测控技术与仪器 毕业论文范文——基于labview的实验平台设计 (2)

基于labview的实验平台设计摘要实验教学在高校电子类教学中起着相当重要的作用，但是长期以来实验设备和实验教学方法的落后在很大程度上制约了实验教学质量的提高。本文的目的就是开发一个虚拟仪器实验教学系统，服务于工科实验教学，以提高实验教学水平和教学质量。开发这样的系统需要理解虚拟仪器的概念并拥有一个功能强大的开发平台，为此本文采用了目前比较流行的美国国家仪器公司的LabVIEW(Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench)作为该系统的软件开发平台，对虚拟仪器和LabVIEW软件进行了介绍。虚拟仪器设计及实现的核心是软件的开发。本文采用模块化设计方法，详细描述了软件开发的全过程，分析并解决了设计及实现过程中出现的问题，并给出了己实现的虚拟正弦波仿真信号发生器、自相关函数演示仪、相位法测量相位差仿真仪、虚拟正弦波频谱分析仪、钟摆模拟演示仪、线性代数计算器、惠斯通电桥仿真仪八种实验教学用虚拟仪器及一个实际应用的虚拟仪器程序的原理、前面板图和程序流程图。由这些仪器组成的系统，可用于电路基础、电子技术基础、信号与系统、自动控制理论登专业基础课程的实验教学。关键词：虚拟仪器，LabVIEW，实验教学系统Experimental Platform Based On LabviewABSTRACTIt is very important for teaching in the whole process of electronic experiments, but in a long time, the backward equipments and methods has largely restricted the improvement of quality. The purpose of this thesis is to build a virtualteaching test system, which can be severed to high engineering courses, and upgrade its level and improve its quality.To build this system, we must understand the idea of virtual instrument and have a powerful workbench.For this reason, I use LabVIEW (Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench) of National Instrument Company, which is prevalent, as my software workbench. So,I introduce many applications of virtual instrument and LabVIEW. The kernel in design and realization of virtual instrument is the software development.I use modular method and many papers to describe the whole building process,analyze and solve issues which come forth during the design and realization process.As the conclusion, I offer the theories, panels and diagrams of eight virtual instruments, such as virtual sine wave generator, autocorrelation function demonstrator, phase difference demonstrator based on phase method, virtual sine wave frequency spectrum analytical instrument, and a example program which used in the practice.These virtual instruments form the teaching test system.Which can be used in experimental courses, for example, circuit theory, electronic