基于LabVIEW積分器的研究

長江師范學院本科畢業(yè)設計·基于LabVIEW積分器的研究摘要隨著社會的不斷發(fā)展，人們對儀器的要求也越來越高。由于虛擬儀器具有性價比高、標準化、模塊化、儀器系統(tǒng)小巧緊湊、遠程測試、可有用戶定義儀器等優(yōu)點，所以虛擬儀器近幾年得到了飛速的發(fā)展?；贚abVIE的積分器是對輸入仿真信號進行仿真和積分，然后輸出結果，通過波形圖觀察其虛擬波形。與此同時，你還可以對其幅值、頻率、偏移量、相位、重置信號等參數(shù)進行設置，改變其參數(shù)觀察其波形的變化。最后將得到的結果與理論一起分析，看其是否相一致。本論文是通過驗證三角波、正弦波、鋸齒波、方波積分后的波形，來推導出虛擬儀器的可靠性。進而推廣到加入濾波器和干擾信號后積分的波形圖。關鍵詞：虛擬儀器；LabVIEW；積分器AbstractWiththecontinuousdevelopmentofsociety,peopletotheinstrumentdemandsmoreandmoreisalsohigh.Becausevirtualinstrumenthascost-effective,standardization,modular,instrumentsystemsmallcompact,remotetesting,canhavetheusertodefineinstrumentadvantages,sothevirtualinstrumentinrecentyearshavedevelopedrapidly.BasedontheintegratorofLabVIEsimulationsignalisinputofsimulationandintegral,theninputresults,throughthewaveformfigureobserveitsvirtualwaveformfigure.Meanwhile,youchangeitsontheamplitude,frequency,offset,phase,resetsignalparameters,suchassetting,observationofthewaveformchanges.Finallywillgettogethertoanalyzetheresultwiththetheoreticalconsistent,toseeifit.Thisthesisisverifiedthroughtriangularwave,sinewave,sawtoothwaveandsquare-waveintegraltogetthewaveform,thereliabilityofvirtualinstrument.Thenspreadtojoinfilterandjammingsignalwaveformafterintegralfigure.Keyword:Hypothesizedinstrument；LabVIEW；integrator長江師范學院本科畢業(yè)設計·基于LabVIEW積分器的研究第4頁共25頁1緒論1.1課題的提出及研究意義1.1.1課題的提出計算機的出現(xiàn)，徹底改變了人們的工作和生活方式。如今計算機已經(jīng)無處不在，進入了每個人的生活之中。在工程技術人員看來，計算機不僅僅是人們常見的PC，也包括各種微處理器。從這個角度看，我們無時無刻不在使用計算機，例如，電視、洗衣機、自動提款機等都依賴計算機來實現(xiàn)各種便捷的功能。相同的計算機可以完成不同的工作，在于它們使用不同的程序，而程序是由計算機編程語言創(chuàng)建的。短短幾十年中，出現(xiàn)了眾多的編程語言，這些編程語言的共同特點是采用文本方式創(chuàng)建程序。文本方式編程對編程人員要求很高，這使得計算機編程只能是少數(shù)人才可以從事的職業(yè)。美國國家儀器公司（NationalInstruments，簡稱NI）的創(chuàng)新軟件產(chǎn)品LabVIEW，允許通過人們最為熟悉的圖形方式編程，摒棄了晦澀難懂的文本代碼，使得計算機編程不再是少數(shù)人的專利。LabVIEW的最早版本誕生于1986年，幾乎和Windows的最早版本同步，這注定了LabVIEW是多平臺的編程語言，適合于不同的操作系統(tǒng)。1.1.2課題的研究意義虛擬儀器與傳統(tǒng)儀器相比，其主要優(yōu)點是可以由性價比高、標準化、模塊化、儀器系統(tǒng)小巧緊湊、遠程測試、可有用戶定義儀器功能等優(yōu)點。虛擬儀器能同時對多個參數(shù)進行實時高效的測量，同時，由于信號的傳送和數(shù)據(jù)的處理幾乎都是靠數(shù)字信號或軟件來實現(xiàn)的，大大降低了環(huán)境干擾和系統(tǒng)誤差的影響。