（电力电子与电力传动专业论文）基于虚拟仪器的频谱分析研究.pdf

s p e c t r u ma n a l y s i sb a s e d o nv i r t u a li n s t r u m e n t p o w e re l e c t r o n i c sa n de l e c t r i c a ld r i v e g r a d u a t e ：s o n gy u j i e s u p e r v i s o r ：y a n gy a n x i a n g s p e c t r u ma n a l y s i sc a n b eu s e di nm a n ys c i e n c ea n dt e c h n o l o g ya r e a , f o r e x a m p l es o m e r a d i ot e c h n o l o g ys u c ha sc o m m u n i c a t i o n 、s e i s m i cs u r v e y i n g 、 t e l e c o m m u n i c a t i o n 、n a v i g a t i o n 、r a d a re t c ，i na d d i t o n ，s o m en o n - e l e c t r i c i t ys u c ha s l i g h tw a v e s ，m e c h a n i c a lv i b r a t i o n ， s h o c k ，n o i s ec a nb et r a n s f o r mc u r r e n to r v o l t a g eb ys o c a l l e dt r a n s d u c e rt ob ea n a l y s e de a s i l y , s ot h es p e c t r u ma n a l y s i sa l s o p l a ya ni m p o r t a n tr o l ei nt h ef i e l d so fv i b r a t i o n 、n o i s e 、e l e c t r o - a c o u s t i c ，m o t o r , c o n s t r u c t i o n ，b i o t e c h n o l o g y , m e d i c i n ee t c w i t ht h ed e v e l o p m e n to fm o d e ms c i e n c et e c h n o l o g ya n ds o c i e t y , v a r i o u s m e a s u r e m e n ta n dt e s ti n s t r u m e n t sa r er e q u i r e dt oa c c o m p l i s hm o r ea n dm o r e c o m p l i c a t e dj o b s t h ed e m a n d sf o rm e a s u r e m e n tt e c h n o l o g ya n d t e s te q u i p m e n t sa r e g e t t i n gh i g h e gb e c a u s eo fe l e c t r o n i c st e c h n i q u ea n dc o m p u t e rt e c h n i q u ed e v e l o p i n g s of a s ta n dt h e i ra p p l i c a t i o ni ne l c t r o n i cm e a s u r e m e n ta n di n s t r u m e n tr e a l m ，t h en e w t e s tt h e o r i e s ，n e wt e s tm e t h o d ，n e wt e s tr e a l ma n dn e wi n s t r m n e n ts t r u c t u r ea p p e a r c o n t i n u o u s l y i nr e c e n ty e a r , an e w m e a s u r et e c h n o l o g yt h a tc o m b i n e st h e t e c h n o l o g i e so fe l e c t r o n i c 、c o m p u t e ra n dn e t w o r ki sd e v e l o p e dw h i c hi sn a m e d v i e r t u a li n s t r u m e n t i nt h i sp a p e r , c h o o s el a b v i e wt h eg r a p h i c a lp r o g r a m m i n g l a n g u a g e2 l st h e d e v e l o p m e n tp l a t f