虛擬儀器設(shè)計(jì)基于LabVIEW的虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究

1、- 1 -基于 LabVIEW 的虛擬電子信息類實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究專業(yè)（年級(jí)、班）專業(yè)（年級(jí)、班） 設(shè)設(shè) 計(jì)計(jì) 人人 指指 導(dǎo)導(dǎo) 教教 師師 輔輔 導(dǎo)導(dǎo) 教教 師師 2009 年年 01 月月 01 日（設(shè)計(jì)結(jié)束日）日（設(shè)計(jì)結(jié)束日）- 2 -摘要摘要 傳統(tǒng)儀器下的高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)，己嚴(yán)重滯后于信息時(shí)代和工程實(shí)際的需要。滯后的實(shí)驗(yàn)設(shè)備無法滿足現(xiàn)代測(cè)試技術(shù)所需要的速度快、實(shí)時(shí)性好、具有良好人機(jī)界面的要求:難以實(shí)現(xiàn)功能擴(kuò)展和資源共享。 虛擬儀器是在計(jì)算機(jī)為核心的硬件平臺(tái)上，通過軟件將計(jì)算機(jī)硬件資源與儀器硬件有地融為一體，利用計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的軟件功能實(shí)現(xiàn)信號(hào)數(shù)據(jù)的運(yùn)算、分析、處理，形成既有傳統(tǒng)儀器的基本

2、功能，又有特殊功能的新型儀器。運(yùn)用虛擬儀器代替?zhèn)鹘y(tǒng)儀器，不但能滿足電子信息類實(shí)驗(yàn)教學(xué)的需要，大大提高設(shè)備利用率實(shí)現(xiàn)資源共享，降低實(shí)驗(yàn)室建設(shè)成本，用戶還可以根據(jù)自己需要定義儀器的新功能。 虛擬儀器設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)的核心是軟件的開發(fā)。本文采用模塊化的設(shè)計(jì)思想，描述了基于 LabVIEW 開發(fā)平臺(tái)設(shè)計(jì)虛擬示波器的過程，給出了虛擬信號(hào)頻譜分析儀、虛擬濾波器、虛擬信號(hào)發(fā)生器、慮擬積分器和微分器等實(shí)驗(yàn)教學(xué)用虛擬儀器的一前面板圖和程序流程圖。這些虛擬儀器組成的系統(tǒng)，可用一于電路基礎(chǔ)、電子技術(shù)基礎(chǔ)、信號(hào)與系統(tǒng)、自動(dòng)控制理論等電子信息類課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)。本文比較分析了當(dāng)前流行的虛擬儀器體系結(jié)構(gòu)和開發(fā)環(huán)境。敘述了虛擬儀器

3、設(shè)計(jì)過程的方法和體會(huì)，對(duì)虛擬儀器的開發(fā)有一定的參考價(jià)值。關(guān)鍵詞:LabVIEW，虛擬儀器，開發(fā)平臺(tái)，實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)- 3 -目錄基于 LabVIEW 的虛擬電子信息類實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究.- 1 -目錄.- 2 -1 序言.- 3 -1.1 實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)備存在的問題.- 3 -1.2 虛擬儀器的基本概念、構(gòu)成及其特點(diǎn).- 3 -1.3 虛擬儀器在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的運(yùn)用.- 5 -1.3.1 虛擬儀器技術(shù)在儀器設(shè)備使用實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的運(yùn)用.- 5 -1.3.2 虛擬儀器技術(shù)與 Interent 技術(shù)結(jié)合在遠(yuǎn)程教育中的運(yùn)用.- 5 -2 虛擬儀器及 LabVIEW.- 6 -2.1 虛擬儀器概述.- 6 -

4、2.1.1 虛擬儀器的硬件體系.- 6 -2.1.2 虛擬儀器的軟件體系構(gòu)成.- 8 -2.1.3 虛擬儀器系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì).- 8 -2. 2 虛擬儀器開發(fā)平臺(tái) LabVIEW.- 9 -2.2.1 LabVIEW 概述.- 9 -2.2.2 LabVIEW 的特點(diǎn).- 9 -2.2.3 LabVIEW 的模板.- 10 -3 虛擬示波器的設(shè)計(jì).- 12 -3.1 虛擬示波器的實(shí)現(xiàn)方案.- 12 -3.2 虛擬示波器的硬件體系.- 12 -3.2.1 硬件組成.- 12 -3.2.2 數(shù)據(jù)采集卡.- 12 -4 虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn).- 14 -4.1 虛擬函數(shù)發(fā)生器.- 14 -4.

5、1.1 虛擬函數(shù)發(fā)生器的功能.- 14 -4.1.2 前面板和流程圖.- 14 -4.2 虛擬微分器和積分器.- 15 -4.2.1 儀器功能.- 15 -4.2.2 前面板和流程圖.- 15 -4.3 虛擬數(shù)字濾波器.- 16 -4.3.1 虛擬數(shù)字濾波器的功能.- 16 -4.3.2 前面板和框圖程序.- 17 -4.4 虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn).- 17 -5 結(jié)論.- 19 -參考文獻(xiàn).- 20 - 4 -1 序言 電子信息類的專業(yè)課程有兩大特點(diǎn)，一是比較抽象，如信號(hào)與系統(tǒng)、數(shù)字信號(hào)處理、高頻電子電路、通信原理、模擬和數(shù)字電子技術(shù)等課程，需要通過實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)來幫助學(xué)生理解：有的則必須通過學(xué)生

6、的實(shí)踐才能掌握，如 EDA, FPGA, DSP 技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、軟件編程等課程，實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)在電子信息實(shí)驗(yàn)教學(xué)中占有非常重要的地位，是提高學(xué)生動(dòng)手能力、培養(yǎng)創(chuàng)造能力和綜合素質(zhì)的一個(gè)有效的手段。很多學(xué)科都是以實(shí)驗(yàn)課程為基礎(chǔ)的，缺少了實(shí)驗(yàn)的支持，學(xué)科的教學(xué)和科研活動(dòng)就無法進(jìn)行。學(xué)生只有通過足夠的驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)和一定數(shù)量的綜合設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)才能加深理解和掌握所學(xué)的理論知識(shí)和應(yīng)用技術(shù)，也只有通過實(shí)驗(yàn)，才一能將理論與實(shí)踐很好地結(jié)合起來。二是電了信息技術(shù)作為新的支柱產(chǎn)業(yè)，發(fā)展非常迅速，技術(shù)更新快，導(dǎo)致高校的課程特別是實(shí)驗(yàn)課程往往落后于技術(shù)的進(jìn)步，無法滿足實(shí)驗(yàn)教學(xué)的需要。且國(guó)內(nèi)高校傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中暴露出的無

