基于LabVIEW的虛擬電子信息類實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究

1、- 1 - 基于 labview 的虛擬電子信息類實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 與研究 摘要 傳統(tǒng)儀器下的高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)，己嚴(yán)重滯后于信息時(shí)代和工程實(shí)際的需要。 滯后的實(shí)驗(yàn)設(shè)備無法滿足現(xiàn)代測試技術(shù)所需要的速度快、實(shí)時(shí)性好、具有良好 人機(jī)界面的要求:難以實(shí)現(xiàn)功能擴(kuò)展和資源共享。 虛擬儀器是在計(jì)算機(jī)為核心的硬件平臺(tái)上，通過軟件將計(jì)算機(jī)硬件資源與 儀器硬件有地融為一體，利用計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的軟件功能實(shí)現(xiàn)信號(hào)數(shù)據(jù)的運(yùn)算、分 析、處理，形成既有傳統(tǒng)儀器的基本功能，又有特殊功能的新型儀器。運(yùn)用虛 擬儀器代替?zhèn)鹘y(tǒng)儀器，不但能滿足電子信息類實(shí)驗(yàn)教學(xué)的需要，大大提高設(shè)備 利用率實(shí)現(xiàn)資源共享，降低實(shí)驗(yàn)室建設(shè)成本，用戶還可以根據(jù)自己

2、需要定義儀 器的新功能。 虛擬儀器設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)的核心是軟件的開發(fā)。本文采用模塊化的設(shè)計(jì)思想， 描述了基于 labview 開發(fā)平臺(tái)設(shè)計(jì)虛擬示波器的過程，給出了虛擬信號(hào)頻譜分 析儀、虛擬濾波器、虛擬信號(hào)發(fā)生器、慮擬積分器和微分器等實(shí)驗(yàn)教學(xué)用虛擬 儀器的一前面板圖和程序流程圖。這些虛擬儀器組成的系統(tǒng)，可用一于電路基 礎(chǔ)、電子技術(shù)基礎(chǔ)、信號(hào)與系統(tǒng)、自動(dòng)控制理論等電子信息類課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)。 本文比較分析了當(dāng)前流行的虛擬儀器體系結(jié)構(gòu)和開發(fā)環(huán)境。敘述了虛擬儀 器設(shè)計(jì)過程的方法和體會(huì)，對(duì)虛擬儀器的開發(fā)有一定的參考價(jià)值。 關(guān)鍵詞:labview，虛擬儀器，開發(fā)平臺(tái)，實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng) - 2 - 目錄 基于 labv

3、iew 的虛擬電子信息類實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究.- 1 - 目錄.- 2 - 1 序言.- 3 - 1.1 實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)備存在的問題.- 3 - 1.2 虛擬儀器的基本概念、構(gòu)成及其特點(diǎn).- 3 - 1.3 虛擬儀器在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的運(yùn)用.- 5 - 1.3.1 虛擬儀器技術(shù)在儀器設(shè)備使用實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的運(yùn)用.- 5 - 1.3.2 虛擬儀器技術(shù)與 interent 技術(shù)結(jié)合在遠(yuǎn)程教育中的運(yùn)用.- 5 - 2 虛擬儀器及 labview.- 6 - 2.1 虛擬儀器概述.- 6 - 2.1.1 虛擬儀器的硬件體系.- 6 - 2.1.2 虛擬儀器的軟件體系構(gòu)成.- 8 - 2.1.3 虛擬儀器系統(tǒng)的整

4、體設(shè)計(jì).- 8 - 2. 2 虛擬儀器開發(fā)平臺(tái) labview.- 9 - 2.2.1 labview 概述.- 9 - 2.2.2 labview 的特點(diǎn).- 9 - 2.2.3 labview 的模板.- 10 - 3 虛擬示波器的設(shè)計(jì).- 12 - 3.1 虛擬示波器的實(shí)現(xiàn)方案.- 12 - 3.2 虛擬示波器的硬件體系.- 12 - 3.2.1 硬件組成.- 12 - 3.2.2 數(shù)據(jù)采集卡.- 12 - 4 虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn).- 14 - 4.1 虛擬函數(shù)發(fā)生器.- 14 - 4.1.1 虛擬函數(shù)發(fā)生器的功能.- 14 - 4.1.2 前面板和流程圖.- 14 - 4.2

5、 虛擬微分器和積分器.- 15 - 4.2.1 儀器功能.- 15 - 4.2.2 前面板和流程圖.- 15 - 4.3 虛擬數(shù)字濾波器.- 16 - 4.3.1 虛擬數(shù)字濾波器的功能.- 16 - 4.3.2 前面板和框圖程序.- 17 - 4.4 虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn).- 17 - 5 結(jié)論.- 19 - 參考文獻(xiàn).- 20 - - 3 - 1 序言 電子信息類的專業(yè)課程有兩大特點(diǎn)，一是比較抽象，如信號(hào)與系統(tǒng)、數(shù)字 信號(hào)處理、高頻電子電路、通信原理、模擬和數(shù)字電子技術(shù)等課程，需要通過 實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)來幫助學(xué)生理解：有的則必須通過學(xué)生的實(shí)踐才能掌握，如 eda, fpga, dsp 技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技

6、術(shù)、軟件編程等課程，實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)在電子信息實(shí)驗(yàn)教學(xué) 中占有非常重要的地位，是提高學(xué)生動(dòng)手能力、培養(yǎng)創(chuàng)造能力和綜合素質(zhì)的一 個(gè)有效的手段。很多學(xué)科都是以實(shí)驗(yàn)課程為基礎(chǔ)的，缺少了實(shí)驗(yàn)的支持，學(xué)科 的教學(xué)和科研活動(dòng)就無法進(jìn)行。學(xué)生只有通過足夠的驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)和一定數(shù)量的 綜合設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)才能加深理解和掌握所學(xué)的理論知識(shí)和應(yīng)用技術(shù)，也只有通過 實(shí)驗(yàn)，才一能將理論與實(shí)踐很好地結(jié)合起來。二是電了信息技術(shù)作為新的支柱 產(chǎn)業(yè)，發(fā)展非常迅速，技術(shù)更新快，導(dǎo)致高校的課程特別是實(shí)驗(yàn)課程往往落后 于技術(shù)的進(jìn)步，無法滿足實(shí)驗(yàn)教學(xué)的需要。且國內(nèi)高校傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備在實(shí)驗(yàn) 教學(xué)中暴露出的無實(shí)驗(yàn)?zāi)M功能、輔助實(shí)驗(yàn)教學(xué)功能等種種弊端。與時(shí)

