基于LABVIEW的虛擬函數信號發(fā)生器設計

1、 2021屆畢業(yè)設計說明書 基于LabVIEW的多功能函數信號發(fā)生器設計 院 、 部： 電氣與信息工程學院 學生姓名： 指導教師： 職稱 指導教師： 職稱 專 業(yè)： 電子信息工程 班 級： 完成時間： 2021年5月30日 摘 要 隨著計算機軟件、硬件的開展，計算機與外部設備之間的數據通信變得越來越頻繁，也越來越便利，于是虛擬儀器也就應運而生。從本質上來說，虛擬儀器是儀器技術與計算機技術深層次相結合的產物，它強調了“軟件即儀器的概念，使用戶能夠根據自己的需要來定義儀器的功能，這樣用戶就能更好的組建自己所需要的測試系統(tǒng)。它是按照信號的處理與采集，數據的分析，結果的輸出及顯示的結構模式來建立通用信

2、號處理的硬件平臺。 本文就是在這個通用信號處理的硬件平臺，進行了基于LABVIEW的虛擬函數信號發(fā)生器的設計，本設計是基于LabWIEW軟件的多功能函數信號發(fā)生器，能夠產生實驗室所常用的正弦波、三角波、方波、鋸齒波信號及任意公式波等根本波形信號，本設計充分利用了LabVIEW軟件開發(fā)平臺所提供的豐富資源, 采用模塊化的設計方法，并設計了一個用戶的登陸系統(tǒng)和登錄音效以及按鍵音效給人以視覺和聽覺上美的感受，并進一步完善了虛擬信號發(fā)生器的功能, 能產生5種我們經常用到的信號以及其他的一些較復雜的信號。 關鍵詞：虛擬儀器；Labview；函數信號發(fā)生器 ABSTRACT With computer s

3、oftware and hardware development, computer and data communication between external devices become more frequent, but also more convenient, so virtual instruments also emerged. In essence, the virtual instrument is the instrument technology and computer technology product of the combination of deep l

4、evel, it emphasizes the software instrument concept that allows users to define their own needs to the instrument function, so users can better the need to establish their own testing system. It is in accordance with the signal processing and collection, data analysis, and display the output results

5、 of the structural model to create common signal processing hardware platform. This article is in this general-purpose signal processing hardware platform for a LABVIEW-based virtual function signal generator design, the design is based on the LabWIEW software multi-function signal generator can pro

6、duce lab common sine wave, triangle wave, square wave, sawtooth wave signal and the arbitrary formulas and other basic waveform signal, the design takes advantage of LabVIEW software development platform provides a wealth of resources, using a modular design approach, and designed a user login syste

7、m and registry keys sound and sound gives a visual and auditory experience of beauty, and further improve the functionality of the virtual signal generator, can produce five kinds of signals, and we often use some other more complex signals. Keywords: virtual instrument; Labview; function signal gen

8、erator目 錄TOC o 1-3 h u HYPERLINK l _Toc19266 1 緒論 PAGEREF _Toc19266 1 HYPERLINK l _Toc24687 1.1 課題背景及意義 PAGEREF _Toc24687 1 HYPERLINK l _Toc29150 1.2 波形發(fā)生器的開展概況 PAGEREF _Toc29150 1 HYPERLINK l _Toc18909 1.3 本文的主要內容 PAGEREF _Toc18909 4 HYPERLINK l _Toc24423 2 虛擬儀器技術 PAGEREF _Toc24423 5 HYPERLINK l _T

9、oc16103 2.1 虛擬儀器概述 PAGEREF _Toc16103 5 HYPERLINK l _Toc5632 2.2 虛擬儀器的系統(tǒng)構成 PAGEREF _Toc5632 7 HYPERLINK l _Toc28183 2.2.1 虛擬儀器系統(tǒng)的硬件構成 PAGEREF _Toc28183 7 HYPERLINK l _Toc21276 2.2.2 虛擬儀器系統(tǒng)的軟件構成 PAGEREF _Toc21276 7 HYPERLINK l _Toc3045 2.3 虛擬儀器軟件開發(fā)平臺 PAGEREF _Toc3045 8 HYPERLINK l _Toc23282 2.4 基于虛擬儀器

10、的自動測試系統(tǒng)的優(yōu)點 PAGEREF _Toc23282 9 HYPERLINK l _Toc11965 2.5 虛擬信號發(fā)生器的介紹 PAGEREF _Toc11965 10 HYPERLINK l _Toc10483 2.5.1 信號發(fā)生器的根本原理 PAGEREF _Toc10483 10 HYPERLINK l _Toc28736 2.5.2 虛擬信號發(fā)生器的工作原理 PAGEREF _Toc28736 10 HYPERLINK l _Toc29823 3 LabVIEW圖形化開發(fā)環(huán)境 PAGEREF _Toc29823 11 HYPERLINK l _Toc9602 3.1 LabV

11、IEW簡介 PAGEREF _Toc9602 11 HYPERLINK l _Toc13479 3.2 LabVIEW的優(yōu)點 PAGEREF _Toc13479 12 HYPERLINK l _Toc20057 3.3 LabVIEW中的編程方式 PAGEREF _Toc20057 13 HYPERLINK l _Toc25296 3.4 LabVIEW程序的設計模式 PAGEREF _Toc25296 14 HYPERLINK l _Toc7156 4 虛擬函數信號發(fā)生器的設計 PAGEREF _Toc7156 15 HYPERLINK l _Toc31582 4.1 登錄模塊設計 PAGE

12、REF _Toc31582 15 HYPERLINK l _Toc12625 4.1.1 登錄界面的設計 PAGEREF _Toc12625 15 HYPERLINK l _Toc29912 4.1.2 用戶登錄系統(tǒng)的設計 PAGEREF _Toc29912 16 HYPERLINK l _Toc5201 4.1.3 利用局部變量來設計“記住密碼選項 PAGEREF _Toc5201 17 HYPERLINK l _Toc26923 4.1.4 用戶加載框的設計 PAGEREF _Toc26923 17 HYPERLINK l _Toc15481 4.1.5 播放音效VI的設計 PAGEREF

