（机械电子工程专业论文）基于虚拟仪器的教学实验的研究.pdf

西华大学硕士学位论文 基于虚拟仪器的教学实验的研究 机械电子工程专业 研究生孙宁指导教师黄惟公 目前在中国许多高等院校中使用的教学实验仪器仍大多为己相当落后的传 统仪器。随着科学技术的不断发展以及相应学科高等教育课程教学内容的更新， 传统仪器日益暴露出些缺陷和不足。为了改善实验条件，改革实验教学方法， 更新实验教学内容，提高实验教学课程的开设水平，把虚拟仪器引入实验教学 解决这一问题的途径之一。 本文主要研究基于虚拟仪器的实验教学中两个最重要的问题：数据采集系 统和教学实验的设计问题。 论文的内容主要包括： 1 在分析了虚拟仪器特点的基础上，研究了基于虚拟仪器的实验系统的硬 件组成。着重介绍了数据采集系统中常见的n i 公司的p c i 6 0 2 4 e 、u s b 6 0 0 8 、 第三方多功能数据采集卡p c i 2 0 0 3 的使用方法。介绍了l a b v i e w 中d a q 、v i s a 在数据采集驱动中的应用。 2 设计了一个串口通讯的单片机数据采集模块，文中详细阐述了模块的电 路原理和程序设计。 3 为“机械工程测试技术”设计了几个典型的实验频谱分析实验、数 字滤波器频率响应实验、相关分析实验、传感器的静态标定实验、振动测试实 验，每种实验都分别采用了三种数据采集系统。 4 研究了声卡在虚拟仪器教学实验中的应用。 5 ，研究了利用l a b v l e w 网络功能实现远程实验的监控的问题。 关键词；虚拟仪器，d a q ，教学实验，串口，声卡，远程实验 幽华大学硕七学位论文 r e s e a r c h i n go na c a d e m i ce x p e r i m e n t b a s e du p o nv i r t u a li n s t r u m e n t s m a j o r ：m e c h a t r o n i c se n g i n e e r i n g p o s t g r a d u a t e ：s u nn i n gs u p e r v i s o r ：p r o f h u a n gw e i g o n g t r a d i t i o n a l j n s t r u m e n t sa r es t i l im o s t l yu s e di nt e a c h i n gl a b o r a t o r ya tp r e s e n tj n c h i n e s eu n i v e r s i t y w i t hd e v e l o p m e n to fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g ya n dr e n e w a lo f c o n t e n to fc o u r s e si nu n i v e r s i t ye d u c a t i o n ，t r a d i t i o n a li n s t r u m e n t se x p o s es o m e d i s a d v a n t a g ed a yb yd a y i no r d e rt oi m p r o v et h ee x p e r i m e n te q u i p m e n ta n dl e v e l ， r e f o r mt h et e a c h i n gm e t h o do ft h ee x p e r i m e n t ，u p g r a d et h ec o n t e n to fc o u r s e so ft h e e x p e r i m e n t i n t i o d u c i n gv i r t u a li n s t r u m e n ti n t oe x p e r i m e n tt e a c h i n gi st h eb e s tw a y t os o l v et h i sp r o b l e m t w om o s ti m p o r t a n tp r o b l e m so fm a i nr e s e a r c h i n gi nt h i st h e s i sa l et h ed e s i g n f o rd a t ac o l l e c t i n gs y s t e ma n dt h ed e s i g nf o ra c a d e m i ce x p e r i m e n t t h ec o n t e n to ft h et h e s i si n c l u d e s ： 1 ，s t u d yt h eh a r d w a r ec o m p o s i n go fe x p e r i m e n t a ls y s t e mb a s e du p o nv i r t u a l i n s t r u m e n t s a f t e r a n a l y z i n g v i r t