基于虛擬儀器技術的測試實驗教學平臺

1、南京工程學院畢業(yè)設計說明書（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虛擬儀器技術的發(fā)展和虛擬實驗室的引入4121虛擬儀器概述4122虛擬實驗室的引入613課題研究的任務和內(nèi)容6第二章 教學平臺的總體設計和硬件選擇821基于虛擬儀器的測試系統(tǒng)的構成8211測試系統(tǒng)的構成82. 12基于虛擬儀器的測試系統(tǒng)的構成922教學平臺的總體設計10221總體設計方案10222教學平臺的構成1023開發(fā)環(huán)境LabVlEW簡介10231 LabVIEW簡介10232本課題中LabVl EW的主要應用特點11233 LabVIEW程序的構成11

2、第三章 軟件總體設計及信號分析儀的實現(xiàn)1231軟件系統(tǒng)總體設計12311面板程序12312框圖程序13313主界面設計13321信號的分類16322信號的數(shù)據(jù)特征1633數(shù)據(jù)采集與預處理173.31數(shù)據(jù)采集1734信號分析儀的實現(xiàn)18341信號分析模塊的實現(xiàn)18第四章 信號發(fā)生器及演示實驗單元的實現(xiàn)2441信號發(fā)生器的實現(xiàn)24411信號發(fā)生器的功能24412信號發(fā)生器的實現(xiàn)原理24413信號發(fā)生器的主界面2442演示實驗單元的實現(xiàn)27第五章 結論與建議3651結論3652進一步研究建議36參考文獻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LabVIEW在NI數(shù)據(jù)采集卡以及傳感器實驗臺基礎上,研制開發(fā)了檢測技術實驗教學平臺。給出該實驗平臺的軟硬件構建方法,尤其是對平臺的實驗功能進行了詳細闡述,并通過實例驗證了該系統(tǒng)具有良好的實驗教學效果。同時該實驗平臺,利用LabVIEW中強大的網(wǎng)絡通信功能,實現(xiàn)了硬件設備的資源共享、數(shù)據(jù)共享以及實驗結果網(wǎng)絡發(fā)布,能夠最大限度地利用現(xiàn)有設備。不僅可以節(jié)省大量儀器設備的經(jīng)費投入,而且為教學提供了一種全新的現(xiàn)代化教學手段。基于虛擬儀器技術的測試實驗教學平臺的開發(fā)，平臺可以幫助學生形象生動的學習課本知識，將書本上的抽象理論具體的展現(xiàn)出來

4、有利于提高學生的學習興趣和學習效率，同時也提高了教學質(zhì)量。由于虛擬儀器是按照測量原理采用適當?shù)男盘柗治黾夹g和處理技術編制某種測量功能的軟件來實現(xiàn)測試的儀器，通過設計虛擬儀器的課程，可使學生在掌握了一定的軟硬件知識基礎上獲得更多實際應用的機會。與傳統(tǒng)的實驗課程相比，虛擬儀器教學更好地融合了理論與實踐相結合，使學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計使學生在學習的方式上更加靈活，也較容易掌握。由此可見，在課程的開設和學生的實際情況來講虛擬儀器教學都是可行的。 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高等學校測試類課程營遍存在教學儀器缺乏或陳舊、教學方式呆板的

5、情況 1.工程測試技術、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)基礎課和必修課程。通過這些課程的學習可以獲得測量原理、信號處理方法和計算機測量系統(tǒng)等方面的基礎知識，并掌握溫度、壓力、噪聲等常見物理量的測量和應用方法。鋇5試類課程實踐性較強，但由于受教學實驗條件限制，如實驗設備缺乏或陳舊，導致這類課程教學活動的基本模式是教師講、學生聽，側重課本內(nèi)容講授，實踐性環(huán)節(jié)偏少。學生常常感到課程的應用部分空洞；實驗部分缺乏實物對象；信號分析理論部分深奧、難懂。學生對課程用認識不足，嚴重影響教學效果。國外的一些高校則將測試類課程定位為實驗課，通過具體的儀器使用或演示，強調(diào)對