13、 _Toc15481 18 HYPERLINK l _Toc18927 4.1.6 獲取系統(tǒng)時間的VI設計 PAGEREF _Toc18927 18 HYPERLINK l _Toc21661 4.1.7 利用全局變量在子VI中顯示主VI中的用戶登錄個人信息 PAGEREF _Toc21661 19 HYPERLINK l _Toc32727 4.2 虛擬函數信號發(fā)生器設計 PAGEREF _Toc32727 19 HYPERLINK l _Toc12042 4.2.1 軟件的設計方案 PAGEREF _Toc12042 19 HYPERLINK l _Toc5820 4.2.2 多功能函數信

14、號發(fā)生器子VI的設計 PAGEREF _Toc5820 20 HYPERLINK l _Toc10225 4.3 根本的函數波形產生模塊 PAGEREF _Toc10225 21 HYPERLINK l _Toc25313 4.4 任意公式波產生模塊 PAGEREF _Toc25313 22 HYPERLINK l _Toc20503 4.5 虛擬函數信號發(fā)生器的設計 PAGEREF _Toc20503 23 HYPERLINK l _Toc12633 5 函數信號發(fā)生器的仿真和調試 PAGEREF _Toc12633 25 HYPERLINK l _Toc18966 5.1 函數信號發(fā)生器的

15、仿真和調試 PAGEREF _Toc18966 25 HYPERLINK l _Toc25795 5.2 調試結果分析 PAGEREF _Toc25795 28 HYPERLINK l _Toc22207 結束語 PAGEREF _Toc22207 30 HYPERLINK l _Toc10418 參考文獻 PAGEREF _Toc10418 31 HYPERLINK l _Toc12627 致 謝 PAGEREF _Toc12627 331 緒論1.1 課題背景及意義 現代化生產要求電子儀器品種多、功能強、精度高、自動化程度高，而且要求測試速度快、實時性好、具有良好的人機界面。虛擬儀器正可以

16、實現這些要求，虛擬儀器(Virtual Instrument，簡稱VI)的概念是由美國國家儀器公司(NI)在20世紀80年代最早提出的。由于儀器儀表技術和PC技術的飛速前進，虛擬儀器因此誕生。虛擬儀器技術是當前PC協助檢測CAT技術的一個重要研究領域，和以前的儀器相比,虛擬儀器有靈活性、多樣性、和許多其他的好的方面。由于科技的飛速開展，其應用匯更普遍，這也對虛擬儀器技術的需求會更加大。以LabVIEW為根本構架實現TMS320F2812-DSP與PC機的串行口通信，是將2812-DSP豐富的片上資源、較高的數據處理能力與功能強大的圖形化編程虛擬儀器開發(fā)平臺LabVIEW相結合，克服了PC機串口

17、通信軟件程序代碼冗長復雜，不便進行功能拓展的缺點，并簡化了串口調試程序，到達了操作簡單、功能齊全的要求。 隨著電子科學技術的開展，微電子集成電路技術、計算機技術、通訊技術、測控技術互相滲透，互相融合而形成了新型的電子信息技術。經過了二十多年的開展，虛擬儀器的概念已逐步為工業(yè)界和學術界所認識，成為21世紀測試技術與儀器技術開展的一個重要方向，并且在研究、制造和開發(fā)等總舵領域得到廣泛運用。虛擬儀器技術是測試技術和計算機技術相結合的產物，是以計算機為根底，配以相應測試功能的硬件作為信號輸入輸出的接口，利用虛擬儀器軟件開發(fā)平臺在計算機的屏幕上虛擬出儀器的面板并實現相應的功能，使得使用者在操作計算機時就

18、像在操作一臺自己設計的測試儀器。虛擬儀器的出現，打破了傳統(tǒng)儀器由廠家定義，用戶無法改變的工作模式，使得用戶可以根據自己的需求，設計自己的儀器系統(tǒng)，給用戶提供了一個充分發(fā)揮自己才能和想象力的空間，實際上代表了一種創(chuàng)新的儀器設計思想。與傳統(tǒng)儀器相比，虛擬儀器具有性價比高、開放性好、智能化程度高、界面友好、使用方便、模塊化和網絡化的優(yōu)點、在很多領域有取代傳統(tǒng)儀器的趨勢。1.2 波形發(fā)生器的開展概況波形發(fā)生器是應用于測試設備、信號接收設備等裝置中的一種波形函數信號源。早在20年代，當電子設備剛開始出現的時候，信號發(fā)生器就隨著出現了。隨著電子技術的巨大進步，波形發(fā)生器根據它的關鍵技術頻率合成技術的角度，

19、大致可以劃分成三代。第一代的波形發(fā)生器采用的是直接模擬頻率合成 (DireetAnalog Frequeneysynthesis，簡稱DAFs)技術。該技術原理簡單，易于實現。它由模擬振蕩器產生參考頻率源，經諧波發(fā)生器產生一系列諧波，再經混頻、分頻和濾波等處理產生大量的離散頻率。其結構如圖1所示：可調衰減器輸出放大器正弦波整形器放大器三角波發(fā)生器OSC圖1 直接模擬頻率合成框圖根據所使用的參考頻率的數目不同可分為非相關合成方法和相關合成方法兩種類型。非相關合成方法使用多個晶體參考頻率源，所需的各種頻率分別由這些參考源提供;相關合成方法只是用一個晶體參考頻率源，所需的各種頻率都由它經過分頻、混頻

