基于Labview的劳斯判据分析仪的设计.doc

西安邮电学院西安邮电学院 毕毕 业业 设设 计（论计（论 文）文） 题 目：基于 Labview 的劳斯判据分析仪的设计 院 （系）： 自动化学院 专 业： 测控 班 级： 学生姓名： 导师姓名： 职称： 工程师 起止时间：2011 年 01 月 10 日 至 2011 年 06 月 17 日 毕业设计（论文）诚信声明书毕业设计（论文）诚信声明书 本人声明：本人所提交的毕业论文基于 Labview 的劳斯判据分析 仪的设计是本人在指导教师指导下独立研究、写作的成果，论文中所 引用他人的文献、数据、图件、资料均已明确标注；对本文的研究做出 重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式注明并表示感谢。 本人完全清楚本声明的法律后果，申请学位论文和资料若有不实之 处，本人愿承担相应的法律责任。 论文作者签名： 时间： 年 月 日 指导教师签名： 时间： 年 月 日 西西 安安 邮邮 电电 学学 院院 毕业设计毕业设计( (论文论文) )任务书任务书 学生姓名学生姓名指导教师指导教师职称职称工程师工程师 院院(系系) 自动化学院自动化学院专业专业测控技术与仪器测控技术与仪器 题目题目基于基于 Labview 的劳斯判据分析仪的设计的劳斯判据分析仪的设计 任务与要求任务与要求 利用 Labview 软件，设计劳斯判据分析仪。此分析仪可以从传递函数的 分母多项式各项系数就能确定极点的位置，从而间接的判别系统的稳定性。 1.按照要求，查找文献并提交开题报告 2.熟悉基本知识，基本软件。 3.完成程序设计和仿真。 4.撰写论文 开始日期开始日期2011 年年 1 月月 10 日日完成日期完成日期2011 年年 6 月月 17 日日 院院 长长(签字签字)2011年年 1月月 10日日 西西 安安 邮邮 电电 学学 院院 毕毕 业业 设设 计计 ( (论文论文) ) 工工 作作 计计 划划 20112011 年 1 1 月 1010 日 学生姓名学生姓名_指导教师指导教师_职称职称_工程师工程师_ 院（系）院（系）_ _ _自动化学院自动化学院_ _专业专业_ _测控技术与仪器测控技术与仪器_ _ _ _ 题目题目_基于基于 LabviewLabview 的劳斯判据分析仪的设计的劳斯判据分析仪的设计 _ 工作进程工作进程 1 月 10 日至 3 月 28 日 按照要求，查找文献并撰写开题报告 3 月 29 日至 4 月 13 日 熟悉基本知识，基本软件使用 4 月 14 日至 5 月 15 日 程序设计、仿真及作品实现，准备论文 5 月 16 日至 5 月 31 日 对显示面板进行修改调试并美化 6 月 1 日至 6 月 7 日 完善并修改毕业论文 6 月 8 日至 6 月 17 日 准备答辩 起 止 时 间工 作 内 容 主要参考书目(资料) 1 零点工作室,刘刚.labview8.20 中文版编程及应用.北京：电子工业出版社，2008-01 2 张桐,陈国顺,王正林.精通 labview 程序设计.北京：电子工业出版社，2008-12 3 杨乐平,李海涛,赵勇,杨磊.labview 高级程序设计.北京：清华大学出版社，2003-4 4 胡寿松.自动控制原理第四版.北京：科学出版社，2001-02 5 百度文库.虚拟仪器论文 6 赵勇,张英.自动控制原理实验指导书.西安：西安邮电学院自动化实验室，2002-01 7 袁浩,朱畅,陈志敏.基于 labview 的自动控制仿真系统设计.天津：天津大学电气与自动化 工程学院，2006-04 8 美国 NI 公司.LabVIEW 基础教程(，汪敏生).北京：电子工业出版社，2002-01 计算机 每周至少见面一次 无 主要参考书目(资料) 主要仪器设备及材料 论文(设计)过程中教师的指导安排 对计划的说明 西安邮电学院 毕业设计(论文)开题报告 自动化学院(系) 测控技术与仪器 专业 07 级 02 班 课题名称： 基于 Labview 的劳斯判据分析仪的设计 学生姓名： 学号： 指导教师： 报告日期： 2011 年 3 月 28 日 1 1本课题所涉及的问题及应用现状综述本课题所涉及的问题及应用现状综述 1.