technical basis, signal and system ,automation control theory and soon.KEYWORDS：Virtual instrument, LabVIEW, Experiments teaching system目 录1 引言111 课题背景11.1.1 实验教学的现状11.1.2 虚拟仪器在教学上的运用前景11.2 研究意义31.3 论文研究内容32 虚拟仪器52.1 虚拟仪器的概念和特点52.1.1 虚拟仪器的概念52.1.2 虚拟仪器的特点52.2 虚拟仪器的发展与演变62.2.1 虚拟仪器的发展62.2.2 虚拟仪器的发展趋势72.3 虚拟仪器的构件技术73 LabVIEW开发平台的介绍93.1 LabVIEW简介93.1.1 图形化编程语言93.1.2 VI的概念103.2 LabVIEW软件的特点103.3 LabVIEW程序设计的一般过程103.4 小结114 基于LabVIEW的实验平台设计134.1 实验登录界面134.2 线性代数计算器144.3 相关法测相位差仿真仪194.4 虚拟正弦波频谱分析仪234.5 惠斯通电桥仿真实验箱255 结论315.1 本文设计过程总结315.2 设计的优势和特点31参考文献32致谢34第II页 共II页1 引言 11 课题背景本文所开发的虚拟仪器实验教学系统是在计算机技术、电子测量技术、信号处理技术、自动控制技术高速发展，而传统仪器下的高校实验教学已严重滞后于信息时代和工程实际需要的背景下，利用美国NI公司的虚拟仪器开发平台LabVIEW自行设计开发的虚拟仪器实验教学系统。它具有信号的采集、分析、存储和读取等多种功能，可用于电工、电子、自动控制、计算机等课程的实验教学。本文的课题背景知识包括:数字信号处理技术、工程测试技术、虚拟仪器技术、LabVlEW软件开发平台。1.1.1 实验教学的现状目前大多数工科院校仍然用着传统的实验教学方法，主要表现在以下几个方面：（1）实验内容和实验设备依附于理论课程进行划分，各实验室和实验内容没有形成一个有机的整体,缺乏系统的观念。（2）实验设备重复建设,沉积较多。（3）实验设备层次不齐，大部分设备落后于课程建设的需要。（4）实验的内容侧重于理论的验证和模仿训练，每个学生的实验内容千篇一律，将学生的思维限定在一个狭窄的范围内,缺乏对学生创新意识的培养和综合能力的提高。（5）滞后的实验设备和死板的实验模式难以调动学生的主动性和创造性，实验教学处于应试教育。这些在很大程度上制约了实验教学的发展和人才培养质量的提高。探究其原因，不能不说在科技迅猛发展的今天，以教育有限的投入无法满足实验设备价格昂贵、更新速度快的要求，是其最根本的原因。这就要求从事实验教学研究的工作者开发能够满足现代实验教学要求、物美价廉的实验教学仪器，以提高实验教学水平，培养高素质的适应时代要求的合格人才。本文正是在这种背景下进行的。1.1.2 虚拟仪器在教学上的运用前景随着低成本高性能的计算机资源普及运用，数字化测量平台逐渐成为测量仪器的基础。在20世纪80年代末美国研制成功虚拟仪器，代表了仪器发展的一种新方向。虚拟仪器是计算机技术与电子仪器相结合而产生的一种新的仪器模式，它通常是由个人计算机、模块化的功能硬件与用于数据分析、过程通信及图形用户界面的应用软件有机结合构成，使计算机成为一个具有各种测量功能的数字化测量平台。它利用软件在屏幕上生成各种仪器面板，完成对数据的处理、表达、传送、储存、显示等功能。我国的高等学校特别是理工科学校，教学、科研需要大量的测量分析仪器设备，特别是电子类实验教学，每种仪器都必须配置多套，而且有的仪器设备价格昂贵，因此仪器设备所需投资巨大，一般学校很难满足，造成许多学校仪器设备缺乏和过时陈旧等现象，严重影响教学科研。如果运用虚拟仪器系统，情况就大不一样了。使用虚拟仪器不但可以节约大量仪器设备的经费投入，而且能够提高教学科研的质量与效率【1】。电子类实验教学是许多专业必须进行的一项教学活动。掌握测量仪器和设备的操作使用方法是每个学生进行科学实验的基本前提。传统的教学方法是让学生在教师的指导下进行实际的操作使用，随之而来的问题是教师的工作量很大而且很难对所有学生进行指导，既影响教学效果又容易造成仪器损坏。如果用虚拟仪器开发平台如LabVIEW、LabWindows开发各种不带相关功能硬件的“虚拟仪器”（真正的虚拟仪器是由计算机、软件、功能硬件组成的。为了与之区分，故用引号），不但简单易行，且交互性、可操作性和真实感与实际的虚拟仪器基本相同。由它们组成一个个虚拟实验室，让学生在虚拟实验室通过对“虚拟仪器”的模拟操作使用，全面了解和掌握各种虚拟仪器的使用方法和操作要点，为实际使用虚拟仪器设备和传统实验仪器设备打下较好的基础，既可降低教师的劳动强度，减少仪器设备的损坏，又可以提高实验教学质量与效果。