6、學生工程實踐能力、表達交流溝通能力等綜合素質(zhì)的培養(yǎng)。教學活動以教師為輔、學生為主。學生通過綜合型、研究型實驗過程中整體實驗構思、設計、實施和具體的操作環(huán)節(jié)，掌握課程知識、培養(yǎng)獨立思考和動手能力，而不僅僅是把知識停留在書本上。因此我國教學設各的更新和教學模式的轉變成為切實提高學生素質(zhì)的當務之急。 2學生實驗使用多臺儀器，實驗準備過程繁瑣，支持維護困難 以簡單的“學習使用示波器”實驗為例。實驗員需要準備：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。學生就需要檢查實驗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，接電前設定初始位置，打開后儀器預熱以及了解其它復雜旋鈕的使用等等一系

7、列知識。當實驗內(nèi)容有所增加，儀器儀表也將隨之增加，準備工作就更加繁瑣，多次實驗的器材準備工作對實驗室工作人員來說是異常繁重的。同時，學生需要付出更多的時間放在對儀器使用的學習上。有時甚至會把主要精力用在學習儀器的使用上，不是實驗本身。實驗儀器發(fā)生損壞后，維修需要專業(yè)人員。經(jīng)常會有這種現(xiàn)象；昂貴的進口儀器被擱置一旁，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工作也較為困難?？梢姡瑐鹘y(tǒng)儀器的使用費時費力，存在很多無法克服的弊端。 3.我國高校面臨實驗室設備革新，硬件更新費時費力 實驗教學相對于理論教學而言更具有直觀性、實踐性和創(chuàng)新性，實驗教學在加強學生素質(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。在實驗教學中，儀器是最基本的基礎，要保證試驗的開設和質(zhì)量，就要同時投入大量試驗儀器，而且隨著高校招生數(shù)量的擴大同一儀器設備應當具有一定的數(shù)量，才能滿足教學需求。由于各種客觀條件，一次性投入大量專用儀器是不現(xiàn)實的。還有一些學校目前仍在使用幾十年前引進的設備。這些設備體積龐大，功能單一，尤其是元件老化，嚴重的影響了教學和實驗的正常進行。而進行硬件更新需要大量資金投入，同時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技術的不斷發(fā)展以及相應學科高等教育課程教學內(nèi)容的更新，傳統(tǒng)儀器日益暴露出一些缺陷和不足。為了改善實驗條件、改革試驗教學方法、更

9、新試驗教學內(nèi)容、提高試驗教學課程的水平，把虛擬儀器引入實驗教學已成為一種必然趨勢。創(chuàng)建虛擬實驗平臺，取代多臺傳統(tǒng)實驗儀器。計算機+軟件(+輔助硬件)=多臺儀器！ 本課題利用LabVIEW軟件開發(fā)平臺在計算機屏幕上虛擬出儀器的面板，用戶可以通過鼠標或鍵盤操作面板上的旋鈕、開關和按鍵，設置各種工作參數(shù)，來控制和操作儀器。測量和分析結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儀器上的操作一樣直觀、方便、靈活。利用虛擬儀器開設綜合性、創(chuàng)新型實驗，使理論教學與實踐更好的緊密結合，教學更生動、更形象，全面提高學生工程素質(zhì)。同時還可以激發(fā)學生的實驗興趣，使學生的實驗技能、創(chuàng)