o r mo f v i r t u a li n s t r u m e n t ，a n a l y s i ss i g n a l si nf r e q u e n c yc o m b i n i n g w i t ht h eb a s i cp r i c i p l e so fs i g n a lp r o c e s s i n g t h e r ea r et w ow a y st og e tt h es i g n a l r e s o u r c e s ，o n ei st h r o u g hv i r t u a ls i g n a lg e n e r a t o ra n o t h e ri sr e m o t ec o m p u t e r t h e f o r m e rg i v e sn e e d e ds i g n a lb yt h eu s e r ss e t t i n g ，w h i l et h el a t t e rs h o w st h e a d v a n t a g e so ft h ei n f o r m a t i o nn e t w o r k i nt h em o d u l eo fs i g n a la n a l y s i si nf r e q u e n c y d o m a i n ，t h em a i na c h i e v e m e n ti sr e a l i z i n gs i g n a la m p l i t u d ea n dp h a s es p e c t r u m i i 西华大学硕士学位论文 a n a l y s i s ，p o w e rs p e c t r u ma n a l y s i s ，h a r m o n i ca n a l y s i s ，c e p s t r u ma n a l y s i sa n d j o i n t t i m e f r e q u e n c yd o m a i na n a l y s i s a tt h es a m et i m e ，s e tu ps o m ea n a l y s i sf u n c t i o n i n t i m e d o m a i nt og e ta c o m p r e h e n s i v eu n d e r s t a n d i n go f t h es i g n a l t h eu s e rc a nd o o p e r a t i o n ss u c ha sp a r a m e t e r ss e t t i n g ，s i g n a la n a l y s i s ，r e s u l t ss h o w i n ge a s i l yb y u s i n gt h em e n u d r i v e ni n t e r a c t i v ei n t e r f a c e w i t ht h ew e b s e r v e rt e c h n o l o g yw h i c h b ep r o v i d e db yl a b v i e w , i tc a nc o m m u n i c a t ew i t ho t h e rc o m p u t e r so nt h en e t w o r k ， d i s t r i b u t et h eo p e r a t i o np r o c e s sa n dt h er e s u l t so ft h ea n a l y s i so nt h en e t w o r k ，r e a l i z e i n f o r m a t i o ns h a r i n g k e y w o r d s ：v i r t u a li n s t r u m e n t ，l a b v i e w js p e c t r u ma n a l y s i s i i i 西华大学硕士学位论文 申明 本人申明呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。除了文中特别加以标注的和致谢的地方外，论文中不包含其它人已经 发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西华大学或其它教育机构的学位或 证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论 文中作了明确的说明并表示感谢。 本学位论文成果是本人在西华大学读书期间在导师指导下取得的，论文成 果属西华大学所有，特此申明。 作者签名：禾玉盎叼年 月 导师签名 8 2 西华大学硕士学位论文 使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和 借阅，西华大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可 以采用影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书； 2 、不保密函适用本授权书。 ( 请在以上口内划) 嚣掰一e t a 撕- 签；别 8 3 西华火学硕士学位论文 1 绪论 随着信息科学的不断发展，需要处理的问题越来越复杂，信号处理中对频 谱分析的要求也越来越高，分析方法的多样，实现简单易操作，传统的频谱分 析仪在实现各种功能方面显得有些力不足。传统的频谱分析仪本身的信号处理 电路设计十分复杂，而且更新困难，当新的计算方法或计算要求出来后，传统 仪器无法升级，或更新计算方法，满足不了科研人员的要求，给科研工作带来 不便。因此设计一种可以随意更改设计以满足频谱分析不断增加的高要求的仪 器来帮助科学研究是很有意义的。 1 1 课题的提出和意义 频谱分析是研究信号的频率结构，是信号处理中非常重要的分析手段。频 谱分析工作在许多科学技术领域都会遇到。首先，在无线电技术的许多方面， 例如通讯、地震测量、电信、导航、雷达、电子对抗、空间技术等；此外，由 于象光波、机械振动、冲击、声响等各种非电量都可以通过所谓换能器转换成 电流或电压的变化来方便地进行分析，所以，频谱分析在各种振动、噪声、电声、 发动机、建筑、生物、医学等领域也起重要作用。 下边是几个频谱分析作用的例子。例如，对各类旋转机械、电机、机床等 机器的主体或部件进行实际运行状态下的谱分析，可以提供设计数据和检验设 计结果；在声纳系统中，为了寻找海洋水面船只或潜艇，需要对噪声信号进行 谱分析，以提供有用信息，判断舰艇运动速度、方向、位置、大小等；电子琴 可有模仿许多种乐器发出的声音。在研制电子琴时，首先要弄清楚要模仿的乐 器的声振动特点，虽然在一个调上，基波频率相同，但所含谐波却不同。把声 振动转换成电振动后，可以在电子示波器和频谱分析仪上观察它的频谱，弄清 楚频谱后，才能确定电子琴内相应的晶体管振荡器的振荡频率；在地震过程中， 建筑物的固有频率如果与地面振动的固有频率相近，即使地震烈度较低，也可 能激发建筑物产生剧烈振动导致损坏。所以，建筑工程师们对于一幢建筑物的 两华大学硕士学位论文 动力学特征，如固有频率、振型、阻尼等是需要认真研究清楚的，特别要避开经 常出现的起主导作用的地震频率。因此对频谱分析方法的研究一直是当前信号 处理技术中一个十分活跃的课题。 传统的电子仪器是自封闭的系统，它具有信号输入、输出的能力并有固定 的用户接口。有时为了构成具有一定功能的系统，配置了一套仪器，却只用到 其中的一部分功能，有时用到其他功能时却达不到所有的需要指标。而另行配 置一套仪器，费用又比较高。需要将仪器进行改动，才可以扩大使用范围，而 传统仪器功能是制造商决定的，仪器也是封装好的，用户不能任意改动。用户 所需要的功能在不断提高或变化，传统的仪器却不能总是满足用户的需要。 虚拟仪器的设想正是出于人们对仪器的这种需求，基于软件易于修改性， 利用软件来实现信号处理算法部分和人机接口部分，这两部分可根据科研人员 的要求做出不同的方案，任意修改仪器功能。对信号的放大、传输等部分采用 固定硬件接入，保证了信号的传输不失真，对于信号的获得还可以采用远程方 式，并且分析结果也可以进行网络发布，或远程传输。虚拟仪器的各种优势既 降低了科研成本，又保证了科研工具可以和理论发展同步，具有十分巨大的现 实意义和商业价值。 1 2 国内外研究现状综述 美国于1 9 8 2 年研制成功世界上第一台虚拟仪器，此后随着微电子技术、计 算机技术、软件设计技术、计算机网络技术的高速发展及它们在电子测量领域 的广泛应用，使虚拟仪器技术得到迅猛发展。以计算机平台为基础进行虚拟仪 器开发的最初阶段是使用b a s i c 语言，以简化对g p i b v x i 总线仪器和s e r i a l 仪器的编程。虚拟仪器开发工具在原来得开发工具基础之上，为软件开发任务 创建了一个仪器专用的整体框架。这个框架包括采集、分析和显示。这些开发 工具使用面向对象技术，提高代码的重用性，同时利用通用得计算机能够快速 简便地设计专用仪器。 目前，虚拟仪器技术正逐渐应用于实验教学。雅典国立技术大学电子和计 算机工程系用虚拟仪器系统代替传统的试验系统用于荧光灯得谐波失真测试系 2 西华大学硕士学位论文 统，包括计算机、n i 的多功能卡a t m l 0 - 1 6 e - 1 0 、虚拟仪器软件包、电压放大器 虚拟仪器软件用l a b v i e w 编写，集传统实验系统中的任意波形发生器、数字示 波器、频谱分析仪的功能于一体。佩恩州立大学利用虚拟仪器进行聚合体热量 分析。维也纳大学研制了虚拟热量计，可自动采集特定气压和温度下的数据进 行热量测定。 在国内，自1 9 9 8 年开始，清华大学电机系利用美国国家仪器公司的l a v v i e w 虚拟仪器开发平台和m 1 0 - 1 6 e - 4 ，p c i - 6 0 2 4 e 等d a q 功能板卡，开发出了“虚拟 频率相位计、“电路过渡过程分析仪w 等多种电工实验教学用虚拟仪器，并在 此基础上排出了“正弦信号频率、相位的测量、“电路过渡过程的研究 等一 系列电工教学实验。河海大学将虚拟仪器技术用于乐音的频谱分析，获得了精 确的实验结果。 尽管如此，国内在虚拟仪器的开发和研究方面所作的工作还远远不能满足 我国工程技术发展的需要。