u a li n s t r u m e n tc h a r a c t e r i s t i c ，i n t r o d u c en i p c i 6 0 2 4 e ，u s b 6 0 0 8 ，p c i 2 0 0 3 s ( i n a d ei nn o - n i ) o p e r a t i o nm e t h o de m p h a t i c a l l y , i n t r o d u c et h ea p p l i c a t i o no fn i d a qa n dn i v i s a 2 d e s i g nad a t ac o l l e c t i o nm o d u l ew i t hs e r i a lp o r tb a s e do nm i c r o c o n t r o l l e r t h et h e s i se x p l a i n st h ec i r c u i tp r i n c i p l ea n dp r o g r a md e s i g n i n gi nd e t a i l 3 d e s i g n s e v e r a l t y p i c a le x p e r i m e n t s f o r ”m e a s u r e m e n ta n dt e s tf o r m e c h a n i c a le n g i n e e r i n g ”，i n c l u d i n g ：f r e q u e n c ys p e c t r u ma n a l y s i s ，f r e q u e n c y r e s p o n s eo fd i g i t a lf i l t e r , c o r e l a t i o na n a l y s i s ，t r a n s d u c e r ss t a t i cc a l i b r a t i o n ，v i b r a t i o n e x p e r i m e n t ，e a c he x p e r i m e n th a sa d o p t e dt h r e ek i n d so fd a t ac o l l e c t i n gs y s t e m s e p a r a t e l y 4 s t u d yt h es o u n d b o a r d sa p p l i c a t i o ni n t h ev i r t u a li n s t r u m e n ta c a d e m i c e x p e r i m e n t 5 s t u d yt h ep r o b l e mo fu s i n gl a b v l e w sn e t w o r kf u n c t i o nt or e a l i z et h e r e m o t ee x p e r i m e n t k e yw o r d ：v i r t u a li n s t r u m e n t ，d a q ，a c a d e m i ce x p e r i m e n t ，s e r i a lp o r t ，s o u n d b o a r d ，r e m o t ee x p e r i m e n t 西华大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 课题背景 目前我国高等学校的教学实验面临诸多问题，如高校扩招带来的教育资源 短缺，传统的教学设施陈旧、落后，跟不上教育发展的需要，学生的综合素质， 特别是实践学习能力急需提高。主要体现在【3 9 】： 1 高校扩招造成教育资源短缺 几年来全国各高校大量扩招，造成学校硬件设施不能满足需要，如教室、 图书馆、实验室和体育设施等。而加强学校硬件设旌建设，必然需要大量经费， 常规的经费不能满足需要，学校就面临经费短缺的困境。 2 传统的实验教学不能满足教育发展的需要 传统的实验教学使用实物仪器，其设备往往比较陈旧，不能及时更新，从 而跟不上教育的飞速发展。传统实验教学存在受地域、时间、教学方式、教学 内容的限制以及受教学仪器的数量和质量限制，这样学生的实验教学就受到很 大局限，接受的实验教育不够充分，或者根本接触不到某些实验仪器设备，从 而影响了教育的整体质量，极大的阻碍了学生实践能力的提高，造成学生的综 合素质下降。 3 实验内容和实验设备过于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。实验设 备重复建设，沉积较多。大部分设备落后于课程建设的需要。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。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。究其根 本原因，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。