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

目錄TOC\o"1-3"\h\u11691前言 1606第一章緒論 2300481.1課題研究的目的和意義 2299471．1．1目前面臨的問題 2103591．1．2解決的方案 36531．2虛擬儀器技術(shù)的開展和虛擬實(shí)驗(yàn)室的引入 4134001．2．1虛擬儀器概述 4178581．2．2虛擬實(shí)驗(yàn)室的引入 6103271．3課題研究的任務(wù)和內(nèi)容 623177第二章教學(xué)平臺(tái)的總體設(shè)計(jì)和硬件選擇 868632．1基于虛擬儀器的測試系統(tǒng)的構(gòu)成 8264602．1．1測試系統(tǒng)的構(gòu)成 8255502.1．2基于虛擬儀器的測試系統(tǒng)的構(gòu)成 9270342．2教學(xué)平臺(tái)的總體設(shè)計(jì) 10170192．2．1總體設(shè)計(jì)方案 1097172．2．2教學(xué)平臺(tái)的構(gòu)成 10272342．3開發(fā)環(huán)境LabVlEW簡介 10258532．3．1LabVIEW簡介 1082502．3．2本課題中LabVlEW的主要應(yīng)用特點(diǎn) 1195462．3．3LabVIEW程序的構(gòu)成 112546第三章軟件總體設(shè)計(jì)及信號分析儀的實(shí)現(xiàn) 12306913．1軟件系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) 12133143．1．1面板程序 1283893．1．2框圖程序 1377543．1．3主界面設(shè)計(jì) 1394033．2．1信號的分類 16299743．2．2信號的數(shù)據(jù)特征 16304413．3數(shù)據(jù)采集與預(yù)處理 17325013.3．1數(shù)據(jù)采集 17193803．4信號分析儀的實(shí)現(xiàn) 18202363．4．1信號分析模塊的實(shí)現(xiàn) 181009第四章信號發(fā)生器及演示實(shí)驗(yàn)單元的實(shí)現(xiàn) 24325944．1信號發(fā)生器的實(shí)現(xiàn) 24313584．1．1信號發(fā)生器的功能 24163154．1．2信號發(fā)生器的實(shí)現(xiàn)原理 2440204．1．3信號發(fā)生器的主界面 24301284．2演示實(shí)驗(yàn)單元的實(shí)現(xiàn) 2722263第五章結(jié)論與建議 36211005．1結(jié)論 36182885．2進(jìn)一步研究建議 361519參考文獻(xiàn) 3814013附錄一 3920642低通濾波程序框圖： 3927252附錄二 4024880根本函數(shù)發(fā)生器程序框圖： 4084附錄三 4126901正弦信號頻譜分析程序框圖： 41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)根底上,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根底上獲得更多實(shí)際應(yīng)用的時(shí)機(jī)。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1．1．1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)根底課和必修課程。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)等方面的根底知識，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)的根本模式是教師講、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)局部缺乏實(shí)物對象；信號分析理論局部深?yuàn)W、難懂。學(xué)生對課程用認(rèn)識缺乏，嚴(yán)重影響教學(xué)效果。國外的一些高校那么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，翻開后儀器預(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，屢次實(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，儀器是最根本的根底，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。1．1．2解決的方案隨著科學(xué)技術(shù)的不斷開展以及相應(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缺乏。為了改善實(shí)驗(yàn)條件、改革試驗(yàn)教學(xué)方法、更新試驗(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)立虛擬實(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)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)那么變成程序的改良或軟件的升級。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)比擬昂貴。對一般高校來講，不可能大量購置以滿足教學(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)就可以只購置必要的通用的儀器硬件來設(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根底上獲得更多實(shí)際應(yīng)用的時(shí)機(jī)。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。1．2虛擬儀器技術(shù)的開展和虛擬實(shí)驗(yàn)室的引入1．2．1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、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)原那么和實(shí)現(xiàn)根底。圖1-1虛擬儀器的設(shè)想虛擬儀器(VirtualInstrument，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(NationalInstrumentsCorporation，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根本智能化功能，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)?！籼摂M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LabWindows／CVI、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：I．PC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。II．GBIB總線方式的虛擬儀器GPIB技術(shù)是IEEE488標(biāo)準(zhǔn)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)開展。典型的GPIB系統(tǒng)由一臺(tái)PC機(jī)、一塊GPIB接口卡和假設(shè)干臺(tái)BPIB形式的儀器通過GPIB電纜連接而成。III．VXI總線方式虛擬儀器VXI總線是一種高速計(jì)算機(jī)總線V／vIE總線在Ⅵ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RFI／EMI屏蔽等特性。IV．PXI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)標(biāo)準(zhǔn)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開展的一系列可連接到計(jì)算機(jī)并行口的測試裝置?！籼摂M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)同步開展，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)開展的重要標(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，這為虛擬儀器的開展奠定了根底。虛擬儀器作為傳統(tǒng)儀器的替代品，市場潛在容量巨大，具有廣闊的開展前景。1．2．2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Williamwolf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)工程，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)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。目前我國局部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)〞工程在長春通過省級鑒定。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2／3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。1．3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)那么可以用軟件配合計(jì)算機(jī)以及輔助硬件滿足根本測試實(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)的根底性，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LabVIEW2023分析軟件一套開發(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)局部：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。各局部功能定位如下：(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)一步研究的建議。第二章教學(xué)平臺(tái)的總體設(shè)計(jì)和硬件選擇2．1基于虛擬儀器的測試系統(tǒng)的構(gòu)成2．1．1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假設(shè)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)局部構(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)A／D變換后用軟件進(jìn)行信號分析，顯示記錄裝置那么測量結(jié)果顯示出來，提供應(yīng)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、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)A／D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。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、抗混淆濾波器那么是調(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)比擬理想時(shí)，可以省略相應(yīng)的信號條理模塊。4．?dāng)?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)(A／D)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A／D轉(zhuǎn)換器，信號采集局部還包含以HL局部電路。1)采樣保持電路。它保證在A／D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)那么可不用。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A／D轉(zhuǎn)換器的工作狀態(tài)。5．?dāng)?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表達(dá)。