畢業(yè)論文：基于labview的電子技術(shù)實驗系統(tǒng)的設(shè)計(終稿)-精品

1、基于labview的電子技術(shù)實驗系統(tǒng)的設(shè)計目錄摘要- 3 -引言- 4 -1. 1傳統(tǒng)電子學實驗室教學模式的弊端- 4 -1. 1.1 實驗室設(shè)備利用率低- 4 -1. 1.2實驗信息管理混亂- 4 -1. 1.3 實驗教師工作繁雜- 5 -1. 2 虛擬儀器在電子實驗教學中的應用- 5 -1. 2.1 虛擬儀器概述- 5 -1. 2.2 LabVIEW的編程簡介- 5 -1. 2.3 虛擬儀器中的數(shù)字電子技術(shù)- 6 -第一章 數(shù)字電路教學實驗的設(shè)計- 9 -1.1平臺的構(gòu)建- 9 -1.2半加器的設(shè)計- 10 -1.3全加器的設(shè)計- 11 -1.4比較器的設(shè)計- 12 -1.5雙向同步計數(shù)器

2、的設(shè)計- 12 -1.6與非門的設(shè)計- 14 -1.7 D觸發(fā)器的設(shè)計- 14 -1.8 JK觸發(fā)器的設(shè)計- 15 -1.9 譯碼器的設(shè)計- 16 -第二章 虛擬數(shù)字示波器的設(shè)計與實現(xiàn)- 18 -2.1虛擬示波器的介紹- 18 -2.2軟件設(shè)計思想- 19 -2.3 前面板設(shè)計- 20 -24信號采集模塊- 22 -2.5信號測量和分析控制模塊- 23 -2.6虛擬示波器的具體軟件設(shè)計- 23 -第三章 基于虛擬儀器的實驗室設(shè)計方案- 27 -31虛擬儀器實驗室的硬件平臺- 27 -311 DAQ虛擬儀器系統(tǒng)- 28 -312 GPIB虛擬儀器系統(tǒng)- 31 -313 VXI虛擬儀器系統(tǒng)- 32

3、 -314 PXI虛擬儀器系統(tǒng)- 33 -315 USB和IEEEl394虛擬儀器系統(tǒng)- 34 -316 RS一232虛擬儀器系統(tǒng)- 35 -32虛擬儀器實驗室的軟件平臺- 36 -321虛擬儀器軟件體系結(jié)構(gòu)(VISA)- 37 -322儀器驅(qū)動程序- 37 -323應用軟件- 38 -第四章 論文總結(jié)- 40-參考文獻- 43 -致謝- 44 -摘要隨著低成本高性能的計算機資源普及運用，數(shù)字化儀器平臺逐漸取代傳統(tǒng)電子儀器已成為一種趨勢。我國理工科學校的教學、科研需要大量的測量分析儀器設(shè)備，特別是電子類實驗教學，每種儀器都必須配置多套，而且有些儀器設(shè)備價格十分昂貴。因此購置儀器設(shè)備的巨大投入經(jīng)

4、費，一般學校難以承受，造成儀器設(shè)備缺乏和過時陳舊等現(xiàn)象，嚴重影響教學科研效果。另外，由于傳統(tǒng)電子學實驗室教學模式存在的弊端，造成實驗室設(shè)備利用率低，實驗信息管理混亂，實驗教師工作繁雜，最終不僅僅浪費了學校大量的人力物力，而且學生還不能真正地掌握實驗，培養(yǎng)過關(guān)的動手能力（學校實驗室儀器配備不全，一些必要的實驗無法展開）。如果把虛擬儀器運用到實驗教學和科研中，不但可以節(jié)約大量儀器設(shè)備的經(jīng)費投入，而且能夠提高實驗教學和科研的質(zhì)量與效率。尤其是虛擬儀器LabVIEW在數(shù)字電路實驗教學中的應用，效果更為明顯。關(guān)鍵詞:電子技術(shù)實驗教學 虛擬儀器 LabVIEW 優(yōu)勢引言實驗室是教學、 科研的重要基地 ,實

5、驗室的建設(shè)也反映了學校的教學體系、 學科建設(shè)和管理體制的水平。電子學實驗是理工科專業(yè)教學的一個重要內(nèi)容 ,是培養(yǎng)學生電子技術(shù)應用和工程設(shè)計能力不可缺少的教學環(huán)節(jié)。由于其面向的是一個發(fā)展迅速的學科 ,所以實驗室教學方法、 手段和水平也要不斷改進和提高 ,以適應學科的發(fā)展。1. 1傳統(tǒng)電子學實驗室教學模式的弊端1. 1.1 實驗室設(shè)備利用率低高校實驗室教學設(shè)備數(shù)量有限 ,特別是一些貴重儀器 ,要做到學生與設(shè)備一對一配套是不現(xiàn)實的。在傳統(tǒng)的實驗室教學模式中 ,一般會將學生分為若干小組 ,以組為單位作實驗 ,使部分同學難以全部參與和投入 ,沒能充分了解和掌握實驗全過程。1. 1.2實驗信息管理混亂實驗

6、信息 ,特別是實驗數(shù)據(jù)的存儲、 分析和查詢是電子實驗的一個重要內(nèi)容。在傳統(tǒng)實驗教學模式中 ,學生靠手工記錄和分析數(shù)據(jù)。存在的問題是:第一 ,記錄時人為誤差較大;第二 ,不便于保存、 查詢和整理。1. 1.3 實驗教師工作繁雜實驗報告的評閱 ,典型問題的解答與數(shù)據(jù)核對 ,包含大量的重復性工作 ,給指導教師帶來很多重復性勞動 ,精力很難集中在實驗臺上。1. 2 虛擬儀器在電子實驗教學中的應用1. 2.1 虛擬儀器概述所謂虛擬儀器，就是在以計算機為核心的硬件平臺上，配合以相應的輸入/輸出接口，具有計算機顯示器的虛擬面板，測試功能由測試軟件來實現(xiàn)的一種計算機儀器系統(tǒng)。自美國國家儀器公司(Nationa