进行素质教育的核心是要培养学生的科学精 神和创新思维。这就要对学习者的学习过程和他们所能接触和使用的教学资源 进行有效设计、开发、运用、管理和评估，改进教学方法、培养学生的创造性 西华人学硕士学位论文 思维。从而也就要求从事实验教学研究的工作者，开发能够满足现代教学研究 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。 虚拟仪器的出现可以较好地解决了这个问题。虚拟仪器( v i r t u a li n s t r u m e n t ) 的概念是美国国家仪器公司( n i ) 于8 0 年代中期提出来的。这一概念的核心是 以计算机作为仪器的硬件支撑，充分利用计算机独具的运算、存储、回放、调 用、显示以及文件管理等智能式功能，把传统仪器的专业化功能软件化，使之 与p c 机结合起来融为一体，这样便构成了一台从外观到功能都完全与传统硬 件仪器相同，同时又充分享用了p c 机智能资源的全新的仪器系统，由于仪器 的旋钮、按键功能和面板、控件都是由软件形成的，因此国际上把这种新型的 仪器称为虚拟仪器【3 ”。 在虚拟仪器的基础上形成虚拟仪器实验室。与传统的实验室相比，虚拟仪 器实验室具有以下优势： 减少实验设备资金的投入。 首先，在一台计算机上就可以实现诸如示波器、函数发生器、电压表、频 谱分析仪等多种仪器的功能，大大节约了仪器成本。 其次，传统仪器维护费用高，需要耗费大量的人力物力。虚拟仪器基于软 件的体系结构大大节省了开发和维护费用。 便于开放式管理，扩大教学规模。虚拟仪器实验室系统可以通过网络进 行数据传送，指导老师通过计算机监控实验过程，可以同时管理几十甚至上百 个学生做实验。 1 2 研究意义 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， 特别是实验室，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【2 1 。 2 西华大学硕士学位论文 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。运用c a l 教学 软件辅助实验教学，能较好克服存在的部分困难。但是，由于电子技术实验教 学方面的c a i 软件还很少，而且功能不强，交互性、操作性和界面的真实程度 较差，适应范围窄，在一定程度上限制了教师和学生使用的积极性。 如果用虚拟仪器开发平台如l a b v i e w 、l a b w i n d o w s 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，让学生先在虚拟实验 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的实验仪器设备打下较好的 基础，即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实验室。 l a b v l e w 是一种简单易学的编程语言和工程工具。掌握了l a b v i e w 的学生将 在学术和专业两方面有所受益。l a b v i e w 图形化语言的直觉性特征使学生们可以 将注意力集中在被教授的理论知识，而不是基于文本的工程软件应用开发的编 程细节上。这样一来，学生便可集中精力掌握有关循环等的逻辑关系和其它数 据结构的支持；同时享受到另一项增值好处，就是学会在时间要求紧的状况下， 能用比使用传统文本编程环境少得多的时间，开发出复杂的应用程序来。 将虚拟仪器技术和计算机模拟仿真技术通过数据交换共享结合起来建成虚 拟仿真实验室，对一些科学现象和规律进行仿真实验，能够代替部分实际实验 项目供教师和学生进行教学与研究。学生利用计算机模拟仿真软件对实验进行 模拟仿真，仿真的结果通过虚拟仪器系统进行观察、分析、处理。由于仿真软 件和虚拟仪器均具有人机交互能力，这样在这个虚拟的交互式仿真世界，给人 创造一种近乎进行真实实验的感觉。以电子技术教学为例，利用电路系统设计 嚣华大学硕士学位论文 仿真软件如p s p i c e 、s y s t e m v i e w 等能够完成与电子技术相关专业的多数电路与 系统仿真实验。当对电子电路或系统进行仿真时，如需要运用虚拟仪器进行分 析，虚拟仪器通过对数据接口接受需要处理显示的数据，进行实时的分析处理、 并生动直观地显示出数据、波形、图像和分析处理的结果，如学生对结果不满 意，可以修改电路或调整电路参数，很快就能得出新的结果。 虚拟仪器技术与i n t e m e t 技术结合可在远程教育中发挥作用。利用i n t e r n e t 资源和技术，如a s p ( a c t i v es e r v ep a g e s ，动态服务器主页) 、s o c k e t 套接字等， 将i n t e m e t 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i n t e r n e t 与上述的虚拟仿真实验室组成一个基于 w e b 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i n t e r n e t 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i n t e m e t 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 i n t e r a c t 联系起来，建成网络实验系统f 1 4 】。