基于虚拟仪器技术的测试实验教学平台

目录TOC\o"1-3"\h\u11691前言 1606第一章绪论 2300481.1课题研究的目的和意义 2299471．1．1目前面临的问题 2103591．1．2解决的方案 36531．2虚拟仪器技术的开展和虚拟实验室的引入 4134001．2．1虚拟仪器概述 4178581．2．2虚拟实验室的引入 6103271．3课题研究的任务和内容 623177第二章教学平台的总体设计和硬件选择 868632．1基于虚拟仪器的测试系统的构成 8264602．1．1测试系统的构成 8255502.1．2基于虚拟仪器的测试系统的构成 9270342．2教学平台的总体设计 10170192．2．1总体设计方案 1097172．2．2教学平台的构成 10272342．3开发环境LabVlEW简介 10258532．3．1LabVIEW简介 1082502．3．2本课题中LabVlEW的主要应用特点 1195462．3．3LabVIEW程序的构成 112546第三章软件总体设计及信号分析仪的实现 12306913．1软件系统总体设计 12133143．1．1面板程序 1283893．1．2框图程序 1377543．1．3主界面设计 1394033．2．1信号的分类 16299743．2．2信号的数据特征 16304413．3数据采集与预处理 17325013.3．1数据采集 17193803．4信号分析仪的实现 18202363．4．1信号分析模块的实现 181009第四章信号发生器及演示实验单元的实现 24325944．1信号发生器的实现 24313584．1．1信号发生器的功能 24163154．1．2信号发生器的实现原理 2440204．1．3信号发生器的主界面 24301284．2演示实验单元的实现 2722263第五章结论与建议 36211005．1结论 36182885．2进一步研究建议 361519参考文献 3814013附录一 3920642低通滤波程序框图： 3927252附录二 4024880根本函数发生器程序框图： 4084附录三 4126901正弦信号频谱分析程序框图： 41前言采用虚拟仪器软件开发平台LabVIEW在NI数据采集卡以及传感器实验台根底上,研制开发了检测技术实验教学平台。给出该实验平台的软硬件构建方法,尤其是对平台的实验功能进行了详细阐述,并通过实例验证了该系统具有良好的实验教学效果。同时该实验平台,利用LabVIEW中强大的网络通信功能,实现了硬件设备的资源共享、数据共享以及实验结果网络发布,能够最大限度地利用现有设备。不仅可以节省大量仪器设备的经费投入,而且为教学提供了一种全新的现代化教学手段。基于虚拟仪器技术的测试实验教学平台的开发，平台可以帮助学生形象生动的学习课本知识，将书本上的抽象理论具体的展现出来有利于提高学生的学习兴趣和学习效率，同时也提高了教学质量。由于虚拟仪器是按照测量原理采用适当的信号分析技术和处理技术编制某种测量功能的软件来实现测试的仪器，通过设计虚拟仪器的课程，可使学生在掌握了一定的软硬件知识根底上获得更多实际应用的时机。与传统的实验课程相比，虚拟仪器教学更好地融合了理论与实践相结合，使学生的软件与硬件技能同步提高；虚拟仪器软硬件上模块化的设计使学生在学习的方式上更加灵活，也较容易掌握。由此可见，在课程的开设和学生的实际情况来讲虚拟仪器教学都是可行的。第一章绪论1.1课题研究的目的和意义1．1．1目前面临的问题1．高等学校测试类课程营遍存在教学仪器缺乏或陈旧、教学方式呆板的情况1.工程测试技术、传感器原理、数字信号处理、测控电路等测试类课程是众多高校理工科类专业的专业根底课和必修课程。通过这些课程的学习可以获得测量原理、信号处理方法和计算机测量系统等方面的根底知识，并掌握温度、压力、噪声等常见物理量的测量和应用方法。钡5试类课程实践性较强，但由于受教学实验条件限制，如实验设备缺乏或陈旧，导致这类课程教学活动的根本模式是教师讲、学生听，侧重课本内容讲授，实践性环节偏少。学生常常感到课程的应用部分空洞；实验局部缺乏实物对象；信号分析理论局部深奥、难懂。学生对课程用认识缺乏，严重影响教学效果。国外的一些高校那么将测试类课程定位为实验课，通过具体的仪器使用或演示，强调对学生工程实践能力、表达交流沟通能力等综合素质的培养。教学活动以教师为辅、学生为主。学生通过综合型、研究型实验过程中整体实验构思、设计、实施和具体的操作环节，掌握课程知识、培养独立思考和动手能力，而不仅仅是把知识停留在书本上。