7、l Instruments，NI) 在1986年提出虛擬儀器的概念之后，虛擬儀器技術(shù)便一直成為發(fā)達國家自動測控領(lǐng)域的研究熱點和應用前沿。目前，最著名的虛擬儀器系統(tǒng)是NI的LabVIEW，其最廣泛的應用領(lǐng)域是測控領(lǐng)域，而文章將要探討的，是將該系統(tǒng)應用于數(shù)字邏輯電路的教學、實驗的問題。文章認為，由于虛擬儀器的自身特點及數(shù)字與模擬電路的差異性，虛擬儀器系統(tǒng)并不適用于模擬電路系統(tǒng)的教學或?qū)嶒灒珜τ跀?shù)字電路系統(tǒng)，則有較強的、特殊的優(yōu)勢。1. 2.2 LabVIEW的編程簡介在LabVIEW環(huán)境下開發(fā)的應用程序稱之為VI。VI是LabVIEW的核心，由一個人機交互的界面前面板(Front Panel)和

8、相當于源代碼功能的框圖程序后面板（Diagram）組成。前面板是程序的界面，在這一界面上有控制量(Controls)和顯示量(Indicators)兩類對象。在前面板中，控制量模擬儀器的輸入裝置并把數(shù)據(jù)提供給VI的框圖程序，例如開關(guān)、旋鈕；而顯示量則是模擬儀器的輸出裝置并顯示由框圖程序獲得或產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，例如用于顯示波形的窗口等。每一個程序前面板都對應著一段框圖程序?？驁D程序用LabVIEW圖形編程語言編寫，可以把它理解成傳統(tǒng)程序的源代碼?？驁D程序由端口、節(jié)點、圖框和連線構(gòu)成。其中端口被用來同程序前面板的控制和顯示傳遞數(shù)據(jù)，節(jié)點被用來實現(xiàn)函數(shù)和功能調(diào)用，圖被用來實現(xiàn)結(jié)構(gòu)化程序控制命令，而連線代表

9、程序執(zhí)行過程中的數(shù)據(jù)流，定義框圖內(nèi)的數(shù)據(jù)流動方向。后面板又稱代碼窗口或流程圖，是VI圖形化的源能，一般不包括業(yè)務邏輯方法，Web層則和Enterprise Beans交互，自身比如JSP和Servlets中會包含一些業(yè)務邏輯。1. 2.3 虛擬儀器中的數(shù)字電子技術(shù) 虛擬儀器LabVIEW具有典型的圖形化語言風格，其程序的編制過程就是將不同的圖標（VI）進行選擇、組合并連線的過程。其不同圖標（VI）相當于具有不同功能的“子程序”，圖標間的連線指定了數(shù)據(jù)的流向，相當于代碼語言的“賦值”語句。在LabVIEW的函數(shù)選板中，既包含了大量專用的信號處理、信號運算等VI圖標，也包含了各種數(shù)值運算、邏輯運算

10、的基本VI圖標。其中的邏輯運算VI，其圖標就是標準的邏輯運算符號，其中相應的邏輯運算VI選板如圖1。圖1 布爾邏輯運算VI選板不難看出，利用這些圖標編制的邏輯運算程序（LabVIEW后面板），也就是一個規(guī)范的數(shù)字邏輯電路的邏輯圖。就信號的輸入/輸出來說，LabVIEW亦提供了豐富的輸入控件和輸出控件，如各種形式的開關(guān)、按鈕、指示燈、波形顯示器等等，這些“器件”可直接用簡單的拖動方式拖放到相應位置即可使用。如圖2數(shù)值輸入控件圖2 前面板中的控件更重要的是，虛擬儀器系統(tǒng)不同于虛擬現(xiàn)實技術(shù)或仿真技術(shù)，后兩者只不過是對現(xiàn)實系統(tǒng)的一種模擬而已，而虛擬儀器雖稱為“虛擬”，但其實質(zhì)是一種基于計算機軟、硬件系

11、統(tǒng)作為支撐，通過采用一定的數(shù)學模型和算法來完成處理過程的真實儀器系統(tǒng)，一句話，虛擬儀器系統(tǒng)并非“虛擬”儀器，而是“真實”儀器，它是要完成真實儀器系統(tǒng)功能的。也就是說，基于虛擬儀器系統(tǒng)進行的相應實驗或教學過程，通過配置相關(guān)的A/D或DAQ接口，即成為能完成實際儀器功能的儀器，故基于虛擬儀器進行教學、實驗，比基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)或仿真技術(shù)的教學實驗更具有實際意義！由于虛擬儀器LabVIEW中提供的布爾運算VI比較完備，再加上系統(tǒng)本身圖形化的語言風格，完全可以做到將“程序邏輯圖實驗過程輸入輸出”等過程的結(jié)合，使過程簡單明晰，可以完成數(shù)字邏輯電路中幾乎所有的實驗及演示，如：半加器、全加器、比較器、計數(shù)器、

12、與非門、D觸發(fā)器、JK觸發(fā)器、譯碼器等等，而且，具體的實驗或演示過程，還可運用LabVIEW中程序執(zhí)行過程的“高亮度單步執(zhí)行”模式，充分地觀察到信號的動態(tài)流程和邏輯電路的運算過程，甚至可以將某種邏輯運算過程單獨開發(fā)為專門的用戶VI，形成一獨特功能的新型概念的“虛擬芯片”，供需要時直接調(diào)用。下面就以一些大學課程中簡單的數(shù)字電子技術(shù)實驗為例，來介紹討論運用虛擬儀器LabVIEW實現(xiàn)數(shù)字電路實驗的過程。第一章 數(shù)字電路教學實驗的設(shè)計 在電子技術(shù)課程中，數(shù)字電路作為電類專業(yè)的基礎(chǔ)核心課程，其實驗教學是十分重要的環(huán)節(jié)，實驗包括半加器、全加器、數(shù)據(jù)選擇器等內(nèi)容。1.1平臺的構(gòu)建 最后以相同的步驟完成減法器