据专家们分析在最近几年内即使再有5 0 家企业生产 虚拟仪器市场也不会饱和，只能是推动虚拟仪器技术的普及与更快发展，可以 说未来几年内是我国虚拟仪器开发和应用高速发展的时期。尤其值得一提的是 清华大学利用虚拟仪器技术研制成的基于声卡测试实验系统，将虚拟仪器引入 高校的实验教学，有效的缓解了教学与资金紧张的矛盾。该系统所需电脑配置 极低，甚至机房淘汰下来的电脑也能实现测试技术中信号测量与分析处理的一 组实验，并且有相当先进的水平和极高的灵活性，极大地激发了学生的学习兴 趣，大大提高测试效率和教学科研的质量。 1 3 本文所做工作 本文利用l a b v i e w 编程工具编制信号分析系统，实现了信号的获得、信 号的时域分析、信号的频域分析、结果的网络发布、菜单式操作界面等几个模 块。 一 。 在信号的获得模块，实现两种信号获得方式。一种是利用l a b v i e w 设计 编程的虚拟信号发生器，可实现单双通道和有无噪声叠加的信号。另一种方法 是利用t c p 通信技术实现从远程计算机获得信号数据。 西华大学硕士学位论文 在信号时频域分析模块，设计编程了各种滤波器和窗函数对信号进行预处 理，通过虚拟示波器分析获得信号的幅值特征值、各种运算包括微积分、相关 分析、卷积运算等。频域方面实现信号的幅相谱、功率谱、谐波分析、倒频谱 分析，联合时频域分析等。 利用l a b v i e w 提供的w e b 服务器技术功能，实现分析结果的网络发布， 做到了网络时代信息共享。 友好易用的操作界面是一个系统必需的，本文设计编程菜单式用户界面， 并用几种不同的方法实现菜单的功能响应。界面简洁易用，对其他系统的设计 具有一定得参考价值。 最后总结本文的不足，并对未来提出新的展望。 整个系统结构如图1 1 所示 系统各功能模块 f i g u r e1 1t h es t r u c t u r eo f t h es o f t w a r es y s t e m 图1 1 系统软件结构图 4 西华大学硕士学位论文 2 虚拟仪器介绍 2 1 虚拟仪器的概念 简单来说，虚拟仪器( v i r t u a li n s t r u m e n t 简称v i ) 就是用户在通用计算机 平台上，根据需要定义和设计一起的测试功能，使得使用者在操作这台计算机 时，就像是在操作一台他自己设计的测试仪器一样。进一步讲，虚拟仪器是虚 拟技术在仪器仪表领域中的一个重要应用，它是现代计算机技术和仪器技术深 层次结合的产物，是当今计算机辅助测试领域的一项重要技术。即虚拟仪器就 是计算机技术介入仪器领域所形成的一种新型仪器，它是利用计算机强大的图 形环境，结合相应的硬件，编制不同的测试软件，建立界面友好的虚拟仪器面 板，通过友好的图形界面及图形化编程语言控制仪器运行，构成多种仪器，完 成对被测量的采集、分析、判断、显示、存储及数据生成的仪器。v i 以透明的 方式将计算机资源和仪器硬件的测量与控制能力结合在一起，通过软件实现对 数据的分析处理与表达。而软件就成为了虚拟仪器的关键，任何一个使用者都 可以通过修改虚拟仪器的软件来改变它的功能，这就是美国n i 公司“软件就是 仪器 一说的来历。 需要特别指出的是：虚拟仪器实质上是一种创新的仪器设计思想，而非一 种具体的仪器。换言之，虚拟仪器可以有各种各样的形式，完全取决于实际的 物理系统和构成仪器数据采集单元的硬件类型，但是有一点是相同的，那就是 虚拟仪器离不开计算机控制，软件是虚拟仪器设计中最重要，也是最复杂的部 分。船1 2 2 虚拟仪器的组成与分类 虚拟仪器的组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 能是获取真实世界中的被测信号，而软件的作用是控制实现数据采集、分析、 处理、显示等功能，并将其集成为仪器操作与运行的命令环境。 虚拟仪器有多种分类方法，既可以按应用领域分，也可以按测量功能分， 西华大学硕士学位论文 但是最常用的还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、r s 2 3 2 r $ 4 2 2 虚拟仪器、并行接口虚拟仪器、u s b 虚拟仪 器、d p i b 虚拟仪器、v x i 虚拟仪器、p x i 虚拟仪器和最新的i e e e l 3 9 4 接口虚 拟仪器。 d a q 虚拟仪器广泛应用于一般的测试系统与工业过程控制，并且正在从过 去1 6 位的标准i s a 总线发展到3 2 位的p c i 总线插卡，为设计各种测试仪器提 供了更好的数据采集和控制能力。当然，d a q 虚拟仪器需要打开主机机箱连接， 使用比较麻烦，并且容易将干扰引入计算机，因此，基于通用计算机标准配置 接口的各种外接式虚拟仪器将为发展方向。外接式方案避免了p c 内部的噪声， 特别适合于低电平信号应用，为仪器设计提供了更大的空间、更好的隔离能力 和更方便的连接方式。r s 2 3 2 r s 4 2 2 串口在各种现场过程控制仪表中应用较多， 支持长线传输，抗干扰能力强，但数据传输率低，不适合动态测试应用。并行 接口也是一中比较传统的高速接口，一般打印机都配置并行接口，目前配置有 并行接口的数字示波器、逻辑分析仪等虚拟仪器已经出现在市场上。