因此我国教学设各的更新和教学模式的转变成为切实提高学生素质的当务之急。2．学生实验使用多台仪器，实验准备过程繁琐，支持维护困难以简单的“学习使用示波器〞实验为例。实验员需要准备：双踪示波器、数字万用表、函数发生器、电压毫伏表等仪器。学生就需要检查实验元器件仪器仪表是否合格，检查接线，对示波器扫描初期调整，接电前设定初始位置，翻开后仪器预热以及了解其它复杂旋钮的使用等等一系列知识。当实验内容有所增加，仪器仪表也将随之增加，准备工作就更加繁琐，屡次实验的器材准备工作对实验室工作人员来说是异常繁重的。同时，学生需要付出更多的时间放在对仪器使用的学习上。有时甚至会把主要精力用在学习仪器的使用上，不是实验本身。实验仪器发生损坏后，维修需要专业人员。经常会有这种现象；昂贵的进口仪器被搁置一旁，原因就是坏了而无法维修。这造成了国家资源的无形损失。另外，精密仪器仪表的维护工作也较为困难。可见，传统仪器的使用费时费力，存在很多无法克服的弊端。3.我国高校面临实验室设备革新，硬件更新费时费力实验教学相对于理论教学而言更具有直观性、实践性和创新性，实验教学在加强学生素质教育与培养创新能力方面有肴重要的、不可替代的作用。在实验教学中，仪器是最根本的根底，要保证试验的开设和质量，就要同时投入大量试验仪器，而且随着高校招生数量的扩大．同一仪器设备应当具有一定的数量，才能满足教学需求。由于各种客观条件，一次性投入大量专用仪器是不现实的。还有一些学校目前仍在使用几十年前引进的设备。这些设备体积庞大，功能单一，尤其是元件老化，严重的影响了教学和实验的正常进行。而进行硬件更新需要大量资金投入，同时需要大量的人力物力，其难度可想而知。1．1．2解决的方案随着科学技术的不断开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缺乏。为了改善实验条件、改革试验教学方法、更新试验教学内容、提高试验教学课程的水平，把虚拟仪器引入实验教学已成为一种必然趋势。创立虚拟实验平台，取代多台传统实验仪器。计算机+软件(+辅助硬件)=多台仪器！本课题利用LabVIEW软件开发平台在计算机屏幕上虚拟出仪器的面板，用户可以通过鼠标或键盘操作面板上的旋钮、开关和按键，设置各种工作参数，来控制和操作仪器。测量和分析结果可以从虚拟仪器面板读出。用户在屏幕上通过虚拟仪器面板对仪器的操作如同在真实仪器上的操作一样直观、方便、灵活。利用虚拟仪器开设综合性、创新型实验，使理论教学与实践更好的紧密结合，教学更生动、更形象，全面提高学生工程素质。同时还可以激发学生的实验兴趣，使学生的实验技能、创新能力得到显著提高。由于一台计算机可具有多台仪器的功能，实验准备过程被人大简化。由于这些功能是基于计算机，而不是硬件元件，诸如调零、预热此类的实验步骤也完全省略。这不能说不是对老师和学生的减负。另外，实验仪器的设备功能可通过编程实现，摆脱了功能固化的困境。原来的设备更新维护那么变成程序的改良或软件的升级。目前，我国高档台式仪器如数字示波器、频谱分析仪、逻辑分析仪等还主要依赖进口，这些仪表加工T艺复杂，对制造水平要求高，生产突破有困难，因此售价比拟昂贵。对一般高校来讲，不可能大量购置以满足教学和试验的需要，也势必影响学生对当代先进技术的学习和了解。而通过虚拟仪器技术就可以只购置必要的通用的仪器硬件来设计高性价比的仪器系统，从而节省了大笔科研经费，从经济角度来讲完全具有可行性。由于虚拟仪器是按照测量原理采用适当的信号分析技术和处理技术编制某种测量功能的软件来实现测试的仪器，通过设计虚拟仪器的课程，可使学生在掌握了一定的软硬件知识根底上获得更多实际应用的时机。与传统的实验课程相比，虚拟仪器教学更好地融合了理论与实践相结合，使学生的软件与硬件技能同步提高；虚拟仪器软硬件上模块化的设计使学生在学习的方式上更加灵活，也较容易掌握。由此可见，在课程的开设和学生的实际情况来讲虚拟仪器教学都是可行的。1．2虚拟仪器技术的开展和虚拟实验室的引入1．2．1虚拟仪器概述◆虚拟仪器的定义仪器是测量的手段。信号处理、图像处理(--维信号处理)是现代仪器技术的核心，由于采用数字信号处理技术，现代电子系统一般采用硬件、软件结合的方法实现，这样大火提高了系统的灵活性、通用性和性价比，基于计算机的虚拟仪器技术。是目前先进仪器系统设计、开发的重要设计原那么和实现根底。图1-1虚拟仪器的设想虚拟仪器(VirtualInstrument，简称VI)是虚拟技术在仪器仪表领域中的一个重要应用。