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

11、來設計高性價比的儀器系統(tǒng)，從而節(jié)省了大筆科研經(jīng)費，從經(jīng)濟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?shù)男盘柗治黾夹g和處理技術編制某種測量功能的軟件來實現(xiàn)測試的儀器，通過設計虛擬儀器的課程，可使學生在掌握了一定的軟硬件知識基礎上獲得更多實際應用的機會。與傳統(tǒng)的實驗課程相比，虛擬儀器教學更好地融合了理論與實踐相結合，使學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計使學生在學習的方式上更加靈活，也較容易掌握。由此可見，在課程的開設和學生的實際情況來講虛擬儀器教學都是可行的。12虛擬儀器技術的發(fā)展和虛擬實驗室的引入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)代儀器技術的核心，由于采用數(shù)字信號處理技術，現(xiàn)代電子系統(tǒng)一般采用硬件、軟件結合的方法實現(xiàn)，這樣大火提高了系統(tǒng)的靈活性、通用性和性價比，基于計算機的虛擬儀器技術。是目前先進儀器系統(tǒng)設計、開發(fā)的重要設計原則和實現(xiàn)基礎。 圖 1-1 虛擬儀器的構想虛擬儀器(Virtual Instrument，簡稱VI)是虛擬技術在儀器儀表領域中的一個重要應用。20世紀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的軟件組

13、成的測試系統(tǒng)，是一種由計算機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：可集成于自動控制、上業(yè)控制系統(tǒng)；可自由構建成專有儀器系統(tǒng)。它是以計算機作為儀器統(tǒng)一的硬件平臺，充分利用計算機獨具的運算、存儲、回放、調(diào)用、顯示以及文件管理等基本智能化功能，同時把傳統(tǒng)儀器的專業(yè)化功能和面板控件軟件化，使之與計算機結合起來融為一體，這樣便構成了一臺從外觀到功能都完全與傳統(tǒng)硬件儀器一致，同時又充分享用計算機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。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。如HP公司的HPVEE、NI公司的LabVIEW等。圖形化軟件開發(fā)平臺的提出，可以大大減輕系統(tǒng)開發(fā)人員的負擔，使其將主要精力集中投入到系統(tǒng)設計中，而不再是具體軟件細節(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算機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或計算機本身的ISA總線，將數(shù)據(jù)采集卡插入計算機的空槽中即可州。IIGBIB總線方式的虛擬儀器 GPIB技術是IEEE488標準

15、的虛擬儀器早期階段所采用的技術。它的出現(xiàn)使電子測量獨立的單臺手工操作向大規(guī)模自動溟4試系統(tǒng)發(fā)展。典型的GPIB系統(tǒng)由一臺PC機、一塊GPIB接口卡和若干臺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總線是一種高速計算機總線VvIE總線在領域的擴展，它具有穩(wěn)定的電源，強有力的冷卻能力和嚴格的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)核技術增加了成熟的技術規(guī)范和要求形成的。它增加了多板同步觸發(fā)總線的技術，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算機并行口的測試裝置

16、。 虛擬儀器的應用領域虛擬儀器應用領域很廣，在教學實驗、電子測量、分析測試、航空航天測控、工業(yè)過程控制等領域逐步代替?zhèn)鹘y(tǒng)的儀器儀表。因為虛擬儀器可與計算機同步發(fā)展，與網(wǎng)絡及其他周邊設備互聯(lián)，用戶只需改變軟件程序就可以不斷賦予它或擴展增強它的測量功能。虛擬儀器技術不僅在數(shù)據(jù)采集、自動測試和測量儀器領域得到廣泛應用，更促進和推動測試系統(tǒng)和測量儀器的設計方法與實現(xiàn)技術發(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發(fā)展的重要標志。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。PC計算機價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。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虛擬實驗室的引入虛擬實驗室的概念虛擬實驗室的概念，最早在1989年由美國的William wolf教授提出，用來描述一個計算機網(wǎng)絡化的虛擬實驗室環(huán)境。虛擬實驗室主要由虛擬儀器、虛擬實驗平臺和虛擬實驗組成。是指在計算機系統(tǒng)中采用各種技術實現(xiàn)的一種虛擬實驗環(huán)境，實驗者可以像在真實環(huán)境中一樣完成各種預定的實驗項目，所取得的學習或者5l練效果等價甚至優(yōu)于在真實的環(huán)境中所取得的效果。虛擬儀器實驗室可以應用于傳感技術、非電量測量技術、自動測試技術、測控技術、計算機控制技術、醫(yī)療儀器等課程的教學實驗和相關的課程設計、畢業(yè)設計上。近幾年，LabVIEW在國內(nèi)

