基于虛擬儀器技術(shù)的測試實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)

1、南京工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文）目 錄前 言1第一章 緒 論21.1課題研究的目的和意義2111目前面臨的問題2112 解決的方案312虛擬儀器技術(shù)的發(fā)展和虛擬實(shí)驗(yàn)室的引入4121虛擬儀器概述4122虛擬實(shí)驗(yàn)室的引入613課題研究的任務(wù)和內(nèi)容6第二章 教學(xué)平臺(tái)的總體設(shè)計(jì)和硬件選擇821基于虛擬儀器的測試系統(tǒng)的構(gòu)成8211測試系統(tǒng)的構(gòu)成82. 12基于虛擬儀器的測試系統(tǒng)的構(gòu)成922教學(xué)平臺(tái)的總體設(shè)計(jì)10221總體設(shè)計(jì)方案10222教學(xué)平臺(tái)的構(gòu)成1023開發(fā)環(huán)境LabVlEW簡介10231 LabVIEW簡介10232本課題中LabVl EW的主要應(yīng)用特點(diǎn)11233 LabVIEW程序的構(gòu)成11

2、第三章 軟件總體設(shè)計(jì)及信號分析儀的實(shí)現(xiàn)1231軟件系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)12311面板程序12312框圖程序13313主界面設(shè)計(jì)13321信號的分類16322信號的數(shù)據(jù)特征1633數(shù)據(jù)采集與預(yù)處理173.31數(shù)據(jù)采集1734信號分析儀的實(shí)現(xiàn)18341信號分析模塊的實(shí)現(xiàn)18第四章 信號發(fā)生器及演示實(shí)驗(yàn)單元的實(shí)現(xiàn)2441信號發(fā)生器的實(shí)現(xiàn)24411信號發(fā)生器的功能24412信號發(fā)生器的實(shí)現(xiàn)原理24413信號發(fā)生器的主界面2442演示實(shí)驗(yàn)單元的實(shí)現(xiàn)27第五章 結(jié)論與建議3651結(jié)論3652進(jìn)一步研究建議36參考文獻(xiàn)38附 錄 一39低通濾波程序框圖：39附 錄 二40基本函數(shù)發(fā)生器程序框圖：40附 錄 三41正

3、弦信號頻譜分析程序框圖：41第40頁前 言采用虛擬儀器軟件開發(fā)平臺(tái)LabVIEW在NI數(shù)據(jù)采集卡以及傳感器實(shí)驗(yàn)臺(tái)基礎(chǔ)上,研制開發(fā)了檢測技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)。給出該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的軟硬件構(gòu)建方法,尤其是對平臺(tái)的實(shí)驗(yàn)功能進(jìn)行了詳細(xì)闡述,并通過實(shí)例驗(yàn)證了該系統(tǒng)具有良好的實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。同時(shí)該實(shí)驗(yàn)平臺(tái),利用LabVIEW中強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)通信功能,實(shí)現(xiàn)了硬件設(shè)備的資源共享、數(shù)據(jù)共享以及實(shí)驗(yàn)結(jié)果網(wǎng)絡(luò)發(fā)布,能夠最大限度地利用現(xiàn)有設(shè)備。不僅可以節(jié)省大量儀器設(shè)備的經(jīng)費(fèi)投入,而且為教學(xué)提供了一種全新的現(xiàn)代化教學(xué)手段?；谔摂M儀器技術(shù)的測試實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的開發(fā)，平臺(tái)可以幫助學(xué)生形象生動(dòng)的學(xué)習(xí)課本知識，將書本上的抽象理論具體的展現(xiàn)出來

4、有利于提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)效率，同時(shí)也提高了教學(xué)質(zhì)量。由于虛擬儀器是按照測量原理采用適當(dāng)?shù)男盘柗治黾夹g(shù)和處理技術(shù)編制某種測量功能的軟件來實(shí)現(xiàn)測試的儀器，通過設(shè)計(jì)虛擬儀器的課程，可使學(xué)生在掌握了一定的軟硬件知識基礎(chǔ)上獲得更多實(shí)際應(yīng)用的機(jī)會(huì)。與傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)課程相比，虛擬儀器教學(xué)更好地融合了理論與實(shí)踐相結(jié)合，使學(xué)生的軟件與硬件技能同步提高；虛擬儀器軟硬件上模塊化的設(shè)計(jì)使學(xué)生在學(xué)習(xí)的方式上更加靈活，也較容易掌握。由此可見，在課程的開設(shè)和學(xué)生的實(shí)際情況來講虛擬儀器教學(xué)都是可行的。 第一章 緒 論1.1課題研究的目的和意義111目前面臨的問題1高等學(xué)校測試類課程營遍存在教學(xué)儀器缺乏或陳舊、教學(xué)方式呆板的

5、情況 1.工程測試技術(shù)、傳感器原理、數(shù)字信號處理、測控電路等測試類課程是眾多高校理工科類專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課和必修課程。通過這些課程的學(xué)習(xí)可以獲得測量原理、信號處理方法和計(jì)算機(jī)測量系統(tǒng)等方面的基礎(chǔ)知識，并掌握溫度、壓力、噪聲等常見物理量的測量和應(yīng)用方法。鋇5試類課程實(shí)踐性較強(qiáng)，但由于受教學(xué)實(shí)驗(yàn)條件限制，如實(shí)驗(yàn)設(shè)備缺乏或陳舊，導(dǎo)致這類課程教學(xué)活動(dòng)的基本模式是教師講、學(xué)生聽，側(cè)重課本內(nèi)容講授，實(shí)踐性環(huán)節(jié)偏少。學(xué)生常常感到課程的應(yīng)用部分空洞；實(shí)驗(yàn)部分缺乏實(shí)物對象；信號分析理論部分深?yuàn)W、難懂。學(xué)生對課程用認(rèn)識不足，嚴(yán)重影響教學(xué)效果。國外的一些高校則將測試類課程定位為實(shí)驗(yàn)課，通過具體的儀器使用或演示，強(qiáng)調(diào)對

6、學(xué)生工程實(shí)踐能力、表達(dá)交流溝通能力等綜合素質(zhì)的培養(yǎng)。教學(xué)活動(dòng)以教師為輔、學(xué)生為主。學(xué)生通過綜合型、研究型實(shí)驗(yàn)過程中整體實(shí)驗(yàn)構(gòu)思、設(shè)計(jì)、實(shí)施和具體的操作環(huán)節(jié)，掌握課程知識、培養(yǎng)獨(dú)立思考和動(dòng)手能力，而不僅僅是把知識停留在書本上。因此我國教學(xué)設(shè)各的更新和教學(xué)模式的轉(zhuǎn)變成為切實(shí)提高學(xué)生素質(zhì)的當(dāng)務(wù)之急。 2學(xué)生實(shí)驗(yàn)使用多臺(tái)儀器，實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備過程繁瑣，支持維護(hù)困難 以簡單的“學(xué)習(xí)使用示波器”實(shí)驗(yàn)為例。實(shí)驗(yàn)員需要準(zhǔn)備：雙蹤示波器、數(shù)字萬用表、函數(shù)發(fā)生器、電壓毫伏表等儀器。學(xué)生就需要檢查實(shí)驗(yàn)元器件儀器儀表是否合格，檢查接線，對示波器掃描初期調(diào)整，接電前設(shè)定初始位置，打開后儀器預(yù)熱以及了解其它復(fù)雜旋鈕的使用等等一系