20世纪80年代，美国国家仪器公司(NationalInstrumentsCorporation，简称M)率先提出了“虚拟仪器〞的概念，指出虚拟仪器是由计算机硬件资源、模块化仪器硬件和用于数据分析、过程通讯及图形用户界面的软件组成的测试系统，是一种由计算机操纵的模块化仪器系统。它可以代替传统的测量仪器，如示波器、逻辑分析仪、信号发生器、频谱分析仪等：可集成于自动控制、上业控制系统；可自由构建成专有仪器系统。它是以计算机作为仪器统一的硬件平台，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根本智能化功能，同时把传统仪器的专业化功能和面板控件软件化，使之与计算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一致，同时又充分享用计算机智能资源的全新的仪器系统。◆虚拟仪器的分类根据开发环境不同，虚拟仪器分为两类：I．基于传统的文本语言式的平台。主要是NI公司的LabWindows／CVI、Microsoft公司的VisualC++、VisualBasic、Borland公司的Delphi等。II．基于国形化编程环境的平台。如HP公司的HPVEE、NI公司的LabVIEW等。图形化软件开发平台的提出，可以大大减轻系统开发人员的负担，使其将主要精力集中投入到系统设计中，而不再是具体软件细节的推敲上。根据采用总线方式的不同，可分为五种类型：I．PC总线插卡型虚拟仪器这种方式是以数据采集板、信号条理电路以及计算机为仪器硬件组成的插卡式虚拟仪器系统。这种系统采用PCI或计算机本身的ISA总线，将数据采集卡插入计算机的空槽中即可州。II．GBIB总线方式的虚拟仪器GPIB技术是IEEE488标准的虚拟仪器早期阶段所采用的技术。它的出现使电子测量独立的单台手工操作向大规模自动溟4试系统开展。典型的GPIB系统由一台PC机、一块GPIB接口卡和假设干台BPIB形式的仪器通过GPIB电缆连接而成。III．VXI总线方式虚拟仪器VXI总线是一种高速计算机总线V／vIE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屏蔽等特性。IV．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标准和要求形成的。它增加了多板同步触发总线的技术，以使用于相邻模块的高速通讯的局总线。PXI的高度具有可扩展性。v．并行口式虚拟仪器最新开展的一系列可连接到计算机并行口的测试装置。◆虚拟仪器的应用领域虚拟仪器应用领域很广，在教学实验、电子测量、分析测试、航空航天测控、工业过程控制等领域逐步代替传统的仪器仪表。因为虚拟仪器可与计算机同步开展，与网络及其他周边设备互联，用户只需改变软件程序就可以不断赋予它或扩展增强它的测量功能。虚拟仪器技术不仅在数据采集、自动测试和测量仪器领域得到广泛应用，更促进和推动测试系统和测量仪器的设计方法与实现技术发生了深刻的变化。“软件就是仪器〞已经成为测试与检测技术开展的重要标志。图形虚拟仪器依靠其自身的优势使它在仪器市场的竞争力不断增强。PC计算机价格近年广被人们所接受，在国内有迅速普及，这为虚拟仪器的开展奠定了根底。虚拟仪器作为传统仪器的替代品，市场潜在容量巨大，具有广阔的开展前景。1．2．2虚拟实验室的引入虚拟实验室的概念虚拟实验室的概念，最早在1989年由美国的Williamwolf教授提出，用来描述一个计算机网络化的虚拟实验室环境。虚拟实验室主要由虚拟仪器、虚拟实验平台和虚拟实验组成。是指在计算机系统中采用各种技术实现的一种虚拟实验环境，实验者可以像在真实环境中一样完成各种预定的实验工程，所取得的学习或者《5l练效果等价甚至优于在真实的环境中所取得的效果。虚拟仪器实验室可以应用于传感技术、非电量测量技术、自动测试技术、测控技术、计算机控制技术、医疗仪器等课程的教学实验和相关的课程设计、毕业设计上。近几年，LabVIEW在国内教育领域得到迅速推广，许多理工科院校建立了相关的虚拟仪器实验室，并开设了LabVIEW和虚拟仪器的课程。虚拟仪器技术给传统的教学研究带来了巨大的变化，在教学实验和科研中起着越来越重要的作用。国内虚拟实验室的建设状况从90年代开始，国内的一些大学相继开展了虚拟仪器系统的研究与开发工作，如：哈尔滨工业大学、重庆大学、国防大学、成都电子科技大学、中国科技大学、清华大学等。