13、、數(shù)據(jù)選擇器、計數(shù)器、觸發(fā)器、譯碼顯示等模塊的設(shè)計，再將實驗仿真模塊整合到一個平臺中，使用時只需點擊選擇模塊按鈕，就能調(diào)用其實驗模塊。這樣在實驗教學中就可以非常方便地使用和查看各個模塊的功能。這就構(gòu)成一個數(shù)字電路仿真實驗平臺，如圖1-1所示。圖1-1 數(shù)字電路仿真實驗平臺1.2半加器的設(shè)計 半加器電路是指對兩個輸入數(shù)據(jù)位進行加法，輸出一個結(jié)果位，不考慮低位數(shù)據(jù)的進位，產(chǎn)生進位輸出的加法器電路。輸入信號：A、B；輸出信號：本位和S，向高位的進位C。邏輯表達式為： S= AB，C =AB。根據(jù)其邏輯關(guān)系用LabVIEW編寫程序框圖，如圖1-2所示。圖1-2半加器程序框圖前面板如下：其實現(xiàn)功能為：當

14、單獨按開關(guān)A或B時S亮，當開關(guān)A，B同時開時C亮，S暗。1.3全加器的設(shè)計 在相加的過程中，除最低位外，其余各位既要考慮本位的被加數(shù)Ai和Bi，還要考慮低位向本位的進位Ci-1，就是說低位的Ci-1也作為一個獨立的變量參與運算。因此，所謂全加就是求取三個變量（本位Ai、加數(shù)Bi輸入以及低位向本位進位Ci-1）的和S及本位向高位的進位Ci。因為全加器是基于半加器做成的，其中部分電路是半加器，所以可以利用LabVIEW中子VI的功能將半加器打包成一個子程序，作為VI模塊調(diào)用。如圖1-3所示。圖1-3全加器程序框圖前面板如下：1.4比較器的設(shè)計在二維二進制比較器的設(shè)計中，比較它們是否相等，當A1A0

15、和B1B0相等時，S燈亮，即兩數(shù)相等，反之，不相等。程序如圖1-4所示。圖1-4比較器程序框圖前面板如下：1.5雙向同步計數(shù)器的設(shè)計在雙向同步計數(shù)器的設(shè)計中，通過控制UP/DOWN鍵，當UP/DOWN鍵為1時，隨著計數(shù)脈沖的不斷輸入而作遞增計數(shù)；當UP/DOWN鍵為0時，隨著計數(shù)脈沖的不斷輸入而作遞減計數(shù)。即此計數(shù)器可作為加減用的同步雙向計數(shù)器。 因為雙向同步計數(shù)器是基于JK觸發(fā)器做成的，其中部分電路是JK觸發(fā)器，所以可以利用LabVIEW中子VI的功能將JK觸發(fā)器打包成一個子程序，作為VI模塊調(diào)用，其程序如圖1-5所示。圖1-5雙向同步計數(shù)器的程序框圖前面板如下：1.6與非門的設(shè)計在與非門的

16、實驗中，由于其比較簡單，設(shè)計起來也比較簡單，在這不過多的敘述了。程序框圖如圖1-6所示。圖1-6與非門的程序框圖前面板如下：1.7 D觸發(fā)器的設(shè)計其功能為輸入為1時，輸出為1；輸入為0時，輸出亦為0，輸出Q與輸入D保持一致。其程序框圖如圖1-7所示。圖1-7 D觸發(fā)器的程序框圖前面板如下：1.8 JK觸發(fā)器的設(shè)計在JK觸發(fā)器的設(shè)計中，JK表示兩個信號的輸入端，CLK是脈沖輸入端，Q與 為兩個互補輸出端。 JK觸發(fā)器的狀態(tài)方程為Qn+1 JnQn，JK觸發(fā)器常被用作緩沖存儲器，移位寄存器和計數(shù)器。其程序框圖如圖1-8所示。圖1-8 譯碼器程序框圖其前面板如下：1.9 譯碼器的設(shè)計此設(shè)計的是3線8

17、線譯碼器74LS138，其中 A2 、A1 、A0 為地址輸入端，為譯碼輸出端，S1、為使能端。其功能為：當S11，0時，器件使能，地址碼所指定的輸出端有信號（為0）輸出，其它所有輸出端均無信號（全為1）輸出。當S10， X時，或 S1X，1時，譯碼器被禁止，所有輸出同時為1。其程序框圖如圖1-9所示。圖1-9 譯碼器的程序框圖前面板如下：第二章 虛擬數(shù)字示波器的設(shè)計與實現(xiàn)2.1虛擬示波器的介紹虛擬示波器是將模擬信號經(jīng)過抽樣量化，以二進制數(shù)字形式存儲在計算機的存儲器中，并以數(shù)字方式輸出。其頻率分辨率取決于信號樣本長度，只要存儲的容量足夠大，存儲的信號樣本足夠多，頻率分辨率就足夠高。分析精度取決

18、于量化誤差和計算機的字長，只要保證量化誤差在一定的范圍內(nèi)和有足夠的計算機的字長，即可實現(xiàn)高精度測量，至于處理速度，完全取決于計算機的運行速度。由于計算機技術(shù)的高速發(fā)展，以個人計算機為核心的虛擬示波器實現(xiàn)實時處理是非常容易的。其主要特點是:(l)處理速度快處理速度對于一個具有信號分析功能的設(shè)備來說是非常重要的，它不僅直接影響工作效率，而且還影響到分析的質(zhì)量。用本示波器的FFT功能處理1024點數(shù)據(jù)僅以毫秒為計時單位，這就能更正確地反映被分析信號的特征。(2)多功能傳統(tǒng)儀器大多是單功能的儀器，一臺儀器只能完成一種固定功能，如濾波器、頻譜分析儀、信號發(fā)生器等。但是本儀器卻是一種多功能的綜合設(shè)備，例如

19、，可以對信號進行頻譜分析、相位分析等。集許多功能于一身。是一種理想的示波和分析系統(tǒng)。(3)頻率分辨率高模擬信號處理的一個很大的缺點是頻率的分辨率不高，這主要原因是模擬濾波器的通帶不可能做的很窄，它受到技術(shù)的限制。但虛擬示波器采用數(shù)字運算，頻率分辨率取決于被分析信號的長度，即信號的持續(xù)時間，使信號的持續(xù)時間是T，則頻率分辨率為f=1/T。只要T足夠長，分辨率就足夠高。例如，若抽樣頻率為IkHz，樣本數(shù)取1024點(相當于T=ls)，則頻率分辨率為IHz。(4)分析精度高，穩(wěn)定可靠在虛擬示波器中，影響系統(tǒng)精度的因素主要有兩個:A/D轉(zhuǎn)換器精度和數(shù)字運算所取的字長。本文中A/D轉(zhuǎn)換器選用12位，轉(zhuǎn)換