7、列知識。當(dāng)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容有所增加，儀器儀表也將隨之增加，準(zhǔn)備工作就更加繁瑣，多次實(shí)驗(yàn)的器材準(zhǔn)備工作對實(shí)驗(yàn)室工作人員來說是異常繁重的。同時(shí)，學(xué)生需要付出更多的時(shí)間放在對儀器使用的學(xué)習(xí)上。有時(shí)甚至?xí)阎饕τ迷趯W(xué)習(xí)儀器的使用上，不是實(shí)驗(yàn)本身。實(shí)驗(yàn)儀器發(fā)生損壞后，維修需要專業(yè)人員。經(jīng)常會(huì)有這種現(xiàn)象；昂貴的進(jìn)口儀器被擱置一旁，原因就是壞了而無法維修。這造成了國家資源的無形損失。另外，精密儀器儀表的維護(hù)工作也較為困難?？梢?，傳統(tǒng)儀器的使用費(fèi)時(shí)費(fèi)力，存在很多無法克服的弊端。 3.我國高校面臨實(shí)驗(yàn)室設(shè)備革新，硬件更新費(fèi)時(shí)費(fèi)力 實(shí)驗(yàn)教學(xué)相對于理論教學(xué)而言更具有直觀性、實(shí)踐性和創(chuàng)新性，實(shí)驗(yàn)教學(xué)在加強(qiáng)學(xué)生素質(zhì)教育與培

8、養(yǎng)創(chuàng)新能力方面有肴重要的、不可替代的作用。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，儀器是最基本的基礎(chǔ)，要保證試驗(yàn)的開設(shè)和質(zhì)量，就要同時(shí)投入大量試驗(yàn)儀器，而且隨著高校招生數(shù)量的擴(kuò)大同一儀器設(shè)備應(yīng)當(dāng)具有一定的數(shù)量，才能滿足教學(xué)需求。由于各種客觀條件，一次性投入大量專用儀器是不現(xiàn)實(shí)的。還有一些學(xué)校目前仍在使用幾十年前引進(jìn)的設(shè)備。這些設(shè)備體積龐大，功能單一，尤其是元件老化，嚴(yán)重的影響了教學(xué)和實(shí)驗(yàn)的正常進(jìn)行。而進(jìn)行硬件更新需要大量資金投入，同時(shí)需要大量的人力物力，其難度可想而知。112 解決的方案隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展以及相應(yīng)學(xué)科高等教育課程教學(xué)內(nèi)容的更新，傳統(tǒng)儀器日益暴露出一些缺陷和不足。為了改善實(shí)驗(yàn)條件、改革試驗(yàn)教學(xué)方法、更

9、新試驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容、提高試驗(yàn)教學(xué)課程的水平，把虛擬儀器引入實(shí)驗(yàn)教學(xué)已成為一種必然趨勢。創(chuàng)建虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，取代多臺(tái)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)儀器。計(jì)算機(jī)+軟件(+輔助硬件)=多臺(tái)儀器！ 本課題利用LabVIEW軟件開發(fā)平臺(tái)在計(jì)算機(jī)屏幕上虛擬出儀器的面板，用戶可以通過鼠標(biāo)或鍵盤操作面板上的旋鈕、開關(guān)和按鍵，設(shè)置各種工作參數(shù)，來控制和操作儀器。測量和分析結(jié)果可以從虛擬儀器面板讀出。用戶在屏幕上通過虛擬儀器面板對儀器的操作如同在真實(shí)儀器上的操作一樣直觀、方便、靈活。利用虛擬儀器開設(shè)綜合性、創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)，使理論教學(xué)與實(shí)踐更好的緊密結(jié)合，教學(xué)更生動(dòng)、更形象，全面提高學(xué)生工程素質(zhì)。同時(shí)還可以激發(fā)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)興趣，使學(xué)生的實(shí)驗(yàn)技能、創(chuàng)

10、新能力得到顯著提高。由于一臺(tái)計(jì)算機(jī)可具有多臺(tái)儀器的功能，實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備過程被人大簡化。由于這些功能是基于計(jì)算機(jī)，而不是硬件元件，諸如調(diào)零、預(yù)熱此類的實(shí)驗(yàn)步驟也完全省略。這不能說不是對老師和學(xué)生的減負(fù)。另外，實(shí)驗(yàn)儀器的設(shè)備功能可通過編程實(shí)現(xiàn)，擺脫了功能固化的困境。原來的設(shè)備更新維護(hù)則變成程序的改進(jìn)或軟件的升級。目前，我國高檔臺(tái)式儀器如數(shù)字示波器、頻譜分析儀、邏輯分析儀等還主要依賴進(jìn)口，這些儀表加工T藝復(fù)雜，對制造水平要求高，生產(chǎn)突破有困難，因此售價(jià)比較昂貴。對一般高校來講，不可能大量購買以滿足教學(xué)和試驗(yàn)的需要，也勢必影響學(xué)生對當(dāng)代先進(jìn)技術(shù)的學(xué)習(xí)和了解。而通過虛擬儀器技術(shù)就可以只購買必要的通用的儀器硬件

11、來設(shè)計(jì)高性價(jià)比的儀器系統(tǒng)，從而節(jié)省了大筆科研經(jīng)費(fèi)，從經(jīng)濟(jì)角度來講完全具有可行性。由于虛擬儀器是按照測量原理采用適當(dāng)?shù)男盘柗治黾夹g(shù)和處理技術(shù)編制某種測量功能的軟件來實(shí)現(xiàn)測試的儀器，通過設(shè)計(jì)虛擬儀器的課程，可使學(xué)生在掌握了一定的軟硬件知識基礎(chǔ)上獲得更多實(shí)際應(yīng)用的機(jī)會(huì)。與傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)課程相比，虛擬儀器教學(xué)更好地融合了理論與實(shí)踐相結(jié)合，使學(xué)生的軟件與硬件技能同步提高；虛擬儀器軟硬件上模塊化的設(shè)計(jì)使學(xué)生在學(xué)習(xí)的方式上更加靈活，也較容易掌握。由此可見，在課程的開設(shè)和學(xué)生的實(shí)際情況來講虛擬儀器教學(xué)都是可行的。12虛擬儀器技術(shù)的發(fā)展和虛擬實(shí)驗(yàn)室的引入121虛擬儀器概述 虛擬儀器的定義儀器是測量的手段。信號處理、

12、圖像處理(-維信號處理)是現(xiàn)代儀器技術(shù)的核心，由于采用數(shù)字信號處理技術(shù)，現(xiàn)代電子系統(tǒng)一般采用硬件、軟件結(jié)合的方法實(shí)現(xiàn)，這樣大火提高了系統(tǒng)的靈活性、通用性和性價(jià)比，基于計(jì)算機(jī)的虛擬儀器技術(shù)。是目前先進(jìn)儀器系統(tǒng)設(shè)計(jì)、開發(fā)的重要設(shè)計(jì)原則和實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)。 圖 1-1 虛擬儀器的構(gòu)想虛擬儀器(Virtual Instrument，簡稱VI)是虛擬技術(shù)在儀器儀表領(lǐng)域中的一個(gè)重要應(yīng)用。20世紀(jì)80年代，美國國家儀器公司(NationalInstruments Corporation，簡稱M)率先提出了“虛擬儀器”的概念，指出虛擬儀器是由計(jì)算機(jī)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的軟件組