7、實(shí)驗(yàn)?zāi)M功能、輔助實(shí)驗(yàn)教學(xué)功能等種種弊端。與時(shí)俱進(jìn)地開發(fā)出虛擬儀器實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)，達(dá)到培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力和創(chuàng)新意識(shí)的目標(biāo)。1.1 實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)備存在的問題 目前國(guó)內(nèi)高校電子信息類實(shí)驗(yàn)大多采用各門課程的實(shí)驗(yàn)箱和傳統(tǒng)儀器搭建起來的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，傳統(tǒng)儀器和實(shí)驗(yàn)箱是功能固定且單一，通常只能作一些演示性和驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，無法實(shí)現(xiàn)功能擴(kuò)展和資源共享。電子信息類教學(xué)實(shí)驗(yàn)常用儀器儀表為:函數(shù)發(fā)生器、示波器、萬用表及各種專用實(shí)驗(yàn)設(shè)備等。上述實(shí)驗(yàn)設(shè)備在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中暴露出的主要弊端有： 1、功能弱。如無實(shí)驗(yàn)?zāi)M功能、輔助實(shí)驗(yàn)教學(xué)功能，以及普通示波器無暫態(tài)信號(hào)、過渡過程的存儲(chǔ)、重現(xiàn)功能。 2、適用面窄。上述實(shí)驗(yàn)設(shè)備難以

8、用于諸如單片機(jī)原理與接口技術(shù)、傳感器、自控系統(tǒng)等課程的實(shí)驗(yàn)、實(shí)習(xí)教學(xué)。 3、維護(hù)、使用、管理復(fù)雜。同一實(shí)驗(yàn)室往往集有多種類、多規(guī)格、多型號(hào)的傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)設(shè)備，易損件備用量大，操作使用方法各異，難以采用統(tǒng)一的管理標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)程。 4、無實(shí)驗(yàn)?zāi)M功能，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)過程費(fèi)時(shí)多、元器件損耗大。1.2 虛擬儀器的基本概念、構(gòu)成及其特點(diǎn) 傳統(tǒng)的測(cè)量?jī)x器主要由三個(gè)功能模塊組成:數(shù)據(jù)的采集與控制模塊、數(shù)據(jù)的分析與處理模塊、結(jié)果的表達(dá)與輸出模塊。由于這些功能模塊基本上是由硬件或固化的軟件形式存在，儀器只能由生產(chǎn)廠家來定義、制造，因此傳統(tǒng)儀器設(shè)計(jì)復(fù)雜、靈活性差，在一些較為復(fù)雜和測(cè)試參數(shù)較多的場(chǎng)合下，使用起來很不方便。 虛擬儀

9、器（Virtual Istrument 簡(jiǎn)稱 VI） 是在以計(jì)算機(jī)為核心的硬件平- 5 -臺(tái)上，通過軟件將計(jì)算機(jī)硬件資源與儀器硬件有機(jī)地融為一體，利用計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的軟件功能實(shí)現(xiàn)信號(hào)數(shù)據(jù)的運(yùn)算、分析、處理，從而完成各種測(cè)試功能的儀器系統(tǒng)。計(jì)算機(jī)在虛擬儀器中處于核心地位，計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)和測(cè)試系統(tǒng)更緊密地結(jié)合成了一個(gè)有機(jī)整體，儀器的結(jié)構(gòu)概念和設(shè)計(jì)觀點(diǎn)等都發(fā)生了突破性的變化。從構(gòu)成上來說，虛擬儀器就是利用計(jì)算機(jī)，配上相應(yīng)的硬件和專用軟件，形成既有普通儀器的基本功能，又有一般儀器所沒有的特殊功能的新型儀器。它將計(jì)算機(jī)采集測(cè)試分析引入到電子測(cè)量領(lǐng)域，用數(shù)字化和軟件技術(shù)極大地提高了測(cè)試的靈活性和可擴(kuò)充性。虛擬

10、儀器系統(tǒng)的構(gòu)成框圖如圖 1.1 所示。數(shù)據(jù)采集計(jì)算機(jī)功能軟件顯示系統(tǒng)統(tǒng) 圖 1.1 虛擬儀器系統(tǒng)構(gòu)成 虛擬儀器的基本構(gòu)成包括計(jì)算機(jī)、虛擬儀器軟件、硬件接口模塊等。硬件僅僅是為了解決信號(hào)的輸入輸出，軟件才是整個(gè)系統(tǒng)的關(guān)鍵。正由于軟件是虛擬儀器的關(guān)鍵，所以當(dāng)基本硬件確定以后，就可以通過不同的軟（如用于數(shù)據(jù)分析、過程通訊及圖形用戶界而的軟件)實(shí)現(xiàn)不同的功能。虛擬儀器應(yīng)用軟件集成了儀器的所有采集、控制、數(shù)據(jù)分析、結(jié)果輸出和用戶界面等功能，使傳統(tǒng)儀器的某些硬件乃至整個(gè)儀器都被計(jì)算機(jī)軟件所代替。用戶可以根據(jù)自己的需要，設(shè)計(jì)自己的儀器系統(tǒng)，滿足多種多樣的應(yīng)用要求。利用計(jì)算機(jī)豐富的軟、硬件資源，可以大大突破傳

11、統(tǒng)儀器在數(shù)據(jù)的處理、表達(dá)、傳遞、儲(chǔ)存等方面的限制，達(dá)到傳統(tǒng)儀器無法比擬的效果。虛擬儀器可廣泛應(yīng)用于電子測(cè)量、電力工程、物礦勘探、醫(yī)療、振動(dòng)分析、聲學(xué)分析、故障診斷及教學(xué)科研等諸多領(lǐng)域。 虛擬儀器利用計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的圖形環(huán)境功能，建立界面友好的虛擬儀器面板（即軟面板） ，用戶通過鼠標(biāo)和鍵盤操作虛擬儀器就象操作傳統(tǒng)的電子測(cè)量?jī)x器一樣。完成對(duì)被測(cè)試量的采集、分析、判斷、顯示、存儲(chǔ)及數(shù)據(jù)生成。與傳統(tǒng)儀器相比，虛擬儀器的優(yōu)勢(shì)在于用戶自定義儀器功能、結(jié)構(gòu)等，且構(gòu)建容易，轉(zhuǎn)換靈活以及其開放性。決定虛擬儀器具有傳統(tǒng)儀器不可能具備的特點(diǎn)的根本原因在于：虛擬儀器的關(guān)鍵是軟件。其主要優(yōu)點(diǎn)歸納如下： 1、打破了傳統(tǒng)儀器的