7、俱進(jìn)地 開發(fā)出虛擬儀器實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)，達(dá)到培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力和創(chuàng)新 意識(shí)的目標(biāo)。 1.1 實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)備存在的問題 目前國內(nèi)高校電子信息類實(shí)驗(yàn)大多采用各門課程的實(shí)驗(yàn)箱和傳統(tǒng)儀器搭建 起來的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，傳統(tǒng)儀器和實(shí)驗(yàn)箱是功能固定且單一，通常只能作一些演示 性和驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，無法實(shí)現(xiàn)功能擴(kuò)展和資源共享。電子信息類教學(xué)實(shí)驗(yàn)常用儀 器儀表為:函數(shù)發(fā)生器、示波器、萬用表及各種專用實(shí)驗(yàn)設(shè)備等。上述實(shí)驗(yàn)設(shè)備 在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中暴露出的主要弊端有： 1、功能弱。如無實(shí)驗(yàn)?zāi)M功能、輔助實(shí)驗(yàn)教學(xué)功能，以及普通示波器無暫 態(tài)信號(hào)、過渡過程的存儲(chǔ)、重現(xiàn)功能。 2、適用面窄。上述實(shí)驗(yàn)設(shè)備難以用于諸如單片機(jī)原理與接口技術(shù)、

8、傳感器、 自控系統(tǒng)等課程的實(shí)驗(yàn)、實(shí)習(xí)教學(xué)。 3、維護(hù)、使用、管理復(fù)雜。同一實(shí)驗(yàn)室往往集有多種類、多規(guī)格、多型號(hào) 的傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)設(shè)備，易損件備用量大，操作使用方法各異，難以采用統(tǒng)一的管理 標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)程。 4、無實(shí)驗(yàn)?zāi)M功能，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)過程費(fèi)時(shí)多、元器件損耗大。 1.2 虛擬儀器的基本概念、構(gòu)成及其特點(diǎn) 傳統(tǒng)的測量儀器主要由三個(gè)功能模塊組成:數(shù)據(jù)的采集與控制模塊、數(shù)據(jù)的 分析與處理模塊、結(jié)果的表達(dá)與輸出模塊。由于這些功能模塊基本上是由硬件 或固化的軟件形式存在，儀器只能由生產(chǎn)廠家來定義、制造，因此傳統(tǒng)儀器設(shè) 計(jì)復(fù)雜、靈活性差，在一些較為復(fù)雜和測試參數(shù)較多的場合下，使用起來很不 方便。 虛擬儀器（virtu

9、al istrument 簡稱 vi） 是在以計(jì)算機(jī)為核心的硬件平 - 4 - 臺(tái)上，通過軟件將計(jì)算機(jī)硬件資源與儀器硬件有機(jī)地融為一體，利用計(jì)算機(jī)強(qiáng) 大的軟件功能實(shí)現(xiàn)信號(hào)數(shù)據(jù)的運(yùn)算、分析、處理，從而完成各種測試功能的儀 器系統(tǒng)。計(jì)算機(jī)在虛擬儀器中處于核心地位，計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)和測試系統(tǒng)更緊 密地結(jié)合成了一個(gè)有機(jī)整體，儀器的結(jié)構(gòu)概念和設(shè)計(jì)觀點(diǎn)等都發(fā)生了突破性的 變化。從構(gòu)成上來說，虛擬儀器就是利用計(jì)算機(jī)，配上相應(yīng)的硬件和專用軟件， 形成既有普通儀器的基本功能，又有一般儀器所沒有的特殊功能的新型儀器。 它將計(jì)算機(jī)采集測試分析引入到電子測量領(lǐng)域，用數(shù)字化和軟件技術(shù)極大地提 高了測試的靈活性和可擴(kuò)充性。

10、虛擬儀器系統(tǒng)的構(gòu)成框圖如圖 1.1 所示。 數(shù)據(jù)采集 計(jì)算機(jī) 功能軟件 顯示系統(tǒng) 統(tǒng) 圖 1.1 虛擬儀器系統(tǒng)構(gòu)成 虛擬儀器的基本構(gòu)成包括計(jì)算機(jī)、虛擬儀器軟件、硬件接口模塊等。硬件 僅僅是為了解決信號(hào)的輸入輸出，軟件才是整個(gè)系統(tǒng)的關(guān)鍵。正由于軟件是虛 擬儀器的關(guān)鍵，所以當(dāng)基本硬件確定以后，就可以通過不同的軟（如用于數(shù)據(jù) 分析、過程通訊及圖形用戶界而的軟件)實(shí)現(xiàn)不同的功能。虛擬儀器應(yīng)用軟件集 成了儀器的所有采集、控制、數(shù)據(jù)分析、結(jié)果輸出和用戶界面等功能，使傳統(tǒng) 儀器的某些硬件乃至整個(gè)儀器都被計(jì)算機(jī)軟件所代替。用戶可以根據(jù)自己的需 要，設(shè)計(jì)自己的儀器系統(tǒng)，滿足多種多樣的應(yīng)用要求。利用計(jì)算機(jī)豐富的軟

11、、 硬件資源，可以大大突破傳統(tǒng)儀器在數(shù)據(jù)的處理、表達(dá)、傳遞、儲(chǔ)存等方面的 限制，達(dá)到傳統(tǒng)儀器無法比擬的效果。虛擬儀器可廣泛應(yīng)用于電子測量、電力 工程、物礦勘探、醫(yī)療、振動(dòng)分析、聲學(xué)分析、故障診斷及教學(xué)科研等諸多領(lǐng) 域。 虛擬儀器利用計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的圖形環(huán)境功能，建立界面友好的虛擬儀器面板 （即軟面板） ，用戶通過鼠標(biāo)和鍵盤操作虛擬儀器就象操作傳統(tǒng)的電子測量儀器 一樣。完成對(duì)被測試量的采集、分析、判斷、顯示、存儲(chǔ)及數(shù)據(jù)生成。與傳統(tǒng) 儀器相比，虛擬儀器的優(yōu)勢在于用戶自定義儀器功能、結(jié)構(gòu)等，且構(gòu)建容易， 轉(zhuǎn)換靈活以及其開放性。決定虛擬儀器具有傳統(tǒng)儀器不可能具備的特點(diǎn)的根本 原因在于：虛擬儀器的關(guān)鍵是軟件

