（通信与信息系统专业论文）基于虚拟仪器技术的信号检测课程演示和实验方法的研究.pdf

硕士论文基于虚拟仪器技术的信号检测课程演示和实验方法的研究 摘要 众所周知，实验是专业教学中非常重要的组成部分。特别是随着教学改革的深入开 展，高校的专业教师越来越多地尝试用先进的技术跟课程进行整合，开发大量的和理论 相结合的实验环节。这样，不仅可以增强学生动手能力，同时也使整个教学充满了乐趣， 大大提高了教学效果。信号检测课程是高校电类专业的一门重要的专业课程。对这门课 程的改革势在必行。 本文对基于虚拟仪器技术的信号检测课程的演示和实验方法进行了详细的研究：将 虚拟仪器技术和信号检测课程进行了整合，设计了整个课程的实验体系，阐述了基于虚 拟仪器的教学实验平台的设计思路，并从理论上研究了信号检测虚拟实验远程实现的方 案；结合现有的条件，开发了信号检测课程的仿真实验系统( 作为课堂演示实验，主要 进行验证性和原理性实验演示) 和实际应用型实验系统。设计并实现了一些具体的仿真 实验和信号检测实际应用型实验( 包括测温实验、称重实验和电动机在线检测实验等) 。 这种基于虚拟仪器技术的实验平台使得各种实验的设计及实现更加灵活、方便、有趣， 成本也大大降低了。通过实验使学生对这门课程产生了浓厚的兴趣，使他们能生动、形 象地理解课本上的理论知识，同时也在实验过程中掌握了这门重要的专业课的一些实际 应用。 关键词：信号检测，虚拟仪器，教学改革，实验平台 a b s t r ac t a sw ea l lk n o w , e x p e r i m e n t a lt e a c h i n gi sav e r yi m p o r t a n tp a r to f h i g h e fe d u c a t i o n e s p e c i a l l yw i t ht h ed e v e l o p m e n to fe d u c a t i o ns y s t e mr e f o r mi nc o l l e g e sa n du n i v e r s i t i e s ， m o r ea n dm o r ep r o f e s s i o n a lt e a c h e r st r yt ou s ea d v a n c e dt e c h n o l o g yt oi n t e g r a t ew i t ht h e c u r r i c u l u ma n dd e v e l o pal a r g en u m b e ro fe x p e r i m e n t sw h i c hc o m b i n ew i t ht h e o r e t i c a l t e a c h i n g i nt h i sw a y , w ec a nn o to n l ye n h a n c et h es t u d e n t s p r a c t i c a ls k i l l s ，b u ta l s om a k et h e e n t i r e t e a c h i n gm o r ef u n ，a n dg r e a t l yi n c r e a s et h et e a c h i n ge f f e c t s i g n a ld e t e c t i o ni sa n i m p o r t a n ts p e c i a l i z e dc o u r s ei nc o l l e g e t h er e f o 皿o f l i sc o u r s ei sn e c e s s a r y i nt h i st h e s i s ，ad e t a i l e ds t u d ya b o u tt h ed e m o n s t r a t i o na n de x p e r i m e n t a lm e t h o d so f s i g n a ld e t e c t i o nc o u r s ew h i c hw e r eb a s e do nv i r t u a li n s t r u m e n tt e c h n o l o g yi sc a r r i e do u t t h e s i g n a ld e t e c t i o nc o u r s ea n dv i r t u a li n s t r u m e n tt e c h n o l o g ya r ei n t e g r a t e d ，t h ee x p e r i m e n t a l s y s t e mo ft h ee n t i r ec o u r s ei sd e s i g n e d ，t h ed e s i g ni d e a so ft h et e a c h i n ge x p e r i m e n t a l p l a t f o r mb a s e do nv i r t u a li n s t r u m e n ti si n v e s t i g a t e d ，a n dt h et h e o r e t