǎng)abVIEW使用的都是測(cè)試工程師們熟悉的術(shù)語(yǔ)和圖標(biāo)，如各種按鈕、開(kāi)關(guān)、波形圖等，界面非常直觀形象，因此，LabVIEW對(duì)于沒(méi)有豐富編程經(jīng)驗(yàn)的測(cè)試工程師們來(lái)說(shuō)無(wú)疑是個(gè)極好的選擇。LabVIEW語(yǔ)言具有豐富的擴(kuò)展函數(shù)庫(kù)，集成了大量的生成圖形界面的模板，如各種表頭、旋鈕、開(kāi)關(guān)、LED指示燈、圖表等，界面直觀、形象，相對(duì)于傳統(tǒng)的編程方式而言，它簡(jiǎn)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(jì)的虛擬

21、儀器，可以提高效率4-10倍。LabVIEW的圖形環(huán)境內(nèi)置豐富的函數(shù)庫(kù)，提供了多種網(wǎng)絡(luò)的接口，支持先進(jìn)的流動(dòng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)认冗M(jìn)技術(shù)，使系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)更加方便，其中基于TCP/IP協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)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(kāi)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(lái)更方便，開(kāi)發(fā)效率更高，而且不需要大量的編程工作量。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(duì)WinSock的高級(jí)封裝，允許用戶與各種服務(wù)器進(jìn)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)

22、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(jiǎn)稱URL)，就可建立數(shù)據(jù)套接的源與目標(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(xiě)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)測(cè)量數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)共享3。3.2 LabVIEW的優(yōu)點(diǎn)LabVIEW從被推出到現(xiàn)在，20年的實(shí)踐證明LabVIEW確實(shí)是一個(gè)使用方便卻又功能非常強(qiáng)大的開(kāi)發(fā)平臺(tái)，LabVIEW具有以下優(yōu)點(diǎn)：(1)使用“所見(jiàn)即所得”的可視化技術(shù)建立人機(jī)界面，提供了大量?jī)x器面板中的

23、控制對(duì)象簡(jiǎn)單的方案即使沒(méi)有多少編程經(jīng)驗(yàn)，仍可以很方便的使用LabVIEW。(2)先進(jìn)的ActiveX技術(shù)融合了簡(jiǎn)單的拖放編程方法，儀器控制和數(shù)據(jù)采集變得非常簡(jiǎn)單，使用戶非常容易地開(kāi)發(fā)自己的系統(tǒng)，并將其立即投入使用。(3)LabVIEW完整地集成了與GPIB,VXI,RS-232,RS485和內(nèi)插式數(shù)據(jù)采集卡等硬件的通訊，而且，LabVIEW使得它們的驅(qū)動(dòng)程序具有模塊化，可以重復(fù)使用，最大限度地減少軟件開(kāi)發(fā)的工作量。(3)LabVIEW擁有豐富的分析模塊，可以滿足用戶從統(tǒng)計(jì)過(guò)程控制到數(shù)字信號(hào)處理(DSP)等方面的要求。(4)LabVIEW也擁有大量NI公司或第三方公司提供的、非常實(shí)用的支持軟件，

24、如，Application Builder(用于產(chǎn)生可執(zhí)行文件)、SQLToolkit(用于將LabVIEW程序與本地或遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)庫(kù)相連)等，這些特性為L(zhǎng)abVIEW環(huán)境下應(yīng)用程序的開(kāi)發(fā)提供了方便(5)LabVIEW提供了先進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，如，TCP/IP函數(shù)庫(kù)、數(shù)據(jù)套接字技術(shù)，可以很容易地實(shí)現(xiàn)測(cè)控網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)，并且提高了系統(tǒng)的開(kāi)放性、穩(wěn)定性、可靠性。(6)使用LabVIEW開(kāi)發(fā)環(huán)境，用戶可以創(chuàng)建32位的編譯速度，從而為常規(guī)的數(shù)據(jù)采集、測(cè)試等任務(wù)提供了更快的執(zhí)行速度。3.3 LabVIEW中的編程方式一個(gè)完整的LabVIEW開(kāi)發(fā)環(huán)境包括基本模塊和擴(kuò)展模塊兩部分，引擎部分是整個(gè)圖形化開(kāi)發(fā)環(huán)境的核心

25、，它包括編輯模塊、運(yùn)行模塊和調(diào)試模塊。LabVIEW環(huán)境下開(kāi)發(fā)的程序稱為虛擬儀器VI，因?yàn)樗耐庑闻c操作方式可以模擬實(shí)際的儀器。實(shí)際上，VI類似于傳統(tǒng)編程語(yǔ)言的函數(shù)或子程序。程序VI由一個(gè)前面板(即用戶界面)、程序流程圖(圖標(biāo)代碼)和一個(gè)接口板組成。接口面板用于上層的VI調(diào)用該VI。前面板(front panel)類似于儀器的面板，由控件和指示元件組成?？丶闪诵o、開(kāi)關(guān)等用戶輸入控制對(duì)象，可以為程序輸入數(shù)據(jù)。指示元件類似儀器的輸出裝置可以顯示輸出值以及實(shí)現(xiàn)圖表和文字顯示。軟件前面板其實(shí)是自動(dòng)化的拓展，它保持了傳統(tǒng)直觀的視覺(jué)和感覺(jué)效果，同時(shí)軟件前面板創(chuàng)建了一個(gè)真正的接口，無(wú)論用戶使用什么類型