此外，用戶也可以隨時根據(jù)需要調整虛擬儀器的功能，大大縮短了儀器在改變測量對象時的更新周期。采用虛擬儀器還可以降低測試系統(tǒng)的硬件環(huán)節(jié)，從而降低系統(tǒng)的開發(fā)成本和維護成本。虛擬儀器采用標準的接口總線技術和模塊化的儀器硬件，這符合軍用裝備研制的通用化和小型化需求，有利于裝備成系列發(fā)展，有利于裝備的技術保障.1.2國內外研究現(xiàn)狀v(in)/=ic作為現(xiàn)代儀器代表發(fā)展的方向，虛擬儀器已迅速發(fā)展成為一種新的產(chǎn)業(yè)。美國是虛擬儀器的誕生地也是全球最大的虛擬儀器制造國。到1994年底，虛擬儀器制造廠已達95家，共生產(chǎn)1000多種虛擬儀器產(chǎn)品，銷售額達2.93億美元，占整個儀器銷售額73億美元的4%。到1996年，虛擬儀器已在一起表市場占郵件10%的份額。生產(chǎn)虛擬儀器的主要廠家NI\HP等公司，目前都產(chǎn)生數(shù)百個型號的虛擬儀器產(chǎn)品。這些產(chǎn)品在國際市場上有較強的競爭力。已經(jīng)入中國市場。國內虛擬儀器研究的起步較晚，最早的研究是從引進消化NI的產(chǎn)品開始。但經(jīng)過多年研究，我國已經(jīng)在虛擬儀器開發(fā)方面成形了自己的特色。國家自然科學基金委員會已經(jīng)虛擬儀器研究作為現(xiàn)代機械工程科學前沿學科之一，并被列為十五期間優(yōu)先資助領域。我國國民經(jīng)濟的持續(xù)快速發(fā)展，加快了企業(yè)的技術升級步伐，先進儀器設備的需求更加強勁：虛擬儀器賴以生存的個人計算機最近幾年以極高的迅速在中國發(fā)展，這些都為虛擬儀器在我國的普及奠定了良好的基礎。因此，我國的虛擬儀器存在巨大的發(fā)展?jié)摿?。?jù)專家預測到2015年末我國虛擬儀器行業(yè)的產(chǎn)值將達到儀器儀表行業(yè)總產(chǎn)值的50%。然而，經(jīng)過對這些設計的分析了解后發(fā)現(xiàn)，利用這些方法設計的積分器在運用起來比較麻煩，運算起來也很復雜，在了解了LabVIEW的特性及優(yōu)點之后，所以我選擇了利用這個軟件來設計積分器。1.3本文的研究目的和研究內容1.3.1本文的研究目的虛擬儀器，實際上就是一種基于計算機的自動化測試儀器系統(tǒng)。虛擬儀器通過軟件將計算機硬件資源與儀器硬件有機的融合為一體，從而把計算機強大的計算處理能力和儀器硬件的測量，控制能力結合在一起，大大縮小了儀器硬件的成本和體積，并通過軟件實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的顯示、存儲以及分析處理。從發(fā)展史看，電子測量儀器經(jīng)歷了由模擬儀器、智能儀器到虛擬儀器，由于計算機性能以摩爾定律（每半年提高一倍）飛速發(fā)展，已把傳統(tǒng)儀器遠遠拋到后面，并給虛擬儀器生產(chǎn)廠家不斷帶來較高的技術更新速率。1.3.2本文的研究內容根據(jù)本文的研究方向以及研究目的，本文的研究內容主要有以下幾個方面：1.掌握積分器工作原理；2.熟悉LabVIEW編程語言；3.運用LabVIEW設計一個虛擬積分器，積分器是電路分析設計中常用到的元件，設計分為前面板設計和流程圖設計兩個部分1.3.3本文采用的研究方法1、首先查閱課題相關的資料，對資料進行整理和研究，結合實際需要提出設計方案。設計方案包括：(1)確定虛擬積分器的設計思路；(2)設計出總體框圖；(3)設計出程序流程圖；(4)按照程序的流程圖進行程序的模塊化設計；(5)采用LabVIEW軟件設計各部分程序；(6)驗證設計的正確性并進行調試。2、理論計算與虛擬仿真相結合法。。1.3.4本文的章節(jié)安排第1章緒論部分。介紹本文的研究背景、研究意義和研究內容，概述了當前國內外在LabVIEW積分器的研究現(xiàn)狀。第2章介紹虛擬儀器和LabVIEW的有關背景第3章介紹積分器的功能、特點、應用以及基本組成理。第4章介紹用其他軟件設計的虛擬積分器的方法，以及對本文的設計方法及步驟的介紹。第5章全文總結。2虛擬儀器及LabVIEW簡介2.1虛擬儀器的有關背景20世紀80年代初，NI公司是GPIB總線設備的主要供貨商，豐富的硬件經(jīng)驗和強大的軟件開發(fā)需求，促使NI公司的工程師們尋找一種代替?zhèn)鹘y(tǒng)編程語言的開發(fā)工具，這導致了1986年LabVIEW的橫空出世。LabVIEW是由測試工程師開發(fā)的專用編程語言，因此，LabVIEW具有鮮明的行業(yè)特點，最早主要用于測試測量領域。NI公司獨創(chuàng)了虛擬儀器的理念，提出了軟件就是儀器的理念，并逐步成為業(yè)界的標準。