这种方式由于只需传送小量的数据与 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。 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p c 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。虚拟仪器作为传统仪器的替代品，市场容量巨大。 据统计，1 9 9 5 年我国进口电子测量仪器7 3 5 万台，价值3 2 亿美元。据专家预 测，到本世纪初我国将有5 0 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，我们应当充分把握时机，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。各级学校也要 抓住机遇，充分利用虚拟仪器的强大功能开创实验教学的新局面。 1 3 研究内容 目前在中国许多高等院校中使用的教学实验仪器仍大多为己相当落后的传 统仪器。随着科学技术的不断发展以及相应学科高等教育课程教学内容的更新， 传统仪器日益暴露出一些缺陷和不足。为了改善实验条件，改革实验教学方法， 4 幽华大学硕士学位论文 更新实验教学内容，提高实验教学课程的开设水平，把虚拟仪器引入实验教学 是一种很好的选择。 本文主要研究基于虚拟仪器的实验教学中两个最重要的问题：数据采集系 统和教学实验的设计问题。 本文研究了在基于虚拟仪器数据采集系统的基础上使用图形化编程语言 l a b v i e w ，利用自己研制的廉价串口数据采集卡，设计了一系列“机械工程测试 技术”教学实验。包括频谱分析实验、数字滤波器频率响应实验、相关分析实 验、传感器的静态标定实验、振动测试实验和声卡实验。 第1 章叙述了目前高等学校教学实验的现状及未来的发展趋势。 第2 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组 成、功能及特点，同时介绍了用于虚拟仪器开发的集成软件包l a b v i e w ，并重 点介绍了l a b v l e w 在信号处理与分析方面的优势。介绍了n v d a q 和n i v i s a 两种软件的功能和特点。 第3 章着重介绍了数据采集系统中常见的n i 公司的p c i 6 0 2 4 e 、u s b 6 0 0 8 、 第三方多功能数据采集卡p c i 2 0 0 3 的使用方法。重点介绍了自主研发的一个串 口通讯的单片机数据采集模块的软硬件设计，以及l a b v i e w 与单片机接口的 软件设计。 第4 章为“机械工程测试技术”设计了几个典型的实验频谱分析实验、 数字滤波器频率响应实验、相关分析实验、传感器的静态标定实验、振动测试 实验，每种实验都分别采用了三种数据采集系统。研究了声卡在虚拟仪器教学 实验中的应用。 第5 章介绍了l a b v i e w 的网络功能，实现了远程教学实验的监控。 第6 章总结与展望。 瑙华大学硕士学位论文 2 虚拟仪器及l a b v i e w 2 1 虚拟仪器 2 1 1 虚拟仪器的概念 虚拟仪器本质上是利用p c 机强大的运算能力、图形环境和在线帮助功能， 建立具有良好人机交互性能的虚拟仪器面板，完成对仪器的控制、数据分析与 显示，实现完全由用户自己定义、适合不同应用环境和对象的各种功能。在虚 拟仪器系统中，硬件仅仅是解决信号的输入输出问题的方法和软件赖以生存、 运行的物理环境，软件才是整个仪器的核心构件。使用者通过调整或修改仪器 的软件，便可方便地改变和增减仪器的功能和规模，甚至改变仪器的性质【柏l 。 传统的测量仪器主要由三个功能块组成：信号的采集与控制单元、信号的 分析与处理单元、结果的表达与输出单元。由于这些功能块基本上是由硬件或 固化的软件形式存在，仪器只能由生产厂家来定义、制造，因此传统仪器设计 复杂、灵活性差，没有摆脱独立使用、手动操作的模式，整个测试过程几乎仅 限于简单地模仿人工测试的步骤，在一些较为复杂和测试参数较多的场合下， 使用起来很不方便【3 9 】。 上世纪八十年代末，随着计算机科学和微电子技术的迅速发展和普及，有 力地促进了多年来发展相对缓慢的仪器技术，并由此产生一个新型的仪器概念 虚拟仪器( v i r t u a li n s t r u m e n t ，简称为v i ) 。虚拟仪器是将现有的计算 机主流技术与革新的灵活易用的软件和高性能模块化硬件结合在一起，建立起 功能强大又灵活易变的基于计算机的测试测量与控制系统来替代传统仪器功 能。它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，从而把计算 机强大的计算处理能力和仪器硬件的测量、控制能力结合在一起，大大缩小了 仪器硬件的成本和体积。 