26、的硬件，軟件前面板只包含了對(duì)于一個(gè)應(yīng)用場(chǎng)合很重要的參數(shù)，用戶很容易地從一個(gè)單一的前面板控制多臺(tái)儀器，并把整個(gè)系統(tǒng)作為一臺(tái)虛擬儀器看待。流程圖使用圖標(biāo)連線方式的圖形，VI用圖標(biāo)代碼和連線來(lái)完成算術(shù)和邏輯運(yùn)算。圖標(biāo)代碼是對(duì)具體編程問(wèn)題的圖形化解決方案。圖標(biāo)代碼即VI的源代碼。工作指令由G語(yǔ)言編制的圖標(biāo)式流程圖獲得，模塊的程序由連線把數(shù)據(jù)的輸入輸出端連接起來(lái)。由于流程圖與傳統(tǒng)程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言的語(yǔ)法細(xì)節(jié)無(wú)關(guān)，構(gòu)建和測(cè)試程序就可以少費(fèi)時(shí)間，使用方框圖方法可以實(shí)現(xiàn)內(nèi)部的自我復(fù)制。VI具有層次結(jié)構(gòu)和模塊化的特點(diǎn)。它們可以作為頂層程序，也可以作為其它程序的子程序。VI代碼內(nèi)含的VI叫子程序subVI。VI程序使用

27、接口板來(lái)替代文本編程語(yǔ)言的函數(shù)參數(shù)表，每個(gè)輸入和輸出的參數(shù)都有自己的連接端口，其他的VIs可以由此向subVI傳遞數(shù)據(jù)。LabVIEW有一個(gè)圖形編輯器來(lái)產(chǎn)生最優(yōu)化編輯代碼，虛擬儀器執(zhí)行他們相當(dāng)編譯C的速度。利用應(yīng)用程序生成器，用戶能夠產(chǎn)生虛擬儀器，就像獨(dú)立的可執(zhí)行程序一樣。3 建立模型 本設(shè)計(jì)中用LabVIEW中的信號(hào)發(fā)生控件來(lái)代替信號(hào)采集部分產(chǎn)生信號(hào)。整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)均由軟件來(lái)仿真實(shí)現(xiàn)。本設(shè)計(jì)的虛擬頻譜分析儀由兩個(gè)軟件模塊組成：信號(hào)發(fā)生器模塊和頻譜分析模塊。處理過(guò)程如下：首先將信號(hào)發(fā)生模塊產(chǎn)生的測(cè)試信號(hào)送數(shù)字濾波器處理，濾除干擾噪聲，然后分別進(jìn)行時(shí)域分析、頻域分析和諧波分析。在對(duì)信號(hào)進(jìn)行各種分

28、析之前，要進(jìn)行加窗處理，得到有限長(zhǎng)的序列信號(hào)。以下具體介紹各個(gè)模塊。1）信號(hào)發(fā)生器模塊主要是用來(lái)產(chǎn)生所需的各種測(cè)試信號(hào)。它可以完成以下功能：可產(chǎn)生任意標(biāo)準(zhǔn)周期信號(hào)，包括正弦波、方波、三角波、鋸齒波。其中產(chǎn)生的周期信號(hào)的輸入?yún)?shù)如頻率、幅值、相位、占空比、噪聲幅值、偏移量等均可一調(diào)節(jié)。2）頻譜分析模塊主要是對(duì)信號(hào)發(fā)生器模塊產(chǎn)生的測(cè)試信號(hào)進(jìn)行分析以及處理。它可以完成以下的功能：測(cè)試信號(hào)經(jīng)濾波、加窗處理后，進(jìn)行時(shí)域分析、頻域分析以及諧波分析?？梢赃M(jìn)行各種參數(shù)設(shè)置，包括采樣設(shè)置、濾波器類型選擇及其參數(shù)設(shè)置、窗函數(shù)類型選擇等4。3.1 系統(tǒng)程序框圖設(shè)計(jì)程序框圖的設(shè)計(jì)如圖3、4、5、6所示：圖3圖4圖5圖63.2 系統(tǒng)程序運(yùn)行結(jié)果設(shè)置好各項(xiàng)參數(shù)值，運(yùn)行得到的曲線如圖7所示：圖7 程序運(yùn)行結(jié)果總 結(jié)基于LabVIEW編程環(huán)境下的虛擬頻譜分析儀主要實(shí)現(xiàn)了時(shí)域分析和頻域分析兩個(gè)功能。信號(hào)的時(shí)域分析主要是測(cè)量測(cè)試信號(hào)經(jīng)濾波處理后的特征值，這些特征值以一個(gè)數(shù)值表示信號(hào)的某些時(shí)域特征，是對(duì)測(cè)試信號(hào)最簡(jiǎn)單直觀的時(shí)域描述。將測(cè)試信號(hào)采集到計(jì)算機(jī)后，在測(cè)試VI中進(jìn)行信號(hào)特征值處理，并在測(cè)試VI前面板上直觀地表示出信號(hào)的特征值，可以給測(cè)試VI的