隨著LabVIEW的不斷發(fā)展，幾乎每隔一兩年，都要推出新的版本。LabVIEW的應用范圍已經(jīng)覆蓋了工業(yè)自動化、測試測量、嵌入式應用、運動控制、圖像處理、計算機仿真、FPGA等眾多領域。以LabVIEW為核心，采用不同的專用工具包，統(tǒng)一的圖形編程方式，可以實現(xiàn)不同技術領域的需求。2.2LabVIEW的背景及應用介紹虛擬儀器技術(VirtualInstrumentation)的概念由美國國家儀器公司NI首先提出。所謂虛擬儀器是在以計算機為核心的硬件平臺上，由用戶設計定義的、具有虛擬儀器面板的、測試功能由測試軟件實現(xiàn)的一種計算機儀器系統(tǒng)。虛擬儀器是利用計算機顯示器的顯示功能模擬傳統(tǒng)儀器的控制面板，以多種形式表達輸出檢測結果，利用計算機強大的軟件功能實現(xiàn)信號數(shù)據(jù)的運算、分析、處理，由I/O接口設備完成信號的采集、測量與調理。虛擬儀器是測控技術和計算機技術深層次相結合的產(chǎn)物，它使測量儀器與計算機的界線模糊了。虛擬儀器本質上是虛擬現(xiàn)實技術在儀器領域的應用結果。采用虛擬儀器技術，通過把各種硬軟件以及附備件進行合理搭配，就可以將計算機變成一臺綜合的測試儀器，在各種測試和工業(yè)自動化領域中得以應用。虛擬儀器通常由硬件設備與接口、設備驅動軟件和虛擬儀器面板組成。虛擬儀器中的“虛擬”主要包括以下兩方面的含義。(一)面板虛擬虛擬儀器面板上的各種“控件”與傳統(tǒng)儀器面板上的各種“部件”所完成的功能是相同的。使用者用鼠標操作虛擬儀器面板，看起來就如同使用一臺專用測量儀器。（二）功能由軟件編程實現(xiàn)在以計算機為核心組成的硬件平臺支持上，通過軟件編程設計來實現(xiàn)儀器的測試功能，而且可以通過不同測試功能的軟件模塊的組合來實現(xiàn)多種測試功能。于是在硬件平臺確定后，出現(xiàn)了“軟件就是儀器”的概念?！败浖褪莾x器”體現(xiàn)了測試技術與計算機深層次的結合測試系統(tǒng)與儀器演變過程（三）越來越復雜的測試條件、高度自動化的工業(yè)化大生產(chǎn)、現(xiàn)代航空航天、軍事裝備和武器系統(tǒng)試驗迫切需要功能更強大、成本更低廉、系統(tǒng)更靈活的新一代測試儀器與系統(tǒng)。