20、誤差小于ILSB，運算中字長的選擇和減小計算誤差的措施可以保證所要求的計算精度。本儀器是一個數(shù)字處理系統(tǒng)，具有數(shù)字計算機的基本結(jié)構(gòu)，從而具備了重復性好、穩(wěn)定可靠等優(yōu)點。(5)虛擬示波器不僅具有一般儀器所具有的操作面板，還具有計算機常用的輸入輸出設(shè)備，還可隨時在計算機磁盤中對采集到的數(shù)據(jù)進行讀寫操作，給用戶提供了極大的方便。2.2軟件設(shè)計思想 創(chuàng)建虛擬儀器的過程共分三步：(1)設(shè)計虛擬儀器的前面板。虛擬儀器的交 互式用戶接口被稱為前而板，它是模仿實際儀器的面板。前面板包含旋鈕、按鈕， 圖形和其他控制與顯示對象，通過鼠標和鍵盤為控制對象輸入數(shù)據(jù)，在計算機屏 幕上觀看結(jié)果。(2)編寫虛擬儀器流程圖。

21、流程圖是一個編程問題的圖形化解決 方案(也是虛擬儀器的源代碼)。虛擬儀器從流程圖中接受命令。(3)確定虛 擬儀器的圖標和連接(表示某一虛擬子儀器)的參數(shù)列表，圖標和連接允許將此儀 器作為最高級的程序，也可以作為其他程序或子程序中的程序(子儀器)。 采用模塊化的軟件設(shè)計思想編寫，每個功能的實現(xiàn)由一個模塊完成，系統(tǒng)軟件總體包括數(shù)據(jù)采集、參數(shù)測量、頻譜分析、濾波及數(shù)據(jù)存儲和回放等模塊，最終實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、處理、記錄、顯示等功能口l。系統(tǒng)組成如圖2-1：圖2-1系統(tǒng)組成框圖2.3 前面板設(shè)計LabVIEW前面板用于設(shè)置輸入數(shù)值和觀察輸出量，用于模擬真實示波器的前面板。由于虛擬面板直接面向用戶，是虛擬示波

22、器控制軟件的核心。設(shè)計前面板時，主要考慮界面美觀，操作簡潔，用戶可以通過前面板中的開關(guān)和旋鈕模擬傳統(tǒng)儀器的操作，通過鍵盤和鼠標實現(xiàn)對虛擬示波器的控制。前面板上設(shè)有各個功能模塊按鈕，當按下相應按鈕時，即可調(diào)用該子程序。根據(jù)傳統(tǒng)示波器的面板控鍵的功能，利用LabVIEW中的控制模板，分別在設(shè)計面板上放入模擬實際控鍵的顯示器、通道選擇控鍵、垂直增益控鍵、觸發(fā)源、觸發(fā)電平、時基控制等。例如：打開LabVIEW前面板編輯窗口，點擊鼠標右鍵，顯示控制模板，選擇GraphWaveform Graph，作為示波器的顯示器，它可以顯示一個或多個波形。在顯示器模板上點擊鼠標右鍵，對其進行屬性設(shè)置，如根據(jù)示波器的頻

23、率與幅度值的變化，利用工具模板中的文字工具，對顯示器橫(時間)、縱(幅度)坐標的刻度重新設(shè)置。用Graph控鍵設(shè)計的示波器是完全同步的，波形穩(wěn)定。點擊Show Control PaletteClassic ControlsBooleanHorizontal Slide Switch選擇開關(guān)，設(shè)置觸發(fā)斜坡控鍵(極性)，開關(guān)可對正、負斜坡進行選擇。點擊Show Control PaletteNumericDial作為選擇開關(guān)，設(shè)置掃描速率和垂直靈敏度等各種控鍵，它們使用的是同一種旋鈕式控鍵。根據(jù)控鍵所起作用和使用需要，對各控件進行性質(zhì)設(shè)置。如垂直靈敏度控鍵，設(shè)置三個刻度點(05Wdiv，1 Vdi

24、v，2W div)，當置于不同檔時，可改變波形的垂直方向的靈敏度。“掃描速率”控鍵的設(shè)置與“垂直靈敏度”相似，單位是“msdiv”，當選擇不同檔位時，顯示器的橫坐標刻度間隔分別以2msdiv，4msdiv和8msdiv變化，以達到改變波形的水平方向的掃描速度。按BooleanVertical Switch路徑，設(shè)置“通道選擇”控鍵。設(shè)置三個選擇檔，分別是“A”、“B”和“A&B”，用來實現(xiàn)單通道和雙通道顯示的功能。軟面板程序用來提供用戶與虛擬示波器的接口。當按下“采集”按鈕，然后運行程序就可以開始采集信號。用戶可以進行單通道和雙通道的任意切換：各種功能模塊的實現(xiàn)在面板上都對應著相應的按

25、鈕，按下該按鈕就可以調(diào)出該模塊子程序。在子程序中按下返回鍵就回到主程序面板。設(shè)計的前面板如圖22所示。圖2-2虛擬示波器前面板24信號采集模塊數(shù)據(jù)采集模塊是虛擬示波器軟件的核心，主要完成數(shù)據(jù)的采集。包括觸發(fā)控制、通道控制和時基控制等。觸發(fā)控制主要包括觸發(fā)方式控制，觸發(fā)斜坡控制和觸發(fā)電平控制。通道控制主要控制單通道或者是雙通道測量。時基控制主要控制采集卡的掃描率及采樣數(shù)。采集中主要用到的函數(shù)有CreatDevice、InitDeviceProAD、ReadDeviceProAD_NotEmpty、 ReleaseDeviceProAD和 ReleaseDevice。CreatDevice負責創(chuàng)建

26、PCI設(shè)備對象，并返回其設(shè)備對象句柄。InitDeviceProAD負責初始化設(shè)備對象中的AD部件，為設(shè)備操作就緒有關(guān)工作，如預置AD采集通道，采樣頻率等。ReadDeviceProAD_NotEmpty讀取設(shè)備上的AD數(shù)據(jù)，ReleaseDeviceProAD釋放設(shè)備上的AD部件，ReleaseDevice釋放設(shè)備對象所占用的系統(tǒng)資源及設(shè)備對象自身。2.5信號測量和分析控制模塊這個模塊主要由三個基本的功能模塊組成:電壓測量模塊、頻率和相位測量模塊、頻譜分析模塊組成。電壓測量模塊主要完成對電壓幅值、電壓有效值、電壓的頻率及周期等參數(shù)的測量，并將結(jié)果顯示出來。頻率和相位測量模塊主要是利用李沙育圖

