基于Labview的多功能信号发生器的设计与实现-开题报告

开题报告填写要求1开题报告（含“文献综述”）作为毕业设计（论文）答辩委员会对学生答辩资格审查的依据材料之一。此报告应在指导教师指导下，由学生在毕业设计（论文）工作前期内完成，经指导教师签署意见及所在专业审查后生效；2开题报告内容必须用黑墨水笔工整书写或按教务处统一设计的电子文档标准格式（可从教务处网页上下载）打印，禁止打印在其它纸上后剪贴，完成后应及时交给指导教师签署意见；3“文献综述”应按论文的格式成文，并直接书写（或打印）在本开题报告第一栏目内，学生写文献综述的参考文献应不少于15篇（不包括辞典、手册）；4有关年月日等日期的填写，应当按照国标GB/T 74082005数据元和交换格式、信息交换、日期和时间表示法规定的要求，一律用阿拉伯数字书写。如“2007年3月15日”或“2007-03-15”。 毕 业 设 计（论 文）开 题 报 告1结合毕业设计（论文）课题情况，根据所查阅的文献资料，每人撰写2000字左右的文献综述：文 献 综 述 在工业自动化，航空航天等电子领域，信号发生器都是一种常用的仪器设备，它被广泛的应用在信号采集和处理，微波通信，自动控制等领域，同时也大量应用在非电测量系统中。从历史上看，信号发生器的历史可以追溯到上世纪40年代，在1943年，惠普公司为美国海军实验室开发了第一部信号发生器，在随后的二十多年，信号发生器一直随着电子技术和计算机技术的发展而快速发展。从技术上看，信号发生器经历了模拟信号发生器，数字信号发生器和虚拟信号发生器三个阶段；从功能上说，信号发生器从最简单的正弦信号发生器，发展到多功能信号发生器，乃至任意信号发生器的几个阶段。 多功能信号发生器也称作波形发生器，它能够产生某些周期性的函数波形，主要是正弦波，三角波，方波，锯齿波和窄脉冲等。早期的信号发生器完全是使用电子管工艺为基础的模拟电路，由于受到器件性能限制，频率被分为音频，高频，射频和微波等，随着晶体管技术的发展乃至大规模，超大规模集成电路的发展，数字电子在信号产生领域越来越得到重要应用，八十年代以后，计算机技术的发展使得人们将设计目光转向通用的计算机领域。传统的基于模拟和数字电路技术的信号发生器技术虽然很成熟，但是具有设备成本高，维护性差，无法产生非规则波形等缺陷。从九十年代开始，开发者将卡法重点转移到通过计算机软件理论为设计核心来开发信号发生去，与分立元件搭建的电路模型相比，软件系统能够方便的搭建信号发生器，并且可以产生任意形状，幅度，占空比的周期信号，或者某些特定的函数信号，此外使用软件技术，可以实时的对信号进行采集和处理，比如频谱分析等，使得信号发生器不仅是一个分立的测试模块，也能够成为一个复杂测试系统的重要组成部分。而通过外围硬件支持，可以将信号实时采集并且模拟输出。虚拟仪器就是建立在软件架构上的仪器系统，通用的计算机作为仪器的硬件平台，利用计算机强大的运输、储存、调用、显示和文件管理功能，将传统仪器的功能软件化，构成与传统仪器相似而又主要依赖计算机系统的特殊仪器系统。由于其结合了传统的PC架构，虚拟仪器因此具有很高的可靠性和可维护性。用户可以根据自身需求来对仪器的外观和功能进行深度开发，而且由于计算机性能的强大，虚拟仪器具有测量精度高，系统搭建方便，数据采集处理能力强等一系列特点。虚拟仪器的正常工作是通过软件系统完成的，软件系统既要负责硬件的正常控制，也要对数据进行分析和处理，其主要分为操作系统，仪器系统和处理应用软件。操作系统一般就是PC机自身的操作系统。仪器系统主要指的是对数据采集卡进行控制的驱动程序和应用程序，对于Labview来说，最常用的数据采集卡就是NI自身的数据卡，其对应驱动软件为NI-DAQmx。处理应用软包括实现仪器功能的应用软件和虚拟面板软件，Labview本身具有的良好的图形化现实界面可以很容易的实现以上功能，通过程序流结构，对数据的处理也很方便。硬件部分的主要功能是数据采集，一般分为基础硬件平台和外围硬件模块。基础硬件一般为PC机，外围硬件模块通常是基于各类通信协议的数据采集卡；而内置系统模块一般为高速数据采集，信号预处理，模拟信号产生和I/O等。根据接口总线的划分，虚拟仪器的种类分为以下几种： 插卡式虚拟仪器：基于PCI总线的插卡式虚拟仪器广泛应用在工业过程控制系统，它提供了数据采集和仪器控制功能。PC总线虚拟仪器：数据卡与专用软件相结合的虚拟仪器系统，优点是可以充分利用PC机的系统资源，缺点是受PC机总线速度约束，复杂的PC机系统也导致噪声电平较高。