基于LabVIEW的實驗教學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計

基于LabVIEW的實驗教學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計PAGE331．緒論1.1課題背景在電工及電子類課程中，實驗是一種重要的教學(xué)手段，學(xué)生通過做實驗，可以加深對所學(xué)知識的理解，增強(qiáng)學(xué)習(xí)的興趣，提高動手能力，鍛煉在實踐中發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題的能力。但是，近年來各大高校紛紛擴(kuò)招，學(xué)生人數(shù)急劇增加，實驗室的設(shè)備和規(guī)模都難以滿足需要，實驗室常規(guī)設(shè)備有的己經(jīng)老化，有的技術(shù)上有些落后，在當(dāng)前學(xué)校經(jīng)費(fèi)較少的情況下，如果大量增加常規(guī)儀器、儀表的配置，學(xué)校財力難以支付。又因為基礎(chǔ)實驗室是面向所有的工科專業(yè)，任務(wù)異常繁重，實驗室常常只能應(yīng)付學(xué)生按教學(xué)大綱要求做一些最簡單的驗證實驗，學(xué)生很少有機(jī)會去反復(fù)熟悉常用儀器儀表的使用，更很少有機(jī)會做設(shè)計性實驗，這對調(diào)動學(xué)生積極性，培養(yǎng)創(chuàng)新精神，加強(qiáng)實踐動手能力都十分不利。虛擬儀器的出現(xiàn)很好的解決了這個問題。美國國家儀器公司（NationalInstruments）在20世紀(jì)80年代最早提出虛擬儀器（VirtualInstrument）的概念，同時推出了用于虛擬儀器開發(fā)的工程軟件包LabVIEW。NI公司宣稱“TheSoftwareistheInstrument”，即“軟件就是儀器”[1]。虛擬儀器利用現(xiàn)有的計算機(jī)，加上特殊設(shè)計的儀器硬件和專用軟件，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高檔低價的新型儀器。虛擬儀器是計算機(jī)技術(shù)與電子儀器相結(jié)合而產(chǎn)生的一種新的儀器模式。它通常是由個人計算機(jī)、模塊化的功能硬件與用于數(shù)據(jù)分析、過程通信及圖形用戶界面的應(yīng)用軟件有機(jī)結(jié)合構(gòu)成，使計算機(jī)成為一個具有各種測量功能的數(shù)字化測量平臺。它利用軟件在屏幕上生成各種儀器面板，完成對數(shù)據(jù)的處理、表達(dá)、傳送、存儲、顯示等功能。虛擬儀器的出現(xiàn)是儀器發(fā)展史上的一場革命，代表著儀器發(fā)展的最新方向和潮流，對科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和工業(yè)生產(chǎn)的進(jìn)步將產(chǎn)生不可估量的影響，同時對改善高校實驗教學(xué)儀器設(shè)備，提高教學(xué)質(zhì)量也是一個福音。在虛擬儀器系統(tǒng)中，用計算機(jī)靈活強(qiáng)大的軟件代替?zhèn)鹘y(tǒng)儀器的某些部件，用人的智力資源代替許多物質(zhì)資源，通過一組軟件和硬件，形成既有普通儀器的基本功能，又有一般儀器所不具備的特殊功能的新型儀器結(jié)合數(shù)據(jù)庫技術(shù)和軟件技術(shù)，可以在虛擬儀器的基礎(chǔ)上形成虛擬儀器實驗室。與傳統(tǒng)的實驗室相比，虛擬儀器實驗室具有以下優(yōu)勢:（1）為減少實驗設(shè)備資金的投入。首先，在一臺計算機(jī)上就可以實現(xiàn)諸如示波器、函數(shù)發(fā)生器、電壓表、頻譜分析儀等儀器的功能，大大節(jié)約了儀器成本。其次，傳統(tǒng)儀器維護(hù)費(fèi)用高，需要耗費(fèi)大量的人力物力。虛擬儀器基于軟件的體系結(jié)構(gòu)大大節(jié)省了開發(fā)和維護(hù)費(fèi)用。（2）便于開放式管理，擴(kuò)大教學(xué)規(guī)模。虛擬儀器實驗室系統(tǒng)可以通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送，指導(dǎo)老師通過計算機(jī)監(jiān)控實驗過程，可以同時管理幾十甚至上百個學(xué)生做實驗。1.2虛擬儀器發(fā)展前景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)。許多大型儀器公司均在虛擬儀器市場上占有一席之地。1988年國際上開始有虛擬儀器產(chǎn)品面市，當(dāng)時只有五家制造商推出的30種產(chǎn)品。此后，虛擬儀器產(chǎn)品每年成倍增加，到1994年底，虛擬儀器制造廠已達(dá)95家共生產(chǎn)1000多種虛擬儀器產(chǎn)品，銷售額達(dá)2.93億美元，占整個儀器銷售額73億的4%。目前，我國正處于科學(xué)技術(shù)和教育事業(yè)蓬勃發(fā)展的新時期，對儀器設(shè)備的需求將更加強(qiáng)勁。虛擬儀器賴以生存的PC計算機(jī)近幾年正以迅猛的勢頭席卷全國，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)儀器的替代品，市場容量巨大。據(jù)統(tǒng)計，1998年我國進(jìn)口電子測量儀器73.5臺，價值32億美元。據(jù)專家預(yù)測，到本世紀(jì)初我國將有50%的儀器為虛擬儀器。以上統(tǒng)計數(shù)字表明，虛擬儀器具有廣闊的發(fā)展前景。但同時也應(yīng)認(rèn)識到，現(xiàn)在我國的科技水平還相對落后，每年需要花費(fèi)大量的外匯進(jìn)口電子儀器產(chǎn)品。如何發(fā)展我國自己的儀器產(chǎn)品，尤其是具有廣闊發(fā)展前景的虛擬儀器，是我們應(yīng)該迫切解決的問題。2．虛擬儀器及LabVIEW介紹2.1虛擬儀器技術(shù)2.1.1虛擬儀器基本概念所謂虛擬儀器，就是在以計算機(jī)為核心的硬件平臺上，其功能由用戶設(shè)計和定義，具有虛擬面板，其測試功能由測試軟件實現(xiàn)的一種計算機(jī)儀器系統(tǒng)。虛擬儀器的實質(zhì)是利用計算機(jī)顯示器的顯示功能來模擬傳統(tǒng)儀器的控制面板，以多種形式表達(dá)輸出檢測結(jié)果;利用計算機(jī)強(qiáng)大的軟件功能實現(xiàn)信號數(shù)據(jù)的運(yùn)算、分析和處理;利用1/O接口設(shè)備完成信號的采集測量與調(diào)理，從而完成各種測試功能的一種計算機(jī)測試系統(tǒng)。