目前我国局部高校还正在积极开展虚拟仪器的研究工作，重点在于研制具有自主知识产权的虚拟仪器软件平台，并开发相应的虚拟仪器设备。开发我国自己的虚拟仪器2004年11月。由吉林大学完成的“图形化虚拟仪器开发平台〞工程在长春通过省级鉴定。这是我国科技人员打破国际技术垄断，自主研制成功的一种新型虚拟仪器。和国内外同类产品相比，该平台具有价格低廉、兼容性好等特点，比建设同样的虚拟仪器研究实验室能节约近2／3的资金。吉林大学先后开发了微型虚拟数字存储示波器、微型虚拟波形发生器、虚拟LCR测试仪、虚拟冲击功测试仪、分布式地震数据采集系统，并已应用丁^实践。这些成果不但打破了国外图形化虚拟仪器开发平台的垄断地位，而且进一步满足了大专院校、科研单位在教学实验、分析测量等方面，以及航空航天测控、工业过程控制等领域的实际需求。1．3课题研究的任务和内容建立完善的虚拟实验室系统，可以具体到某一专业的实验室，形式也多种多样，如配备齐全也需要较多投入，前文诸多高校虚拟实验室的配备就是如此。这种系统结构完善，可以满足较多研究的需求，但并非适合所有学校。课题提出的教学试验平台那么可以用软件配合计算机以及辅助硬件满足根本测试实验的需求，从而大大简化了虚拟实验室的配备，为虚拟实验室的推广提出了一种相对价格低廉、易于实现的途径。目前常见的虚拟实验软件大多是基于课件的，优点是操作简单、开发费用低、易于维护、表现形式生动。但是这种形式只能用于单纯演示实验，实验者不能参加到实验中去，交互性差。而市场上的T程测试软件面向工程，不考虑教学的根底性，也不适合学校使用。本课题针对教学需求，利用NI公司USB-6008数据采集卡LabVIEW2023分析软件一套开发出一套适合高等学校实验室<如测控技术、传感器原理、信号处理等实验室)的特色平台。本文主要分为以下几个局部：1、分析同类型虚拟仪器平台的功能特点，根据目前高校测试实验室的状况及需求，进行特色教学平台的总体结构设计。2、针对课题涉及到的信号采样、预处理以及处理，分析其实现原理，确定软件开发方案。3、针对实验需求，设计出信号分析仪、信号发生器和演示实验单元三大模块，并将它们集成到统一的应用环境界面中。各局部功能定位如下：(1)信号分析仪(2)信号发生器(3)演示实验单元4、给出具体实验，根据操作过程对软、硬件的配合使用做出说明，方便用户使用。5、对本课题的工作进行总结，给出进一步研究的建议。第二章教学平台的总体设计和硬件选择2．1基于虚拟仪器的测试系统的构成2．1．1测试系统的构成测试的过程就是获得信号并提取所需信息的过程。通常，测试工作的全过程包含着假设干不同功能的环节：被测对象、信号的传感与变换、传输与条理、分析与处理、显示与记录等。一般的测试系统主要由图2-l所示几个局部构成：图2-1测试系统的构成传感器将被测物理量(如噪声、温度等)检出并转换为电量，中间变换装置对接收到的电信号用硬件电路进行分析处理或经A／D变换后用软件进行信号分析，显示记录装置那么测量结果显示出来，提供应观察者或其它自动控制装置。1．被测量被测量即信号，分为电信号和非电信号，如电压、电流(电信号)温度、湿度、位移、加速度、频率(非电信号)等。2．信号转换信号转换电路将采集到的各种信号测量出来并转换成为电信号(模拟电压或电流)，主要包括信号变换器、传感器以及各种显示仪器。3．信号调理来自转换电路的电信号一般不能用数据采集设备来测量，主要问题是可能输出信号非常弱，且容易受噪声影响，有些信号可能存在很高的峰值。因此在将它们转换为数字信号之前需要先进行处理，这项上作叫做信号调理。包括：放大／衰减、滤波、隔离等。1)输入放大或衰减器。用于对信号幅值进行调节，以适应A／D转换器的动态范围；2)抗混淆滤波器。保证进入处理系统的信号频谱被限制在抽样频率所允许的最高频率之内，以免产生混迭误差；3)隔直装置。隔离信号中的直流分量(如果所测信号中不应有直流分量的话)。这三者几乎在一切信号处理系统中均有，因而输入放大器或衰减器、抗混淆滤波器那么是调理部份的关键件H⋯。但当实际中输入的原始信号已经比拟理想时，可以省略相应的信号条理模块。4．数据采集和控制信号采集是将模拟信号变为数字信号，其核心是模／数(A／D)转换器，信号处理系统的性能指标与其密切相关。嗣绕A／D转换器，信号采集局部还包含以HL局部电路。1)采样保持电路。它保证在A／D转换期间保持输入信号不变。在模拟输入信号频率较高时，它对系统精度产生决定性的影响。但模拟输入信号频率不高时那么可不用。2)时基信号发生器。产生定时脉冲信号，控制采样。3)触发系统。