基于LabVIEW的虛擬儀器設計——線性微分方程曲線顯示器

1、課程設計說明書 第II頁基于LabVIEW的虛擬儀器設計線性微分方程曲線顯示器摘 要隨著計算機軟、硬件的發(fā)展，計算機與外設之間的數據通信越來越頻繁，也越來越便利，虛擬儀器應運而生。從本質上來說，虛擬儀器是儀器技術與計算機技術深層次結合的產物，它強調“軟件是儀器”的概念，使用戶能夠根據自己的需要定義儀器功能，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號處理硬件平臺。 本課題就是在這個通用信號處理硬件平臺，進行了基于LABVIEW的虛擬儀器設計線性微分方程曲線顯示器的設計，設計基于LabWIEW軟件的虛擬儀器設計線性微分方程曲線顯示

2、器，能夠顯示實驗室常用的正弦波、三角波、方波、鋸齒波信號及白噪聲和多頻波，任意公式波，并在以設計好的虛擬顯示器的基礎上對所產生的信號做線性微分分析及相應的頻譜分析。關鍵字：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 設計任務與要求11.3 基本工作原理12 虛擬儀器技術22.1 虛擬儀器的概述22.2 虛擬儀器的發(fā)展趨勢42.3 虛擬儀器系統(tǒng)的組成42.4 虛擬儀器的軟件開發(fā)平臺53 LabVIEW圖形化開發(fā)環(huán)境63.1 LabVIEW簡介63.2 LabVIEW的優(yōu)點73.3 LabVIEW中的編程方式83 建立模型93.1 系統(tǒng)程序框圖

3、設計93.2 系統(tǒng)程序運行結果11總 結12致 謝13參考文獻14課程設計說明書 第14頁1 緒論1.1 課題描述虛擬儀器是一種基于計算機的自動化測試儀器系統(tǒng)。虛擬儀器的突出優(yōu)點在于能夠與計算機技術結合，將計算機資源與儀器硬件，數字信號處理技術與不同功能的軟件模塊結合，組成不同的儀器功能。用戶可根據測試的需要，自己設計所需要的儀器系統(tǒng)，即利用數據采集卡及計算機外圍硬件進行信號的采集與檢測，然后用計算機所編的軟件來實現對信號的處理、計算和分析以及對測試結果進行顯示。形編程方式，把復雜繁瑣、費時的文本編程簡化成“畫流程圖”的方法，與通用的文本編程語言相比，可以節(jié)省大約70一80的程序開發(fā)時間。編程

4、工作是由開發(fā)平臺本身完成的，省去用戶大量的編程工作。圖形化軟件開發(fā)平臺只需用鼠標將屏幕上的各個功能圖標按一定的順序連接起來，就能方便迅速地完成程序的編寫。該類軟件開發(fā)平臺同時支持與多種總線接口系統(tǒng)的通信連接，提供數據采集、儀器控制、數據分析和數據顯示等與虛擬儀器系統(tǒng)相關的多種功能。是面向測試領域的優(yōu)秀軟件開發(fā)平臺，受到了從事虛擬儀器系統(tǒng)的軟件開發(fā)的廣大工程技術人員的歡迎。因此，這次開發(fā)，我們將采用LABVIEW開發(fā)平臺,來進行這次的虛擬顯示器的開發(fā)。1.2 設計任務與要求通過對本課題的設計，要求掌握For循環(huán)結構、條件結構、信號生成控件、索引、數組控件、XY波形圖、捆綁控件、矩陣、指數函數等的

5、使用。 本課題是設計一個求解4*4階線性微分方程組設計，要求該系統(tǒng)能通過界面控件有選擇性地改變數據數值，并觀察數據的變化對曲線的的影響。 要求正確無誤地完成全部軟件設計，能正常運行，并寫出合格的課程設計說明書，圓滿完成各項任務。 1.3 基本工作原理本設計采用的是數字處理式頻譜分析原理，方法為：經過采樣，使連續(xù)時間信號變?yōu)殡x散時間信號，然后利用LabVIEW的強大的數字信號處理的功能，對采樣得到的數據進行濾波、加窗、FFT 運算處理，就可得到信號的幅度譜、相位譜以及功率譜。FFT的輸出都是雙邊的，它同時顯示了正負頻率的信息。通過只使用一半FFT輸出采樣點轉換成單邊FFT。FFT的采樣點之間的頻