当然，今 后更有发展前途的是u s b 通用串行总线和i e e e l 3 9 4 高速串行总线。u s b 总线 目前已经成为p c 的标准配置，并且支持热插拔功能，i e e e l 3 9 4 总线在一些高 档台式和笔记本微机上也已经开始流行。u s b 和i e e e l 3 9 4 总线最大的优点是 数据传输率高，目前基于i e e e l 3 9 4 总线的虚拟仪器已经达到1 0 0 m b s 的数据 传输率，完全满足高性能动态测试的要求。 g p i b 、v x i 和p x i 总线都是专门为程控仪器设计的计算机接口总线，其中 g p i b 仪器具有独立的仪器操作界面，可以脱离计算机独立使用，也可以通过标 准g p i b 电缆连接计算机实施程序控制；而v x i 和p x i 仪器没有独立的仪器操 作界面，必须依赖仪器驱动器提供的虚拟操作界面。心副 2 3 虚拟仪器特点与应用 2 3 1 虚拟仪器特点 虚拟仪器是计算机技术介入仪器领域所形成的一种新型的、富有生命力的 6 西华大学硕士学位论文 仪器种类。在虚拟仪器中计算机处于核心地位，计算机软件技术和测试系统更 紧密地结合，形成了一个有机整体，使得仪器的结构概念和设计观点等都发生 了突破性的变化。从构成和功能上来说，虚拟仪器就是利用现有的计算机，配 上相应的硬件和专用软件，形成既有普通仪器的基本功能，又有一般仪器所没 有的特殊功能的高档低价的新型仪器；从使用上来说，虚拟仪器利用强大的图 形化开发环境，建立直观、灵活、快捷的虚拟仪器面板，可以有效地提高仪器 的使用效率。虚拟仪器特点可以归纳概括为以下几个方面： 1 ) 丰富和增强了传统仪器的功能，虚拟仪器将信号分析、显示、存储、打 印和其他管理集中交由计算机来处理，充分利用了计算机强大的数据处理、传 输和发布能力，使得组建系统变得更加灵活、简单。 2 ) 突出“软件就是仪器”的新概念。传统仪器的某些硬件在虚拟仪器中被 软件所代替，由于减少了许多随时间可能漂移、需要定期校准的分立式模拟硬 件，加上标准化总线的使用，使仪器的测量精度、测量速度和可重复性都大大 提高。 3 ) 仪器由用户自己定义。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，可以和方便地修改仪器功能和面板，设计仪器的通信、定时和触发 功能，实现与外设、网络及其他应用的连接，给了用户一个充分发挥自己能力 和想象力的空间。 4 ) 开发的工业标准。虚拟仪器硬件和软件都指定了开发的工业标准，因此 用户可以将仪器的设计、使用和管理统一到虚拟仪器标准，使资源的可重复利 用率提高，功能易于扩展，管理规范，生产、维护和开发费用降低。 5 ) 便于构成复杂的测试系统，经济性好。虚拟仪器既可以作为测试仪器独 立使用，又可以通过高速计算机网络构成复杂的分布式测试系统，进行远程测 试、监控与故障诊断。此外，用基于软件体系结构的虚拟仪器代替基于硬件体 系结果的传统仪器，还可以大大节约仪器购买和维护费用。 2 3 2 虚拟仪器技术应用 虚拟仪器技术作为计算机技术与仪器技术相结合的创新技术，应用前景十 7 西华人学硕士学位论文 分广泛。从总体上而言，虚拟仪器是测量测试领域的一个创新概念，改变了人 们对仪器的传统观念，适应了现代测试系统网络化、智能化发展趋势。虚拟仪 器技术应用方式多种多样，下面主要针对虚拟仪器技术在工业自动化、仪器制 造和实验室方面的应用前景和效益进行分析。 1 ) 工业自动化 我国工业基础比较落后，工业自动化程度远不能满足市场经济快速发展的 需求。制约工业自动化水平提高的一个关键因素是企业缺乏开发自动化控制与 管理软件的专业人才。生产第一线的工程师熟悉设备与工艺流程，但不具备程 序员的专门编程能力，往往控制系统软件都是交给研究人员或大学的程序员编 写，软件设计与使用脱节。传统的软件设计方法使得实际工程人员很难掌握和 修改专业人员编写的软件，工作积极性和创造性受到影响，许多项目实际应用 效果并不理想。虚拟仪器设计所采用的图形化编程语言，十分适合工程师应用， 有利于提高企业自主开发和管理项目的能力，降低工业自动化技术改造的成本。 另一方面，采用虚拟仪器技术，根据时间工艺流程和控制要求，将分布在企业 不同位置的各种测量仪表和控制装置连接为一个网络系统，通过计算机实施集 中控制和管理，可以改变采用传统单元仪表分散工作时成本高、维护困难、资 源配置重复等缺点，提高工业自动化改造的经济效益，降低管理成本。 2 ) 仪器产业改造 仪器制造业是代表一个国家科技和工业发展水平的一个重要领域。是否具 备各种先进和高性能仪器，对整个国家的科技开发能力、国防高科技水平和工 业现代化水平都有直接或潜在的重要影响。由于工业基础比较落后，我国的仪 器制造，尤其是高性能科学仪器的制造还远远不能满足国防与经济建设发展的 需要。目前，像数字示波器、频谱分析仪和逻辑分析仪等中高档仪器还主要依 赖进口，即使像数字万用表、函数发生器等基础测量仪器，国产与进口产品在 功能、易用性等方面仍然存在差距。传统台式仪器制造水平不仅取决于设计， 还依赖于工艺和加工水平，因此短期内提高有一定困难。采用虚拟仪器技术， 将过去仪器中许多靠硬件实现的功能用软件来代替，利用商品化的数据采集和 p c 技术，完全可以开发出各行各业急需的各种测量仪器，缩短我国与先进国家 在仪器领域的差距。