12、。其主要優(yōu)點(diǎn)歸納如下： 1、打破了傳統(tǒng)儀器的功能概念，由計(jì)算機(jī)完成信號(hào)的分析、顯示、存儲(chǔ)、 打印等功能。由于充分利用計(jì)算機(jī)技術(shù)，完善了數(shù)據(jù)的傳輸、交換等性能，提 高了系統(tǒng)使用的靈活性，可以滿足綜合性的要求。 2、強(qiáng)調(diào)“軟件就是儀器” ，的新概念，軟件在儀器中代替由硬件甚至整機(jī) 實(shí)現(xiàn)的角色。由于減少了許多隨時(shí)間可能漂移、需要定期校準(zhǔn)的分立式模擬硬 件，加上標(biāo)準(zhǔn)化總線的使用，使系統(tǒng)的測量精度、測量速度和可重復(fù)性都大大 提高。 3、虛擬儀器的開放性和功能軟件的模塊化，使資源的可重復(fù)利用率提高， 系統(tǒng)組建時(shí)間縮短，功能易于擴(kuò)展，管理規(guī)范，使用簡便，軟/硬件生產(chǎn)、維護(hù) 和開發(fā)的費(fèi)用降低。虛擬儀器既可以作

13、為單臺(tái)測試儀器使用，又可以構(gòu)成較為 - 5 - 復(fù)雜的測試系統(tǒng)，甚至通過高速計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成分布式測試系統(tǒng)，進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān) 控及故障診斷。 虛擬儀器與傳統(tǒng)儀器的指標(biāo)比較如表 1.1 所示。 表 1.1 虛擬儀器與傳統(tǒng)儀器比較 指標(biāo)虛擬儀器傳統(tǒng)儀器 基本功能功能土要由軟件決定，川戶 可白己定義 功能由硬件決定，不易改變 數(shù)據(jù)分析處理功能存儲(chǔ)、分析、處理能力強(qiáng)弱(或無) 功能的擴(kuò)展性易于擴(kuò)展，容易升級(jí)不易擴(kuò)展，很難升級(jí) 易用性 數(shù)據(jù)顯示多樣化，交互好， 能進(jìn)行白適 顯示方式少，交互差(或無)， 難以進(jìn)行自適應(yīng)測量和控制 測試精度取決于不同的硬件模塊 取決于儀器本身 價(jià)格 單臺(tái)價(jià)格高，適合紹建系統(tǒng) 單臺(tái)價(jià)

14、格低，組建系統(tǒng)成本 高 隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)展，各種有關(guān)軟件不斷誕生，虛擬儀器將會(huì)逐步取代傳統(tǒng) 的測試儀器而成為測試儀器的主流。此外，用基于軟件體系結(jié)構(gòu)的虛擬儀器系 統(tǒng)代替基于硬件體系結(jié)構(gòu)的傳統(tǒng)儀器，還可以大大節(jié)省儀器購買、維護(hù)費(fèi)用。 1.3 虛擬儀器在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的運(yùn)用 1.3.1 虛擬儀器技術(shù)在儀器設(shè)備使用實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的運(yùn)用 實(shí)驗(yàn)教學(xué)是許多專業(yè)必須進(jìn)行的一項(xiàng)教學(xué)活動(dòng)。掌握測量儀器和設(shè)備的正 確操作方法是每個(gè)學(xué)生進(jìn)行科學(xué)實(shí)驗(yàn)的基木前提。傳統(tǒng)的教學(xué)方法是讓學(xué)生在 教師的指導(dǎo)下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的操作，隨之而來的問題是教師的工作量很大而很難對(duì) 所有學(xué)生進(jìn)行指導(dǎo)，既影響教學(xué)效果又容易造成儀器損壞。在一定程度上限制 了

15、教師和學(xué)生使用的積極性。如果用虛擬儀器組成虛擬實(shí)驗(yàn)室，讓學(xué)生先在虛 擬實(shí)驗(yàn)室通過對(duì)“虛擬儀器”的模擬操作使用，全面了解和掌握各種虛擬儀器 的使用方法和操作要點(diǎn)，為實(shí)際使用虛擬儀器設(shè)備和傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備打下 較好的基礎(chǔ)，既可降低教師的勞動(dòng)強(qiáng)度，減少儀器設(shè)備的損壞，又可以提高實(shí) 驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量與效果。 1.3.2 虛擬儀器技術(shù)與 interent 技術(shù)結(jié)合在遠(yuǎn)程教育中的運(yùn)用 虛擬儀器技術(shù)與 internet 技術(shù)結(jié)合可在遠(yuǎn)程教育中發(fā)揮作用。利用 internet 資源和技術(shù)，如 asp （active server pages，動(dòng)態(tài)服務(wù)器主頁） 、 socket（套接字）等，將 internet 與

16、虛擬儀器結(jié)合起來組成一個(gè)基于 web 的虛 擬實(shí)驗(yàn)室，從而在網(wǎng)絡(luò)中建立一個(gè)虛擬的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，這樣能夠使遠(yuǎn)程教育的實(shí) 驗(yàn)教學(xué)遠(yuǎn)程化，遠(yuǎn)程教育的學(xué)習(xí)者不必?fù)?dān)心缺乏實(shí)驗(yàn)條件，也不必為做實(shí)驗(yàn)到 處奔波，通過網(wǎng)絡(luò)中的基于虛擬儀器的虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和進(jìn)行操作， 甚至和異地的學(xué)習(xí)者合作進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。這對(duì)現(xiàn)代遠(yuǎn)程教育具有十分重要的意義。 - 6 - 目前應(yīng)用虛擬儀器來進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)已實(shí)際啟動(dòng)，一些發(fā)達(dá)國家的高等學(xué)校 已將虛擬儀器作為常規(guī)的實(shí)驗(yàn)儀器在學(xué)生實(shí)驗(yàn)中應(yīng)用，在我國也己有部分院校 的實(shí)驗(yàn)室引入了虛擬儀器系統(tǒng)，如復(fù)旦大學(xué)，南京理工大學(xué)，南京工程學(xué)院， 江南大學(xué)，蘇州工業(yè)園職業(yè)技術(shù)學(xué)院等。近一、兩年來這些學(xué)校