决定采样的开始点，为捕捉瞬时脉冲或进行同步平均而设。4)控制器。对多道数据采集进行控制，控制A／D转换器的工作状态。5．数据处理信号处理是测试中获取的模拟信号，变成数字信号，然后用计算机进行处理。这正是虚拟仪器的主要功能表达。数据分析处理又可分为三局部：(1)预处理：这里是信号分析之前，对信号用数字方法进行的处理。目的是进一步改善信号质量，方便进一步处理。预处理局部主要包括以下几种：错点剔除、去趋势项和数字滤波等。(2)数据分析：这是整个系统的核心，它依托于计算机，来完成该系统任务所规定的各种分析和运算。(3)结果显示：结果显示是为了显示分析处理结果的数据、图形而设置的。一般采用CRT屏幕显示；打印机打印结果或图形；绘图机绘出其相应的曲线等方式。为了读数或读图的方便，在显示结果时，往往可利用移动光标定位、选点、标定参数、显示等多种辅助功能，来帮助读取结果。2.1．2基于虚拟仪器的测试系统的构成虚拟仪器是基于计算机的仪器。计算机和仪器的密切结合是目前仪器开展的一个重要方向。这种结合又有两种方式。一种是将计算机装入仪器，其典型的例子是智能化仪器。随着计算机功能的日益强大以及体积的缩小，这类仪器的功能也越来越大，目前已经出现还有嵌入式系统的仪器。另一种方式是将仪器放入计算机，以通用的计算机硬件为依托，实现各种仪器功能。虚拟仪器主要指后一种方式。传统仪器是将这些功能由特定的仪器设备来实现，比方频谱仪等。虚拟仪器那么是一种功能上的仪器，它将这些功能通过计算机调用相应的软件程序来实现。2．2教学平台的总体设计2．2．1总体设计方案本课题的主要任务是在充分分析实验室需求的根底上，利用既有的数据采集设备(DAQ卡)开发出依托于计算机的功能性仪器，即虚拟仪器。该仪器包括信号分析仪、信号发生器以及演示实验单元三局部。2．2．2教学平台的构成教学平台主要由数据采集系统和数据处理系统构成。1．数据采集系统数据采集过程借助软件来控制整个DAQ系统，包括采集原始数据、分析数据等。信号经多路开关转换在软件设定的采样频率控制下，巡回采集并由可编程放大器放大信号，经采样保持和DAC单元被量化成数字信号，经存储单元进入计算机的显示缓冲区，最后由图形设备接口函数将数据转化成相应的像素并在屏幕上显示出波形。数据采集系统一般由数据采集硬件、硬件驱动程序和数据采集程序几个局部组成。数据采集设备主要功能是将模拟信号转换为数字信号，此外还有放大、采样保持、多路复用、数据缓存等功能。硬件驱动程序是应用软件对硬件的编程接口，它包含着特定硬件可以接受的操作命令，完成与硬件之间的数据传递。依靠硬件驱动程序可以大大简化LabVIEW编程工作，提高开发效率，降低开发本钱。LabVIEW7．0开发环境安装时，会自动安装NI-DAQ7．0软件，它包含两个驱动程序：传统NI-DAQ和NI-DAQmx。这两个驱动程序各自有单独的应用程序编程接口API，分别有不同的硬件和软件设置方法，冈此也形成了两套独立的数据采集系统。本课题使用的是前者。数据采集程序利用数据采集函数，通过软件编程实现对信号的采样。可以通过软件设置采样频率、触发方式等。2．数据处理系统这局部是课题的核心局部。通过程序设计，对采集到的信号进行显示、分析、保存、打印等处理，同时还有信号发生器、提供演示实验的功能。其功能通过编程由计算机来完成，依托计算机强大的分析计算能力，对采集到的信号进行分析处理。采集或分析完成的数据可以保存到计算机内，也可以对外输出，还可以通过网络传输给其他用户使用。因此，其终端可以是计算机、图形用户接口进行网络传输或其它数据输出形式。2．3开发环境LabVlEW简介2．3．1LabVIEW简介美国国家仪器公司(NationalInstruments，简称NI)是虚拟仪器技术的主要倡导者和奉献者。其创新软件LabVIEW(LaboratoryVirtualInstrumentEngineeringWorkbench)采用图形化程序设计，编程简单、直观、开发效率高。自1986年问世阻来，已经成为虚拟仪器软件开发平台事实上的工业标准，在研究、制造和开发的众多领域得到广泛应用。从简单的仪器控制数据采集到尖端的测试和工业自动化，从大学实验室到工厂，从探索研究到技术集成，人们都可以发现LabVIEW应用的成果和开发的产品。LabVIEW所创新的图形化语言编程方法成为虚拟仪器技术应用与开展的重要根底，得到上业界和学术界的广泛关注。课题使用的版本为LabLIEW2023。LabVIEW是一种高效图形化应用开发环境，结合了简单易用的图形化开发方式和灵活强大的编程语言。