使用者用鼠標(biāo)或鍵盤操作虛擬面板，就如同使用專用測量儀器一樣。因此，虛擬儀器的出現(xiàn)，使測量儀器與計算機(jī)的界限模糊了。虛擬儀器的“虛擬”兩字主要包含以下兩方面的含義:(1)虛擬儀器的面板是虛擬的虛擬儀器面板上的各種“圖標(biāo)”與傳統(tǒng)儀器面板上的各種“器件”所完成的功能是相同的:由各種開關(guān)、按鈕、顯示器等圖標(biāo)實現(xiàn)儀器電源的“通”、“斷’，實現(xiàn)被測信號的“輸入通道”、“放大倍數(shù)”等參數(shù)的設(shè)置，以及實現(xiàn)測量結(jié)果的“數(shù)值顯示”、“波形顯示”等。傳統(tǒng)儀器面板上的器件都是“實物”，而且是由“手動”和“觸摸”進(jìn)行操作的:虛擬儀器前面板是外形與實物相像的“圖標(biāo)”，每個圖標(biāo)的“通’、“斷”、“放大”等動作通過用戶操作計算機(jī)鼠標(biāo)或鍵盤來完成。因此，設(shè)計虛擬儀器前面板就是在前面板設(shè)計窗口中擺放所需的圖標(biāo)，然后對圖標(biāo)的屬性進(jìn)行設(shè)置。<2)虛擬儀器測量功能是通過對圖形化軟件流程圖的編程來實現(xiàn)的。虛擬儀器是在以PC為核心組成的硬件平臺支持下，通過軟件編程來實現(xiàn)儀器的功能。因為可以通過不同測試功能軟件模塊的組合來實現(xiàn)多種測試功能，所以，在硬件平臺確定后，就有“軟件就是儀器”的說法。這也體現(xiàn)了測試技術(shù)與計算機(jī)深層次的結(jié)合。虛擬儀器技術(shù)的實質(zhì)是充分利用最新的計算機(jī)技術(shù)實現(xiàn)和擴(kuò)展傳統(tǒng)儀器的功能。軟件是虛擬儀器的關(guān)鍵，當(dāng)硬件確定以后，就可以通過不同的軟件實現(xiàn)不同的功能。下列框圖反映了常見虛擬儀器方案：信信號調(diào)理數(shù)據(jù)采集卡數(shù)據(jù)處理虛擬儀器面板被測對象圖2-1常見虛擬儀器應(yīng)用方案2.1.2虛擬儀器硬件平臺構(gòu)成虛擬儀器的硬件平臺有兩大部分：(1)計算機(jī)：一般為一臺PC機(jī)或者工作站，它是硬件平臺的核心。虛擬儀器使用的個人計算機(jī)中，微處理器和總線成為最重要的因素。其中，微處理器的發(fā)展是最迅速的，它使虛擬儀器的能力得到極大地提高。80年代末制造的虛擬儀器頻率分析儀完成一個1024點(diǎn)的快速傅立葉變換需要1秒鐘的時間；今天的系統(tǒng)可以在1毫秒內(nèi)完成同樣的運(yùn)算，速度提高了一千倍。這意味著，如果以前人們是用虛擬儀器來做快速傅立葉變換觀察信號，那么今天可以利用它進(jìn)行高速的實時運(yùn)算，并將之應(yīng)用于過程控制和其它控制系統(tǒng)中?？偩€技術(shù)的發(fā)展也為提高虛擬儀器的處理能力提供了必要的支持。PCI總線性能比ISA總線提高了近十倍，使得微處理器能夠更快地訪問數(shù)據(jù)。使用ISA總線時，插在電腦中的數(shù)據(jù)采集板的采集速度最高為2MBps；使用PCI總線時，最高采集速度可提高到132MBps。由于總線速度的大大提高，現(xiàn)在可以同時使用數(shù)塊數(shù)據(jù)采集板，甚至圖象數(shù)據(jù)采集也可以和數(shù)據(jù)采集結(jié)合在一起。 (2)I/O接口設(shè)備：主要完成被測信號的采集、放大、模/數(shù)轉(zhuǎn)換?？筛鶕?jù)不同情況采用不同的I/O接口硬件設(shè)備，如數(shù)據(jù)采集卡（DAQ）、GPIB總線儀器、VXI總線儀器模塊、串口儀器等，虛擬儀器構(gòu)成方式有五種類型，如圖2-2框圖所示。LabVIEW提供了各種圖形化驅(qū)動程序，使用者不必熟悉PCI計算機(jī)總線、GPIB總線、VXI總線、串口總線，利用LabVIEW提供的圖形化驅(qū)動程序就可以驅(qū)動上述各種總線的I/O接口設(shè)備，實現(xiàn)對被測信號的輸入、數(shù)據(jù)采集、放大與模/數(shù)轉(zhuǎn)換，進(jìn)而供計算機(jī)進(jìn)一步分析處理。雖然這五種系統(tǒng)有很大的差別，但是無論那種VI系統(tǒng)，都是通過應(yīng)用軟件將儀器硬件與通用計算機(jī)相結(jié)合。被測信號被測信號PC—DAQGPIB儀器串口儀器VXI模塊PXI模塊計算機(jī)圖2-2虛擬儀器的構(gòu)成方式考慮到PC—DAQ/PCI插卡式虛擬儀器在五種虛擬儀器系統(tǒng)中，是虛擬儀器最基本最廉價的構(gòu)成形式。在經(jīng)費(fèi)不足或時間不充裕的情況下經(jīng)常被采用，下面就對這種虛擬儀器系統(tǒng)做簡單的介紹。它的硬件平臺主要有PC計算機(jī)和數(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：1.多路開關(guān)。將各路信號輪流切換的放大器的輸入端，實現(xiàn)多參數(shù)多路信號的分時采集。2.放大器。將前一級多路開關(guān)切換進(jìn)入待采集信號放大（或衰減）至采樣環(huán)節(jié)的量程范圍內(nèi)。通常實際系統(tǒng)中放大器作成增益可調(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)。3.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A/D轉(zhuǎn)換過程中保持信號不變，如果被測信號變化很緩慢，也可以不用采樣/保持器。4.A/D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/保持器同A/D轉(zhuǎn)換器集成在一塊芯片上。以上四個部分都處在計算機(jī)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、總線接口電路等集成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、放大及模/數(shù)轉(zhuǎn)換任務(wù)。PC--DAQ/PCI插卡式虛擬儀器系統(tǒng)充分利用了PC計算機(jī)的機(jī)箱、總線、電源及軟件資源，但是因而也受到PC計算機(jī)機(jī)箱環(huán)境和計算機(jī)總線的限制，存在諸多的不足，如電源功率不足、散熱條件差等。