17、在原有的基礎(chǔ) 上，又開發(fā)了一批新的虛擬儀器系統(tǒng)用于教學(xué)和科研。 - 7 - 2 虛擬儀器及 labview 計(jì)算機(jī)和儀器的密切結(jié)合是目前儀器發(fā)展的一個(gè)重要方向。粗略地說這種 結(jié)合有兩種方式，一種是將計(jì)算機(jī)裝入儀器，其典型的例子就是所謂智能化的 儀器。隨著計(jì)算機(jī)功能的日益強(qiáng)大以及其體積的日趨縮小，這類儀器功能也越 來越強(qiáng)大，目前己經(jīng)出現(xiàn)含嵌入式系統(tǒng)的儀器。另一種方式是將儀器裝入計(jì)算 機(jī)。以通用的計(jì)算機(jī)硬件及操作系統(tǒng)為依托，實(shí)現(xiàn)各種儀器功能。虛擬儀器主 要是指這種方式。下面的框圖反映了常見的虛擬儀器方案如圖 2.1 所示 被測系統(tǒng) 信號(hào)調(diào)整 數(shù)據(jù)采集卡 數(shù)據(jù)處理 虛擬儀器面板 圖 2.1 常見的虛

18、擬儀器方案 2.1 虛擬儀器概述 20 世紀(jì) 80 年代美國國家儀器公司（national instruments company，簡稱 ni）首先提出了虛擬儀器的概念。1986 年，ni 公司推出了圖形化的虛擬儀器編 程環(huán)境 labview，標(biāo)志著虛擬儀器設(shè)計(jì)軟件平臺(tái)基本成型，虛擬儀器從概念構(gòu) 思變?yōu)楣こ處熆蓪?shí)現(xiàn)的具體對(duì)象。 虛擬儀器的基本構(gòu)成包括計(jì)算機(jī)、虛擬儀器軟件、硬件接口模塊等。其中， 硬件接口模塊可以包括插入式數(shù)據(jù)采集卡（daq 卡） 、串/并口、ieee488 接口 (gpib )卡、vxi 控制器以及其它接口卡。目前較為常用的虛擬儀器系統(tǒng)是 gpib 儀器控制系統(tǒng)、vxi 儀器系

19、統(tǒng)、pxi 儀器系統(tǒng)、串行口儀器系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集卡系 統(tǒng)、以及這五者之間的任意組合。 2.1.1 虛擬儀器的硬件體系 虛擬儀器的硬件平臺(tái)由計(jì)算機(jī)及其 i/o 接口設(shè)備兩部分組成。i/o 接口設(shè)備 主要執(zhí)行信號(hào)的輸入、數(shù)據(jù)采集、放大、模/數(shù)轉(zhuǎn)換任務(wù)。根據(jù) i/o 接口設(shè)備總 線類型的不同，虛擬儀器的主流構(gòu)成方案主要有 gpib 虛擬儀器測試系統(tǒng)、vxi 總線虛擬儀器測試系統(tǒng)、pxi 總線虛擬儀器測試系統(tǒng)、串行口或其它工業(yè)標(biāo)準(zhǔn) 總線的系統(tǒng)和 pc-daq/pci 插卡式虛擬儀器系統(tǒng)等五種，如圖 2. 1 所示。下面 對(duì)五種類型的虛擬儀器總線進(jìn)行簡要的分析比較，并確定適合于本虛擬儀器實(shí) 驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)的硬

20、件平臺(tái)。 - 8 - 計(jì)算機(jī) vxi 儀器gpib 儀器串行口儀 器 pxi 儀器daq 卡 測試環(huán)境 圖 2.1 虛擬儀器的硬件體系結(jié)構(gòu) 1、基于通用接口總線 gpib 接口的虛擬儀器系統(tǒng) gpib(general purpose interface bus)總線，即 ieee488 通用接口總線， 是 hp 公司在 70 年代推出的臺(tái)式儀器接口總線。該標(biāo)灘總線在儀器、儀表及測 控技術(shù)領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。典型的 gpib 系統(tǒng)由一臺(tái) pc 機(jī)、一塊 gpib 接口卡 和若干臺(tái) gpib 形式的儀器通過 gpib 電纜連接而成。gpib 技術(shù)用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì) 儀器的操作和控制，來替代傳統(tǒng)的人工操

21、作方式，從而促使電子測量向大規(guī)模 自動(dòng)測試系統(tǒng)方向迅速發(fā)展。gpib 測試系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和命令簡單，造價(jià)較低，但 是它與計(jì)算機(jī)相連需要專用接口以及 gpib 儀器，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，傳遞速率較低，逐 漸被其他形式的儀器所代替。由于 gpib 擁有強(qiáng)大功能與廣泛的使用者基礎(chǔ)，因 此 gpib 在未來的許多年仍會(huì)繼續(xù)存在。 2、利用 vxi 總線實(shí)現(xiàn)的虛擬儀器系統(tǒng) vxi（vmebus extension for instrumentation）是一種高速計(jì)算機(jī)總線 vme（versa module eurocard）總線在儀器領(lǐng)域的擴(kuò)展。它是繼 ieee488 總 線之后，為適應(yīng)測量儀器從分立的臺(tái)式和機(jī)架式

22、結(jié)構(gòu)發(fā)展為更為緊湊的模塊式 結(jié)構(gòu)的需要而推出的一種新的總線標(biāo)準(zhǔn)。它是一種完全開放的模塊式儀器行業(yè) 規(guī)范。vxi 總線集中了智能儀器、個(gè)人儀器和自動(dòng)測試系統(tǒng)的很多優(yōu)點(diǎn)，其性 能全面優(yōu)于 ieee488 總線系統(tǒng)，而且使自動(dòng)化測試系統(tǒng)的測試速度大大提高， 滿足目前自動(dòng)測試系統(tǒng)向標(biāo)準(zhǔn)化、自動(dòng)化、智能化、模塊化及便攜式方向發(fā)展 的要求。經(jīng)過十多年的發(fā)展，vxi 系統(tǒng)的組建和使用越來越方便，尤其是組建 大、中規(guī)模自動(dòng)測量系統(tǒng)以及對(duì)速度、精度要求高的場合。有其他儀器無法比 擬的優(yōu)勢。然而，組建 vxi 總線要求有機(jī)箱、零槽管理器及嵌入式控制器，造 價(jià)比較高。 3、基于 pxi 總線的虛擬儀器系統(tǒng) pxi

23、（pci extension for instrumentation）總線是 pci 總線在儀器領(lǐng)域 的擴(kuò)展，pxi 總線是以 pc 計(jì)算機(jī)局部總線（ieee1014-1987 標(biāo)準(zhǔn)）為基礎(chǔ)的模 塊儀器結(jié)構(gòu)，目標(biāo)是在 pci 總線基礎(chǔ)上提供一種技術(shù)優(yōu)良的模塊儀器標(biāo)準(zhǔn)。pxi 總線是 pci 總線的擴(kuò)展與增強(qiáng)，具有高度的可擴(kuò)展性。pxi 儀器的核心是高速 的 pci 計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)和 microsoft windows 軟件，即當(dāng)今主流 pc 計(jì)算機(jī)實(shí)際 上的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。pxi 將 pc 計(jì)算機(jī)的性能價(jià)格比優(yōu)勢與 pci 總線面向儀器領(lǐng)域的 必要擴(kuò)展完美地結(jié)合起來，形成了一種主流的虛擬儀器測試平臺(tái)