i c a ls t u d yo nt h e l o n g - d i s t a n c ei m p l e m e n t i n gs c h e m eo fs i g n a ld e t e c t i o nv i r t u a le x p e r i m e n ti sm a d e ；a s i m u l a t i o ne x p e r i m e n ts y s t e mo fs i g n a ld e t e c t i o n ( a sad e m o n s t r a t i o ne x p e r i m e n ts y s t e m ， a c h i e v et h ev a l i d a t i o na n d p r i n c i p l e sd e m o n s t r a t i o ne x p e r i m e n t s ) a n dt h ee x p e r i m e n ts y s t e m o fp r a c t i c a la p p l i c a t i o na r ed e v e l o p e d ，s o m es i m u l a t i o ne x p e r i m e n t sa n d p r a c t i c a la p p l i c a t i o n e x p e r i m e n t so fs i g n a ld e t e c t i o na r ed e s i g n e da n di m p l e m e n t e di nt h ee x i s t i n gc o n d i t i o n s ( i n c l u d i n gt e m p e r a t u r em e a s u r i n g 、w e i g h i n ge x p e r i m e n t sa n do n l i n ed e t e c t i o no f m o t o r ) t h i se x p e r i m e n t a lp l a t f o r mb a s e do nv i r t u a li n s t r u m e n tt e c h n o l o g ya l l o w su st o 。 d e s i g na n da c h i e v eav a r i e t yo fe x p e r i m e n t si nam o r ef l e x i b l e ，c o n v e n i e n ta n df u n n yw a y , a n di t sc o s ti sa l s og r e a t l yr e d u c e d t h r o u g ht h ec o u r s eo ft h i se x p e r i m e n t ，t h es t u d e n t sc o u l d f e e lm o r ei n t e r e s ti nt h i sc o u r s ea n du n d e r s t a n dt h et h e o r e t i c a lk n o w l e d g eo nt h et e x t b o o k v i v i d l y , w h i l ea l s om a s t e ran u m b e ro fi m p o r t a n tp r a c t i c a l ，a p p l i c a t i o n so ft h ec o u r s e k e yw o r d s ：s i g n a ld e t e c t i o n ，v i r t u a li n s t r u m e n t s ，t e a c h i n gr e f o r m ，e x p e r i m e n tp l a t f o r m 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在 本学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发 表或公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学 历而使用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均 已在论文中作了明确的说明。 研究生签名：辫 加局年例2 日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅 或上网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送 交并授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对 于保密论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名： b o 年1 只l 湄 硕士论文 基于虚拟仪器技术的信号检测课程演示和实验方法的研究 1 绪论 1 1 课题背景 随着计算机技术、大规模集成电路等技术的不断发展，仪器系统与计算机软件技术 紧密结合，使传统仪器的概念得以突破，出现了虚拟仪器。