本课题所涉及的问题： 利用 Labview 软件，设计劳斯判据分析仪，这是一个虚拟仪器。此分析仪可以从传 递函数的分母多项式各项系数就能确定极点的位置，从而间接的判别系统的稳定性。 本课题主要是依托自动控制原理理论和 Labview 软件的配合使用，做出一个简洁的 虚拟分析仪器。 2. 应用现状： 虚拟仪器是基于计算机技术而发展起来的仪器测量技术，是计算机技术和仪器技术 密切结合的产物，是将来仪器发展的一个重要方向。 计算机和仪器的结合方式主要有两种。一种是将计算机装入仪器，比较典型的例子 是智能化仪器，随着计算机功能日益强大及体积的日趋缩小，这类仪器的功能也越 来越强大，逐渐形成含嵌入式的仪器。另一种方式是将仪器系统装入计算机，以通 用的计算机硬件及操作系统为依托，实现各种仪器功能，常说的虚拟仪器主要是这 种方式，美国国家仪器（NT）公司开发的 Labview 软件是目前实现虚拟仪器最流行 的设计工具软件之一。其应用在工业界，学术界和研究室各个领域，被公认为标准 的数据采集和仪器控制软件，现已成为测试测量和控制行业的标准软件平台。 1）虚拟仪器的构成 传统仪器体积庞大 ,价格极高 ,缺乏相应的计算机接口 ,在数据采集及数据处理等 方面十分不便。利用虚拟仪器测量系统 ,可使我们从繁复的仪器堆中解放出来 ,而 且还可实现自动测量、自动记录、自动数据处理。这是因为:虚拟仪器系统是将测量 仪器的硬件搭载到笔记本电脑、台式计算机等平台上 ,再加上相应的应用软件而构 成 ,通过软件将计算机硬件资源与仪器硬件有机的融合为一体。虚拟仪器集成了计 算机强大的计算处理能力和仪器硬件的测量、控制能力 ,降低了仪器硬件的成本 , 缩小了仪器硬件的体积。通过应用软件实现对数据的显示、存储、分析及处理。可 谓方便之极。 2 ） 虚拟仪器的特点 虚拟仪器具有功能多样、测量准确、界面友好、操作简易、易于扩展、价格低廉等 特点。(1)虚拟仪器的功能及分析方法完全由用户自己定义 ,用户自己编程控制相应 硬件 ,它操作灵活 ,完全图形化界面 ,符合传统设备的使用习惯 ,用户可轻松掌握 操作规程。(2)虚拟仪器可方便地与网络外设进行连接 ,与其它设备集成方便灵活。 如可以和高速数据采集设备构成自动测量系统 ,和控制设备构成自动控制系统等。 (3)虚拟仪器具有高质量的编辑、存储、打印功 能 ,具有无限的数据记录能力。(4)系统中的数据库与系统间的通讯非常容易 , 可自动生成测试报告。(5)可以扩展的功能很多 ,具有多种显示方式可供选择。 (6) 价格低廉 。一套完整的传统实验测量设备少则几万元 , 多则几十万元 , 在同 等的性能条件下 , 相应的虚拟仪器价格是传统仪器价格的 1/ 51/ 10 ,虚拟仪器 系统基于软件体系结构 ,可大大节省开发维护费用 ,可做到个人可拥有一个实验室。 参考文献： 1 孙少军,等.电子测量技术基础.西安电子科技大学出版社. 2 龙脉工作室，岂兴明，周建兴，矫津毅.Labview8.2 中文版.北京：人民邮电出 版社，2010 3 胡寿松.自动控制原理.北京：科学出版社，2000 2 2本课题需要重点研究的关键问题、解决的思路及实现预期目标的可行性分析本课题需要重点研究的关键问题、解决的思路及实现预期目标的可行性分析 （1） 自动控制原理理论 关键问题： a) 熟悉劳斯判据理论，系统传递函数，各参数与稳定性之间的关系和极点的判 断方法。 b) 建立起与 Labview 之间的桥梁。 解决思路：将劳斯判据，传递函数和各个参数之间的关系，还有稳定性和极点的满 足条件用简短的逻辑关系列出，再与 Labview 联系使用，从而达到二者合二为一。 可行性分析：自动控制原理课为必修课，我们已经学过，Labview 是一门很好的开发 虚拟仪的器软件，二者可以很好的结合，从而使劳斯判据分析过程更加快捷和方便， 省时，不耗材，还简单实用，所以非常可行.最终目标是要用 labview 软件编写一个 可视化的软件，其功能可以实现对劳斯判据数据进行分析，此分析仪可以从传递函 数的分母多项式各项系数就能确定极点的位置，从而间接的判别系统的稳定性，这 个软件对数据的分析将非常简单，只要输入相关参数，运行后就可以判断结果并输 出相关数据和波形图，其显示结果以观察处理，这就减少了以前分析数据的很多步 骤，对数据分析提供了很大方便。 （2） 让界面简洁明了，利用效率高。 关键问题： a) 怎样将 labview 的功能发挥到最好 b) 此次设计的软件要具有很好的利用价值 解决思路：充分利用 Labview 各项功能，尽量使程序精简，版面美观简洁，让人一 目了然，操作简单可行。在设计的过程中，使其算法尽量适合各种数据范围，从而 达到以不变应万变。 可行性分析：Labview 是一个很好的虚拟仪器开发软件，面板简单而且易操作，完全 可以实现本次研究的要求。此次设计的软件既具有传统方法的分析作用，又有优于 传统方法的特点。 首先，其开发环境简单，只需要一台电脑和相关软件就可以，这给开发带来了很大 方便； 其次，成本低，低廉的成本将使其有很大的利用市场； 再次，开发周期短，可以让其很快投入应用，则可以最大限度的实现其使用价值； 最后，操作简单，效率高，适用范围广，这将大大扩大了市场的需求量。 从以上分析可预测此款软件的设计很有必要，所以此设计方案非常可行。 3 3完成本课题的工作方案 1 月 10 日至 3 月 28 日 按照要求，查找文献并撰写开题报告 3 月 29 日至 4 月 13 日 熟悉基本知识，基本软件使用 4 月 14 日至 5 月 15 日 程序设计、仿真及作品实现，准备论文 5 月 16 日至 5 月 31 日 对显示面板进行修改调试并美化 6 月 1 日至 6 月 7 日 完善并修改毕业论文 6 月 8 日至 6 月 17 日 准备答辩 4指导教师审阅意见 指导教师指导教师(签字)： 2011 年 4 月 1 日 说明： 本报告必须由承担毕业论文(设计)课题任务的学生在毕业论文(设计) 正式开 始的第 1 周周五之前独立撰写完成，并交指导教师审阅。 西西安安邮邮电电学学院院毕毕业业设设计计 (论论文文)成成绩绩评评定定表表 学生姓名性别学号 专 业 班 级 课题名称基于 Labview 的劳斯判据分析仪的设计 课题 类型 教学实 践 难 度 一 般 毕业设计 （论文）时 间 2011 年年 1 月月 10 日日 6 月月 17 日日 指导教师 (职称：工程师) 课题任务 完成情况 论 文 (千字)； 设计、计算说 明书 (千字)； 图纸 (张)； 其它 (含附 件)： 指导教师意见 分项得分：开题调研论证 分； 课题质量（论文内容） 分； 创新 分； 论文撰写（规范） 分； 学习态度 分； 外文翻译 分 指导教师审阅成绩： 指导教师(签字)： 2011 年 月 日 评 阅 教 师 意 见 分项得分：选题 分； 开题调研论证 分； 课题质量（论文内容） 分； 创新 分； 论文撰写（规范） 分； 外文翻译 分 评阅成绩： 评阅教师(签字)： 2011 年 月 日 验 收 小 组 意 见 分项得分：准备情况 分； 毕业设计（论文）质量 分； （操作）回答问题 分 验收成绩： 验收教师(组长)(签字)： 2011 年 月 日 答 辩 小 组 意 见 分项得分：准备情况 分； 陈述情况 分； 回答问题 分； 仪表 分 答辩成绩： 答辩小组组长(签字)： 2011 年 月 日 成绩计算方法 (填写本院系实用比例) 指导教师成绩指导教师成绩 20 () 评阅成绩评阅成绩 30 () 验收成绩验收成绩 30 () 答辩成绩答辩成绩 20 () 学生实得成绩(百分制) 指导教师成绩指导教师成绩 评阅成绩评阅成绩 验收成绩验收成绩 答辩成绩答辩成绩 总评总评 答 辩 委 员 会 意 见 毕业论文(设计)总评成绩(等级)： 院(系)答辩委员会主任(签字)： 院(系) (签章) 2011 年 月 日 备 注 西安邮电学院毕业论文(设计)成绩评定表(续表) 目录目录 摘要摘要 .I ABSTRACT.II 1 引言引言.1 2 虚拟仪器概述虚拟仪器概述.2 2.1 仪器的发展.2 2.1.1 仪器的发展历程.2 2.1.2 虚拟仪器发展历程.3 2.2 虚拟仪器的分类.3 2.3 与传统仪器的比较.5 3 虚拟仪器软件体系虚拟仪器软件体系.6 3.1 概述.6 3.2 LABVIEW 