24、。但成本比較 高，硬件設(shè)計(jì)復(fù)雜。目前 pxi 的系統(tǒng)已廣泛且成功地應(yīng)用于汽車測試、半導(dǎo)體 測試、功能性測試、航空設(shè)備測試以及軍事等方面。 - 9 - 2.1.2 虛擬儀器的軟件體系構(gòu)成 構(gòu)成一個(gè)虛擬儀器系統(tǒng)，基本硬件確定以后，就可通過不同的軟件實(shí)現(xiàn)不 同的功能。軟件是虛擬儀器系統(tǒng)的關(guān)鍵。沒有一個(gè)優(yōu)秀的控制分析軟件，很難 構(gòu)成一臺(tái)理想的虛擬儀器系統(tǒng)。根據(jù) vpp (vxi plug & pl ay)系統(tǒng)規(guī)范的定義， 虛擬儀器系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)應(yīng)包含三部分： 1、i/o 接口軟件 i/o 接口軟件存在于儀器（即 i/o 接口設(shè)備）與儀器驅(qū)動(dòng)程序之間，是一 個(gè)完成對(duì)儀器寄存器單元進(jìn)行直接存取數(shù)據(jù)操作，并

25、為儀器與儀器驅(qū)動(dòng)程序提 供信息傳遞的底層軟件，是實(shí)現(xiàn)開放的、統(tǒng)一的虛擬儀器系統(tǒng)的基礎(chǔ)與核心。 在 upp 系統(tǒng)規(guī)范中，詳細(xì)規(guī)范了虛擬儀器的 i/o 接口軟件的特點(diǎn)、組成、內(nèi)部 結(jié)構(gòu)與實(shí)現(xiàn)規(guī)范，并將符合 vpp 規(guī)范的虛擬儀器 i/o 接口軟件定義為 visa 軟件。 2、儀器驅(qū)動(dòng)程序 每個(gè)儀器模塊均有自己的儀器驅(qū)動(dòng)程序。儀器驅(qū)動(dòng)程序的實(shí)質(zhì)是為用戶提 供了用于儀器操作的操作函數(shù)集。應(yīng)用程序?qū)x器的操作是通過儀器驅(qū)動(dòng)程序 來實(shí)現(xiàn)的。儀器驅(qū)動(dòng)程序?qū)τ趦x器的操作與管理，又是通過 i/o 軟件所提供統(tǒng) 一的函數(shù)庫的調(diào)用來實(shí)現(xiàn)的。對(duì)于應(yīng)用程序設(shè)計(jì)人員來說，有了儀器驅(qū)動(dòng)程序， 在不是很了解儀器內(nèi)部操作過程的

26、情況下，也可以進(jìn)行虛擬儀器系統(tǒng)的設(shè)計(jì)工 作。虛擬儀器驅(qū)動(dòng)程序是連接上層應(yīng)用程序與底層 i/o 接口軟件的紐帶和橋梁。 2.1.3 虛擬儀器系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì) 在科學(xué)研究與工程實(shí)驗(yàn)室里，有各種各樣的儀器與設(shè)備。如何提高它們的 綜合使用效率？如何對(duì)它們進(jìn)行更有效的管理？是用戶值得考慮的問題。目前， 最有效的方法是采用虛擬儀器技術(shù)。即充分利用計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的管理與處理能力， 將實(shí)驗(yàn)室相關(guān)設(shè)備搭配起來，構(gòu)成一種全新的實(shí)驗(yàn)環(huán)境。實(shí)驗(yàn)室中的儀器與設(shè) 備一般都是具有特定功能的單臺(tái)設(shè)備，如果它們具有某種總線接口，就有可能 進(jìn)行虛擬儀器系統(tǒng)的整體構(gòu)造。步驟如下： 1、確定所用儀器或設(shè)備的接口形式 如果儀器設(shè)備具有 rs

27、-232 串行總線接口，則不用進(jìn)行處理，直接用連線將 儀器設(shè)備與計(jì)算機(jī)的 rs-232 串行接口連接即可，由于計(jì)算機(jī)的 rs-232 串行接 口有限，若儀器設(shè)備比較多，必要時(shí)必須擴(kuò)展計(jì)算機(jī)的 rs-232 接口；如果是 gpib 接口，則需要額外配備一塊 gpib488 接口板，將接口板插入計(jì)算機(jī)的 isa 插槽，建立起計(jì)算機(jī)與儀器設(shè)備之間的通一訊渠道；如果使用計(jì)算機(jī)來控 制 vxi 總線設(shè)備，也需要配備一塊 gpib 接口卡，通過 gpib 總線與 vxi 主機(jī)箱 零槽模塊通信，零槽模塊的 gpib-vxi 翻譯器將 gpib 的命令翻譯成 vxi 命令并 把各模塊返回的數(shù)據(jù)以一定的格式傳回

28、主控計(jì)算機(jī)。 2、確定所選擇的接口卡是否具有設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序 接口卡的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序是控制各種硬件接口的驅(qū)動(dòng)程序，是連接主控計(jì)算 機(jī)與儀器設(shè)備的紐帶；如果有設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，它適合于何種操作系統(tǒng)？如果沒 有，或者所帶的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序不符合用戶所用的操作系統(tǒng)，用戶就有必要針對(duì) - 10 - 所用接口卡，編寫設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序。 3、確定應(yīng)用管理程序的編程語言 用戶可以采用通用編程語一進(jìn)行編程，如 visual c+, visualbasic。也 可以采用專業(yè)的圖形化編程軟件進(jìn)行編程，如 labview 軟件。應(yīng)用軟件開發(fā)環(huán) 境的選擇，可因開發(fā)人員的喜好不同而不同，但最終都必須提供給用戶一個(gè)界 面友好、功能強(qiáng)大的應(yīng)