12、功能概念，由計(jì)算機(jī)完成信號(hào)的分析、顯示、存儲(chǔ)、打印等功能。由于充分利用計(jì)算機(jī)技術(shù)，完善了數(shù)據(jù)的傳輸、交換等性能，提高了系統(tǒng)使用的靈活性，可以滿足綜合性的要求。 2、強(qiáng)調(diào)“軟件就是儀器” ，的新概念，軟件在儀器中代替由硬件甚至整機(jī)實(shí)現(xiàn)的角色。由于減少了許多隨時(shí)間可能漂移、需要定期校準(zhǔn)的分立式模擬硬件，加上標(biāo)準(zhǔn)化總線的使用，使系統(tǒng)的測(cè)量精度、測(cè)量速度和可重復(fù)性都大大提高。 3、虛擬儀器的開放性和功能軟件的模塊化，使資源的可重復(fù)利用率提高，系統(tǒng)組建時(shí)間縮短，功能易于擴(kuò)展，管理規(guī)范，使用簡(jiǎn)便，軟/硬件生產(chǎn)、維護(hù)和開發(fā)的費(fèi)用降低。虛擬儀器既可以作為單臺(tái)測(cè)試儀器使用，又可以構(gòu)成較為- 6 -復(fù)雜的測(cè)試系統(tǒng)

13、，甚至通過高速計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成分布式測(cè)試系統(tǒng)，進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控及故障診斷。 虛擬儀器與傳統(tǒng)儀器的指標(biāo)比較如表 1.1 所示。表 1.1 虛擬儀器與傳統(tǒng)儀器比較指標(biāo)虛擬儀器傳統(tǒng)儀器基本功能功能土要由軟件決定，川戶可白己定義功能由硬件決定，不易改變 數(shù)據(jù)分析處理功能存儲(chǔ)、分析、處理能力強(qiáng)弱(或無)功能的擴(kuò)展性易于擴(kuò)展，容易升級(jí)不易擴(kuò)展，很難升級(jí)易用性 數(shù)據(jù)顯示多樣化，交互好，能進(jìn)行白適顯示方式少，交互差(或無)，難以進(jìn)行自適應(yīng)測(cè)量和控制測(cè)試精度取決于不同的硬件模塊 取決于儀器本身價(jià)格 單臺(tái)價(jià)格高，適合紹建系統(tǒng) 單臺(tái)價(jià)格低，組建系統(tǒng)成本高 隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)展，各種有關(guān)軟件不斷誕生，虛擬儀器將會(huì)逐步取代傳統(tǒng)的

14、測(cè)試儀器而成為測(cè)試儀器的主流。此外，用基于軟件體系結(jié)構(gòu)的虛擬儀器系統(tǒng)代替基于硬件體系結(jié)構(gòu)的傳統(tǒng)儀器，還可以大大節(jié)省儀器購(gòu)買、維護(hù)費(fèi)用。1.3 虛擬儀器在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的運(yùn)用1.3.1 虛擬儀器技術(shù)在儀器設(shè)備使用實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的運(yùn)用 實(shí)驗(yàn)教學(xué)是許多專業(yè)必須進(jìn)行的一項(xiàng)教學(xué)活動(dòng)。掌握測(cè)量?jī)x器和設(shè)備的正確操作方法是每個(gè)學(xué)生進(jìn)行科學(xué)實(shí)驗(yàn)的基木前提。傳統(tǒng)的教學(xué)方法是讓學(xué)生在教師的指導(dǎo)下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的操作，隨之而來的問題是教師的工作量很大而很難對(duì)所有學(xué)生進(jìn)行指導(dǎo)，既影響教學(xué)效果又容易造成儀器損壞。在一定程度上限制了教師和學(xué)生使用的積極性。如果用虛擬儀器組成虛擬實(shí)驗(yàn)室，讓學(xué)生先在虛擬實(shí)驗(yàn)室通過對(duì)“虛擬儀器”的模擬操作使用

15、，全面了解和掌握各種虛擬儀器的使用方法和操作要點(diǎn)，為實(shí)際使用虛擬儀器設(shè)備和傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備打下較好的基礎(chǔ)，既可降低教師的勞動(dòng)強(qiáng)度，減少儀器設(shè)備的損壞，又可以提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量與效果。1.3.2 虛擬儀器技術(shù)與 Interent 技術(shù)結(jié)合在遠(yuǎn)程教育中的運(yùn)用 虛擬儀器技術(shù)與 Internet 技術(shù)結(jié)合可在遠(yuǎn)程教育中發(fā)揮作用。利用Internet 資源和技術(shù)，如 ASP （Active Server Pages，動(dòng)態(tài)服務(wù)器主頁） 、Socket（套接字）等，將 Internet 與虛擬儀器結(jié)合起來組成一個(gè)基于 Web 的虛擬實(shí)驗(yàn)室，從而在網(wǎng)絡(luò)中建立一個(gè)虛擬的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，這樣能夠使遠(yuǎn)程教育的實(shí)驗(yàn)教學(xué)遠(yuǎn)程

16、化，遠(yuǎn)程教育的學(xué)習(xí)者不必?fù)?dān)心缺乏實(shí)驗(yàn)條件，也不必為做實(shí)驗(yàn)到處奔波，通過網(wǎng)絡(luò)中的基于虛擬儀器的虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和進(jìn)行操作，甚至和異地的學(xué)習(xí)者合作進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。這對(duì)現(xiàn)代遠(yuǎn)程教育具有十分重要的意義。- 7 - 目前應(yīng)用虛擬儀器來進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)已實(shí)際啟動(dòng)，一些發(fā)達(dá)國(guó)家的高等學(xué)校已將虛擬儀器作為常規(guī)的實(shí)驗(yàn)儀器在學(xué)生實(shí)驗(yàn)中應(yīng)用，在我國(guó)也己有部分院校的實(shí)驗(yàn)室引入了虛擬儀器系統(tǒng)，如復(fù)旦大學(xué)，南京理工大學(xué)，南京工程學(xué)院，江南大學(xué)，蘇州工業(yè)園職業(yè)技術(shù)學(xué)院等。近一、兩年來這些學(xué)校在原有的基礎(chǔ)上，又開發(fā)了一批新的虛擬儀器系統(tǒng)用于教學(xué)和科研。- 8 -2 虛擬儀器及 LabVIEW 計(jì)算機(jī)和儀器的密切結(jié)合是目前儀器發(fā)