從模擬技術向數(shù)字技術過渡；從單臺儀器向多種功能儀器組合過渡；從簡單的功能組合向以計算機為核心的通用虛擬測試平臺過渡；測試系統(tǒng)與儀器的功能從過去完全由硬件實現(xiàn)，向部分功能由軟件實現(xiàn)過渡；上述這些變化代表了當今電子測試系統(tǒng)與儀器的發(fā)展方向3積分器器的介紹3.1研究積分器的意義積分器就是能將輸入信號進行積分運算的元件。設輸入信號為x（t），那么通過積分器后，輸出信號為y（t）=∫x(t)dt設系統(tǒng)初始狀態(tài)為0，將輸出信號進行l(wèi)aplace變換Y（s）=X（s）/s，因此在復頻域內，積分器的單位沖激響應為H（s）=1/s。在物理實現(xiàn)過程中，用到了積分電路來實現(xiàn)，其中反饋回路里包含積分元件電容，它是對流經(jīng)它的電流進行積分。而積分器是電路實驗中常用的器件，常用來對正弦波、方波、三角波、鋸齒波等波形進行轉換。本課題主要研究虛擬積分器的LabVIEW的實現(xiàn)，積分器廣泛應用于模擬和數(shù)字系統(tǒng)中對信號積分。因此，研究虛擬積分器具有十分重要的實際意義。通過本課題也可以掌握應用LabVIEW軟件編程設計虛擬積分器的方法與步驟，有利于更好地把握積分器的工作原理和使用方法，并進一步熟悉采用LabVIEW方法實現(xiàn)數(shù)字系統(tǒng)設計的流程，提高專業(yè)知識水平。3.2積分器在各個領域的應用簡介eq\o\ac(○,1)運算放大器的積分器（3.1）（3.2）（3.3）（3.4）eq\o\ac(○,2)同相和反相開關電容積分器開關電容積分器電路如圖3-2（a）所示。由圖（a）可知，當φ1為高電平，T1、T3導通，vI對C充電；當vI為正，在圖示vC1的假定正向下，充電結果vC1有一負電壓。當φ2為高電平時，vC1將加到運放的反相端，使vO為正，與vI同相，因此，圖3-2（a）是同相積分電路。如果將T3、T4的時鐘相位反相，如圖3-2（b）所示，讀者不難證明，圖1b具有反相積分器的功能3.2（a）同相積分電路3.2（b）反相積分電路3.3積分運算及積分器的特點3.3.1積分運算的意義積分運算是一種數(shù)學運算的一種基本運算，特別是信號處理和電路等得到廣泛運用。從信號處理的角度來看是對信號進行積分，其表達式為：y（t）=∫x(t)dt（3.5）3.3.2積分器電路原理對于積分器的電路比較簡單，它就是以一個電容、一個電阻和一個三極管組成。在此我們將在這里以正向積分器為例子介紹下積分器的功能：