简介.7 3.3 LABVIEW 应用程序构成.8 3.4 用 LABVIEW 设计虚拟仪器的步骤.8 4 劳斯判据概述劳斯判据概述.8 4.1 概述.8 4.2 劳斯-赫尔维茨稳定判据.9 4.2.1 劳斯阵列.9 4.2.2 劳斯稳定判据的特殊情况.9 4.3 劳斯稳定判据的应用.11 5 基于劳斯判据分析仪设计与仿真基于劳斯判据分析仪设计与仿真.12 5.1 基于LABVIEW的劳斯判据分析仪设计及介绍 .12 5.1.1 设计过程.12 5.1.2 显示结构及作用介绍.12 5.2 仿真实例.14 5.2.1 一般情况.14 5.2.2 特殊情况.16 6 结论结论.21 致致 谢谢.22 参考文献参考文献.23 附录附录.24 摘要 本文主要从虚拟仪器和劳斯判据为出发点进行相关论述，全面的介绍了虚拟仪 器设计技术,并用软件仿真的方法设计了一台劳斯判据分析仪，这是一台虚拟仪器， 它可以对劳斯判据进行验证和对传递函数进行稳定性分析。 这次设计主要利用现今最有代表性的图形化编辑软件LabVIEW，用它设计了 一个劳斯判据分析仪，此分析仪可以从传递函数的分母多项式各项系数就能确定极 点的位置，从而间接的判别系统的稳定性；除此之外，它还可以显示出极点的值， 并且加入了阶跃响应，利于更好的观察系统的稳定性。为了充分体现其对劳斯判据 的验证，本文对劳斯判据的一般情况和两个特殊情况都进行了运行验证，并和理论 计算结果比较分析，从而得出其验证的准确性。 本文所介绍的劳斯判据分析仪是基于虚拟仪器的应用，其在对系统的稳定性判 断时，非常方便，而且开发环境简单，投资少，修改方便，所以，在这方面的研究 很有意义，这也为以后的学习研究打下了一定基础。 关键词关键词 虚拟仪器 劳斯判据 稳定性 LabVIEW 极点 I Abstract This article mainly from the virtual instrument and Royce criterion as the starting point for relevant expositions, comprehensively introduced virtual instrument design technology, and software simulation method to design a Rolls-Royce, which is a criterion analyzer of virtual instrument, it can be validated on Royce criterion of transfer function and stability is analyzed. The design of the main use nowadays most representative of graphical editing software - LabVIEW, using it to design a Royce criterion, this analyzer can from analyzer transfer function of the denominator polynomial coefficient can determine the location of the discriminant system, causing an indirect of stability; Besides, it can also showed the value of the pole, and joined the order to better step response, the stability of the observation system. In order to fully reflect the Royce criterion, this paper the validation of the general conditions Royce criterion with two particular situation, and the running result and