13、成的測試系統(tǒng)，是一種由計(jì)算機(jī)操縱的模塊化儀器系統(tǒng)。它可以代替?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(dòng)控制、上業(yè)控制系統(tǒng)；可自由構(gòu)建成專有儀器系統(tǒng)。它是以計(jì)算機(jī)作為儀器統(tǒng)一的硬件平臺(tái)，充分利用計(jì)算機(jī)獨(dú)具的運(yùn)算、存儲(chǔ)、回放、調(diào)用、顯示以及文件管理等基本智能化功能，同時(shí)把傳統(tǒng)儀器的專業(yè)化功能和面板控件軟件化，使之與計(jì)算機(jī)結(jié)合起來融為一體，這樣便構(gòu)成了一臺(tái)從外觀到功能都完全與傳統(tǒng)硬件儀器一致，同時(shí)又充分享用計(jì)算機(jī)智能資源的全新的儀器系統(tǒng)。 虛擬儀器的分類 根據(jù)開發(fā)環(huán)境不同，虛擬儀器分為兩類：I 基于傳統(tǒng)的文本語言式的平臺(tái)。主要是NI公司的LabWindowsCVI、

14、Microsoft公司的VisualC+、VisualBasic、Borland公司的Delphi等。II基于國形化編程環(huán)境的平臺(tái)。如HP公司的HPVEE、NI公司的LabVIEW等。圖形化軟件開發(fā)平臺(tái)的提出，可以大大減輕系統(tǒng)開發(fā)人員的負(fù)擔(dān)，使其將主要精力集中投入到系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，而不再是具體軟件細(xì)節(jié)的推敲上。根據(jù)采用總線方式的不同，可分為五種類型：IPC總線插卡型虛擬儀器這種方式是以數(shù)據(jù)采集板、信號條理電路以及計(jì)算機(jī)為儀器硬件組成的插卡式虛擬儀器系統(tǒng)。這種系統(tǒng)采用PCI或計(jì)算機(jī)本身的ISA總線，將數(shù)據(jù)采集卡插入計(jì)算機(jī)的空槽中即可州。IIGBIB總線方式的虛擬儀器 GPIB技術(shù)是IEEE488標(biāo)準(zhǔn)

15、的虛擬儀器早期階段所采用的技術(shù)。它的出現(xiàn)使電子測量獨(dú)立的單臺(tái)手工操作向大規(guī)模自動(dòng)溟4試系統(tǒng)發(fā)展。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)BPIB形式的儀器通過GPIB電纜連接而成。IIIVXI總線方式虛擬儀器VXI總線是一種高速計(jì)算機(jī)總線VvIE總線在領(lǐng)域的擴(kuò)展，它具有穩(wěn)定的電源，強(qiáng)有力的冷卻能力和嚴(yán)格的RFIEMI屏蔽等特性。IVPXI總線方式虛擬儀器PXI總線方式是PCI總線內(nèi)核技術(shù)增加了成熟的技術(shù)規(guī)范和要求形成的。它增加了多板同步觸發(fā)總線的技術(shù)，以使用于相鄰模塊的高速通訊的局總線。PXI的高度具有可擴(kuò)展性。v并行口式虛擬儀器最新發(fā)展的一系列可連接到計(jì)算機(jī)并行口的測試裝置

16、。 虛擬儀器的應(yīng)用領(lǐng)域虛擬儀器應(yīng)用領(lǐng)域很廣，在教學(xué)實(shí)驗(yàn)、電子測量、分析測試、航空航天測控、工業(yè)過程控制等領(lǐng)域逐步代替?zhèn)鹘y(tǒng)的儀器儀表。因?yàn)樘摂M儀器可與計(jì)算機(jī)同步發(fā)展，與網(wǎng)絡(luò)及其他周邊設(shè)備互聯(lián)，用戶只需改變軟件程序就可以不斷賦予它或擴(kuò)展增強(qiáng)它的測量功能。虛擬儀器技術(shù)不僅在數(shù)據(jù)采集、自動(dòng)測試和測量儀器領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，更促進(jìn)和推動(dòng)測試系統(tǒng)和測量儀器的設(shè)計(jì)方法與實(shí)現(xiàn)技術(shù)發(fā)生了深刻的變化?！败浖褪莾x器”已經(jīng)成為測試與檢測技術(shù)發(fā)展的重要標(biāo)志。圖形虛擬儀器依靠其自身的優(yōu)勢使它在儀器市場的競爭力不斷增強(qiáng)。PC計(jì)算機(jī)價(jià)格近年廣被人們所接受，在國內(nèi)有迅速普及，這為虛擬儀器的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。虛擬儀器作為傳統(tǒng)儀器的

17、替代品，市場潛在容量巨大，具有廣闊的發(fā)展前景。122虛擬實(shí)驗(yàn)室的引入虛擬實(shí)驗(yàn)室的概念虛擬實(shí)驗(yàn)室的概念，最早在1989年由美國的William wolf教授提出，用來描述一個(gè)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)化的虛擬實(shí)驗(yàn)室環(huán)境。虛擬實(shí)驗(yàn)室主要由虛擬儀器、虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)和虛擬實(shí)驗(yàn)組成。是指在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中采用各種技術(shù)實(shí)現(xiàn)的一種虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境，實(shí)驗(yàn)者可以像在真實(shí)環(huán)境中一樣完成各種預(yù)定的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，所取得的學(xué)習(xí)或者5l練效果等價(jià)甚至優(yōu)于在真實(shí)的環(huán)境中所取得的效果。虛擬儀器實(shí)驗(yàn)室可以應(yīng)用于傳感技術(shù)、非電量測量技術(shù)、自動(dòng)測試技術(shù)、測控技術(shù)、計(jì)算機(jī)控制技術(shù)、醫(yī)療儀器等課程的教學(xué)實(shí)驗(yàn)和相關(guān)的課程設(shè)計(jì)、畢業(yè)設(shè)計(jì)上。近幾年，LabVIEW在國內(nèi)

18、教育領(lǐng)域得到迅速推廣，許多理工科院校建立了相關(guān)的虛擬儀器實(shí)驗(yàn)室，并開設(shè)了LabVIEW和虛擬儀器的課程。虛擬儀器技術(shù)給傳統(tǒng)的教學(xué)研究帶來了巨大的變化，在教學(xué)實(shí)驗(yàn)和科研中起著越來越重要的作用。國內(nèi)虛擬實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)狀況從90年代開始，國內(nèi)的一些大學(xué)相繼開展了虛擬儀器系統(tǒng)的研究與開發(fā)工作，如：哈爾濱工業(yè)大學(xué)、重慶大學(xué)、國防大學(xué)、成都電子科技大學(xué)、中國科技大學(xué)、清華大學(xué)等。目前我國部分高校還正在積極開展虛擬儀器的研究工作，重點(diǎn)在于研制具有自主知識產(chǎn)權(quán)的虛擬儀器軟件平臺(tái)，并開發(fā)相應(yīng)的虛擬儀器設(shè)備。 開發(fā)我國自己的虛擬儀器2004年11月。由吉林大學(xué)完成的“圖形化虛擬儀器開發(fā)平臺(tái)”項(xiàng)目在長春通過省級鑒定。