27、形來測量被測信號的頻率以及相位角。頻譜分析模塊主要是采用FFT變換，實現(xiàn)頻域信號的分析，包括幅值頻譜、相位頻譜以及功率譜分析。這三個功能模塊分別由三個子VI來實現(xiàn)的。2.6虛擬示波器的具體軟件設(shè)計本文開發(fā)的虛擬示波器是采用模塊化設(shè)計，借助于LabV工EW提供的可視化集成開發(fā)環(huán)境，我們可以很方便的設(shè)計出用戶所需要的虛擬儀器。本虛擬儀器的程序框圖如圖2-3所示。圖2-3虛擬示波器程序框圖該示波器是由一個主程序和幾個子程序組成的。每一個子程序?qū)嶋H上都是能實現(xiàn)一定功能、完成一定任務的虛擬儀器(通常稱為“子VI”)，主程序通過對子程序的調(diào)用，來實現(xiàn)信號的采集、分析、處理等功能，使虛擬示波器具有層次化和模

28、塊化的結(jié)構(gòu)。下面對各主要子虛擬儀器(子Vl)做個簡介。(1)“通道選擇”子程序該子程序主要是實現(xiàn)對通道的選擇，有三種選擇方式:A通道、B通道、A&B，選擇不同的通道可以實現(xiàn)對輸入信號的選取。(2) 數(shù)據(jù)存盤子程序該子程序可以實現(xiàn)對采集到的數(shù)據(jù)進行存取，以備以后對數(shù)據(jù)進行分析和處理。(3)數(shù)據(jù)讀取子程序該子程序主要是實現(xiàn)對被保存數(shù)據(jù)的讀取和波形的回放，能直觀地觀察到被采集到的數(shù)據(jù)波形。 (4)頻譜分析子程序該子程序主要是通過短時傅立葉變換(FFT)實現(xiàn)信號的譜分析，這里主要包括幅值譜、相位譜和功率譜分析。當然可以在這個基礎(chǔ)上根據(jù)你的實際需要進行改進，實現(xiàn)頻率響應函數(shù)分析和相干函數(shù)分析。

29、(5)測量子程序該子程序主要是實現(xiàn)對電信號的相關(guān)參數(shù)進行測量，被測的參數(shù)包括交流有效值、支流分量、峰一峰值、最大值、最小值、振動幅值等等。從而得到被測信號的相關(guān)待測參數(shù)。（6)頻率和相位測量子程序該子程序的兩個主要功能是:通過李沙育圖形來確定被測信號的頻率和相位角。本小節(jié)討論了虛擬示波器的實現(xiàn)技術(shù)，并對信號的采樣技術(shù)和波形的顯示技術(shù)做了仔細的研究。虛擬示波器的軟件設(shè)計采用模塊化的設(shè)計思想，實現(xiàn)了數(shù)字存儲示波器的各種功能，并且在原有功能的基礎(chǔ)上增加了對信號的分析處理功能。基于LabvIEW強大的功能，軟件實現(xiàn)較為方便，有效地節(jié)省了開發(fā)的時間。第三章 基于虛擬儀器的實驗室設(shè)計方案任何一臺儀器從功能

30、上來說無非由以下三大功能模塊組成：信號的采集與控制、信號的分析與處理、結(jié)果的表達與輸出。虛擬儀器就是將這三大模塊的功能盡可能用計算機來實現(xiàn)。大多數(shù)虛擬儀器是由計算機來完成信號的分析和處理、結(jié)果的表達與輸出這兩個功能塊的部分或全部功能。也就是說，虛擬儀器是由計算機硬件資源、模塊化儀器硬件和用于數(shù)據(jù)分析、過程通訊及圖形用戶界面(GUI)的控制軟件組成，在軟件控制下，由模塊化儀器硬件進行測量信號的數(shù)據(jù)的采集，數(shù)據(jù)采集完畢后，傳給計算機，軟件再進行數(shù)據(jù)的分析處理，通過圖形用戶界面等方式將結(jié)果顯示給用戶。虛擬儀器系統(tǒng)構(gòu)成，參見圖3-1。圖31虛擬儀器系統(tǒng)構(gòu)成31虛擬儀器實驗室的硬件平臺我們知道虛擬儀器的

31、硬件主要是由計算機和IO接口設(shè)備兩部分組成的。按照構(gòu)成虛擬儀器的接口總線的不同，分為數(shù)據(jù)采集插卡式(DAQ)虛擬儀器、RS232RS485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虛擬儀器以及最新的IEEEl394接口虛擬儀器。以下對這些類型的虛擬儀器總線進行分析比較，根據(jù)自身的條件確定適合實驗室需要的建設(shè)方案。311 DAQ虛擬儀器系統(tǒng)DAQ(Data AcquiSition)，即數(shù)據(jù)采集儀器，是一種比較典型的虛擬儀器，它的出現(xiàn)和發(fā)展與計算機密切相關(guān)。DAQ儀器以微型計算機為平臺，將計算機硬件積計算機軟件結(jié)合起來，實現(xiàn)特定的儀器測量和分析功能，它具有

32、性價比高、設(shè)計手段靈活、通用性強等優(yōu)點，應用前景非常廣闊。DAQ儀器設(shè)計都是基于某一種總線迸行的，因此總線的標準和規(guī)范將對所設(shè)計的儀器系統(tǒng)的性能，包括結(jié)構(gòu)上的先進性、可靠性、兼容性及擴充和升級等方面起到關(guān)鍵作用。下面主要研究基于PCI總線的DAQ虛擬儀器系統(tǒng)。一個由PCDAQPCI插卡式虛擬儀器組成的多通道多參量測量系統(tǒng)如圖32所示。該測量系統(tǒng)由兩大部分構(gòu)成：傳感器及其調(diào)理電路部分和DAQ虛擬儀器硬件平臺。圖3-2多通道多參量PC-DAQPCI插卡式虛擬儀器1傳感器及其調(diào)理電路在該系統(tǒng)中，計算機要想取得現(xiàn)場的各種參數(shù)，就必須先用傳感器將各種物理量轉(zhuǎn)換成電信號，只有那些數(shù)值大小合適的電壓信號才可