18、教育領域得到迅速推廣，許多理工科院校建立了相關的虛擬儀器實驗室，并開設了LabVIEW和虛擬儀器的課程。虛擬儀器技術給傳統(tǒng)的教學研究帶來了巨大的變化，在教學實驗和科研中起著越來越重要的作用。國內(nèi)虛擬實驗室的建設狀況從90年代開始，國內(nèi)的一些大學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、重慶大學、國防大學、成都電子科技大學、中國科技大學、清華大學等。目前我國部分高校還正在積極開展虛擬儀器的研究工作，重點在于研制具有自主知識產(chǎn)權的虛擬儀器軟件平臺，并開發(fā)相應的虛擬儀器設備。 開發(fā)我國自己的虛擬儀器2004年11月。由吉林大學完成的“圖形化虛擬儀器開發(fā)平臺”項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，該平臺具有價格低廉、兼容性好等特點，比建設同樣的虛擬儀器研究實驗室能節(jié)約近23的資金。吉林大學先后開發(fā)了微型虛擬數(shù)字存儲示波器、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)，并已應用丁實踐。這些成果不但打破了國外圖形化虛擬儀器開發(fā)平臺的壟斷地位，而且進一步滿足了大專院校、科研單位在教學實驗、分析測量等方面，以及航空航天測控、工業(yè)過程控制等領域的實際需求。13課題研究的任務和內(nèi)容建立完善的虛擬實驗室系統(tǒng)，可以具體到某一專業(yè)的實驗室，形式也多種多樣，如配備齊全也需要較多投入，前

20、文諸多高校虛擬實驗室的配備就是如此。這種系統(tǒng)結構完善，可以滿足較多研究的需求，但并非適合所有學校。課題提出的教學試驗平臺則可以用軟件配合計算機以及輔助硬件滿足基本測試實驗的需求，從而大大簡化了虛擬實驗室的配備，為虛擬實驗室的推廣提出了一種相對價格低廉、易于實現(xiàn)的途徑。目前常見的虛擬實驗軟件大多是基于課件的，優(yōu)點是操作簡單、開發(fā)費用低、易于維護、表現(xiàn)形式生動。但是這種形式只能用于單純演示實驗，實驗者不能參加到實驗中去，交互性差。而市場上的T程測試軟件面向工程，不考慮教學的基礎性，也不適合學校使用。本課題針對教學需求，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)出一套適合高等學校實驗室<如測控技術、傳感器原理、信號處理等實驗室)的特色平臺。本文主要分為以下幾個部分：1、分析同類型虛擬儀器平臺的功能特點，根據(jù)目前高校測試實驗室的狀況及需求，進行特色教學平臺的總體結構設計。2、針對課題涉及到的信號采樣、預處理以及處理，分析其實現(xiàn)原理，確定軟件開發(fā)方案。3、針對實驗需求，設計出信號分析儀、信號發(fā)生器和演示實驗單元三大模塊，并將它們集成到統(tǒng)一的應用環(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)演示實驗單元4、給出具體實驗，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、對本課題的工作進行總結，給出進一步研究的