數(shù)據(jù)分析處理又可分為三局部：(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)處理局部主要包括以下幾種：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。2.1．2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)合是目前儀器開展的一個(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)現(xiàn)，比方頻譜儀等。虛擬儀器那么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)。2．2教學(xué)平臺(tái)的總體設(shè)計(jì)2．2．1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)室需求的根底上，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)單元三局部。2．2．2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．?dāng)?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)局部組成。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)本錢。LabVIEW7．0開發(fā)環(huán)境安裝時(shí)，會(huì)自動(dòng)安裝NI-DAQ7．0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．?dāng)?shù)據(jù)處理系統(tǒng)這局部是課題的核心局部。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。2．3開發(fā)環(huán)境LabVlEW簡介2．3．1LabVIEW簡介美國國家儀器公司(NationalInstruments，簡稱NI)是虛擬儀器技術(shù)的主要倡導(dǎo)者和奉獻(xiàn)者。其創(chuàng)新軟件LabVIEW(LaboratoryVirtualInstrumentEngineeringWorkbench)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)新的圖形化語言編程方法成為虛擬儀器技術(shù)應(yīng)用與開展的重要根底，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LabLIEW2023。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。它提供應(yīng)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。2．3．2本課題中LabVlEW的主要應(yīng)用特點(diǎn)針對數(shù)據(jù)采集：LabVIEW提供應(yīng)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。2．3．3LabVIEW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(VirtualInstruments)，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Ⅵ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。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(DiagramProgramme)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(1eon／Terminal)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)3．1軟件系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)LabVIEW環(huán)境中創(chuàng)立的任何一個(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)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)生器周期隨機(jī)信號白噪聲發(fā)生器高斯白噪聲發(fā)生器濾波加窗相關(guān)調(diào)制解調(diào)吉布斯現(xiàn)象自相關(guān)函數(shù)高斯白噪聲發(fā)生器濾波加窗相關(guān)調(diào)制解調(diào)吉布斯現(xiàn)象自相關(guān)函數(shù)正弦信號頻譜分析周期信號合成周期信號分解實(shí)驗(yàn)報(bào)表生成頻域時(shí)域分析濾波數(shù)據(jù)采集根本函數(shù)圖3-1教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)總體結(jié)構(gòu)3．1．1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)原那么：(1)易用性原那么：作為與用戶的唯一接口，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)交互性原那么：要充分考慮各個(gè)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的特點(diǎn)和實(shí)驗(yàn)的根本步驟，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)簡潔明了原那么：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。3．1．2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?？驁D程序設(shè)計(jì)原那么：(1)遵循從左到右、從上到下的順序編排程序的節(jié)點(diǎn)。(2)盡量防止程序框圖擴(kuò)展到屏幕顯示范圍以外。(3)如果程序中某些局部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)立一個(gè)子VI。(4)整齊清晰的排列連線，以免造成讀程序的困難。防止在節(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Ⅵ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。3．1．3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3-33．2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。信號的根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。3．2．1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)那么信號，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根底，是我們分析的根本信號類型。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。3．2．2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。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根底是統(tǒng)計(jì)理論和隨機(jī)過程理論。隨機(jī)信號的根本統(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)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。3．3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。3.3．1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)地保存原始模擬信號信息，信號采樣頻率必須至少為原信號中最高頻率成分的2倍。這是采樣的根本法那么，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。3．3．2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3．4信號分析儀的實(shí)現(xiàn)3．4．1信號分析模塊的實(shí)現(xiàn)3．4．1．1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3．4．2．1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+τ)是x(t)時(shí)移τ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)噪聲中確實(shí)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)的信號互相比擬找出它們之間的關(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)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，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3．4．2．2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?？紤]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)局部：數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理分析。這兩個(gè)局部通過點(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)采集流程圖圖3-8數(shù)據(jù)采集流程〔2〕數(shù)據(jù)采集參數(shù)定義數(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)4．1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)或無法得到適宜的信號源時(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。4．1．1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4．1．2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D／A功能，LabVIEW程序在計(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D／A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D／A最大采樣率為10kS／s，那么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)，那么得到的最大輸出正弦信號的頻率為10／10=l(kHz)。4．1．3信號發(fā)生器的主界面在Functions->AllFunctions->SignalAnalysis->WaveformGeneration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．>AllFunctions．>AnalogOutput模板中的函數(shù)將仿真信號提供應(yīng)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根本函數(shù)發(fā)生器界面圖4-5周期隨機(jī)噪聲發(fā)生器界面4．2演示實(shí)驗(yàn)單元的實(shí)現(xiàn)將實(shí)驗(yàn)課程常用的假設(shè)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5．1結(jié)論虛擬儀器設(shè)計(jì)已經(jīng)成為測試和儀器技術(shù)開展的一個(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)生和開展推動(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