17、展的一個(gè)重要方向。粗略地說這種結(jié)合有兩種方式，一種是將計(jì)算機(jī)裝入儀器，其典型的例子就是所謂智能化的儀器。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越強(qiáng)大，目前己經(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。下面的框圖反映了常見的虛擬儀器方案如圖 2.1 所示被測(cè)系統(tǒng)信號(hào)調(diào)整數(shù)據(jù)采集卡數(shù)據(jù)處理虛擬儀器面板圖 2.1 常見的虛擬儀器方案2.1 虛擬儀器概述 20 世紀(jì) 80 年代美國(guó)國(guó)家儀器公司（National Instruments Company，簡(jiǎn)稱NI）首先提出了虛擬儀器的概念

18、。1986 年，NI 公司推出了圖形化的虛擬儀器編程環(huán)境 LabVIEW，標(biāo)志著虛擬儀器設(shè)計(jì)軟件平臺(tái)基本成型，虛擬儀器從概念構(gòu)思變?yōu)楣こ處熆蓪?shí)現(xiàn)的具體對(duì)象。 虛擬儀器的基本構(gòu)成包括計(jì)算機(jī)、虛擬儀器軟件、硬件接口模塊等。其中，硬件接口模塊可以包括插入式數(shù)據(jù)采集卡（DAQ 卡） 、串/并口、IEEE488 接口(GPIB )卡、VXI 控制器以及其它接口卡。目前較為常用的虛擬儀器系統(tǒng)是 GPIB儀器控制系統(tǒng)、VXI 儀器系統(tǒng)、PXI 儀器系統(tǒng)、串行口儀器系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集卡系統(tǒng)、以及這五者之間的任意組合。2.1.1 虛擬儀器的硬件體系 虛擬儀器的硬件平臺(tái)由計(jì)算機(jī)及其 I/O 接口設(shè)備兩部分組成。I/O

19、 接口設(shè)備主要執(zhí)行信號(hào)的輸入、數(shù)據(jù)采集、放大、模/數(shù)轉(zhuǎn)換任務(wù)。根據(jù) I/O 接口設(shè)備總線類型的不同，虛擬儀器的主流構(gòu)成方案主要有 GPIB 虛擬儀器測(cè)試系統(tǒng)、VXI總線虛擬儀器測(cè)試系統(tǒng)、PXI 總線虛擬儀器測(cè)試系統(tǒng)、串行口或其它工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)總線的系統(tǒng)和 PC-DAQ/PCI 插卡式虛擬儀器系統(tǒng)等五種，如圖 2. 1 所示。下面對(duì)五種類型的虛擬儀器總線進(jìn)行簡(jiǎn)要的分析比較，并確定適合于本虛擬儀器實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)的硬件平臺(tái)。- 9 -計(jì)算機(jī)VXI 儀器GPIB 儀器串行口儀器PXI 儀器DAQ 卡測(cè)試環(huán)境圖 2.1 虛擬儀器的硬件體系結(jié)構(gòu) 1、基于通用接口總線 GPIB 接口的虛擬儀器系統(tǒng) GPIB(Gen

20、eral Purpose Interface Bus)總線，即 IEEE488 通用接口總線，是 HP 公司在 70 年代推出的臺(tái)式儀器接口總線。該標(biāo)灘總線在儀器、儀表及測(cè)控技術(shù)領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。典型的 GPIB 系統(tǒng)由一臺(tái) PC 機(jī)、一塊 GPIB 接口卡和若干臺(tái) GPIB 形式的儀器通過 GPIB 電纜連接而成。GPIB 技術(shù)用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)儀器的操作和控制，來替代傳統(tǒng)的人工操作方式，從而促使電子測(cè)量向大規(guī)模自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)方向迅速發(fā)展。GPIB 測(cè)試系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和命令簡(jiǎn)單，造價(jià)較低，但是它與計(jì)算機(jī)相連需要專用接口以及 GPIB 儀器，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，傳遞速率較低，逐漸被其他形式的儀器所代替。由于 G

21、PIB 擁有強(qiáng)大功能與廣泛的使用者基礎(chǔ)，因此 GPIB 在未來的許多年仍會(huì)繼續(xù)存在。 2、利用 VXI 總線實(shí)現(xiàn)的虛擬儀器系統(tǒng) VXI（VMEbus eXtension for Instrumentation）是一種高速計(jì)算機(jī)總線VME（Versa Module Eurocard）總線在儀器領(lǐng)域的擴(kuò)展。它是繼 IEEE488 總線之后，為適應(yīng)測(cè)量?jī)x器從分立的臺(tái)式和機(jī)架式結(jié)構(gòu)發(fā)展為更為緊湊的模塊式結(jié)構(gòu)的需要而推出的一種新的總線標(biāo)準(zhǔn)。它是一種完全開放的模塊式儀器行業(yè)規(guī)范。VXI 總線集中了智能儀器、個(gè)人儀器和自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的很多優(yōu)點(diǎn)，其性能全面優(yōu)于 IEEE488 總線系統(tǒng)，而且使自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)的測(cè)

22、試速度大大提高，滿足目前自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)向標(biāo)準(zhǔn)化、自動(dòng)化、智能化、模塊化及便攜式方向發(fā)展的要求。經(jīng)過十多年的發(fā)展，VXI 系統(tǒng)的組建和使用越來越方便，尤其是組建大、中規(guī)模自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)以及對(duì)速度、精度要求高的場(chǎng)合。有其他儀器無法比擬的優(yōu)勢(shì)。然而，組建 VXI 總線要求有機(jī)箱、零槽管理器及嵌入式控制器，造價(jià)比較高。 3、基于 PXI 總線的虛擬儀器系統(tǒng) PXI （PCI eXtension for Instrumentation）總線是 PCI 總線在儀器領(lǐng)域的擴(kuò)展，PXI 總線是以 PC 計(jì)算機(jī)局部總線（IEEE1014-1987 標(biāo)準(zhǔn)）為基礎(chǔ)的模塊儀器結(jié)構(gòu)，目標(biāo)是在 PCI 總線基礎(chǔ)上提供一種技術(shù)