22、建議。第二章 教學平臺的總體設計和硬件選擇21基于虛擬儀器的測試系統(tǒng)的構成211測試系統(tǒng)的構成 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所示幾個部分構成： 圖2-1測試系統(tǒng)的構成傳感器將被測物理量(如噪聲、溫度等)檢出并轉換為電量，中間變換裝置對接收到的電信號用硬件電路進行分析處理或經(jīng)AD變換后用軟件進行信號分析，顯示記錄裝置則測量結果顯示出來，提供給觀察者或其它自動控制裝置。 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信號轉換 信號轉換電路將采集到的各種信號測量出來并轉換成為電信號(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 來自轉換電路的電信號一般不能用數(shù)據(jù)采集設備來測量，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。因此在將它們轉換為數(shù)字信號之前需要先進行處理，這項上作叫做信號調(diào)理。包括：放大衰減、濾波、隔離等。1)輸入放大或衰減器。用于對信號幅值進行調(diào)節(jié)，以適應AD轉換器的動態(tài)范圍；2)抗混淆濾波器。保證進入處理系統(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)理部份的關鍵件H。但當實際中輸入的原始信號已經(jīng)比較理想時，可以省略相應的信號條理模塊。 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)轉換器，信號處理系統(tǒng)的性能指標與其密切相關。嗣繞AD轉換器，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轉換期間保持輸入信號不變。在模擬輸入信號頻率較高時，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則可不用。2)時基信號發(fā)生器。產(chǎn)生定時脈沖信號，控制采樣。3)觸發(fā)系統(tǒng)。決定

25、采樣的開始點，為捕捉瞬時脈沖或進行同步平均而設。4)控制器。對多道數(shù)據(jù)采集進行控制，控制AD轉換器的工作狀態(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，然后用計算機進行處理。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)預處理：這里是信號分析之前，對信號用數(shù)字方法進行的處理。目的是進一步改善信號質(zhì)量，方便進一步處理。預處理部分主要包括以下幾種：錯點剔除、去趨勢項和數(shù)字濾波等。 (2)數(shù)據(jù)分析：這是整個系統(tǒng)的核心，它依托于計算機，來完成該系統(tǒng)任務所規(guī)定的各種分析和運算。 (3)結果顯示：結果顯示是為了顯示分析處理結果的數(shù)據(jù)、圖形而設置的。一般采用CRT屏幕顯

26、示；打印機打印結果或圖形；繪圖機繪出其相應的曲線等方式。為了讀數(shù)或讀圖的方便，在顯示結果時，往往可利用移動光標定位、選點、標定參數(shù)、顯示等多種輔助功能，來幫助讀取結果。2. 12基于虛擬儀器的測試系統(tǒng)的構成 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。這種結合又有兩種方式。一種是將計算機裝入儀器，其典型的例子是智能化儀器。隨著計算機功能的日益強大以及體積的縮小，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算機，以通用的計算機硬件為依托，實現(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備來實

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算機調(diào)用相應的軟件程序來實現(xiàn)。22教學平臺的總體設計221總體設計方案本課題的主要任務是在充分分析實驗室需求的基礎上，利用既有的數(shù)據(jù)采集設備(DAQ卡)開發(fā)出依托于計算機的功能性儀器，即虛擬儀器。該儀器包括信號分析儀、信號發(fā)生器以及演示實驗單元三部分。222教學平臺的構成教學平臺主要由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)構成。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)多路開關轉換在軟件設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)存儲單元

28、進入計算機的顯示緩沖區(qū)，最后由圖形設備接口函數(shù)將數(shù)據(jù)轉化成相應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)動程序和數(shù)據(jù)采集程序幾個部分組成。數(shù)據(jù)采集設備主要功能是將模擬信號轉換為數(shù)字信號，此外還有放大、采樣保持、多路復用、數(shù)據(jù)緩存等功能。硬件驅(qū)動程序是應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，會自動安裝NI-DAQ70軟件，它包含兩個驅(qū)動程序：傳統(tǒng)NI-DAQ和NI-DAQmx。這兩個驅(qū)動程序各自有單獨的應用程序編