Labview结合数据采集卡就采用了这种方式。并行总线虚拟仪器：相对独立的硬件系统作为一个模块，其余计算机通过通用串行总线连接，由于硬件系统的相对独立性，因此不同的模块可以应用在不同场景，如示波器，频谱仪，信号发生器，频率计，万用表等。专用总线虚拟仪器：指的是例如GPIB，VXI，PXI等专用总线连接方式，这种方式往往对应于专用场合，或者是大规模自动测试系统的构建，或者是高速高精度应用场合。在诸多虚拟仪器开发平台中，Labview是应用最广泛的，其支持的多总线架构，使得在使用中可以灵活的采用各种形式。 Labview（Laboratory Virtual Instrumentation Engineering Workbench，实验室虚拟仪器工程平台）是由NI（美国国家仪器）开发的图形化程序编译平台。LabVIEW早期是为了仪器自动控制所设计，现在经过数代的发展，转变成为一种逐渐成熟的高级编程语言，称为G语言。和传统编程语言不同的是，图形化编程语言的程序流程采用了数据流的概念，其优势是设计者在完成系统组件的搭建的同时，就完成了软件的编写。 Labview编程语言，即G语言，是一种面向对象的数据流编程语言。数据流的特点是，目标的执行必须满足两个条件：一是所有的输入有效，二是所有的输出功能完整。这就意味着，G语言编写的程序可以不依赖于顺序结构流程，而能够通过相互连接的控件实现并行操作。使用G语言时，用户基本不需要编写代码，而是程序员通过节点将程序框图连接起来，程序框图包含了LV源代码，其决定了程序的执行流程。导线的作用是传递变量，程序员通过绘制导线连接不同功能的节点，图形化的程序框图（LV源代码）结构决定程序如何执行。这些线传递变量，当输入数据准备完成后，整个程序链路就能够正常运行。G语言的核心是VL，VL有一个人机对话的用户界面，称为前面板（Front Panel），以及类似于源代码功能的对对话框（diagram）。在前面板中，控制器（controls）模拟输入装置并将数据提供给对话框，而指示器（indicators）则模拟输出装置并将其显示出来。端口（terminal）的作用是将控件或者指示器连接起来。控件与控件之间的连接是通过导线（wires）完成的，而控件本身具有简单的算术功能，高级的采集分析，文件的管理和检索功能，以及输入输出功能。此外，VI本身具有良好的容差性，这是因为LABVIEW的控件编制是分层和模块化的，因此，任何一个控件既可以是顶层（Top level）程序，也可以作为子程序的嵌套程序，LABVIEW很好的发展了模块化程序设计思维，程序员可以方便的利用VI实现各个模块的树形架构，同时，每个模块的利用效能都能达到最大。 Labview创新性的引入了虚拟仪器的概念，用户可以通过友好的人机交互界面直接控制仪器。LabVIEW提供了大量的库函数，包括：信号截取、信号分析、机器视觉、数值运算、逻辑运算、声音震动分析、数据存储等。由于Labview具有特殊的图形程序，简单易懂的开发接口，丰富的通信接口支持，大大缩短了开发原型的速度，也提高了软件的可维护性，因此逐渐受到系统开发及研究人员的喜爱。目前广泛的被应用于工业自动化领域。基于Labview的多功能信号发生器的设计主要应包括以下几个方面：软件和仪器界面设计，硬件设计和通信接口设计。软件和仪器界面设计包括使用显示器实现信号发生器的显示，而常规的信号发生装置由 Labview的信号发生程序子函数来产生，此外，对应多功能信号发生器，软件应能够实现以下功能：1、 波形选择功能和波形特征输入功能。2、 波形显示功能和波形数据生成。3、 对波形数据进行预处理的功能。4、 动态链接库的调用功能。数据显示其控制流程模块如下图所示：波形数据产生波形选择和输入数据传输数据处理 硬件设计主指数据采集卡的设计，数据采集卡的功能是通过内置的虚拟仪器面板，实时的将信号采集并放大到通用仪器可识别的程度。 对于通信接口的设计主要采用XXX接口，它具有高速率，低噪声等特点，结合通用驱动软件，能够对数据采集和传输提供良好支持。 数据面板 信号处理数据采集卡 传感器信号预处理 基于labvIEW的多功能信号发生器的结构如下图所示：信号发生器 控制软件的结构如下图所示数据保存和读取 波形产生 发送数据其他功能信息采样波形种类波形属性通道控制USB驱动数字信号模拟信号采样率采样率采样数幅度频率 任意波形标准信号噪声信号信号发生器的程序流程如下图，程序运行通过对数据采集卡的实时控制来产生对应形式的波形，并且对波形的幅度，相位，周期和占空比等进行设定，对于数据的控制也是可以通过虚拟面板实现的。 