随着虚拟仪器近三十年的发 展，它已经被工业界、学术界和研究实验室所认可了，它在各行各业的应用也越来越多。 而在教育教学中，特别是在高校专业课的教学中，它有着绝对的优势。 高等教育，特别是高等职业教育，非常注重培养学生的专业技能。而要想牢固又快 速地掌握这些专业技能，实验教学是非常理想的一种方式。众所周知，实验是教学活动 中的一个必不可少的环节，实验教学能让枯燥的理论知识变得更加直观、易于接受。而 且在实验的过程中也很好地培养了学生的实际操作能力、解决问题的能力和创新的能 力。实际上，很多学科都是以实验课程为基础的，比如物理、化学、机械、计算机、电 子、信号检测课程等等。但随着科学技术的不断发展和高等教育的不断普及，高等职业 院校在实验教学中也面临着一些新的问题，。这对教育的发展有着不利的影响。 首先，这些年随着高等职业院校的蓬勃发展，招生规模不断扩大。很多院校都面临 着教学资源短缺的问题。这就使得职业教育受到了很大的影响。 其次，职业院校也承办着部分企业在职人员的培训，对这些学生的教学工作要更加 贴近他们的工作实际，更加重视实践方面的操作培训。 再次，传统的实验模式不能满足现代教育的要求，有着很大的局限性：一是实验设 施；二是教学方式；三是教学内容。 最后，随着科学技术的不断发展，新器件和新的实验方法不断出现。传统实验手段 和实验设备都已经落后了。然而，今后还会有更多先进的实验设备和新实验诞生。如果 不断更新学院的实验设备，那就会陷入资金短缺的困境，而且还极大地浪费了资源。 作为一名高等职业院校的老师，在多年的教学过程中，深深地感受到教学改革的重 要性。不断改革教学方法，开发新的有助于学生理解专业课程的理论知识点和提高学生 实践技能的实验而且还要解决以上论述的几个问题，这是我一直以来研究的目标。本课 题基于虚拟仪器技术，对信号检测课程的演示和实验方法进行了研究，希望能大大提高 信号检测课程的教学效果。 1 2 课题的意义 实验教学主要是学生在教师指导下运用一定的仪器设备对所学的理论知识进行验 证或应用，从而获得知识和技能的一种教学方法。实验室通常是一所学校重点建设的项 1 绪论 硕士论文 目之一。鉴于实验教学的重要性，实验室的建设应该紧跟时代的发展需要，以培养高素 质、具有创新能力的人才为出发点来创造优良的实验环境。而基于虚拟仪器技术的实验 室必将成为我国各高校实验室建设的主要发展方向。 首先，开发基于虚拟仪器技术的实验室能对传统的实验模式进行有效地改革，能够 更加有利于更新现代实验教学观念。而且现有实验教学的内容和方法陈旧，管理上技术 力量单薄、资金分散、设备落后，还存在着重复建设的问题。实验室利用率低，学生的 实践时间受到限制。虚拟实验能很好地解决这些棘手的问题。它采用仿真的方法，综合 运用人机交互、多媒体集成、网络、虚拟现实等技术，充分发挥了现代信息技术的集成 性、可视性和交互性，打破了传统实验教学在时间和空间上的限制，扩展了实验内容的 深度和广度。 其次，虚拟实验的设计是建立在计算机的基础上的，因此在进行虚拟实验时，可以 高效地进行重复的工作，获得各种可能的结果。而且，它还可以仿真在实际中不可能进 行的实验，也可以演示出错误的情况，通过这些实验，工作人员就了解这些问题会造成 的严重后果。而且虚拟实验可以方便地进行网络通信，所以它还能帮助校与校之间、学 校与社会之间的技术信息交流。 再次，由于虚拟实验室是建立在计算机平台之上，以虚拟仪器软件为核心的，利用 它能够设计出跟以前实验室中的各种传统仪器具有相同甚至更多功能的软仪器，可以方 便地开发出各种测试系统，设计各种新实验。还可以解决以前传统实验室实验设备繁多， 仪器重复购置，利用率低，仪器的损坏率高等问题，可以为实验提供方便、简洁，高效 的实验仪器，这样可以大大的节省实验设备的资金投入。这种虚拟实验室具有灵活、成 本低、高效率的特点，在高职院校的教学和科研中将会发挥极大的作用。 总之，构建一个集实验教学、操作、指导、结果提交为一体的虚拟实验教学环境对 实现教学改革，改善实验环境，提高教学资源的利用率，实现资源共享，节省实验设备 的更新经费，提高教学质量等方面有着非常重要的意义。虚拟仪器与传统仪器的各方面 的性能比较如下表所示。信号检测课程是一门非常重要的专业课，它的实际应用范围非 常广。本课题基于虚拟仪器技术，对信号检测课程的演示和实验方法进行的研究，必将 为其他专业课的虚拟实验的开发打下基础。 2 硕士论文基于虚拟仪器技术的信号检测课程演示和实验方法的研究 表1 1 虚拟与传统仪器的比较 虚拟仪器 传统仪器 丌发维护赞用低 丌发维护成本岛 技术更新快技术蜓新川制k 火键是软仆火键是碗f 1 价格低，可复用、可币配置代强 价格昂舞 用户定义仪器的功毖 厂家定义仪器功能 丌放、疋活。可与订辫：机技术发胜保持同步 封闭、i 删定 与列络帚| 其他设挤打：l i ) c 便捷 功能单、与其他i 5 备的t 联，r 限 1 3 国内外的发展情况 虚拟仪器从概念诞生到现在，已经有近三十年的历史了。国际上从1 9 8 8 年开始就陆 续有虚拟产品面市，到目前，虚拟仪器技术的使用已经遍布各行各业。