它提供应用户一个直觉性环境，并通过与测量硬件的密切结合，让开发者迅速开发出有关数据采集利控制，数据分析和数据显示的应用系统，测量和自动化解决方案。2．3．2本课题中LabVlEW的主要应用特点针对数据采集：LabVIEW提供应用户一个开放式的开发环境，用户可以将其与测量硬件轻松连接。LabVIEW的交互式测量助手(assistant)、自动代码生成以及与大量设备的简易连接功能，使它能够方便快速地完成数据采集。针对数据分析处理：LabVIEW带有超过450个内置函数，专门用于从采集到的数据中挖掘有用的信息，用于分析测量数据及处理信号。针对结果显示：LabVIEW提供一系列工具用于数据显示、用户界面设计、报告生成、数据管理及软件连接。2．3．3LabVIEW程序的构成在LabVIEW环境下开发的程序称为虚拟仪器VI(VirtualInstruments)，文件扩展名为．VI。一个完整的LabVlEW程序由前面板、程序框图和图标连接端口组成。(1)面板程序(Panel)前面板是Ⅵ的交互式用户接口，用户可以设置旋钮、按键、开关、图表等工具，与真实的物理仪器面板相似。用户通过对前面板上工具的操作使用虚拟仪器。(2)程序框图(DiagramProgramme)程序框图是VI的程序代码，与文本语言不同的是，它的程序代码是控件端13和连线构成的。VI从程序框图中接收指令，执行操作。(3)图标／连接端口(1eon／Terminal)VI图标和连接端口就像一个图形化参数列表，可在各个VI之间传递数据。第三章软件总体设计及信号分析仪的实现3．1软件系统总体设计LabVIEW环境中创立的任何一个VI都可以被其他VI作为子VI调用，子VI相当于文本编程语言中的子程序。教学平台采用模块化的编程方法，将各个模块分成相对独立的子VI，由主控程序完成对它们的调用。软件系统的总体结构如图3-1所示：教学实验平台信号发生器信号发生器实验演示单元信号分析仪周期随机信号白噪声发生器周期随机信号白噪声发生器高斯白噪声发生器滤波加窗相关调制解调吉布斯现象自相关函数高斯白噪声发生器滤波加窗相关调制解调吉布斯现象自相关函数正弦信号频谱分析周期信号合成周期信号分解实验报表生成频域时域分析滤波数据采集根本函数图3-1教学实验平台总体结构3．1．1面板程序虚拟仪器的面板程序就是图形化用户界面，是用户与设备之间交流信息的纽带，它决定了虚拟仪器的方便程度。面板程序主要由控件(Control)、指示器(Indicator)和装饰(Decoration)构成。面板程序设计原那么：(1)易用性原那么：作为与用户的唯一接口，面板的设计应该尽可能接近于真实的仪器，各个功能之间的切换力图方便直观，使用户的使用操作简单。(2)交互性原那么：要充分考虑各个实验内容的特点和实验的根本步骤，在与学生的对话中将实验演示出来。针对每一个实验，各种可供选择的内容以及每一步操作是否合理均给出相关提示，并将这些提示较为完善地结合到实际的操作界面中。(3)简洁明了原那么：面板布置尽量简洁，元件的颜色应尽量柔和，尽量限制颜色种类。3．1．2框图程序框图程序与面板程序对应，相当于传统编程语言程序中的源代码。框图程序由节点(Node)、端口(Terminal)和数据连线(Wire)组成。框图程序设计原那么：(1)遵循从左到右、从上到下的顺序编排程序的节点。(2)尽量防止程序框图扩展到屏幕显示范围以外。(3)如果程序中某些局部能在其它程序中使用，或者是可以划分为一个逻辑上的单元，即创立一个子VI。(4)整齐清晰的排列连线，以免造成读程序的困难。防止在节点图标下连线，以免线段被隐藏或误认。(5)为了节省框图程序空间，不必为函数和子Ⅵ显示标签，但常数有必要显示标签。(6)使用自有标签为程序框图增加必要的注释，增加程序的可读性。3．1．3主界面设计平台图标如图3-2所示，点击“ENTER〞按钮进入操作平台主界面，如图3-3所示。图3-2图3-33．2信号的分类及数据特征所谓信号，是指传递某个实际系统状态或行为信息的一种物理现象或过程，其中蕴含着我们分析、解决问题所需要的信息。它的表现形式多种多样，如机械运动、噪声、力、温度等等。为了便于研究，常常把这些物理现象进行测量，把被测的物理量以及由该物理量转换所得的量统称为信号。信号的根本形式是变化着的电流或电压。即使原始信号是非电的物理量，如力、位移、加速度等，也往往把它转化为电信号以便处理。3．2．1信号的分类图3-4信号的分类1．确定性信号确定性信号也叫规那么信号，能用明确的数学关系式描述。