電路圖如下：

圖3.3積分器電路原理下面推導輸出電壓與輸入電壓的關系：

輸入電壓Vin經(jīng)電容R1對電容C1充電，設C1上的電壓為Vc，則：

流過R1的電流為：

Ir1＝(Vin－Vc)/R1

C1上的電壓為：

Vc＝1/C1

∫Ir1dt＝1/R1C1

[∫(Vin-Vc)dt]=1/R1C1

∫Vindt

-

1/R1C1

∫Vcdt

即：Vc＋

1/R1C1

∫Vcdt

＝1/R1C1

∫Vindt

（3.6）

再設R2上的電壓為Vr，流過R2上的電流為Ir2=Vr/R2，電容C2上的電壓為：

VC2＝1/C2

∫Ir21dt

=

1/R2C2

∫Vrdt

輸出電壓Vo＝Vr＋VC2＝Vr＋1/R2C2

∫Vrdt

（3.7）

根據(jù)運放的虛短原理，Vc＝Vr，當R1C1＝R2C2時，上式（3.7）的右邊等于（3.6）式的左邊，即：

Vo＝1/R1C1

∫Vindt

結論是：輸出電壓是輸入電壓的積分，而且輸入輸出電壓同方向。4虛擬積分器的發(fā)展及設計4.1虛擬積分器的設計步驟虛擬儀器的設計包括前面板（frontpanel）、流程圖（blockdiagram）以及圖標/連接器（icon/connector）三部分。而前面板是圖形生成板，也就是VI的虛擬儀器面板。好比電腦的顯示器一樣，能看到出入波形和輸出波形。具體表現(xiàn)為：開關、旋扭、圖形以及其他控制(control)和顯示對象（indicator）。流程圖提供VI的圖形化源程序。就好比電腦的說明書一樣，讓人可以了解此程序的一個操作過程，給人一目了然的感覺。它以控制和操縱定義在前面板上的輸入和輸出功能。流程圖包括前面板控件的連線端子，還包括一些前面板上沒有但編程必須有的，如函數(shù)、結構和連線等。圖標/連接器是子VI被其它VI調用的接口，就像函數(shù)的參數(shù)。用戶必須指定連接器端口與前面板的控制和顯示一一對應。連接器一般情況下隱含不顯示，用戶也可以選擇打開觀察它。以下圖4.1是一個虛擬積分器的一個設計圖：開始開始進入信號積分界面選擇信號的類型波形參數(shù)設定生成信號在波形中顯示是否重置？波形繼續(xù)掃描返回YN圖4.1信號積分模塊的流程圖此流程圖可以對常見的信號（如正弦波、三角波、方波、鋸齒波等）進行積分。它的波形圖及結果會顯示在前面板上。也可以修改其參數(shù)，跟換不同信號。對積分信號結果進行分析和處理。本軟件處可以對信號波形進行處理外還可以在儀器面板上對其采樣、幅值、頻率、相位等參數(shù)進行修改，前面板上顯示積分后的波形。本信號采用LabVIEW中的典型信號生產(chǎn)模塊。此仿真信號的生成和函數(shù)的處理經(jīng)過必要的鏈接放入一個While循環(huán)結構中就形成了一個積分流程圖。如圖4.2所示。儀器面板圖如圖4.3所示。WaveformGraph用來顯示積分前后的波形，信號類型可以選擇波形的類型（如正弦波、方波、三角波或鋸齒波），幅值、頻率、相位和偏移量可以用來設定仿真實驗信號所需要的一些參數(shù)。4.2本課題整體電路圖4.2.1程序框圖的設計基于LabVIEW的積分器的框圖由采樣、幅值、頻率、相位輸入、重置相位、相位輸出、錯誤報數(shù)、輸入信號波形圖、復位信號開關組成。其框圖如4.2圖：圖4.2基于LabVIEW的積分器的框圖在While的條件下，輸入正弦信號、鋸齒波信號、和噪音信號通過公式把三個信號整合起來并輸入到波形圖上，通過波形圖可以看到三個信號的合成波形；然后把信號輸入到濾波器中，濾波過后再輸入到一個波形圖2中看起波形，比較兩波形圖的不同和相同之處；最后將濾過的信號發(fā)送到積分器中，再傳輸?shù)讲ㄐ螆D三中，觀察起結果。其運行結果如下圖:圖4.2框圖波形圖波形圖1是沒經(jīng)過濾波的波形，是一條很不穩(wěn)定的正弦波形；波形圖2是經(jīng)過濾波過后，一條相對比較穩(wěn)定的正弦波形；波形圖3是一條經(jīng)過濾波和積分過后，幾乎穩(wěn)定的余弦波形。