特别是在近几年， 虚拟仪器技术在教学中的应用更是一个非常热门的项目。 早在二十几年前就已经有利用虚拟仪器技术建立虚拟实验室的这个想法了，这个应 用的前景十分的广阔，各国都在大力进行开发。特别是在高等院校中，基于虚拟仪器搭 建实验平台甚至建立虚拟实验室，这个要求已经越来越迫切。国外已经有很多院校建立 了这样的虚拟实验室。比如，美国约翰霍普金斯大学的化学工程系的卡尔威教授在网络 上搭建了一个虚拟实验室，它能够让工程系的学生通过网络来做各种实验，尝试着解决 工程上遇到的各种问题；德国的汉诺威大学建立了虚拟自动化实验室；西班牙大学计算 机组成原理系开发了计算机组成原理仪器虚拟工作平台；意大利帕瓦多大学建立了远程 虚拟教育实验室；加拿大科学家建立了有关人体细胞的虚拟实验室；剑桥大学、斯坦福 大学等众多国际著名大学都组建了自己的虚拟实验室。有的大学已经将虚拟实验作为了 学生的必修课。 然而，我国各高等院校特别是高等职业院校在这方面的研究相对落后，随着我国对 教育越来越重视，特别是近几年来高等职业院校的大发展，原来的教学模式和方法已经 跟不上时代的发展了。所以这些年来，各大院校都在加强教学改革，想法设法利用新技 术跟课程进行整合，特别是虚拟仪器技术在教学中的应用就更加热门了。现在已经有越 来越多的院校加强了对虚拟实验室的研究。 1 绪论硕士论文 1 4 本文主要研究的内容 信号检测这门课主要介绍了各种传感器的工作原理及其使用、信号的调理及处理、 各种参量的测量方法。教学中如果单纯进行讲解，效果不理想，学生难掌握。必须通过 各种实验加强学生对所学知识的理解。 以前信号检测课程设置的实验基本上都是采用传统的实验仪器搭建起来的实验平 台，传统仪器和实验箱( 比如说函数发生器、示波器、万用表及各种专用实验设备等) 的功能比较弱、比较单一，而且维护、使用、管理较为复杂。同一个实验室里会有很多 类型、很多规格、型号的实验设备，而且特别容易损坏，操作使用的方法也各有不同， 想要采用统一的管理标准和规程基本是不可能的。在这样的情况之下，如果想要扩展实 验或者开发新的实验，很可能就要购买新的实验仪器；如果想要进行远程实验教学、实 现资源共享，那就更加困难了，基本不可能实现。 传统实验教学方法存在的问题主要是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。实验的内容侧重 于理论的验证和仿真训练，每个学生的实验内容千篇一律，将学生的思维限定在狭窄的 范围内，缺乏对学生创新意识的培养和综合能力的提高。实验设备层次不齐，大部分设 备落后一于课程建设的需要。滞后的实验设备和呆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阶段。 基于这样一些情况，本文对基于虚拟仪器技术的信号检测课程的演示和实验方法进 行了详细的研究，主要从以下几个方面着手： ( 1 ) 将虚拟仪器技术和信号检测课程进行了整合，设计了整个课程的实验体系，阐 述了基于虚拟仪器的教学实验的设计思路。将原来理论的验证性实验变成课堂的教学演 示实验，不再花大量的时间让学生自己动手去做此类实验。在学习的初级阶段准备一些 相对简单的实验，让学生来完成。这样可以让学生有一定的成就感，并掌握了一些知识 的基本应用。在高级阶段，准备采用项目化教学方法，将一些单一的实验综合起来作为 一个系统性的综合实验，每一个实验作为一个项目。在教师的引导下让学生自己设计并 实现方案。这样就让学生对所学知识的理解更加深入，对这些知识的应用能力也得到了 提升。 ( 2 ) 由于计算机技术的突出贡献，实验系统可以方便地和外设网络进行连接，从而 可以进行远程教育，实现了资源共享。本文从理论上研究了信号检测虚拟实验室实现远 程教学的方案。 ( 3 ) 结合现有的条件，开发了信号检测课程的仿真实验系统，在教师讲授理论知识 的同时可以进行仿真演示实验( 主要是完成验证型、原理演示型实验) 。开发了实际应 用型实验系统，具体设计并实现了一些信号检测实际应用型实验，包括测温实验、称重 4 硕士论文基于虚拟仪器技术的信号检测课程演示和实验方法的研究 实验和电动机在线检测实验( 实现电机状态及电机故障的检测) 。测温和称重这两个实 验十分典型但难度不大，很适合初学的学生。电动机在线检测实验，主要是实现对电动 机状态( 包括转动速率、转动方向) 的检测以及电机故障( 包括缺相、断线、幅度、波 形) 的检测。这个实验的综合性、实用性都比较强，难度较大，比较适合设置在课程教 学的最后一阶段。 总之，希望本文对基于虚拟仪器技术的信号检测课程的演示和实验方法进行的这些 研究能够在实际的课程教学中达到预想的效果，并能对其他课程的改革提供一些参考。 2 虚扭仪器概述碗士论文 2 虚拟仪器概述 测量技术经过历多年的不断发展终于到了虚拟仪器技术的大发展时代，如图21 所 示，展示了测量仪器的发展过程。虚拟仪器这个概念首先是由美国国家仪器公司( n i ) 提出的。到目前为止，使用范围最广、最完善的虚拟仪器的软硬件还是由美国国家仪器 公司( n i ) 研发的。本次硕士毕业论文的设计使用的就是n i 的软硬件。 虚拟仪器技术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 技术相结合的产物。