29、程接口API，分別有不同的硬件和軟件設置方法，岡此也形成了兩套獨立的數(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)，通過軟件編程實現(xiàn)對信號的采樣?？梢酝ㄟ^軟件設置采樣頻率、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。通過程序設計，對采集到的信號進行顯示、分析、保存、打印等處理，同時還有信號發(fā)生器、提供演示實驗的功能。其功能通過編程由計算機來完成，依托計算機強大的分析計算能力，對采集到的信號進行分析處理。采集或分析完成的數(shù)據(jù)可以保存到計算機內(nèi)，也可以對外輸出，還可以通過網(wǎng)絡傳輸給其他用戶使用。因此，其終端可以是計算機、圖形用戶接口進行網(wǎng)絡傳輸或其它數(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)是虛擬儀器技術的主要倡導者和貢獻者。其創(chuàng)新軟件LabVIEW(Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench)采用圖形化程序設計，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)平臺事實上的工業(yè)標準，在研究、制造和開發(fā)的眾多領域得到廣泛應用。從簡單的儀器控制數(shù)據(jù)采集到尖端的測試和工業(yè)自動化，從大學實驗室到工廠，從探索研究到技術集成，人們都可以發(fā)現(xiàn)LabVIEW應用的成果和開發(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應用與發(fā)展的重要基礎，得到上業(yè)界和學術界的廣泛關注。課題使用的版本為LabLIEW 2009。LabVIEW是一種高效圖形化應用開發(fā)環(huán)境，結合了簡單易用的圖形化開發(fā)方式和靈活強大的編程語言。它提供給用戶一個直覺性環(huán)境，并通過與測量硬件的密切結合，讓開發(fā)者迅速開發(fā)出有關數(shù)據(jù)采集利控制，數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)顯示的應用系統(tǒng)，測量和自動化解決方案。232本課題中LabVl EW的主要應用特點 針對數(shù)據(jù)采集：LabVIEW提供給用戶一個開放式的開發(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)、自動代碼生成以及與大量設備的簡易連

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。針對結果顯示：LabVIEW提供一系列工具用于數(shù)據(jù)顯示、用戶界面設計、報告生成、數(shù)據(jù)管理及軟件連接。233 LabVIEW程序的構成 在LabVIEW環(huán)境下開發(fā)的程序稱為虛擬儀器VI(Virtual Instruments)，文件擴展名為VI。一個完整的LabVlEW程序由前面板、程序框圖和圖標連接端口組成。 (1)面板程序(Panel) 前面板是的交互式用戶接口，用戶可以設置旋鈕、按鍵、開關、圖表等工具，與真實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和連線構成的。VI從程序框圖中接收指令，執(zhí)行操作。 (3)圖標連接端口(1eonTerminal) VI圖標和連接端口就像一個圖形化參數(shù)列表，可在各個VI之間傳遞數(shù)據(jù)。第三章 軟件總體設計及信號分析儀的實現(xiàn)31軟件系統(tǒng)總體設計LabVIEW環(huán)境中創(chuàng)建的任何一個VI都可以被其他VI作為子VI調(diào)用，子VI相當于文本編程語言中的子程序。教學平臺采用模塊化的編程方法，將各個模塊分成相對獨立的子VI，由主控程序完成對它們的調(diào)用。軟件系統(tǒng)

34、的總體結構如圖3-1所示： 教學實驗平臺 信號發(fā)生器 實驗演示單元 信號分析儀周期隨機信號白噪聲發(fā)生器高斯白噪聲發(fā)生器1. 濾波2. 加窗3. 相關4. 調(diào)制解調(diào)5. 吉布斯現(xiàn)象6. 自相關函數(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. 實驗報表生成頻域時域分析濾波數(shù)據(jù)采集基本函數(shù)圖3-1 教學實驗平臺總體結構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)構成。面板程序設計原則：(1)易用性原則：作為與用戶的唯一