以仪器的学习与使用的实验教学为例，根据实际使用的虚拟仪器设备，将各种虚拟仪器及工作原理、操作使用方法设计成独立的教学模块，共同组建一个基于虚拟仪器的虚拟实验室【2】。另外，虚拟仪器技术与Internet技术结合可在远程教育中发挥作用【3】。利用Internet资源和技术，将其与虚拟仪器结合起来，可以为远程教育中实验教学这一公认的难题提供一种全新的解决方案。一是将Internet与上述的虚拟仿真实验室组成一个基本Web的虚拟实验室，使远端的学员可以不受地域、时间的限制，通过Internet利用浏览器在自己的计算机上进行各种虚拟实验，学习掌握各种虚拟仪器的工作原理及操作使用方法。二是将实际的虚拟仪器与Internet结合组成远程虚拟仪器系统，将中心实验室的虚拟仪器和远端学员计算机上的“虚拟仪器”通过Internet联系起来，建成网络实验系统。这种方式由于只需要传送小量的数据与文本，完全能在现有的网络条件下进行，从而为远程教育如电大、网校解决实验教学难的问题提供一种全新的解决方案。1.2 研究意义传统仪器下的高校实验教学，已严重滞后于信息时代和工程实际的需要。其根本原因在于实验教学内容依附于课程设立，基本处于割裂状态，仪器设备不可能实现资源共享，在科学技术快速发展的今天，高校不可能支付巨额的仪器设备更新资金。而且，现代化生产要求电子仪器品种多、功能强、精度高、自动化程度高，而且要求测试速度快、实时性好、具有良好的人机界面【4】。虚拟仪器正可以实现这些要求。与传统仪器相比，虚拟仪器具有以下优点【5】：（1）在通用硬件平台确定后，由软件取代传统仪器中的硬件来完成仪器的功能。（2）仪器的功能是用户根据需要由软件来定义的，而不是事先由生产厂家定义好的。（3）仪器性能的改进和功能的扩展只需进行相关软件的设计更新，而不需要购买新的仪器。（4）研制周期较传统仪器大为缩短，且成本低廉。（5）虚拟仪器具有开放性和灵活性，可与计算机同步发展，与网络及其它周边设备互联。目前，我国正处于科学技术蓬勃发展的新时期，对仪器设备的需求将更加强劲。虚拟仪器赖以生存的PC计算机近几年正以迅猛的势头席卷全国，这为虚拟仪器的发展奠定了基础【6】。虚拟仪器作为传统仪器的替代品，市场容量巨大，据专家预测，在本世纪初我国将有50的仪器为虚拟仪器。发达国家虽然在此领域比我国起步较早，但差距并不是很大，我们也当充分把握时机，取长补短，学习国外先进经验，将我国的虚拟仪器产业水平逐渐向先进国家靠拢【7】。1.3 论文研究内容本文主要阐述如何在LabVIEW环境下开发虚拟实验教学系统中的虚拟仪器，如相关法测相位差仿真仪，惠斯通电桥仿真实验箱等。第二章叙述了近年来在仪器测试领域内出现的新型仪器虚拟仪器的概念、特点、发展现状及构建技术。第三章介绍了虚拟仪器开发的集成软件包LabVIEW的特点、语言和基本结构。第四章详细叙述了基于LabVIEW实验平台的开发过程。该实验平台由虚拟正弦波仿真信号的发生器、自相关函数演示仪、相关法测量相位差仿真仪、虚拟正弦波频谱分析仪、线性代数计算器、归一化频率仿真仪、钟摆运动模拟仿真仪、惠斯通电桥仿真实验箱构成，介绍了各个仪器的主要功能及软件功能模块的设计与实现。这些仪器构成了一个实验教学系统，可用于电路基础、电子技术基础、线性代数等专业基础课程的实验教学。第五章，总结设计过程和系统的优缺点以及需要改进的地方。2 虚拟仪器2.1 虚拟仪器的概念和特点2.1.1 虚拟仪器的概念【8】1982年出现了一种与PC配合使用的模块式仪器，自动测试系统结构也从传统的机架层叠式结构发展成为模块化式结构。与传统仪器不同的是，模块化仪器本身不带仪器面板，因此必须借助于PC强大的图形环境和在线帮助功能，建立图形化的“虚拟的”仪器面板，完成对仪器的控制、数据分析与显示。这种与PC结合构成的、包含实际仪器使用与操作信息软件的仪器，被称为“虚拟仪器”。 虚拟仪器(VI)通过应用程序将通用计算机与仪器硬件结合起来,用户可以通过图形界面(通常叫做虚拟前面板)操作这台计算机,就像在操作自己定义、自己设计的一台传统仪器一样。VI以透明的方式把计算机资源(如微处理器、内存、显示器等)和仪器硬件(如A/D、D/A、数字I/O、定时器、信号调理等)的测量功能、控制能力结合在一起，通过软件实现对数据的分析处理、表达以及图形化用户接口。应用程序将可选硬件(如GPIB、VXI、RS-232、DAQ板)和重复使用源码库函数等软件结合在一起,实现了模块间的通信、定时与触发。源码库函数为用户构造自己的VI系统提供了基本的软件模块。由于VI的模块化、开放性和灵活性以及软件化是关键的特点，当用户的测试要求变化时，可以方便地由用户自己来增减硬、软件模块或重新配置现有系统，以满足新的测试要求。这样，当用户从一个项目转向另一个项目时，就能简单地构造出新的VI系统而不丢弃已有的硬件和软件资源。