通用p c 和各种仪器装置相融合的方法有：一是将p c 安装进仪器， 比如说自动化程度很高的智能仪表仪器，随着p c 技术和集成技术的不断发展，p c 的 性能越来越好体积越来越小，这种类型的仪器仪表的各方面的性能也不断提升，慢慢就 有了具备嵌入式系统的仪器；二是在p c 里安装仪器系统，利用p c 的软硬件，来完成 各种需要的功能虚拟仪器实际上就是这样的情况。而虚拟仪器技术就是在性能优越的 硬件基础上，依靠软件来实现不同的检测任务。 使用者可以通过虚拟仪器软件创建形象的人机对话的界面，用来对仪器进行控制、 进行数据的分析、存储和显示。这样的虚拟仪器系统可以代替传统的仪器。利用虚拟仪 器的软硬件可以搭建各种各样你需要的检测系统。不同检测系统的搭建有的可能只要重 新进行软件的设计即可，而不需要改变硬件；有的改了软件之后也只要添加或更换少量 的辅助硬件即可。这样就大大地提高了仪器的使用率，同时也大幅度降低了对硬件的投 入。使用虚拟仪器来进行检测并对测量数据进行分析具有操作简便、扩展性强、界面直 观等优点。 绑嘴程的穗一、机葙 图2 i 测量仪器的发展 硕士论文基于虚拟仪器技术的信号检测课程演示和实验方法的研究 2 1 虚拟仪器的组成 计算机技术和仪器技术的相结合将是仪器发展的一个重要方向。虚拟仪器就是一个 以计算机为平台、虚拟仪器软件为核心的，再通过添加一些辅助硬件，然后经过软件设 计就能完成各种测试、测量和自动化任务的计算机仪器系统。它的主要的思想就是在测 量测试系统或者仪器设计中尽量地使用软件来代替硬件，也就是说“软件即是仪器”。虚 拟仪器主要有开发软件、模块化i o 硬件和便于集成的软硬件平台这三大组成部分。 1 高效的软件 在虚拟仪器技术中软件就是灵魂。选择合适的开发软件并且利用合适的软件模块， 使用者完全能够方便地设计实现需要的检测任务并且可以发挥自己的想像搭建合适的 检测项目的软面板。虚拟仪器软件能够非常便利地和其他的软硬件兼容，它的数据处理 水平也是非常的高，它还能通过软面板将需要的结果清晰的展示出来。用户也能够再选 择一些另外的检测工具和系统管理软件，比如s i g n a l e x p r e s s 、基于a n s i c 语言的 l a b w i n d o w s c v i 、支持微软v i s u a ls t u d i o 的m e a s u r e m e n ts t u d i o 等等，这些各种各样的 软件都完全可以满足一些高标准的实际需要。这些软件所提供的超强功能，使用户能够 在面对各种检测任务时，能设计出更加合适的方案。充分地体现出虚拟仪器技术在实际 检测项目中的巨大的优越性能。 2 模块化的i o 硬件 在实际的测控应用中，虚拟仪器技术提供了比较完善的解决办法。我们可以使用各 种各样的仪器总线和与之相配合的模块化的硬件产品( 比如各种数据采集卡、信号条理 电路等) ，这些高效的硬件跟功能强大的虚拟仪器的开发软件相配合，使用者们就可以 设计并实现各种各样的针对实际需求的检测系统。模块化的i o 硬件为工程师们提供了 极大的方便。 3 便于集成的软硬件平台 虚拟仪器是面向工业数据采集与自动化应用的。为他们量身设计的模块化仪器里设 计了高级的定时和触发总线，然后结合使用多种模块化的硬件和虚拟仪器的软件，使用 者就能够自己设计并实现实际需要的检测方法。不论是针对简单的，还是高端的复杂的 实际任务，虚拟仪器技术都可以让各种测量测试的设计和实现变得更加的方便和高效。 2 2l a b v i e w 介绍 l a b v i e w 是美国国家仪器( n i ) 公司研发的虚拟仪器的开发软件。它是一种基于 图形的编程语言，又可以称它为g 语言。使用g 语言编程的最大特点就是采用的是图 形化的方式，而高级语言一般都采用文本编程。也就是说用这种语言进行编程的时侯， 在很多情况下，不需要写程序代码，而好像是在画流程图。它主要是用图标、连线和框 2 虚拟仪器概述硕士论文 图来代替程序代码。这个开发软件的设计尽量使用了用户们熟悉的术语和概念。 l a b v i e w 对任何编程要求都很适用，它是具有扩展函数库的编程语言。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程语言的一些要素，这点和其它编程 语言一样。它功能完善，编程灵活。而且它内容丰富的扩展函数库也为极大方便了用户。 这些扩展功能主要是针对数据采集、g p i b 和串行仪器控制以及数据的分析、显示和存 储。l a b v i e w 的程序调试工具有端点设置、单步调试、数据探针和动态显示执行流程 等功能。 l a b v i e w 包含了满足各种仪器总线协议的硬件和d a q 通讯的一切功能，同时还拥 有功能强大的函数库。它的实际应用相当灵活。在实际应用中，用户可以轻松又快捷地 建立需要的虚拟仪器，而且整个设计和使用的过程都会十分地生动和有趣。 在1 9 8 6 年，n i 公司研发出了第一版l a b v i e w 开发软件。之后，不断开发出了新 的功能，这个软件的功能正在随着实际需求的扩展在发展壮大。l a b v i e w 8 5 是在美国 国家仪器的多线程编程技术的基础之上，直觉的并行数据流语言使得多内核与f p g a 架 构的开发变得更加简单方便。c p u 的制造厂家不断地寻找并行多内核架构来增强性能。 