19、這是我國科技人員打破國際技術(shù)壟斷，自主研制成功的一種新型虛擬儀器。和國內(nèi)外同類產(chǎn)品相比，該平臺(tái)具有價(jià)格低廉、兼容性好等特點(diǎn)，比建設(shè)同樣的虛擬儀器研究實(shí)驗(yàn)室能節(jié)約近23的資金。吉林大學(xué)先后開發(fā)了微型虛擬數(shù)字存儲(chǔ)示波器、微型虛擬波形發(fā)生器、虛擬LCR測試儀、虛擬沖擊功測試儀、分布式地震數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，并已應(yīng)用丁實(shí)踐。這些成果不但打破了國外圖形化虛擬儀器開發(fā)平臺(tái)的壟斷地位，而且進(jìn)一步滿足了大專院校、科研單位在教學(xué)實(shí)驗(yàn)、分析測量等方面，以及航空航天測控、工業(yè)過程控制等領(lǐng)域的實(shí)際需求。13課題研究的任務(wù)和內(nèi)容建立完善的虛擬實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)，可以具體到某一專業(yè)的實(shí)驗(yàn)室，形式也多種多樣，如配備齊全也需要較多投入，前

20、文諸多高校虛擬實(shí)驗(yàn)室的配備就是如此。這種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)完善，可以滿足較多研究的需求，但并非適合所有學(xué)校。課題提出的教學(xué)試驗(yàn)平臺(tái)則可以用軟件配合計(jì)算機(jī)以及輔助硬件滿足基本測試實(shí)驗(yàn)的需求，從而大大簡化了虛擬實(shí)驗(yàn)室的配備，為虛擬實(shí)驗(yàn)室的推廣提出了一種相對價(jià)格低廉、易于實(shí)現(xiàn)的途徑。目前常見的虛擬實(shí)驗(yàn)軟件大多是基于課件的，優(yōu)點(diǎn)是操作簡單、開發(fā)費(fèi)用低、易于維護(hù)、表現(xiàn)形式生動(dòng)。但是這種形式只能用于單純演示實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)者不能參加到實(shí)驗(yàn)中去，交互性差。而市場上的T程測試軟件面向工程，不考慮教學(xué)的基礎(chǔ)性，也不適合學(xué)校使用。本課題針對教學(xué)需求，利用NI公司USB-6008數(shù)據(jù)采集卡 LabVIEW 2009 分析軟件一套開

21、發(fā)出一套適合高等學(xué)校實(shí)驗(yàn)室<如測控技術(shù)、傳感器原理、信號處理等實(shí)驗(yàn)室)的特色平臺(tái)。本文主要分為以下幾個(gè)部分：1、分析同類型虛擬儀器平臺(tái)的功能特點(diǎn)，根據(jù)目前高校測試實(shí)驗(yàn)室的狀況及需求，進(jìn)行特色教學(xué)平臺(tái)的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。2、針對課題涉及到的信號采樣、預(yù)處理以及處理，分析其實(shí)現(xiàn)原理，確定軟件開發(fā)方案。3、針對實(shí)驗(yàn)需求，設(shè)計(jì)出信號分析儀、信號發(fā)生器和演示實(shí)驗(yàn)單元三大模塊，并將它們集成到統(tǒng)一的應(yīng)用環(huán)境界面中。各部分功能定位如下： (1)信號分析儀 (2)信號發(fā)生器 (3)演示實(shí)驗(yàn)單元4、給出具體實(shí)驗(yàn)，根據(jù)操作過程對軟、硬件的配合使用做出說明，方便用戶使用。5、對本課題的工作進(jìn)行總結(jié)，給出進(jìn)一步研究的

22、建議。第二章 教學(xué)平臺(tái)的總體設(shè)計(jì)和硬件選擇21基于虛擬儀器的測試系統(tǒng)的構(gòu)成211測試系統(tǒng)的構(gòu)成 測試的過程就是獲得信號并提取所需信息的過程。通常，測試工作的全過程包含著若干不同功能的環(huán)節(jié)：被測對象、信號的傳感與變換、傳輸與條理、分析與處理、顯示與記錄等。一般的測試系統(tǒng)主要由圖2-l所示幾個(gè)部分構(gòu)成： 圖2-1測試系統(tǒng)的構(gòu)成傳感器將被測物理量(如噪聲、溫度等)檢出并轉(zhuǎn)換為電量，中間變換裝置對接收到的電信號用硬件電路進(jìn)行分析處理或經(jīng)AD變換后用軟件進(jìn)行信號分析，顯示記錄裝置則測量結(jié)果顯示出來，提供給觀察者或其它自動(dòng)控制裝置。 1被測量 被測量即信號，分為電信號和非電信號，如電壓、電流(電信號)溫度

23、、濕度、位移、加速度、頻率(非電信號)等。 2信號轉(zhuǎn)換 信號轉(zhuǎn)換電路將采集到的各種信號測量出來并轉(zhuǎn)換成為電信號(模擬電壓或電流)，主要包括信號變換器、傳感器以及各種顯示儀器。 3信號調(diào)理 來自轉(zhuǎn)換電路的電信號一般不能用數(shù)據(jù)采集設(shè)備來測量，主要問題是可能輸出信號非常弱，且容易受噪聲影響，有些信號可能存在很高的峰值。因此在將它們轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號之前需要先進(jìn)行處理，這項(xiàng)上作叫做信號調(diào)理。包括：放大衰減、濾波、隔離等。1)輸入放大或衰減器。用于對信號幅值進(jìn)行調(diào)節(jié)，以適應(yīng)AD轉(zhuǎn)換器的動(dòng)態(tài)范圍；2)抗混淆濾波器。保證進(jìn)入處理系統(tǒng)的信號頻譜被限制在抽樣頻率所允許的最高頻率之內(nèi)，以免產(chǎn)生混迭誤差；3)隔直裝置。

24、隔離信號中的直流分量(如果所測信號中不應(yīng)有直流分量的話)。這三者幾乎在一切信號處理系統(tǒng)中均有，因而輸入放大器或衰減器、抗混淆濾波器則是調(diào)理部份的關(guān)鍵件H。但當(dāng)實(shí)際中輸入的原始信號已經(jīng)比較理想時(shí)，可以省略相應(yīng)的信號條理模塊。 4數(shù)據(jù)采集和控制信號采集是將模擬信號變?yōu)閿?shù)字信號，其核心是模數(shù)(AD)轉(zhuǎn)換器，信號處理系統(tǒng)的性能指標(biāo)與其密切相關(guān)。嗣繞AD轉(zhuǎn)換器，信號采集部分還包含以HL部分電路。1)采樣保持電路。它保證在AD轉(zhuǎn)換期間保持輸入信號不變。在模擬輸入信號頻率較高時(shí)，它對系統(tǒng)精度產(chǎn)生決定性的影響。但模擬輸入信號頻率不高時(shí)則可不用。2)時(shí)基信號發(fā)生器。產(chǎn)生定時(shí)脈沖信號，控制采樣。3)觸發(fā)系統(tǒng)。決定