确定性信号分为周期信号和非周期信号。2．随机信号随机信号是一种非确定性的信号，不能用精确的数学关系式来描述，无法预测任意时刻的精确值的信号称为随机信号，它只能用概率术语利统计平均来描述。随机信号分为平稳随机信号和非平稳随机信号。3．课题研究的主要信号类型确定性信号是研究其它信号的根底，是我们分析的根本信号类型。随机信号中的各态历经信号，其统计特性和时间原点的选取无关，统计平均可以用一个样本序列在一个较长时间内的平均值来代替，这样在解决实际问题时，可以节约大量时间。同时，各态历经信号在工程信号分析中具有普遍性。本课题研究的主要信号类型为确定性信号以及随机信号中的各态历经平稳随机信号。3．2．2信号的数据特征任何信号的特征都可以用一组数据来描述。这种能描述信号特征的数据称为信号的数据特征。不同信号类型，在时间、频率域中的数据特征也不相同。确定性信号的数据特征确定性信号的特性可以用时间域中的峰值、有效值、绝对平均值、相关性；频率域中的频谱等数据特征来描述。由于确定性信号数据的特点是唯一确定的，且可用数学表达式精确描述，所以处理确定性信号的方法是导出其表达公式或只须依据其任意一次测量的任意一段信号记录进行分析即可。2．随机信号的数据特征随机信号的数据特征，不能用精确的数学关系式来描述，因为每次的测量结果都不一样。对于随机信号的测量，相同条件r的一系列重复实验，其可能结果虽不～样，实验前也不能确切预知，但通过大量重复实验，其结果就会出现某种统计规律性。因此，随机信号处理的主要理论根底是统计理论和随机过程理论。随机信号的根本统计特性可以通过时间域中的均值、均方值(均方根值)、方差(标准差)、自相关函数、互相关函数，频率域中的自功率谱密度、互谱密度、频率特性等统计数字特征来描述。对数据分析时，要充分考虑信号的特点，采用合理的方法获取信号的数据特征。3．3数据采集与预处理数据采集即信号的获取，它是数据分析的前提。自然界的各种信号通过转换电路转换为模拟电信号，再通过数据采集设备经采样、量化、编码转换为计算机可识别的二进制的数字信号。在进行分析处理以前，还可能需要对这些信号进行一些必要的处理，称为预处理。3.3．1数据采集采样——利用采样脉冲序列，从信号x(t)中抽取一系列离散值，使之成为采样信号x(nTs)的过程(其中Ts为采样间隔)。为保证采样后信号能真实地保存原始模拟信号信息，信号采样频率必须至少为原信号中最高频率成分的2倍。这是采样的根本法那么，称为采样定理。满足采样定理，只保证不发生频率混叠，而不能保证此时的采样信号能真实地反映原信号x(t)。实际中采样频率通常大于信号中最商频率成分的3到5倍。量化——把采样信号的连续幅值变为有限个离散幅值的过程称为量化。当采样信号的幅值落在两个相邻量化值之间时，就要舍入到相近的一个量化值上，量化值与实际幅值之差称为量化误差。编码——将经过量化的值变为二进制数字的过程。信号转换成计算机可识别的代码，我们可以利用计算机对数据进行处理了。3．3．2数据的预处理这里的处理是指基于计算机的数字处理．而不是模拟处理。数据采集卡采集到的信号因多种原因有时是低信噪比的微小信号．并伴随着各种噪声。故应对传感检测输出的信号进行预处理。所谓信号预处理，是指在对信号进行加工、识别或评估前，对之进行的处理。信号预处理的目的是去除或抑制噪声，提高信噪比。常用的预处理方法主要有：(1)剔除错点(2)消除趋势项(3)数字滤波(4)加平滑窗3．4信号分析仪的实现3．4．1信号分析模块的实现3．4．1．1确定性信号的数据特征图3-5确定性信号的数据特征3．4．2．1确定性信号分析原理1．时域分析相关分析相关分析是一种时域分析方法，可以描述两个信号之间的关系或其相似程度，也可以描述同一信号的现在值和过去有无关系，或根据过去值、现在值估计未米值。相关分为自相关和互相关。(1)自相关函数自相关函数用来描述一个时刻的取值与另一个时刻取值之间的依赖关系。设x(t)是某各态历经过程的一个记录样本(所谓各态历经过程是指样本的集合平均等于时间平均)，x(t+τ)是x(t)时移τ后的样本。x(t)的自相关函数定义为：(3-1)自相关函数可应用于检测混淆在随机噪声中确实定性信号或提取噪声中的周期信号，还可根据相关图的形状来判断原信号的频率成分(2)互相关函数一个系统中的一定测点上所得的信号与同一系统的另外一些测点的信号互相比拟找出它们之间的关系，一般在时间历程记录上只能定性不能定量，为此在引入互相关函数的概念，互相关函数是表示两组数据之间依赖关系的相关统计量，其函数定义为：(3-2)互相关函数比自相关函数提供了更多信息。