简而言之，虚拟仪器就是在通用计算机平台上定义和设计仪器的功能，用户操作和使用计算机的同时就是在使用一台专门的电子仪器。虚拟仪器以计算机为核心，充分利用计算机强大的图形界面和数据处理能力，提供对测量数据的分析和显示功能。2.1.2 虚拟仪器的特点【9】虚拟仪器与传统仪器相比，有以下六个特点：（1）传统仪器的面板只有一个，其上布置着种类繁多的显示与操作元件，易于导致许多识别与操作错误。虚拟仪器与之不同，它可以通过在几个分面板上的操作来实现比较复杂的功能。这样，在每个分面板上就可以实现功能操作的单纯化与面板的简洁化，从而提高操作的正确性与便捷性。同时，虚拟仪器面板上显示元件和操作元件的种类与形式不受“标准件”和“加工工艺”的限制，它们是由编程来实现的，设计者可以根据用户的认知和操作要求，设计仪器面板。（2）在通用硬件平台确定后，由软件取代传统仪器中的硬件来完成仪器的功能。（3）仪器的功能是用户根据需要由软件来定义的，而不是事先由厂家定义好的。（4）仪器性能的改进和功能扩展只需要更新相关软件设计，而不需购买新的仪器。 （5）研制周期较传统仪器大为缩短。 （6）虚拟仪器开发灵活，可与计算机同步发展，与网络及其他周边设备互连。虚拟仪器具有传统仪器不可能具备的特点的根本原因在于“虚拟仪器的关键是软件”。虚拟仪器在工程应用和社会经济效益方面具有突出的优势。目前，我国高档台式仪器，如数字示波器、频谱分析仪、逻辑分析仪等还主要依赖进口，因为这些仪器加工工艺复杂，对制造水平要求高，生产突破有困难，而采用虚拟仪器技术后，就可以通过只采购必要的通用仪器硬件来设计自己的高性能价格比的仪器系统。2.2 虚拟仪器的发展与演变2.2.1 虚拟仪器的发展 1）计算机的发展是动力【10】。电子测量仪器经历了由模拟仪器、带IEEE488接口智能仪器到全部可编程VI的发展历程。其中每一次飞跃无不以高性能计算机的发展为动力。近年来，计算机的处理能力一直按指数率提高，发展之快已把传统仪器远远抛在了后面。由于计算机技术、特别是计算机总线标准的发展，导致VI在PXI（PCI在仪器领域的扩展）和VXI（VXE总线在一起领域的扩展）两个领域中得到了快速的发展，他们将成为未来仪器行业的两大主流产品。2）软件是关键【11】。应用软件最流行的趋势之一是图形化编程环境。最早利用编程开发VI始于NI公司推出的LabVIEW和LabWindows/CVI软件包。目前图形化VI框架有NI公司的LabVIEW和HP公司的VEE。应当指出，图形化开发环境与图形化VI框架是不同的，其主要区别在于用其VI组件开发可复用源码模块的能力，后者的这些源码模块必须具有被其他源码模块继承性的调用的能力。控制诸如万用表、示波器、频率计等特定仪器的软件模块就是所谓的仪器驱动（instrument driver），它已经成为应用软件包的标准组成部分。这些驱动程序可实现对特定仪器的控制与通信，成为用户建立VI系统的基础软件模块。而以往用户必须通过学习各种仪器的命令集、编程选项和数据格式等才能够进行仪器编程。采用标准化的仪器驱动程序从根本上消除了这种仪器编程的复杂性，使用户能够把精力集中在仪器的使用而不是仪器的编程。正是由于仪器驱动程序的重要作用，使其成为应用软件供应商之间的一个主要竞争领域。这种竞争给用户带来的一个方便之处是几乎任何一个带标准接口的仪器都有现成的驱动程序可供利用。2.2.2 虚拟仪器的发展趋势【3】仪器技术、计算机通信技术与网络技术是信息技术最重要的组成部分，它们被称为21世纪科学技术中的三大核心技术。虚拟技术蕴含的巨大潜力，使发达国家趋之若鹜，在这一领域的研究上投入了巨资，希望有朝一日能在它的带动下率先进入信息时代，而把工业时代远远地抛在后面。20世纪80年代首先在美国兴起和发展起来的虚拟仪器无疑是虚拟技术领域中的重要组成部分，它已成为发达国家研究开发的热点技术之一。虚拟仪器是日益发展的计算机硬件、软件和总线技术在其他技术领域密集渗透的过程中，与测试技术、仪器技术密切结合共同孕育出的一项美妙的新成果。自20世纪80年代以来，NI公司已研制和推出了多种总线系统的虚拟仪器，特别是它推出的LabVIEW图形编程环境和LabWindows/CVI编程环境已享誉世界，成为这类新型仪器开发系统的世界生产大户。在NI公司之后，著名的美国惠普（HP）公司紧紧跟上推出了HPVEE编程系统可提供数十至数百种虚拟仪器的组建单元和整机，用户可用它组建或挑选自己所需的仪器。虚拟仪器的出现和兴起，改变了传统的概念、模式和结构，改变了人们的仪器观。21世纪虚拟式仪器不仅将成为电测仪器的发展方向，而且必须取代实验室中的传统硬件化仪器，使成千上万种传统的硬件化仪器都演变成计算机软件，成为一系列有序的文件融入计算机中，那时有许多种类的仪器在广义上已不完全属于仪器领域的某些分支，而可以将它们看成是信息技术的本体。