23、優(yōu)良的模塊儀器標(biāo)準(zhǔn)。pXI總線是 PCI 總線的擴(kuò)展與增強(qiáng)，具有高度的可擴(kuò)展性。PXI 儀器的核心是高速的 PCI 計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)和 Microsoft Windows 軟件，即當(dāng)今主流 PC 計(jì)算機(jī)實(shí)際上的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。PXI 將 PC 計(jì)算機(jī)的性能價(jià)格比優(yōu)勢(shì)與 PCI 總線面向儀器領(lǐng)域的必要擴(kuò)展完美地結(jié)合起來，形成了一種主流的虛擬儀器測(cè)試平臺(tái)。但成本比較高，硬件設(shè)計(jì)復(fù)雜。目前 PXI 的系統(tǒng)已廣泛且成功地應(yīng)用于汽車測(cè)試、半導(dǎo)體測(cè)試、功能性測(cè)試、航空設(shè)備測(cè)試以及軍事等方面。- 10 -2.1.2 虛擬儀器的軟件體系構(gòu)成 構(gòu)成一個(gè)虛擬儀器系統(tǒng)，基本硬件確定以后，就可通過不同的軟件實(shí)現(xiàn)不同的功能。軟

24、件是虛擬儀器系統(tǒng)的關(guān)鍵。沒有一個(gè)優(yōu)秀的控制分析軟件，很難構(gòu)成一臺(tái)理想的虛擬儀器系統(tǒng)。根據(jù) VPP (VXI Plug & Pl ay)系統(tǒng)規(guī)范的定義，虛擬儀器系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)應(yīng)包含三部分： 1、I/O 接口軟件 I/O 接口軟件存在于儀器（即 I/O 接口設(shè)備）與儀器驅(qū)動(dòng)程序之間，是一個(gè)完成對(duì)儀器寄存器單元進(jìn)行直接存取數(shù)據(jù)操作，并為儀器與儀器驅(qū)動(dòng)程序提供信息傳遞的底層軟件，是實(shí)現(xiàn)開放的、統(tǒng)一的虛擬儀器系統(tǒng)的基礎(chǔ)與核心。在 UPP 系統(tǒng)規(guī)范中，詳細(xì)規(guī)范了虛擬儀器的 I/O 接口軟件的特點(diǎn)、組成、內(nèi)部結(jié)構(gòu)與實(shí)現(xiàn)規(guī)范，并將符合 VPP 規(guī)范的虛擬儀器 I/O 接口軟件定義為 VISA 軟件。

25、2、儀器驅(qū)動(dòng)程序每個(gè)儀器模塊均有自己的儀器驅(qū)動(dòng)程序。儀器驅(qū)動(dòng)程序的實(shí)質(zhì)是為用戶提供了用于儀器操作的操作函數(shù)集。應(yīng)用程序?qū)x器的操作是通過儀器驅(qū)動(dòng)程序來實(shí)現(xiàn)的。儀器驅(qū)動(dòng)程序?qū)τ趦x器的操作與管理，又是通過 I/O 軟件所提供統(tǒng)一的函數(shù)庫的調(diào)用來實(shí)現(xiàn)的。對(duì)于應(yīng)用程序設(shè)計(jì)人員來說，有了儀器驅(qū)動(dòng)程序，在不是很了解儀器內(nèi)部操作過程的情況下，也可以進(jìn)行虛擬儀器系統(tǒng)的設(shè)計(jì)工作。虛擬儀器驅(qū)動(dòng)程序是連接上層應(yīng)用程序與底層 I/O 接口軟件的紐帶和橋梁。2.1.3 虛擬儀器系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì) 在科學(xué)研究與工程實(shí)驗(yàn)室里，有各種各樣的儀器與設(shè)備。如何提高它們的綜合使用效率？如何對(duì)它們進(jìn)行更有效的管理？是用戶值得考慮的問題。

26、目前，最有效的方法是采用虛擬儀器技術(shù)。即充分利用計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的管理與處理能力，將實(shí)驗(yàn)室相關(guān)設(shè)備搭配起來，構(gòu)成一種全新的實(shí)驗(yàn)環(huán)境。實(shí)驗(yàn)室中的儀器與設(shè)備一般都是具有特定功能的單臺(tái)設(shè)備，如果它們具有某種總線接口，就有可能進(jìn)行虛擬儀器系統(tǒng)的整體構(gòu)造。步驟如下：1、確定所用儀器或設(shè)備的接口形式 如果儀器設(shè)備具有 RS-232 串行總線接口，則不用進(jìn)行處理，直接用連線將儀器設(shè)備與計(jì)算機(jī)的 RS-232 串行接口連接即可，由于計(jì)算機(jī)的 RS-232 串行接口有限，若儀器設(shè)備比較多，必要時(shí)必須擴(kuò)展計(jì)算機(jī)的 RS-232 接口；如果是GPIB 接口，則需要額外配備一塊 GPIB488 接口板，將接口板插入計(jì)算機(jī)的

27、ISA 插槽，建立起計(jì)算機(jī)與儀器設(shè)備之間的通一訊渠道；如果使用計(jì)算機(jī)來控制 VXI 總線設(shè)備，也需要配備一塊 GPIB 接口卡，通過 GPIB 總線與 VXI 主機(jī)箱零槽模塊通信，零槽模塊的 GPIB-VXI 翻譯器將 GPIB 的命令翻譯成 VXI 命令并把各模塊返回的數(shù)據(jù)以一定的格式傳回主控計(jì)算機(jī)。2、確定所選擇的接口卡是否具有設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序 接口卡的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序是控制各種硬件接口的驅(qū)動(dòng)程序，是連接主控計(jì)算機(jī)與儀器設(shè)備的紐帶；如果有設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，它適合于何種操作系統(tǒng)？如果沒有，或者所帶的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序不符合用戶所用的操作系統(tǒng)，用戶就有必要針對(duì)- 11 -所用接口卡，編寫設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序。3、確定應(yīng)

28、用管理程序的編程語言 用戶可以采用通用編程語一進(jìn)行編程，如 Visual C+, VisualBasic。也可以采用專業(yè)的圖形化編程軟件進(jìn)行編程，如 LabVIEW 軟件。應(yīng)用軟件開發(fā)環(huán)境的選擇，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(gè)界面友好、功能強(qiáng)大的應(yīng)用程序。2. 2 虛擬儀器開發(fā)平臺(tái) LabVIEW 在構(gòu)建虛擬儀器系統(tǒng)所需要的硬件平臺(tái)確定之后，就需要通過軟件來實(shí)現(xiàn)需要達(dá)到的各種功能。軟件是虛擬儀器的關(guān)鍵，NI 公司提出“軟件就是儀器”的概念直接導(dǎo)致虛擬儀器的產(chǎn)生，充分體現(xiàn)了這一點(diǎn)。虛擬儀器技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用就是源于 NI 公司的虛擬儀器開發(fā)環(huán)境 LabVIEW。NI 公司