20、和倍頻后得到，因而合成器輸出頻率的穩(wěn)定性和精度與參考源一樣。采用這種技術制作的函數發(fā)生器的優(yōu)點是頻率轉換時間短、相位噪聲低，但由于采用大量的混頻、分頻、倍頻和濾波等模擬硬設備，使頻率合成器的體積大、本錢高、結構復雜、容易產生雜散分量，大多數硬件的非線性影響難于抑制。第二代的波形發(fā)生器采用的是模擬電路技術，其頻率控制局部主要采用的是基于鎖相環(huán) (PhaseLockedLoop，簡稱PLL)的間接頻合成技術。PLL是間接頻率合成技術中的一個關鍵局部，它是一個負反應環(huán)路，是一個實現相位自動鎖定的控制系統(tǒng)，其輸出信號與參考信號相位同步。原理如圖2所示。該頻率合成技術是利用一個或幾個參考頻率源，通過諧波

21、發(fā)生器和分頻器等產生大量諧波或組合頻率，然后用PLL把壓控振蕩器的頻率鎖定在某一諧波或組合頻率上。這種波形發(fā)生器的優(yōu)點是頻率穩(wěn)定和雜散抑制好，調試簡便。但由分立組件構成的振蕩電路和整形電路，在產生各種波形時，由于其鎖相存在捕獲時間問題，其頻率切換速度比直接合成慢而且頻率間隔不可能做的很小。采用這種技術的波形發(fā)生器電路結構復雜、體積龐大、準確度較差，而且僅能產生正弦波、方波、三角波等幾種簡單波形，難以產生較為復雜的波形信號。目前市場上的基本屬于第三代波形發(fā)生器，它們普遍采用的是DDS技術。DDs是從相位概念出發(fā)FR鑒相器(PD)低通濾波器LPF壓控振蕩器VCOFO圖2 鎖相環(huán)原理框圖直接合成所需

22、要波形的一種新的頻率合成原理。隨著高速大規(guī)模集成電路技術的開展，DDS技術日益顯露出它的優(yōu)越性?；贒DS技術的任意波形發(fā)生器利用高速存儲器作為查找表，通過高速D/A轉換器對存儲器的數據進行合成，它不僅可以產生正弦波、方波、三角波和鋸齒波等規(guī)那么波形，而且還可以通過上位機或下位機編輯，產生真正意義上的任意波形。例如，它能模擬編碼雷達信號、潛水艇特征信號、磁盤數據信號、機械振動瞬變過程、電視信號以及神經脈沖類的波形，也能重演由數位示波器捕獲的波形。其典型結構如圖3所示：波形輸出波形存儲器D/A轉換器模擬濾波器DDS模塊控制面板圖3 直接數字頻率合成結構圖采用DDS技術實現的任意波形發(fā)生器具有以下

23、優(yōu)點: 1頻率分辨率高，輸出的頻數點多，能夠到達兩個頻點(假設DDS相位累加器的字長是N); 2頻率切換速度快，能到達微秒級; 3頻率切換時相位是連續(xù)的; 4可以輸出帶寬正交信號; 5輸出相位噪聲低，對參考頻率源的相位噪聲有改善作用; 6能夠產生任意波形; 7全數字化實現，便于集成，體積小，重量輕。它在相對帶寬、頻率轉換時間、相位連續(xù)、正交輸出、高分辨率以及集成化等一系列性能指標方面，己遠遠超過了傳統(tǒng)頻率合成技術所能到達的水平，完成了頻率合成技術的又一次飛躍。用這種方法產生線性調頻信號及其它復雜波形信號的技術日益受到重視，并得到廣泛的應用。1.3 本文的主要內容 該論文介紹了虛擬儀器技術的概念

24、和根本的設計理念，設計軟件基于LabWIEW多功能信號發(fā)生器，能產生共同的正弦波，三角波，方波，鋸齒波信號和一些任意的公式，并在已設計的根底上，增加了一個登錄模塊和一個按鍵音效以及登錄音效，所以能在視覺和聽覺上都是享受。本文主要內容可以概括如下： 1 主要闡述了課題研究的背景、研究意義和本課程設計的主要研究工作。 2簡述了近些年來在儀器的測試方面出現了的一個新型的儀器虛擬儀器及其概念、特點、開展現狀和虛擬儀器的構建技術，同時本文也介紹了一個作用于虛擬儀器的開發(fā)的集成軟件LabWIEW，以及LabWIEW VI(Virtual Instrument)的概念以及還介紹了LabVIEW創(chuàng)立虛擬儀器的

25、一般過程和方法。3對本論文所采用的一個圖形化編程軟件LabVIEW中實例對具體的編程方式、設計模式以及LabVIEW的特征和優(yōu)點進行了一些簡單介紹，這也是介紹本文為什么選用這個軟件作為我的主要軟件開發(fā)環(huán)境的原因。然后也結合一個多線程技術、同步控制等在我們開發(fā)實際中大量運用到的一個技術做一一的研究和介紹。4虛擬函數信號發(fā)生器的設計。本章主要三個局部，第一個局部介紹了我所設計的一個登陸模塊及其所包含的7個子VI的構成和一些簡介。第二局部為4個模塊，分別介紹了根本函數波形產生模塊、任意公式波形產生模塊。第三局部介紹了虛擬多功能函數信號發(fā)生器的總體設計思路及其流程圖以及進行了仿真和測試，得出了仿真和測

26、試結果。2 虛擬儀器技術本章對虛擬儀器技術的概念進行了深入的探究,并且對虛擬儀器軟硬件的構成方案進行了仔細研究。在比照了各個方案的特點后的根底之上，再結合了自己的實際狀況，最終確定了本文校準系統(tǒng)的硬件構成方案和使用什么軟件開發(fā)平臺作為自己的軟件開發(fā)平臺。2.1 虛擬儀器概述 虛擬儀器的概念以及起源。虛擬儀器(VirtualInstrumentation，VI)是電子測量技術和計算機技術更加緊密結合產生的一種新儀器模式，是指以通用計算機作為核心硬件平臺，配以相應的硬件模塊作為信號輸入輸出接口，利用儀器軟件開發(fā)平臺在計算機的屏幕上虛擬出儀器的面板和相應的功能，通過鼠標或鍵盤交互式操作完成相應測試測