29、用程序。 2. 2 虛擬儀器開發(fā)平臺(tái) labview 在構(gòu)建虛擬儀器系統(tǒng)所需要的硬件平臺(tái)確定之后，就需要通過軟件來實(shí)現(xiàn) 需要達(dá)到的各種功能。軟件是虛擬儀器的關(guān)鍵，ni 公司提出“軟件就是儀器” 的概念直接導(dǎo)致虛擬儀器的產(chǎn)生，充分體現(xiàn)了這一點(diǎn)。虛擬儀器技術(shù)的發(fā)展和 應(yīng)用就是源于 ni 公司的虛擬儀器開發(fā)環(huán)境 labview。ni 公司開發(fā)的軟件平臺(tái)己 經(jīng)成為了虛擬儀器軟件技術(shù)事實(shí)上的標(biāo)準(zhǔn)。 2.2.1 labview 概述 labview 是虛擬儀器集成環(huán)境的簡稱，是目前應(yīng)用最廣、發(fā)展最快、功能 最強(qiáng)大的圖形化軟件開發(fā)集成環(huán)境。labview 本身是功能較完整的軟件開發(fā)環(huán) 境，它是作為替代常規(guī)的

30、 basic 或 c 語言而設(shè)計(jì)的。用方框圖代替了傳統(tǒng)的程 序代碼。作為編寫應(yīng)用程序的語言，除了編程方式不同外，labview 具備編程 語言的所有特征，因此被稱為 g (graphical)語言。labview 所運(yùn)用的設(shè)備圖標(biāo) 與工程師們習(xí)慣的大部分圖標(biāo)基本一致，這使得編程過程和思維過程非常相似。 用 labview設(shè)計(jì)的虛擬儀器可以脫離 labview 開發(fā)環(huán)境，最終呈現(xiàn)在用戶面前 的是和實(shí)際的硬件儀器相似的操作面板。 labview 包含有專門用于設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)采集程序和儀器控制程序的功能庫和開 發(fā)工具庫。labview 的程序設(shè)計(jì)實(shí)質(zhì)上就是設(shè)計(jì)單個(gè)的虛擬儀器，即“vis” 。 在計(jì)算機(jī)顯示

31、屏幕上利用功能庫和開發(fā)工具庫產(chǎn)生一個(gè)前面板（front panel） ； 在后臺(tái)則利用圖形化編程語言編制用于控制前面板的程序。程序的前面板具有 與傳統(tǒng)儀器類似的界面，可接受用戶的鼠標(biāo)指令。一般來說，每一個(gè) vi 都可以 作為其它 vi 的調(diào)用對(duì)象，其功能類似于文本語言的子程序。 labview 的核心是 vi。vi 有一個(gè)人機(jī)交互界面一前面板（front panel） 和類似于源代碼功能的方框圖（diagram） 。在 vi 的前面板中，控件 （controls）模擬了儀器的輸入裝置并把數(shù)據(jù)提供給 vi 的方框圖；而指示器 （indicators）則模擬了儀器的輸出裝置并顯示由方框圖獲得或產(chǎn)生

32、的數(shù)據(jù)。 一個(gè) vi 可以由底層的多個(gè) vi 組成，就像真實(shí)儀器由印刷電路板組成，而印刷 電路板又由 ic、分立元件組成一樣。底層的 vi 代表了最基本的計(jì)算，i/o 操作 與界面設(shè)計(jì)功能，各層 vi 都有相同的結(jié)構(gòu)形式。虛擬儀器模型、圖形界而和結(jié) 構(gòu)化數(shù)據(jù)流程圖編程是 labview 三大核心技術(shù)。 - 11 - 2.2.2 labview 的特點(diǎn) 與傳統(tǒng)程序語言不同，labview 采用強(qiáng)大的圖形化語言（g 語言）編程，面 向測試工程師而非專業(yè)程序員，編程非常方便，人機(jī)交互界面直觀友好，具有 強(qiáng)大的數(shù)據(jù)可視化分析和儀器控制能力等特點(diǎn)。labview 的強(qiáng)大功能歸因于它 的層次化結(jié)構(gòu)，用戶可

33、以把創(chuàng)建的 vi 程序當(dāng)作子程序調(diào)用，以創(chuàng)建更復(fù)雜的程 序，而這種調(diào)用的層次是沒有限制的。labview 這種創(chuàng)建和調(diào)用的子程序的方 法，使創(chuàng)建的程序結(jié)構(gòu)模塊化，更易于調(diào)試、理解和維護(hù)。labview 具有以下 幾個(gè)主要特點(diǎn)： 1、提供大量的儀器面板中的控制對(duì)象，如各種開關(guān)、表頭、旋鈕、圖表、 刻度桿、指示燈等，而且用戶可以方便地設(shè)計(jì)庫中沒有的儀器。 2、使用圖標(biāo)表示功能模塊，使用連線表示各模塊間的數(shù)據(jù)傳遞，使用數(shù)據(jù) 流程圖式的語言書寫程序源代碼，這樣使得編程過程與思維過程非常相近。 3、提供程序調(diào)試功能?？梢栽谠创a中設(shè)置斷點(diǎn)，單步執(zhí)行源代碼，連線 上設(shè)置探針，觀察程序運(yùn)行過程中數(shù)據(jù)流的變化

34、，可以直觀地對(duì)程序進(jìn)行動(dòng)態(tài) 調(diào)試并實(shí)時(shí)地記錄調(diào)試結(jié)果。 4、采用編譯方式運(yùn)行 32 位應(yīng)用程序，運(yùn)行速度快。應(yīng)用程序生成器可以 將 labview 編寫的文件轉(zhuǎn)化為可在 windows 下獨(dú)立執(zhí)行的軟件包，保護(hù)應(yīng)用程 序不被修改，也增強(qiáng)了程序運(yùn)行的靈活性。 5、提供動(dòng)態(tài)鏈接庫接口和外部代碼接口節(jié)點(diǎn)，使用戶能在它的平臺(tái)上使用 其它軟件平臺(tái)編譯的模塊。能調(diào)用 c，basic 語言程序。支持 activex 技術(shù)，可 以直接使用 vb，vc 生成的控件，可以在控件和程序之間交換數(shù)據(jù)。 6、支持 tcp/ /ip 協(xié)議，可以通過 internet 調(diào)用遠(yuǎn)程機(jī)上的 labview 程序。 使用 labv

35、iew 的 vi server 可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控。 2.2.3 labview 的模板 在虛擬儀器的開發(fā)過程中，設(shè)計(jì)者主要用到 labview 提供的三個(gè)模板進(jìn)行 程序開發(fā)。這三個(gè)模板是：工具模板（tool palette） ，控制模板（controls palette）和功能模板（function palette） 。 1、工具模板 工具模板提供了用于操作、編輯前面板和流程圖上對(duì)象的各種工具，若想 使用某操作工具，只需用鼠標(biāo)點(diǎn)擊該工具即可。工具模板如圖 2.2 所示。 - 12 - 圖 2.2 labview 工具模板 2、控制模板 控制模板提供了用于虛擬儀器前面板設(shè)計(jì)的各種控件。虛擬儀