2.1.3軟件系統(tǒng)軟件系統(tǒng)包括應(yīng)用軟件和I/O驅(qū)動軟件：應(yīng)用程序。包含兩個方面的程序：實現(xiàn)虛擬面板功能的前面板軟件程序。定義測試功能的流程圖軟件程序。I/O接口儀器驅(qū)動程序。這類程序用來完成特定外部硬件設(shè)備的擴(kuò)展、驅(qū)動和通信。大部分虛擬儀器開發(fā)環(huán)境均提供一定程度的I/O設(shè)備支持。許多I/O驅(qū)動程序已經(jīng)集成在開發(fā)環(huán)境中。以LabVIEW為例，他能夠支持串行接口、GPIB及VXI等標(biāo)準(zhǔn)總線和多種數(shù)據(jù)采集板，LabVIEW還可以驅(qū)動許多儀器公司的儀器，如Hewlett-Packard，Philips，Tektronix，B&K,Fluke等。同時，LabVIEW還可調(diào)用Windows動態(tài)連接庫和用戶自定義的動態(tài)連接庫中的函數(shù)，以解決對某些非NI公司支持的標(biāo)準(zhǔn)硬件在使用過程中的驅(qū)動問題。2.2虛擬儀器的功能與特點(diǎn)2.2.1虛擬儀器的功能虛擬儀器利用個人計算機(jī)強(qiáng)大的圖形環(huán)境和在線幫助功能，建立虛擬儀器面板，完成儀器的控制，數(shù)據(jù)分析與顯示，代替?zhèn)鹘y(tǒng)儀器，改變傳統(tǒng)儀器的使用方式，提高儀器的功能和使用效率，大幅度降低儀器的價格，使用戶可以根據(jù)自己的需要定義儀器的功能。虛擬儀器廣泛應(yīng)用于信號處理、電子測量、電力工程、物礦探測、醫(yī)療、振動分析、聲學(xué)分析、故障診斷及教學(xué)科研等諸多領(lǐng)域。其中，最廣泛的應(yīng)用是取代傳統(tǒng)的臺式儀器。高等學(xué)校特別是理工科學(xué)校，教學(xué)、科研需要大量的測量分析儀器設(shè)備，特別是實驗教學(xué)，每種儀器都必須配置多套，而且有的儀器設(shè)備價格昂貴，因此儀器設(shè)備所需投資巨大，一般學(xué)校很難滿足，造成許多學(xué)校儀器設(shè)備缺乏和過時陳舊等現(xiàn)象，嚴(yán)重影響教學(xué)科研。如果運(yùn)用虛擬儀器系統(tǒng)，情況就大不一樣了。使用虛擬儀器不但可以節(jié)約大量儀器設(shè)備的經(jīng)費(fèi)投入，而且能夠提高教學(xué)科研的質(zhì)量與效率。2.2.2虛擬儀器的特點(diǎn)現(xiàn)代化生產(chǎn)要求電子儀器品種多、功能強(qiáng)、精度高、自動化程度高，而且要求測試速度快、實時性好、具有良好的人機(jī)界面。虛擬儀器正好可以滿足這些要求。與傳統(tǒng)儀器相比，虛擬儀器具有如下優(yōu)點(diǎn)：虛擬儀器具有開放性、模塊化、可重復(fù)使用及互換性等特點(diǎn)。在一定通用硬件模塊和軟件環(huán)境的支持下，用戶可以根據(jù)實際情況夠設(shè)自己的測試方案，以完成不同的測試任務(wù)。用戶自定義性。用戶可以自行定義虛擬儀器的功能，通過對軟件模塊的擴(kuò)充，相當(dāng)于購買一臺新儀器。虛擬儀器使得用戶能夠根據(jù)自己的需要定義儀器功能，而不像傳統(tǒng)儀器那樣，受到儀器廠商的限制。2.3虛擬儀器開發(fā)平臺介紹2.3.1LabVIEW應(yīng)用程序的構(gòu)成所有的LabVIEW應(yīng)用程序，即虛擬儀器（NI），它包括前面板（frontpanel）、流程圖（blockdiagram）以及圖標(biāo)/連接器（icon/connector）三部分。1.前面板前面板是圖形用戶界面，也就是VI的虛擬儀器面板，這一界面上有用戶輸入和顯示輸出兩類對象，具體表現(xiàn)有開關(guān)、旋鈕、圖形以及其他控制（control）和顯示對象（indicator）。2.流程圖流程圖也稱為后面板，提供VI的圖形化源程序。在流程圖對VI編程，以控制和操縱定義在前面板上的輸入和輸出功能。流程圖中包括前面板上的控件和連線端子，還有一些前面板上沒有，但編程必須有的東西，例如函數(shù)、結(jié)構(gòu)和連線等。3.圖標(biāo)/連接器VI具有層次化和結(jié)構(gòu)化的特征。一個VI可以作為子程序，這里稱為子VI（SubVI），被其他VI調(diào)用。圖標(biāo)與連接器在這里相當(dāng)于圖形化的參數(shù)。2.3.2LabVIEW的操作模板在LabVIEW的用戶界面上，應(yīng)特別注意它提供的操作模板，包括工具（Tools）模板、控制（Controls）模板和函數(shù)（Functions）模板。這些模板集中反映了該軟件的功能與特征。1.工具模板（ToolsPalette）該模板提供了各種用于創(chuàng)建、修改和調(diào)試VI程序的工具，如圖2-3所示。如果該模板沒有出現(xiàn)，則可以在Windows菜單下選擇ShowToolsPalette命令以顯示該模板。當(dāng)從模板內(nèi)選擇了任一種工具后，鼠標(biāo)箭頭就會變成該工具相應(yīng)的形狀。當(dāng)從Windows菜單下選擇了ShowHelpWindow功能后，把工具模板內(nèi)選定的任一種工具。圖2-3LabVIEW模板光標(biāo)放在流程圖程序的子程序（SubVI）或圖標(biāo)上，就會顯示相應(yīng)的幫助信息。2.控制模板（ControlsPalette）該模板用來給前面板設(shè)置各種所需的輸出顯示對象和輸入控制對象。每個圖標(biāo)代表一類子模板。如果控制模板不顯示，可以用Windows菜單的ShowControlsPalette功能打開它，也可以在前面板的空白處，點(diǎn)擊鼠標(biāo)右鍵，以彈出控制模板?？刂颇０迦缦聢D2-4所示，它包括如下所示的一些子模板。圖2-4LabVIEW的控制模板3.功能模板（FunctionsPalette）圖2-5LabVIEW的功能模板功能模板是創(chuàng)建流程圖程序的工具。該模板上的每一個頂層圖標(biāo)都表示一個子模板。若功能模板不出現(xiàn)，則可以用Windows菜單下的ShowFunctionsPalette功能打開它，也可以在流程圖程序窗口的空白處點(diǎn)擊鼠標(biāo)右鍵以彈出功能模板，功能模板如圖2-5所示。2.3.3LabVIEW（LaboratoryVirtualInstrumentEngneeringWorkbench）是由美國國家儀器公司（NI）在1986年推出的一種基于圖形編程語言（G語言）的開發(fā)環(huán)境，它具有十分強(qiáng)大的功能，包括數(shù)值函數(shù)運(yùn)算、數(shù)據(jù)采集、信號處理、輸入/輸出控制、信號生成、圖象的獲取、處理和傳輸?shù)鹊?。