27、量任務的儀器。在這種儀器系統(tǒng)中，硬件僅僅是為了解決信號的輸入輸出，軟件才是整個儀器系統(tǒng)的關鍵，任何一個用戶都可以通過改寫軟件的方法，方便地改變個增減儀器系統(tǒng)的功能，即“軟件就是儀器。 虛擬儀器的起源可以追溯到20世紀70年代，那時計算機測控系統(tǒng)在國防、航天等領域已經有了相當的開展。PC機出現以后，儀器的計算機化成為可能，甚至在Microsoft公司的Windows誕生之前，NI公司已經在Macintosh計算機上推出了LabVIEW2.0以前的版本，對虛擬儀器和LabVIEW長期、系統(tǒng)、有效的研究開發(fā)使得該公司成為業(yè)界公認的權威。 普通的PC有一些不可防止的弱點。用它構建的虛擬儀器isl653

28、1cr或計算機測試系統(tǒng)性能不可能太高。目前作為計算機化儀器的一個重要開展方向是制定了VXI標準，這是一種插卡式的儀器。每一種儀器是一個插卡，為了保證儀器的性能，又采用了較多的硬件，但這些卡式儀器本身都沒有面板，其面板仍然用虛擬的方式在計算機屏幕上出現。這些卡插入標準的VXI機箱，再與計算機相連，就組成了一個測試系統(tǒng)。VXI是結合GPIB儀器和DAQ板的最先進技術而開展起來的高速、多廠商、開放式工業(yè)標準。VXI技術優(yōu)化了諸如高速AlD轉換器、標準化觸發(fā)協議以及共享內存和局部總線等先進技術和性能，成為可編程儀器的新領域，并成為電子測量儀器行業(yè)目前最熱門的領域?，F在，已有數百家廠商生產的上千種VXI

29、產晶面市。但由于VXI儀器價格昂貴，后來又推出了一種較為廉價的PXI標準儀器。從而形成了儀器行業(yè)的兩大主流儀器標準PXI和VXI。 虛擬儀器的特點與傳統(tǒng)儀器相比，虛擬儀器有以下一些特點。1軟件是核心。根據系統(tǒng)設計要求，在選定系統(tǒng)控制用計算機以及一些標準化的儀器硬件模塊或板卡后，軟件局部就成為構建和使用虛擬儀器的關鍵所在。其中，儀器驅動軟件的功能是實現與儀器硬件的接口和通信，應用軟件那么完成用戶定義的測試和儀器功能，并提供人機交互界面。在進行應用程序開發(fā)時，可以利用HPVEE、LabVIEW、I。abWindows/CVI等集成開發(fā)環(huán)境?？梢钥闯?，軟件在虛擬儀器技術中占有十分重要的作用，NI公司

30、提出的“軟件就是儀器(TheSoftwareistheInstrument)就是這一特點的形象概括。2靈活性和可擴展性。虛擬儀器打破了傳統(tǒng)儀器由廠家定義功能和控制面板，用戶沒有方法更改的模式。儀器用戶可根據自己不斷變化的需求，自由發(fā)揮自己的想象力，方便靈活地重組測量系統(tǒng)，系統(tǒng)的擴展、升級可隨時進行，而且系統(tǒng)更新的周期短、見效快，能充分地滿足用戶在不同場合的應用需求。3性價比高。虛擬儀器可以將茌傳統(tǒng)儀器中一些由硬件完成的功能轉為軟件實現，減少了自動測試系統(tǒng)的硬件環(huán)節(jié)，降低了系統(tǒng)的開發(fā)本錢和維護本錢；虛擬儀器能夠同時對多個參數進行實時高效的測量，信號傳輸大局部采用數字信號的形式，數據處理也主要依賴

31、軟件來實現，大大降低了環(huán)境干擾和系統(tǒng)誤差的影響；用戶可以隨時根據需要調整虛擬儀器的功能，實現一機多用。因此，使用虛擬儀器比傳統(tǒng)儀器更經濟。4良好的人機界面。虛擬儀器的操控界面是采用圖形化編程技術實現的一種虛擬面板或稱為軟面板。虛擬面板可以模擬傳統(tǒng)儀器面板的設計風格來設計，也可以由用戶根據實際需求定制設計。測量結果可以通過計算機屏幕以曲線、圖形、數據或表格等形式顯示出來。5與其他設備互聯的能力。虛擬儀器通常具備標準化的總線或通信接口，具有與其他設備互聯的能力。例如，虛擬儀器能夠通過以太網與Internet相連，或者通過現場總線完成對現場設備監(jiān)控和管理等。這種互聯能力使虛擬儀器系統(tǒng)的功能顯著增加，

32、應用領域明顯擴大。 虛擬儀器的開展趨勢隨著計算機、通信、微電子技術的不斷開展，以及網絡時代的到來和信息化要求的不斷提高，網絡技術應用到虛擬儀器領域中是虛擬儀器開展的大趨勢。國內網絡化虛擬儀器的概念目前還沒有一個比擬明確的提法，也沒有一個被測量界廣泛接受的定義。其一般特征是將虛擬儀器、外部設備、被測試點以及數據庫等資源納入網絡，實現資源共享，共同完成測試任務。使用網絡化虛擬儀器，可在任何地點、任意時刻獲取數據信息的愿望成為現實。網絡化虛擬儀器也適合異地或遠程控制、數據采集、故障監(jiān)測、報警等。與以PC為核心的虛擬儀器相比，網絡化虛擬儀器是儀器開展史上的一次革命。網絡化虛擬儀器將由單臺虛擬儀器實現的

33、3大功能數據獲取、數據鈴析及圖形化顯示分開處理，分別使用獨立的根本硬件模塊實現傳統(tǒng)儀器的兩大功能，以網線相連接，實現信息資源的共享。2.2 虛擬儀器的系統(tǒng)構成 虛擬儀器由硬件設備與接口、設備驅動軟件和虛擬儀器面板組成。其中，硬件設備與接口可以是各種以PC為根底的內置功能插卡、通用接口總線接口卡、串行口、VXI總線儀器接口等設備，或者是其它各種可程控的外置測試設備，設備驅動軟件是直接控制各種硬件接口的驅動程序，虛擬儀器通常運用下層設備驅動軟件和真正的儀表系統(tǒng)進行通信，能以虛擬儀器面板的方式在電腦屏幕上顯示與真實儀器面板操作元素相對應的各種控件。用戶用鼠標操作虛擬儀器的面板就如同操作真實儀器一樣真