29、開發(fā)的軟件平臺(tái)己經(jīng)成為了虛擬儀器軟件技術(shù)事實(shí)上的標(biāo)準(zhǔn)。2.2.1 LabVIEW 概述 LabVIEW 是虛擬儀器集成環(huán)境的簡(jiǎn)稱，是目前應(yīng)用最廣、發(fā)展最快、功能最強(qiáng)大的圖形化軟件開發(fā)集成環(huán)境。LabVIEW 本身是功能較完整的軟件開發(fā)環(huán)境，它是作為替代常規(guī)的 Basic 或 C 語言而設(shè)計(jì)的。用方框圖代替了傳統(tǒng)的程序代碼。作為編寫應(yīng)用程序的語言，除了編程方式不同外，LabVIEW 具備編程語言的所有特征，因此被稱為 G (Graphical)語言。LabVIEW 所運(yùn)用的設(shè)備圖標(biāo)與工程師們習(xí)慣的大部分圖標(biāo)基本一致，這使得編程過程和思維過程非常相似。用 LabVIEW設(shè)計(jì)的虛擬儀器可以脫離 La

30、bVIEW 開發(fā)環(huán)境，最終呈現(xiàn)在用戶面前的是和實(shí)際的硬件儀器相似的操作面板。 LabVIEW 包含有專門用于設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)采集程序和儀器控制程序的功能庫和開發(fā)工具庫。LabVIEW 的程序設(shè)計(jì)實(shí)質(zhì)上就是設(shè)計(jì)單個(gè)的虛擬儀器，即“VIS” 。在計(jì)算機(jī)顯示屏幕上利用功能庫和開發(fā)工具庫產(chǎn)生一個(gè)前面板（front panel） ；在后臺(tái)則利用圖形化編程語言編制用于控制前面板的程序。程序的前面板具有與傳統(tǒng)儀器類似的界面，可接受用戶的鼠標(biāo)指令。一般來說，每一個(gè) VI 都可以作為其它 VI 的調(diào)用對(duì)象，其功能類似于文本語言的子程序。 LabVIEW 的核心是 VI。VI 有一個(gè)人機(jī)交互界面一前面板（front pa

31、nel）和類似于源代碼功能的方框圖（diagram） 。在 VI 的前面板中，控件（controls）模擬了儀器的輸入裝置并把數(shù)據(jù)提供給 VI 的方框圖；而指示器（indicators）則模擬了儀器的輸出裝置并顯示由方框圖獲得或產(chǎn)生的數(shù)據(jù)。一個(gè) VI 可以由底層的多個(gè) VI 組成，就像真實(shí)儀器由印刷電路板組成，而印刷電路板又由 IC、分立元件組成一樣。底層的 VI 代表了最基本的計(jì)算，I/O 操作與界面設(shè)計(jì)功能，各層 VI 都有相同的結(jié)構(gòu)形式。虛擬儀器模型、圖形界而和結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)流程圖編程是 LabVIEW 三大核心技術(shù)。- 12 -2.2.2 LabVIEW 的特點(diǎn) 與傳統(tǒng)程序語言不同，Lab

32、VIEW 采用強(qiáng)大的圖形化語言（G 語言）編程，面向測(cè)試工程師而非專業(yè)程序員，編程非常方便，人機(jī)交互界面直觀友好，具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)可視化分析和儀器控制能力等特點(diǎn)。LabVIEW 的強(qiáng)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(dāng)作子程序調(diào)用，以創(chuàng)建更復(fù)雜的程序，而這種調(diào)用的層次是沒有限制的。LabVIEW 這種創(chuàng)建和調(diào)用的子程序的方法，使創(chuàng)建的程序結(jié)構(gòu)模塊化，更易于調(diào)試、理解和維護(hù)。LabVIEW 具有以下幾個(gè)主要特點(diǎn)： 1、提供大量的儀器面板中的控制對(duì)象，如各種開關(guān)、表頭、旋鈕、圖表、刻度桿、指示燈等，而且用戶可以方便地設(shè)計(jì)庫中沒有的儀器。 2、使用圖標(biāo)表示功能模塊，使用連線表示各

33、模塊間的數(shù)據(jù)傳遞，使用數(shù)據(jù)流程圖式的語言書寫程序源代碼，這樣使得編程過程與思維過程非常相近。 3、提供程序調(diào)試功能?？梢栽谠创a中設(shè)置斷點(diǎn)，單步執(zhí)行源代碼，連線上設(shè)置探針，觀察程序運(yùn)行過程中數(shù)據(jù)流的變化，可以直觀地對(duì)程序進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)試并實(shí)時(shí)地記錄調(diào)試結(jié)果。 4、采用編譯方式運(yùn)行 32 位應(yīng)用程序，運(yùn)行速度快。應(yīng)用程序生成器可以將 LabVIEW 編寫的文件轉(zhuǎn)化為可在 Windows 下獨(dú)立執(zhí)行的軟件包，保護(hù)應(yīng)用程序不被修改，也增強(qiáng)了程序運(yùn)行的靈活性。 5、提供動(dòng)態(tài)鏈接庫接口和外部代碼接口節(jié)點(diǎn)，使用戶能在它的平臺(tái)上使用其它軟件平臺(tái)編譯的模塊。能調(diào)用 C，BASIC 語言程序。支持 ActiveX

34、技術(shù)，可以直接使用 VB，VC 生成的控件，可以在控件和程序之間交換數(shù)據(jù)。 6、支持 TCP/ /IP 協(xié)議，可以通過 INTERNET 調(diào)用遠(yuǎn)程機(jī)上的 LabVIEW 程序。使用 LabVIEW 的 VI Server 可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控。2.2.3 LabVIEW 的模板 在虛擬儀器的開發(fā)過程中，設(shè)計(jì)者主要用到 LabVIEW 提供的三個(gè)模板進(jìn)行程序開發(fā)。這三個(gè)模板是：工具模板（tool palette） ，控制模板（controls palette）和功能模板（function palette） 。1、工具模板 工具模板提供了用于操作、編輯前面板和流程圖上對(duì)象的各種工具，若想使用某操作