这是采用高新技术改造传统产业的一个大有可为的领域。 8 西华大学硕士学位论文 3 ) 实验室应用 电子仪器与测试实验室是高等工科院校必备的教学实验条件。为了提供一 定的实验规模，保证每个学生得到实际动手能力的训练，传统的教学实验室一 般需要购置大量的基础测量仪器，如示波器、万用表、信号源等，投资大、技 术更新快、维护困难。利用虚拟仪器技术，我们可以设计出与实际仪器在原理、 功能和操作等方面完全一样的全软件虚拟仪器。利用这些虚拟仪器，学生在计 算机上就可以学习和掌握仪器原理、功能与操作，并通过仪器与仪器，仪器与 电路的相互配合，完成实际测试过程，达到与用实际仪器教学的相同目的。这 种思想对从根本上改变传统实验教学方法，降低实验室建设与管理成本，实现 远程实验教学具有重要参考价值。我们目前完成的研究结果表明：采用虚拟仪 器技术，完全可以实现设计虚拟电子仪器实验室的设想。通过这样一种实验方 式，也可以培养学生的求知兴趣和创新能力。随着计算机的普及，虚拟仪器甚 至可以进入中学物理和化学实验课堂。【3 3 3 3l a b v i e w 简介 3 1 虚拟仪器开发平台的选择 构造一个虚拟仪器系统，基本硬件确定以后，就可以通过不同的软件实现 不同的功能。软件是虚拟仪器系统的关键，研究开发适合广大测试工程师和科 学家使用的测试软件开发工具，让他们节省花费在繁琐的程序编码与调试中的 时间和精力，提高测试软件生成与维护效益，一直是测试领域人们关心的技术 问题。在开发、推广虚拟仪器编程技术方面，出现了许多虚拟仪器开发平台， 目前世界上最具有代表性的还是美国国家仪器公司( n i ) 的两个虚拟仪器开发 平台：l a b w i n d o w s c v i 和l a b v i e w 。 虚拟仪器编程语言l a b w i n d o w s c v i 是美国n i 公司开发的3 2 位面向计算 机测控领域的软件开发平台，可以在多种操作系统( 如w i n d o w s 9 8 n t 2 0 0 0 x p 、 m a oo s 和u n i x ) 下运行。它以a n s i 为核心，将功能强大和使用灵活的c 语 言平台与数据采集、分析和表达等测控专业工具有机的结合起来。它的集成化 9 西华大学硕士学位论文 开发平台、交互式编程方法、丰富的功能面板和库函数大大增强了c 语言的功 能，为熟悉c 语言的人员提供了一个理想的开发检测、数据采集和过程监控等 系统的软件开发环境。l a b w i n d o w s c v i 编程中所用到的概念有对象、面板、控 件和回调函数等。l a b w i n d o w s c v i 建立在开放式软件体系结构之上，以工程文 件( i c p r j ) 为主体框架，将c 和c + + 源文件( 木c ) 、头文件( 宰h ) 、库文件( 木1 i b ) 、 目标模块( * o b j ) 、用户界面文件( 毒u i r ) 、动态链接库( 宰d u ) 和仪器驱动程 序( 幸f p ) 等多功能组合在一起，并支持动态数据交换( d d e ) 和t c p i p 网络 协议。 编译型图形化编程语言l a b v i e w 是一种程序开发环境，类似于c 和b a s i c 开发环境，也是通用的编程系统，使用图形化编程语言g 编写程序，产生的程 序是框图形式，有一个可完成任何编程任务的庞大的函数库。l a b v i e w 的函数 库包括数据采集、g p i b 、串口控制、数据分析、数据显示及数据存储等。l a b v i e w 也有传统的程序调试工具，如设置断点、以动画方式显示数据及其程序( 子v i ) 的结果、单步执行等，便于程序的调试。 根据这两种开发环境各自具有的特点和自身情况，本文选择l a b v i e w 作 为该虚拟仪器系统开发环境。具体为l a b v i e w8 2 0 。选择l a b v i e w 开发测试 和测量应用程序的一大决定性因素是其开发速度。通常使用l a b v i e w 开发应 用系统的速度比使用其他编程语言快4 到l o 倍。这一惊人速度背后的原因在于 l a b v i e w 易用易学，它所提供的工具使创建测试和测量应用变得更为轻松。h 1 3 2l a b v i e w 简介 3 2 1 什么是l a b v i e w l a b v i e w ( l a b o r a t o r yv i r t u a li n s t r u m e n te n g i n e e r i n gw o r k b e n c h ) 是一种用 图标代替文本行创建应用程序的图形化编程语言。传统文本编程语言根据语句 和指令的先后顺序决定程序的执行顺序，而l a b v i e w 则采用数据流编程方式， 程序框图中节点之间的数据流向决定了程序的执行顺序。它用图标表示函数， 用连线表示数据流向。 l o 西华大学硕士学位论文 l a b v l e w 提供很多外观与传统仪器( i n 示波器、万用表) 类似的控件，可 用来方便地创建用户界面。用户界面在l a b v l e w 中被称为前面板。使用图标 和连线，可以通过编程对前面板上的对象进行控制。这就是图形化源代码，又 称g ( g r a p h i c s ) 代码。