34、實與方便。2.2.1 虛擬儀器系統(tǒng)的硬件構成 虛擬儀器的硬件系統(tǒng)一般分為計算機硬件平臺和測控功能硬件。計算機硬件平臺可以是各種類型的計算機，如臺式計算機、便攜式計算機、工作站、嵌入式計算機等。它管理著虛擬儀器的軟件資源，是虛擬儀器的硬件根底。因此，計算機技術在顯示、存儲能力、處理器性能、網絡、總線標準等方面的開展，導致了虛擬儀器系統(tǒng)的快速開展。 按照測控功能硬件的不同，VI可分為DAQ、GPIB、VXI、PXI和串口總線五種標準體系結構，它們主要完成被測輸入信號的采集、放大、模/數轉換。2.2.2 虛擬儀器系統(tǒng)的軟件構成測試軟件是虛擬儀器的主心骨。NI公司在提出虛擬儀器概念并推出第一批實用成果

35、時，就用軟件就是儀器來表達虛擬儀器的特征，強調軟件在虛擬儀器中的重要位置。NI公司從一開始就推出豐富而又簡潔的虛擬儀器開發(fā)軟件。使用者可以根據不同的測試任務，在虛擬儀器開發(fā)軟件的提示下編制不同的測試軟件，來實現當代科學技術復雜的測試任務。在虛擬儀器系統(tǒng)中用靈活強大的計算機軟件代替?zhèn)鹘y(tǒng)儀器的某些硬件，特別是系統(tǒng)中應用計算機直接參與測試信號的產生和測量特性的分析，使儀器中的一些硬件甚至整個儀器從系統(tǒng)中消失，而由計算機的軟硬件資源來完成它們的功能。虛擬儀器測試系統(tǒng)的軟件主要分為以下四局部。1儀器面板控制軟件。儀器面板控制軟件即測試管理層，是用戶與儀器之間交流信息的紐帶。利用計算機強大的圖形化編程環(huán)境

36、，使用可視化的技術，從控制模塊上選擇你所需要的對象，放在虛擬儀器的前面板上。2數據分析處理軟件。利用計算機強大的計算能力和虛擬儀器開發(fā)軟件功能強大的函數庫可以極大提高虛擬儀器系統(tǒng)的數據分析處理能力，節(jié)省開發(fā)時間。3儀器驅動軟件。虛擬儀器驅動程序是處理與特定儀器進行控制通信的一種軟件。儀器驅動器與通信接口及使用開發(fā)環(huán)境相聯系，它提供一種高級的、抽象的儀器映像，它還能提供特定的使用開發(fā)環(huán)境信息。儀器驅動器是虛擬儀器的核心，是用戶完成對儀器硬件控制的紐帶和橋梁。虛擬儀器驅動程序的核心是驅動程序函數/VI集，函數/VI是指組成驅動的模塊化子程序。驅動程序一般分為兩層，底層是儀器的根本操作，如初始化儀器

37、配置儀器輸入參數、收發(fā)數據、查看儀器狀態(tài)等。高層是應用函數/VI層，它根據具體測量要求調用底層的函數/VI。4通用I/O接口軟件。在虛擬儀器系統(tǒng)中，I/O接口軟件作為虛擬儀器系統(tǒng)軟件結構中承上啟下的一層，其模塊化與標準化越來越重要。VXI總線即插即用聯盟，為其制定了標準，提出了自底向上的I/O接口軟件模型即VISA。作為通用I/O標準，VISA具有與儀器硬件接口無關性的特點，即這種軟件結構是面向器件功能而不是面向接口總線的。應用工程師為帶GPIB接口儀器所寫的軟件，也可以于VXI系統(tǒng)或具有RS232接口的設備上，這樣不但大大縮短了應用程序的開發(fā)周期，而且徹底改變了測試軟件開發(fā)的方式和手段。2.

38、3 虛擬儀器軟件開發(fā)平臺 虛擬儀器是一類軟件化的儀器，核心概念是軟件就是儀器，而應用軟件開發(fā)系統(tǒng)設計虛擬儀器所必須的軟件工具。目前，較流行的虛擬儀器軟件開發(fā)系統(tǒng)大致可以分為三類： 第一類：圖形化編程語言，代表性的有LabVIEW,HPVEE等； 第二類：文本式的編程語言，如C,Visual C+,LabWindows/CVI; 第三類：零編程開發(fā)系統(tǒng)，具有代表性的式VMIDS框架協議系統(tǒng)圖形化的編程語言，這是我國自己開發(fā)的軟件開發(fā)系統(tǒng)，它具有編程簡單、直觀、開發(fā)效率高的特點。 目前市面上能夠見到的開發(fā)系統(tǒng)，根本上都可以歸為以上三類之一。這三類各有優(yōu)缺點，也是目前在市面上都存在的原因。誰也取代不

39、了誰。文本式編程語言具有編程靈活、運行速度快等特點，但他需要很深厚的編程功底，需要記憶很繁瑣的文本語言，編程開發(fā)過程不是任何人都可以掌握的，不適合與那些沒有語言功底的工程師和科學家，而圖形化編程地出現正式彌補著文本變成的缺陷，把枯燥的寫代碼過程變成了把各種圖形控件用連線連接起來的具有趣味性的圖形化編程活動，但也不是不需要編程的，使用圖形化編程語言的人，并不像文本編程者那樣，需要很深厚的編程功底，但也不是說不用編程，而我國自己開發(fā)的VMIDS框架協議開發(fā)系統(tǒng)用戶是不需要編程，就能組建自己所需要的儀器。以下就幾種典型的開發(fā)系統(tǒng)做一簡單的介紹。 1LabVIEW是圖形化的儀器編程環(huán)境，提供顯示和控制