2 1 2 虚拟仪器的组成 虚拟仪器的构成包括硬件和软件两个基本要素。虚拟仪器中硬件的主要功 能是获取真实的被测信号；而软件的作用是控制实现数据采集、分析、处理、 显示等功畿，并将其集成为仪器操作与运行的命令环境。 1 硬件简介 西华大学硕士学位论文 硬件是虚拟仪器工作的基础，它的主要功能是完成对被测信号的采集、传 输和显示测量的结果。虚拟仪器的硬件主要是计算机和信号采集调理部件所组 成，其中计算机包括微处理器、存储器和显示器等，它主要用来提供实时高效 的数据处理性能。计算机是虚拟仪器的硬件基础，对于工业自动控制、测试与 测量而言，计算机是功能强大、价格低廉的运行平台。由于虚拟仪器充分利用 了计算机的图形用户界面( g u i ) ，所开发的具体应用程序都基于w i n d o w s 运行 环境，所以计算机的硬件配置必须合适。g u i 对计算机的c p u 运行速度、内存 大小、显示卡性能等都有最基本的要求，一般而言要使用4 8 6 以上的c p u 和 1 6 m 以上内存的计算机才能获得良好的效果。 至引黼图像糕卜 被 _ 一g p 接口仪器| + 一g p i b 接e l tj + + 计算机 传 ( 装有 测 o 感 1 7 l 串行口仪器p l c1 1 7 虚拟仪 对 器开发 象 器 软件) + 。叫仪器r 一 卜叫i e e e l 3 9 4 接口仪器卜+ + 叫插卡式( d a q ) 仪器卜叫 f i g u r e2 - 1v i r t u a li n s t r u m e n t sh a r d w a r ec o m p o s i n g 图2 - 1 虚拟仪器的硬件组成 虚拟仪器硬件组成有多种分类方法，既可以按照应用领域来分，也可以按 照测量功能来分，但是最常用的是按照构成虚拟仪器的接口总线的不同，分为 数据采集插卡式( d a q ) 虚拟仪器、串行接1 3 虚拟仪器、并行接口虚拟仪器、 u s b 虚拟仪器、g p i b 虚拟仪器、v x i 虚拟仪器、p x i 虚拟仪器以及最新的 i e e e l 3 9 4 接口虚拟仪器等，如图2 - 1 所示 1 6 】【1 9 】。 西华大学硕士学位论文 在实际应用中虚拟仪器常用两种构成方式。一种是把带有某种接口的各种 测试设备连接到p c 上，如带有g p i b 或r s - 2 3 2 接口的测量仪表。但是，带r s 2 3 2 接口的仪表可直接连接到p c 上，带g p i b 口的仪表还需通过p c 中内置的g p i b 接口卡才能和p c 相连。另一种是直接把传感器的输出信号经放大调理后送到 p c 内置的专用数据采集卡，然后由软件完成数据处理。 2 软件简介 虚拟仪器技术的核心思想，就是利用计算机的软、硬件资源，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v i 系统中的重要作用，n i 提出了“软件就是仪器 ( t h es o f t w a r ei st h ei n s t r u m e n t ) ”的口号，并逐步提出了系统框架、驱动程序、 v i s a 、软面板、部件库等一系列软件标准，推动了虚拟仪器软件标准化的进程。 2 1 3 虚拟仪器的优点 与传统仪器相比，虚拟仪器的优点在于： 1 将信号的分析、显示、存储、打印和其它管理集中交由计算机来处理。 由于充分利用计算机技术，完善了数据的传输、交换等性能，使得组建系统变 得更加灵活、简单。 2 强调“软件就是仪器”，软件在仪器中充当了以往由硬件甚至整机实现的 角色。由于减少了许多随时问可能漂移、需要定期校准的分立式模拟硬件，加 上标准化总线的使用，使系统的测量精度、测量速度和可重复性都大大提高。 3 仪器由用户自己定义，系统的功能、规模等均可通过软件修改、增减， 可方便地同外设、网络及其它应用连接。虚拟仪器通过提供给用户组建自己仪 器的可重用源代码库，处理模块间通讯、定时、触发等功能，强调在通用计算 机平台的基础上，通过软件和软面板，把由厂家定义的传统仪器转变为由用户 自己定义、由计算机软件和几种模块组成的专用仪器。虚拟仪器的出现，彻底 打破了传统仪器由厂家定义、用户无法改变的模式，给了用户一个充分发挥自 己能力和想象力的空间。 4 用户可以将仪器的设计、使用和管理统- - n 虚拟仪器标准，使资源的可 重复利用率提高，系统组建时间缩短，功能易于扩展，管理规范，软硬件生产、 西华大学硕士学位论文 维护和开发的费用降低。虚拟仪器既可以作为单台数字式测试仪器使用，又可 以构成较为复杂的测试系统，甚至通过高速计算机网络构成分布式测试系统， 进行远程监控及故障诊断。此外，利用基于软件体系结构的虚拟仪器系统代替 基于硬件体系结构的传统仪器，还可以大大节省仪器购买、维护费用。【6 j 传统仪器的功能是由厂家定义、用户无法改变的：而在虚拟仪器中用户可 以灵活地根据自己的需要设计自己的仪器，利用通用的仪器硬件平台，调用不 同的测试软件就可构成不同功能的仪器。表2 - 1 对虚拟仪器和传统仪器的特点 作了一个简单的比较。 