LabVIEW與C，Pascal，Basic等傳統(tǒng)編程語言有著諸多相似之處，如相似的數(shù)據(jù)類型、數(shù)據(jù)流控制結(jié)構(gòu)、程序調(diào)試工具，以及模塊化的編程特點(diǎn)等[2]。但二者最大的區(qū)別在于：傳統(tǒng)編程語言用文本語言編程；而LabVIEW使用圖形語言（即各種圖標(biāo)、圖形符號、連線等）編程，界面非常直觀形象，而且使用的都是測試工程師們熟悉的旋鈕、開關(guān)、波形圖等，因此是一種直覺式圖形程序語言。用LabVIEW編程無須太多編程經(jīng)驗，只要以很直覺的方法建立前面板人機(jī)界面和方框圖程序，便可以完成編程過程，使用戶免于傳統(tǒng)程序語言線性結(jié)構(gòu)的困擾，這對于沒有豐富編程經(jīng)驗的工程師們來說無疑是個極好的選擇。同時，LabVIEW的執(zhí)行順序是依方框圖間數(shù)據(jù)的傳遞來決定的，并不像傳統(tǒng)文字式編程語言必須逐行地執(zhí)行，因此用戶能設(shè)計出可同時執(zhí)行多個程序的流程圖。采用LabVIEW編程，其主要特點(diǎn)就是將虛擬儀器分解為若干基本的功能模塊（相當(dāng)于硬件設(shè)計的集成電路），模塊的引腳代表輸入/輸出接口。編程者可以通過交互式手段，采用圖形化框圖設(shè)計的方法，完成虛擬儀器的邏輯和測量分析功能設(shè)計。LabVIEW程序設(shè)計過程與人們設(shè)計儀器的思維過程十分相似，程序框圖就實現(xiàn)了程序代碼功能，避免了一般程序設(shè)計從框圖構(gòu)思到程序表示的繁瑣。LabVIEW編程的另一個優(yōu)點(diǎn)是將軟件的界面設(shè)計與功能設(shè)計獨(dú)立開來，修改人機(jī)交互界面無須對整個程序進(jìn)行調(diào)試，這對設(shè)計像儀器操作面板這樣復(fù)雜的人機(jī)界面而言是十分方便的。LabVIEW還為用戶提供了函數(shù)擴(kuò)展功能，從而可以調(diào)用C等傳統(tǒng)編程語言寫的程序代碼、調(diào)用標(biāo)準(zhǔn)動態(tài)鏈接庫等。對于構(gòu)建虛擬儀器，LabVIEW有許多特點(diǎn)和優(yōu)勢，諸如：儀器控制與數(shù)據(jù)采集的圖形化編程；直觀明了的前面板用戶界面和流程圖式的編程風(fēng)格；內(nèi)置的編譯器可加快執(zhí)行速度；數(shù)據(jù)采集DAQ函數(shù)庫可讓用戶采集測量信號或發(fā)出控制信號，適合應(yīng)用于快速且直接的控制；650多種儀器驅(qū)動程序，可驅(qū)動超過50多家廠商制造的儀器；內(nèi)容豐富的高級分析庫，可進(jìn)行信號處理、統(tǒng)計、曲線擬合以及復(fù)雜的分析工作；利用Activex，DDE以及TCP/IP進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)連接和進(jìn)程通信；適用于WindowsNT/9X/XP，MacOS，HP2UX，Sun以及Concurrent實時計算機(jī)等等[3]。LabVIEW現(xiàn)成的人機(jī)界面工具可幫助用戶很快地構(gòu)成所需的圖形化人機(jī)界面，包括趨勢圖、按鈕、LED指示燈和圖表等，完全無須從頭開始去設(shè)計這些元件。并可更進(jìn)一步以LabVIEW的PC工具箱或其它繪圖軟件來訂制人機(jī)界面元件，藉以呈現(xiàn)儀控符號和系統(tǒng)流程圖。LabVIEW的特色還在于擁有功能超強(qiáng)大且龐大的分析函數(shù)庫，足以與專業(yè)數(shù)學(xué)分析套裝軟件相匹敵。2.4設(shè)計本虛擬儀器系統(tǒng)所采用的方法LabVIEW的圖形化程序設(shè)計是基于現(xiàn)代軟件的面向?qū)ο蠹夹g(shù)和數(shù)據(jù)流技術(shù)而發(fā)展起來的。數(shù)據(jù)流程序設(shè)計表示只有在所有輸入都有效時，一個對象才開始執(zhí)行，同樣，只有當(dāng)對象的功能完成以后，對象輸出才有效。這樣的話，互相在對象間的數(shù)據(jù)流控制執(zhí)行順序，執(zhí)行順序不局限于來自文本式程序設(shè)計的線性順序，它可以不受其限制。用戶能夠通過連接模塊來快速開發(fā)自己的應(yīng)用程序，甚至能夠使用多路數(shù)據(jù)通道，實現(xiàn)同步操作。與傳統(tǒng)的文本式程序設(shè)計一樣，LabVIEW也有控制流程圖功能執(zhí)行的部分，它們包括SequenceCaseStatement，F(xiàn)orLoop，WhileLoop，它們被圖形化地描述成邊界結(jié)構(gòu)，像在傳統(tǒng)的線形化程序設(shè)計中可以插入代碼段一樣，可以把圖標(biāo)放在LabVIEW圖形結(jié)構(gòu)的界限內(nèi)部。LabVIEW有一個圖形編輯器來產(chǎn)生最優(yōu)化的編輯代碼，虛擬儀器執(zhí)行他們相當(dāng)編譯C的速度。利用應(yīng)用程序生成器，用戶能夠產(chǎn)生虛擬儀器，就像獨(dú)立的執(zhí)行程序一樣。下面按步驟說明進(jìn)行圖形化的程序設(shè)計。1.建立方案：選用LabVIEW軟件，可以構(gòu)建虛擬儀器而不是編寫程序。有了交互式控制的軟件系統(tǒng)，用戶可以很方便地建立其前面板窗口。為了實現(xiàn)具體的功能，用戶利用向?qū)О蚜鞒虉D結(jié)合在一起。2.建立前面板：從控制模板上選擇你需要的對象，放在虛擬儀器的前面板上?？刂颇０迳系膶ο蟀〝?shù)字顯示、表頭、壓力計、熱敏計外殼、表、圖片等。當(dāng)你的虛擬儀器完成以后，就能在虛擬儀器工作十利用前面板去控制整個系統(tǒng)，如移動滑動片、在圖象中變向、從鍵盤輸入等。3.構(gòu)建圖形化的流程圖：對虛擬儀器進(jìn)行程序設(shè)計，你不必?fù)?dān)心很多傳統(tǒng)設(shè)計所需的語法細(xì)節(jié)，而可自己構(gòu)建流程圖。從功能模板上選擇對象（用圖標(biāo)表示），并用線將它們連接起來以便數(shù)據(jù)進(jìn)行傳遞。功能模塊上的對象包括簡單的數(shù)學(xué)運(yùn)算、高級數(shù)據(jù)采集和分析方法、以及網(wǎng)絡(luò)和文件輸入輸出操作。4.