40、對象，如表頭、旋鈕、圖表等。內置高效的程序編譯器編譯方式運行32位應用程序 ，內置代碼評估器。 靈活的程序調試手段可設斷點 ，探針，高亮，單步。支持各種數據采集與儀器通信應用支持 ISA、EISA、PCI、PCMCIA和MacintoshNuBus等各種總線 。功能強大的數據處理和分析函數庫包括數值函數、字符串處理函數、數據運算函數和文件I/O函數，還包括概率與統(tǒng)計、回歸分析、線性代數、信號處理、數字濾波器、窗函數、三維圖形處理等高級分析函數。 支持多種系統(tǒng)平臺可在LabVIEW平臺上調用其他軟件平臺編譯的模塊。開放式的開發(fā)平臺網絡功能面向對象技術。 2LabWindows/CVI采用事件驅動

41、與回調函數編程，集成化開發(fā)平臺，支持多種總線，支持數據處理和分析功能，提供格式化I/O庫、Analysis庫、Advanced Analysis庫、ANSI C庫等，提供圖形化用戶界面編輯，User Interface庫。支持網絡和進程間通信功能，支持多種操作系統(tǒng)。 3Agilent VEE圖形化的編程，提供顯示和控制模塊 ，如按鈕、圖表、溫度指示器等 。內置的程序編譯器，交互式編譯器技術，豐富的儀器驅動程序，強大的數據分析與處理數理統(tǒng)計、類型比擬、矩陣運算、微積分、信號分析與處理、數字濾波器等 。靈活的程序調試手段可設斷點，單步，分步。支持多種系統(tǒng)平臺，網絡功能。4National Inst

42、ruments,LabVIEW,LabWindows/CVI具有用于數據采集、儀器、網絡和分析的完全集成化的庫的圖形化環(huán)境；可編譯性能強；自動化的測試對接軟件；SQL數據庫連接性SPC分析工具。用于儀器控制和數據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；用于快速樣機開發(fā)的代碼產生工具和內部編譯器；用于GPIB,VXI、串行、DAQ, TCP和用戶控制界面的集成庫；可用于Win2000/XP、Sun Solaris I.x/2.x和HP-ux。2.4 基于虛擬儀器的自動測試系統(tǒng)的優(yōu)點 根據上述主要功能的虛擬儀器描述,基于虛擬儀器很容易看到自動測試系統(tǒng)具有以下突出優(yōu)點: 1采用虛

43、擬儀器，計算機與硬件測試設備之間的數據傳輸非常方便、直接、快速。在傳統(tǒng)的測試儀器設備中，測試人員以手工的方式現場記錄測試數據，在測試數據量比擬大的情況下，這種數據記錄方式不能很好的按時完成記錄任務，測試過程也就變的復雜、緩慢，而且很容易引起測試誤差。對于有些常用的測試儀器，對于被測對象只能進行定性分析，如果需要精確的物理數據，就需要有額外的輔助措施。在應用虛擬儀器技術的測試設備中，充分利用計算機的存儲能力，讓測試數據經由計算機總線，傳輸至計算機內存或硬盤，數據傳輸率可以滿足測試的實時性要求，也加快了測試過程，這樣就很好解決了數據的傳輸、保存問題。 2在某些情況下，需要根據工程的實際需要實時、直

44、接地對測試數據進行各種分析與處理，如進行PID控制、模糊邏輯控制、FFT、DFT運算、數字信號處理，數學分析和數據庫聯接、統(tǒng)計分析參數調整、單位轉換等工作，這在傳統(tǒng)儀器中很難做到。在虛擬儀器中，開發(fā)人員可以使用現有的分析軟件包或通過自行編制相應軟件來滿足這一功能要求。 3為了使測試過程直觀、明了，有時需要多種方式顯示測試數據、控制過程和分析結果，虛擬儀器中，就可以利用計算機的圖形用戶界面實現這一目標。2.5 虛擬信號發(fā)生器的介紹2.5.1 信號發(fā)生器的根本原理 本函數信號發(fā)生器的前面板主要由以下幾個局部構成：儀器控制按鈕，輸出頻率控制窗口(包括頻率顯示單位)，頻率倍成控制，波形選擇，頻率微調按

45、鈕，直流偏置，方波占空比調節(jié)，輸出波形幅度控制按鈕。頻率微調范圍：O11 Hz；直流偏置：一1010V；方波占空比：0100；輸出波形幅度：010V。此外還增加了許多修飾性的元件如面板上的壓控輸入、記數輸入、同步輸出、電壓輸出等。使用這些修飾性的元件的目的是為了增加儀器的美觀性，并盡量與真實儀器的使用界面相一致。2.5.2 虛擬信號發(fā)生器的工作原理 通過軟件虛擬信號發(fā)生器的功能，信號由特定的虛擬儀器發(fā)出，再通過波形顯示器表現在大家面前。虛擬儀器以計算機為核心，功能由用戶定義和設計，具有虛擬面板，其測試功能由測試軟件實現。虛擬儀器的關鍵是用軟件來實現硬件的功能，實現“軟件即儀器。本文應用虛擬儀器

46、開發(fā)平臺LabVIEW開發(fā)了一種多功能虛擬信號發(fā)生器，擴展了信號發(fā)生器的分析和計算能力，降低了儀器的價格，增強了儀器的通用性，實現了波形顯示、存儲、以及多個測量參數自動顯示、相位差自動計算等功能。3 LabVIEW圖形化開發(fā)環(huán)境3.1 LabVIEW簡介 LabVIEWLaboratory Virtual Instrument Engineering Workbench是一種用圖標代替文本行創(chuàng)立應用程序的圖形化編語言。傳統(tǒng)文本編程語音根據語句和指令的先后順序決定程序的執(zhí)行順序，而LabVIEW那么采用數據流程方式，程序框圖中節(jié)點之間的數據流向決定了程序的執(zhí)行順序。它用圖標表示函數，用連線表示數