36、器的前面板 (軟面板)是通過軟件實(shí)現(xiàn)的，也就是 labview 將傳統(tǒng)儀器的物理面板(硬面板) 上的各種旋鈕、開關(guān)、顯示屏等所有可能涉及到的操作部件，都做成外形相似 的“控件” ，分類存放在控制面板上，設(shè)計(jì)者在設(shè)計(jì)虛擬儀器前面板時(shí)，只需根 據(jù)需要選擇合適的“控件” ，并放置在前面板的相應(yīng)位置即可。 3、功能模板 功能模板是創(chuàng)建程序框圖的工具，只是在程序框圖作為當(dāng)前頁面顯示時(shí)才 出現(xiàn)。該模板上的每一個(gè)頂層圖標(biāo)都表示一個(gè)子模板。通過這些功能子模板可 以找到創(chuàng)建程序所需的程序框圖工具，比如運(yùn)算符號(hào)、各種類型的常數(shù)等，通 過連線把在前面板中創(chuàng)建的對(duì)象連成一個(gè)完整的程序流程。labview 將傳統(tǒng)儀 器

37、上的各種測試功能、信號(hào)分析、文件操作、i/o 接口設(shè)備驅(qū)動(dòng)做成可供直接 調(diào)用的庫函數(shù)。并將各個(gè)庫函數(shù)做成圖標(biāo)的形式存放在相應(yīng)功能的子模板上， 設(shè)計(jì)者在設(shè)計(jì)流程圖時(shí)，只需根據(jù)欲實(shí)現(xiàn)的功能與操作，從子模板上選擇相應(yīng) 的“圖標(biāo)”,并放在流程圖編輯窗口中相應(yīng)的位置上即可。 - 13 - 3 虛擬示波器的設(shè)計(jì) 數(shù)字示波器是科研和實(shí)驗(yàn)室中經(jīng)常使用的一種通用臺(tái)式儀器，用于各類簡 單信號(hào)、復(fù)雜信號(hào)、單次信號(hào)和周期信號(hào)波形的測量、記錄、存儲(chǔ)、分析。目 前這類儀器加工復(fù)雜、價(jià)格昂貴。用虛擬儀器技術(shù)只需配置必要的通用數(shù)據(jù)采 集硬件，應(yīng)用圖形化編程語言 labview 的虛擬編程環(huán)境，采用模塊化設(shè)計(jì)方法， 可以實(shí)現(xiàn)虛

38、擬示波器。 3.1 虛擬示波器的實(shí)現(xiàn)方案 虛擬示波器是由信號(hào)調(diào)理器、數(shù)據(jù)采集卡組成的外部采集系統(tǒng)和軟件構(gòu)成 的分析處理系統(tǒng)組成。被測信號(hào)送到信號(hào)調(diào)理電路，進(jìn)行隔離、放大、濾波整 流后送數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行 a/d 轉(zhuǎn)換，最后由控制軟件對(duì)測試信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理， 完成波形顯示，參數(shù)測量、頻譜分析等功能。虛擬示波器的結(jié)構(gòu)框圖如圖 5.1 所示 傳感器信號(hào)調(diào)整數(shù)據(jù)采集卡控制系統(tǒng) 輸出 圖 3.1 虛擬示波器的結(jié)構(gòu)框圖 3.2 虛擬示波器的硬件體系 3.2.1 硬件組成 硬件部分主要包括傳感器、信號(hào)調(diào)理電路及數(shù)據(jù)采集卡。而傳感器和信號(hào) 調(diào)理電路針對(duì)不同的測試對(duì)象有不同的選擇和設(shè)計(jì)。數(shù)據(jù)采集是硬件部分的核 心，

39、主要完成數(shù)據(jù)采集的控制，數(shù)據(jù)的讀取及數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換。它的性能直接影響 數(shù)據(jù)采集的速度和精度。另外，labview 可對(duì) ni 公司的數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行驅(qū)動(dòng)和 配置，可充分利用采集卡的性能。 3.2.2 數(shù)據(jù)采集卡 數(shù)據(jù)采集模塊采用 ni 公司的數(shù)據(jù)采集卡 pci6024e，它支持 dma 方式和 雙緩沖區(qū)模式，保證了實(shí)時(shí)信號(hào)不間斷采集與存儲(chǔ)。這種數(shù)據(jù)采集卡支持單極 性和雙極性模擬信號(hào)輸入，采樣速率可達(dá) 200kb/s，信號(hào)輸入范圍分別為-5 +5v 和-10+l0v。提供 16 路單端/8 路差動(dòng)模擬輸入通道、2 路獨(dú)立的 d/a 輸 出通道、8 位 24 線的,ttl 型數(shù)字 i/o，2 個(gè) 24

40、位 20mhz 的定時(shí)計(jì)數(shù)器，4 個(gè)模 擬輸入范圍等多種功能。 被測對(duì)象 - 14 - 數(shù)據(jù)采集卡通過多路開關(guān)、a/d 轉(zhuǎn)換新片和數(shù)據(jù)緩存的幾個(gè)部件將多通道 的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)并貯存在其緩存中，而計(jì)算機(jī)通過 labview 中的數(shù) 據(jù)采集 vi 對(duì)數(shù)據(jù)采集卡中的兒個(gè)部件的運(yùn)作進(jìn)行控制，數(shù)據(jù)采集卡和計(jì)算機(jī)之 間通過計(jì)算機(jī)總線含通信，交換數(shù)據(jù)和控制信息。一個(gè)多通道波形數(shù)據(jù)采集的 過程一般包括以下幾個(gè)步驟： 1、數(shù)據(jù)采集卡有關(guān)的采樣參數(shù)（頻率、次數(shù)、通道、數(shù)據(jù)緩存的大?。?。 2、采樣開始，多路開關(guān)對(duì)采樣通道進(jìn)行一次掃描，每個(gè)通道采樣一個(gè)點(diǎn)。 3、a/d 轉(zhuǎn)換。 4、數(shù)字信號(hào)存到數(shù)據(jù)緩存。 5