數(shù)據(jù)流程序設(shè)計：LabVIEW用一種精巧的數(shù)據(jù)流程序設(shè)計模式把用戶從文本式語言的線形化方式構(gòu)建程序的方法中解放出來。因為在LabVIEW軟件中程序的執(zhí)行順序由各方塊中的數(shù)據(jù)流決定。你也可以建立同步操作的流程圖。LabVIEW軟件是一個多任務(wù)系統(tǒng)——具有多線程功能并運(yùn)行多個虛擬儀器。5.模塊化和層次：LabVIEW虛擬儀器實行模塊化設(shè)計，因而任何虛擬儀器既能獨(dú)立運(yùn)行，又能被用作其他虛擬儀器的一部分。甚至可以創(chuàng)建自己的虛擬儀器圖標(biāo)，因而可以設(shè)計由虛擬儀器構(gòu)成的多層系統(tǒng)，并可以改變它，同其他虛擬儀器交換和連接以滿足不斷變化的應(yīng)用需要。6.圖形編輯器：在許多場合，程序運(yùn)行速度都很關(guān)鍵。LabVIEW軟件是唯一的帶有編輯器的圖形化編程環(huán)境，可以產(chǎn)生最優(yōu)化的代碼，其運(yùn)行速度與編譯C的速度相當(dāng)。利用內(nèi)置的繪圖器，甚至能夠?qū)r間很關(guān)鍵的代碼部分進(jìn)行分析和優(yōu)化。因而，不會因為圖形化編程降低了效率。圖形化程序設(shè)計編程簡單、直觀、開發(fā)效率高。3基于LabVIEW的虛擬儀器實驗教學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計在LabVIEW這個高效的虛擬儀器開發(fā)平臺上，學(xué)生自己可以利用圖形化語言開發(fā)出各種儀器，綜合應(yīng)用所學(xué)過的各學(xué)科知識，像搭積木一樣，在普通的計算機(jī)上構(gòu)建一個個人實驗室，完成機(jī)械工程測試實驗。這樣教師和學(xué)生擺脫了功能單一、固定的現(xiàn)成儀器的束縛，可以充分發(fā)揮自己的積極性和創(chuàng)造性，有利于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造性思維和工程實踐能力。這樣做還能夠充分利用現(xiàn)有技術(shù)資源，降低實驗成本，有利于實驗設(shè)備更新。3.1基于LabVIEW的虛擬信號發(fā)生器的設(shè)計3.1.1虛擬信號發(fā)生器可以提供各種波形的周期信號函數(shù)，函數(shù)值為離散序列值。該離散值通過（D/A）轉(zhuǎn)換，以模擬電壓信號輸出，波形呈現(xiàn)臺階狀，對模擬信號進(jìn)行濾波就能得到光滑的波形。因為LabVIEW中的所有仿真信號——用函數(shù)生成的離散時間數(shù)列，其輸入?yún)?shù)頻率均為數(shù)字頻率，因此要特別注意歸一化頻率的問題。數(shù)字頻率f等于一個周期內(nèi)采樣點(diǎn)數(shù)的倒數(shù)，它是仿真信號fx與采樣頻率fs之比，即：歸一化頻率=仿真信號頻率/采樣頻率此虛擬儀器發(fā)生器完全可以代替目前實驗室廣泛使用的傳統(tǒng)的信號發(fā)生器3.1.2虛擬信號發(fā)生器前面板和流程圖的設(shè)計前面板由一個Enum控件、WaveformGraph控件、五個NumericControls控件、FilePathControls控件和OKButton控件組成。Enum控件用來進(jìn)行波形選擇，可選擇生成正弦波、方波、三角波和鋸齒波。WaveformGraph控件用來顯示生成的波形。NumericControls控件用來對波形的頻率、采樣頻率、幅值、相位、采樣點(diǎn)數(shù)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。FilePathControls控件中輸入保存路徑，可以把生產(chǎn)波形的特征值輸出到指定的文件中。OKButton控件用來控制是否保存波形的特征值。完整的虛擬信號發(fā)生器前面板如圖3-1所示。圖3-1虛擬信號發(fā)生器前面板LabVIEW的Allfunction→Analyze→SignalProcessing→SignalGeneration子模板下有豐富的仿真信號子VI，如正弦波序列發(fā)生器、方波序列發(fā)生器、三角波序列發(fā)生器、鋸齒波序列發(fā)生器等。我們只需將需要的各個子VI放入一個Case結(jié)構(gòu)即可構(gòu)成典型信號發(fā)生器系統(tǒng)。下面就對后面板的各個單元加以介紹。1.正弦波序列發(fā)生器子VI如圖3-2所示，它有五個輸入端口和三個輸出端口，前面板上的波形參數(shù)控件在后面板上自動生成的框圖的端口分別與正弦波序列發(fā)生器子VI的相應(yīng)輸入端口相連，正弦波序列發(fā)生器子VI的SineWave輸出端口與WaveformGraph端口相連，即可生成指定參數(shù)的正弦波形。方波、三角波、鋸齒波序列發(fā)生器都與此類似。2.Case結(jié)構(gòu)如圖3-3所示，它就類似于C語言中的Switch結(jié)構(gòu)，是一個多分支選擇結(jié)構(gòu)，它根據(jù)輸入值決定程序進(jìn)入不同的分支流。圖框的左邊數(shù)據(jù)端口是條件選擇端口，選擇結(jié)構(gòu)通過連接到這個端口中的值來選擇到底哪個子圖形代碼框中的程序被執(zhí)行。這個只值可以是整型、字符串型、布爾型，默認(rèn)的是布爾型。選擇結(jié)構(gòu)圖框的頂端是選擇條件標(biāo)識框，里面盛放了所有可以被選擇的條件，并顯示當(dāng)前子圖形代碼框中代碼被執(zhí)行的條件[4]。圖3-2正弦波序列發(fā)生器子VI圖3-3Case結(jié)構(gòu)圖3-4虛擬信號發(fā)生器后面板流程圖完整的虛擬信號發(fā)生器后面板流程圖如圖3-4所示。3.為了將仿真信號的波形的橫軸起點(diǎn)、橫軸分度值和幅值合成一個整體，后面板中還使用了簇結(jié)構(gòu)，在Cluster子模板上選擇Bundle，它有三個輸入量：橫軸起點(diǎn)，設(shè)為0；橫軸分度值，由采樣頻率的倒數(shù)，即采樣間隔決定；輸入信號幅值。4.Writetospreadsheet子VI：該子VI可以實現(xiàn)將波形的特征值存儲到指定的文件中3.1.3調(diào)試和運(yùn)行在運(yùn)行之前，應(yīng)先在前面板中對信號控件參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。采樣頻率fs、數(shù)字頻率f、一個周期采樣點(diǎn)數(shù)n與總點(diǎn)數(shù)N=samples的關(guān)系為：fs=nfx所以，fs的最大值應(yīng)是仿真信號頻率fx的n倍，且N≥n。