25、采樣的開始點(diǎn)，為捕捉瞬時(shí)脈沖或進(jìn)行同步平均而設(shè)。4)控制器。對多道數(shù)據(jù)采集進(jìn)行控制，控制AD轉(zhuǎn)換器的工作狀態(tài)。 5數(shù)據(jù)處理 信號處理是測試中獲取的模擬信號，變成數(shù)字信號，然后用計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理。這正是虛擬儀器的主要功能體現(xiàn)。數(shù)據(jù)分析處理又可分為三部分： (1)預(yù)處理：這里是信號分析之前，對信號用數(shù)字方法進(jìn)行的處理。目的是進(jìn)一步改善信號質(zhì)量，方便進(jìn)一步處理。預(yù)處理部分主要包括以下幾種：錯(cuò)點(diǎn)剔除、去趨勢項(xiàng)和數(shù)字濾波等。 (2)數(shù)據(jù)分析：這是整個(gè)系統(tǒng)的核心，它依托于計(jì)算機(jī)，來完成該系統(tǒng)任務(wù)所規(guī)定的各種分析和運(yùn)算。 (3)結(jié)果顯示：結(jié)果顯示是為了顯示分析處理結(jié)果的數(shù)據(jù)、圖形而設(shè)置的。一般采用CRT屏幕顯

26、示；打印機(jī)打印結(jié)果或圖形；繪圖機(jī)繪出其相應(yīng)的曲線等方式。為了讀數(shù)或讀圖的方便，在顯示結(jié)果時(shí)，往往可利用移動(dòng)光標(biāo)定位、選點(diǎn)、標(biāo)定參數(shù)、顯示等多種輔助功能，來幫助讀取結(jié)果。2. 12基于虛擬儀器的測試系統(tǒng)的構(gòu)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)合又有兩種方式。一種是將計(jì)算機(jī)裝入儀器，其典型的例子是智能化儀器。隨著計(jì)算機(jī)功能的日益強(qiáng)大以及體積的縮小，這類儀器的功能也越來越大，目前已經(jīng)出現(xiàn)還有嵌入式系統(tǒng)的儀器。另一種方式是將儀器放入計(jì)算機(jī)，以通用的計(jì)算機(jī)硬件為依托，實(shí)現(xiàn)各種儀器功能。虛擬儀器主要指后一種方式。傳統(tǒng)儀器是將這些功能由特定的儀器設(shè)備來實(shí)

27、現(xiàn)，比如頻譜儀等。虛擬儀器則是一種功能上的儀器，它將這些功能通過計(jì)算機(jī)調(diào)用相應(yīng)的軟件程序來實(shí)現(xiàn)。22教學(xué)平臺(tái)的總體設(shè)計(jì)221總體設(shè)計(jì)方案本課題的主要任務(wù)是在充分分析實(shí)驗(yàn)室需求的基礎(chǔ)上，利用既有的數(shù)據(jù)采集設(shè)備(DAQ卡)開發(fā)出依托于計(jì)算機(jī)的功能性儀器，即虛擬儀器。該儀器包括信號分析儀、信號發(fā)生器以及演示實(shí)驗(yàn)單元三部分。222教學(xué)平臺(tái)的構(gòu)成教學(xué)平臺(tái)主要由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)構(gòu)成。1數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集過程借助軟件來控制整個(gè)DAQ系統(tǒng)，包括采集原始數(shù)據(jù)、分析數(shù)據(jù)等。信號經(jīng)多路開關(guān)轉(zhuǎn)換在軟件設(shè)定的采樣頻率控制下，巡回采集并由可編程放大器放大信號，經(jīng)采樣保持和DAC單元被量化成數(shù)字信號，經(jīng)存儲(chǔ)單元

28、進(jìn)入計(jì)算機(jī)的顯示緩沖區(qū)，最后由圖形設(shè)備接口函數(shù)將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的像素并在屏幕上顯示出波形。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)一般由數(shù)據(jù)采集硬件、硬件驅(qū)動(dòng)程序和數(shù)據(jù)采集程序幾個(gè)部分組成。數(shù)據(jù)采集設(shè)備主要功能是將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，此外還有放大、采樣保持、多路復(fù)用、數(shù)據(jù)緩存等功能。硬件驅(qū)動(dòng)程序是應(yīng)用軟件對硬件的編程接口，它包含著特定硬件可以接受的操作命令，完成與硬件之間的數(shù)據(jù)傳遞。依靠硬件驅(qū)動(dòng)程序可以大大簡化LabVIEW編程工作，提高開發(fā)效率，降低開發(fā)成本。LabVIEW70開發(fā)環(huán)境安裝時(shí)，會(huì)自動(dòng)安裝NI-DAQ70軟件，它包含兩個(gè)驅(qū)動(dòng)程序：傳統(tǒng)NI-DAQ和NI-DAQmx。這兩個(gè)驅(qū)動(dòng)程序各自有單獨(dú)的應(yīng)用程序編

29、程接口API，分別有不同的硬件和軟件設(shè)置方法，岡此也形成了兩套獨(dú)立的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。本課題使用的是前者。數(shù)據(jù)采集程序利用數(shù)據(jù)采集函數(shù)，通過軟件編程實(shí)現(xiàn)對信號的采樣?？梢酝ㄟ^軟件設(shè)置采樣頻率、觸發(fā)方式等。2數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)這部分是課題的核心部分。通過程序設(shè)計(jì)，對采集到的信號進(jìn)行顯示、分析、保存、打印等處理，同時(shí)還有信號發(fā)生器、提供演示實(shí)驗(yàn)的功能。其功能通過編程由計(jì)算機(jī)來完成，依托計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的分析計(jì)算能力，對采集到的信號進(jìn)行分析處理。采集或分析完成的數(shù)據(jù)可以保存到計(jì)算機(jī)內(nèi)，也可以對外輸出，還可以通過網(wǎng)絡(luò)傳輸給其他用戶使用。因此，其終端可以是計(jì)算機(jī)、圖形用戶接口進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)傳輸或其它數(shù)據(jù)輸出形式。23開發(fā)環(huán)境

30、LabVlEW簡介231 LabVIEW簡介美國國家儀器公司(National Instruments，簡稱NI)是虛擬儀器技術(shù)的主要倡導(dǎo)者和貢獻(xiàn)者。其創(chuàng)新軟件LabVIEW(Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench)采用圖形化程序設(shè)計(jì)，編程簡單、直觀、開發(fā)效率高。自1986年問世阻來，已經(jīng)成為虛擬儀器軟件開發(fā)平臺(tái)事實(shí)上的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，在研究、制造和開發(fā)的眾多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。從簡單的儀器控制數(shù)據(jù)采集到尖端的測試和工業(yè)自動(dòng)化，從大學(xué)實(shí)驗(yàn)室到工廠，從探索研究到技術(shù)集成，人們都可以發(fā)現(xiàn)LabVIEW應(yīng)用的成果和開發(fā)的產(chǎn)品。LabVIEW所創(chuàng)

31、新的圖形化語言編程方法成為虛擬儀器技術(shù)應(yīng)用與發(fā)展的重要基礎(chǔ)，得到上業(yè)界和學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注。課題使用的版本為LabLIEW 2009。LabVIEW是一種高效圖形化應(yīng)用開發(fā)環(huán)境，結(jié)合了簡單易用的圖形化開發(fā)方式和靈活強(qiáng)大的編程語言。它提供給用戶一個(gè)直覺性環(huán)境，并通過與測量硬件的密切結(jié)合，讓開發(fā)者迅速開發(fā)出有關(guān)數(shù)據(jù)采集利控制，數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)顯示的應(yīng)用系統(tǒng)，測量和自動(dòng)化解決方案。232本課題中LabVl EW的主要應(yīng)用特點(diǎn) 針對數(shù)據(jù)采集：LabVIEW提供給用戶一個(gè)開放式的開發(fā)環(huán)境，用戶可以將其與測量硬件輕松連接。LabVIEW的交互式測量助手(assistant)、自動(dòng)代碼生成以及與大量設(shè)備的簡易連