表2 - 1 虚拟仪器与传统仪器 t r a n d i t i o n a li n s t r u m e n t v i r t u a li n s t r u m e n t f u n c t i o nd e f i n e d b y i n s t r u m e n tf u n c t i o nd e f i n e db yu s e r m e r c h a n t c o n n e c t e dw i t ho t h e ri n s t m m e n t a t i o nc o n n e c t c dw i t hp e r i p h e r a le q u i p m e n ta n d e q u i p m e n tl i m i t e dm a n yk i n d so fi n s t r u m e n t sc o n v e n i e n t l y g r a p h i c a l i n t e r f a c ea n di n f o r m a t i o ni n t e r f a c ei sg r a p h i c a l ，t h ec o m p u t e rd i r e c t l y c o n t e n ti ss m a l l ，d a t ai sr e a d b y r e a dt h ed a t aa n dp r o c e s s m a n - i t l o w e r t h ed a t aa r eu n a b l et oe d i tt h ed a t ac a nb ee d i t e d ，s t o r e d ，p r i n t e d t h eh a r d w a r ei sak e yp a r tt h es o f t w a r ei sak e yp a r t e x p e n s i v ec h e a p i ti so n l y1 5t o1 1 0o ft h et r a d i t i o n a l i n s t r u m e n i t h es y s t e mi sc l o s e d ，t h ef u n c t i o ni st h em o d u l eo ff u n c t i o nb a s e do nc o m p u t e r f i x e d ，t h ee x p a n s i b i l i t yi sb a dt e c h n o l o g y c a bf o r m m a n y k i n d s o f i n s t r u m e n t s t e c h n o l o g yi n n o v a t i o ni ss l o wt e c h n o l o g yi n n o v a t i o ni sq u i c k d e v e l o p a n d s a f e g u a r d c o s ti st h es t r u c t u r eb a s e do ns o f t w a r es y s t e mc a n e x p e r n s i v e s a v et h ed e v e l o p m e n tc o s tg r e a t l y 9 西华大学硕士学位论文 2 2l a b v i e w 开发平台介绍 l a b v i e w 是一个开放式的虚拟仪器开发系统应用软件，它为设计者提供了 一个便捷、轻松的设计环境，利用它设计者可以象搭积木一样，轻松组建一个 测量系统或数据采集系统，并任意构造自己的仪器面板，而无需进行任何繁琐 的计算机程序代码的编写，从而可以大大简化程序的设计。l a b v i e w 与 v i s u a l c + + 、v i s u a lb a s i c 、l a b w i n d o w s c v i 等编程语言不同，后者采用的是基 于文本语言的程序代码，而l a b v i e w 则是使用图形化程序设计语言g ，用方 框图代替了传统的程序代码。l a b v i e w 所运用的设备图标与科学家、工程师们 习惯的大部分图标基本一致，这使得编程过程和思维过程非常相似。用 l a b v i e w 设计的虚拟仪器可以脱离l a b v i e w 开发环境，最终用户看见的是和 实际的硬件仪器相似的操作面板1 7 】。 l a b v i e w 包含有专门用于设计数据采集程序和仪器控制程序的功能库和开 发工具库。l a b v i e w 的程序设计实质上就是设计一个个的“虚拟仪器”，即 “v l s ”。在计算机显示屏幕上利用功能库和开发工具库产生一个前面板( f r o n t p a n e l ) ：在后台则利用图形化编程语言编制用于控制前面板的程序。程序的前 面板具有与传统仪器类似的界面，可接受用户的鼠标指令。一般来说，每一个 v i 都可以作为其它v i 的调用对象，其功能类似于文本语言的子程序。 l a b v i e w 是带有可扩展功能库和子程序库的通用程序设计系统。它提供了 用于g p i b 设备控制、v x i 总线控制、串行口设备控制、以及数据分析、显示 和存储的应用程序模块。