只要合理的設(shè)置才會生成另人滿意的信號波形。如果想保存信號特征值，可以在FilePathControls控件中輸入路徑，點(diǎn)擊OK控件即可保存。3.2虛擬信號頻譜分析儀的設(shè)計3.2信號的頻譜描述是以頻率f(或w=2∏f)為橫坐標(biāo)變量來描述信號幅值、相位的變化規(guī)律。信號的頻譜分析是研究信號的頻率結(jié)構(gòu)，即求取其分量的幅值、相位按頻率的分布規(guī)律，并建立以頻率為橫軸的各種“譜”。1、周期信號與離散頻率在有限的區(qū)間上滿足狄里赫利條件的周期函數(shù)x(t)可以展開成傅立葉級數(shù)。傅立葉級數(shù)有兩種表達(dá)式1.傅立葉級數(shù)的三角函數(shù)展開式：式中：=是直流分量；=是余弦分量的幅值；=是正弦分量的幅值；=是各頻率分量的幅值；=arctan是各頻率分量的相位；=是角頻率[5]；以角頻率n為橫軸，幅值或相角為橫軸作圖，則分別得到幅頻譜圖和相頻譜圖，它們是單邊譜，n由0→∞。2.傅立葉級數(shù)的復(fù)指數(shù)函數(shù)展開式：x(t)=(m=0，1，2)(3-1)式中為傅立葉系數(shù)。=+=||(3-2)又=+j=||根據(jù)歐拉公式=cosmt-jsinmt，代入式(3-2)可得====||===arctan=-m=0，常值分量==以||-m和-m作圖分別為幅頻譜圖和相頻譜圖，它們都是雙邊譜，m從-∞→+∞。3.周期信號頻譜的特點(diǎn)離散性。只在n離散值上取值或只在m離散點(diǎn)上取值。諧波性。每條譜線只出現(xiàn)在基波頻率的整數(shù)倍的頻率上，基波頻率是主分量頻率的公約數(shù)，相鄰譜線間隔為。收斂性。常見的周期信號幅值總的趨勢是隨諧波次數(shù)的增高而減小。由于這種收斂性，實際測量中可以在一定誤差允許范圍內(nèi)忽略次數(shù)過高的諧波分量[5]。2、非周期信號與連續(xù)頻譜 1.頻譜密度函數(shù)X(w)對于非周期信號，可以看作周期T為無窮大的周期信號。當(dāng)周期趨近無窮大時，則基波譜線及譜線間隔=2∏/T趨近無窮小，從而離散的頻譜就變成了連續(xù)的，所以非周期信號的頻譜是連續(xù)的。傅立葉級數(shù)的復(fù)指數(shù)函數(shù)展開式為：x(t)=(3-3)傅立葉系數(shù)=(3-4)當(dāng)周期T→∞，譜線間隔=2/T趨近無窮小，離散量m(m=0，1，2,……)變?yōu)檫B續(xù)量，傅立葉系數(shù)的模||趨于無窮小，故作不出||-m的幅頻圖，但各條譜線比例保持不變。將它放大T倍，則(3-4)變?yōu)椋?因為有→d，所以有=由于時間T是積分變量，故上式積分后，僅是的函數(shù)，并記作X()或，即X()==dt=X()或X(f)表示單位頻段的頻率分量，是復(fù)數(shù)，稱為x(t)的頻率密度函數(shù)。2.非周期信號的傅立葉積分表示作為周期T為無窮大的非周期信號，當(dāng)周期T→∞時，頻譜譜線間隔→d，T→，離散變量m→變?yōu)檫B續(xù)變量，求和運(yùn)算就變成求積分運(yùn)算。于是(3-3)就變?yōu)椋簒(t)===這就是傅立葉積分。記為x(t)=。于是就有=dtx(t)=d將=2f帶入以上兩式，得x(t)=dfX(f)=X()=2X(f)作|X()-|或|X(f)-f|圖，就稱為非周期信號的幅值譜密度[6]。非周期信號用傅立葉級數(shù)來表示，其頻譜為連續(xù)的，它由無限多個頻率無限接近的頻率成分組成。各頻率上譜線幅值趨于無窮小，故用頻譜密度表示，它在數(shù)值上相當(dāng)于將分量放大T=2/d倍，同時保持各頻率分量幅值相對分布規(guī)律不變。3、離散時間信號的頻譜在以計算機(jī)為中心的測試系統(tǒng)中，模擬信號x(t)進(jìn)入計算機(jī)前先經(jīng)過數(shù)據(jù)采集卡(DAQ)中的采樣器，將連續(xù)時間信號變?yōu)殡x散時間信號，成為采樣信號后再經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器在幅值上量化為離散的數(shù)字信號。這樣，就會引起頻域上的一些變化。1.采樣定理連續(xù)時間信號x(t)被數(shù)據(jù)采集卡(DAQ)中的采樣器以等時間間隔T采樣，則采樣時刻0、T、2T、……所得信號x(t)的瞬時值，就構(gòu)成了連續(xù)信號x(t)的離散時間序列，(i=0、1、2……)。采樣信號的頻譜在幅值上比信號x(t)的頻譜X()放大了1/T倍，并呈現(xiàn)周期行，周期為。采樣是把連續(xù)時間信號變?yōu)殡x散時間序列的過程。這一過程相當(dāng)于在連續(xù)時間信號上“抽取”許多離散時刻iT(i=0、1、2……)上的信號瞬時值。其中T是采樣間隔，=2/T為采樣角頻率，它們的取值是個很重要的問題。即采樣頻率，必須滿足關(guān)系：≥2式中為信號的最高頻率分量。當(dāng)≤時，也就是采樣頻率=2/T≥2時，可以通過加一理想低通濾波器提取主分量，濾除全部m≥1的高頻分量，從而由X()恢復(fù)原信號x(t)在理論上無誤差。但是在實際工程中的低通濾波器不可能有理想的低通特性，故采樣頻率需要更高，通常為=(4～20)。如果采樣頻率不滿足采樣定理，譜線就會重疊，即使采用理想低通濾波器也不可能將混入的高頻主分量濾除。2.離散傅立葉變換當(dāng)采樣點(diǎn)i=0、1、2……N，共有N個，即無限長信號截斷后變?yōu)橹芷谛盘?，頻譜由連續(xù)譜變?yōu)殡x散譜，即=K(K=0、1、2、……N-1)，于是有離散傅立葉變換(DFT)的定義式如下：X(K)=x(iT)=x(i)(3-5)x(t)=X(K)=X(K)(3-6)式中=是復(fù)數(shù)因子。欲對連續(xù)時間信號x(t)用計算機(jī)進(jìn)行離散傅立葉變換，首先經(jīng)采樣器對它進(jìn)行采樣，滿足采樣頻率為==2/T(T為采樣間隔)，從而獲得時間離散的信號(t)，它是一個無限長的離散的時間序列(i=0,1,2,……)。實際上，只能對有限長的信號進(jìn)行分析與處理，所以必須對無限長離散序列截斷，只取有限長時間=NT中的N個有限數(shù)據(jù)(i=0,1,2,……)。這樣，無限長時間信號x(t)就變成有限長時間信號=NT的周期信號。因此，其頻譜的特點(diǎn)是具有離散性、諧波性、周期性。當(dāng)對信號x(t)進(jìn)行采樣，共N個采樣點(diǎn)，得離散時間序列x(i)(i=0,1,2,…，N-1)，代入式(3-5)可得離散時間序列的頻譜X(K)(k=0,1,2,…，N-1)，共N條譜線，其中有效譜線N/2條；反之，將N條譜線代入式(3-6)，則可得i=0,1,2,…，N-1共N個離散時間序列x(i)。