32、接功能，使它能夠方便快速地完成數(shù)據(jù)采集。針對數(shù)據(jù)分析處理：LabVIEW帶有超過450個(gè)內(nèi)置函數(shù)，專門用于從采集到的數(shù)據(jù)中挖掘有用的信息，用于分析測量數(shù)據(jù)及處理信號。針對結(jié)果顯示：LabVIEW提供一系列工具用于數(shù)據(jù)顯示、用戶界面設(shè)計(jì)、報(bào)告生成、數(shù)據(jù)管理及軟件連接。233 LabVIEW程序的構(gòu)成 在LabVIEW環(huán)境下開發(fā)的程序稱為虛擬儀器VI(Virtual Instruments)，文件擴(kuò)展名為VI。一個(gè)完整的LabVlEW程序由前面板、程序框圖和圖標(biāo)連接端口組成。 (1)面板程序(Panel) 前面板是的交互式用戶接口，用戶可以設(shè)置旋鈕、按鍵、開關(guān)、圖表等工具，與真實(shí)的物理儀器面板相似

33、。用戶通過對前面板上工具的操作使用虛擬儀器。 (2)程序框圖(Diagram Programme) 程序框圖是VI的程序代碼，與文本語言不同的是，它的程序代碼是控件端13和連線構(gòu)成的。VI從程序框圖中接收指令，執(zhí)行操作。 (3)圖標(biāo)連接端口(1eonTerminal) VI圖標(biāo)和連接端口就像一個(gè)圖形化參數(shù)列表，可在各個(gè)VI之間傳遞數(shù)據(jù)。第三章 軟件總體設(shè)計(jì)及信號分析儀的實(shí)現(xiàn)31軟件系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)LabVIEW環(huán)境中創(chuàng)建的任何一個(gè)VI都可以被其他VI作為子VI調(diào)用，子VI相當(dāng)于文本編程語言中的子程序。教學(xué)平臺(tái)采用模塊化的編程方法，將各個(gè)模塊分成相對獨(dú)立的子VI，由主控程序完成對它們的調(diào)用。軟件系統(tǒng)

34、的總體結(jié)構(gòu)如圖3-1所示： 教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái) 信號發(fā)生器 實(shí)驗(yàn)演示單元 信號分析儀周期隨機(jī)信號白噪聲發(fā)生器高斯白噪聲發(fā)生器1. 濾波2. 加窗3. 相關(guān)4. 調(diào)制解調(diào)5. 吉布斯現(xiàn)象6. 自相關(guān)函數(shù)7. 正弦信號頻譜分析8. 周期信號合成9. 周期信號分解10. 實(shí)驗(yàn)報(bào)表生成頻域時(shí)域分析濾波數(shù)據(jù)采集基本函數(shù)圖3-1 教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)總體結(jié)構(gòu)311面板程序虛擬儀器的面板程序就是圖形化用戶界面，是用戶與設(shè)備之間交流信息的紐帶，它決定了虛擬儀器的方便程度。面板程序主要由控件(Control)、指示器(Indicator)和裝飾(Decoration)構(gòu)成。面板程序設(shè)計(jì)原則：(1)易用性原則：作為與用戶的唯一

35、接口，面板的設(shè)計(jì)應(yīng)該盡可能接近于真實(shí)的儀器，各個(gè)功能之間的切換力圖方便直觀，使用戶的使用操作簡單。(2)交互性原則：要充分考慮各個(gè)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的特點(diǎn)和實(shí)驗(yàn)的基本步驟，在與學(xué)生的對話中將實(shí)驗(yàn)演示出來。針對每一個(gè)實(shí)驗(yàn)，各種可供選擇的內(nèi)容以及每一步操作是否合理均給出相關(guān)提示，并將這些提示較為完善地結(jié)合到實(shí)際的操作界面中。(3)簡潔明了原則：面板布置盡量簡潔，元件的顏色應(yīng)盡量柔和，盡量限制顏色種類。312框圖程序框圖程序與面板程序?qū)?yīng)，相當(dāng)于傳統(tǒng)編程語言程序中的源代碼?？驁D程序由節(jié)點(diǎn)(Node)、端口(Terminal)和數(shù)據(jù)連線(Wire)組成。 框圖程序設(shè)計(jì)原則： (1)遵循從左到右、從上到下的順序編

36、排程序的節(jié)點(diǎn)。 (2)盡量避免程序框圖擴(kuò)展到屏幕顯示范圍以外。 (3)如果程序中某些部分能在其它程序中使用，或者是可以劃分為一個(gè)邏輯上的單元，即創(chuàng)建一個(gè)子VI。 (4)整齊清晰的排列連線，以免造成讀程序的困難。避免在節(jié)點(diǎn)圖標(biāo)下連線，以免線段被隱藏或誤認(rèn)。 (5)為了節(jié)省框圖程序空間，不必為函數(shù)和子顯示標(biāo)簽，但常數(shù)有必要顯示標(biāo)簽。 (6)使用自有標(biāo)簽為程序框圖增加必要的注釋，增加程序的可讀性。313主界面設(shè)計(jì)平臺(tái)圖標(biāo)如圖3-2所示，點(diǎn)擊“ENTER”按鈕進(jìn)入操作平臺(tái)主界面，如圖3-3所示。 圖3-2 圖3-3 32信號的分類及數(shù)據(jù)特征所謂信號，是指傳遞某個(gè)實(shí)際系統(tǒng)狀態(tài)或行為信息的一種物理現(xiàn)象或過

37、程，其中蘊(yùn)含著我們分析、解決問題所需要的信息。它的表現(xiàn)形式多種多樣，如機(jī)械運(yùn)動(dòng)、噪聲、力、溫度等等。為了便于研究，常常把這些物理現(xiàn)象進(jìn)行測量，把被測的物理量以及由該物理量轉(zhuǎn)換所得的量統(tǒng)稱為信號。信號的基本形式是變化著的電流或電壓。即使原始信號是非電的物理量，如力、位移、加速度等，也往往把它轉(zhuǎn)化為電信號以便處理。321信號的分類 圖3-4 信號的分類 1確定性信號確定性信號也叫規(guī)則信號，能用明確的數(shù)學(xué)關(guān)系式描述。確定性信號分為周期信號和非周期信號。2隨機(jī)信號隨機(jī)信號是一種非確定性的信號，不能用精確的數(shù)學(xué)關(guān)系式來描述，無法預(yù)測任意時(shí)刻的精確值的信號稱為隨機(jī)信號，它只能用概率術(shù)語利統(tǒng)計(jì)平均來描述。隨