开始 初始化信号选择设置进制数模拟信号手会任意波形标准信号绘制结束重新绘制设置信号参数生成波形数据调制信号 数字调制模拟调制生成调制信号 信号传输 结束 通过对国内外相关文献的阅读和参考，可以这样说，随着计算机技术的不断发展，虚拟仪器将成为仪器仪表和测量领域的前沿和发展方向，通过对Labview的学习和使用，将有助于加深对电子信息系统的认识和理解，从而更好的为相关工作提供服务和支持。 参考文献1 陆绮荣，基于虚拟仪器技术个人实验室的构建M.北京:电子工业出版社，2006.2 赵江滨，刘世元，胡友民，史铁林.组件化虚拟仪器软件系统性能研究J.仪器仪表学报，2009，30(10): 2131一2138.3 雷震山，赵晨光，魏丽，等.Labview8.20基础教程M.北京:中国铁道出版社，2008.4李良华，王洪亮，王洪雷.基于Labview虚拟信号发生器的研究与实现J.计算机测量与控制，2009，17(9):1866一1868.5王霞，虚拟仪器的发展过程及应用J.机械研究与应用，2009（5）：12-14.6刘萍，曹慧，邱鹏，虚拟仪器的发展过程J.山东科学，2009,22（1）：23-257周大鹏，常峰，何光普，基于虚拟仪器的函数信号发生器设计J.乐山师范学院学报，2009,24（5）：34-35.8刘连生，汪海兵，基于虚拟仪器信号发生器设计与实现J.中国名航大学学报，2007，25（7）：122-123.9汪伟，袁芳，虚拟仪器技术的运用J.煤矿机电，2005（1）：83-85.10严一平，虚拟仪器技术和发展趋势J.2005，（3）：16-23.11曹会国，基于Labview的虚拟仪器VI（virtual instrument)及运用J.潍坊学院学报，2005,5（3），14-15.12于洁，钟佩思，信号发生器在虚拟仪器界面中的设计与实现J.山东理工大学学报，2005,19（2）：106-110.13李武军，柏锐，张秋梅，李艳丽，曹杨，仲从存.虚拟信号发生器的实现J.石油仪器，2005,19（1）：15-19.14 刘起，沈嘉，基于虚拟仪器的虚拟实验及其进展J.现代科学仪器，2005（3）：5-815 李震，柯旭贵，汪云祥，虚拟仪器的发展历史，研究现状与展望J.2003,18（4）：1-4. 毕 业 设 计（论 文）开 题 报 告根据课题要求及文献综述，给出本课题要研究或解决的问题和拟采用的研究手段（途径）：开 题 报 告1.课题题目基于Labview多功能信号发生器的设计与实现2.本课题的目的和意义与传统基于模拟或者数字电路集成的仪器相比，虚拟仪器代表了仪器发展的前沿和方向。虚拟仪器技术就是利用高性能的模块化硬件，结合灵活的软件编程手段实现自动测试功能的技术。以NI Labview图形化开发工具为代表的虚拟仪器技术逐渐发展起来，它具有以下几个主要优势：1）高性能由于使用了高性能通用PC技术，虚拟仪器技术具有与PC机相同的技术优势，运算速度快，精度高，智能的文件管理和丰富的I/O接口。同时，计算机通信技术的提高使得虚拟仪器的使用场景更加丰富，控制手段更加多样。2）高扩展性 Labview本身支持多达十几种通协议和通信接口，包括I2C总线，SPI总线等，接口包括USB，PCI，GPIB，VXI，PXI等，由于软件本身的可扩展性，因此，只需要增加相应的硬件模块，虚拟仪器系统就能够完成复杂的升级。这也是传统仪器不能相比的。3）集成度高虚拟仪器主要分为软件，硬件和通信接口三部分，由于任何功能的实现都是使用这三个主要模块，因此在使用中，三个主要模块集成在一个PC系统中，应用范围广，集成度高。在众多仪器中，信号发生器是在电子实验和设备检测中应用非常广泛的设备，传统的信号发生器购置费用高，功能单一且难以扩展，使用虚拟仪器技术，可以简单的完成一个信号发生器的搭建和维护，并且具有性价比高，维护简单，开发周期短等特点。更重要的是，借助Labview丰富的开发函数包，可以在一个系统中完成多功能信号发生器的搭建，可以产生诸如正弦波，三角波，方波，锯齿波和窄脉冲等信号，甚至一些复杂的调制信号，这对实验测试，高校研究，工业控制等诸多领域都有丰富的应用前景和广阔的研究价值。本课题的目的：使用Labview设计