theoretical calculation result comparison analysis, thus draws the accuracy of the validation. This paper introduced the Royce criterion analyzer is based on virtual instrument technology application, in the judgement on system stability, very convenient, and the development environment, less investment, simple and convenient, so modify in the research of this aspect very meaningful, this also is later study laid a certain foundation. Key Words: Virtual instrument，Royce criterion, stability，LabVIEW，pole 基于 labview 的劳斯判据分析仪 0 1 引言 虚拟仪器是基于计算机技术而发展起来的仪器测量技术，是计算机技术和仪器 技术密切结合的产物，是将来仪器发展的一个重要方向。 计算机和仪器的结合方式主要有两种。一种是将计算机装入仪器，比较典型的 例子是智能化仪器，随着计算机功能日益强大及体积的日趋缩小，这类仪器的功能 也越来越强大，逐渐形成含嵌入式的仪器。另一种方式是将仪器系统装入计算机， 以通用的计算机硬件及操作系统为依托，实现各种仪器功能，常说的虚拟仪器主要 是这种方式，美国国家仪器（NT）公司开发的Labview软件是目前实现虚拟仪器最流 行的设计工具软件之一。其应用在工业界，学术界和研究室各个领域，被公认为标 准的数据采集和仪器控制软件，现已成为测试测量和控制行业的标准软件平台。 本文所介绍的应用软件是基于labview的劳斯判据分析仪，此分析仪是在计算机 上完成的控制系统仿真系统，其功能可以很方便的判断一个系统的稳定性，此分析 仪可以从传递函数的分母多项式各项系数就能确定极点的位置，从而间接的判别系 统的稳定性。除此之外，这次的实践应用是一个比较有前景的应用，可以广泛应用 于教学和实验室各种应用，其最大的优点就是应用环境简单，labview这款软件用起 来也非常方便简明，完全可以自学自做。本文所涉及到的知识包括自动控制原理， 劳斯判据的原理和其判稳方法，还有labview软件的用法。 基于 labview 的劳斯判据分析仪 1 2 虚拟仪器概述 计算机和仪器的密切结合是目前仪器发展的一个重要方向。粗略地说这种结合 有两种方式，一种是将计算机装入仪器，其典型的例子就是所谓智能化的仪器。随 着计算机功能的日益强大以及其体积的日趋缩小，这类仪器功能也越来越强大，目 前已经出现含嵌入式系统的仪器。另一种方式是将仪器装入计算机。以通用的计算 机硬件及操作系统为依托，实现各种仪器功能。虚拟仪器（virtual instruments）主要 是指这种方式,充分利用现有计算机资源，配以独特设计的软硬件，实现普通仪器的 全部功能以及一些在普通仪器上无法实现的功能。 2.1 仪器的发展 2.1.1 仪器的发展历程 随着电子技术的发展，仪器的发展经历了四个时期: 1、第一代仪器：模拟仪器。 如指针式万用表、晶体管电压表，它们的基本特征是采用模拟电子技术实现， 采用指针显示结果。 2、第二代仪器：数字化仪器 数字化仪器目前相当普及，如数字电压表、频率计等。这类仪器将模拟信号的 测量转化为数字信号的测量，并以数字方式输出最终结果。 3、第三代仪器：智能仪器 智能仪器内置微处理器，能进行自动测量，具有一定的数据处理能力，可取代 部分脑力劳动。它的全部功能全部都是以硬件（或固化的软件）的形式存在，无论 是开发还是应用，都缺乏灵活性。 4、第四代仪器：虚拟仪器 虚拟仪器是现代计算机技术和测量技术相结合的产物，是传统仪器观念的一次 巨大变革，是将来仪器发展的一个重要方向。从 1988 年开始，陆续有虚拟仪器产品 面市。