典型应用如：利用两个信号的互相延时和能量信息对传输通道进行分析识别，检测混淆在噪声中的信号等。自相关分析只能检测(或提取)混在噪声中的周期信号。而互相关分析不限于从噪声中提取周期信号，也有可能提取非周期信号，只要能设法建立相应的参考信号即可。图3-6时域分析界面2．频域分析对于确定性信号而言，在理论上，首先以时域描述为依据，运用傅氏级数(对周期信号)或傅氏变换(对非周期信号)进行时域至频域的变换，得到频域描述；然肝再对频域描述做数学处理，从中提取幅值与相位频谱函数。周期信号的傅里叶级数任何满足狄里赫利条件的周期信号可分解为直流和许多余弦(或正弦)分量之和，即(3-3)式中，，T为周期；n=1,2,3...或(3-4)将上述展开的两种形式结合起来，得到各阶谐波的幅值和相位，即n阶谐波的幅值n阶谐波的相位非周期信号的傅里叶变换图3-7频域分析界面3．4．2．2确定性信号分析模块的实现确定性信号包括周期信号和瞬态信号。由于确定性信号在任意时刻的值都可以用确定的数学关系式来表达，凼此取到一定数量的信号值，即可得到该信号的数据特征。考虑到瞬态信号可能较难捕捉和观察，本课题采用先采集定量数据，然后再进行回放并分析的方法。因此确定性信号分析模块分为两个局部：数据采集和数据处理分析。这两个局部通过点击相应的标签显示。1.数据采集的实现(1)数据采集流程图图3-8数据采集流程〔2〕数据采集参数定义数据采集面板程序图3-9数据采集界面第四章信号发生器及演示实验单元的实现4．1信号发生器的实现当要准确控制信号的特性(如幅值、频率和周期信号的相位等)或无法得到适宜的信号源时用户可以用该试验平台生成信号而不依赖于实际采集到的信号。4．1．1信号发生器的功能信号发生器具有以下功能：周期信号发生器：正弦波、方波、三角波、锯齿波随机信号发生器：均匀白噪声、高斯白噪声等函数波形发生器：根据输入公式产生波形线形调频信号发生器：产生给定起始和终止频率的Chirp(变频)信号4．1．2信号发生器的实现原理信号发生器主要利用数据采集}的D／A功能，LabVIEW程序在计算机内产生所需信号，然后由数据采集卡通过D／A模块将数据在一定速率下输出，从而可以得到适合用户需求的各种信号。课题采用的PCI-6024E数据采集卡的D／A最大采样率为10kS／s，那么输出信号的最大频率为：最大采样率／每周期输出的数据量。例如，周期信号中的正弦波每周期输出10个数据，那么得到的最大输出正弦信号的频率为10／10=l(kHz)。4．1．3信号发生器的主界面在Functions->AllFunctions->SignalAnalysis->WaveformGeneration模板中，提供了一些常见信号。但这里发生的信号仅仅是仿真信号，配合Functions．>AllFunctions．>AnalogOutput模板中的函数将仿真信号提供应DAC(数，模转换器)，就可以向外界提供真正的模拟信号。DAQ卡的数，模转换器具有将数字信号转换成模拟信号的功能，该模块就是利用这一功能，产生信号的。当需要产生连续信号时，为了保证信号的连续性，需要使用循环缓冲区。通常情况下，缓冲区大小一般为每次写入数据的两倍。图4-1为信号发生器的主界面图4-1信号发生器的主界面点击不同按钮，进入各种功能的信号发生器界面图4-2白噪声发生器界面图4-3高斯白噪声发生器界面图4-4根本函数发生器界面图4-5周期随机噪声发生器界面4．2演示实验单元的实现将实验课程常用的假设干实验存放到该单元。当用户不具备硬件时，使用计算机配合幻灯片就可以完成教学演示实验该单元包括图4-6所示实验图4-6实验演示单元的主界面点击不同按钮，进入各种功能的实验演示单元界面图4-7滤波实验演示单元图4-8加窗实验演示单元图4-9相关实验演示单元图4-10调制解调演示实验单元图4-11吉布斯现象仿真实验演示单元图4-12自相关函数时域分析演示实验单元图4-13正弦信号频谱分析演示实验单元图4-14周期信号合成仿真实验演示单元图4-15周期信号分解仿真实验演示单元图4-16报表生成单元图4-17程序说明界面第五章结论与建议5．1结论虚拟仪器设计已经成为测试和仪器技术开展的一个重要方向，在以培养高素质高科技人才的大学开设虚拟仪器设计教学是势在必行的，只有这样才能满足社会对大学教育的要求。建设现代化的教学、科研实验室是一项具有挑战性的工作。虚拟仪器的产生和开展推动了实验室的改革，将虚拟仪器引入实验室教学，能够使高校的实验教学内容