38、機(jī)信號分為平穩(wěn)隨機(jī)信號和非平穩(wěn)隨機(jī)信號。3課題研究的主要信號類型確定性信號是研究其它信號的基礎(chǔ)，是我們分析的基本信號類型。隨機(jī)信號中的各態(tài)歷經(jīng)信號，其統(tǒng)計(jì)特性和時(shí)間原點(diǎn)的選取無關(guān)，統(tǒng)計(jì)平均可以用一個(gè)樣本序列在一個(gè)較長時(shí)間內(nèi)的平均值來代替，這樣在解決實(shí)際問題時(shí)，可以節(jié)約大量時(shí)間。同時(shí)，各態(tài)歷經(jīng)信號在工程信號分析中具有普遍性。本課題研究的主要信號類型為確定性信號以及隨機(jī)信號中的各態(tài)歷經(jīng)平穩(wěn)隨機(jī)信號。322信號的數(shù)據(jù)特征任何信號的特征都可以用一組數(shù)據(jù)來描述。這種能描述信號特征的數(shù)據(jù)稱為信號的數(shù)據(jù)特征。不同信號類型，在時(shí)間、頻率域中的數(shù)據(jù)特征也不相同。1 確定性信號的數(shù)據(jù)特征確定性信號的特性可以用時(shí)間

39、域中的峰值、有效值、絕對平均值、相關(guān)性；頻率域中的頻譜等數(shù)據(jù)特征來描述。由于確定性信號數(shù)據(jù)的特點(diǎn)是唯一確定的，且可用數(shù)學(xué)表達(dá)式精確描述，所以處理確定性信號的方法是導(dǎo)出其表達(dá)公式或只須依據(jù)其任意一次測量的任意一段信號記錄進(jìn)行分析即可。2隨機(jī)信號的數(shù)據(jù)特征隨機(jī)信號的數(shù)據(jù)特征，不能用精確的數(shù)學(xué)關(guān)系式來描述，因?yàn)槊看蔚臏y量結(jié)果都不一樣。對于隨機(jī)信號的測量，相同條件r的一系列重復(fù)實(shí)驗(yàn)，其可能結(jié)果雖不樣，實(shí)驗(yàn)前也不能確切預(yù)知，但通過大量重復(fù)實(shí)驗(yàn)，其結(jié)果就會(huì)出現(xiàn)某種統(tǒng)計(jì)規(guī)律性。因此，隨機(jī)信號處理的主要理論基礎(chǔ)是統(tǒng)計(jì)理論和隨機(jī)過程理論。隨機(jī)信號的基本統(tǒng)計(jì)特性可以通過時(shí)間域中的均值、均方值(均方根值)、方差(標(biāo)

40、準(zhǔn)差)、自相關(guān)函數(shù)、互相關(guān)函數(shù)，頻率域中的自功率譜密度、互譜密度、頻率特性等統(tǒng)計(jì)數(shù)字特征來描述。對數(shù)據(jù)分析時(shí)，要充分考慮信號的特點(diǎn)，采用合理的方法獲取信號的數(shù)據(jù)特征。33數(shù)據(jù)采集與預(yù)處理數(shù)據(jù)采集即信號的獲取，它是數(shù)據(jù)分析的前提。自然界的各種信號通過轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為模擬電信號，再通過數(shù)據(jù)采集設(shè)備經(jīng)采樣、量化、編碼轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)可識別的二進(jìn)制的數(shù)字信號。在進(jìn)行分析處理以前，還可能需要對這些信號進(jìn)行一些必要的處理，稱為預(yù)處理。3.31數(shù)據(jù)采集采樣利用采樣脈沖序列，從信號x(t)中抽取一系列離散值，使之成為采樣信號x(nTs)的過程(其中Ts為采樣間隔)。為保證采樣后信號能真實(shí)地保留原始模擬信號信息，信號

41、采樣頻率必須至少為原信號中最高頻率成分的2倍。這是采樣的基本法則，稱為采樣定理。滿足采樣定理，只保證不發(fā)生頻率混疊，而不能保證此時(shí)的采樣信號能真實(shí)地反映原信號x(t)。實(shí)際中采樣頻率通常大于信號中最商頻率成分的3到5倍。量化把采樣信號的連續(xù)幅值變?yōu)橛邢迋€(gè)離散幅值的過程稱為量化。當(dāng)采樣信號的幅值落在兩個(gè)相鄰量化值之間時(shí)，就要舍入到相近的一個(gè)量化值上，量化值與實(shí)際幅值之差稱為量化誤差。編碼將經(jīng)過量化的值變?yōu)槎M(jìn)制數(shù)字的過程。信號轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)可識別的代碼，我們可以利用計(jì)算機(jī)對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理了。 332數(shù)據(jù)的預(yù)處理這里的處理是指基于計(jì)算機(jī)的數(shù)字處理而不是模擬處理。數(shù)據(jù)采集卡采集到的信號因多種原因有時(shí)是低

42、信噪比的微小信號并伴隨著各種噪聲。故應(yīng)對傳感檢測輸出的信號進(jìn)行預(yù)處理。所謂信號預(yù)處理，是指在對信號進(jìn)行加工、識別或評估前，對之進(jìn)行的處理。信號預(yù)處理的目的是去除或抑制噪聲，提高信噪比。常用的預(yù)處理方法主要有：(1)剔除錯(cuò)點(diǎn)(2)消除趨勢項(xiàng)(3)數(shù)字濾波(4)加平滑窗34信號分析儀的實(shí)現(xiàn)341信號分析模塊的實(shí)現(xiàn) 3411確定性信號的數(shù)據(jù)特征 圖3-5確定性信號的數(shù)據(jù)特征 3421確定性信號分析原理1時(shí)域分析相關(guān)分析相關(guān)分析是一種時(shí)域分析方法，可以描述兩個(gè)信號之間的關(guān)系或其相似程度，也可以描述同一信號的現(xiàn)在值和過去有無關(guān)系，或根據(jù)過去值、現(xiàn)在值估計(jì)未米值。相關(guān)分為自相關(guān)和互相關(guān)。(1)自相關(guān)函數(shù)自

43、相關(guān)函數(shù)用來描述一個(gè)時(shí)刻的取值與另一個(gè)時(shí)刻取值之間的依賴關(guān)系。設(shè)x(t)是某各態(tài)歷經(jīng)過程的一個(gè)記錄樣本(所謂各態(tài)歷經(jīng)過程是指樣本的集合平均等于時(shí)間平均)，x(t+)是x(t)時(shí)移后的樣本。x(t)的自相關(guān)函數(shù)定義為： (3-1) 自相關(guān)函數(shù)可應(yīng)用于檢測混淆在隨機(jī)噪聲中的確定性信號或提取噪聲中的周期信號，還可根據(jù)相關(guān)圖的形狀來判斷原信號的頻率成分 (2)互相關(guān)函數(shù) 一個(gè)系統(tǒng)中的一定測點(diǎn)上所得的信號與同一系統(tǒng)的另外一些測點(diǎn)的信號互相比較找出它們之間的關(guān)系，一般在時(shí)間歷程記錄上只能定性不能定量，為此在引入互相關(guān)函數(shù)的概念，互相關(guān)函數(shù)是表示兩組數(shù)據(jù)之間依賴關(guān)系的相關(guān)統(tǒng)計(jì)量，其函數(shù)定義為： (3-2)