33、以直接進入虛擬儀器平臺，大多數(shù)被測信號要經(jīng)傳感器及其調(diào)理電路變送后才能進入虛擬儀器系統(tǒng)。傳感器完成信號的獲取，它將被測參量轉(zhuǎn)換成相應可用于輸出的電信號。傳感器輸出的電信號大多數(shù)不能直接輸送到顯示、記錄或分析儀器中去。其主要原因是：大多數(shù)傳感器輸出的電信號很微弱，需要進一步放大，有的還要進行阻抗變換；有些傳感器輸出的是電參量，要轉(zhuǎn)換為電能量：輸出信號中混雜有干擾噪聲，需要去掉噪聲，提高信噪比；若測試工作僅對部分頻段的信號感興趣，則有必要從輸出信號中分離出所需的頻率成分；當采用數(shù)字式儀器、儀表和計算機時，模擬輸出信號還要轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號等等。因此，傳感器的輸出信號要經(jīng)過適當?shù)恼{(diào)理，使之與后續(xù)測試環(huán)節(jié)

34、相適應。故調(diào)理電路的基本作用有三個：放大：將微弱電壓信號放大。轉(zhuǎn)換：將非電壓輸出信號轉(zhuǎn)換為電壓信號。濾波：濾除高頻干擾，限制信號的最高頻率fmax避免產(chǎn)生混淆和混疊。如果信號調(diào)理電路輸出的是規(guī)范化的標準信號，即420mA電流信號(經(jīng)標準電阻轉(zhuǎn)換為15v2IOV標準電壓信號)，則稱這種信號調(diào)理電路為變送器。2DAO虛擬儀器硬件平臺DAQ虛擬儀器的硬件平臺由Pc計算機與數(shù)據(jù)采集卡(DAQ卡)組成。數(shù)據(jù)采集卡(DAQ卡)由以下幾個部分組成：多路開關(guān)。將各路信號輪流切換到放大器的輸入端，實現(xiàn)多參數(shù)多路信號的分時采集。放大器。將前一級多路開關(guān)切換進入待采集的信號進行放大(或衰減)至采樣環(huán)節(jié)的量程范圍內(nèi)。

35、通常實際系統(tǒng)中放大器做成增益可調(diào)的放大器，設(shè)計者可根據(jù)輸入信號不同的幅值選擇不同的增益倍數(shù)。采樣保持器。取出待測信號在某一瞬時的值(即實現(xiàn)信號的時間離散化)，并在AD轉(zhuǎn)換過程中保持信號不變。AD轉(zhuǎn)換器。將輸入的模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量輸出，并完成信號幅值的量化。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，目前通常將采樣保持器與AD轉(zhuǎn)換器集成在一塊芯片上。以上四個部分都處在計算機的前向通道，是組成數(shù)據(jù)采集卡的主要環(huán)節(jié)，與其它有關(guān)電路如定時計數(shù)器、總線接口電路等制作在一塊印刷電路板上，即構(gòu)成數(shù)據(jù)采集卡(DAQ卡)，完成對信號數(shù)據(jù)的采集、放大和模數(shù)轉(zhuǎn)換任務。很多數(shù)據(jù)采集卡印刷電路板上，還裝有數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DA)，DA處在Pc計算機

36、的后向通道，即輸出通道，用于將計算機輸出的數(shù)字量轉(zhuǎn)換為模擬量，從而實現(xiàn)控制功能。3在LabVIEW中DAQ設(shè)備的配置通常情況下，在LabVIEW中安裝和配置DAQ設(shè)備的步驟如下：DAQ硬件板卡的安裝；使用LabVIEW自帶的Io配置工具選擇確定地址、中斷等基本參數(shù)使用DAQ Channel Wizard配置I0通道；進行LabVlEW DAQ編程。312 GPIB虛擬儀器系統(tǒng)目前，工程中的儀器設(shè)備種類繁多、功能各異，一個系統(tǒng)經(jīng)常需要連接多臺不同類型的儀器協(xié)同工作，這就需要一種能夠?qū)⒁幌盗袃x器設(shè)備和計算機聯(lián)成整體的接口系統(tǒng)。GPIB(General Purpose Interface Bus)正

37、是這樣的接口，從此，電子測量由獨立的、傳統(tǒng)的單個儀器向大規(guī)模自動測試系統(tǒng)的方向發(fā)展。GPIB接口是一種8位數(shù)字并行通訊接口，其數(shù)據(jù)傳輸速度為iMbytes。GPIB設(shè)備分為聽者(Listeners)、說者(Talkers)和控制器(controllers)。說者負責發(fā)出消息(數(shù)據(jù)或命令)，聽者負責接收消息(數(shù)據(jù)或命令)，控制器(通常是一臺計算機)負責管理總線上的消息，并指定通訊連接和發(fā)送GPIB命令到指定的設(shè)備。有些GPIB設(shè)備在不同的時候可以扮演不同角色，有時充當說者，有時充當聽者，有時又作為控制器。GPIB接口的優(yōu)點在于通過一個接口可以將多個GPIB設(shè)備連接在一起，同時完成多種不同物理量的

38、測量。GPIB的基地址共有31個，為了獲得較高的數(shù)據(jù)傳輸速度，連接設(shè)備一般不超過14個，對于普通的測量這已經(jīng)足夠了。開發(fā)基于GPlB總線的虛擬儀器一般需要如下硬件：計算機、帶有GPIB接口的測試儀器、GPIB接口卡和GPIB連接電纜。測試儀器的類型及數(shù)量取決于實際的測試要求，儀器本身還要有與之配套的傳感器。GPIB接口卡主要用于將儀器與計算機相連，各GPIB接口之間用GPIB連接電纜連接。采用GPIB系統(tǒng)組建虛擬儀器系統(tǒng)具有明顯的優(yōu)越性：采用位并行，字節(jié)串行，雙向異步的數(shù)據(jù)傳輸方式，并使用了三線連鎖掛鉤技術(shù)；具有廣泛的靈活性和通用性；成本低，使用方便。313 VXI虛擬儀器系統(tǒng)VXlbus是W