2.3 虚拟仪器的构件技术【12】虚拟仪器通常是由计算机、一定的硬件和应用软件三部分构成的。总体上是硬件和软件两大部分。1）虚拟仪器的硬件构成如下所示：虚拟仪器的硬件一般分为计算机硬件平台和仪器硬件。计算机硬件平台目前可以选择各种类型的计算机，计算机是虚拟仪器的硬件平台。其功能强大、价格低廉。由于虚拟仪器充分利用计算机的图形用户界面，所开发的具体应用程序都是基于windows运行环境，所以计算机的配置必须满足基本的要求，如CPU和显卡等。2）虚拟仪器的软件构成如下所示：目前，软件领域较为流行的是面向对象的可视化编程方法。在虚拟仪器的软件编程中，已广泛运用了这一思想。公认的，代表当今虚拟仪器最高技术水平的美国NI公司开发的LabWindows/CVI是专用于虚拟仪器的编程语言，它把C语言与虚拟仪器的软件工具结合起来。除了这些文本编辑语言外，还有基于图形化的编程语言，如NI公司的LabVIEW以及HP公司的HPVEE，用这些软件开发虚拟仪器可使系统开发人员将精力集中在系统的设计中，而不是具体软件的设计细节上。3 LabVIEW开发平台的介绍3.1 LabVIEW简介 LabVIEW是美国国家仪器公司（National Instrument.NI）推出的一种基于“图形”方式的集成化程序开发环境，是目前国际上唯一的编译型图形化编程语言。在以PC机为基础的测量和工控软件中，LabVIEW的市场普及率仅次于C+/C语言。 LabVIEW开发环境具有一系列优点，从流程图的编程，不需预先编译就存在语法检测和调试过程使用的数据探针，到其丰富的函数、数值分析、信号处理和设备驱动等功能，都为人称道。3.1.1 图形化编程语言【13】 LabVIEW是一种图形化的编程语言（G语言）。与VisualC+、Visual Basic、LabWindows/CVI等编程语言不同，LabVIEW用图标、连线和框图代替传统的程序代码，并且LabVIEW所运用的设备图标和科学家、工程师们常用的大部分图标基本一致，这使得编程过程和思维过程非常地相似。 G语言是一种适合应用于任何编程任务，具有扩展函数库的编程语言。和Basic或C语言一样，G语言定义了数据模型、结构类型和模块调用语法规则等编译语言的基本要素，在功能完整和应用灵活性上不逊于任何高级语言，同时G语言丰富的扩展函数库还为用户编程提供了极大的方便。G语言还包括常用的程序调试工具。G语言与传统的编程语言最大的差别在于编程方式，一般的高级语言采用文本编程，而G语言采用图形化编程方式。LabVIEW的运行机制就宏观上来讲已经不再是传统的冯.诺伊曼计算机体系结构的执行方式了，传统的计算机语言中的顺序执行结构在LabVIEW中被并行机制所代替。从本质上讲，它是一种图形控制流结构的数据流模式，这种方式确保了程序中的函数节点只有在获得它的全部数据后才能够被执行。也就是说，在这种数据流程序的概念中，程序的执行是数据驱动的，它不受操作系统，计算机等因素的影响。LabVIEW的程序是数据流驱动的，数据流程序设计规定，一个目标只有当它的所有输入有效时才能执行；而目标的输出，只有当它的功能完全时才有效的。这样LabVIEW中被连接的框图之间的数据流控制程序的执行次序，而不像文本程序受到顺序执行的约束。从而，可以通过互相连接功能方框图快速简洁地开发应用程序，甚至还可以有多个数据通道同步运行。3.1.2 VI的概念【14】在LabVIEW环境下开发的应用程序我们称之为VI。VI是 LabVIEW的核心，由一个人机交互的界面前面板和相当于源代码功能的框图程序后面板组成。在前面板界面，有着控制量和显示量两类对象。在前面板中，控制量模拟了仪器的输入装置并把数据提供给VI的框图程序，而显示量则是模拟了仪器的输出装置并显示由框图程序获得或产生的数据。后面板又称为代码窗口或流程图，是VI图形化的源程序，在流程图中对VI编程，以控制和操纵定义在前面板的输入和输出等功能。流程图中包括前面板上对象的连线端子，还有一些前面板上没有但编程必须有的对象。3.2 LabVIEW软件的特点 （1）具有图形化的编程方式，设计者无需要写任何文本格式的代码，是真正的工程师的语言。（2）提供丰富的数据采集、分析及存储的库函数。（3）提供传统的程序调试手段，如设置断点、单步运行，同时提供独具特色的执行工具，使程序动画式运行，利于设计者观察到程序的运行细节，使程序的调试和开发更为便捷。（4）32位的编译器生成32位的编译程序，保证用户数据采集、测试和测量方案的高速运行。（5）囊括了PCI、GPIB、PXI、VXI、RS-232/485、USB等各种仪器总线标准的所有功能函数，使得不懂得总线标准的开发者也能够驱动不同标准的接口设备和仪器。（6）提供大量与外部代码或软件进行链接的机制。