44、互相關(guān)函數(shù)比自相關(guān)函數(shù)提供了更多信息。典型應(yīng)用如：利用兩個(gè)信號的互相延時(shí)和能量信息對傳輸通道進(jìn)行分析識別，檢測混淆在噪聲中的信號等。自相關(guān)分析只能檢測(或提取)混在噪聲中的周期信號。而互相關(guān)分析不限于從噪聲中提取周期信號，也有可能提取非周期信號，只要能設(shè)法建立相應(yīng)的參考信號即可。 圖3-6時(shí)域分析界面 2頻域分析對于確定性信號而言，在理論上，首先以時(shí)域描述為依據(jù)，運(yùn)用傅氏級數(shù)(對周期信號)或傅氏變換(對非周期信號)進(jìn)行時(shí)域至頻域的變換，得到頻域描述；然肝再對頻域描述做數(shù)學(xué)處理，從中提取幅值與相位頻譜函數(shù)。周期信號的傅里葉級數(shù)任何滿足狄里赫利條件的周期信號可分解為直流和許多余弦(或正弦)分量之和

45、，即 (3-3)式中， ，T為周期；n=1,2,3.或 (3-4)將上述展開的兩種形式結(jié)合起來，得到各階諧波的幅值和相位，即n階諧波的幅值n階諧波的相位 非周期信號的傅里葉變換 圖3-7 頻域分析界面 3422確定性信號分析模塊的實(shí)現(xiàn)確定性信號包括周期信號和瞬態(tài)信號。由于確定性信號在任意時(shí)刻的值都可以用確定的數(shù)學(xué)關(guān)系式來表達(dá)，凼此取到一定數(shù)量的信號值，即可得到該信號的數(shù)據(jù)特征。考慮到瞬態(tài)信號可能較難捕捉和觀察，本課題采用先采集定量數(shù)據(jù)，然后再進(jìn)行回放并分析的方法。因此確定性信號分析模塊分為兩個(gè)部分：數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理分析。這兩個(gè)部分通過點(diǎn)擊相應(yīng)的標(biāo)簽顯示。1.數(shù)據(jù)采集的實(shí)現(xiàn)(1)數(shù)據(jù)采集流程圖

46、 圖3-8數(shù)據(jù)采集流程 （2）數(shù)據(jù)采集參數(shù)定義（3） 數(shù)據(jù)采集面板程序 圖3-9數(shù)據(jù)采集界面第四章 信號發(fā)生器及演示實(shí)驗(yàn)單元的實(shí)現(xiàn)41信號發(fā)生器的實(shí)現(xiàn)當(dāng)要準(zhǔn)確控制信號的特性(如幅值、頻率和周期信號的相位等)或無法得到合適的信號源時(shí)用戶可以用該試驗(yàn)平臺(tái)生成信號而不依賴于實(shí)際采集到的信號。411信號發(fā)生器的功能信號發(fā)生器具有以下功能：周期信號發(fā)生器：正弦波、方波、三角波、鋸齒波隨機(jī)信號發(fā)生器：均勻白噪聲、高斯白噪聲等函數(shù)波形發(fā)生器：根據(jù)輸入公式產(chǎn)生波形線形調(diào)頻信號發(fā)生器：產(chǎn)生給定起始和終止頻率的Chirp(變頻)信號412信號發(fā)生器的實(shí)現(xiàn)原理信號發(fā)生器主要利用數(shù)據(jù)采集的DA功能，LabVIEW程序

47、在計(jì)算機(jī)內(nèi)產(chǎn)生所需信號，然后由數(shù)據(jù)采集卡通過DA模塊將數(shù)據(jù)在一定速率下輸出，從而可以得到適合用戶需求的各種信號。課題采用的PCI-6024E數(shù)據(jù)采集卡的DA最大采樣率為10 kSs，則輸出信號的最大頻率為：最大采樣率每周期輸出的數(shù)據(jù)量。例如，周期信號中的正弦波每周期輸出10個(gè)數(shù)據(jù)，則得到的最大輸出正弦信號的頻率為1010=l(kHz)。 413信號發(fā)生器的主界面 在Functions->AllFunctions->SignalAnalysis->Waveform Generation模板中，提供了一些常見信號。但這里發(fā)生的信號僅僅是仿真信號，配合Functions>Al

48、l Functions>Analog Output模板中的函數(shù)將仿真信號提供給DAC(數(shù)，模轉(zhuǎn)換器)，就可以向外界提供真正的模擬信號。DAQ卡的數(shù)，模轉(zhuǎn)換器具有將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成模擬信號的功能，該模塊就是利用這一功能，產(chǎn)生信號的。當(dāng)需要產(chǎn)生連續(xù)信號時(shí)，為了保證信號的連續(xù)性，需要使用循環(huán)緩沖區(qū)。通常情況下，緩沖區(qū)大小一般為每次寫入數(shù)據(jù)的兩倍。 圖4-1為信號發(fā)生器的主界面 圖4-1 信號發(fā)生器的主界面 點(diǎn)擊不同按鈕，進(jìn)入各種功能的信號發(fā)生器界面 圖4-2白噪聲發(fā)生器界面 圖4-3高斯白噪聲發(fā)生器界面 圖4-4 基本函數(shù)發(fā)生器界面 圖4-5 周期隨機(jī)噪聲發(fā)生器界面42演示實(shí)驗(yàn)單元的實(shí)現(xiàn) 將實(shí)驗(yàn)

49、課程常用的若干實(shí)驗(yàn)存放到該單元。當(dāng)用戶不具備硬件時(shí)，使用計(jì)算機(jī)配合幻燈片就可以完成教學(xué)演示實(shí)驗(yàn) 該單元包括圖4-6 所示實(shí)驗(yàn) 圖4-6 實(shí)驗(yàn)演示單元的主界面 點(diǎn)擊不同按鈕，進(jìn)入各種功能的實(shí)驗(yàn)演示單元界面 圖4-7 濾波實(shí)驗(yàn)演示單元 圖4-8 加窗實(shí)驗(yàn)演示單元 圖4-9 相關(guān)實(shí)驗(yàn)演示單元 圖4-10 調(diào)制解調(diào)演示實(shí)驗(yàn)單元 圖4-11 吉布斯現(xiàn)象仿真實(shí)驗(yàn)演示單元 圖4-12 自相關(guān)函數(shù)時(shí)域分析演示實(shí)驗(yàn)單元 圖4-13 正弦信號頻譜分析演示實(shí)驗(yàn)單元 圖4-14 周期信號合成仿真實(shí)驗(yàn)演示單元 圖4-15 周期信號分解仿真實(shí)驗(yàn)演示單元 圖4-16 報(bào)表生成單元 圖4-17程序說明界面第五章 結(jié)論與建議51結(jié)論虛擬儀器設(shè)計(jì)已經(jīng)成為測試和儀器技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要方向，在以培養(yǎng)高素質(zhì)高科技人才的大學(xué)開設(shè)虛擬儀器設(shè)計(jì)教學(xué)是勢在必行的，只有這樣才能滿足社會(huì)對大學(xué)教育的要求。建設(shè)現(xiàn)代化的教學(xué)、科研實(shí)驗(yàn)室是一項(xiàng)具有挑戰(zhàn)性的工作。虛擬儀器的產(chǎn)生和發(fā)展推動(dòng)了實(shí)驗(yàn)室的改革，將虛擬儀器引入實(shí)驗(yàn)室教學(xué)，能夠使高校的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容緊敢時(shí)代發(fā)展，培養(yǎng)出具有創(chuàng)新能力和創(chuàng)新意識的新型人才。開發(fā)和利用虛擬儀器教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)和建立虛擬儀器實(shí)