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量靜止或者動態(tài)信號的頻率信息。FFT提供了信號在整個采樣期間的平均頻率信息。因此，FFT主要用于固定信號的分析（即信號在采樣期間的頻率變化不大）或者只需要求取每個頻率分量的平均能量。在采樣過程中，為了滿足采樣定理，對不同的頻率信號，選用合適的采樣速率，從而防止頻率混疊。實際中，我們只能對有限長的信號進行分析與處理，而進行傅立葉變換的數據理論上應為無限長的離散數據序列，所以必須對無限長離散序列截斷，只取采樣時間內有限數據。這樣就導致頻譜泄漏的存在。所以利用用加窗的方法來減少頻譜泄漏。由于取樣信號中混疊有噪聲信號，為了消除干擾，在進行

7、FFT 變換之前，要先進行濾波處理。本設計采用了巴特沃斯（Butterworth）、切比雪夫（Chebyshev）、橢圓（Ellipse）、貝塞爾（Bessel）等濾波器。以下說明時域分析與頻域分析的功能1）信號的時域分析主要是測量測試信號經濾波處理后的特征值，這些特征值以一個數值的方式來表示信號的某些時域特征，是對測試信號最簡單直觀的時域描述。將測試信號采集到計算機后，在測試VI中進行信號特征值處理，并在測試VI前面板上直觀地表示出信號的特征值，可以給測試VI的使用者提供一個了解測試信號變化的快速途徑。信號的特征值分為幅值特征值、時間特征值和相位特征值。2）信號的頻域分析就是根據信號的頻域描

8、述來估計和分析信號的組成和特征量。測量時采集到的是時域波形，但是由于時域分析工具較少，往往把問題轉換到頻域來處理。頻域分析包括頻譜分析、功率譜分析、相干函數分析以及頻率響應函數分析。通過信號的頻域分析，可以確定信號中含有的頻率組成成分和頻率分布范圍；還可以確定信號中的各頻率成分的幅值和能量；同時還能分析各信號之間的相互關系1。2 虛擬儀器技術2.1 虛擬儀器的概述虛擬儀器的概念是由美國國家儀器公司最先提出的。所謂虛擬儀器是基于計算機的軟硬件測試平臺，它可代替?zhèn)鹘y(tǒng)的測量儀器，如示波器、邏輯分析儀、信號發(fā)生器、頻譜分析儀等，可集成于自動控制、工業(yè)控制系統(tǒng)之中，可自由構建成專有儀器系統(tǒng)。虛擬儀器是智

9、能儀器之后的新一代測量儀器。虛擬儀器的核心技術思想就是“軟件即是儀器”。該技術把儀器分為計算機、儀器硬件和應用軟件三部分。虛擬儀器以通用計算機和配備標準數字接口的測量儀器為基礎，將儀器硬件連接到各種計算機平臺上，直接利用計算機豐富的軟硬件資源，將計算機硬件和測量儀器等硬件資源與計算機軟件資源有機的結合起來。虛擬儀器是基于計算機的功能化硬件模塊和計算機軟件構成的電子測試儀器，而軟件是虛擬儀器的核心，如圖1所示，其中軟件的基礎部分是設備驅動軟件，而這些標準的儀器驅動軟件使得系統(tǒng)的開發(fā)與儀器的硬件變化無關。這是虛擬儀器最大的優(yōu)點之一，有了這一點，儀器的開發(fā)和換代時間將大大縮短。虛擬儀器中應用程序將可