35、接口，面板的設計應該盡可能接近于真實的儀器，各個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：要充分考慮各個實驗內(nèi)容的特點和實驗的基本步驟，在與學生的對話中將實驗演示出來。針對每一個實驗，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提示，并將這些提示較為完善地結合到實際的操作界面中。(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)?，相當于傳統(tǒng)編程語言程序中的源代碼。框圖程序由節(jié)點(Node)、端口(Terminal)和數(shù)據(jù)連線(Wire)組成。 框圖程序設計原則： (1)遵循從左到右、從上到下的順序編

36、排程序的節(jié)點。 (2)盡量避免程序框圖擴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邏輯上的單元，即創(chuàng)建一個子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)點圖標下連線，以免線段被隱藏或誤認。 (5)為了節(jié)省框圖程序空間，不必為函數(shù)和子顯示標簽，但常數(shù)有必要顯示標簽。 (6)使用自有標簽為程序框圖增加必要的注釋，增加程序的可讀性。313主界面設計平臺圖標如圖3-2所示，點擊“ENTER”按鈕進入操作平臺主界面，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，是指傳遞某個實際系統(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，如機械運動、噪聲、力、溫度等等。為了便于研究，常常把這些物理現(xiàn)象進行測量，把被測的物理量以及由該物理量轉換所得的量統(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)學關系式描述。確定性信號分為周期信號和非周期信號。2隨機信號隨機信號是一種非確定性的信號，不能用精確的數(shù)學關系式來描述，無法預測任意時刻的精確值的信號稱為隨機信號，它只能用概率術語利統(tǒng)計平均來描述。隨

38、機信號分為平穩(wěn)隨機信號和非平穩(wěn)隨機信號。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，是我們分析的基本信號類型。隨機信號中的各態(tài)歷經(jīng)信號，其統(tǒng)計特性和時間原點的選取無關，統(tǒng)計平均可以用一個樣本序列在一個較長時間內(nèi)的平均值來代替，這樣在解決實際問題時，可以節(jié)約大量時間。同時，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信號中的各態(tài)歷經(jīng)平穩(wěn)隨機信號。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間

39、域中的峰值、有效值、絕對平均值、相關性；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)的特點是唯一確定的，且可用數(shù)學表達式精確描述，所以處理確定性信號的方法是導出其表達公式或只須依據(jù)其任意一次測量的任意一段信號記錄進行分析即可。2隨機信號的數(shù)據(jù)特征隨機信號的數(shù)據(jù)特征，不能用精確的數(shù)學關系式來描述，因為每次的測量結果都不一樣。對于隨機信號的測量，相同條件r的一系列重復實驗，其可能結果雖不樣，實驗前也不能確切預知，但通過大量重復實驗，其結果就會出現(xiàn)某種統(tǒng)計規(guī)律性。因此，隨機信號處理的主要理論基礎是統(tǒng)計理論和隨機過程理論。隨機信號的基本統(tǒng)計特性可以通過時間域中的均值、均方值(均方根值)、方差(標

40、準差)、自相關函數(shù)、互相關函數(shù)，頻率域中的自功率譜密度、互譜密度、頻率特性等統(tǒng)計數(shù)字特征來描述。對數(shù)據(jù)分析時，要充分考慮信號的特點，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換電路轉換為模擬電信號，再通過數(shù)據(jù)采集設備經(jīng)采樣、量化、編碼轉換為計算機可識別的二進制的數(shù)字信號。在進行分析處理以前，還可能需要對這些信號進行一些必要的處理，稱為預處理。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，而不能保證此時的采樣信號能真實地反映原信號x(t)。實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€離散幅值的過程稱為量化。當采樣信號的幅值落在兩個相鄰量化值之間時，就要舍入到相近的一個量化值上，量化值與實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制數(shù)字的過程。信號轉換成計算機可識別的代碼，我們可以利用計算機對數(shù)據(jù)進行處理了。 332數(shù)據(jù)的預處理這里的處理是指基于計算機的數(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是低