l a b v i e w 的图形化源代码在某种程度上类似于数据流 流程图，因为又被称作程序框图代码。前面板上的每一个控件对应于程序框图 中的一个对象，当数据“流向”该控件时，控件就会根据自己的特性以一定的 方式显示数据，例如开关、数字或图形。 l a b v l e w 程序被称为v i ( v i r t u a li n s t r u m e n t ) ，即虚拟仪器，这是因为它的 很多界面控件都模拟了现实世界中的仪器，例如示波器与万用表等。l a b v i e w 还包含了大量的工具与函数用于数据采集、分析、显示与存储等。这些工具都 是向导式的工具，用户只需要一步步按照提示就可以实现与仪器的连接和参数 的设置。而程序员也不用去记忆这些大量的函数，因为这些函数都以图标与名 称的形式存在与一个小小的函数面板上，当需要用到某个函数时把它从函数面 板上拖放到程序框图中就可以了。一切都是图形化带来的好处。口， 3 2 2l a b v i e w 的编程环境 用l a b v i e w 编写程序与其他w i n d o w s 环境下的可视化开发环境一样，程序 的界面和代码是分离的。在l a b v i e w 中，通过实验系统提供的i 具选板、工 具条和菜单来创建程序的前面板和程序框图。l a b v i e w 包括3 个工具选板：控 件( c o n t r o l s ) 选板、函数( f u n c t i o n s ) 选板、工具( t o o l s ) 选板，还包括启动 窗口、上下文帮助窗口、工程管理窗口和导航窗口。 1 1 1 ) 前面板( f r o n tp a n e l ) 和程序框图( b l o c kd i a g r a m ) 在l a b v i e w 中开发的程序都被称为v i ( 虚拟仪器) ，其扩展名默认为v i 。 所有的v i 都包括前面板( f r o n tp a n e l ) 、程序框图( b l o c kd i a g r a m ) 以及图标 ( i c o n ) 3 部分，如图3 1 所示 西华大学硕士学位论文 州 前面板l 嘴哩) 董暑凹堙a t ) 擅忭啦工且驰曹口 固! 翟叵耍圈回互 f i g u r e 3 1t h e f r o n tp a n e la n d b l o c k d i a g r a m 图31 前面板和程序框图 前面板是图形用户界面。该界面上有交互式的输入和输出两类控件，分别 称为输入控件( c o n t r o l s ) 和显示控件( i n d i c a t o r s ) 。输入控件包括开关、旋 钮、按钮和其他各种输入设各；显示控件包括图形( g r a p h 和c h a r t ) 、l e d 和 其他显示输出对象。 程序框图是实现v i 逻辑功能的图形化源代码。框图中的编程元素除了包括 与前面板上的控件对应的连线端子( t e r m i n a l ) 外，还有函数、子、常量、 结构和连线等。 如果将v i 与标准仪器相比，那么前面板就相当于仪器面板，而框图相当于 仪器箱内的功能部件。 2 ) 帮助 l a b v i e w 为用户提供了非常全面的帮助信息，有效地利用帮助信息是快速 掌握l a b v i e w 的一条捷径。l a b v i e w 提供了各种获取帮助信息的方法，包括实 时上下文帮助( s h o wc o n t e x th e l p ) 、联机帮助、l a b v i e w 范例查找器( f i n d e x a m p l e s ) 、网络资源( w e b r e s o u r c e s ) 等。 要显示实时上下文帮助窗口，可选择菜单栏中的帮助显示即时帮助选项或 直接单击工具栏中的“? ”图标，就会弹出即时帮助对话框，如图3 2 所示。 西华大学硕士学位论文 当单击即时帮助对话框中更多帮助信息会弹出相应的完整的帮助信息。 i 疆鳄l 笋”6 “ i ；= 长一x l m 丽矽坠 i i ，l l = j 铺w ； f i g u r e32 c o n t e x t h e l p 图32 帮助对话框 3 ) 范例查找器 为了方便快速地掌握各种功能模块和函数的使用方法，l a b v i e w 提供了大 量的范例，这些范例几乎包含了l a b v i e w 所有功能的应用实例，并提供了大 量的综合应用实例。在菜单栏中选择帮助查找范例选项就可以打开n i 范例查 找器窗口，如图33 所示。利用该窗口中的目录可以访问相应的例程。 i 闺墓。二： 一_ 蓝龃_ - _ _ 一 “ f i g u r e3 3e x a m p l ef i n d e r 图33 n i 范例查找器 其中功能相近的v i 或框图程序经过修改和编辑后，可以直接在用户的应用 程序中使用，大大缩短应用程序的开发周期。 西华大学硕士学位论文 4 信号的获取 稳定可靠的信号源是进行信号分析的基础，在很多情况下需要在没有 硬件的情况下对系统进行仿真或验证系统是否正确，在某些情况下可能还 需要通过d a 变化向硬件输出波形。这时候就需要波形发生函数来模拟产 生需要的波形。