（7）具有强大的Internet功能，支持常用的网络协议、方便网络、远程测控仪器的开发。3.3 LabVIEW程序设计的一般过程【4】一个完整的LabVIEW程序包括三个部分：前面板、框图程序和图标/连接口。因此一个VI程序的设计主要包括前面板的设计，框图程序的设计以及程序的调试。（1）首先创建前面板：因为用户用于虚拟仪器观察的就是前面板，并在前面板中执行对仪器的操作，所以应根据实际中的仪器面板以及该虚拟仪器所要实现的功能来设计前面板。前面板主要由输入控制器和输出指示器组成。利用控制模板来添加输入控制器和输出指示器。使用控制器可以输入数据到程序中，而指示器则可用来显示程序产生的数值。控制器和显示器部件有许多种类，可以从控制模板的各个子模板中选取。（2）框图程序的设计：框图程序相当于源代码，只有在创建了框图程序以及该程序正确才能真正运行。所以在设计好前面板以后，就要根据各个框图之间的关系以及对数据的处理方法等设计框图程序。对框图程序的设计主要是对节点、数据端口和连线的设计。（3）程序的调试：当前面板和程序框图设计好后，程序执行过程中可能会遇见很多方面的错误，因此要对程序进行调试。3.4 小结虚拟仪器是一种功能意义上的仪器，其核心是在最少量的硬件模块支持下，用软件实现传统仪器数据采集、存储、分析、显示的功能。它不强调仪器物理上的实现形式，打破了生产厂家定义的一切机箱的约束，用显示在CRT上的软面板代替原来的仪器面板，用键盘、鼠标对测量的参数及进程进行控制。虚拟仪器给用户一个充分发挥自己的才能、想象力的空间。用户可以随心所欲的根据自己的需求，设计自己的仪器系统，满足多种多样的应用需求。我们所需求的只是一些必要的硬件加上通用计算机，利用丰富的软硬件资源，可以大大突破传统仪器在数据处理、表示、传递、存储等方面的限制，达到传统仪器无法比拟的效果【15】。LabVIEW是一种面向科学家和工程师的编程语言，它提供了简单、直观的图形编程方式，把复杂，繁杂，费时的文本语言编程简化成工程师最熟悉的功能结构图的编程方式，并且嵌入了非常丰富的工程应用函数。虚拟仪器技术是当今新计算机技术和新仪器技术相结合的产物，是现代测试技术与系统的发展趋势。虚拟仪器系统的设计和开发并不困难，在丰富的虚拟仪器软硬件产品的支持下，尤其是在被誉为“科学家和工程师的语言” LabVIEW的支持下，组建一个测试系统正在变得越来越容易【16】。我之所以选择LabVIEW作为虚拟仪器实验教学系统的软件开发平台，主要基于以下考虑：LabVIEW具有强大的软件开发能力，完全可以满足本系统的软件开发需要； LabVIEW有丰富的函数库和子VI，使软件的开发速度快，实现容易；作为实验教学仪器，不但要求学生能够使用仪器，还要求学生能自行设计实现一些仪器功能，完成综合性和创造性实验的内容。我们不能要求每一个学生都能熟练掌握计算机的编程语言和程序设计，而LabVIEW不需要使用者具有这些知识背景；LabVIEW是一个完全开放式的开发平台，可支持文本语言的编译的程序模块，因此可以满足不同使用者的需要。 4 基于LabVIEW的实验平台设计本设计的实验平台包含了实验登陆界面和八个不同的实验组成，由这些组成了一个电子实验教学平台。而在本论文中我主要介绍其中的四个实验：线性代数计数器、相关法测相位差仿真仪、虚拟正弦频谱分析仪、惠斯通电桥仿真试验箱。在这次平台设计中，为了使编程更简介且容易修改，把各实验进行模块化设计，然后利用事件结构进行各个子程序的调用。在前面板中设计一个登录界面，进入点击相应的按钮可以弹出相应的实验项目的运行界面。这样每个实验就是一个独立的子模块，各个模块的编程和修改互不影响，而且在实验教学中就可以非常方便地使用和查看各个模块的功能。4.1 实验登录界面 运行程序后实验的登录前面板和框图如图4.1和图4.2所示：图4.1 登录前面板图4.2 登录框图 登录后出现实验目录，然后根据自己的需要进入对应的实验进行所需要的实验仿真操作。而且所有实验可以说是单独存在的，可以单独运行。图4.3 实验目录4.2 线性代数计算器计数器功能：此计数器不仅只是能求解线性矩阵中的未知矩阵，还能求解矩阵的行列式，也能求解矩阵的逆矩阵。 设计思路：在矩阵计算中，如果求一矩阵的行列式时，可设此矩阵为。其中只能是n阶矩阵，当n=1时，若=，则其行列式为；当n2时，n阶行列式定义如式4.1为：= （4.1）其中（，j=1,2，n）表示划去行列式的第行，第j列后所剩余的n-1阶行列式，称为的余子式，而称为元素的代数余子式。所以如果知道任一个行列式，就能根据这个公式算出其相对应的行列式值。如果是运算矩阵的逆矩阵，如求矩阵的逆矩阵。其中必须满足n阶方阵的行列式0且。其中是方阵的伴随矩阵，是的各个元素的代数余子式所构成的如式（4.2）方阵：= （4.2）如果运算的是线性矩阵求解，即在中求解未知矩阵。