39、Egus在儀器領(lǐng)域的擴展(VMEbus eXtensions for fnstrumentation)，是計算機操縱的模塊化自動儀器系統(tǒng)。VXI系統(tǒng)為虛擬儀器概念的實現(xiàn)提供了理想的環(huán)境。VXlbus標準和VPP規(guī)范的建立，使高密度、高效率、高速度、高度開放性、高可靠性和高度規(guī)范化的模塊化儀器走上了標準化的道路，為自動測試技術(shù)的發(fā)展提供了新的技術(shù)支持，從而得到了積極的響應、迅速發(fā)展和推廣應用。VXI總線系統(tǒng)或者其子系統(tǒng)由一個VXIbus主機箱、若干VXIbus器件、一個VXIbus資源管理器和主控制器組成。VXI總線控制方式分為嵌入式和外接式兩類。嵌入式VXI控制方式就是把計算機做成VXIbus

40、模塊，直接安裝到VXI主機箱中，并通常占據(jù)0槽位置。采用嵌入式控制器的VXl系統(tǒng)具有最小可能的體積。嵌入式控制器能夠直接訪問VXIbus背板信號，并直接讀寫VXIbus器件的寄存器，而不會像外接控制器那樣進行總線轉(zhuǎn)換而引入軟件開銷，因此具有最高的數(shù)據(jù)傳輸性能。外接式控制方式可以通過GPIB總線或者IEEE一1394總線及相應的接口電路實現(xiàn)對VXI系統(tǒng)控制。外接式VXI控制方式是一種靈活而且性能價格比很高的控制方案，得到了十分廣泛的應用。314 PXI虛擬儀器系統(tǒng)PXI(PCI eXtensions for Instrumentation)定義為用于測試、測量和控制應用，基于PC的一種小型模塊化

41、儀器平臺。PXI基于PCI，并利用CompactPCI規(guī)范，所以它具有PCI的一些優(yōu)點：較低的成本，不斷提高的性能，以及為最終用戶提供的主流軟件模型。PXl結(jié)構(gòu)最初是在1997年由NI公司提出，旨在幫助用戶開發(fā)一種低成本測試系統(tǒng)同時還要堅固耐用，并在多個工業(yè)領(lǐng)域都能滿足生產(chǎn)和現(xiàn)場測試要求。如今，PXI已經(jīng)成為測試、測量和自動化應用的標準平臺，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的規(guī)格區(qū)分為硬件與軟件兩個部分。其中硬件部分是基于CompactPCI的規(guī)格，建構(gòu)于CompactPCI的機構(gòu)規(guī)格與PCI的電氣規(guī)格之上，加上儀器上所需要的電氣信號

42、延伸，即是所謂PXI的規(guī)格。所以，PXI的數(shù)據(jù)傳輸速率的峰值在33MHz、32 bit的總線上，可達132MBs；在66 IVHz、64 bit的總線上更可高達528MBs，遠遠高于GPIB與VXI接口的傳輸速率。為更適于工業(yè)應用，PXI總線方式為PCI總線內(nèi)核技術(shù)增加了成熟的技術(shù)規(guī)范和要求，增加了多板同步觸發(fā)總線的技術(shù)規(guī)范，以便應用于相鄰模塊的高速通訊總線。PXI還具有高度的可擴展性：PXI具有8個擴展槽，通過使用PCIPCI橋接器，可擴展到256個擴展槽，而臺式PCI系統(tǒng)只有34個擴展槽，臺式PC的性能價格比和PCI總線面向儀器領(lǐng)域的擴展優(yōu)勢結(jié)合起來，便形成了出色的虛擬儀器平臺。315 U

43、SB和IEEEl394虛擬儀器系統(tǒng)USB通用串行總線(Universal serial bus)和IEEEl394總線(30nq Fireware總線)是被PC機廣泛采用的兩種總線，它們已被集成到計算機主板上。USB總線能以雛菊鏈方式連接127個裝置，需要一對信號線及電源線。USB 20標準的數(shù)據(jù)傳輸率能達到480Mbps。該總線具有輕巧簡便、價格便宜、連接方便快捷的特點，現(xiàn)在已被廣泛用于寬帶數(shù)字攝像機、掃描儀、打印機及存儲設(shè)備。IEEEl394總線是由蘋果公司于1989年設(shè)計的高性能串口總線，目前傳輸速率為100；200、400Mbps，將來可達32Gbps。這種總線需要兩對信號線和一對電源

44、線，可以用任意方式連接63個裝置，它是專為需要大數(shù)據(jù)量串行傳送的數(shù)碼相機、硬盤等設(shè)計的。USB及rEEE一1394總線均具有“即插即用”的能力和自動識別功能，都擁有400M左右的帶寬，兩者都支持同步和異步傳輸，與并行總線相比，更適合于連接多外設(shè)的需要。這兩類總線技術(shù)是當前虛擬儀器技術(shù)研究的熱點。316 RS一232虛擬儀器系統(tǒng)RS一232接口是目前最常用的一種串行通訊接口。它是在1970年由美國電子工業(yè)協(xié)會(EtA)聯(lián)合貝爾系統(tǒng)、調(diào)制解調(diào)器廠家及計算機終端生產(chǎn)廠家共同制定的用于串行通訊的標準。它的全名是“數(shù)據(jù)終端設(shè)備(DTE)和數(shù)據(jù)通訊設(shè)備(DCE)之間串行二進制數(shù)據(jù)交換接口技術(shù)標準”。圖3-

45、3 RS一232虛擬儀器系統(tǒng)串行接口(RS一232)是PC機的標準配置，它用于數(shù)據(jù)的串行傳輸。其特點是開發(fā)和應用簡單，在通信距離較近，數(shù)據(jù)傳輸率要求不高的情況下，可直接采用。采用RS一232串行總線結(jié)構(gòu)建的虛擬儀器硬件平臺有以下幾方面的優(yōu)點：lRS一232總線與GPIB總線、VXI總線、PXI總線相比，它的接口簡單、使用方便，應用于速度較低的測量系統(tǒng)中，其優(yōu)勢十分明顯。2目前，有許多測量儀器都帶有RS一232總線接口，與這些儀器相組合，構(gòu)成特定的虛擬儀器，能夠有效的提高原有儀器的自動化程度及測量的精度和效率。3與目前使用最多的PCDAQ型結(jié)構(gòu)相比，RS一232虛擬儀器系統(tǒng)雖然速度有所降低，但價