本章介绍两种获得分析信号的方式，一种是利用l a b v i e w 软件设计虚拟信号发生器；- 另一种是通过网络获得。这样节省了硬件资源，极 大地体现了虚拟仪器的优势。 4 1 虚拟信号发生器的设计 本章介绍的由l a b v i e w 编写的虚拟信号发生器完全由软件组成，除具备 传统信号发生器所具有的功能外，它还具有许多传统信号发生器不具备的优点， 如：界面友好，易于操作；所产生信号不受环境变化的影响，避免了由于环境 ，因素造成设备稳定性、准确度等性能方面的下降；可根据需要随时增减功能， 开发周期短；节省资源，开发维护费用低。 4 1 1 虚拟信号发生器的功能 前面板程序是用来提供用户与任意波形发生器的接口，它产生一个友好的 界面，一方面用于显示和处理结果；另一方面，用户也可以通过控制面板上的 开关和按钮，模拟传统仪器操作，通过键盘和鼠标实现对任意波形发生器的控 制。根据所要实现的功能，本课题设计的虚拟信号发生器的前面板如图4 1 所 示，界面简单，操作方便。 1 4 西华大学硕士学位论文 通i 苣参数设置 b 1 通道参数设置 信号娄型 s a v o 幅度频率 1r ；1 0 噪声选择列表 j l l 噪声幅度噪声频率 05 ，15 0 采样率采样长度 。i ；甜一塌o i ” 通谨选择 “ 霸定 一挥出 f i g w e 41 t h en o m p 柚e lo f s i g n f lg e n e r a t o r 图41 信号发生器前面板 由虚拟信号发生器的前面板可以看出它可以实现以下功能： 1 ) 为了同时分析两种不同的信号，该部分设计了两个信号源，根据用户需 要是产生一路信号还是两路，通过“通道选择”下拉菜单选择可以实现“a 通 道”“b 通道”或“a & b 通道”的选择。我们看到将a 或b 通道参数设置集合 在一个选项卡上，这样用户使用方便，又节省了板面空间。 2 ) 可产生正弦波、方波、三角波、锯齿波等标准波形。通过点击上下箭头 来选择所需波形。 3 ) 为了模拟真实的信号可以叠加噪声。通过点击“噪声选择列表”上下箭 头选择叠加噪声的类型，可供选择的有n u l l ( 没有噪声) 、高斯白噪声、均匀 白噪声、周期性随机噪声、反幂律噪声等。 4 ) 通过点击“噪声幅度”“噪声频率”上下箭头或者自己输入的方式来设 置信号或噪声的幅度、频率等参数( 初始相位默认为零，也可以添加对它的设 置) 。信号的采样信息在选项卡下方显示。程序运行时，如果操作人员给参数赋 西华大学硕士学位论文 以错误的值时，程序将自动弹出提示框，告知发生错误的原因，关闭提示框， 程序随即停止，需进一步修改参数。根据奈奎斯特定理，采样速率必须大于相 应的信号频率的2 倍，当参数设置错误时，系统会自动弹出错误提示，如图42 所示 l 鬈警：k o 墼芝绻。：嚣葛“ ：”“= “”“。 b t _ - 1 1 t ， 目e t 目 震雾爨斓i = 一厂酮_ l - i g u r e 42j h es y s t e me r r o r 图42 系统错误提示 5 ) 选择好信号类型和叠加的噪声，设置完各项参数后，点击“确定”按钮 即可生成所设波形。点击“退出”按钮，退出设置。 4 12 虚拟信号发生器的软件设计与实现 虚拟信号发生器的后面板部分设计如图4 3 所示 曜勤 刚睦矗强 甾 融 固一目 西华大学硕士学位论文 f i g u r e 4 3 t h ep r o g r a mo f t h es i g n a lg e n e r a t o r 图4 3 信号发生器部分程序图 在前面板中添加控件后，必须还要创建程序框图才能对前面板中的对象进 行控制。程序框图是图形化源代码的集合，这种图形化的编程语言也称为g 语 j l i ：z lo 首先将a 通道簇的内容用“按名称解除捆绑 ( 路径：编程一簇与变体一按 名称解除捆绑) 解除捆绑，变成一个个自由的端口。将“信号类型”、“幅度 和“频率等参数与“基本函数发生器 ( 路径：函数一信号处理一波形生成一 基本函数发生器) 对应端口连接。 接下来是由噪声选择列表作为条件输入的c a s e 结构( 路径为函数一结构一 c a s e 结构) 。用以实现是否叠加噪声或叠加何种噪声。各种噪声发生器的路径 和基本函数发生器的路径相同。两通道的信号设置方式相同。 再用一个以“通道选择为选择条件的c a s e 结构和“合并信号 函数来实 现“a 通道“b 通道 或“a & b 通道”的选择。 程序框图最外是一个w h i l e 循环。( 路径为：函数一结构一w 蛐e 循环) 。 注意：c a s e 结构中各分支的内容与选择条件的内容的顺序要一致。 至此，信号发生器的编程情况介绍完毕。口7 制 4 2 网络获得 网络获得数据部分是通过t c p 点对点通信实现的。 4 2 1 t c p 简介 t c p ( t r a n s m i s s i o nc o n t r o lp r o t o c o l ，传输控制协议) 是一个面向连接的协 议，允许从一台计算机发出的字节流无差错地发往互联网上的其他计算机。 它的功能在于： 确保i p 数据报的成功传递。 对程序发送的大块数据进行分段和重组。 1 7 西华大学硕士学位论文 确保正确排序以及按顺序传递分段的数据。 通过计算校验和进行传输数据的完整性检查。 根据数据