l a b v l e w 8 5 是建立在新处理器上的，使用它可以设计出更高效的性能更加稳定的测试 测量系统。这个虚拟仪器开发软件使用的是图形化的编程方式，它完全能够兼容数据流、 c 语言程序、各种公式等等这些高级的程序开发的模式。它使用新的状态图设计模块， 让在这样的平台上开发大型事件驱动项目变得更加的高效。并且，在支持台式机平台、 实时系统：f p g a 以及微处理器等领域都进行了升级支持。l a b v i e w 软件随着时代的 发展，正在不断的改进和完善。 l a b v i e w 8 5 的新特点： ( 1 ) 多内核与多线程并行计算提高处理能力 l a b v i e w 自动或手动将每个应用分解到多执行线程中，并进行优化处理。 l a b v i e w 8 5 的新特性之一就在于支持多内核处理器和多线程处理。通过l a b v i e w 并 行数据流语言，用户编写多线程程序，并映射至多内核架构。l a b v i e w 8 5 还可以根据 可用的内核数量，调整线程总数，并提供增强的线程安全驱动程序与链接库，从而提升 处理的性能，减少使用多核处理器的复杂性。l a b v i e w 8 5 也可以通过l a b v i e w r e a l t i m e 环境，提供对称多线程处理功能，让嵌入式与工业级系统的工程师不需要牺 牲特定系统的性能，即可以跨多重内核自动下载平衡任务。 ( 2 ) f p g a 增加仪器配置的灵活性 l a b v i e w 固有的并行机制也使它成为开发f p g a 的编程设计任务。该模块可自动 进行i o 配置、口开发，通用i o 的整体设计、计数器定时器和编码器的应用。利用 f p g a 模块，可自动产生复杂的高速d m a 数据传输程序代码。此外，l a b v i e w 8 5 提 供多信道滤波功能与机器自动化中广泛需要的p i d 控制函数，从而大幅度减少了高信道 硕士论文 基于虚拟仪器技术的信号检测课程演示和实验方法的研究 数应用的f p g a 资源。这种创新给用户带来了很多好处。最重要的是领域专家可以通过 l a b v i e w 平台利用f p g a 技术而无需花费时间去掌握硬件设计知识或v h d l 编程语言。 对f p g a 的重视加上l a b v i e w 的图形化特性，使n i 的产品灵活性和适用性进一步增 强。 ( 3 ) 增强大型事件驱动项目的开发效率 l a b v i e w 8 5 增加了新的状态图模块，利用基于统一模式语言标准的类似的高阶状 态图符号，可以协助工程师设计并仿真这些基于事件的系统。因为l a b v i e ws t a t e c h a r t m o d u l e 是以l a b v i e w 图形化编程语言为基础的，工程师可以用单一平台迅速设计、 原型制作及发布他们的系统，以运行在实时或基于f p g a 架构系统上的实际i o 来组合 相似的状态图符号。 ( 4 ) 兼容不同t o ，支持不同平台 l a b v i e w 8 5 新增多种i o 阵列、测量与显示增强功能，适合建立基于p a c 的工业 级系统，包含可为l a b v i e w 用户扩充工业级连接的o p c 驱动程序，几乎把可兼容的 p l c 与工业级设备的数量翻了一番。 l a b v i e w 8 5 还为工业用计算机监控系统新增了振动与顺序追踪测量及机器视觉算 法。对于高信道数的系统，新的多重变量编辑软件通过简单的数据表接口，可以让用户 轻松并快速地配置或编辑数百种的i o 标签。此外，最新版本的l a b v i e w 具有新的弹 性管线显示工具，以简化现实工业级用户接口的创建程序。而其互动的拖拽方式可直接 将i o 标签直接固定于用户接口显示器。 总而言之，l a b v i e w 8 5 的这些新增添的功能使虚拟仪器系统的设计更加方便、灵 活和高效。 2 3 虚拟仪器技术的优势 虚拟仪器能够把计算机资源和信号处理以及用于进行数据分析、数据计算、过程通 讯及设计仪器界面的虚拟仪器软件有效的结合起来。它不但具有传统仪器的功能，而且 具备了它们远不能及的优势。虚拟仪器的工作过程完全受到软件的控制，软件的设计在 很大程度上决定了仪器的功能。因而仪器的功能是用户决定的而不是厂家。所以跟传统 仪器相比，虚拟仪器具有卓越的性能、强大的扩展功能、开发周期短以及完美的集成性 能这四大优势。虚拟仪器具有非常广阔的前景。本毕业设计使用的是由n i 公司生产的 虚拟仪器的软硬件。下面对这四大优势进行阐述。 ( 1 ) 卓越的性能 虚拟仪器技术是建立在p c 技术上的，它具有现成即用的特性，还有性能优越的 c p u 和文件i o 。这样，在高速存储数据的时候就能够实时的分析这些数据。而且，随 着因特网的不断发展，网络速度也越来越快，由于虚拟仪器技术中也应用了网络技术， o 2 虚拟仪器概述硕论! 就使得它的优越性更加明显。 ( 2 ) 强大的扩展功能 虚拟仪器具有强大的扩展功能。它的软硬件工具使得使用者不再受到原有的技术的 限制。虚拟仪器软件的柔性很好，如果想要改进原有的系统，有时只要根据实际测量需 要进行软件的开发，而无需投入新的硬件。如果想要开发新的系统，可能也只要更换一 些测量的硬件。 ( 3 ) 开发周期短 虚拟仪器软件功能非常强大，柔性极好，扩展性能优越，跟与之模块化的硬件产品 相配合使用，使得开发新的测量测试系统更加方便和快捷。这样灵活且功能强大的软硬 件配置使得开发的周期大大缩短了。 ( 4 ) 完美的集成性能 虚拟仪器技术从本质上说就是一个将软件和硬件进行集成的概念。由于实际需求的 不断扩展，要求设计的仪器设备的功能也要继续升级。开发者一般必须集合很多的设备 以完成测量需要，但是将各种设各进行联结和集成需要很多时间和精力。n i 的软件为 1 1 0 装置都设计了标准接口，这就有助于使用者能方便地将各种装置整合成一个系统。 娥。9 图2 2 出色的集成 硕士论文基于虚拟仪器技术的信号检测课程演示和实验方法的研究 3 信号检测课程的虚拟仪器实验平台 随着科学技术的不断进步和社会的不断发展，高等教育对人才培养的目标有了一个 新的定位。高等教育不能侧重于已有知识的获取和积累，学习绝对要脱离单纯的死记硬 背。现在需要的人才不但要具备一定的理论知识还要具有一定的实践技能，更重要的是 要能够不断追求更高更新的科学技术，培养自主学习的能力和不断创新的精神。那么在 教学的过程中，加强实验教学是很好的办法，将理论联系实际，在实验教学中注重学生 综合应用能力和创新能力的培养。 信号检测课程的实验可以采取将虚拟仪器技术与信号检测课程进行整合的方法，主 要是将虚拟仪器技术有机地融合在专业课程的教学过程中。这样更有利于完成课程目 标，并增强了学生获取信息、分析、交流、改革的能力和专业的实际应用能力，培养了 他们的协作意识，使学生的思维方法更加活跃，并具有创新精神。这样的学生才能更快 胜任今后的工作，并符合社会的需求。将虚拟仪器技术与信号检测课程进行整合，对传 统的教学模式进行改革，以与理论相配合的实验为主线，实现项目化教学，将课程的理 论知识融化到实验中，通过实验将理论消化，使学生更好地掌握理论知识，并掌握了专 业课程的实际应用，提高了实践技能。 3 1信号检测课程的系列实验和实验平台功能 3 1 1 信号检测课程实验 信号检测这门课程主要介绍了各种传感器的工作原理及其使用、信号的调理及处 理、各种参量的测量方法。根据课程的需要，将信号检测课程的实验分为两大类：仿真 实验和实际应用型实验。 ( 1 ) 仿真实验 在大学实验中，有很多验证型、原理演示型实验，这些实验可以用于验证和理解课 堂教学中一些比较重要的原理，是教学中比较重要的一个环节。防真实验主要作为教师 课堂演示实验。这部分知识一般不安排实验，但是如果在教学过程中进行纯粹的口头上 的讲解，学生听不懂，教师也觉得枯燥无味。如果我们将虚拟仪器技术和课程的这部分 内容进行整合，在讲解这部分理论知识的同时使用仿真实验辅助教学，就是对所讲授的 理论知识进行实验演示，自然这样就会让这部分知识活起来，学生会觉得十分生动形象， 这样就大大提高了教学的效果。对于仿真实验的设置主要有以下几部分： 1 ) 信号分析算法应用实验。目的：让学生了解如何用软件来实现信号的周期、均 值、均方值、方差等参数的识别；理解如何用软件来代替复杂的测量电路和机械结构的 3 信号检测课程的虚拟仪器实验平台硕士论文 方法；了解信号的频谱分析( 平均幅度频谱、功率谱、相位谱) 的方法；掌握典型信号 的概率密度分析，熟悉典型信号的概率密度函数特点，加深对概率密度函数分析的概念， 性质、作用的理解，掌握用其分析信号幅值特性的方法；如何用窗函数提高f f t 谱精 度，掌握几种典型窗函数的性质、特点，比较几种典型的窗。 2 ) 曲线拟合 3 ) 滤波抗干扰 4 ) 信号的调制与解调 这些实验主要完成验证型、原理演示型实验( 如：典型信号的傅里叶变换；典型信 号的相关分析；相关分析应用；加窗效果比较；数字滤波器设计；曲线拟合等等) 。这 些仿真实验是建立在计算机的基础上的，之外只需要软件即可( 只需要l a b v i e w 这个 应用软件和计算机操作系统) ，它的构成如图3 1 所示。它的操作面板是用l a b v l e w 软 件搭建而成的，它不需要进行信号的采集，被处理的信号是也利用l a b v i e w 软件，通 过编程产生的仿真信号。数据的处理也是纯软件的，真正体现了“软件即仪器”的思想。 软 件 虚拟仪器较i l i 皈 i 应用 西甄订软件 操作系统 图3 1 仿真实验的软件结构 ( 2 ) 实际应用型实验 信号检测是- i - j 实际应用性很强的专业课程，这里面的理论知识必须要通过实践应 用才有意义。将虚拟仪器技术与信号检测课程进行整合，将虚拟仪器技术引入到信号检 测课程的应用型实验中，将理论和其实际应用紧密结合在一起，在教师的指导下让学生 自己动手去实现其应用。这样不仅能大大增强学生对这门专业课的兴趣，而且还能够帮 助学生对理论知识的理解、记忆和应用。可以激发学生对这门课程的学习兴趣，促使学 生主动去探索未知。典型的实验( 如：称重实验，温湿度测量实验，转速测量实验等等) 需要硬件( 数据采集卡、各类实验用传感器、信号调理电路及各种相关实验器材) 和 l a b v i e w 软件。它的结构如图3 2 所示。软件主要完成数据的分析、处理、存储和显 示，而硬件部分主要完成信号的采集和调理等。这类实验主要让学生自主完成，有利于 加深学生对整个信号检测系统的理解和掌握。