此后，虚拟仪器产品飞速增加。 从仪器的发展历史可以看出，仪器领域已经历了两次技术革命。第一次仪器革 命是由于数字电子技术的发展引起的，使仪器形态进入了数字化仪器时代；第二次 仪器革命是由于微处理器的大量应用引起的，使仪器形态进入了智能仪器时代。目 前，仪器领域正在进行第三次仪器革命，这次革命是由通用计算机硬软件技术的进 基于 labview 的劳斯判据分析仪 2 步引起的，这次仪器革命将使仪器形态进入第四个时期：虚拟仪器时代。 2.1.2 虚拟仪器发展历程 虚拟仪器的起源可以追朔到 20 世纪 70 年代，那时计算机测控系统在国防、航 天等领域已经有了相当的发展。PC 机出现以后，仪器级的计算机化成为可能，甚至 在 Microsoft 公司的 Windows 诞生之前，NI 公司已经在 Macintosh 计算机上推出了 LabVIEW2.0 以前的版本。对虚拟仪器和 LabVIEW 长期、系统、有效的研究开发使 得该公司成为业界公认的权威。虚拟仪器从概念的提出到目前技术的日趋成熟，体 现了计算机技术对传统工业的革命。大致说来，虚拟仪器发展至今，可以分为三个 阶段，而这三个阶段又可以说是同步进行的。 第一阶段，利用计算机增强传统仪器的功能。由于 GPIB 总线标准的确立，计算 机和外界通信成为可能，只需要把传统仪器通过 GPIB 和 RS-232 同计算机连接起来， 用户就可以用计算机控制仪器。随着计算机系统性能价格比的不断上升，用计算机 控制测控仪器成为一种趋势。这一阶段虚拟仪器的发展几乎是直线前进。 第二阶段，开放式的仪器构成。仪器硬件上出现了两大技术进步：一是插入式计 算机数据处理卡 ( plug-in PC-DAQ )；二是 VXI 仪器总线标准的确立。这些新的技 术使仪器的构成得以开放，消除了第一阶段内在的由用户定义和供应商定义仪器功 能的区别。 第三阶段，虚拟仪器框架得到了广泛认同和采用。软件领域面向对象技术把任 何用户构建虚拟仪器需要知道的东西封装起来。许多行业标准在硬件和软件领域以 产生，几个虚拟仪器平台已经得到认可并逐渐成为虚拟仪器行业的标准工具。发展 到这一阶段，人们也认识到了虚拟仪器软件框架才是数据采集和仪器控制系统实现 自动化的关键。 2.2 虚拟仪器的分类 虚拟仪器的发展随着微机的发展和采用总线方式的不同，可分为五种类型： （1）PC 总线插卡型虚拟仪器 这种方式借助于插入计算机内的数据采集卡与专用的软件如 LabVIEW 相结合 （注：美国 NI 公司的 Labview 是图形化编程工具，它可以通过各种控件自已组建各 种仪器。Labview/cvi 是基于文本编程的程序员提供高效的编程工具，通过三种编程 基于 labview 的劳斯判据分析仪 3 语言 Visual C+,Visual Basic,Labviews/cvi 构成测试系统，它充分利用计算机的总线、 机箱、电源及软件的便利。但是受 PC 机机箱和总线限制，且有电源功率不足，机 箱内部的噪声电平较高，插槽数目也不多，插槽尺寸比较小，机箱内无屏蔽等缺点。 另外，ISA 总线的虚拟仪器已经淘汰，PCI 总线的虚拟仪器价格比较昂贵。 （2）并行口式虚拟仪器 最新发展的一系列可连接到计算机并行口的测试装置，它们把仪器硬件集成在 一个采集盒内。仪器软件装在计算机上，通常可以完成各种测量测试仪器的功能， 可以组成数字存储示波器、频谱分析仪、逻缉分析仪、任意波形发生器、频率计、 数字万用表、功率计、程控稳压电源、数据记录仪、数据采集器。美国 LINK 公司 的 DSO-2XXX 系列虚拟仪器,它们的最大好处是可以与笔记本计算机相连，方便野 外作业，又可与台式 PC 机相连，实现台式和便携式两用，非常方便。由于其价格 低廉、用途广泛，特别适合于研发部门和各种教学实验室应用。 （3）GBIB 总线方式的虚拟仪器 GPIB 技术是 IEEE488 标准的虚拟仪器早期的发展阶段。它的出现使电子测量 独立的单台手工操作向大规模自动测试系统发展，典型的 GPIB 系统由一台 PC 机、 一块 GPIB 接口卡和若干台 GPIB 形式的仪器通过 GPIB 电缆连接而成。在标准情况 下，一块 GPIB 接口可带多达 14 台仪器，电缆长度可达 40 米。