l a b v i e w 可调用w i n d o w s 动态连接库和用户自定义 的动态连接库中的函数。l a b v i e w 的c i n 节点使用户可以使用由其它语言， 如a n s i c ，编译的程序模块，使l a b v i e w 成为一个开放的开发平台。l a b v i e w 还直接支持动态数据交换( d d e ) 、结构化查询语言( s o l ) 、t c p 和u d p 网络 协议等。此外，l a b v l e w 还提供了专门用于程序开发的工具箱，使得用户能够 设置断点，动态执行程序来观察数据的传输过程，以及进行方便的调试【“。 l a b v i e w 的运行机制就宏观上讲已经不再是传统上的冯诺依曼计算机体 系结构的执行方式。传统的计算机语言( 如c ) 中的顺序执行结构在l a b v i e w 中被并行机制所代替：从本质上讲，它是一种带有图形控制流结构的数据流模 式，这种方式确保程序中的节点只有在获得它的全部数据后才能执行。也就是 】0 西华大学硕士学位论文 浼，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。 l a b v i e w 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是有效 的。这样，l a b v i e w 中被连接的方框图之间的数据流控制着程序的执行次序， 而不象文本程序受到行顺序执行的约束【3 9 】。从而，我们可以通过相互连接功能 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。 l a b v i e w 的核心是v l 。v i 有一个人机对话的用户界面一前面板( f r o n t p a n e l ) 和类似于源代码功能的方框图( d i a g r a m ) 。前面板接受来自方框图的指 令。在v i 的前面板中，控件( c o n t r o l s ) 模拟了仪器的输入装置并把数据提供 给的方框图；而指示器( i n d i c a t o r s ) 则模拟了仪器的输出装置并显示由方框 图获得或产生的数据。当把一个控件或指示器放置到前面板上时，l a b v i e w 在 方框图中相应地放置了一个端口( t e r m i n a l s ) ，这个从属于控件或指示器的端口 不能随意删除，只有删除它对应的控件或指示器时它才随之一起被删除。 用l a b v i e w 编制方框图程序时，不必受常规程序设计语法细节的限制。首 先，从功能菜单中选择需要的功能方框，将之置于面板上适当的位置；然后用 导线( w i r e s ) 连接各功能方框在方框图中的端口，用来在功能方框之间传输数 据。这些方框包括了简单的算术功能，高级的采集和分析v i 以及用来存储和检 索数据的文件输入输出功能和网络功能。 用l a b v i e w 编制出的图形化v i 是分层次和模块化的。我们可以将之用于 顶层( t o pl e v e l ) 程序，也可用作其它程序或子程序的子程序。一个v i 用在其 它v i 中，称之为s u b v l ，s u b v l 在调用它的程序中同样是以一个图标的形式出 现的。l a b v i e w 依附并发展了模块化程序设计的概念。用户可以把一个应用题 目分解为一系列的子任务，每个子任务还可以进一步分解成许多更低一级的子 任务，直到把一个复杂的题目分解为许多子任务的组合| 8 】。首先设计s u b v i 完 成每个子任务，然后将之逐步组合成能够解决最终问题的v i 。 归纳起来l a b v l e w 软件开发平台具有以下优点： 图形化的编程方式，设计者无需写任何文本格式的代码，是真正的工程 师的语言。 西华大学硕士学位论文 提供了丰富的数据采集、分析及存储的库函数。 既提供了传统的程序调试手段，如设置断点、单步运行，同时提供有独 到的高亮执行工具，使程序动画式运行，利于设计者观察程序运行的细节，使 程序的调试和开发更为便捷。 q 3 2 b i t 的编译器编译生成3 2 b i t 的编译程序，保证用户数据采集、测试和 测量方案的高速执行。 囊括了d a q 、g p i b 、p x i 、v x i 、r s 2 3 2 4 8 5 在内的各种仪器通信总 线标准的所有功能函数，使得不懂总线标准的开发者也能够驱动不同总线标准 接口设备与仪器。 提供大量与外部代码或软件进行连接的机制，诸如d l l s ( 动态连接库) 、 d d e ( 共享库) 、a c t i v e x 等 强大的i n t e r n e t 功能，支持常用网络协议，方便网络、远程测控仪器的开 发【3 l 】。 本文主要是用l a b v i e w 7 1 作为软件开发环境。下面介绍下l a b v i e w 7 1 的新特性。 1 改进的开发环境 自动错误处理 自动中断程序的执行，在发生错误的地方高亮显示予程序。 自动走线 在创建应用时自动确定最佳走线方向 条件断点和自定义探测 根据用户指定的条件设定断点以中断应用操作并创建自定义探测 动态，用户自定义事件 为事件结构创建自定义事件类型以方便处理，而不再单纯依靠界面上的用 户输出。