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

43、相關函數(shù)用來描述一個時刻的取值與另一個時刻取值之間的依賴關系。設x(t)是某各態(tài)歷經(jīng)過程的一個記錄樣本(所謂各態(tài)歷經(jīng)過程是指樣本的集合平均等于時間平均)，x(t+)是x(t)時移后的樣本。x(t)的自相關函數(shù)定義為： (3-1) 自相關函數(shù)可應用于檢測混淆在隨機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)相關圖的形狀來判斷原信號的頻率成分 (2)互相關函數(shù) 一個系統(tǒng)中的一定測點上所得的信號與同一系統(tǒng)的另外一些測點的信號互相比較找出它們之間的關系，一般在時間歷程記錄上只能定性不能定量，為此在引入互相關函數(shù)的概念，互相關函數(shù)是表示兩組數(shù)據(jù)之間依賴關系的相關統(tǒng)計量，其函數(shù)定義為： (3-2)

44、互相關函數(shù)比自相關函數(shù)提供了更多信息。典型應用如：利用兩個信號的互相延時和能量信息對傳輸通道進行分析識別，檢測混淆在噪聲中的信號等。自相關分析只能檢測(或提取)混在噪聲中的周期信號。而互相關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，只要能設法建立相應的參考信號即可。 圖3-6時域分析界面 2頻域分析對于確定性信號而言，在理論上，首先以時域描述為依據(jù)，運用傅氏級數(shù)(對周期信號)或傅氏變換(對非周期信號)進行時域至頻域的變換，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刻的值都可以用確定的數(shù)學關系式來表達，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)，然后再進行回放并分析的方法。因此確定性信號分析模塊分為兩個部分：數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理分析。這兩個部分通過點擊相應的標簽顯示。1.數(shù)據(jù)采集的實現(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)生器及演示實驗單元的實現(xiàn)41信號發(fā)生器的實現(xiàn)當要準確控制信號的特性(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用戶可以用該試驗平臺生成信號而不依賴于實際采集到的信號。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、在計算機內(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)，模轉換器)，就可以向外界提供真正的模擬信號。DAQ卡的數(shù)，模轉換器具有將數(shù)字信號轉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。當需要產(chǎn)生連續(xù)信號時，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 點擊不同按鈕，進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 周期隨機噪聲發(fā)生器界面42演示實驗單元的實現(xiàn) 將實驗

49、課程常用的若干實驗存放到該單元。當用戶不具備硬件時，使用計算機配合幻燈片就可以完成教學演示實驗 該單元包括圖4-6 所示實驗 圖4-6 實驗演示單元的主界面 點擊不同按鈕，進入各種功能的實驗演示單元界面 圖4-7 濾波實驗演示單元 圖4-8 加窗實驗演示單元 圖4-9 相關實驗演示單元 圖4-10 調(diào)制解調(diào)演示實驗單元 圖4-11 吉布斯現(xiàn)象仿真實驗演示單元 圖4-12 自相關函數(shù)時域分析演示實驗單元 圖4-13 正弦信號頻譜分析演示實驗單元 圖4-14 周期信號合成仿真實驗演示單元 圖4-15 周期信號分解仿真實驗演示單元 圖4-16 報表生成單元 圖4-17程序說明界面第五章 結論與建議51結論虛擬儀器設計已經(jīng)成為測試和儀器技術發(fā)展的一個重要方向，在以培養(yǎng)高素質(zhì)高科技人才的大學開設虛擬儀器設計教學是勢在必行的，只有這樣才能滿足社會對大學教育的要求。建設現(xiàn)代化的教學、科研實驗室是一項具有挑戰(zhàn)性的工作。虛擬儀器的產(chǎn)生和發(fā)展推動了實驗室的改革，將虛擬儀器引入實驗室教學，能夠使高校的實驗教學內(nèi)容緊敢時代發(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實驗系統(tǒng)和建立虛擬儀器實