10、選硬件和可重復用庫函數等軟件結合在一起，實現了儀器模塊間的通信、定時與觸發(fā)。由于VI的模塊化、開放性和靈活性，以及軟件是關鍵的特點，當用戶的測試要求變化時可以方便地由用戶自己來增減硬、軟件模塊，或重新配置現有系統(tǒng)以滿足新的測試要求。這樣，當用戶從一個項目轉向另一個項目時，就能簡單地構造出新的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的優(yōu)勢在于可由用戶定義自己的專用儀器系統(tǒng)，且功能靈活，很容易構建，所以應用面極為廣泛。虛擬儀器技術十分符合國際上流行的“硬件軟件化”的發(fā)展趨勢，因而常被稱作“軟件儀器”。它功能強大，可實現示波器、邏輯分析儀、頻譜儀、信號發(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特定系統(tǒng)的參數，如汽車發(fā)動機參數、汽油標號、爐窯溫度、血液脈搏波、心電參數等多種數據，它操作靈活，完全圖形化界面，風格簡約，符合傳統(tǒng)設備的使用習慣，用戶經簡單培訓即可迅速掌握操作規(guī)程2。2.2 虛擬儀器的發(fā)展趨勢現代儀器儀表技術是計算機技術和多種基礎學科緊密結合的產物。隨著微電子技術、計算機技術、軟件技術、網絡技術的飛速發(fā)展，新的測試理論、測試方法、測試領域以及新的儀器結構不斷出現，在許多方面已經沖破了傳統(tǒng)儀器的概念，電子測量儀器的功能和作用發(fā)生了質的變化。在此背景下，1986年美國國家儀器公司(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有一個統(tǒng)一的定義，但是一般認為：虛擬儀器是在PC基礎上通過增加相關硬件和軟件構建而成的、具有可視化界面的可重用測試儀器系統(tǒng)2。作為一種以計算機軟件為核心的新型儀器系統(tǒng)，虛擬儀器具有功能強、測試精度高、測試速度快、自動化程度高、人機界面優(yōu)異、靈活性強等優(yōu)點，通常被認為是第三代自動測試系統(tǒng)的同義語3。使用虛擬儀器系統(tǒng)可以避免儀器編程過程中的大量重復性勞動，從而大大縮短復雜程序的開發(fā)時間，并且客戶可以用不同的模塊來構造自己的虛擬儀器系統(tǒng)，選擇統(tǒng)一的測試策略。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)點讓用戶可放心地舍棄舊的傳統(tǒng)測量設備，接受更新型、以計算機為基礎的虛擬儀器系統(tǒng)。由于計算機的性能價格比不斷改進，使虛擬儀器的價格更為大眾化，用戶不必再受限于傳統(tǒng)儀器的使用限制和昂貴的價格，進一步降低了使用成本，減少了系統(tǒng)的開發(fā)費用和系統(tǒng)的維護費用4。此外，新型筆記本電腦又把虛擬儀器的便攜性和強大功能推向一個新的水平。所有這些必將加快虛擬儀器的發(fā)展，使它的功能和應用領域不斷增強和擴大。在測量、檢測、電信、監(jiān)控、教育等方面的應用已廣泛開展。2.3 虛擬儀器系統(tǒng)的組成虛擬儀器是基于計算機的儀器。計算機和儀器的密切結合是目前儀器發(fā)展的一個重要方向。這種結合基本有兩種方

14、式，一種是將計算機裝入儀器，其典型的例子就是智能化儀器。隨著計算機功能的日益強大以及其體積的日趨縮小，這類儀器功能也越來越強大，目前已經出現含嵌入式系統(tǒng)的儀器。另一種方式是將儀器裝入計算機，以通用的計算機硬件及操作系統(tǒng)為依托，實現各種儀器功能，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，主要由數據采集與控制、數據分析和處理、結果顯示三部分組成。電源電路圖如圖2所示：圖2 電源電路圖2.4 虛擬儀器的軟件開發(fā)平臺應用軟件開發(fā)平臺是設計虛擬儀器所必須的軟件工具。在確定的硬件基礎條件下，構造和使用虛擬儀器的關鍵就是應用不同的軟件實現不同的功能。虛擬儀器的應用軟件主要包括：集成的開發(fā)環(huán)境、

15、與儀器硬件的高級接口和虛擬儀器的用戶界面。應用軟件開發(fā)平臺的選擇，可因開發(fā)人員的喜好不同而不同，但最終都必須提供給用戶一個界面友好，功能強大的應用程序。目前較流行的虛擬儀器軟件開發(fā)平臺大致可以分為兩類：一類是圖形化的編程語言，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言，如C,Labwindows/CVI,VC等。文本式編程語言和圖形化編程語言相比，語言靈活性較好，用戶可以靈活的添加功能；而圖形化編程語言具有編程簡單、直觀、開發(fā)效率高的特點。近年來，基于PC機和工作站基礎上的圖形接口標準和計算機計算能力的提高，促進了圖形開發(fā)軟件包和圖形開發(fā)環(huán)境的迅速普及，圖