46、格低廉使用更加靈活。32虛擬儀器實驗室的軟件平臺虛擬儀器的軟件框架從低層到頂層，包括三部分；VISA庫、儀器驅(qū)動程序、應用軟件。圖34虛擬儀器的軟件結(jié)構(gòu)321虛擬儀器軟件體系結(jié)構(gòu)(VISA)1VISA的由來在以往的虛擬儀器開發(fā)過程中，I0接口設(shè)備驅(qū)動控制軟件的開發(fā)沒有制定共同的規(guī)范，儀器廠商按照各自的標準開發(fā)IO接口設(shè)各驅(qū)動控制軟件出售給用戶。由于沒有統(tǒng)一的規(guī)范約束，只能專用而沒有通用性，因此不同類型的或不同廠家的W接口設(shè)備必須專門米設(shè)計它的驅(qū)動程序。由于這種不可互換性，因而造成用戶在集成、使用和維護虛擬儀器系統(tǒng)時重復投入了大量的資金。為了推動虛擬儀器軟件標準化的進程，VXIPlug&

47、Play聯(lián)盟于1996年完成了對VISA規(guī)范的開發(fā)工作，并將各個函數(shù)的原型以標準的形式發(fā)布。2VISA簡介VISA(Virtual InstrumentatiOrsoftware Architecture)，即虛擬儀器軟件體系結(jié)構(gòu)，實質(zhì)就是標準的IO函數(shù)庫及其相關(guān)規(guī)范的總稱。一般稱這個IO函數(shù)庫為VISA庫。它駐留于計算機系統(tǒng)之中執(zhí)行儀器總線的特殊功能，是計算機與儀器之間的軟件層連接，以實現(xiàn)對儀器的程控。它對于儀器驅(qū)動程序開發(fā)者來說是一個可調(diào)用的操作函數(shù)集，通過它可以直接訪問計算機的硬件設(shè)備。322儀器驅(qū)動程序儀器驅(qū)動程序是完成對某一特定儀器控制與通信的軟件程序集。它是應用程序?qū)崿F(xiàn)儀器控制的橋

48、梁。每個儀器模塊都有自己的儀器驅(qū)動程序，儀器廠商以源碼的形式提供給用戶。儀器驅(qū)動程序的實質(zhì)是為用戶提供了用于儀器操作的較抽象的操作函數(shù)集。對于應用程序來說，它對儀器的操作是通過儀器驅(qū)動程序來實現(xiàn)的。儀器驅(qū)動程序?qū)τ趦x器的操作與管理，又是通過輸入輸出(IO)軟件所提供的統(tǒng)一基礎(chǔ)與格式的函數(shù)庫(VISA庫)的調(diào)用來實現(xiàn)的。對于應用程序設(shè)計人員來說，一旦有了儀器驅(qū)動程序，在不是十分了解儀器內(nèi)部操作過程的情況下，也可以進行虛擬儀器系統(tǒng)的設(shè)計工作。在過去，用戶只能見到儀器驅(qū)動程序的引出函數(shù)原型，儀器供應廠家將源程序“神秘”地隱藏起來。用戶一旦發(fā)現(xiàn)供應廠家提供的儀器驅(qū)動程序不能完全符合使用要求時，也無法對

49、其做出修改，儀器的功能由供應廠家而不是由用戶本身來規(guī)定的。而VPP規(guī)范明確規(guī)定儀器生產(chǎn)廠家在提供儀器模塊的同時，必須提供儀器驅(qū)動程序的源程序文件與動態(tài)鏈接庫(DLL)文件，并且由于儀器驅(qū)動程序的編寫是在VISA的基礎(chǔ)上，因此儀器驅(qū)動程序之間有很大的互參考性，儀器驅(qū)動程序的源程序也容易理解。這樣，用戶就可以修改儀器驅(qū)動程序，可以對儀器功能進行擴展，將儀器使用的主動權(quán)真正交給了用戶。323應用軟件應用軟件是建立在儀器驅(qū)動程序之上，直接面對操作用戶，通過提供直觀友好的測控操作界面、豐富的數(shù)據(jù)分析與處理功能，來完成自動測試任務。應用軟件還包括通用數(shù)字處理軟件。通用數(shù)字處理軟件包括用于數(shù)字信號處理的各種

50、功能函數(shù)，例如關(guān)于頻域分析的功率譜估計、FFT、FHT、逆FFT、逆FHT和細化分析等：時域分析的相關(guān)分析、卷積運算、反卷運算、均方根估計、差分積分運算和排序等；以及數(shù)字濾波等等。這些功能函數(shù)為用戶進一步擴展虛擬儀器的功能提供了基礎(chǔ)。第四章 論文總結(jié)數(shù)字信號處理技術(shù)和教學儀器技術(shù)的發(fā)展是本文理論知識的基礎(chǔ)，而虛擬儀器的基本思想和LabVIEw開發(fā)平臺則是程序開發(fā)設(shè)計過程中有力的工具。通過基礎(chǔ)性的理論知識，從而很好地運用開發(fā)工具，并解決了在開發(fā)過程中所遇到的問題，開發(fā)出有實用價值的虛擬儀器綜合實驗:通過功能強大的開發(fā)平臺，將理論知識轉(zhuǎn)化為有效的、實用的教學工具。通過對課題的研究與開發(fā)，可以得出以下結(jié)論:(1)本文中開發(fā)的虛擬實驗儀器對采集的數(shù)據(jù)進行實時的分析處理、并生動直觀地顯示出運行數(shù)據(jù)、同時可進行波形回放、存儲和打印數(shù)據(jù)結(jié)果。將這些虛擬儀器應用到實驗教學中去，以取代常規(guī)儀器，實際教學中可根據(jù)實驗要求，自行設(shè)計各種軟面板，定義儀器的功能并可以各種形式表達輸出檢測結(jié)果，進行實時仿真分析。(2)本文是在LabVIEW平臺上開發(fā)的教學用虛擬實驗儀器:虛擬示波器，主要建立了軟件開發(fā)的主要功能模塊，通過調(diào)用外部數(shù)據(jù)采集卡AC1810，達到了虛擬示