这样在控制l a b v i e w 何时生成何种事件方面将获得更多的灵活性。 2 网络化特点 用新v i 方便获得n e t 网络服务 带缓冲d a t a s o c k e t 型数据 保证使用d a t a s o c k e t 在应用程序之间共享数据时可以接收到所有公有数据 1 2 西华大学硕士学位论文 e m a i lv i s 通过s m t p ( 普通信件传输协议) 发送e m a i l ，包括文件和数据 3 新增e x p r e s sv l s e x p r e s sv i s 将多个传统虚拟仪器的功能封装到一个易用的交互式的虚拟仪 器中。只要在程序框图中加入一个e x p r e s sv i ，在数秒内即可用配置对话框定 义所需的功能。迅速开发常见的应用，程序框图简洁。代码运行性能和以往的 l a b v l e w 代码相同，却更易于维护。 f i g u r e2 - 2s t a n d a r dv ic o m p a r e dw i t he x p r e s sv i 图2 - 2 标准v l 和e x p r e s s v i 的比较 l a b v i e w 7 1 中共有4 1 个e x p r e s sv i s a 图形化程序设计编程简单、直观、开发效率高。随着虚拟仪器技术的不断 发展，图形化的编程语言必将成为测试和控制领域内最流行的发展趋势【3 5 】【3 6 l 。 2 3l a b v i e w 的信号分析与处理模块 现实中数字信号无所不在。因为数字信号具有高保真、低噪声和便于处理 的优点，所以得到了广泛应用。目前，对于实时分析系统，高速浮点运算和数 字信号处理已经变得越来越重要。这些系统被广泛应用到生物医学数据处理、 语音识别、数字音频和图像处理等各种领域。数据分析的重要性在于，由于无 法从刚刚采集的数据中立刻得到有用的信息，所以必须消除噪声干扰，纠正由 设备故障而遭到破坏的数据，或者补偿环境影响，如温度和湿度等1 2 “。 l a b v i e w 开发环境中提供了信号处理和数学分析模块，可以帮助使用者从 采集的数据中提取有效信息，分析测量结果和处理信号。且l a b v i e w 分析工 西华大学硕士学位论文 具使用简单，无需使用者去考虑复杂的底层算法。 本文在信号分析与处理的运算中，主要是使用l a b v i e w 语言的信号分析 处理子模板和数学运算子模板。下面重点介绍这两个子模板。 2 3 1s i g n a lp r o c e ss i n g 子模板 l a b v i e w 的s i g n a lp r o c e s s i n g 子模板位于a n a l y z e 分析子模板中，它包含 信号产生、时域分析、频域分析、数字滤波器和窗函数等子选项板，如图2 3 所示。 f i g u r e2 - 3s i g n a lp r o c e s s i n gs u b m o d u l e 图2 - 3s i g n a lp r o c e s s i n g 子模板 各子模板的功能如下： o s i g n a lg e n e r a t i o n 信号产生子选项板：用于产生正弦波、三角波、方波等 1 5 种仿真波形。 t i m ed o m a i n 时域分析子选项板：用于对信号进行时域分析，包括卷积、 自相关、互相关等运算函数。 f r e q u e n c yd o m a i n 频域分析子选项板：用于对信号进行频域分析，包括 功率谱、f f 丁、f h t 等运算函数。 f i l t e r s 数字滤波器子选项板：用于对信号进行滤波处理，包括巴特沃斯 滤波器、切比雪夫滤波器、f i r 、i i r 等滤波器。 w i n d o w s 窗函数子选项板：用于对信号进行加窗处理，包括矩形窗、汉 宁窗、海明窗等1 3 种窗函数。 这些子选项板提供上百种信号分析与处理函数，使得分析软件的开发变得 1 4 西华大学硕士学位论文 更加简单。用户不必像在普通编程语言中那样关心分析步骤的具体细节，而可 以集中注意力解决信号处理与分析方面的问题1 4 ”。 2 3 2b t a t h e m a i c s 子模板 l a b v i e w 在功能模板的m a t h e m a t i c s 予模板中提供了大量的数学分析函 数，分别包含在1 0 个计算工具模块中，m a t h e m a t i c s 子模板如图2 4 所示。 f i g u r e2 - 4m a t h e m a t i c ss u b m o d u l e 图2 4m a t h e m a t i c s 子模板 各子选项板的功能如下： f o r m u l a 公式子选项板：用于输入公式、数据，按照公式得出输出结果。 1 da n d2 de v a l u a t i o n 假设检验子选项板：用于进行假设检验。 c a l c u l u s 微积分运算子选项板：用于微分、积分等运算。 p r o b a b i l i t ya n ds t a t i s t i c s 概