16、形開發(fā)方式為每一個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調用。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，重用部分應與硬件IC一樣，可以不經過任何修改而被直接“插接”到其它程序中去。典型的重用部分包括函數庫、過程程序包、宏、類、庫等，它們通過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發(fā)平臺研究方面，近年來國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虛擬儀器軟件開發(fā)平臺最具代表性。下面簡單的介紹一些常用的虛擬儀器軟件開發(fā)平臺各自的特點：(1)Microsoft Visual C+，Borland

17、 C+Builder,Borland Delphi易學、使用簡單，面向對象可視化編程軟件；它的圖形控件工具能生成復雜的多窗口用戶界面不必編寫復雜的代碼；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)的數據采集和產品開發(fā)的可視化編程語言；靈活，便于應用編程，以及和用戶程序接口；ActiveX控件系列，VB和VC+下，可以設計和配置Data Translation數據采集板；可以和其他ActiveX控件組合創(chuàng)建應用程序。(3)Hewlett-Packed

18、HP VEE不必編寫代碼就可以進行數據采集與分析；提供數據、處理控制、提供測量過程和測試報告。(4)National Instruments,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。3 Lab

19、VIEW圖形化開發(fā)環(huán)境3.1 LabVIEW簡介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)數據檢測、數據測量采集系統(tǒng)、工業(yè)自動控制系統(tǒng)合數據分析系統(tǒng)等領域的專用軟件開發(fā)平臺。LabVIEW的最大特色是采用編譯型圖形化編程語言G語(GraphProgramming)，它與C,Pascal,Basic等傳統(tǒng)語言有著相似之處，如：相似的數據類型、數據流控制結構、程序調試工具，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

20、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、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驗，因為LabVIEW使用的都是測試工程師們熟悉的術語和圖標，如各種按鈕、開關、波形圖等，界面非常直觀形象，因此，LabVIEW對于沒有豐富編程經驗的測試工程師們來說無疑是個極好的選擇。LabVIEW語言具有豐富的擴展函數庫，集成了大量的生成圖形界面的模板，如各種表頭、旋鈕、開關、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，它簡單易學而且執(zhí)行效率高。與傳統(tǒng)的編程方式相比，使用LabVIEW設計的虛擬

21、儀器，可以提高效率4-10倍。LabVIEW的圖形環(huán)境內置豐富的函數庫，提供了多種網絡的接口，支持先進的流動數據傳輸等先進技術，使系統(tǒng)的開發(fā)更加方便，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)技術便是一特色。這種技術是一種開放的技術，與人們已習慣采用的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。數據套接提供統(tǒng)一的API編程接口，從數據共享的角度，它是對WinSock的高級封裝，允許用戶與各種服務器進行交互并在應用之間交換信息，比如LabVIEW以及一些不同的數據源或目標，源和目標

22、包括其他的應用、文件、OPC (OLE For Process Control)服務器、Web服務器以及FTP服務器。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讀寫數據，實現測量數據的實時共享3。3.2 LabVIEW的優(yōu)點LabVIEW從被推出到現在，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：(1)使用“所見即所得”的可視化技術建立人機界面，提供了大量儀器面板中的

23、控制對象簡單的方案即使沒有多少編程經驗，仍可以很方便的使用LabVIEW。(2)先進的ActiveX技術融合了簡單的拖放編程方法，儀器控制和數據采集變得非常簡單，使用戶非常容易地開發(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和內插式數據采集卡等硬件的通訊，而且，LabVIEW使得它們的驅動程序具有模塊化，可以重復使用，最大限度地減少軟件開發(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)計過程控制到數字信號處理(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、非常實用的支持軟件，

24、如，Application Builder(用于產生可執(zhí)行文件)、SQLToolkit(用于將LabVIEW程序與本地或遠程數據庫相連)等，這些特性為LabVIEW環(huán)境下應用程序的開發(fā)提供了方便(5)LabVIEW提供了先進的網絡技術，如，TCP/IP函數庫、數據套接字技術，可以很容易地實現測控網絡的體系結構，并且提高了系統(tǒng)的開放性、穩(wěn)定性、可靠性。(6)使用LabVIEW開發(fā)環(huán)境，用戶可以創(chuàng)建32位的編譯速度，從而為常規(guī)的數據采集、測試等任務提供了更快的執(zhí)行速度。3.3 LabVIEW中的編程方式一個完整的LabVIEW開發(fā)環(huán)境包括基本模塊和擴展模塊兩部分，引擎部分是整個圖形化開發(fā)環(huán)境的核心