47、據流向。 LabVIEW提供很多外觀與傳統(tǒng)儀器如示波器、萬用表類似的控件，可用來方便的創(chuàng)立用戶界面。用戶界面在LabVIEW中被稱為前面板。使用圖標和連線，可以通過編程對前面板上的對象進行控制。這就是圖形化源代碼，又稱GGraphics代碼。LabVIEW的圖像化源代碼在某種程度上類似于數據流流程圖，因此又被稱作程序框圖代碼。前面板上的每一個控件對應于程序框圖中的一個對象，當數據“流向該控件時，控件就會根據自己的特性以一定的方式顯示數據，例如開關、數字或圖形。圖4就是一個LabVIEW程序實例的前面板與程序框圖，該例模擬了一個溫度監(jiān)測系統(tǒng)。 LabVIEW程序被稱為VIVirtual Inst

48、rument，即虛擬儀器。這是因為它的很多界面控件與操作都模擬了現實世界中的儀器，例如示波器與萬用表等。LabVIEW的核心概念就是“軟件即是儀器，即虛擬儀器的概念。LabVIEW還包含了大量的工具與函數用于采集、分析。顯示與存儲等。這些工具都是導向式的工具，用戶只需要一步步按照提示就可以實現與儀器的連接和參數的設置。而程序員也不同去記憶這些大量的函數，因為這函數都以圖標與名稱的形式存在于一個小小的函數面板上，當需要用到某個函數時把它從函數面板上拖放到程序框圖中就可以了。這一切都是圖形化帶來的好處。 LabVIEW的圖形環(huán)境還內置了豐富的函數庫，提供了多種網絡接口，支持先進的流動數據傳輸等先進

49、技術，使系統(tǒng)的開發(fā)變得更加簡單和方便，其中基于TCP/IP協議的網絡實時數據交換編程技術數據套接字(DataSocket)技術便是其一大特色。并且這種技術是一種開放的技術，與人們已經習慣采用的TCP/IP編程接口、DDE等網絡環(huán)境下的數據共享技術比擬的話，使用起來更為方便，開發(fā)效率更高，而且不需要大量的編程工作量。數據套接提供統(tǒng)一的API編程接口，從數據共享的角度來看，它是對WinSock的高級封裝，允許用戶與各種效勞器之間進行交互并在應用之間交換信息，比方LabVIEW以及其他一些不同的數據源或目標，源和目標中包括其他的應用、文件、OPC (OLE For Process Control)效

50、勞器、Web效勞器以及FTP效勞器。使用DataSocket類和統(tǒng)一資源定位器(Uniform Resource Locator，簡稱URL)，就可建立數據套接的源與目標的連接，用戶可以像使用LabVIEW中的其他數據類型一樣用DataSocket進行讀寫據，實現測量數據的實時共享。圖4 LabVIEW程序的前面板與程序框圖舉例3.2 LabVIEW的優(yōu)點沒有傳統(tǒng)儀器虛擬儀器控制面板,但使用計算機強大的圖形環(huán)境,使用可視化圖形編程語言和平臺,以創(chuàng)立一個圖在計算機屏幕上而不是軟面板的傳統(tǒng)傳統(tǒng)儀器面板。軟實際儀器面板有一個類似的旋鈕、開關、燈光和其他控制組件。在操作,用戶通過鼠標或鍵盤操作軟面板,

51、檢查儀表通信和操作。除了上面提到的特性,與傳統(tǒng)儀器的編程工具Visual Basic,Visual c+相比,虛擬儀器以及幾個優(yōu)勢。 1用戶能根據自己的需要的虛擬儀器的靈活性來定義儀器功能，通過不同的功能模塊的組合，可構成各種儀器，儀器制造商的特定功能，而不是會受限的。 2虛擬儀器將所有的儀器控制信息都集中在軟件模塊，可以顯示各種各樣的方式使用的數據收集，分析和控制過程的結果。這種轉移的重要組成局部，進一步加大虛擬儀器技術的靈活性。 3因為是虛擬儀器的軟件、硬件的限制小,所以連接與其他儀器位于相對容易實現。和虛擬儀器可以很容易地連接到網絡、外圍設備和其他應用程序也可以使用多用戶數據共享。 4虛

52、擬儀器在真正的時間,直接編輯的數據,而且通過計算機總線傳輸數據到內存或打印機。這樣做,我們解決了這個問題的數據傳輸,一方面充分利用計算機的存儲容量,因此虛擬儀器有無限的數據記錄能力。 5虛擬儀器利用計算機強大的圖形用戶界面(GUI),直接用電腦閱讀。根據實際工程的需要,使用人員可以被編程的軟件或使用現有的分析軟件,實時、直接測試各種數據分析和處理。 6虛擬儀器價格很低，而且它基于軟件的架構還節(jié)省了大量的開發(fā)和維護本錢。 3.3 LabVIEW中的編程方式 虛擬儀器的軟件設計由兩局部組成：前面板和流程圖。在前面板，輸入用輸入控 件(Control)來實現，程序運行的結果由輸出控件(Indicat

53、or)來完成。流程圖是完成程序功能的圖形化源代碼，通過它對信號數據的輸入和輸出進行指定，完成對信號采集及分析處理功能的控制。 1前面板。前面板是圖形用戶界面，也就是VI的虛擬儀器面板，前面板直接面向用戶，是用戶使用虛擬儀器的根本操作面板。這一界面上有用戶輸入和顯示輸出兩類對象，具體表現有開關、旋鈕、圖形以及其他控制和顯示對象。2程序框圖提供VI的圖形化程序。它的功能是對前面板上的控件進行定義、操作和連線以實現虛擬儀器的功能，是LabVIEW程序設計的核心。在程序框圖中存在著對VI編程，以控制和操縱定義在前面板上的輸入和輸出。它包括前面板上的控件和控件的連線端子，還有一些前面板上沒有，但編程必須