我们将一些综合性、实用性较强的操作性 实验作为项目教学法中的子项目来进行，通过完成这些实验，学生能够很好地掌握教学 内容。 硕士论文基于虚拟杖器技术的信号检测课程演示和实验方法的研究 图3 , 2 实际应用型宴验的结构示意图 对这部分实验的设置本着实用的原则，具体设置如下： 1 ) 环境监测实验。主要是完成实验室一些基本环境参量( 如：温度、湿度、空气 中c o ：浓度、酒精浓度、噪声等) 的测量。 2 ) 钢管无损检测实验。通过本实验可以让学生了解和掌握无损检测的基本原理和 方法。 3 ) 称重实验。本实验设定测定的重量为o 2 0 0 9 ，相对误差为00 5 。 4 ) 电机在线检测实验。要求实现电机的状态及故障检测。采样率要求达到i m s 通过这些实验，学生必然能很好地掌握各种传感器的工作原理及其使用、信号的调 理及处理，从而熟练掌握各种参量的测量方法。 3 1 2 基于虚拟仪器的实验平台功能要求 ( 1 ) 仿真实验系统 这个系统主要可以完成信号分析算法应用、曲线拟合、信号的调制与解调、滤波抗 干扰这些仿真实验。在教师上课时可队进行演示实验，需要讲授哪部分知识，只要单击 相应的控件进入程序即可。 图3 3 信号检测课程演示实验系统 在信号检测课程仿真实验系统的界面上，单击信号分析算法应用实验这个控件，进 入信号分析算法应用实验。在这个部分包括四个仿真演示实验。教师在讲授这部分理论 3 信号椅测课程的虚拟仪器实验平台 硕论! 知识的时候，可以单击相应的控件进入实验。 图3 4 信号分析算法心用实验 ( 2 ) 实际应用型实验系统 设计的实际应用型实验( 如：环境监测实验，钢管无损检测实验，称重实验，电机 在线检测实验等等) 需要硬件( 数据采集卡、各类实验用传感器、信号调理电路及各种 相关实验器材) 和l a b v i e w85 软件。它的主要的硬件结构示意图如下图3 5 所示。设 计的信号检测课稗麻用霉! 实验系统的丰界面如3 6 所示。 图3 5 主要硬件结构示意图 硕士论z 基于虚拟仪罂技术的信号检测课程演示和实验方法的研究 图3 6 信号检测课程应用型实验系统 这个系统中设计和实现的信号检测实验，前三个( 环境监测实验，钢管无损检测实 验，称重实验) 从传感器出来的信号都是缓变信号，对采集卡的要求不是很高：而电机 在线检测实验要求采样率达到1 m s ，所以选择使用p c i 6 2 5 0 采集卡，它具有以下性能： 1 ) 1 6 , - b i t , 1m s s ( 多通道) ，1 2 5m s s ( 单通道) ，1 6 路模拟输入 2 ) 高达2 4 路数字i o ；3 2 位计数器 3 ) 关联d i o ( 8 条时钟线，1 0 m h z ) 4 ) 模拟和数字触发 5 ) n i m c a l 校准技术 6 ) n 1 s t 校准认证书以及7 0 多个信号调理选项 7 ) n i d a q m x 测量服务使配置和测量更简单 图37p c i 6 2 5 0 采集卡 3 信号检测课程的虚拟仪器实验平台硕士论文 3 2教学实验虚拟仪器套件 n ie l v i s 是由美国国家仪器公司( n i ) 研发的非常适合实际教学工作的虚拟仪器 软硬件设备。它是基于虚拟仪器的开发软件和原型创建的实验设备。它包含了一般电类 实验室里传统实验装置的所有功能，真正完成了实验仪器、信号采集以及实验设计相整 合的目标。相比于传统的实验室仪器，它具有非常大的优越性，它既可以当作常规仪器 使用，也可以进行电路设计，还可以对采集到的数据进行有效的分析和处理。 n ie l v i s 系统中包括硬件和软件两个部分。硬件包括一台可运行l a b v i e w 软件的 计算机、一块多功能数据采集卡、根6 8 针e 系列电缆、操控台和一块面包板( 这块 原型实验面包板还有一个标准b a n a n a 、b n c 与d s u b 的接线端子盒，以保证方便、安 全的连接。n ie l v i s 以工作台还带有短路与高压保护装置以保护数据采集设备) ；软件 则包括l a b v i e w 开发环境、n i d a q 、可以针对e l v i s 硬件进行程序设计的一系列 l a b v i e wa p i 和一个基于l a b v i e w 设计虚拟仪器软件包，其中集成了1 2 个功能各异 的虚拟仪器。 n ie l v i s 系统具有以下功能：信号分析( 显示波形，动态信号分析，波特图分析， 阻抗分析仪，电流电压分析等)；数字万用表( 测量电压、电流、电阻、电感、电容、 二极管的极性等) ；信号源( 信号发生器和任意波形发生器，可手动调节，也可程序控 制，并具有扫频功能) ；定时数字量( 频率，计数器和数字i o ) ；直流电源( 标准+ 5 v 、 + - 1 5 v ，和可变“1 2 v ，可以手动调节，也可以用程序进行控制) 。 n ie l v i s 的这一套系统实际就是将l a b v i e w 软件和n id a q 数据采集卡相结合， 综合应用得非常好的一个产物。这整套系统软硬件都是开放的。因此，本系统能够因 不同要求而得到所需的补充和升级。 这套系统能够使学生更加方便、轻松而且有趣地自己设计和制做一些电路。学生在 这个特制的实验面包板上搭建电路，再利用l a b v i e w 软件进行相应程序的编制。这些 完成之后，运