GPIB 技术可用计算 机实现对仪器的操作和控制，替代传统的人工操作方式，可以很多方便地把多台仪 器组合起来，形成自动测量系统。GPIB 测量系统的结构和命令简单，主要应用于台 式仪器，适合于精确度要求高的，但不要求对计算机高速传输状况时应用。 （4）VXI 总线方式虚拟仪器 VXI 总线是一种高速计算机总线 VME 总线在 VI 领域的扩展，它具有稳定的电 源，强有力的冷却能力和严格的 RFI/EMI 屏蔽。由于它的标准开放、结构紧凑、数 据吞吐能力强、定时和同步精确、模块可重复利用、众多仪器厂家支持的优点，很 快得到广泛的应用。经过十多年的发展，VXI 系统的组建和使用越来越方便，尤其 是组建大、中规模自动测量系统以及对速度、精度要求高的场合。有其他仪器无法 比拟的优势。然而，组建 VXI 总线要求有机箱、零槽管理器及嵌入式控制器，造价 比较高。 基于 labview 的劳斯判据分析仪 4 （5）PXI 总线方式虚拟仪器 PXI 总线方式是 PCI 总线内核技术增加了成熟的技术规范和要求形成的，增加 了多板同步触发总线的技术规范和要求形成的，增加了多板发总线，以使用于相邻 模块的高速通讯的局总线。PXI 的高度可扩展性。PXI 具有 8 个扩展槽，而台式 PCI 系统只有 34 个扩展槽，通过使用 PCIPCI 桥接器，可扩展到 256 个扩展槽，台 式 PC 的性能价格比和 PCI 总线面向仪器领域的扩展优势结合起来，将形成未来的 虚拟仪器平台。 2.3 与传统仪器的比较 独立的传统仪器，例如示波器和波形发生器，性能强大，但是价格昂贵，且被 厂家限定了功能，只能完成一件或几件具体的工作，因此，用户通常都不能够对其 加以扩展或自定义其功能。仪器的旋钮和开关、内置电路及用户所能使用的功能对 这台仪器来说都是固定的。另外,开发这些仪器还必须要用专门的技术和高成本的元 部件，从而使它们身价颇高且很不容易更新。我们不妨把虚拟仪器与传统仪器加以 比较，看看各自的特点，比较结果如表11所示。 表 21 传统仪器与虚拟仪器的比较 传统仪器虚拟仪器 关键是硬件关键是软件 开发与维护的费用高开发与维护的费用低 技术更新周期长技术更新周期短 价格高价格低，并且可重用性与可配置性强 厂商定义仪器功能用户定义功能 系统封闭、固定系统开放、灵活,与计算机的进步同步 不易与其他设备连接与其他设备极易相连 从表 21 中可见,传统仪器与虚拟仪器最重要的区别在于：虚拟仪器的功能由 用户使用时自己定义,而传统仪器的功能是由厂商事先定义好的。从这一意义上讲,那 些功能固定的插卡式计算机仪器不能称作虚拟仪器。而且,没有面向科技与工程人员 的图形化开发平台就难以涉及虚拟仪器。 普通的 PC 有一些不可避免的弱点。用它构建的虚拟仪器或计算机测试系统性能不 基于 labview 的劳斯判据分析仪 5 可能太高。目前作为计算机化仪器的一个重要发展方向是制定了 VXI 标准，这是一 种插卡式的仪器。每一种仪器是一个插卡，为了保证仪器的性能，又采用了较多的 硬件，但这些卡式仪器本身都没有面板，其面板仍然用虚拟的方式在计算机屏幕上 出现。这些卡插入标准的 VXI 机箱，再与计算机相连，就组成了一个测试系统。 VXI 仪器价格昂贵，目前又推出了一种较为便宜的 PXI 标准仪器。 3 虚拟仪器软件体系 3.1 概述 虚拟仪器技术最核心的思想，就是利用计算机的硬/软件资源，使本来需要硬件 实现的技术软件化（虚拟化） ，以便最大限度地降低系统成本，增强系统的功能与灵 活性。基于软件在 VI 系统中的重要作用，NI 提出了软件就是仪器（The software is the instrument）的口号。VPP 系统联盟提出了系统框架、驱动程序、VISA、软面板、 部件知识库等一系列 VPP 软件标准，推动了软件标准化的进程。 虚拟仪器的软件框架从低层到顶层，包括三部分：VISA 库、仪器驱动程序、应用软 件。 VISA（Virtual Instrumentation software Architecture）虚拟仪器软件体系结构， 实质就是标准的 I/O 函数库及其相关规范的总称。一般称这个 I/O 函数库为 VISA 库。 