當(dāng)N=4時，總計需+N(N-1)=28次運(yùn)算；當(dāng)N=1024時，則需要進(jìn)行2096068次運(yùn)算。如此多的計算次數(shù)使DFT不可能在實際工程中得到應(yīng)用，因而出現(xiàn)了各種用于減少DFT計算次數(shù)的算法。如基2時間奇偶分解算法等。那些能夠減少計算次數(shù)，縮短計算時間，能在工程實際中用來實現(xiàn)DFT計算的快速算法就稱為快速傅立葉變換，簡稱FFT。在許多軟件的工具箱中，已有各種實用函數(shù)或功能模板可供使用。LabVIEW就提供了這樣的功能模塊[7]。虛擬信號頻譜分析儀的功能主要是用來對生成的仿真信號進(jìn)行FFT變換，獲得該時域信號的頻譜圖。4、軟件開發(fā)虛擬信號頻譜分析儀器應(yīng)實現(xiàn)典型實驗信號-的產(chǎn)生，對典型實驗信號進(jìn)行FFT變換，分析其頻譜，并顯示計算結(jié)果。概括起來其主要功能應(yīng)包括:信號的產(chǎn)生、信號分析和處理、數(shù)據(jù)文件存儲和讀取。由于LabVIEW是基于模塊化程序設(shè)計思想，在總體方案確定后，根據(jù)所需的不同功能分別組建各種,后再集成和調(diào)試。下面將對各個功能模塊簡要介紹。根據(jù)該虛擬儀器功能的需要，程序至少應(yīng)包含以下幾個模塊：典型信號生成模塊數(shù)據(jù)處理模塊數(shù)據(jù)讀取存儲模塊結(jié)果顯示模塊各個模塊之間的數(shù)據(jù)流關(guān)系如圖3-5所示：典型信號典型信號生成模塊數(shù)據(jù)處理模塊數(shù)據(jù)讀取存儲模塊結(jié)果顯示模塊圖3-5各個模塊之間的數(shù)據(jù)流關(guān)系1．典型信號生成模塊LabVIEW的SignalGeneration子模塊下有豐富的仿真信號產(chǎn)生子VI，如正弦波序列發(fā)生器、方波序列發(fā)生器、三角波序列放生器、單位脈沖序列發(fā)生器、鋸齒波序列發(fā)生器等。我們只需將需要的各個子VI放入一個case結(jié)構(gòu)即可構(gòu)成典型信號生成模塊，應(yīng)注意的問題和流程圖在上節(jié)3.1虛擬信號發(fā)生器中已說明。2．?dāng)?shù)據(jù)處理模塊信號頻譜分析儀所要做的主要數(shù)據(jù)處理工作就是對待分析信號進(jìn)行傅立葉變換，以獲得它的頻率圖?？尚沂荓abVIEW在頻域分析子模塊中提供了與信號分析有關(guān)的大量函數(shù)供設(shè)計者使用，在此我們調(diào)用了計算輸入序列的實數(shù)FFT作為信號頻譜分析儀的主要數(shù)據(jù)處理子VI。圖3-7數(shù)據(jù)處理模塊程序流程3數(shù)據(jù)存儲模塊為了解決前文提到的“柵欄效應(yīng)”和“泄露”問題我們將LabVIEW在Windows.Vi子模塊與窗函數(shù)中提供的海寧窗、漢明窗、三角窗、Blackman、ExactBlackman、flatTop等子VI放在一個Case結(jié)構(gòu)中形成了“窗函數(shù)選擇”。由FFT和“窗函數(shù)選擇”及其它運(yùn)算部件組成的數(shù)據(jù)處理模塊如圖3-7LabVIEW有豐富的文件操作函數(shù)庫，可以方便進(jìn)行的讀寫（I/O）操作。LabVIEW在向一個新的或已存在的文件讀寫數(shù)據(jù)是一個三部的過程：首先打開或創(chuàng)建一個文件，然后按一定格式讀寫數(shù)據(jù)到文件，最后關(guān)閉文件。LabVIEW可以讀寫文本文件（txt）、數(shù)據(jù)表文件（spreadsheets）和二進(jìn)制文件（dat）。由于本信號頻譜分析儀的數(shù)據(jù)量不是很大，而且為了學(xué)生在實驗后進(jìn)行實驗數(shù)據(jù)分析方便，本模塊采用數(shù)據(jù)表文件的形式對實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行讀寫操作[8]。LabVIEW的function模板下的fileI/O子模板中放置了Spreadsheet文件I/O，當(dāng)?shù)酱疟P上讀取數(shù)據(jù)或?qū)憯?shù)據(jù)到磁盤時它將數(shù)字?jǐn)?shù)組轉(zhuǎn)換成Spreadsheet字符串格式或反向轉(zhuǎn)換。本文選用Writetospreadsheet子VI作為數(shù)據(jù)存儲，它將一個單精度二維數(shù)組組成一個文本字符串，并把這個字符串寫到新文件或添加到一個已存在的文件中：選擇ReadSpreadsheetFile作為數(shù)據(jù)讀取，它可以讀一個以文本格式保存的Spreadsheet文件，并將其轉(zhuǎn)換為二維單精度數(shù)字?jǐn)?shù)組。圖3-8為讀取存儲文件的基本框圖，其基本流程為：打開或創(chuàng)建一個指定路徑（filepath）的文件；將Sreadsheet格式文件轉(zhuǎn)換為二維單精度數(shù)字?jǐn)?shù)組（讀）或?qū)⒍S單精度數(shù)字?jǐn)?shù)組轉(zhuǎn)換為Spreadsheet文件格式（寫）；關(guān)閉文件。應(yīng)注意的問題：Writetospreadsheet和ReadfromSpreadsheetFile兩個函數(shù)當(dāng)其輸入端filepath為空時自動彈出對話框要求輸入讀寫路徑。為了規(guī)范操作，作者采用了case結(jié)構(gòu)，將ReadfromSpreadsheetFile和Writetospreadsheet分別放入true(進(jìn)行讀寫操作)中，而false（不進(jìn)行讀寫操作）中為空。由面板開關(guān)進(jìn)行控制。4結(jié)果顯示模塊結(jié)果顯示模塊的主要功能是將測試到的、采集到的或經(jīng)過數(shù)據(jù)處理后的數(shù)據(jù)送到示波器上顯示，供使用者分析和研究。實質(zhì)上顯示模塊還包含許多附屬的顯示項，它分散于各個模塊之間，我門很難分析它的組成結(jié)構(gòu)。之所以將其稱為“模塊”，是由于它在整個程序中起舉足輕重的作用，如果沒有它，開發(fā)出來的程序不能稱為“虛擬儀器”，只能算做是一個“信號處理存儲器”。