在本设计中我设计的输入矩阵和是相容的，且具有相同的秩，即矩阵方程组只有唯一的解。因为有,所以两边同时乘矩阵A的逆矩阵得即得。设计过程：1）前面板的设计：（1）放置一个枚举控件，设置为“输入数据”，分别编辑包括了“求解逆矩阵数据”、“求解行列式数据”、“求解线性矩阵数据”。（2）放置一个选项卡控件，设置为“选择计算类型”，分别在上面编辑三个选项卡，分别为“求解逆矩阵”、“求解行列式”、“求解线性矩阵”。用这个控件的最大好处是能根据不同需求的运算而只是在上面输入你正在运行的运算中所需要的输入量。（3）放置四个输入数组，分别用于设置输入数组“”、“”、“”、“”。根据不同输入数据要求分别把这些输入数组放入选项卡控件的三个选项卡上。（4）放置一个输出数组，用于显示求解线性矩阵中的所求出的矩阵“”。（5）放置一个字符串常量控件，用于显示“需要求解要求”显示的字符串。（6）放置一个表格控件，用于显示每个运行程序“框图输出结果”。（7）放置一个“停止”按钮开关，用来结束程序的运行。2）框图设计：（1）放置一个以输入数据控件为一个选择器端子的Case结构，在Case的选择器标签上编辑和输入数据控件相同的求解数据，并把相对应的输入数组连接到里面。（2）再在后面放置一个以选项卡控件为选择器端子的Case结构，把Case结构的选择器标签上编辑和选择计算类型控件相同的求解类型。(3)按照路径在“数学”“线性代数”选线板中选择“求解线性方程”放入Case结构为求解线性矩阵的选择器标签；把“行列式求值”放入选择器标签为求解行列式；把“逆矩阵”放入选择器标签为求解逆矩阵。（4）在上面的Case结构中再放入一个“Real Table.vi”，实现把数组输出显示为表格输出。运行程序：在此实验中，我依次选择要进行的运算，并输入对应的矩阵值，矩阵是任意输入符合条件的矩阵，然后运行，分别分析结果，发现程序能正常运行，显示正确结果。运行“求解行列式”程序的前面板和框图分别如图3.4和图3.5所示；运行“求解逆矩阵”程序的前面板和框图分别如图3.6和图3.7所示；运行“求解线性矩阵”程序的前面板和框图分别如图3.8和图3.9所示。图4.4 求解行列式的前面板图4.5 求解行列式的框图 进行完行列式的求解后，可以在前面板中选择求解逆矩阵，这时运行逆矩阵求解，如下图所示：图4.6 求解逆矩阵的前面板图4.7 求解逆矩阵的框图 在设计中我选择使用选项卡控件给一个Case结构的选择器端子，是为了在输入不同时能根据显示要求只显示所需要的输入。而在线性矩阵的求解中最能表示选择此器件的优点，因为它的输入是两个数组的，在没做这个实验时数组b是不显示出来的，这样可以让实验前面板更符合实验要求给出输入。而运行线性矩阵求解的程序如下：图4.8 求解线性矩阵的前面板图4.9 求解线性矩阵的流程图4.3 相关法测相位差仿真仪仪器功能： 此测量相位差仿真仪的功能是可观察已知幅值分别为A和B的两个同频正弦波仿真信号x(t)和y(t)的相位差。其中（1）可测相位差的数值范围是0-360。 （2）信号的幅度范围为0.1V-5.0V。 （3）两个信号的频率范围为0.1Hz-10KHz。设计思路： 相关法利用两个同频正弦信号的延时t=0时的互相关函数数值与相位差的余弦成正比的原理获得相位差。由于噪声信号通常与有效信号的相关性很小，因此该方法有很好的噪声抑制能力。 假设有两个同频信号x(t)和y(t)，都被噪声污染，如式（4.3）和（4.4）所示： （4.3） （4.4）其中，A、B分别为x(t)和y(t)的幅值，N和N分别为噪声信号。显示两个信号的相位差为。用相关法测量相位差的原理如下，周期信号的互相关函数表示如式4.5所示： （4.5） 其中,T为信号周期，将x(t)和y（t）代入上式可得如式4.6： （4.6） 当t=0得如式4.7所示： （4.7）理想情况下，噪声和信号互不相关，且噪声之间也互不相关，积分后如式4.8： （4.8） 所以有 另外，信号的幅值与延时t=0时的自相关函数值如式4.9和式4.10所示关系： （4.9） （4.10）这样，通过两个信号的自相关、互相关就可以得到它们的相位差。设计过程：前面板设计：（1）放置三个数字控件，分别设置为采样点数、采样频率、信号频率三个参量，这些都为两个正弦波信号发生器所共用。（2）放置四个数字控件，用于设置两个正弦波信号1和信号2的幅值和相位。（3）放置一个枚举控件，用于设置显示波形类型，在这个实验中我选择显示的是正弦波。（4）放置一个输出波形显示器，用于观察两个信号x(t)和y(t)的信号波形。（5）放置一个输出型数字控件，用于显示相位差测量的结果，单位为度。（6）放置一个开关型控件，运用运行或关闭仪器。流程图设计：（1）按照路径在“信号处理”“信号生成”选项板中选择“正弦波”放置在While循环中，分别产生两个正弦波信号。