54、有的東西，例如函數、結構和連線等。如果將VI與標準儀器相比擬，那么前面板上的東西就是儀器面板上的東西，而流程圖上的東西相當于儀器箱內的東西。在許多情況下，使用VI可以仿真標準儀器，不僅在屏幕上出現一個惟妙惟肖的標準儀器面板，而且其功能也與標準儀器相差無幾。 3圖標/連接器。VI具有層次化和結構化的特征，一個VI可以作為子程序，這里稱為子VI，被其他VI調用。圖標與連接器在這里相當于圖形化的參數。LabVIEW的強大功能歸因于它的層次化結構，用戶可以把創(chuàng)立的VI程序當作子程序調用，以創(chuàng)立更復雜的程序，而這種調用的層次是沒有限制的。 在VI設計過程中，可以利用工具選板、前面板中的控件選板、程序框圖

55、中的函數選板進行設計。這些選板的詳細功能及用法通過不斷的學習設計VI的過程逐漸地掌握。如果VI是比照標準儀器,那么前面板是等價的儀表板,而圖是相當于在儀器的特性。3.4 LabVIEW程序的設計模式 設計模式所代表的技術都是經過實踐檢驗的、具有很強實用價值的程序設計方式。它們一般都經過了開發(fā)者的不懈的改良和調整才形成，使用簡單并具有較高的可維護性、可讀性等特點。同時，隨著某種設計模式被廣泛使用，有助于其他的開發(fā)人員理解和改變原開發(fā)者的程序代碼。LabVIEW應用程序的設計也可以利用這些設計模式的優(yōu)勢。LabVIEW中的設計模式主要有：狀態(tài)機模式、主從模式、生產消費模式和消息隊列處理機模式。 4

56、 虛擬函數信號發(fā)生器的設計本章主要介紹了基于LabVIEW的多功能函數信號發(fā)生器的設計思路以及流程和仿真框圖。主要分為以下幾個模塊：登陸模塊、根本函數波形產生模塊、任意公式波形產生模塊以及虛擬函數信號發(fā)生器的總體設計。各個模塊均給出了相應的流程圖和前面板波形圖。共有7個子VI, 進一步完善了虛擬信號發(fā)生器的功能, 能產生正弦、方波、三角波鋸齒涉及任意波等根本信號。4.1 登錄模塊設計4.1.1 登錄界面的設計為了使登錄界面更加好看，更加清晰簡單明了。本版塊首先在前面板插入了一張漂亮的圖片作為用戶登陸界面背景，給別人以視覺上美的感受。本版塊在程序中參加了一個“用戶登錄程序，提前在庫中存儲了6個用

57、戶的個人信息包括個人姓名，學號，密碼，然后合理分布各個元素的位置，使用戶更加一目了然的明晰程序的使用方法。登錄界面框圖程序的結構圖 登錄界面框圖程序結構圖如下列圖5所示：圖5 登錄界面框圖程序結構圖 用戶登錄界面前面板 設計的用戶登錄界面前面板如下列圖6所示：圖6 登錄界面前面板用戶登錄界面后面板程序圖 用戶登錄界面后面板程序框圖如下列圖7所示：圖7 用戶登錄界面后面板程序圖4.1.2 用戶登錄系統(tǒng)的設計本版塊首先建立了一個簇數組，存儲了6個用戶個人信息包括姓名，學號，密碼，然后將庫中的信息一個一個與用戶輸入的信息進行匹對，如果都匹對成功，就加載下面的子VI，否那么就彈出信息錯誤提示框，用戶必

58、須再一次輸入正確的個人信息才能進入加載下面的程序。用戶登錄系統(tǒng)的后面板程序如下列圖8所示：圖8 用戶信息正確后加載的程序的后面板程序4.1.3 利用局部變量來設計“記住密碼選項 如果沒有使用記住密碼這項功能的話，用戶信息正確登錄進入程序后，信息欄將會自動保存用戶的個人登錄信息，這樣的話在實際生活應用中很有可能會造成用戶個人信息外漏的風險，因此特別設置此項，只有用戶在選中“記住密碼選項的時候，才會保存用戶的個人，否那么會立即去除用戶的個人信息。在此程序中，用到了局部變量，建立了一個用戶登錄數組的局部變量，當用戶未按下“記住密碼按鈕時，程序那么會自動將零常量賦值給這個局部變量。記住密碼選項后面板程

59、序如下列圖9所示：圖9 記住密碼選項后面板程序4.1.4 用戶加載框的設計用戶加載框這個板塊還是比擬簡單的，其中使用了一個100的for循環(huán)結構，能夠根據進度條的延時輸出，就會表現出一個動態(tài)的加載效果。其中還包括了兩個等待加載的登錄音效和虛擬函數發(fā)生器的主程序框子VI。程序加載框后面板程序如下列圖10所示：圖10 程序加載框后面板程序4.1.5 播放音效VI的設計 為了讓本程序不但能夠在視覺上到達賞心悅目的效果，而且能在聽覺上也到達這樣的效果，所以特別設計了這個VI。在程序中適當的位置加載了適當的音效，這能夠使程序具有生動形象的動態(tài)效果。例如，本程序在登錄的時候加載了XP系統(tǒng)的開機登陸音效，在

60、錯誤提示框顯示的時候加載了一個警告音效，在“重置，“登錄，“CH2，“CH1，“自定義波形,“退出等按鍵所在的位置利用添加存放器進行了同或運算，加載了按鍵音，就可以到達按一個鍵就有按鍵音效的效果。提取音樂路徑并加載音樂的VI后面板程序如下列圖11所示：圖11 提取音樂路徑并加載音樂的VI4.1.6 獲取系統(tǒng)時間的VI設計此VI運用了一個獲取日期/時間控件和一個格式化日期/時間控件，這兩個控件作用就是格式化日期以及時間，再將其連接在顯示控件上，顯示控件就會將系統(tǒng)時間在顯示面板的顯示控件上上顯示出來。獲取系統(tǒng)時間的后面板程序框圖和前面板如下列圖13和圖12所示：圖12 獲取系統(tǒng)時間前面板圖13 獲