它驻留于计算机系统之中执行仪器总线的特殊功能，是计算机与仪器之间的软件层 连接，以实现对仪器的程控。它对于仪器驱动程序开发者来说是一个个可调用的操 作函数集。 仪器驱动程序是完成对某一特定仪器控制与通信的软件程序集。它是应用程序 实现仪器控制的桥梁。每个仪器模块都有自己的仪器驱动程序，仪器厂商以源码的 形式提供给用户。 应用软件建立在仪器驱动程序之上，直接面对操作用户，通过提供直观友好的 测控操作界面、丰富的数据分析与处理功能，来完成自动测试任务。 虚拟仪器应用软件的编写，大致可分为两种方式： 用通用编程软件进行编写。主要有 Microsoft 公司的 Visual Basic 与 Visual 基于 labview 的劳斯判据分析仪 6 C+、Borland 公司的 Delphi、Sybase 公司的 PowerBuilder； 用专业图形化编程软件进行开发。如 HP 公司的 VEE、 NI 公司的 LabVIEW 和 Lab windows/CVI 等。 应用软件还包括通用数字处理软件。通用数字处理软件包括用于数字信号处理 的各种功能函数，如频域分析的功率谱估计、FFT、FHT、逆 FFT、逆 FHT 和细化 分析等；时域分析的相关分析、卷积运算、反卷运算、均方根估计、差分积分运算 和排序等。以及数字滤波等等。这些功能函数为用户进一步扩展虚拟仪器的功能提 供了基础。 在此，本章简单现今用到最多的面向仪器与测控过程的图像化开发平台 LabVIEW。 3.2 LabVIEW 简介 LabVIEW (laboratory virtual instrument engineering wokbench实验室虚拟仪器 工程平台)的概念,是直观的前面板与流程图式的编程方法的结合,是构建虚拟仪器的 理想工具。LabVIEW 和仪器系统的数据采集、分析、显示部分一起协调工作, 是简 化了而又更易于使用的基于图形化编程语言 G 的开发环境。 前面板是一个传统的仪器概念,而软件前面板其实是自动化的拓展,因为它们保持 了传统直观的视觉和感觉效果。同时,软件前面板创建了一个真正的接口,无论用户使 用什么类型的硬件,并且,不像硬件前面板,软件前面板只包含了对于一个应用场合很 重要的参数,用户能够很容易地从一个单一前面板控制多台,并把整个系统作为一台虚 拟仪器来看待。 流程图式的程序设计与科技工程人员较为熟悉的数据流和方块图的概念是一致 的,而且由于流程图与传统程序设计语言的语法细节无关,构建和测试程序就可以少费 时间。使用流程图方法可以实现内部的自我复制,采用前面板、流程图、图标等,用户 就对整个系统实现图形化描述,同时,用户还能够重用虚拟仪器,可以随时改变虚拟仪 器来满足自己的需要。 LabVIEW 集成了很多仪器硬件库,如 GPIB/VXI/PXI/基于计算机的仪器、 RS232/485 协议、插入式数据采集、模拟/数字/计数器/、信号调理、分布式数据 采集、图像获取和机器视觉、运动控制、PLC/数据日志等。 基于 labview 的劳斯判据分析仪 7 与传统的编程方式相比,使用 LabVIEW 设计虚拟仪器,可以提高效率 410 倍。 同时,利用其模块化和递归方式,用户可以在很短的时间内构建、设计和更改自己的虚 拟仪器系统。 3.3 LabVIEW 应用程序构成 所有的 LabVIEW 应用程序，即虚拟仪器（VI） ，它包括前面板（front panel） 、 流程图（block diagram）以及图标/连结器(icon/connector)三部分。 前面板是图形用户界面，也就是 VI 的虚拟仪器面板，这一界面上有用户输入和 显示输出两类对象，具体表现有开关、旋钮、图形以及其他控制（control）和显示 对象（indicator） 。并非简单地画两个控件就可以运行，在前面板后还有一个与之配 套的流程图。 3.4 用 LabVIEW 设计虚拟仪器的步骤 LabVIEW 编程一般要经过以下几个步骤。 1、总体设计：根据用户需求，进行 VI 总体结构设计，确定面板布局与程序流 程，并保证所使用的虚拟仪器硬件在 LabVIEW 函数库中有相应的驱动程序。 2、前面板设计：在 LabVIEW 的前面板编辑窗口内，利用工具模板和控件模板