（2）按照路径在“信号处理”“信号运算”选项板中选择“互相关”函数，用于计算输出两个正弦信号的互相关函数值，这里需要将“自相关”函数直接输出的相关函数值除以采样点数才能得到正确结果。（3）由于互相关函数图标所求得的实际是将原来得到的2N-1个数值向右平移了N-1个单位后所得到的数据，所以需要用“索引数组”将索引出第N-1个互相关函数值，并将结果乘以2后除以两个信号的幅值之积。如下图为索引数组的连线：图4.10 索引数组（4）选择“反余弦”函数，用来计算上述得到结果的反余弦弧度值，因为在前面板要求显示角度值，故需要进行转换，转换公式为:。运行程序：根据测量的原理和数据的要求，输入一组数据，能正确运行此程序，下面给出了运行时的前面板和框图。运行“相关法测相位差仿真仪”的前面板和框图如下图3.11和图3.12所示。图4.11 相关法测相位差仿真仪前面板图4.12 相关法测相位差仿真仪框图4.4 虚拟正弦波频谱分析仪仪器功能：可观察正弦波经过FFT后的幅值谱设计思路：由于在虚拟仪器控件中有现成的可进行频谱测量的控件，而且已经自带了FFT变换，所以直接连接，使用变换。设计过程：前面板的设计：（1）在前面板放置两个波形显示器，用于分别显示正弦波在FFT前和FFT后的波形。在流程图中使用频谱测量控件测量。（2）依次在前面板上放置五个输入控件：“信号频率（Hz）”、“采样频率（Hz）”、“采样点数”、“幅值（v）”和“相位（度）”。（3）放置一个“停止”按钮开关用来结束程序的运行。框图设计：（1）按照路径在“信号处理”“信号生成”选项板中选择“正弦波”放置在While循环中，产生一个正弦波信号。（2）按照路径在“信号处理”“变换”选项板中选择“FFT”。用于计算输出正弦波的频谱值。（3）在“搜索”里选择“复数至极坐标转换”函数，用于将复数分割为用相位表示的极坐标分量。其具体如下图所示： 图4.13（4）采用“捆绑”函数来规格化两个波形图的显示，将“正弦波波形图”的水平X轴的水平的间距设定为采样周期，将“频谱图”的X轴的水平间距设定为频谱分辨率（频谱分辨率=采样频率/采样点数）。捆绑的具体连线如图所示：图4.14 捆绑的连线 运行程序： 在这个运行过程中，我大概取一个周期的值，这样刚好可以很完整的观察频谱分析后的波形图。程序的前面板和框图分别如下所示：图4.15 虚拟正弦波频谱分析仪前面板图4.16 虚拟正弦波频谱分析仪框图4.5 惠斯通电桥仿真实验箱仪器功能: 此设计可仿真惠斯通电桥测被测电阻的阻值，可在计算机上模拟实际操作仿真的进行惠斯通电桥实验。设计思路:惠斯通电桥是一种利用比较法精确测量电阻的方法。基本电路如下图所示：图4.17 电桥图电路图是由R1、R2、Rx、四个电阻连成四边形，每一边称为电桥的一个臂，当a、b两点电位相等时，检流计中无电流通过，就称为电桥平衡。根据分压公式，这时应有： （4.11）这就是电桥的平衡方程。若已知R1、R2、，可根据式4.11计算被测电阻的电阻值Rx的值。即，式中称为电桥的比率系数。在设计中如上图可计算检流计的电流如式4.12：= (4.12)如果设计时设比例系数M为某一值，然后调节比例臂，使检流计的读数为零，此时就能读出被测电阻的电阻值Rx。设计过程：前面板设计：（1）放置两个仪表控件，分别设置成“外接电源”和“检流计”。（2）放入两个输入控件，分别设置成“”，“R1”。（3）放入五个转盘，其中一个用于设置成比例臂“M”，另外四个组成一个子程序总体设置为电阻箱。（4）放置一个水平指针滑动杆，用于设置“外接入的被测电阻Rx”。（5）放置六个布尔开关控件，一个设置成控制电源的开关，一个设置为控制检流计的开关，一个设置成开关“BA”，一个设置为控制是否显示阻值的开关，一个设置为结束程序运行的开关“停止”，一个设置成粗细调节的开关。（6）放置一个输出控件，设置成“被测电阻”的阻值显示。流程图设计：（1）由于外接电阻的阻值比较复杂，在此设计一个叫“电阻箱”的子程序，在里面输出外接电阻，这样通过调用这个子程序能使流程图简洁明了。（2）放置一个公式编辑器在一个Case结构里面，此Case结构包含在一个While循环里，在里面编辑检流计的公式。这个Case结构是否运行由开关控件BA控制。（3）在相同的这个While循环里在加入四个Case结构，一个用于决定是否显示阻值，一个用于决定是否给外接电源，一个决定是否打开检流计，一个决定实验时粗调还是细调。（4）在这个While循环外加上一个任意数，可以乘上0.001，让这个任意数很小，可以用来检流计调零。 运行程序： 每一次做惠斯通电桥仿真实验都需要先调零，因为在电流输出端加上了一个随机值和调零旋钮的值，当两者相加不为零时将产生误差，因此每一次实验前都必须模拟实际操作进行机械调零。其调零的程序图如下：图4.18 程序调零时的前面板图4.1