35、工具，只需用鼠標(biāo)點(diǎn)擊該工具即可。工具模板如圖 2.2 所示。 - 13 -圖 2.2 LabVIEW 工具模板 2、控制模板 控制模板提供了用于虛擬儀器前面板設(shè)計(jì)的各種控件。虛擬儀器的前面板(軟面板)是通過軟件實(shí)現(xiàn)的，也就是 LabVIEW 將傳統(tǒng)儀器的物理面板(硬面板)上的各種旋鈕、開關(guān)、顯示屏等所有可能涉及到的操作部件，都做成外形相似的“控件” ，分類存放在控制面板上，設(shè)計(jì)者在設(shè)計(jì)虛擬儀器前面板時(shí)，只需根據(jù)需要選擇合適的“控件” ，并放置在前面板的相應(yīng)位置即可。 3、功能模板 功能模板是創(chuàng)建程序框圖的工具，只是在程序框圖作為當(dāng)前頁面顯示時(shí)才出現(xiàn)。該模板上的每一個(gè)頂層圖標(biāo)都表示一個(gè)子模板。通

36、過這些功能子模板可以找到創(chuàng)建程序所需的程序框圖工具，比如運(yùn)算符號(hào)、各種類型的常數(shù)等，通過連線把在前面板中創(chuàng)建的對(duì)象連成一個(gè)完整的程序流程。LabVIEW 將傳統(tǒng)儀器上的各種測(cè)試功能、信號(hào)分析、文件操作、I/O 接口設(shè)備驅(qū)動(dòng)做成可供直接調(diào)用的庫函數(shù)。并將各個(gè)庫函數(shù)做成圖標(biāo)的形式存放在相應(yīng)功能的子模板上，設(shè)計(jì)者在設(shè)計(jì)流程圖時(shí)，只需根據(jù)欲實(shí)現(xiàn)的功能與操作，從子模板上選擇相應(yīng)的“圖標(biāo)”,并放在流程圖編輯窗口中相應(yīng)的位置上即可。- 14 -3 虛擬示波器的設(shè)計(jì) 數(shù)字示波器是科研和實(shí)驗(yàn)室中經(jīng)常使用的一種通用臺(tái)式儀器，用于各類簡(jiǎn)單信號(hào)、復(fù)雜信號(hào)、單次信號(hào)和周期信號(hào)波形的測(cè)量、記錄、存儲(chǔ)、分析。目前這類儀器加

37、工復(fù)雜、價(jià)格昂貴。用虛擬儀器技術(shù)只需配置必要的通用數(shù)據(jù)采集硬件，應(yīng)用圖形化編程語言 LabVIEW 的虛擬編程環(huán)境，采用模塊化設(shè)計(jì)方法，可以實(shí)現(xiàn)虛擬示波器。3.1 虛擬示波器的實(shí)現(xiàn)方案 虛擬示波器是由信號(hào)調(diào)理器、數(shù)據(jù)采集卡組成的外部采集系統(tǒng)和軟件構(gòu)成的分析處理系統(tǒng)組成。被測(cè)信號(hào)送到信號(hào)調(diào)理電路，進(jìn)行隔離、放大、濾波整流后送數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行 A/D 轉(zhuǎn)換，最后由控制軟件對(duì)測(cè)試信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，完成波形顯示，參數(shù)測(cè)量、頻譜分析等功能。虛擬示波器的結(jié)構(gòu)框圖如圖 5.1所示傳感器信號(hào)調(diào)整數(shù)據(jù)采集卡控制系統(tǒng)輸出圖 3.1 虛擬示波器的結(jié)構(gòu)框圖3.2 虛擬示波器的硬件體系3.2.1 硬件組成 硬件部分主要包

38、括傳感器、信號(hào)調(diào)理電路及數(shù)據(jù)采集卡。而傳感器和信號(hào)調(diào)理電路針對(duì)不同的測(cè)試對(duì)象有不同的選擇和設(shè)計(jì)。數(shù)據(jù)采集是硬件部分的核心，主要完成數(shù)據(jù)采集的控制，數(shù)據(jù)的讀取及數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換。它的性能直接影響數(shù)據(jù)采集的速度和精度。另外，LabVIEW 可對(duì) NI 公司的數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行驅(qū)動(dòng)和配置，可充分利用采集卡的性能。3.2.2 數(shù)據(jù)采集卡 數(shù)據(jù)采集模塊采用 NI 公司的數(shù)據(jù)采集卡 PCI6024E，它支持 DMA 方式和雙緩沖區(qū)模式，保證了實(shí)時(shí)信號(hào)不間斷采集與存儲(chǔ)。這種數(shù)據(jù)采集卡支持單極性和雙極性模擬信號(hào)輸入，采樣速率可達(dá) 200kb/s，信號(hào)輸入范圍分別為-5+5V 和-10+l0V。提供 16 路單端/8 路

39、差動(dòng)模擬輸入通道、2 路獨(dú)立的 D/A 輸出通道、8 位 24 線的,TTL 型數(shù)字 I/O，2 個(gè) 24 位 20MHz 的定時(shí)計(jì)數(shù)器，4 個(gè)模擬輸入范圍等多種功能。被測(cè)對(duì)象- 15 - 數(shù)據(jù)采集卡通過多路開關(guān)、A/D 轉(zhuǎn)換新片和數(shù)據(jù)緩存的幾個(gè)部件將多通道的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)并貯存在其緩存中，而計(jì)算機(jī)通過 LabVIEW 中的數(shù)據(jù)采集 VI 對(duì)數(shù)據(jù)采集卡中的兒個(gè)部件的運(yùn)作進(jìn)行控制，數(shù)據(jù)采集卡和計(jì)算機(jī)之間通過計(jì)算機(jī)總線含通信，交換數(shù)據(jù)和控制信息。一個(gè)多通道波形數(shù)據(jù)采集的過程一般包括以下幾個(gè)步驟： 1、數(shù)據(jù)采集卡有關(guān)的采樣參數(shù)（頻率、次數(shù)、通道、數(shù)據(jù)緩存的大?。?。 2、采樣開始，多路開關(guān)對(duì)