3-8讀取存儲文件的基本框圖3.2.2虛擬信號頻譜分析儀的前面板和流程圖的設(shè)計前面板中包含了兩個波形顯示器，分別顯示待分析信號的波形圖和經(jīng)FFT變換后的幅值譜圖;波形選擇可選取正弦波、方波、三角波、鋸齒波等實驗信號，其幅值、相位、頻率和采樣點(diǎn)數(shù)由左邊的信號源參數(shù)板決定:窗口選擇板是為是否加HammingWindow.vi,hanninindow.vi,TriangleWindow.vi,BlackmanWindow.vi等而設(shè)立的，學(xué)生可以通過加窗前后的頻譜變化，進(jìn)一步理解窗函數(shù)對解決混頻、泄漏和柵欄效應(yīng)的作用;數(shù)據(jù)存取板可由用戶決定數(shù)據(jù)讀取或存儲的路徑[9]。應(yīng)注意的問題:控件參數(shù)設(shè)置應(yīng)考慮到采樣頻率fs、數(shù)字頻率fs一個周期采樣電數(shù)n與總點(diǎn)數(shù)N=Samples的關(guān)系:fs=nfx，故f，的最大值應(yīng)是仿真信號頻率fx最大值的n倍，且N≧n。完整的虛擬信號頻譜分析儀的前面板如圖3-9所示。圖3-9虛擬信號頻譜分析儀的前面板圖3-10給出了虛擬信號頻譜分析儀的程序流程圖編輯窗口的部分內(nèi)容。圖中展示了典型信號生成模數(shù)據(jù)處理模塊、顯示模塊、數(shù)據(jù)讀取存儲模塊和加窗模塊間的數(shù)據(jù)流驅(qū)動關(guān)系及各模塊的部分流程。圖3-10虛擬信號頻譜分析儀的后面板流程圖3.2.3調(diào)試和運(yùn)行當(dāng)完成程序界面和代碼部分的設(shè)計后，就應(yīng)該對程序進(jìn)行綜合調(diào)試。LabVIEW提供了很多調(diào)試工具，可以單步運(yùn)行和高亮運(yùn)行，還可以設(shè)置斷點(diǎn)和探針。但仍然存在許多隱含在程序內(nèi)部的錯誤無法發(fā)現(xiàn)，這就要求我們在開發(fā)程序的過程中一定要仔細(xì)地把好每一關(guān)，在模塊內(nèi)部將錯誤清除，才能減輕最終程序調(diào)試的難度。在運(yùn)行之前，先對前面板上的控件進(jìn)行設(shè)置，頻率、采樣頻率、采樣點(diǎn)數(shù)參數(shù)的設(shè)置參看虛擬信號發(fā)生器的調(diào)試運(yùn)行那一節(jié)，另外還可以對波形類型和加窗類型進(jìn)行選擇。如果要讀寫文件，應(yīng)添入正確的路徑，若filepath為空，會自動彈出對話框要求輸入讀寫路徑[10]。3.3虛擬巴特沃斯濾波器的設(shè)計3.31、實驗原理巴特沃斯濾波器擁有最平滑的頻率響應(yīng)，在截止頻率以外，頻率響應(yīng)單調(diào)下降。在通帶中是理想的單位響應(yīng)，在阻帶中響應(yīng)為零。在截止頻率處3dB衰減。巴特沃斯濾波器的優(yōu)點(diǎn)是具有平滑的單調(diào)遞減的頻率響應(yīng)。過渡帶的陡峭程度正比于濾波器的階數(shù)。巴特沃斯低通濾波器是一種所謂最平通帶特性逼近理想低通特性的濾波器。其幅頻特性為：式中n=1、2、3、…為濾波器材的階次。圖3-11（a）和（b）分別表示了不同n值時的幅頻特性與相頻性。(b)3-11不同n值時的幅頻特性和相頻特性由圖3-11可知n值越大越接近理想濾波器特性[11]。2、功能該儀器可實現(xiàn)生成正弦波、方波、三角波等典型信號，并通過Butterworthfilter進(jìn)行濾波。典型信號頻率在0.1KHz～10KHz范圍內(nèi)可調(diào)，最大幅值在0V～5V范圍內(nèi)可調(diào)，初始相位在0～180范圍內(nèi)可調(diào)。濾波器類型可選擇高通、低通、帶通和帶阻，濾波階次、低截止頻率、高截止頻率都可任意選擇。典型信號及濾波后信號送顯示器顯示波形，進(jìn)而獲得濾波器的幅頻和相頻特性。該儀器可作為濾波器綜合實驗。3.3.2虛擬巴特沃斯濾波器前面板和流程圖前面板由兩個WaveformGraph控件、兩個Enum控件和八個NumericControls控件組成。兩個WaveformGraph控件分別用來顯示生成的虛擬仿真信號波形和該信號經(jīng)過濾波后的波形；兩個Enum控件分別用來進(jìn)行波形選擇和濾波器類型選擇，波形可選擇正弦波、方波、三角波和鋸齒波，濾波器類型可選擇高通、低通、帶通和帶阻；八個NumericControls分別用來對源信號波形參數(shù)進(jìn)行設(shè)置和濾波器參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。完整的前面板如圖3-12所示。 圖3-12虛擬巴特沃斯濾波器前面板儀器的流程圖設(shè)計采用了labVIEEW的Structures子模板中的case結(jié)構(gòu)，由“string”值分別選擇正弦波、三角波、方波、鋸齒波等作為實驗仿真信號。數(shù)它由虛擬信號產(chǎn)生模塊、顯示模塊和濾波模塊組成，前兩個模塊前面已經(jīng)介紹的很多，不再贅述，這里只介紹該儀器的關(guān)鍵濾波子vi，LabVIEW中了提供了豐富的濾波子vi，數(shù)據(jù)處理選用了Function子模板下的ButterworthFilter.vi，如圖3-13所示。它可將以數(shù)組形式輸入的欲處理信號，通過設(shè)定采樣頻率、高截止頻率、低截止頻率、濾波器階次和濾波器類型(0為低通，1為高通，2為帶通，3為帶阻)對數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波[12]。完整的后面板流程圖如圖3-14所示。圖3-13Butterworthfilter.vi圖3-14虛擬巴特沃斯濾波器后面板流程圖3.3.3對信號頻率、采樣頻率和采樣點(diǎn)數(shù)的設(shè)置原則，前面已經(jīng)介紹的很詳細(xì)了，這里不再贅述。對低截止頻率和高截止頻率應(yīng)該注意是：當(dāng)虛擬巴特沃斯濾波器作為低通濾波器使用時，其高截止頻率被忽略，而低截止頻率必須滿足奈奎斯特采樣定理的條件。濾波器的階次是越高，其幅頻特性曲線過渡帶衰減越快[13]。3.4調(diào)幅波解調(diào)器的設(shè)計3.4.1解調(diào)器中的乘法器有兩個輸入信號，一個是待解調(diào)的調(diào)幅波u(t):u(t)=EZ(t)式中E為比例常數(shù)。另一個輸入信號是參考信號(t)，它應(yīng)是與載波頻率相同的高頻信號?？紤]到實際情況中與載波信號會有一個相位差θ，則(t)為：(t)=sin(t+θ)解調(diào)器的原理圖如圖3-15所示。乘乘法器低通濾波器y(t)f(t)u(t)(t)圖3-15解調(diào)器原理圖于是乘法器的輸出y(t)為：y(t)=u(t)/