25、，它包括編輯模塊、運行模塊和調試模塊。LabVIEW環(huán)境下開發(fā)的程序稱為虛擬儀器VI，因為它的外形與操作方式可以模擬實際的儀器。實際上，VI類似于傳統(tǒng)編程語言的函數或子程序。程序VI由一個前面板(即用戶界面)、程序流程圖(圖標代碼)和一個接口板組成。接口面板用于上層的VI調用該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、開關等用戶輸入控制對象，可以為程序輸入數據。指示元件類似儀器的輸出裝置可以顯示輸出值以及實現圖表和文字顯示。軟件前面板其實是自動化的拓展，它保持了傳統(tǒng)直觀的視覺和感覺效果，同時軟件前面板創(chuàng)建了一個真正的接口，無論用戶使用什么類型

26、的硬件，軟件前面板只包含了對于一個應用場合很重要的參數，用戶很容易地從一個單一的前面板控制多臺儀器，并把整個系統(tǒng)作為一臺虛擬儀器看待。流程圖使用圖標連線方式的圖形，VI用圖標代碼和連線來完成算術和邏輯運算。圖標代碼是對具體編程問題的圖形化解決方案。圖標代碼即VI的源代碼。工作指令由G語言編制的圖標式流程圖獲得，模塊的程序由連線把數據的輸入輸出端連接起來。由于流程圖與傳統(tǒng)程序設計語言的語法細節(jié)無關，構建和測試程序就可以少費時間，使用方框圖方法可以實現內部的自我復制。VI具有層次結構和模塊化的特點。它們可以作為頂層程序，也可以作為其它程序的子程序。VI代碼內含的VI叫子程序subVI。VI程序使用

27、接口板來替代文本編程語言的函數參數表，每個輸入和輸出的參數都有自己的連接端口，其他的VIs可以由此向subVI傳遞數據。LabVIEW有一個圖形編輯器來產生最優(yōu)化編輯代碼，虛擬儀器執(zhí)行他們相當編譯C的速度。利用應用程序生成器，用戶能夠產生虛擬儀器，就像獨立的可執(zhí)行程序一樣。3 建立模型 本設計中用LabVIEW中的信號發(fā)生控件來代替信號采集部分產生信號。整個系統(tǒng)的設計均由軟件來仿真實現。本設計的虛擬頻譜分析儀由兩個軟件模塊組成：信號發(fā)生器模塊和頻譜分析模塊。處理過程如下：首先將信號發(fā)生模塊產生的測試信號送數字濾波器處理，濾除干擾噪聲，然后分別進行時域分析、頻域分析和諧波分析。在對信號進行各種分

28、析之前，要進行加窗處理，得到有限長的序列信號。以下具體介紹各個模塊。1）信號發(fā)生器模塊主要是用來產生所需的各種測試信號。它可以完成以下功能：可產生任意標準周期信號，包括正弦波、方波、三角波、鋸齒波。其中產生的周期信號的輸入參數如頻率、幅值、相位、占空比、噪聲幅值、偏移量等均可一調節(jié)。2）頻譜分析模塊主要是對信號發(fā)生器模塊產生的測試信號進行分析以及處理。它可以完成以下的功能：測試信號經濾波、加窗處理后，進行時域分析、頻域分析以及諧波分析?？梢赃M行各種參數設置，包括采樣設置、濾波器類型選擇及其參數設置、窗函數類型選擇等4。3.1 系統(tǒng)程序框圖設計程序框圖的設計如圖3、4、5、6所示：圖3圖4圖5圖63.2 系統(tǒng)程序運行結果設置好各項參數值，運行得到的曲線如圖7所示：圖7 程序運行結果總 結基于LabVIEW編程環(huán)境下的虛擬頻譜分析儀主要實現了時域分析和頻域分析兩個功能。信號的時域分析主要是測量測試信號經濾波處理后的特征值，這些特征值以一個數值表示信號的某些時域特征，是對測試信號最簡單直觀的時域描述。將測試信號采集到計算機后，在測試VI中進行信號特征值處理，并在測試VI前面板上直觀地表示出信號的特征值，可以給測試VI的