41、、重復(fù) 2-4，直到采集到了所需的采樣次數(shù)，全部數(shù)據(jù)順序存儲(chǔ)到緩存中。 6、從數(shù)據(jù)采集卡的緩存中讀取數(shù)據(jù)到計(jì)算機(jī)的內(nèi)存中。 - 15 - 4 虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 虛擬電子信息類的實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)應(yīng)包含函數(shù)發(fā)生器、信號(hào)濾波器和信號(hào)調(diào) 理電路等虛擬儀器，才能滿足電子信息類實(shí)驗(yàn)教學(xué)的需要。這些儀器的設(shè)計(jì)思 想和步驟同虛擬示波器，這里直接給出。 4.1 虛擬函數(shù)發(fā)生器 函數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生測量所需的信號(hào)源，其波形有正弦波、方波、三角波、鋸 齒波、正負(fù)脈沖、調(diào)幅調(diào)頻和隨機(jī)信號(hào)等不同種類，信號(hào)的頻率和幅值等參數(shù) 可按需要進(jìn)行調(diào)節(jié)。 本虛擬函數(shù)發(fā)生器可產(chǎn)生仿真信號(hào)，用于測試系統(tǒng)模型分析或信號(hào)性質(zhì)研 究。具有

42、如下特征：（1）能產(chǎn)生常用信號(hào)和任意信號(hào)波形。常用信號(hào)有正弦波、 方波、三角波和鋸齒波；任意信號(hào)波形由公式和含噪多諧波形特征值設(shè)定； （2）可設(shè)置波形的頻率、幅度、相位、直流偏移量、占空比等參數(shù)；（3）能 儲(chǔ)存和再現(xiàn)波形。 4.1.1 虛擬函數(shù)發(fā)生器的功能 labview 將測量中常用的信號(hào)函數(shù)做成了可以生成各種仿真信號(hào)波形序列 的功能模塊，供編程者方便地調(diào)用，除此之外，還可以利用公式波形節(jié)點(diǎn)，生 成指定的任意函數(shù)波形。 4.1.2 前面板和流程圖 虛擬函數(shù)發(fā)生器前面板如圖 4.1 所示。 - 16 - 圖 4.1 虛擬函數(shù)發(fā)生器前面板 該信號(hào)源能夠產(chǎn)生正弦波、方波、三角波和鋸齒波等波形，可方

43、便地對(duì)其 頻率、幅度、初相位、采樣參數(shù)等進(jìn)行調(diào)節(jié)，生成的波形在圖形顯示控件上形 象地顯示出來，對(duì)方波可進(jìn)行占空比的調(diào)節(jié)。圖 4.2 為虛擬函數(shù)發(fā)生器流程圖 圖 4.2 虛擬函數(shù)發(fā)生器框圖程序 在這種由計(jì)算機(jī)直接產(chǎn)生信號(hào)的數(shù)字系統(tǒng)中，注意信號(hào)頻率與采樣頻率之 間的關(guān)系必須滿足采樣定理，即采樣頻率大于 2 倍的最高信號(hào)頻率。在奎耐斯 特以下的頻率可以被正常采樣，而高于奎耐斯特的頻率將出現(xiàn)頻率混疊。在采 用傳統(tǒng)授課模式時(shí)，對(duì)于數(shù)字系統(tǒng)所特有的這種頻率混疊現(xiàn)象，學(xué)生感到抽象， 理解困難，而現(xiàn)在只需簡單的調(diào)節(jié)虛擬函數(shù)發(fā)生器的信號(hào)頻率參數(shù)和采樣頻率， 即可顯現(xiàn)。這種教學(xué)效果是純理論教學(xué)難以達(dá)到的。利用軟件

44、生成的各種虛擬 信號(hào)可對(duì)虛擬儀器的后續(xù)軟件處理部分進(jìn)行調(diào)試和功能檢驗(yàn)，還可以設(shè)計(jì)各種 虛擬儀器，實(shí)現(xiàn)各種理論分析及功能演示，為形象直觀教學(xué)提供了極大的方便。 4.2 虛擬微分器和積分器 4.2.1 儀器功能 由軟件生成各種典型的輸入信號(hào)（如正弦波信號(hào)的幅值、頻率、相位） ，并 在面板上顯示信號(hào)微分和積分前后的波形。 4.2.2 前面板和流程圖 虛擬微分器和積分器前面板和流程圖分別如圖 4.3 和圖 4.4 所示 - 17 - 圖 4.3 虛擬函數(shù)發(fā)生器前面板 圖 4.4 虛擬函數(shù)發(fā)生器框圖程序 4.3 虛擬數(shù)字濾波器 4.3.1 虛擬數(shù)字濾波器的功能 數(shù)字濾波器的基本原理是將信號(hào)數(shù)字化后，通過

45、一定的算法，應(yīng)用程序?yàn)V 波功能。與模擬濾波器相比，數(shù)字濾波器具有以下優(yōu)點(diǎn)：可以用軟件編程，穩(wěn) 定性高，可預(yù)測，不會(huì)因溫度、濕度的變化而影響測量誤差。應(yīng)用 labview 軟 件的數(shù)據(jù)分析工具包，該包中提供了豐富的信號(hào)分析處理相關(guān)程序，包括波形 測量、信號(hào)調(diào)理、信號(hào)監(jiān)測、波形發(fā)生和信號(hào)處理等，并提供了多種常用的濾 波器，使用時(shí)只需輸入相應(yīng)的指標(biāo)參數(shù)即可。濾波器位于 functions 模版 analyze 子模板signalprocessing 子模板filters 子模板中。 - 18 - 4.3.2 前面板和框圖程序 虛擬數(shù)字濾波器的前面板和框圖程序如圖 4.5 和 4.6 所示。 圖 4.5 虛擬數(shù)字濾波器前面板 圖 4.6 虛擬數(shù)字濾波器框圖程序 4.4 虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn) 在虛擬信號(hào)頻譜分析儀、虛擬數(shù)字濾波器、虛擬示波器、虛擬函數(shù)發(fā)生器、 - 19 - 虛擬積分器和微分器等實(shí)驗(yàn)教學(xué)用虛擬儀器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)上，如果將每一 臺(tái)儀器作為 subvi 集成在虛擬儀器實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)用戶界面下，可以方便地進(jìn)行 電子信息類實(shí)驗(yàn)的教學(xué)。虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)如圖 4.7 所示。 電子信息類虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)電子信息類虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng) 虛擬信號(hào)發(fā)生器 虛擬頻譜分析儀 虛擬濾波器虛擬示波器 虛擬微分積分器 圖 4.7 虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng) - 20 - 5 結(jié)論 數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)和工程測試技術(shù)是