40、采樣通道進(jìn)行一次掃描，每個(gè)通道采樣一個(gè)點(diǎn)。 3、A/D 轉(zhuǎn)換。 4、數(shù)字信號(hào)存到數(shù)據(jù)緩存。 5、重復(fù) 2-4，直到采集到了所需的采樣次數(shù)，全部數(shù)據(jù)順序存儲(chǔ)到緩存中。 6、從數(shù)據(jù)采集卡的緩存中讀取數(shù)據(jù)到計(jì)算機(jī)的內(nèi)存中。- 16 -4 虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 虛擬電子信息類的實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)應(yīng)包含函數(shù)發(fā)生器、信號(hào)濾波器和信號(hào)調(diào)理電路等虛擬儀器，才能滿足電子信息類實(shí)驗(yàn)教學(xué)的需要。這些儀器的設(shè)計(jì)思想和步驟同虛擬示波器，這里直接給出。4.1 虛擬函數(shù)發(fā)生器 函數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生測(cè)量所需的信號(hào)源，其波形有正弦波、方波、三角波、鋸齒波、正負(fù)脈沖、調(diào)幅調(diào)頻和隨機(jī)信號(hào)等不同種類，信號(hào)的頻率和幅值等參數(shù)可按需要進(jìn)行調(diào)

41、節(jié)。 本虛擬函數(shù)發(fā)生器可產(chǎn)生仿真信號(hào)，用于測(cè)試系統(tǒng)模型分析或信號(hào)性質(zhì)研究。具有如下特征：（1）能產(chǎn)生常用信號(hào)和任意信號(hào)波形。常用信號(hào)有正弦波、方波、三角波和鋸齒波；任意信號(hào)波形由公式和含噪多諧波形特征值設(shè)定；（2）可設(shè)置波形的頻率、幅度、相位、直流偏移量、占空比等參數(shù)；（3）能儲(chǔ)存和再現(xiàn)波形。4.1.1 虛擬函數(shù)發(fā)生器的功能 LabVIEW 將測(cè)量中常用的信號(hào)函數(shù)做成了可以生成各種仿真信號(hào)波形序列的功能模塊，供編程者方便地調(diào)用，除此之外，還可以利用公式波形節(jié)點(diǎn)，生成指定的任意函數(shù)波形。4.1.2 前面板和流程圖虛擬函數(shù)發(fā)生器前面板如圖 4.1 所示。- 17 -圖 4.1 虛擬函數(shù)發(fā)生器前面板

42、該信號(hào)源能夠產(chǎn)生正弦波、方波、三角波和鋸齒波等波形，可方便地對(duì)其頻率、幅度、初相位、采樣參數(shù)等進(jìn)行調(diào)節(jié)，生成的波形在圖形顯示控件上形象地顯示出來，對(duì)方波可進(jìn)行占空比的調(diào)節(jié)。圖 4.2 為虛擬函數(shù)發(fā)生器流程圖圖 4.2 虛擬函數(shù)發(fā)生器框圖程序 在這種由計(jì)算機(jī)直接產(chǎn)生信號(hào)的數(shù)字系統(tǒng)中，注意信號(hào)頻率與采樣頻率之間的關(guān)系必須滿足采樣定理，即采樣頻率大于 2 倍的最高信號(hào)頻率。在奎耐斯特以下的頻率可以被正常采樣，而高于奎耐斯特的頻率將出現(xiàn)頻率混疊。在采用傳統(tǒng)授課模式時(shí)，對(duì)于數(shù)字系統(tǒng)所特有的這種頻率混疊現(xiàn)象，學(xué)生感到抽象，理解困難，而現(xiàn)在只需簡(jiǎn)單的調(diào)節(jié)虛擬函數(shù)發(fā)生器的信號(hào)頻率參數(shù)和采樣頻率，即可顯現(xiàn)。這種

43、教學(xué)效果是純理論教學(xué)難以達(dá)到的。利用軟件生成的各種虛擬信號(hào)可對(duì)虛擬儀器的后續(xù)軟件處理部分進(jìn)行調(diào)試和功能檢驗(yàn)，還可以設(shè)計(jì)各種虛擬儀器，實(shí)現(xiàn)各種理論分析及功能演示，為形象直觀教學(xué)提供了極大的方便。4.2 虛擬微分器和積分器4.2.1 儀器功能 由軟件生成各種典型的輸入信號(hào)（如正弦波信號(hào)的幅值、頻率、相位） ，并在面板上顯示信號(hào)微分和積分前后的波形。4.2.2 前面板和流程圖虛擬微分器和積分器前面板和流程圖分別如圖 4.3 和圖 4.4 所示- 18 -圖 4.3 虛擬函數(shù)發(fā)生器前面板圖 4.4 虛擬函數(shù)發(fā)生器框圖程序4.3 虛擬數(shù)字濾波器4.3.1 虛擬數(shù)字濾波器的功能 數(shù)字濾波器的基本原理是將信

44、號(hào)數(shù)字化后，通過一定的算法，應(yīng)用程序?yàn)V波功能。與模擬濾波器相比，數(shù)字濾波器具有以下優(yōu)點(diǎn)：可以用軟件編程，穩(wěn)定性高，可預(yù)測(cè)，不會(huì)因溫度、濕度的變化而影響測(cè)量誤差。應(yīng)用 LabVIEW 軟件的數(shù)據(jù)分析工具包，該包中提供了豐富的信號(hào)分析處理相關(guān)程序，包括波形測(cè)量、信號(hào)調(diào)理、信號(hào)監(jiān)測(cè)、波形發(fā)生和信號(hào)處理等，并提供了多種常用的濾波器，使用時(shí)只需輸入相應(yīng)的指標(biāo)參數(shù)即可。濾波器位于 Functions 模版Analyze 子模板SignalProcessing 子模板Filters 子模板中。- 19 -4.3.2 前面板和框圖程序虛擬數(shù)字濾波器的前面板和框圖程序如圖 4.5 和 4.6 所示。圖 4.5 虛擬數(shù)字濾波器前面板圖 4.6 虛擬數(shù)字濾波器框圖程序4.4 虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn) 在虛擬信號(hào)頻譜分析儀、虛擬數(shù)字濾波器、虛擬示波器、虛擬函數(shù)發(fā)生器、- 20 -虛擬積分器和微分器等實(shí)驗(yàn)教學(xué)用虛擬儀器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)上，如果將每一臺(tái)儀器作為 SubVI 集成在虛擬儀器實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)用戶界面下，可以方便地進(jìn)行電子信息類實(shí)驗(yàn)的教學(xué)。虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)如圖 4.7 所示。電子信息類虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)電子信息類虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)虛擬信號(hào)發(fā)生器虛擬頻譜分析儀虛擬濾波器虛擬