4.2.2程序框圖中主要?？斓脑O計程序框圖中的主要模塊包括基本函數(shù)發(fā)生器和積分函數(shù)器模塊的設計，其中基本函數(shù)發(fā)生器函數(shù)信號發(fā)生器能產(chǎn)生某些特定的周期性時間函數(shù)波形（正弦波、方波、三角波和鋸齒波等）信號，頻率范圍可從幾個微赫茲到幾十兆赫茲變換。函數(shù)信號發(fā)生器在電路實驗和設備檢測中具有十分廣泛的用途。LabVIEW中的基本函數(shù)發(fā)生器可以對信號類型、頻率、相位、方波占空比、偏移量、幅值、復位信號開關、采樣信息等進行設置。圖4.3基本函數(shù)發(fā)生器的連線圖圖4.4積分函數(shù)器模塊積分函數(shù)器模塊中顯示了信號類型、頻率、幅度、相位、偏移量、方波占空比、錯誤輸入、采樣信息、采樣數(shù)、重置信號、信號輸出、相位輸出等信息。可以對相關信心進行修改來改變其波形觀其波形變化。4.2.3前面板設計根據(jù)設計的積分器的功能，可以選擇輸入的信號類型，如（三角波，方波，鋸齒波，正弦波），同時也可以根據(jù)需要設置所選信號的頻率、相位、幅值、方波占空比等參數(shù)。由整體設計框圖（圖4.1）可知，若積分過后的波形圖與實際不相符，則此時可以重置信號，重新設置波形參數(shù)。前面板框圖設計如圖4.5所示：圖4.5前面板設計框圖4.3運行結果以下積分結果的參數(shù)如圖:圖4.6信號參數(shù)4.3.1正弦波積分結果圖4.7正弦積分波形圖在基于LabVIEW的積分器的積分下正弦波積分出來后是一個余弦波形，這一點與事實相符合。從而從一方面證明了虛擬儀器的可靠性。4.3.2方波信號積分結果圖4.8方波積分波形圖在虛擬積分器的積分下方波積分后是一個矩形波。這也進一步證明了虛擬儀器的可靠性。4.3.3三角波信號積分結果圖4.9三角波積分波形圖三角波在虛擬積分器的積分下得到了一個正弦波，從而更近一步證明了虛擬儀器的可靠性。小結:在虛擬積分器下得出的波形圖是完全與事實相符合的。所以在虛擬儀器中積分后的波形圖是正確的。4.3.4鋸齒波信號積分結果4.10鋸齒波信號積分由前面的結果可以證明，此鋸齒波的積分后的波形圖是正確的。4.4本章總結從前面正弦波、方波、三角波、鋸齒波在基于LabVIEW的積分下結果是與實際理論分析和傳統(tǒng)的實驗運行結果是相一致的，從而證明了虛擬儀器的可靠性。用LabVIEW性能高，靈活性強，軟件開發(fā)效率高，可操作性和維護性好等優(yōu)點。從而注定了它的發(fā)展性是可觀的。在未來時間里，它的運用將會更廣闊，發(fā)展的更好。5．結論隨著計算機和網(wǎng)絡技術的高度發(fā)展,在研究、工業(yè)和醫(yī)學領域，低成本高性能的虛擬儀器得到飛速發(fā)展.基于LabVIEW積分器它能對常見的信號如正弦波、三角波、鋸齒波進行積分，其優(yōu)點有以下方面：1、性能高.完全“繼承”了以現(xiàn)成即用的PC技術為主導的最新商業(yè)技術的優(yōu)點，包括功能超卓的處理器和文件I/O，使您在數(shù)據(jù)高速導入磁盤的同時就能實時地進行復雜的分析。2、擴展性強。得益于虛擬儀器靈活性，只需更新您的計算機或測量硬件。3、化編程語言labVIEW和面向對象編程技術，軟件開發(fā)效率高，可操作性和維護性好。4、用戶的程序模塊，可以擴充數(shù)據(jù)處理和分析5、同條件下，可以通過修改軟件模塊來，設置新的儀器功能此次設計中遇到了很多問題，但都在通過與老師、同學和網(wǎng)上查閱資料下順利完成了設計。增加了我的動手、動腦和動口能力。為以后工作打下了堅固的基礎。參考文獻[1]黃仕凰,吳偉民,謝世武.基于LabVIEW的積分積分器設計[J].韓山師范學院學報,2009,30(3):67-80.[2]柴慧霞,程珩,薛松。虛擬儀器淺析[J]。機械管理開發(fā)。2008(4)172-173。[3]王海寶.LabVIEW虛擬儀器程序設計與應用[M].西南交通大學出版社,2005.[4]劉國民，王輝?；贚abVI